CN110313857A

CN110313857A - 一种智能节水淋浴装置及控制方法

Info

Publication number: CN110313857A
Application number: CN201910299130.2A
Authority: CN
Inventors: 刘守军; 汪思翔; 林祉谦; 介若楠; 郑双元
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2019-04-15
Filing date: 2019-04-15
Publication date: 2019-10-11

Abstract

本发明提出一种智能节水淋浴装置及控制方法，包括支架、底板、花洒、混水阀、舵机和电源，混水阀通过线缆与舵机相连，混水阀的冷、热水进口分别与冷、热水管相连通，出口与出水管一端相连通，另一端连接三通管的第一管口，第二、第三管口分别连接废水收集管和花洒进水管，还包括监测系统和控制系统，监测系统包括温度三个传感器、三个电磁阀、温湿度传感器和人体感应开关，控制系统包括触摸屏和主控芯片，通过触摸屏选择温控模式，主控芯片接收信号，并向电磁阀发送启闭命令，控制自动调节水温及水流通断。本发明能够提高淋浴装置节水控制精度及智能化程度。

Description

一种智能节水淋浴装置及控制方法

技术领域

本发明属于家庭淋浴装置的技术领域，尤其涉及一种智能节水淋浴装置及控制方法。

背景技术

由于经济的发展及世界人口的不断增长，人类对淡水的需求量日益增加，与此同时，水资源短缺情况也日趋严峻，淡水资源的短缺将会导致地区或部门之间对水资源的争夺进而可能有引发武装冲突的隐患。对水资源特别是淡水资源的节约保护利用也成为了人们不得不面对的一个重要话题。在日常生活中，我们用水量最多的设备之一就是早已普及的家庭淋浴，但目前的家用淋浴普遍存在着诸如热水流出前的冷水浪费、试温时的水流浪费等水资源利用不合理的问题，同时人们在沐浴时也很少在意这种水资源的浪费。与此同时，现存的家用淋浴系统存在着水温波动较大，智能化相对不足等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述存在的问题，提供一种智能节水淋浴装置及控制方法，解决了普通家用淋浴水温控制不精、水流浪费以及智能化不足的问题。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种智能节水淋浴装置，包括支架、底板、花洒、混水阀、舵机和电源，所述支架由立柱及横梁组成，底板设于地面上与立柱相连，所述花洒置于横梁上，所述混水阀置于立柱上，通过线缆与所述舵机相连，混水阀的冷、热水进口分别与冷、热水管相连通，出口与出水管一端相连通，其特征在于，出水管另一端连接三通管的第一管口，所述三通管的第二、第三管口分别连接废水收集管和花洒进水管，所述废水收集管与废水收集桶相连通，所述花洒进水管与花洒相连通；

还包括监测系统和控制系统，所述监测系统包括分别设于冷、热水管及出水

管上的第一、第二、第三温度传感器，分别设于第一、第二、第三管口上的第一、第二、第三电磁阀，设于横梁上的温湿度传感器，和设于立柱上的人体感应开关，所述控制系统包括触摸屏和主控芯片，所述触摸屏设于立柱上，通过线缆与所述主控芯片相连，主控芯片的信号输入端通过线缆分别与所述第一、第二、第三温度传感器、温湿度传感器、人体感应开关相连，信号输出端通过线缆分别与所述第一、第二、第三电磁阀、舵机和电源相连。

