智能浴室控制系統(tǒng)設(shè)計

佟 赫 李 棟 劉國浩 關(guān)東方 何慶浩

（聊城大學(xué)東昌學(xué)院 機(jī)電工程系，聊城 252000）

目前，我國的家庭和公共洗浴機(jī)構(gòu)普遍存在水資源浪費現(xiàn)象。此外，隨著我國老齡化加劇，老年人數(shù)量不斷增多[1]。文章提出了一種更加人性化的智能浴室控制系統(tǒng)，基于可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）觸摸屏一體機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)智能化洗浴，可方便老年人操作，且能夠嚴(yán)格調(diào)控出水量，實現(xiàn)節(jié)約用水。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 智能浴室基本結(jié)構(gòu)

智能浴室的總體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。浴室內(nèi)設(shè)有環(huán)狀垂直移動導(dǎo)軌，導(dǎo)軌上裝有由電機(jī)驅(qū)動的可伸縮單自由度機(jī)械臂，可自由調(diào)整長度[2]。機(jī)械臂頂端裝有由柔性薄膜壓力傳感器全覆蓋的清潔軟墊，在機(jī)械臂與軟墊連接處裝有垂直滾珠滑槽，軟墊后方裝有齒條，與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的齒輪嚙合。軟墊后表面裝有彈性系數(shù)較小的彈簧，可自由調(diào)整搓洗時的角度，以保證身體的不同部位受力均勻。清潔軟墊上設(shè)有連通沐浴露和水箱的兩個噴射口，在清潔時可以進(jìn)行沐浴露的全身涂抹搓洗，達(dá)到高效、干凈、徹底清潔的 效果。

圖1 智能浴室整體結(jié)構(gòu)

浴室正上方裝有光電式紅外線感應(yīng)淋浴器控制的電磁閥花灑，可自動對使用者進(jìn)行淋浴，并通過PLC內(nèi)部定時器實現(xiàn)定時放水。浴室頂部設(shè)有負(fù)溫度系數(shù)（Negative Temperature CoeffiCient，NTC）的熱敏電阻溫度傳感器，可實時監(jiān)測室內(nèi)溫度，并通過內(nèi)部空調(diào)調(diào)控室溫。水箱中裝有熱敏電阻式溫度傳感器和加熱棒，可恒久保持適宜的水溫。浴室外加裝了太陽能光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)，以便停電時應(yīng)急使用。

1.2 控制系統(tǒng)原理描述

智能浴室的主要控制原理，如圖2所示。它的核心處理器是中達(dá)優(yōu)控PLC觸摸屏一體機(jī)[3]。用戶站到設(shè)備設(shè)定好的洗浴位置，光電紅外傳感器檢測到信號反饋給PLC，系統(tǒng)將下放環(huán)形導(dǎo)軌，通過在環(huán)形導(dǎo)軌上運行單自由度機(jī)械臂，實現(xiàn)對人體進(jìn)行全身清潔。機(jī)械臂前端裝有壓力傳感器，可通過采集模擬量來控制設(shè)備施加的力度來適應(yīng)人體承受能力。按高度位置循環(huán)執(zhí)行全身清潔功能。清潔完成后，系統(tǒng)控制淋浴頭打開閥門開始淋浴。淋浴完成后，系統(tǒng)結(jié)束運行，自動斷水，并將全部數(shù)值重置為初始狀態(tài)。

圖2 浴室整體控制原理

設(shè)備還設(shè)有光伏發(fā)電儲能裝置，以防洗浴時斷電。通過電阻式高壓加熱器和小型空調(diào)來調(diào)解溫度。運行程序時，通過PLC中的自反饋程序來實時監(jiān)控設(shè)備中的氣溫和水溫，保證運行過程中滿足人體最佳洗浴要求。此外，設(shè)備設(shè)有漏電保護(hù)和溺水報警裝置，可在發(fā)生意外情況時，及時采取保護(hù)措施。

2 系統(tǒng)各功能模塊分析

2.1 自動淋浴控制模塊

浴室頂部裝有光電紅外傳感器。按照浴室內(nèi)空間要求，將光電紅外傳感器的信號發(fā)射范圍設(shè)定為50 cm。 當(dāng)人體進(jìn)入該范圍時，紅外信號被反射到光敏電阻并傳至PLC，PLC經(jīng)輸出端口導(dǎo)通與排水電磁閥的電路[4]。電磁閥得電后，通過磁力將閥門座上的閉合元件提起，閥門打開，淋浴頭開始噴水。PLC內(nèi)部定時器開始計時，60 s后，輸出端口自動切斷信號，磁性線圈失電，閉合元件被彈簧壓緊在閥門座上，淋浴頭停止供水。

水箱中裝有差壓式水位傳感器[5]，測量范圍為20 m， 輸出電流的范圍為4～20 mA。PLC的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital，A/D）模擬量輸入接口將電流轉(zhuǎn)換成數(shù)字量寄存到D0寄存器中，再通過其模擬量輸出接口數(shù)模轉(zhuǎn)換器（Digital to Analog，D/A）將0～20 m 的水位信號轉(zhuǎn)換成0～10 V的電壓信號輸出，并在顯示屏上顯示實際水位值。

