基于集成式數(shù)字壓力傳感器的洗衣機(jī)水位檢測(cè)方法

朱小麗 周杰 高利敏

惠而浦（中國(guó)）股份有限公司研發(fā)中心 安徽合肥 230088

1 引言

在現(xiàn)代社會(huì)，洗衣機(jī)基本已經(jīng)普及到每個(gè)家庭并且成為家用電器中非常重要的一員，大大解放了雙手并節(jié)約了手工洗衣服的時(shí)間，且大部分洗衣機(jī)都實(shí)現(xiàn)了智能化控制，僅僅在非常偏遠(yuǎn)的農(nóng)村地區(qū)還有雙桶洗衣機(jī)的市場(chǎng)。

在能源越來越重要的現(xiàn)代社會(huì)，要實(shí)現(xiàn)智能控制，如何保證洗衣機(jī)精確用水是一個(gè)非常重要的課題。目前市面上絕大部分洗衣機(jī)都帶有自動(dòng)檢測(cè)水位功能，普遍采用的水位檢測(cè)方式是兩線或者三線的壓力傳感器，這種壓力傳感器檢測(cè)原理主要是根據(jù)水位傳感器在不同水壓下，傳感器的電感量會(huì)根據(jù)壓力變化，從而改變震蕩頻率，通過單片機(jī)對(duì)頻率的識(shí)別來判斷水位的當(dāng)前狀態(tài)。但是這種檢測(cè)方式有一個(gè)很大的缺點(diǎn)，就是檢測(cè)精度不高，甚至有可能導(dǎo)致洗衣機(jī)用水差異很大，做不到精準(zhǔn)控制，從而帶來一系列問題，如洗衣機(jī)體驗(yàn)差、用水量及耗電量都很難控制在一定范圍內(nèi)、對(duì)洗衣機(jī)洗凈比及能耗的標(biāo)注帶來困難等。

2 傳統(tǒng)水位傳感器介紹

如圖1、2所示，傳統(tǒng)水位傳感器的組成主要有圖上標(biāo)注的幾個(gè)部分，水位傳感器的工作方式如下：氣管處接通氣管同時(shí)做好密封，通氣管另外一端接洗衣機(jī)桶底并做好密封，當(dāng)洗衣機(jī)進(jìn)水后，洗衣機(jī)內(nèi)水位高度變化首先會(huì)改變通氣管中的壓強(qiáng)變化，這個(gè)壓強(qiáng)變化會(huì)通過空氣導(dǎo)管傳給傳感器的橡膠隔膜板，受到壓力變化的影響，隔膜板產(chǎn)生位移，帶動(dòng)鐵芯上下移動(dòng)，隔膜板抬起，對(duì)彈簧產(chǎn)生一作用力，當(dāng)彈簧的反作用力和壓力變化產(chǎn)生的作用力在傳感器中的某一確定的位置達(dá)到平衡后，線圈會(huì)輸出一個(gè)固定的電感值。

電感值變化后，則根據(jù)LC振蕩回路諧振頻率：

獲得一頻率信號(hào)。把電感轉(zhuǎn)化的頻率信號(hào)傳輸給洗衣機(jī)MCU，洗衣機(jī)通過這一頻率信號(hào)，從而可以確定當(dāng)前水位高度。圖3為壓力傳感器電路示意圖及頻率輸出電路。

3 集成式數(shù)字壓力傳感器硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了解決壓力傳感器水位檢測(cè)精度的問題，本文選用一種集成式數(shù)字壓力傳感器IMS7902用于水位檢測(cè)。這種傳感器具有檢測(cè)精度高、體積小、功耗低、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

集成數(shù)字壓力傳感器的工作原理：與傳統(tǒng)壓力傳感器類似，氣管處接通氣管同時(shí)做好密封，通氣管另外一端接洗衣機(jī)桶底并做好密封，當(dāng)洗衣機(jī)進(jìn)水后，洗衣機(jī)內(nèi)水位高度變化首先會(huì)改變通氣管中的壓強(qiáng)變化。水位高度不同，壓強(qiáng)不同，壓強(qiáng)直接通過通氣管作用在傳感器的膜片上，使膜片產(chǎn)生與介質(zhì)壓力成正比的微位移，使傳感器的電阻發(fā)生變化，用電子線路檢測(cè)這一變化，轉(zhuǎn)換輸出一個(gè)對(duì)應(yīng)于這個(gè)壓力的數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。此信號(hào)通過通訊協(xié)議傳輸給MCU，從而判斷水位高度。

與傳感水位檢測(cè)方式對(duì)比，數(shù)字式壓力傳感器具有水位檢測(cè)精準(zhǔn)、體積小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。

