新型按摩浴缸控制系统的研制

摘要：系统以浴缸为研究对象，研制了一款具有强度可控的、温度恒定的水流按摩功能和具有杀菌消毒功能的新型按摩浴缸。控制器以PIC16F676为核心，在程序控制下，能控制电机的速度，使电机速度周期性变化，也可使电机保持某一恒定速度；通过对气体温度的检测，控制内部的电热丝工作状态，从而保持气体温度的相对恒定，这样控制器产生了气流强度可调的具有恒定温度的热气流，从而使浴缸具有洗浴、保健、养生、休闲的功能；同时配有臭氧发生器，通过特殊的管路设计，实现对各个部位的杀菌，保证系统的卫生，系统配有非接触式水位检测电路，防止在无水状态下空转或空烧，以保证系统的安全性。
关键词：按摩；浴缸；单片机；臭氧发生器；水位检测

    随着人们生活的提高，人们对洗澡或浴缸等洁浴产品提出了更高要求，人们开始把洗澡这种传统意义上的生活行为逐步发展成为有内涵的，具有保健、养生、休闲等功能，进而提高了对现实生活的追求。虽然我们现在还只是处于一个相对简单的认识状态，但在国外，却已经出现了越来越大的需求。根据外商调研，目前尚无此类产品在市场上出售，最多也是该整套设备中的局部部分。由于目前市场上尚无这种产品，经市场调研，综合了国内外的洁浴市场，发现该产品前景广阔。因此设计这样一款新产品是十分有意义的，投入批量生产后，将带来较大的社会效益和经济效益。

1 系统功能及其工作原理
    该系统具有以下功能：1)能产生温度恒定、强度固定的热气流：2)能产生温度恒定、强度周期性变化的热气流；3)配有臭氧发生器，能进行杀菌消毒。
    工作原理：本控制器主要控制对象为电机、电热丝、臭氧发生器电路，其中通过可控硅导通角的改变，实现对电机速度的控制；通过热敏电阻的温度检测，控制电热丝的通断，实现气体温度低的自动调节；为了防止无水时电机空转或电热丝空烧，系统配有非接触式水位检测电路。

2 系统硬件设计
    根据系统要实现的功能，硬件框图如图1所示：系统由PIC16F676、防水手柄、温度采样、臭氧发生器、水位检测电路等组成。

2．1 水位检测电路
    为防止电机在无水状态下的空转，电热丝在无水状态下空烧，这里设置了水位检测电路。
    一般的水位检测电路采用接触式检测，其缺点是时间长久后探头会逐渐被腐蚀导致无法工作，这里采用独特的非接触式水位检测系统，具有性能可靠，寿命长的特点。
    电路如图2所示：其中U1A、U1B以及周围元件组成振荡电路；U1C及周围元件组成感应电路，无水和有水时输出不同占空比的脉冲，U1D是整形电路，D1、C2组成起到整流作用，将矩形波转化成直流电压；U2B及周边电路组成窗口比较器，当有水时输出高电平，最终通过Q1输送到单片机。

2．2 电机控制电路
    电机调速可以采用PWM方式，也可采用控制可控硅导通角的方法。这里采用后一种方法，为保证安全，采用光藕隔离技术，电路如图3所示，当“来自RA1”的信号(即电机控制信号)为低时，光藕工作，可控硅导通，电机工作；反之，电机不工作，改变信号出现的“时刻”，即改变可控硅的导通角，就可以改变电机的速度。
2．3 电热丝控制电路
    为防止电机不工作时电热丝“空烧”损坏塑料壳体，除了软件上的进行“把关”外，还在硬件上进行安全保护，这样双保险使得系统更加安全。如图4所示，控制信号有两种，其一是“来自RA1”的电机控制信号，其二是“来自RC2”的电热丝控制信号。当电机工作时，即“来自RA1”有脉冲信号，整流二极管D1的正极约2．5 V，当“来自RC2”(电热丝控制脚)为高电平时，则光藕工作，可控硅导通，电热丝通电工作；反之，当电机不工作时，即“来自RA1”为高电平，整流二极管D1的负极为5 V，不管“来自RC2”(电热丝控制脚)是什么状态，光藕都不工作，电热丝通电工作。
2．4 过零检测电路
    为有效控制电机的速度，关键是控制可控硅的导通角。零点检测成为精确控制的关键。图5是用三极管组成的零点检测电路，当整流后过零点时，Q1输出一个脉冲，作为中断信号。

2．5 臭氧发生器
    选用臭氧发生器模块，可以起到杀毒消菌的作用，单片机通过继电器对其进行控制即可。

3 系统软件设计
    本系统按照功能要求，软件部分包括主程序、中断程序和键盘扫描等若干个子程序组成。
3．1 主程序设计
    主程序主要完成寄存器初始化：如端口工作状态、定时器工作状态、中断设置等；内存单元初始化：如内部数据缓冲，计数单元初始等；子程序调用：如键盘程序调用，温度采集与判断子程序等。主程序的流程如图6所示。

3．2 外部中断程序
    通过零点检测电路，交流电过零点后出现下降沿实现中断。中断程序主要功能是根据设定参数启动定时器并定时，以产生不同的导通角，由于外部中断是每隔10 ms发生一起，因此进行时间累计可以实现指示灯闪烁灯任务，节约了定时器的开销。中断程序流程如图7所示。

3．3 定时器TMR0中断
    当非外部中断时，转入定时器中断处理，根据键盘设定的数据，产生相对应的导通角，如定时器产生160μs的时间，只要重复N次(由键盘决定)，则产生N*160μs的时间，改变N即可改变总时间，即改变导通角。限于篇幅，流程图略。
3．4 温度采集与判断子程序
    利用芯片内部的A／D功能，读取热敏电阻所在管脚上的电压，然后与设定的数据(设定温度所对应得数据)进行比较，如果温度超过设定的温度，则关闭电热丝；如温度低于设定的温度，则开启电热丝。限于篇幅，流程图略。

4 结束语
    新型浴缸根据市场需要来设计，在考虑功能的同时也考虑了系统的成本，经实际测试，各项功能满足要求，电机的速度控制平滑且效果明显，温度的控制稳定性较好，监测与控制可靠无误动作。系统在技术上具有一定的先进性，具有推广应用价值。