新型按摩浴缸控制系統(tǒng)的研制

摘要：系統(tǒng)以浴缸為研究對象，研制了一款具有強(qiáng)度可控的、溫度恒定的水流按摩功能和具有殺菌消毒功能的新型按摩浴缸?？刂破饕訮IC16F676為核心，在程序控制下，能控制電機(jī)的速度，使電機(jī)速度周期性變化，也可使電機(jī)保持某一恒定速度；通過對氣體溫度的檢測，控制內(nèi)部的電熱絲工作狀態(tài)，從而保持氣體溫度的相對恒定，這樣控制器產(chǎn)生了氣流強(qiáng)度可調(diào)的具有恒定溫度的熱氣流，從而使浴缸具有洗浴、保健、養(yǎng)生、休閑的功能；同時(shí)配有臭氧發(fā)生器，通過特殊的管路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對各個(gè)部位的殺菌，保證系統(tǒng)的衛(wèi)生，系統(tǒng)配有非接觸式水位檢測電路，防止在無水狀態(tài)下空轉(zhuǎn)或空燒，以保證系統(tǒng)的安全性。
關(guān)鍵詞：按摩；浴缸；單片機(jī)；臭氧發(fā)生器；水位檢測

    隨著人們生活的提高，人們對洗澡或浴缸等潔浴產(chǎn)品提出了更高要求，人們開始把洗澡這種傳統(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)相對簡單的認(rèn)識狀態(tài)，但在國外，卻已經(jīng)出現(xiàn)了越來越大的需求。根據(jù)外商調(diào)研，目前尚無此類產(chǎn)品在市場上出售，最多也是該整套設(shè)備中的局部部分。由于目前市場上尚無這種產(chǎn)品，經(jīng)市場調(diào)研，綜合了國內(nèi)外的潔浴市場，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象為電機(jī)、電熱絲、臭氧發(fā)生器電路，其中通過可控硅導(dǎo)通角的改變，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)速度的控制；通過熱敏電阻的溫度檢測，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、防水手柄、溫度采樣、臭氧發(fā)生器、水位檢測電路等組成。

2．1 水位檢測電路
    為防止電機(jī)在無水狀態(tài)下的空轉(zhuǎn)，電熱絲在無水狀態(tài)下空燒，這里設(shè)置了水位檢測電路。
    一般的水位檢測電路采用接觸式檢測，其缺點(diǎn)是時(shí)間長久后探頭會(huì)逐漸被腐蝕導(dǎo)致無法工作，這里采用獨(dú)特的非接觸式水位檢測系統(tǒng)，具有性能可靠，壽命長的特點(diǎn)。
    電路如圖2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Q1輸送到單片機(jī)。

2．2 電機(jī)控制電路
    電機(jī)調(diào)速可以采用PWM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)“來自RA1”的信號(即電機(jī)控制信號)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。
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，控制信號有兩種，其一是“來自RA1”的電機(jī)控制信號，其二是“來自RC2”的電熱絲控制信號。當(dāng)電機(jī)工作時(shí)，即“來自RA1”有脈沖信號，整流二極管D1的正極約2．5 V，當(dāng)“來自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“來自RA1”為高電平，整流二極管D1的負(fù)極為5 V，不管“來自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。
2．4 過零檢測電路
    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)檢測電路，當(dāng)整流后過零點(diǎn)時(shí)，Q1輸出一個(gè)脈沖，作為中斷信號。

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)通過繼電器對其進(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。

3．2 外部中斷程序
    通過零點(diǎn)檢測電路，交流電過零點(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)器的開銷。中斷程序流程如圖7所示。

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)鍵盤設(shè)定的數(shù)據(jù)，產(chǎn)生相對應(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)定溫度所對應(yīng)得數(shù)據(jù))進(jìn)行比較，如果溫度超過設(shè)定的溫度，則關(guān)閉電熱絲；如溫度低于設(shè)定的溫度，則開啟電熱絲。限于篇幅，流程圖略。

4 結(jié)束語
    新型浴缸根據(jù)市場需要來設(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)測與控制可靠無誤動(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。