CN107908208A - 智能液体恒温控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于温度控制技术领域，具体涉及一种智能液体恒温控制装置及方法，包括控制器和供电模块，控制器的输入端连接有按键输入模块和温度采集模块，控制器的输出端连接有显示模块和舵机控制模块；按键输入模块用于获取目标水温；温度采集模块用于采集混水阀出水口的实时水温；显示模块用于显示实时水温和目标水温；控制器用于控制数字舵机旋转或停止旋转；舵机控制模块包括安装于混水阀上的数字舵机，数字舵机用于控制混水阀的开度，实现混水阀出水口的水温的恒温调节。本发明通过控制数字舵机的旋转角度进而控制混水阀的开度，从而实现精确的调节混水阀出水口的水温，且本装置结构简单，成本低，故障率低。

Description

智能液体恒温控制装置及方法

技术领域

本发明属于温度控制技术领域，具体涉及一种智能液体恒温控制装置及方 法。

背景技术

现有的恒温阀(恒温控制器)主要包括五部分，分别是：热水进水口、冷 水进水口、混水出口、柱状活塞、感温热敏元件。其恒温原理是：混合出口处， 装有一个热敏元件，利用感温元件的特性推动阀体内阀芯移动，自动调节冷热 水进水口的开度，当温度调节旋纽设定某一温度后，不论冷、热水进水温度、 压力如何变化，进入出水口的冷热水比例都能随之变化，从而使出水温度始终 保持恒定，调温旋纽可在产品规定温度范围内任意设定。

但是，现有的这种恒温阀也存在以下问题：

第一，由于恒温龙头内部非常精密，对于水质的要求很高，如果水质内含 有大量杂质，长期可能导致恒温控制阀被堵住，影响温度的调控。

第二，恒温阀的感温元件为高纯度石蜡，零件的加工和组装都必须十分精 确。目前只有日本、德国等极少数厂家生产的石蜡恒温阀芯真正能够稳定控制 水温。

第三，目前国内较多采用的是石蜡的阀芯，这种阀芯反映相对较慢，尤其 是质量无法保障的品牌阀芯非常容易出问题。

第四，由于其精密的构造特点，这种恒温阀价格比较贵。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种智能液体恒温控制装置及方 法，通过控制数字舵机的旋转角度进而控制混水阀的开度，从而实现精确的调 节混水阀出水口的水温，且本装置结构简单，成本低，故障率低。

一种智能液体恒温控制装置，包括控制器和供电模块，所述控制器的输入 端连接有按键输入模块和温度采集模块，所述控制器的输出端连接有显示模块 和舵机控制模块；

所述按键输入模块，用于获取用户设置的目标水温，并发送给所述控制器；

所述温度采集模块，用于采集所述混水阀出水口的实时水温，并发送给所 述控制器；

所述显示模块，用于接收和显示所述控制器发送的所述实时水温和所述目 标水温；

所述控制器，用于将所述实时水温和所述目标水温发送给所述显示模块， 还用于计算所述实时水温与所述目标水温的差值，将所述差值与阈值进行比较 得到比较结果，并根据所述比较结果控制数字舵机旋转或停止旋转；

所述舵机控制模块包括安装于混水阀上的所述数字舵机，所述数字舵机用 于根据所述控制器的控制旋转或停止旋转，带动所述混水阀的阀门旋转或停止 旋转，从而控制混水阀的开度，实现所述混水阀出水口的水温的恒温调节。

优选地，所述按键输入模块包括关闭按键B2、粗调按键B4、微调按键B5 和唤醒按键B3，所述控制器的关闭输入端、粗调输入端、微调输入端和唤醒 复位输入端分别经关闭按键B2、粗调按键B4、微调按键B5和唤醒按键B3接 地，所述唤醒按键B3的两端并联电解电容C1，所述唤醒按键B3的高电平端 经电阻R6接电源。