一种智能节水淋浴装置的控制方法，其特征在于，包括如下内容：

首先用户在触摸屏上选择洗浴模式，有自动及手动两种模式，当在自动模式下，系统可根据内部实时时钟的时间来判别季节，并根据季节将水温调至适宜的温度范围，主控芯片根据第一、第二温度传感器发送的温度信号控制舵机调节混水阀的开度，进而进行水温调节，第三温度传感器用以测量出水温度，并向主控芯片发送温度信号，主控芯片再通过舵机对混水阀开度进行微调；当在手动模式下，用户自己设定洗浴水温，主控芯片接收水温信号后控制舵机进行调节，此时第一电磁阀打开，当水温未达到要求时，第二电磁阀打开，未达到要求的水经废水收集管流至废水收集管桶中，同时第三电磁阀关闭，花洒中没有水流出；当第三温度传感器测到水温到达指定温度范围时，第二电磁阀关闭，第三电磁阀打开，花洒出水用户可正常洗浴，人体感应开关一直开启，当未感应到人体时，为防止系统误判，系统会等待三分钟，若三分钟内仍未检测到人体，则代表无人在洗浴，则系统会关闭第一电磁阀，水流截至；若三分钟内又检测到人体，则说明人体感应模块可能误判，系统继续正常工作，浴室内的温湿度可通过温湿度传感器测得，用户洗浴的同时，在触摸屏上会显示实时时间，洗浴时间及浴室内温湿度的状况以供用户参考。

按上述方案，所述适宜温度为：在夏秋季节，洗澡的水温为34～36℃；在春冬季节，洗澡的水温为37℃～42℃。

按上述方案，所述舵机的调节使用PID算法调温。

本发明的有益效果是：提供一种智能节水淋浴系统及控制方法，由温度传感器和自动混水阀进行水温控制，实时调节水温，调节迅速，精度高，在未达到适宜温度时，花洒处不会有水流出，废水被收集用作其它用途，人体感应开关的设置，增加了是否有人用水的检测功能，避免水资源的浪费。

附图说明

图1为本发明一个实施例的结构示意图。

图2为本发明一个实施例的主控芯片电路原理图。

其中：1.第一温度传感器，2.冷水管，3.第二温度传感器，4.热水管，5.花洒，6.舵机，7.混水阀，8.第三温度传感器，9.第一电磁阀，10.第三电磁阀，11.第二电磁阀，12.废水收集管，13.废水收集桶，14.触摸屏，15.人体感应开关，16.底板，17.温湿度传感器。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明进一步的描述。

如图1所示，一种智能节水淋浴装置，包括支架、底板16、花洒5、混水阀7、舵机6和电源，支架由立柱及横梁组成，底板设于地面上与立柱相连，花洒置于横梁上，混水阀置于立柱上，通过线缆与舵机相连，混水阀的冷、热水进口分别与冷水管2、热水管4相连通，出口与出水管一端相连通，出水管另一端连接三通管的第一管口，三通管的第二、第三管口分别连接废水收集管12和花洒进水管，废水收集管与废水收集桶13相连通，花洒进水管与花洒相连通；

还包括监测系统和控制系统，所述监测系统包括分别设于冷、热水管及出水管上的第一温度传感器1、第二温度传感器3、第三温度传感器8，分别设于第一、第二、第三管口上的第一电磁阀9、第二电磁阀11、第三电磁阀10，设于横梁上的温湿度传感器17，和设于立柱上的人体感应开关15，控制系统包括触摸屏14和主控芯片，触摸屏设于立柱上，通过线缆与主控芯片相连，主控芯片的信号输入端通过线缆分别与第一、第二、第三温度传感器、温湿度传感器、人体感应开关相连，信号输出端通过线缆分别与第一、第二、第三电磁阀、舵机和电源相连。

从混水阀中流出的水流为最终从花洒中流出的洗浴用水。混水阀的作用是将冷热进水管中的水按照一定比例混合达到所要水温的水流。混水阀的冷、热水管都装有温度传感器，用来感应两水管内的水温，并根据获得的冷、热水管中的水温来控制混水阀的开度，从而控制冷热水混合比例使水温达到要求，其中混水阀的开度由舵机控制。混水阀出口处亦装有温度传感器，用来感应混合后的水温，并根据水温反馈微调混水阀开度，以达到对水温的二次控制。

人体感应开关可以用来感应是否有人在使用淋浴。人体感应开关电路是由人体感应模块HC-SR501以及继电器组成，在有人状态下，继电器开启，淋浴正常工作，在感应到无人状态下，则控制系统电源的继电器会在三分钟后关闭，系统电源与总电源断开，此时控制水流开断的电磁阀亦全部关闭，不会有水流流出。三分钟等待时间是为了防止用户正常淋浴时的人体感应开关的误判。此设计可以防止用户忘记关闭淋浴等突发事件的发生。

