高端淋浴房单片机控制水温系统详解

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摘 要:应用 STC89C52RC 单片机对淋浴房阀门出水水温进行控制。使用者可以预先设置好所需的淋浴水温,然后单片机系统通过与 DS18B20 传感器采集到的实时水温进行比较,控制两个步进电机的正反转来控制冷热水阀阀门的开关状态,使水温向用户所需的温度值逼近,从而解决淋浴系统中水温的控制。

  卫浴设施的演进历史大致经历了从木盆铅桶到陶瓷浴缸,再到热水器。随着生活条件的不断改善,人们对热水器的要求已不再局限于每天能洗个热水澡的要求[1]。在卫生间配备淋浴房已成为当前一种新的趋势。选择一套高质量的淋浴房,不仅让我们能够享受淋浴的快感,也避免了脏水外溢而造成的需要定期清洗的繁琐。淋浴设施的智能化,能够使人们的家居生活变得更加舒适与安全,温度控制和流量控制构成了淋浴房水温智能控制系统,水温控制是控制调节水的温度,让淋浴房的淋浴温度在我们需要的温度范围内;而流量控制则是对冷、热水的进水量进行调节[3]。

  本文设计一种淋浴房温度控制系统[4-5],从系统总体分析与器件的选择,硬件电路的设计,系统软件电路的设计和系统调试四个部分来分析介绍。该设计控制器使用单片机 STC89C52,测温传感器使用 DS18B20,用 1602LCD 液晶显示实现温度显示[6]。整个淋浴控制系统主要由温度采集模块、液压阀门控制模块、水温设置输入模块等组成。利用温度传感器感知水温及淋浴环境温度;应用 51 单片机对所感知的数据进行采集、计算,并与设定的温度对比、分析、判断;使用步进电机实现对热水器液压阀门冷热水进水量的控制,不断重复以上步骤,形成一个闭合环路,使温度始终跟随着设定的温度,从而实现淋浴系统水温的控制。


1、系统的硬件结构设计:

   基于单片机的淋浴房水温控制系统的硬件电路由 5 个模块组成:水温数据采集模块、液晶显示模块、报警模块、水温按键设置模块和升降温控制模块。系统的电原理图如图 1 所示。首先,采用 MCS-51 系列单片机为系统的控制核心,本设计采用的单片机型号为 STC89C52RC;其次,选择一种适合现场要求的、性价比高的智能型温度传感器 DS18B20[7-8],通过它把现场温度信息转换成电数字信号,并作相应的处理;然后,选择能够显示用户需求水温和现场实时温度的一种液晶显示屏,本设计中采用的液晶显示屏型号为LCD1602;最后,在水温控制系统中采用四相步进电机 28BYJ48 作为控制液压阀门控制器[9-10],通过控制阀门流量,控制冷热水进水量,从而达到控制水温的目的。当水温温度超出用户设置的上下限时,报警系统工作,能使用户快速了解现场状况,以便做出快速准确的处理。

 当温度传感器 DS18B20 检测到水温的温度超过设定的温度上下限平均值时,步进电机 1 正转,带动冷水阀阀门开大,让通过冷水阀的冷水流量增大,从而达到降温的目的;反之,当检测到的水温低于设定的温度上下限平均值时,步进电机 2 正转,热水阀门开大,热水流量增大,从而达到升温的目的。在水温控制中,DS18B20 检测到的水温与用户设置的水温上下限的平均值的差值与步进电机的转动角度成正比,差值越大转动角度就越大,这样能更加迅速的使水温向用户需要的温度靠近,更加人性化。下面分模块介绍。

  温度传感器 DS18B20 电路的设计目前,在工业控制的很多领域,测温电路一般是由热敏电阻所组成,然后再经过 A/D 转换后实现测温,达到温度控制的目的。但是,不稳定性显著是热敏电阻的一大缺点,这样就容易导致所测量出来的温度值精度不高,并且容易受外界影响。

  本研究所采用的温度传感器是 DALLAS 公 可以挂在同一根通信线上,既方便又节省 I/O 口。司生产的 DS18B20 数字温度传感器,它是单总线 本设计中 DS18B20 的供电采用外接电源供电方器件,具有线路简单、体积小的特点。用它所设 式进行。基于 DS18B20 的温度测量电路如图 2 所计出来的电路也就简单明了。而且多个 DS18B20 示。