3.1 IMS7902集成式壓力傳感器介紹

ITM公司生產(chǎn)的IMS7902集成式壓力傳感器具有精度高，功耗小，體積小等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可以進(jìn)行溫度補(bǔ)償，在0～70度范圍內(nèi)都能測(cè)試到非常精確的水位信息。該傳感器工作參數(shù)：檢測(cè)0～6kPa氣體壓力變化；檢測(cè)精度：±1.5%(±0.09kPa)；工作溫度范圍：0～70℃；工作模式：最大2.5mA；睡眠模式：最大32uA；14-bit模數(shù)轉(zhuǎn)換；支持SPI/I2C通訊協(xié)議；工作電壓：2.7-5.5V；體積小；直接安裝在PCB上。傳感器實(shí)物如圖4所示。

3.2 硬件設(shè)計(jì)

IMS7902集成式壓力傳感器硬件原理圖如圖5所示，引腳定義見表1，集成式數(shù)字壓力傳感器和普通壓力傳感器一致，通過通氣軟管接在洗衣機(jī)桶底及壓力傳感器的氣管兩端并保證密封性。集成式數(shù)字壓力傳感器用5V供電，電源通過電容和TVS管做濾波和防浪涌設(shè)計(jì)，傳感器1腳和2腳MCU通過I2C線路連接，在通訊時(shí)鐘及數(shù)據(jù)線上串電阻并增加去耦電容用于線路的抗干擾，由于硬件I2C是開漏輸出，要加上拉電阻。原理圖設(shè)計(jì)好之后可以結(jié)合洗衣機(jī)其他部分硬件設(shè)計(jì)畫出PCB，并完成實(shí)物制作。

圖1 傳統(tǒng)水位傳感器實(shí)物圖

圖2 傳統(tǒng)壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖

圖3 壓力傳感器電路示意圖及頻率輸出電路（LC為傳統(tǒng)壓力傳感器模型）

圖4 IMS7902壓力傳感器實(shí)物圖

圖5 集成式數(shù)字壓力傳感器硬件電路設(shè)計(jì)（壓力傳感器為圖中U3），SDA，SCL接MCU的I/O口

表1 IMS7902集成式壓力傳感器引腳定義

圖6 I2C通訊的起始信號(hào)和停止信號(hào)

圖7 I2C通訊的數(shù)據(jù)格式

4 集成式數(shù)字壓力傳感器軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在本方案中，主控MCU和數(shù)字壓力傳感器之間采用I2C的通訊方式，MCU通過一定的時(shí)間間隔向傳感器發(fā)送檢測(cè)壓力的命令并定時(shí)向傳感器查詢當(dāng)前的壓力狀態(tài)，并轉(zhuǎn)換成當(dāng)前水位信號(hào)，對(duì)水位多次檢測(cè)取平均值。

4.1 I2C通訊協(xié)議簡(jiǎn)介

4.1.1 起始信號(hào)和停止信號(hào)

如圖6所示：

開始信號(hào)——在SCLK的高電平器件，拉低SDA的信號(hào)（由1變?yōu)?）；

結(jié)束信號(hào)——在SCLK的高電平期間，拉高SDA信號(hào)，表示通信結(jié)束。

4.1.2 數(shù)據(jù)位的有效性規(guī)定

在I2C總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)線的信號(hào)必須保持不變；只有時(shí)鐘信號(hào)為低電平器件，數(shù)據(jù)信號(hào)上的數(shù)據(jù)才允許發(fā)生改變（高電平變?yōu)榈碗娖交蛘叩碗娖阶優(yōu)楦唠娖剑?/p>

4.1.3 數(shù)據(jù)傳送格式

I2C通訊的數(shù)據(jù)格式如圖7。發(fā)送到SDA線上的每個(gè)字節(jié)必須是8位的，每次傳輸可以發(fā)送的字節(jié)數(shù)量不受限制。每一個(gè)字節(jié)必須保證是8位長(zhǎng)度。數(shù)據(jù)傳送時(shí)，先傳送最高位（MSB），每一個(gè)被傳送的字節(jié)后面都必須跟隨一位應(yīng)答位（即一幀9位）。

如果從機(jī)要完成一些其他功能后才能繼續(xù)接收或發(fā)送，從機(jī)可以拉低SCL迫使主機(jī)進(jìn)入等待狀態(tài)。當(dāng)從機(jī)準(zhǔn)備好接收并釋放SCL后，數(shù)據(jù)繼續(xù)傳輸。如果主機(jī)在傳輸數(shù)據(jù)期間也需要完成一些其他功能也可以拉低SCL以占住總線。

由于某種原因從機(jī)不對(duì)主機(jī)尋址信號(hào)應(yīng)答時(shí)（如從機(jī)正在進(jìn)行實(shí)時(shí)性的處理工作而無法接收總線上的數(shù)據(jù)），它必須將數(shù)據(jù)線置于高電平，而由主機(jī)產(chǎn)生一個(gè)終止信號(hào)以結(jié)束總線的數(shù)據(jù)傳送。

如果從機(jī)對(duì)主機(jī)進(jìn)行了應(yīng)答，但在數(shù)據(jù)傳送一段時(shí)間后無法繼續(xù)接收更多的數(shù)據(jù)時(shí)，從機(jī)可以通過對(duì)無法接收的第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的“非應(yīng)答”通知主機(jī)，主機(jī)則應(yīng)發(fā)出終止信號(hào)以結(jié)束數(shù)據(jù)的繼續(xù)傳送。

