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基于单片机的淋浴器自动混水智能控制器设计与实现
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基于单片机的淋浴器自动混水智能控制器设计与实现
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贵州大学硕士学位论文
I
摘要
淋浴器广泛用于人们的日常生活中,目前,调节淋浴器出水温度都是手动调
节混水阀开关开度大小,改变冷水和热水的混合比例来实现,这对老人和小孩来
说极为不便。为了解决这个问题,本设计在淋浴器混水控制系统中引入语音和人
脸识别技术,通过初始设置后,在使用时就能按个性化要求实现恒温出水。
本设计采用 STM32 单片机作为主控制器,通过温度传感器采集水温、语音
及人脸识别确定用户,将淋浴器出水温度与个性化设定值进行比对,如果温度不
符合设定值,则单片机控制步进电机工作,调节混水阀的开度,最后达到出水温
度符合设定值。本设计包括硬件系统搭建、应用及控制软件编写调试。最后对整
个混水控制系统进行调试,其结果达到了设计要求。
关键词:混水控制器;水温调节;STM32 单片机
贵州大学硕士学位论文
III
目录
摘要..................................................................................................................................Ⅰ
ABSTRACT ..................................................................................................................... II
目录..................................................................................................................................Ⅳ
第一章 绪论......................................................................................................................1
1.1 问题的提出........................................................................................................1
1.2 设计意义............................................................................................................1
1.3 国内外研究现状 ................................................................................................1
1.3.1 国外研究现状 .......................................................................................2
1.3.2 国内研究现状 .......................................................................................3
1.4 主要设计内容....................................................................................................4
第二章 控制系统总体方案设计......................................................................................6
2.1 设计指标要求....................................................................................................6
2.2 总体方案设计....................................................................................................7
2.3 硬件架构............................................................................................................8
2.4 软件设计..........................................................................................................10
2.5 本章小结 ......................................................................................................... 14
第三章 系统硬件设计....................................................................................................15
3.1 单片机最小系统设计 ......................................................................................15
3.2 温度采集模块设计 ..........................................................................................15
3.3 系统供电电源设计 ..........................................................................................16
3.4 LCD触摸屏电路设计 ......................................................................................16
3.5 步进电机驱动电路设计 ..................................................................................17
3.6 语音识别电路设计 ..........................................................................................19
3.6.1 识别芯片的选用 .................................................................................19
3.6.2 LD3320语音识别系统电路设计 ........................................................20
3.7 语音播报电路设计 ..........................................................................................21
3.7.1 语音播报芯片的选用 .........................................................................21
3.7.2 SYN8288语音播报系统电路设计 .....................................................21
3.8 本章小结 .........................................................................................................22
第四章 系统软件设计....................................................................................................23
4.1 系统软件设计概述 .........................................................................................23
4.2 温度采集模块程序设计 .................................................................................26
贵州大学硕士学位论文
IV
4.2.1 温度采集模块的流程 .........................................................................26
4.2.2 温度采集模块的DS18B20驱动程序 .................................................26
4.2.3 温度采集模块的代码 .........................................................................27
