新型按摩浴缸控制系統(tǒng)的研制

陳光絨，李小琴

（寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程系，浙江 寧波 315800）

隨著人們生活的提高，人們對(duì)洗澡或浴缸等潔浴產(chǎn)品提出了更高要求，人們開(kāi)始把洗澡這種傳統(tǒng)意義上的生活行為逐步發(fā)展成為有內(nèi)涵的，具有保健、養(yǎng)生、休閑等功能，進(jìn)而提高了對(duì)現(xiàn)實(shí)生活的追求。雖然我們現(xiàn)在還只是處于一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的認(rèn)識(shí)狀態(tài)，但在國(guó)外，卻已經(jīng)出現(xiàn)了越來(lái)越大的需求。根據(jù)外商調(diào)研，目前尚無(wú)此類產(chǎn)品在市場(chǎng)上出售，最多也是該整套設(shè)備中的局部部分。由于目前市場(chǎng)上尚無(wú)這種產(chǎn)品，經(jīng)市場(chǎng)調(diào)研，綜合了國(guó)內(nèi)外的潔浴市場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)品前景廣闊。因此設(shè)計(jì)這樣一款新產(chǎn)品是十分有意義的，投入批量生產(chǎn)后，將帶來(lái)較大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 系統(tǒng)功能及其工作原理

該系統(tǒng)具有以下功能：1）能產(chǎn)生溫度恒定、強(qiáng)度固定的熱氣流；2）能產(chǎn)生溫度恒定、強(qiáng)度周期性變化的熱氣流；3）配有臭氧發(fā)生器，能進(jìn)行殺菌消毒。

工作原理：本控制器主要控制對(duì)象為電機(jī)、電熱絲、臭氧發(fā)生器電路，其中通過(guò)可控硅導(dǎo)通角的改變，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的控制；通過(guò)熱敏電阻的溫度檢測(cè)，控制電熱絲的通斷，實(shí)現(xiàn)氣體溫度低的自動(dòng)調(diào)節(jié)；為了防止無(wú)水時(shí)電機(jī)空轉(zhuǎn)或電熱絲空燒，系統(tǒng)配有非接觸式水位檢測(cè)電路。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能，硬件框圖如圖1所示：系統(tǒng)由PIC16F676[1]、防水手柄、溫度采樣、臭氧發(fā)生器、水位檢測(cè)電路等組成[2]。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Hardware block diagram

2.1 水位檢測(cè)電路

為防止電機(jī)在無(wú)水狀態(tài)下的空轉(zhuǎn)，電熱絲在無(wú)水狀態(tài)下空燒，這里設(shè)置了水位檢測(cè)電路。

一般的水位檢測(cè)電路采用接觸式檢測(cè)，其缺點(diǎn)是時(shí)間長(zhǎng)久后探頭會(huì)逐漸被腐蝕導(dǎo)致無(wú)法工作，這里采用獨(dú)特的非接觸式水位檢測(cè)系統(tǒng)，具有性能可靠，壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。電路如圖2[3]所示：其中U1A、U1B以及周圍元件組成振蕩電路；U1C及周圍元件組成感應(yīng)電路，無(wú)水和有水時(shí)輸出不同占空比的脈沖，U1D是整形電路，D1、C2組成起到整流作用，將矩形波轉(zhuǎn)化成直流電壓；U2B及周邊電路組成窗口比較器，當(dāng)有水時(shí)輸出高電平，最終通過(guò)Q1輸送到單片機(jī)。

圖2 水位檢測(cè)電路Fig.2 Level detection circuit

2.2 電機(jī)控制電路

電機(jī)調(diào)速可以采用PWM[4]方式，也可采用控制可控硅導(dǎo)通角的方法。這里采用后一種方法，為保證安全，采用光藕隔離技術(shù)，電路如圖3所示，當(dāng)“來(lái)自RA1”的信號(hào)（即電機(jī)控制信號(hào)）為低時(shí)，光藕工作，可控硅導(dǎo)通，電機(jī)工作；反之，電機(jī)不工作，改變信號(hào)出現(xiàn)的“時(shí)刻”，即改變可控硅的導(dǎo)通角，就可以改變電機(jī)的速度。

圖3 電機(jī)控制電路Fig.3 Motor control circuit

2.3 電熱絲控制電路

為防止電機(jī)不工作時(shí)電熱絲“空燒”損壞塑料殼體，除了軟件上的進(jìn)行“把關(guān)”外，還在硬件上進(jìn)行安全保護(hù)，這樣雙保險(xiǎn)使得系統(tǒng)更加安全。如圖4所示，控制信號(hào)有兩種[5]，其一是“來(lái)自RA1”的電機(jī)控制信號(hào)，其二是“來(lái)自RC2”的電熱絲控制信號(hào)。當(dāng)電機(jī)工作時(shí)，即“來(lái)自RA1”有脈沖信號(hào)，整流二極管D1的正極約2.5 V，當(dāng)“來(lái)自RC2”（電熱絲控制腳）為高電平時(shí)，則光藕工作，可控硅導(dǎo)通，電熱絲通電工作；反之，當(dāng)電機(jī)不工作時(shí)，即“來(lái)自RA1”為高電平，整流二極管D1的負(fù)極為5 V，不管“來(lái)自RC2”（電熱絲控制腳）是什么狀態(tài)，光藕都不工作，電熱絲通電工作。

