基于智能控制的新型SPA浴缸系统设计与研究

0引言

随着社会不断发展与进步,人们对生活质量的追求日益提高,浴缸产品已经从简单的机械浴缸转变为电子浴缸,得益于科技的飞速发展,浴缸也迈入了智能化时代,从生活的必备品一跃成为追求高生活质量的产品。目前,智能化SPA型多功能浴缸已经成为高端消费群体的宠儿,也越来越多地被引入高级的SPA场所、高档酒店和私人别墅,成为人们休闲放松时不可缺少的一种产品。

传统的电子浴缸只考虑到满足基本的洗浴功能,只有电子落水、温度显示等简单功能,这部分电子浴缸的进水方式一般是采用机械式的龙头直接放水,无法与浴缸形成联动,这样就大大限制了洗澡前远程或定时放水功能的实现,更勿论说一些可以增加氛围的场景化功能和水流按摩功能的实现。

鉴于此,本文介绍了一款多功能SPA型浴缸系统,该系统把电子落水、溢流按摩、香薰、灯光等功能集成在一起,可以用遥控器和APP分别或同时控制,为用户提供更加智能化、个性化的SPA享受。

1 系统总体方案设计

本浴缸系统的总体设计如图1所示,控制系统以 PIC24FJ256单片机为核心,通过对多类型电机的控制实现浴缸的电子落水功能、多水路通道切换功能,通过对水泵系统的控制实现水流溢流按摩功能,通过RS485总线通信实现对雾化塔、灯光系统的控制,营造不同场景的氛围。本系统采用的是遥控器和App两种控制方式,既可以单独控制浴缸,又可以同步控制信息,方便用户对浴缸的功能控制及多种场景模式的选择。

2硬件系统设计

在整个SpA浴缸系统中,硬件方案是整个系统的基础,因此,针对浴缸SpA系统的需求,设计出一套稳定、节能、适用的硬件方案尤为重要。在本系统中,采用了模块化的设计理念,最终选用各模组的最优方案集成为整体系统方案。

2.1 溢流系统设计

溢流系统的硬件架构如图2所示。

溢流系统主要采用水位系统、水泵系统、运动组件来控制调节溢流,由温度传感器和加热器组件来保证溢流过程中的水温。遥控器和App是用户和浴缸交互的通道,当主控芯片接收到遥控器或App的溢流指令时,会根据水位信息来确定是否满足溢流条件,当开始溢流时,按照系统设置的默认速度运行,在溢流过程中浴缸可以自动调节温度,使之稳定在用户设置的温度。

2.1.1水位系统

实时监控浴缸内和底盘内的水位信息,浴缸内采用的是压电式水位传感器,根据水位传感器放置的初始位置和AD读出的电压信号可以基于水位传感器所在位置的水压计算出该位置的相对水位,从而得出当前水位。根据水位传感器的规格书^[1]所述,此水位传感器的量程为pmin=0 kpa,pmax=10 kpa,输出的电压与水位压强的关系公式如下:

式中:Voutput为当前水位对应的电压值;Vsupply为水位传感器的供电电压,本系统为3.3 V供电,Vsupply=3.3 V;pmax 为最大压强,Pmax=10 kpa;pmin为最小压强,pmin=0 kpa;PressureApplied为当前水位对应的压强值。

将各个参数值代入后,得出本系统中Voutput和水位压强的关系为:

当前水位对应的电压值与AD的关系为:

(3.3/1 024)×AD=Voutput

可以得出,当前水位对应的电压值与AD的关系为:

AD=81.92×PressureApplied+102.4

下面可以根据液体压强公式p=pgh来计算对应的水位高度。已知水的密度p=1 000 kg/m³,重力加速度g=9.8N/kg, 由p=pgh可得水位高度h=p/pg。将p=1000 kg/m³,g=9.8 N/kg代入公式,可得出Pmax=10 kpa对应的水位:h=1 000×10/(1 000×9.8)≈1.02 m。由此可知,最大压强对应的水位为102 cm,而当前水位h/与AD值的关系为:

h'=102×PressureApplied=1.24×(AD-102.4)

控制模块就可以根据读到的AD值计算出当前水位高度。

但水位传感器设置在管道内,而浴缸存在上进水和下进水的不同方式,其中上进水会使管道内形成不同大小的空气腔,这些空气腔会产生一定的压力,容易造成水位传感器测算出来的水位与实际水位有误差,对此,采用学习初始值的方案来解决。

在浴缸安装完成后,先进行一次预进水,到达几个指定的位置时,系统自动记录位置对应的水压值,再与理论值做一个比较容差计算后,得出真实水位对应的AD值。

这种自学习的算法使得本款浴缸具有可以自适应不同地区用户的不同进水方式且不受水位传感器在管道中的位置限制的优势。

底盘内的水位则采用电极来进行检测。

2.1.2水泵系统

水泵系统是溢流系统的主要组成部分,主要是通过PWM信号改变水泵电机的供电频率来改变水泵的转速,从而调节水泵的流量,实现不同的水流速度,提供不同档位的溢流按摩功能。

2.1.3温度传感器

在溢流过程中,温度的损耗是比较大的,系统中的温度传感器会实时监控当前水温,并与遥控器/APP 下发的用户设置的温度相比较,控制加热器组件的开启和关闭,实现浴缸温度始终处于用户设置的温度的容差范围内。