优选地，所述温度采集模块包括温度传感器U1，所述温度传感器U1的输 出端接所述控制器的温度输入端、经上拉电阻R5接电源。

优选地，所述显示模块包括显示屏，所述控制器的八个数据输出端分别接 所述显示屏的八个数据输入端，所述控制器的三个显示控制端分别接显示屏的 寄存器选择端、读写信号端和使能端。

优选地，所述舵机控制模块还包括上拉电阻R9，所述控制器的舵机控制 端接所述数字舵机的输入端，所述数字舵机的输入端经上拉电阻R9接电源。

优选地，所述供电模块包括第一供电模块和第二供电模块，所述第一供电 模块用于给所述控制器、所述温度采集模块和所述显示模块供电，所述第二供 电模块用于给所述舵机控制模块供电。

优选地，所述第一供电模块包括第一稳压芯片U4，所述第一稳压芯片U4 的输入端接外接电源、还经滤波电容C5接地，所述第一稳压芯片U4的输出端 经滤波电容C4接地、经依次串联的电阻R7和发光二极管D1接地、且输出5V 直流电压。

优选地，所述第二供电模块包括第二稳压芯片U5，所述第二稳压芯片U5 的输入端接外接电源、还经滤波电容C7接地，所述第二稳压芯片U5的输出端 经滤波电容C6接地、经依次串联的电阻R8和发光二极管D2接地、且输出5V 直流电压。

一种智能液体恒温控制方法，包括以下步骤：

S1,显示屏、温度传感器初始化；

S2，控制数字舵机旋转30°，带动混水阀的阀门旋转30°，混水阀热水 通道打开，延长10s；

S3，是否正确获取温度传感器采集的混水阀出水口的实时水温，若否返回 S1，否则进入步骤S4；

S4，控制显示屏显示实时水温和用户默认的初始水温38°；

S5，获取粗调按键或/和微调按键的粗调指令或/和微调指令，根据设置温 度、粗调指令或/和微调指令计算目标温度，并在显示屏上显示目标温度；

S6，计算目标水温和实时水温的差值，并判断差值是否小于阈值，若否进 入步骤S7，若是进入步骤S8；

S7，控制数字舵机旋转，调节混水阀的开度，实时获取温度传感器采集的 实时水温，返回步骤S6；

S8，控制数字舵机停止旋转，混水阀的开度维持不变；

S9，是否获取到关闭按键的关闭指令，若否返回步骤S9，若是进入步骤 S10；

S10，控制数字舵机旋转至初始状态，混水阀关闭；

S11，是否获取到唤醒按键的唤醒指令，若否返回步骤S11，若是返回步 骤S2。

本发明的有益效果为：本发明通过控制数字舵机的旋转角度进而控制混水 阀的开度，从而实现精确的调节混水阀出水口的水温，且本装置结构简单，成 本低，故障率低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将 对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附 图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分 并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本实施例中智能液体恒温控制装置的电路结构框图；

图2为本实施例中控制器的电路结构图；

图3为本实施例中按键输入模块的电路结构图；

图4为本实施例中温度采集模块的电路结构图；

图5为本实施例中舵机控制模块的电路结构图；

图6为本实施例中显示模块的电路结构图；

图7为本实施例中供电模块的电路结构图；

图8为本实施例中智能液体恒温控制方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例 仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限 制本发明的保护范围。需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语 或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

实施例：

本实施例提供的一种智能液体恒温控制装置，如图1～图7所示，包括控 制器和供电模块，所述控制器的输入端连接有按键输入模块和温度采集模块， 所述控制器的输出端连接有显示模块和舵机控制模块；

所述按键输入模块，用于获取用户设置的目标水温，并发送给所述控制器；

所述温度采集模块，用于采集所述混水阀出水口的实时水温，并发送给所 述控制器；

所述显示模块，用于接收和显示所述控制器发送的所述实时水温和所述目 标水温；

所述控制器，用于将所述实时水温和所述目标水温发送给所述显示模块， 还用于计算所述实时水温与所述目标水温的差值，将所述差值与阈值进行比较 得到比较结果，并根据所述比较结果控制数字舵机旋转或停止旋转；