触摸屏主要作用是系统控制及状态显示。用户可通过触摸屏上的按钮选择淋浴模式，有自动和手动两种模式可选。沐浴时间、系统状态、浴室内室温及湿度等内容都会实时显示在屏幕上。系统可根据用户的选择进行淋浴状态的控制，感应实时水温并自动控制水温快速出水，使淋浴达到让人体感到舒适的状态。

用户在触摸屏中选择自动或者手动模式。自动模式下，系统会根据当前季节来自动控制水温大小。若选择自动模式，一般在夏秋季，洗澡的水温保持在34～36℃，这个温度接近人体温度，洗浴后在水分蒸发的同时，会使热量有效散发，增加回心血量，人也会感到更加舒适、凉爽。冬春季节洗澡适宜的水温为37℃到42℃，也就是比人体体温高3℃左右即可。因此可由系统时钟推断出当时的季节状况，并由季节状况控制相应的水温范围，只要水温达到这个范围，自动调温装置便不会变化，否则，若实时水温未在指定水温范围内，则自动控温至指定水温范围。模式选择完成后，系统到出水阶段，该阶段系统先判断管内水温是否到达设定温度，若未到达，则废水回流至储水箱中，若达到设定温度，则花洒出水，用户即可正常沐浴。沐浴过程有计时显示装置，提醒用户实时沐浴时间，以供用户参考。水温控制部分主要是由温度传感器和自动混水阀组成。温度传感器采用不锈钢头套封装的防水DS18B20，嵌于冷热入水管及淋浴花洒的喷头处，用于实时监测入水管及喷口处的水温。混水阀的旋转按钮由舵机控制，并使用工业控制中常用的PID算法快速精确地控制舵机的转角以控制混水阀中冷水热水的混合程度，达到快速调整混水阀使水温恒定的效果。触摸屏是整个系统运行的核心，系统的各个部分的正常运行都依赖用过户通过触摸屏进行控制。

如图2所示，主控电路是整个系统的核心，系统的正常运行依赖主控电路的任务分配及调度。主控电路板采用STM32F405RGT6作为主控芯片。主控芯片STM32F405RGT6的14号引脚接舵机信号输入端，用以产生PWM控制舵机的转角，进而控制冷热水的混合比。主控芯片STM32F405RGT6的42号引脚作为USART1的数据发送脚接串口屏的RX引脚；43号引脚作为USART1的数据接收引脚接触摸屏的数据接收引脚。主控芯片STM32F405RGT6的26号、27号、28号引脚(网络标号分别为DRIVER_1、DRIVER_4、DRIVER_3)分别接控制第一、第二、第三电磁阀的继电器的控制端用以控制继电器的开断进而控制水流的流向。模块U2为人体感应开关模块HC-SR501，其1号引脚接电源5V，2号引脚接地，3号引脚为信号输出端，接至主控芯片STM32F405RGT6的29号引脚，当感应到人体时，人体感应模块U2的信号输出端输出3.3V的高电平，反之，若未检测到人体，则输出低电平。主控芯片STM32F405RGT6的29号引脚用以检测人体感应模块检测到无人(信号输出引脚3为低电平)状态的时间。62号引脚(网络标号为DRIVER_4)接至电源开关的继电器的控制信号端(网络标号同样为DRIVER_4)，用以根据前述人体感应模块未检测到人体的时间控制电路总电源的开断。主控芯片STM32F405RGT6的28号引脚通过阻值为10K的电阻R1接地。主控芯片STM32F405RGT6的46号、47号引脚分别接SWD下载器的SWCLK与SWDIO端，并通过阻值为10K的上拉电阻接到3.3V电源，通过该下载调试端口可对程序进行下载和调试。主控芯片STM32F405RGT6的8号、9号、10号引脚分别接到三个温度传感器DS18B20的数据线引脚上，并分别通过阻值为10K的上拉电阻R7、R8、R9接到3.3V电源上。主控芯片STM32F405RGT6的11号引脚接到温湿度传感器AM2302B(DHT22)的数据线引脚上，并通过阻值为10K的上拉电阻R10接至3.3V电源，温湿度传感器AM2302B(DHT22)用以检测浴室内的温湿度，并反馈给用户。主控芯片STM32F405RGT6的60号引脚通过阻值为10K的下拉电阻R4接至GND。主控芯片STM32F405RGT6的的7号引脚为芯片的复位引脚，接至复位电路。主控芯片STM32F405RGT6的5号、6号引脚为时钟信号输入引脚，接至晶振电路，其中晶振电路中无源晶振Y1振荡频率为8MHz，R2为阻值为1MΩ的电阻。主控芯片STM32F405RGT6的1号、13号、64号、48号、32号、19号引脚接至3.3V电源上。主控芯片STM32F405RGT6的31号、47号引脚通过电容C7、C8接至GND。12号引脚接至GND，在12号与13号引脚间加有两个容值为0.1UF的滤波电容。另外，主控芯片STM32F405RGT6的3.3V电源与GND之间通过4个容值为0.1UF的滤波电容相连。

