基于STM32单片机的智能水阀控制系统

摘要：本文设计了一套基于STM32单片机的智能水龙头控制系统。该系统集成了红外线人体探测、数字温度传感器、舵机驱动的混合水阀、OLED显示屏等模块，实现了水温智能控制、水流自动断水等功能。该系统采用STM32F407作为控制核心，时钟频率高达168MHz，具备强大的处理能力，可执行复杂的温控算法。温度传感器采用DS18B20数字传感器，直接输出水温数值，确保了测量精度。混合水阀使用舵机调节冷热水流量比，快速响应，能有效控制水温。红外传感模块探测人体信号，实现自动断水控制。测试结果表明，系统响应迅速，停水时间是出水时间的一半左右，达到良好的控温效果和智能节水效果。本系统为公共场所提供了一种节水、节能、智能化的水龙头解决方案。

关键词：STM32；智能水龙头；水温控制；红外检测；即用即停

一直以来，医院、饭店等公共场所的水龙头多为手动开关模式，容易损坏，长期不用易生锈，且无法精确控制水量和水温，造成水资源浪费严重。同时，还存在一定的疾病传播风险。鉴于上述问题，本研究旨在设计一套智能水龙头控制系统，用于公共场所，以实现准确的水温控制、水量控制和用户体温检测功能，还引入废水循环系统。该系统能够有效减少公共场所的用水量，提供更优质的用水体验，并降低疾病传播风险。

1系统总体设计方案

图1系统总体设计方案

本设计的核心是采用STM32F407VGT6芯片作为控制核心，负责整个系统的智能控制。结合红外线人体探测模块、温度传感器、OLED显示屏等部件来实现智能水龙头的功能。

1.1控制核心

采用STM32F407系列32位ARMCortexM4核微控制器，最高主频可达168MHz，拥有210DMIPS的强大处理能力，可满足系统的数学运算和控制算法执行需求。内置FPU提高了浮点运算效率。

1.2传感器模块

红外线人体体温传感器：采用MLX90615模块，可非接触测量人体表面温度，以便系统根据体温来调节出水温度。

水温传感器：使用数字温度传感器DS18B20，直接以数值形式输出检测到的水温，精度高。

人体感应模块：使用HCSR501人体红外感应模块，当检测到人体存在时触发系统开始工作。

1.3OLED显示屏

采用0.96寸OLED智能显示屏，通过I2C串行接口与STM32连接，用于显示工作状态、水温参数及用户体温等信息。OLED屏采用自发光的有机发光二极管技术，具有响应速度快、对比度高、视角宽等优点，支持中英文显示，菜单化操作，交互性强。内置DDRAM图像存储器，可实现显示内容的快速刷新。工作温度范围广，可适应室内外环境。该显示屏为用户提供了直观的系统运行状态界面。

1.4输出模块

输出模块主要包括舵机驱动的混合水阀和控制总水流的电磁阀。混合水阀采用封闭式舵机驱动，根据PID算法计算的角度进行饱和控制，快速调节冷热水流量比例，实现精确控温；电磁阀则直接由STM32的GPIO信号控制，响应速度快，在0.05秒内可完成断水。两者的配合使用可保证系统在准确、快速地调节水温的同时，智能地控制水量，避免不必要的浪费，满足了对水量与温度闭环控制的需求。

1.5PID控温算法

本系统采用PID控温算法来实现精确的水温调节，该算法根据水温传感器DS18B20的实时反馈值，经过比例、积分、微分运算后输出控制舵机的角度。其中，比例项P提高系统动态响应速度，积分项I可消除稳态误差，微分项D可增加系统稳定性。通过调优PID的参数，可获得系统良好的静态与动态性能。而采用增量式PID和滤波器的方法，则可进一步提高系统的抗干扰能力和稳定性。配合定期自整定和在线自校正，PID算法的应用显著增强了智能水龙头的温控精度和速度。