所述舵机控制模块包括安装于混水阀上的所述数字舵机，所述数字舵机用 于根据所述控制器的控制旋转或停止旋转，带动所述混水阀的阀门旋转或停止 旋转，从而控制混水阀的开度，实现所述混水阀出水口的水温的恒温调节。

本实施例的混水阀采用普通的二进一出的混水阀，该混水阀所述包括热水 通道、冷水通道、出水通道、以及控制热水通道和冷水通道的阀门，数字舵机 安装于混水阀的阀门上，温度传感器安装于出水通道的出水口处，控制器通过 控制数字舵机的转动进而控制阀门的转动，进一步控制热水通道和冷水通道的 开度。

如图2所示，本实施例采用ATMEL公司旗下的ATMEGA16单片机，该单片 机内部自带1MHz晶振，无需设计外部振荡电路，该单片机的PA、PB、PC、PD 均为8位双向I/O(输入/输出)接口，且PA、PB、PC、PD的每一位都具有第 二或第三功能，另外，该单片机的复位形式为低电平复位。

如图3所示，所述按键输入模块包括关闭按键B2、粗调按键B4、微调按 键B5和唤醒按键B3，所述控制器的关闭输入端PB1、粗调输入端PB2、微调 输入端PB3和唤醒复位输入端RESET分别经关闭按键B2、粗调按键B4、微调 按键B5和唤醒按键B3接地，所述唤醒按键B3的两端并联电解电容C1，所述 唤醒按键B3的高电平端经电阻R6接电源。

本实施例的关闭按键B2对应的是关闭混水阀的功能，当按下关闭按键B2 后，单片机会立即产生一种控制信号，驱使数字舵机回到初始状态，此时混水 阀处于关闭状态。粗调按键B4对应的是粗调用户设置的水温，在使用过程中， 当用户按下粗调按键B4后，那么设置的水温会自动加10℃，例如，当前默认 的初始水温为38℃，若用户按下粗调按键B4，那么用户设置的目标水温将变 为48℃。微调按键B5对应的是微调用户设置的水温，在使用过程中，当用户 按下微调按键B5后，那么设置的水温会自动加1℃，例如，粗调后的目标水 温为48°，若用户按下微调按键B4，那么用户设置的水温将变为为49℃。

本实施例的唤醒按键B3对应的是唤醒单片机的功能，当用户洗浴完毕，按 下关闭按键B2后，混水阀处于关闭状态，此时唯有按下图3中的唤醒按键B3， 该智能液体恒温控制器的功能才重新被启用。图3中的RESET信号直接连接到 单片机的复位引脚，电路中使用电阻R6和电解电容C1产生指定宽度的低脉冲 信号，可以使单片机唤醒(复位)功能更有效。

如图4所示，所述温度采集模块包括温度传感器U1，采用型号为DS18B20 的芯片，所述温度传感器U1的输出端DQ接所述控制器的温度输入端PB7、经 上拉电阻R5接电源，使用上拉电阻R5对温度传感器的输出端提供了上拉电 流，这样温度传感器可以更稳定地工作。

如图6所示，所述显示模块包括显示屏，所述显示屏的型号为LM016L， 所述控制器的八个数据输出端PC0-PC7分别接所述显示屏的八个数据输入端 D0-D7，所述控制器的三个显示控制端PD0、PD1、PD2分别接显示屏的寄存器 选择端RS、读写信号端RW和使能端E。对单片机进行编程，可以产生显示屏 所需的数据和控制信号。

如图5所示，所述舵机控制模块还包括上拉电阻R9，所述控制器的舵机 控制端FRE接所述数字舵机的输入端PD5(对单片机进行编程，可以在PD5引 脚产生PWM信号)，所述数字舵机的输入端经上拉电阻R9接电源,使用上拉电 阻R9对数字舵机的控制端提供了上拉电流，这样数字舵机可以更稳定地工 作。