4.3 触摸屏程序设计 ..............................................................................................29
4.4 触摸屏按键程序设计 ......................................................................................30
4.5 步进电机驱动控制程序设计 ..........................................................................34
4.6 语音识别程序设计 ..........................................................................................38
4.6.1 语音识别算法 .....................................................................................38
4.6.2 语音识别程序代码设计 .....................................................................40
4.7 语音播报程序设计 ..........................................................................................42
4.8 系统主程序设计 ..............................................................................................44
4.9 本章小结..........................................................................................................47
第五章 系统的实现及测试............................................................................................48
5.1 系统的实现 .....................................................................................................48
5.1.1 系统实现 .............................................................................................48
5.1.2 系统仿真 .............................................................................................48
5.2 系统的测试 .....................................................................................................53
5.2.1 系统测试方法及步骤 .........................................................................53
5.2.2 系统测试准备 .....................................................................................53
5.2.3 系统测试过程 .....................................................................................54
5.2.4 系统测试结果 .....................................................................................56
5.3 本章小结 .........................................................................................................57
结论与展望......................................................................................................................58
致谢..................................................................................................................................59
参考文献..........................................................................................................................60
原创声明..........................................................................................................................63
贵州大学硕士学位论文
1
第一章 绪论
1.1 问题的提出
随着时代的发展,以前不受限制的燃气淋浴器逐渐被淘汰;新型太阳能淋浴
器虽然受安装条件限制,但以其安全环保的理念受到用户的青睐,发展较快。然
而,由于各种原因,相当多的城市居民选择了电热淋浴器。电热淋浴器有很多优
势本身适应当前社会发展:容易安装,不太容易受到天气的影响,也不会受到楼
层高度和水供应影响,初投资成本相对较低。在淋浴器逐渐普及的前提下,越来
越多的新产品进入市场:不同安装形式的淋浴器,通过不同安装和嵌入,一个接
一个的摆脱了淋浴器大小的限制。智能淋浴具有安全性高、更节能、性价比更高
的特点,越来越多的消费者在寻找适应快节奏生活、节省时间和体验的方法。随
着科学技术的飞速发展,淋浴技术也在飞速发展。越来越多的黑科技也被用于淋
浴。淋浴器不是一个简单的水加热工具,而是一个高科技的现代家庭用品。
在新的经济背景下,智能化概念逐渐在热水器行业兴起,各种智能化产品逐
渐在市场上出现。可以预见未来智能化的高端热水器产品将成为主流。因此,热
水器产业必须紧跟潮流,推动智能化产品的生产,提升自身的竞争力。
1.2 设计意义
淋浴器广泛用于人们的日常生活中,目前,调节淋浴器出水温度都是手动调
节混水阀开关开度大小,改变冷水和热水的混合比例来实现,这对老人和小孩来
说极为不便。为了解决这个问题,本设计在淋浴器混水控制系统中引入语音和人
脸识别技术,通过初始设置后,在使用时就能按个性化要求实现恒温出水。
本设计采用 STM32 单片机作为主控制器,通过温度传感器采集水温、语音
及人脸识别确定用户,将淋浴器出水温度与个性化设定值进行比对,如果温度不
符合设定值,则单片机控制步进电机工作,调节混水阀的开度,最后达到出水温
度符合设定值。本设计包括硬件系统搭建、应用及控制软件编写调试。最后对整
个混水控制系统进行调试,其结果达到了设计要求。
1.3 国内外研究现状
1.3.1 国外研究现状
(1)国外智能家居的发展现状
贵州大学硕士学位论文
2
1984 年,美国康涅狄格州的工程师们运用创新性理念重新改造一栋旧办公
楼,世界上第一栋智能大厦就此诞生
[1]
。依据于一套独立而又科学的计算机系统,
该大厦实现了智能功能,具体包括对空调,照明,电梯等设备的智能控制、监测
以及通信,此外,该系统的软件还可以发送电子邮件等信息服务。这座智能大厦
的诞生,拉开了世界智能家居的帷幕。上世纪末,“亚洲家居电器与电子消费品
国际展览会”在新加坡展开,会上,新加坡展示了其国内先进的智能家居系统—
—未来之家,根据新加坡提供的数据,当时该智能家居系统已在新加坡三十多个
小区内应用
[2]
。
在智能家居中通常需涉及到多种技术,但随着技术的逐步发展,将来的智能
家居控制系统中会逐渐减少在室内墙体安装触摸屏进行控等类似功能,全面转向
智能设备操作
[3]
。目前在智能家居领域通用且较为重要的无线技术有 WiFi、
Zigbee、Zwave 及蓝牙四种,其中 Zwave 技术具备稳定性,室内有效覆盖面积为
30 米,数据传输速率为 9.6kbps,因其节点少,网络结构匮乏等因素,导致其仅
在家庭自动化方面有应用
[4]
。
(2)国外热水器智能设计研究现状
对于太阳能热水器的研究,国外的学者研究层次相对较深。光伏光热综合利
用(PV/T)系统是 1978 年最先由 Kern 和 Russell 两位学者提出,在他们的研究基
础上,大量的研究人员利用理论与实验技术围绕该概念进行了进一步的完善和深
入分析
[5]
。Sjornar 和 Rekstad 在研究中以 PPO 材料制作的扁盒式集热板为基础,
在上面分别铺设了单晶硅电池组件,然后又铺设了玻璃盖板,以此为实验材料来
进行光伏电池温度与系统温度的关系,经过理论分析以及实验获得的数据表明,
二者之间关系紧密
[6]
。Zakharchenko 等人制作了 PV/T 收集器,制作的方法是以
商用的太阳能集热器为基础,在上面铺设了黑色 PVC 吸热板,然后粘结了不同
的光伏电池组件,经过理论分析以及他们获得的实验数据表明,从面积上讲,集
热板应该大于光伏板,从安装位置上讲,光伏电池应位于热气入口的上方,而且
应该呈紧贴式。进一步地,他们发现光伏电池背板由于存在低换热效率的缺陷,
因此,集热器与光伏板之间应该重新组装,而不是直接让即热器贴在光伏板的背
面
[7-9]
。
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