1.6废水模块

收集废水，经过滤后提供循环使用。废水模块采用了一体化设计，占地面积小，不仅工艺新颖，操作维护简单，所采用的耐腐蚀材料的使用寿命还可以长达20年以上。

1.7模式选择

1.7.1普通模式

（1）系统默认启动后进入该模式。

（2）红外传感器检测到用户接近时，打开电磁阀。

（3）水温传感器实时检测水的温度。

（4）MCU根据用户体表温度和设定温度范围，计算混合水阀的开度比例，控制冷热水流量比例，使水温保持在设定范围内。

（5）用户离开后，红外传感器发送信号，MCU关闭电磁阀，水阀回到关闭状态。

1.7.2儿童模式

（1）可通过语音或按键手动切换至该模式。

（2）系统自动将水温控制在更低温度，例如35℃左右。

（3）避免儿童使用时被高温烫伤。

（4）其他流程同普通模式。

1.7.3高温消毒模式

（1）系统可以在夜间或长时间无人使用后，自动进入该模式。

（2）打开热水阀，控制水温升至60℃左右对管道进行消毒。

（3）设置一个计时器，例如消毒10分钟后关闭热水阀，恢复至普通模式。

1.7.4节水模式

（1）可通过语音或按键切换至该模式。

（2）设置单次出水量阈值，例如最大出水体积为1升。

（3）水流传感器实时检测出水量，当累计达到阈值时，MCU切断电磁阀。

（4）或者根据统计设置日最大用水量，超过后进入停水状态。

1.7.5自定义模式

（1）APP中可设置温度范围、出水时间等参数。

（2）MCU根据APP的自定义参数运行。

（3）实现个性化使用需求。

1.7.6远程控制模式

（1）支持WiFi、4G等连接，可在APP远程查看系统状态。

（2）可远程发送控制指令开启/关闭水龙头。

（3）连接云平台实现远程监控和诊断。

2系统工作流程

（1）初始化阶段：上电后，STM32进行外设的初始化，包括OLED显示屏、红外测温模块、水温传感器DS18B20等的引脚初始化，以及中断功能的设置。

（2）主程序循环：不断检测红外人体感应模块的输出状态，当检测到人体靠近时，进入工作状态。

（3）获取数据：启动红外测温模块和水温传感器DS18B20进行数据采集，通过STM32的ADC取得人体表面温度和水温数据。

（4）PID计算：将采集到的温度数据输入PID算法，计算出控制舵机所需的角度值，再利用DMA传输加速运算速度。

（5）控制执行：设置PWM输出控制舵机转动到计算所得角度，以调节水温，同时打开电磁阀使水流出。

（6）信息显示：在OLED屏幕上实时显示当前人体温度和水温信息。

（7）断水控制：当红外感应模块检测到人体离开时，STM32关闭电磁阀，切断水流。

（8）数据保存：使用RTC实时时钟功能，将水温曲线等数据保存到STM32的内部Flash。

（9）低功耗：人体离开一定时间后，系统进入低功耗睡眠模式，降低功耗。

图2工作流程图

通过STM32的强大功能，实现了对整个系统的统一智能控制，使智能水龙头具有准确的温控、人性化的使用体验以及智能的节水控制。

3系统创新方案

（1）采用红外线非接触式人体温度测量，可以准确检测使用者体表温度，根据体温的差异主动调节出水温度，实现个性化服务。

（2）采用PID算法实现精准的温控系统，舵机控制混合水阀按照计算结果高效调节水温，使控温响应时间缩短。

（3）设置多种工作模式，如普通模式、消毒模式等，用户可以根据需要进行选择，拓展产品应用场景。

（4）引入废水收集及循环利用系统，提高水资源利用效率，实现环境保护和卫生间升级。

（5）采用OLED显示屏实时显示工作状态、水温等信息，交互性强，使用更友好。

（6）STM32控制核心，集成各种外设接口，通过智能算法实现系统的精确调控与优化。

通过以上创新设计，本系统显著提升了公共水龙头产品的智能化水平和使用体验，实现了对水资源的合理利用。

4系统仿真与调试

系统软件与硬件全部设计完毕之后以KeiluVision5为编程环境对编写的程序文件进行HEX格式的转换，然后在单片机上进行烧录，采用STLINK仿真器对各模块进行了仿真研究，对系统的运行效率和稳定性进行了观测，并对各模块做了优化和调整，最终观测到了系统的总体运行状态，从而达到了缩短时间、节水的效果。

4.1系统测试

系统测试是对完整集成后的系统进行测试的阶段，用来评价系统对具体需求规格说明的符合性，系统测试是在单元、组件和集成测试阶段之后进行的。系统测试所用的数据必须尽可能地像真实数据一样精确有代表性。可以使用真实数据或者使用真实数据的一个复制，复制数据精度必须尽可能地代表真实的数据。因此，为了检验系统的功能实现，对系统进行实际测试并上电后观察出水情况，对人体进入红外探测范围水龙头开始出水、人体走出红外探测范围水龙头停水所用的时间做了一个系统测试，下表是传感器检测水龙头出水停水的测试结果。

4.2优化方案

测试结束时，发现反应时间数值超出我们的理想值，我们对程序设计方面对停水和出水进行优化。方案如下：传感器感应到人体时，将结果反馈给控制芯片，从而控制水龙头。由于出水是一个持续高电平的过程，我们可以在结束过程中设置一个中断时间控制器，当输出由高电平转为输出低电平时，触发中断时间，实现自动停水，而无须将反馈发送到控制芯片。这样做相当于减少了一半的处理过程，从而缩短了时间，也达到了节水的效果。经调整之后，停水时间大大缩短，符合预期。

5结论

本研究通过分析公共场所用水的问题，从硬件与软件两方面进行设计。本系统不仅可以实现用水的即用即停，温度控制，而且可以实现废水循环，将洗手水进行废水利用，功能非常丰富。STM32系统工作稳定，可以更好地保障用户的体验感，显著地节约了水资源的使用，改善了公共卫生的普遍浪费水问题，有较大的推广应用价值。同时希望该系统能够在各个公共场所投入使用，实现温度检测数据的实时传输，以便后续迭代可提供给用户更舒适的洗手体验感。

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作者简介：吴宇哲（2002—），男，汉族，湖北武汉人，本科，现主要从事算法优化、电子信息方面研究。