如图7所示，所述供电模块包括第一供电模块和第二供电模块，所述第一 供电模块用于给所述控制器、所述温度采集模块和所述显示模块供电，所述第 二供电模块用于给所述舵机控制模块供电。在本实施例中用同一供电模块给控 制器、温度传感器、显示屏和数字舵机供电时，数字舵机在工作状态下拉低电 压，可能导致控制器、温度传感器和显示屏不能正常工作，因而分别供电，第 一供电模块给控制器、温度传感器和显示屏供电，第二供电模块给数字舵机供 电。

所述第一供电模块包括第一稳压芯片U4，所述第一稳压芯片U4采用型号 为L7805的芯片，所述第一稳压芯片U4的输入端接外接电源(POW_IN为外接 电源输入5V-10V电压)、还经滤波电容C5接地，所述第一稳压芯片U4的输出 端经滤波电容C4接地、经依次串联的电阻R7和发光二极管D1接地、且输出 5V直流电压。滤波电容C4和滤波电容C5滤除电源的高频分量，使得到的输 出电压更纯净。

所述第二供电模块包括第二稳压芯片U5，所述第二稳压芯片U5采用型号 为LM1117T-5.0，所述第二稳压芯片U5的输入端接外接电源(POW_IN为外接 电源输入5V-10V电压)、还经滤波电容C7接地，所述第二稳压芯片U5的输出 端经滤波电容C6接地、经依次串联的电阻R8和发光二极管D2接地、且输出 5V直流电压。滤波电容C6和滤波电容C7滤除电源的高频分量，使得到的输 出电压更纯净。

本实施例中为了检测L7805(图3)和LM1117T-5.0(图4)是否正常工作， 在L7805的输出端(SCM_POW)连接了一个指示电路(电阻R7和发光二极管 D1)，在LM1117T-5.0的输出端(DJVCC)连接一个指示电路(电阻R8和发光 二极管D2)，如果L7805和LM1117T-5.0的输出电压均正常，那么D1和D2会 正常发光。

一种智能液体恒温控制方法，如图8所示，基于上述的智能液体恒温控制 装置，包括以下步骤：

S1,显示屏、温度传感器初始化；

S2，控制数字舵机旋转30°，带动混水阀的阀门旋转30°，混水阀热水 通道打开，延长10s；

S3，是否正确获取温度传感器采集的混水阀出水口的实时水温，若否返回 S1，否则进入步骤S4；

S4，控制显示屏显示实时水温和用户默认的初始水温38°；

S5，获取粗调按键或/和微调按键的粗调指令或/和微调指令，根据设置温 度、粗调指令或/和微调指令计算目标温度，并在显示屏上显示目标温度；

S6，计算目标水温和实时水温的差值，并判断差值是否小于阈值，若否进 入步骤S7，若是进入步骤S8；

S7，控制数字舵机旋转，调节混水阀的开度，实时获取温度传感器采集的 实时水温，返回步骤S6；

S8，控制数字舵机停止旋转，混水阀的开度维持不变；

S9，是否获取到关闭按键的关闭指令，若否返回步骤S9，若是进入步骤 S10；

S10，控制数字舵机旋转至初始状态，混水阀关闭；

S11，是否获取到唤醒按键的唤醒指令，若否返回步骤S11，若是返回步 骤S2。

本实施例的数字舵机是用PWM(Pulse Width Modulation，中文译为脉冲 宽度调制)波形实现旋转的角度。具体地说，它内部有一个基准电路，产生周 期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电 压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机 的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压 差为0，电机停止转动。此外，由于数字舵机包含一系列减速齿轮，它能输出 较大的扭矩，这种扭矩能保证数字舵机带动混水阀实现旋转。