图 1	系统的电原理图


图 1 系统的电原理图

图 2	温度测量电路图

图 2 温度测量电路图

  本设计中 DS18B20 采用外部供电方式,接一个 4.7 kΩ 的上拉电阻是为了能够保证在有效的 DS18B20 时钟周期内提供足够的电流。上拉电阻是必须的,特别是当 DS1SB20 处于写存储器操作和温度 A/D 转换操作时,上拉开启时间最大为 10 μs。DS18B20 在空闲时,其数据传输端口由一个 4.7 kΩ 的上拉电阻置为高电平。本系统采用封装为 TO-92 的 DS18B20。DS18B20 只有 3 根外部引线:共用地线 GND,单线的数据传输端口,外部供电的电源线 VCC 等。


1.2、液晶显示器电路的设计:

   它是平板显示器的一种,具有低电压、微功耗、无辐射、小体积等特点。因而本设计采用液晶显示器显示淋浴房的温度信息。液晶显示器的接口电路有两种:一种是总线式接口电路方式;另一种是非总线式接口电路方式。总线接口电路是作为外部数据存储器访问数据存储器单元的,示器,可以充分发挥单片机的总线读写功能,便于升级和扩大。而非总线 I/ O 端口的读写不灵活,不易升级。LCD1602 液晶显示器是字符点阵液晶显示屏,可显示 16×2 字符,满足本设计要求。单芯片的数字温度被送到液晶显示模块,并按照格式显示在液晶显示模块的显示屏上。其具体的电路设计如图 3 所示。

图 3	液晶显示电路图

图 3 液晶显示电路图

2、系统的软件设计:

 本设计的整个程序控制的目的是实现使淋浴水温维持在设定的温度上下限之间,并在上下限温度平均值上下波动,并把淋浴水温的水温状况实时显示出来,使淋浴更加舒适更加安全。本系统软件程序编译与调试在 Keil 软件下进行,由于 Keil 软件既能进行软件编译,还可以把 ASM 文件编译成十六进制的 HEX 文件,又能够配合仿真模块实现硬件仿真。采用模块化与结构化的设计方法对整个水温控制系统进行软件编程。整个水温控制系统程序也相应的分为六个模块:温度数据采集程序模块、LCD 显示程序模块、水温控制输出模块、水温按键设置模块、水温超限报警模块和主程序模块等。下面简单介绍一下主要模块的程序流程框图。

 

2.1、系统主程序模块设计:

 系统主程序的主要功能是在系统上电后对 I/O 口、中断系统、计数器/定时器等特殊功能寄存器进行赋值的一系列初始化工作。使水温数据采集、水温按键设置、LCD 显示模块、水温超限报警等模块与单片机之间能够进行正常的数据传输。包括转入检测控制程序,接下来等待中断响应来执行相应的中断服务子程序。主程序程序框图如图 4 所示。

图 4	系统的程序框图


图 4 系统的程序框图

主程序的基本功能是在 STC89C52 型单片机的控制下,对根据淋浴水温检测模块 DS18B20 检测得到的水温数字信号与给定信号进行比较、判断,根据判断结果控制冷、热水阀的开口量,进而达到控制水温的目的。

 

2.2、温度数据采集子程序模块设计:

 本系统采用的温度传感器型号为 DS18B20 ,它是单总线器件。它的软件程序分为几个程序阶段:初始化 DS18B20 ,启动温度转换,读取温度寄存器,读温度低 8 位,读温度高 8 位。其中有四个子程序,分别为初始化 DS18B20 ,读一个字节,写一个字节,读取温度值等。温度采集子程序的程序流程框图如图 5 所示。

图5  温度采集子程序框图


图5  温度采集子程序框图

2.3、液晶显示驱动子程序模块设计:

 显示模块采用 LCD1602 液晶显示器,单片机将处理结束的数据传送给 LCD 显示,包括 LCD 初始化、写指令数据到 LCD、写显示数据到 LCD 等,数据通过 LCD 显示出来,用户一目了然。

 

2.4、步进电机驱动子程序模块设计:

  本设计应用了两个步进电机来控制冷、热水控制阀门工作。该电路采用恒压桥式驱动芯片L298N。L298N 芯片可以驱动一个步进电机的输出电压可达 46V,输出电压可以直接通过电源来调节。其驱动电路如图 1 所示。为了更好的保护工作器件,八个二极管用于防止电流过大反向流回控制端,用于保护芯片,避免芯片受损。步进电机驱动子程序的程序框图如图 6 所示。

图 6	步进电机驱动子程序框图


3、结语:

 本系统以 STC89C52RC 单片机为控制核心,分别进行了软硬件的设计。采用数字温度传感器 DS18B20 进行温度数据采集,通过四相步进电机 28BYJ48 来控制热水器液压阀门冷热水进水量。软件在 Keil 开发平台上用 C 语言编写,程序采用模块化设计方案。本系统较好地解决了淋浴系统中水温的控制问题。







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