當(dāng)主機(jī)接受數(shù)據(jù)時(shí)，它收到最后一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)后，必須向從機(jī)發(fā)送一個(gè)結(jié)束傳送的信號(hào)，這個(gè)信號(hào)是由對(duì)從機(jī)的“非應(yīng)答”來實(shí)現(xiàn)的。然后，從機(jī)釋放SDA線，以允許主機(jī)產(chǎn)生終止信號(hào)。

4.1.4 數(shù)據(jù)幀格式

I2C總線上傳送的數(shù)據(jù)信號(hào)是廣義的，既包括地址信號(hào)，又包括真正的數(shù)據(jù)信號(hào)。

在起始信號(hào)后必須傳送一個(gè)從機(jī)的地址（7位），在第8位是數(shù)據(jù)的傳送方向（R/T），用“0”標(biāo)識(shí)主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)（T），“1”標(biāo)識(shí)主機(jī)接受數(shù)據(jù)（R）。每次數(shù)據(jù)傳送總是由主機(jī)產(chǎn)生的終止信號(hào)結(jié)束。但是，若主機(jī)希望繼續(xù)占用總線進(jìn)行新的數(shù)據(jù)傳送，則可以不產(chǎn)生終止信號(hào)，馬上再次發(fā)出起始信號(hào)對(duì)另一從機(jī)進(jìn)行尋址。

在總線的一次數(shù)據(jù)傳送過程中可以有以下幾種組合方式，我們介紹其中需要用到的一種。如圖8所示，主機(jī)向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)產(chǎn)送方向在整個(gè)傳送過程中不變。其中有陰影部分表示數(shù)據(jù)由主機(jī)向從機(jī)發(fā)送，無陰影部分則表示數(shù)據(jù)由從機(jī)向主機(jī)傳送。A表示應(yīng)答，A非表示非應(yīng)答（高電平）。S表示起始信號(hào)，P表示終止信號(hào)。

4.2 IMS7902傳感器I2C通訊軟件設(shè)計(jì)

4.2.1 IMS7902傳感器I2C通訊的讀取模式

我們對(duì)IMS7902通訊采用的是讀模式，在讀模式下，MCU給IMS7902發(fā)送7位從機(jī)地址和一位“1”（READ），IMS7902會(huì)發(fā)送一個(gè)應(yīng)答信號(hào)（ACK）來指示通訊成功。IMS7902有四個(gè)讀命令，Read_MR，Read_DF2，Read_DF3以及Read_DF4。具體信息如圖9所示：

（1）IMS7902從機(jī)地址：0x28；

（2）Read_MR模式：MCU發(fā)送從機(jī)地址以及讀信號(hào)，等待應(yīng)答后發(fā)送停止信號(hào)，意味著傳感器開始測(cè)量及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化；

（3）Read_DF2：讀取兩個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，包括壓力的兩個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)量；

（4）Read_DF3：讀取三個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，包括兩個(gè)字節(jié)壓力數(shù)據(jù)及一個(gè)字節(jié)溫度數(shù)據(jù)；

（5）Read_DF4：讀取四個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，包括兩個(gè)字節(jié)壓力數(shù)據(jù)及兩個(gè)字節(jié)溫度數(shù)據(jù)。

4.2.2 IMS7902傳感器工作的軟件流程框圖

IMS7902傳感器工作的軟件流程框圖如圖10所示。

4.2.3 MCU與IMS7902傳感器的通訊

MCU每間隔500ms檢測(cè)下當(dāng)前的水位狀態(tài)，根據(jù)當(dāng)前的水位狀態(tài)確定要執(zhí)行的相應(yīng)程序。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

在完成數(shù)字壓力傳感器的水位檢測(cè)方案設(shè)計(jì)后，與傳統(tǒng)的水位檢測(cè)方式做對(duì)比測(cè)試，選擇相同的條件并多次測(cè)試取平均值，測(cè)試的結(jié)果如表2所示。

通過表2可以明顯看出數(shù)字式壓力傳感器相比傳統(tǒng)壓力傳感器具有更高的檢測(cè)精度及更小的波動(dòng)范圍。對(duì)于洗衣機(jī)精確水位控制有更大的助益。可以有效解決傳統(tǒng)水位傳感器帶來的無法精確用水等問題。這對(duì)于消費(fèi)者來說可以帶來更好的洗衣體驗(yàn)，同時(shí)也能幫助企業(yè)減少由于水位檢測(cè)不準(zhǔn)確而浪費(fèi)的開發(fā)投入。

圖8 數(shù)據(jù)幀格式

圖9 IMS7902傳感器的4個(gè)讀命令

圖10 IMS7902傳感器工作的軟件流程框圖

表2 數(shù)字式壓力傳感器和傳統(tǒng)壓力傳感器檢測(cè)水位對(duì)比