通过对单片机的编程，可以使单片机产生特定的PWM波形，继而控制数字 舵机实现一定角度的旋转。具体地，单片机接收来自温度传感器采集到的混水 阀(不需要具有恒温功能)出水口的温度信号，并同时将混水阀出水口的温度 传送给单片机，经程序处理后，单片机输出控制数字舵机旋转角度的控制信号， 由于数字舵机直接装在阀门上，因此单片机可以实时控制混水阀的旋转角度。 本实施例的的智能恒温控制装置上电(或复位)时，默认用户设定的初始水温 为38℃，在用户不自行设定水温的前提下，出水口的水温将恒定在38℃左右 (37-39℃)，无需任何设置。

混水阀出水口的实时水温和用户设置的目标水温都显示在显示屏上，如果 用户设置的目标水温与出水口的实时水温之差的绝对值大于阈值1，则舵机旋 转以调节当前混水阀出水口的水温，否则舵机停止旋转，当前阀门出水口的温 度近似等于用户设置的水温(温差在1度范围内)，达到用户所需的温度，从 而实现智能恒温的调节。

本实施例的控制器可对舵机进行循环往复旋转，具体为：从初始位置旋转 到混水阀对应的热水通道最大位置(45°)，再返回初始位置；从初始位置旋 转到混水阀对应的冷水通道最大的位置(-45°)，再返回初始位置。在旋转过 程中不断采集出水口的温度，周而复始。

本技术方案的另一种表现形式为，在具有独立的热水和冷水通道系统中， 将舵机安装于热水通道对应的进出阀门上，这样仍然具有恒温作用，只是不能 彻底关闭出水系统。

本实施例的智能液体恒温控制器相比现有的恒温阀，具有多方面优点：

1、不需要构造精密的恒温阀，也不需要任何石蜡材料，只需要普通的二 进一出阀门即可。

2、使用方便：系统上电默认用户设定的初始水温为38度，在用户不自行 重设水温的前提下，出水口的水温将恒定在38度左右(37-39度)，无需任何 设置。

3、出水口温度可以广范围调节：用户水温设置键盘上的各功能按键具有 粗调节(10度为单位)和精细调节(1度为单位)两种模式，理论上出水口能 达到的温度范围在全开冷水和全开热水达到的温度之间。

4、智能温度反馈控制：本控制器在工作过程中，如果用户设置的水温与 阀门出水口的温差太大(温差绝对值大于1)，控制器就会通过控制数字舵机 来不断控制混水阀阀门旋转角度，直到用户设置的水温与阀门出水口的温度近 似相等(温差绝对值小于1)为止。

5、一键关闭和唤醒功能：用户洗浴完毕，可以按下关闭按键，阀门会立 即自动关闭(出水口不再出水)，此时按下唤醒按键，控制器恢复水温自动调 节功能。

6、实时温度显示功能：显示屏实时显示用户设置的目标温度，同时实时 显示混水阀出水口的温度。

7、实时温度调节功能：控制器正常工作过程中，用户可以随时改变想要 达到的水温，无需关机再重启。

8、本控制器成本低廉：样品的成本远远比现有的恒温阀的价格低。

9、故障率低：整个调温过程是由单片机完成的，程序的执行不需要人工 干预。

10、功耗非常低、节能、环保：控制器的功率在5W-8W之间(假设洗浴的 平均时间为15分钟，电价为0.5元/度，那么一次洗浴需要支付的电费最多为 0.1分钱)，控制器不产生任何污染物质。

11、设计和制造方便：混水阀、数字舵机和温度传感器都是现有的，利用 现有设备进行设计，结构简单、成本低。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其 限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术 人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者 对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相 应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明 的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (9)

1.一种智能液体恒温控制装置，其特征在于，包括控制器和供电模块，所述控制器的输入端连接有按键输入模块和温度采集模块，所述控制器的输出端连接有显示模块和舵机控制模块；

所述按键输入模块，用于获取用户设置的目标水温，并发送给所述控制器；

所述温度采集模块，用于采集所述混水阀出水口的实时水温，并发送给所述控制器；

所述显示模块，用于接收和显示所述控制器发送的所述实时水温和所述目标水温；

所述控制器，用于将所述实时水温和所述目标水温发送给所述显示模块，还用于计算所述实时水温与所述目标水温的差值，将所述差值与阈值进行比较得到比较结果，并根据所述比较结果控制数字舵机旋转或停止旋转；