电磁阀驱动电路主要由继电器与三极管组成，继电器采用松乐SRD系列3V-DC继电器，三极管采用8050NPN型三极管，三极管的基极连接到单片机IO口PBO(网络标号同为DRIVER_1)，集电极连接到上述单片机电路的5V电源上，发射极连接到继电器①号引脚上。当单片机PBO口输出高电平时，三极管导通，此时有电流经过继电器的1、3引脚，导致继电器2号输入端口与5号输出端口导通，进而导致其控制的电磁阀导通，此时水流可顺利通过电磁阀。

控温部分主要由舵机与混水阀组成。舵机有5V电源线、地线以及信号线。舵机信号线接至主控芯片STM32F405RGT6的14号引脚(网络标号同为STEER)，主控可通过产生不同占空比的PWM信号来控制舵机转角，进而控制混水阀中的冷热水混合比。混水阀冷热水的混合程度可由水的比热容公式Q＝C_水M×ΔT(Q为热能，C_水为水的比热容，M为质量，ΔT为温度变化量。此公式的含义为质量为M的水温度变化ΔT所需要吸收或释放的热量)计算得出。若假设热水温度为T₁，冷水温度为T₂，期望温度为T₃，并假设正常情况下T₁＞T₃＞T₂，则热水与冷水的混合比为(T₃-T₂)/(T₁-T₃)。因此，可根据冷热水的温度即可控制舵机产生想要的水温。

使用本淋浴装置时，操作如下：

以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所做的等效变化，仍属本发明的保护范围。

Claims

1.一种智能节水淋浴装置，包括支架、底板、花洒、混水阀、舵机和电源，所述支架由立柱及横梁组成，底板设于地面上与立柱相连，所述花洒置于横梁上，所述混水阀置于立柱上，通过线缆与所述舵机相连，混水阀的冷、热水进口分别与冷、热水管相连通，出口与出水管一端相连通，其特征在于，出水管另一端连接三通管的第一管口，所述三通管的第二、第三管口分别连接废水收集管和花洒进水管，所述废水收集管与废水收集桶相连通，所述花洒进水管与花洒相连通；

还包括监测系统和控制系统，所述监测系统包括分别设于冷、热水管及出水管上的第一、第二、第三温度传感器，分别设于第一、第二、第三管口上的第一、第二、第三电磁阀，设于横梁上的温湿度传感器，和设于立柱上的人体感应开关，所述控制系统包括触摸屏和主控芯片，所述触摸屏设于立柱上，通过线缆与所述主控芯片相连，主控芯片的信号输入端通过线缆分别与所述第一、第二、第三温度传感器、温湿度传感器、人体感应开关相连，信号输出端通过线缆分别与所述第一、第二、第三电磁阀、舵机和电源相连。

2.采用权利要求1所述的一种智能节水淋浴装置的控制方法，其特征在于，包括如下内容：

3.根据权利要求2所述的一种智能节水淋浴装置的控制方法，其特征在于，所述适宜温度为：在夏秋季节，洗澡的水温为34～36℃；在春冬季节，洗澡的水温为37℃～42℃。

4.根据权利要求2所述的一种智能节水淋浴装置的控制方法，其特征在于，所述舵机的调节使用PID算法调温。