2.2 全身自動清潔控制模塊

淋浴結(jié)束時，PLC通過輸出端口向步進(jìn)電機(jī)發(fā)送脈沖信號，驅(qū)動圓環(huán)形滑軌下降。圓環(huán)形滑軌通過絲杠導(dǎo)軌來實現(xiàn)上下升降功能，通過兩列平行光軸保持水平穩(wěn)定。它的動力由步進(jìn)電動機(jī)提供。下降間距通過步進(jìn)電動機(jī)細(xì)分?jǐn)?shù)來控制，選用的步進(jìn)電機(jī)步距角為1.8°。細(xì)分系數(shù)為1的情況下，電機(jī)需接收200個脈沖信號旋轉(zhuǎn)一周。由于絲杠導(dǎo)軌的螺距為2 mm，頭數(shù)為4，故導(dǎo)程為8 mm。預(yù)設(shè)PLC每次發(fā)送的脈沖數(shù)為2 000個，則滑軌每次下降距離為80 mm。當(dāng)圓環(huán)形滑軌下降到合適位置時，機(jī)械臂基座處的28減速器步進(jìn)電機(jī)得到脈沖信號，驅(qū)動機(jī)械臂向圓心伸展，直至前端清潔裝置的壓力傳感器檢測到人體的反饋信號。PLC通過比較指令確定壓力模擬量數(shù)值處于許可區(qū)間，當(dāng)超出區(qū)間時，機(jī)械臂的伸展停止。前端的減速器電機(jī)收到脈沖信號時，對電機(jī)輸出一個不斷通斷的方向信號，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)自動摩擦清潔功能。

在圓環(huán)型滑軌的兩個極限位置裝有限位開關(guān)。當(dāng)圓環(huán)運動到最下方時，觸碰到下限位開關(guān)。PLC收到信號后，全身自動清潔環(huán)節(jié)結(jié)束。通過PLC內(nèi)部的原點回歸指令，使環(huán)形滑軌回到系統(tǒng)設(shè)定的初始位置。當(dāng)觸碰到上限位開關(guān)時，系統(tǒng)內(nèi)部所有電機(jī)的驅(qū)動觸點復(fù)位，洗浴結(jié)束。

2.3 溫度控制模塊

PLC觸摸屏一體機(jī)自帶2路熱敏電阻模擬量輸入接口。NTC型熱敏電阻溫度傳感器的輸入接口為D9904。傳感器會持續(xù)檢測水溫，并將溫度模擬量轉(zhuǎn)換為電流值輸送給D9904[6]。通過PLC內(nèi)部自設(shè)的MOV指令，將D9904讀取的模擬量傳給D2，再由區(qū)間比較指令ZCP使D2中的數(shù)值持續(xù)與PLC中設(shè)定的41～52 ℃對應(yīng)的數(shù)值比較[7]。設(shè)定41 ℃為溫度下限，當(dāng)水溫低于41 ℃時，M110觸點接通，Y7線圈得電，加熱棒根據(jù)設(shè)定值開始加熱；當(dāng)水溫處于41～52 ℃時，加熱棒為保溫模式；當(dāng)溫度超過52 ℃ 時，Y7線圈失電，加熱棒停止工作。同時，水溫會實時顯示在觸摸屏上，設(shè)定屏幕上的溫度顯示模塊指定數(shù)據(jù)寄存器為D10。將D2的數(shù)據(jù)遞送給D10，即可在屏幕上顯示水溫。

浴室內(nèi)自動控溫系統(tǒng)由PLC、變頻器、熱電偶式溫度傳感器以及小型中央空調(diào)組成[8]。通過PLC控制變頻器，可控制浴室內(nèi)外風(fēng)機(jī)、冷卻泵運行的數(shù)目和轉(zhuǎn)速，能夠準(zhǔn)確把控流量，提高效率，同時減少電量消耗。

2.4 光伏發(fā)電儲能模塊

光伏發(fā)電模塊由保溫水箱、太陽能控制器、逆變器和太陽能蓄電池組成。熱水的存儲由保溫水箱完成，水箱的內(nèi)部加裝有不銹鋼層，并加設(shè)一層保溫層，使保溫效果更好，設(shè)備更加抗腐蝕，達(dá)到水質(zhì)清潔的要求。在陽光充足的情況下，若系統(tǒng)檢測到水溫低于41 ℃，會自動斷開程序內(nèi)部加熱棒電路，僅通過光伏發(fā)電為加熱棒供電來調(diào)節(jié)水溫。智能浴室設(shè)有太陽能蓄電池。陽光充足時，太陽能電池板會持續(xù)為蓄電池充電。當(dāng)遭遇突然斷電或一些緊急情況時，蓄電池可以為系統(tǒng)臨時供電。臨時供電僅持續(xù)一個洗浴周期，之后程序會切斷電源，以節(jié)省電量。這樣既滿足了節(jié)能環(huán)保的要求，也滿足了使用者洗浴時的舒適度和效率要求，更加適于家用。

3 結(jié)語

家用智能浴室具有廣闊的應(yīng)用前景，受到了愈來愈多的重視。設(shè)計的基于PLC的家用智能浴室控制系統(tǒng)，包括自動淋浴控制模塊、自動搓洗控制模塊、溫度控制模塊以及太陽能儲能模塊等，借助3D打印機(jī)對部分模塊的裝置進(jìn)行了制造，且根據(jù)不同的功能需求對設(shè)計的家用智能浴室控制系統(tǒng)進(jìn)行了實驗和分析研究。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)智能化洗浴，方便老年人操作，能夠節(jié)約水資源，具有成本低、易于維護(hù)以及穩(wěn)定性強(qiáng)等特點。后續(xù)會根據(jù)人體特征設(shè)計更加符合人體的搓洗模塊，并研究使整個系統(tǒng)的控制箱和硬件電路更加緊湊，以節(jié)省空間，進(jìn)而使得該控制系統(tǒng)的操作更加舒適和高效。