2.1.4运动组件

以蝶阀作为主要运动部件来实现溢流时水路的转换,当开启溢流功能时,水泵工作的同时打开蝶阀,实现底盘与浴缸内的水路连通,从而开启溢流,如果停止溢流功能,则关闭水泵并切断底盘与浴缸内的水路连接,避免浴缸内的水在重力的作用下进入底盘。

2.2电子落水系统设计

电子落水系统设计如图3所示,主控芯片在接收到来自遥控器或APP的控制信号后,驱动电路驱动电动推杆运动,打开电子落水,在电动推杆的运行过程中, 电流反馈电路会监测电动推杆是否处于堵转等异常情况,实时反馈至主控芯片,如果有异常情况,主控芯片会上报警告信息,并通过驱动电路关闭电子落水,形成闭环控制系统,以免造成器件损坏。

2.2.1 电机控制系统

电子落水系统的核心是电动推杆的控制,采用电机控制可以在电子落水系统接收到开启、关闭的指令后,通过控制电机的正反转来达到开启、关闭落水的效果。

本设计中采用的是德州仪器的DRV8801高性能电机驱动芯片^[2],主控芯片通过相位及使能接口对驱动电机进行正反转控制,灵活控制电动推杆的开启和关闭,实现电子落水系统的自动控制。5EN5E脚为电流的检测引脚,设计过流电流保护算法实现电机堵转控制。

电机控制电路图如图4所示。

根据欧姆定律V=IR,通过测量检测电阻上的电压V和电路中设置的5EN5E脚的阻值,即可计算出流过的电流。当5EN5E脚电压V5EN5E超过过流保护阈值时,认为发生了过流情况,切断电机的供电,以保护电机和驱动器不受过流损坏。

电动推杆实时的电流信号是通过检测VPROPI引脚的电压得到的,如下式所示:

V_VPROPI=5V_SENSE

在电子落水电路中,电动推杆的运行电流大概为500 mA,而堵转电流为2 A,且带有机械限位的装置,即在推杆的行程两端设置限位挡块,当推杆运动到设定的极限位置时,推杆上的部件会与限位挡块接触,阻止推杆继续移动,此时电动推杆的电流会降到很小。

根据以上参数,设计计算驱动电动推杆的各个参数,如表1所示。

V_TRIP=0.5 V,电机5PEC上的堵转电流为2 A,于是实际设计中,TRIP电流的设置要高于5PEC上的电流值,在此按照2.5 A的堵转电流计算,SENSE脚配置的电阻值R4如下式所示:

R4=0.5 V/2.5 A=0.2Ω

2.2.2过零检测系统

实时检测当前浴缸的上电情况,一旦发生浴缸断电的情况,及时通知主控芯片,打开电子落水。

过零检测电路中应用的是PC814这一内部有两个反向并联的红外发光二极管的光电耦合器,市电通过限流电阻降压后,经过PC814时,在交流电正半周和负半周都有一个红外发光二极管导通,输出高电平信号给主控芯片,在交流电接近零时,二极管截止,输出低电平信号给主控芯片。电路图如图5所示。

其他系统的硬件设计在此不做过多赘述。

3 软件系统设计

本设计采用的是Microchip 公司推出的一款 PIC24FJ256系列高性能16位单片机,此单片机具有较高的处理速度,配备的256 KB的闪存程序存储器和16 KB的数据存储器,为程序代码和数据存储提供了充足的空间,可以满足本系统控制多子系统的软件程序运行需求。

在此介绍溢流系统的软件设计:溢流系统接收到溢流指令之后,先判断底盘和浴缸内的水位是否满足溢流水位,如果满足则打开水泵和蝶阀,开启溢流功能,若不满足则拒绝溢流指令。同时实时监控浴缸内的水温,判断水温是否满足用户设置水温,如果不满足则打开加热器组件,如果发现已经满足用户设置水温,则关闭加热器组件。直到接收到关闭溢流指令,关闭水泵,关闭蝶阀,关闭加热器组件。具体软件流程图如图6所示。

4 系统功能测试

本系统采用自主开发的Python脚本程序来进行功能测试,测试脚本模拟了IoT与控制器进行交互。

测试脚本如图7所示。在通信配置窗口中配置通信参数,设置自动发送功能。下发指令到下位机的方式有两种,一种是使用集成在脚本中的命令按钮直接下发指令,另外也可以在数据窗口中直接输入指令下发。下位机回复的内容和信息都在主窗口中显示出来。

将此脚本程序接入浴缸系统,根据浴缸的功能,发送对应的功能命令给浴缸系统,浴缸会按照指令执行功能,并反馈正确的数据,以此完成浴缸功能的测试。

5 结束语

该新型智能化多功能SPA浴缸于2021年在KBIS展会上展出,精心打磨两年后,已于2023年、2024年分别在中国和美国市场上市。此款浴缸一经上市,就获得了广大用户非常好的反馈。

在后疫情时代,人们对自身健康更加关注,因此减压式SPA型浴缸在服务业尤其是旅游业得到了广泛青睐和重视应用。这款浴缸以其智能化控制的亮点成为摆脱传统浴缸设计桎梏的一款创新产品,从而有效推动了浴缸系统的智能化进程。

[参考文献]

[1] 霍尼韦尔.BasicBoardMountpressureSensors [Z], 2017.

[2] 德州仪器.DRV880xDMOSFull-BridgeMotorDrivers[Z],2025.

《机电信息》2025年第13期第11篇