所述舵机控制模块包括安装于混水阀上的所述数字舵机，所述数字舵机用于根据所述控制器的控制旋转或停止旋转，带动所述混水阀的阀门旋转或停止旋转，从而控制混水阀的开度，实现所述混水阀出水口的水温的恒温调节。

2.根据权利要求1所述的智能液体恒温控制装置，其特征在于，所述按键输入模块包括关闭按键B2、粗调按键B4、微调按键B5和唤醒按键B3，所述控制器的关闭输入端、粗调输入端、微调输入端和唤醒复位输入端分别经关闭按键B2、粗调按键B4、微调按键B5和唤醒按键B3接地，所述唤醒按键B3的两端并联电解电容C1，所述唤醒按键B3的高电平端经电阻R6接电源。

3.根据权利要求1所述的智能液体恒温控制装置，其特征在于，所述温度采集模块包括温度传感器U1，所述温度传感器U1的输出端接所述控制器的温度输入端、经上拉电阻R5接电源。

4.根据权利要求1所述的智能液体恒温控制装置，其特征在于，所述显示模块包括显示屏，所述控制器的八个数据输出端分别接所述显示屏的八个数据输入端，所述控制器的三个显示控制端分别接显示屏的寄存器选择端、读写信号端和使能端。

5.根据权利要求1所述的智能液体恒温控制装置，其特征在于，所述舵机控制模块还包括上拉电阻R9，所述控制器的舵机控制端接所述数字舵机的输入端，所述数字舵机的输入端经上拉电阻R9接电源。

6.根据权利要求1所述的智能液体恒温控制装置，其特征在于，所述供电模块包括第一供电模块和第二供电模块，所述第一供电模块用于给所述控制器、所述温度采集模块和所述显示模块供电，所述第二供电模块用于给所述舵机控制模块供电。

7.根据权利要求6所述的智能液体恒温控制装置，其特征在于，所述第一供电模块包括第一稳压芯片U4，所述第一稳压芯片U4的输入端接外接电源、还经滤波电容C5接地，所述第一稳压芯片U4的输出端经滤波电容C4接地、经依次串联的电阻R7和发光二极管D1接地、且输出5V直流电压。

8.根据权利要求6所述的智能液体恒温控制装置，其特征在于，所述第二供电模块包括第二稳压芯片U5，所述第二稳压芯片U5的输入端接外接电源、还经滤波电容C7接地，所述第二稳压芯片U5的输出端经滤波电容C6接地、经依次串联的电阻R8和发光二极管D2接地、且输出5V直流电压。

9.一种智能液体恒温控制方法，基于权利要求1所述的智能液体恒温控制装置，包括以下步骤：

S1,显示屏、温度传感器初始化；

S2，控制数字舵机旋转30°，带动混水阀的阀门旋转30°，混水阀热水通道打开，等待10s；

S3，是否正确获取温度传感器采集的混水阀出水口的实时水温，若否返回S1，否则进入步骤S4；

S4，控制显示屏显示实时水温和用户默认的初始水温38°；

S5，获取粗调按键或/和微调按键的粗调指令或/和微调指令，根据设置温度、粗调指令或/和微调指令计算目标温度，并在显示屏上显示目标温度；

S6，计算目标水温和实时水温的差值，并判断差值是否小于阈值，若否进入步骤S7，若是进入步骤S8；

S7，控制数字舵机旋转，调节混水阀的开度，实时获取温度传感器采集的实时水温，返回步骤S6；

S8，控制数字舵机停止旋转，混水阀的开度维持不变；

S9，是否获取到关闭按键的关闭指令，若否返回步骤S9，若是进入步骤S10；

S10，控制数字舵机旋转至初始状态，混水阀关闭；

S11，是否获取到唤醒按键的唤醒指令，若否返回步骤S11，若是返回步骤S2。