圖4 電熱絲控制電路Fig.4 Electrothermal wire control circuit

2.4 過(guò)零檢測(cè)電路

為有效控制電機(jī)的速度，關(guān)鍵是控制可控硅的導(dǎo)通角。零點(diǎn)檢測(cè)成為精確控制的關(guān)鍵。圖5是用三極管組成的零點(diǎn)檢測(cè)電路，當(dāng)整流后過(guò)零點(diǎn)時(shí)，Q1輸出一個(gè)脈沖，作為中斷信號(hào)。

圖5 過(guò)零檢測(cè)電路Fig.5 Zero crossing detector circuit

2.5 臭氧發(fā)生器

選用臭氧發(fā)生器模塊，可以起到殺毒消菌的作用，單片機(jī)通過(guò)繼電器對(duì)其進(jìn)行控制即可。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)按照功能要求，軟件部分包括主程序、中斷程序和鍵盤(pán)掃描等若干個(gè)子程序組成。

3.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序主要完成寄存器初始?化：如端口工作狀態(tài)、定時(shí)器工作狀態(tài)、中斷設(shè)置等；內(nèi)存單元初始化：如內(nèi)部數(shù)據(jù)緩沖，計(jì)數(shù)單元初始等；子程序調(diào)用：如鍵盤(pán)程序調(diào)用，溫度采集與判斷子程序等。主程序的流程如圖6所示。

圖6 主程序流程圖Fig.6 Main program flowchart

3.2 外部中斷程序

通過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路[7]，交流電過(guò)零點(diǎn)后出現(xiàn)下降沿實(shí)現(xiàn)中斷。中斷程序主要功能是根據(jù)設(shè)定參數(shù)啟動(dòng)定時(shí)器并定時(shí)，以產(chǎn)生不同的導(dǎo)通角，由于外部中斷是每隔10 ms發(fā)生一起，因此進(jìn)行時(shí)間累計(jì)可以實(shí)現(xiàn)指示燈閃爍燈任務(wù)，節(jié)約了定時(shí)器的開(kāi)銷。中斷程序流程如圖7所示。

圖7 外部中斷程序Fig.7 External interrupt program

3.3 定時(shí)器TMR0中斷

當(dāng)非外部中斷時(shí)，轉(zhuǎn)入定時(shí)器中斷處理，根據(jù)鍵盤(pán)設(shè)定的數(shù)據(jù)，產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的導(dǎo)通角，如定時(shí)器產(chǎn)生160μs的時(shí)間，只要重復(fù)N次（由鍵盤(pán)決定），則產(chǎn)生N*160μs的時(shí)間，改變N即可改變總時(shí)間，即改變導(dǎo)通角。限于篇幅，流程圖略。

3.4 溫度采集與判斷子程序

利用芯片內(nèi)部的A/D功能，讀取熱敏電阻所在管腳上的電壓，然后與設(shè)定的數(shù)據(jù)（設(shè)定溫度所對(duì)應(yīng)得數(shù)據(jù)）進(jìn)行比較，如果溫度超過(guò)設(shè)定的溫度，則關(guān)閉電熱絲；如溫度低于設(shè)定的溫度，則開(kāi)啟電熱絲。限于篇幅，流程圖略。

4 結(jié)束語(yǔ)

新型浴缸根據(jù)市場(chǎng)需要來(lái)設(shè)計(jì)，在考慮功能的同時(shí)也考慮了系統(tǒng)的成本，經(jīng)實(shí)際測(cè)試，各項(xiàng)功能滿足要求，電機(jī)的速度控制平滑且效果明顯，溫度的控制穩(wěn)定性較好，監(jiān)測(cè)與控制可靠無(wú)誤動(dòng)作。系統(tǒng)在技術(shù)上具有一定的先進(jìn)性，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1]湯競(jìng)南.PIC單片機(jī)基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[2]付家才.單片機(jī)控制工程實(shí)踐技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[3]謝嘉奎.電子線路非線性部分[M].4版.北京：高等教育出版社，2000.

[4]賈玉瑛，王臣.基于單片機(jī)控制的PWM直流調(diào)速系統(tǒng)[J].內(nèi)蒙古科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，24（4）：334－337.JIA Yu-ying，WANG Chen.PWM direct current motor speeding control system based on single chip micyoco[J].Journal of Inner Mongolia University of Science and Technology，2005，24（4）：334－337.

[5]YAN Liu，Cheng Shao.Sensorless torque control scheme of induction motor for hybrid electric vehicle[J].Control Thery and Application：English Editor，2007，5（1）：42－46

[6]欒桂冬.傳感器及其應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002.

[7]閆書(shū)江，唐飛，王曉浩，等.用于FAIMS系統(tǒng)的微電流檢測(cè)電路屏蔽[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011（13）：197－199.YAN Shu-jiang，TANG Fei，WANG Xiao-hao，et al.Design of micro current detection circuit for FAIMS systems[J].Modern Electronics Technique，2011（13）：197－199.