翁曉偉 曹 睿 江曉紅 鄭丙輝

(1 臺州市產(chǎn)品質量安全檢測研究院 浙江 臺州 318000)(2 浙江大學電氣工程學院 杭州 310027)

前言

隨著當今生活水平的日益提高，人們對于生活品質的要求也越來越高。近年來坐便器作為日常生活中重要的一環(huán)，發(fā)展也十分迅速。日本智能馬桶蓋在國內的紅極一時，表明了人們對于高性能坐便器的需求正在日益高漲。此后國內大量的電子坐便器類產(chǎn)品也開始如雨后春筍一般紛紛涌出。

而在電子坐便器產(chǎn)業(yè)欣欣向榮的同時，由于檢測標準不一而導致的合格判定問題也應該引起重視。而導致該問題的主要原因是因為電子坐便器的生產(chǎn)過程中涉及到材料科學、機械設計、電氣自動化等多種相關科技，而國家并未出臺統(tǒng)一規(guī)范的標準。在這樣的局面下，國家質量監(jiān)督檢疫總局于2018年2月啟動了“全國智能馬桶產(chǎn)品質量攻堅計劃”，其中的重要組成部分之一便是“打好關鍵零部件質量提升的攻堅戰(zhàn)”。

清洗器是電子坐便器的重要組成部分之一，其主要職能是將經(jīng)過加熱器加熱的溫水噴出來清洗人體，因此其電氣絕緣性以及清洗水流的壓力和流量等指標至關重要，對于用戶的體驗影響極大。筆者設計提出了一套能夠對清洗器零部件性能進行評估的檢測系統(tǒng)，能夠迅速有效地反應出被測清洗器的相關性能指標。

1 總體方案設計

當前國內的電子坐便器的標準不一，既有各個企業(yè)自己制定的標準，也有行業(yè)內的相關標準。而上述2種標準都偏向于整機的性能檢測，對于零部件的檢測要求以及相關檢測系統(tǒng)卻沒有一個完整的方案。在查閱相關標準以及文獻后，筆者針對清洗器的性能指標提出了相應的測試項目以及指標。

清洗器的主要檢測項目有如下9項：高水壓泄露檢查、清洗水流量測量、清洗力測量、清洗面積測量、噴頭自潔功能、噴嘴伸出和回收時間、斷水與斷電位置恢復、絕緣電阻與電氣強度、耐久老化可靠性試驗。為了獲取穩(wěn)定精確的數(shù)據(jù)，測試項目中所有的測量均使用現(xiàn)有的高精度測量儀器。

清洗器檢測系統(tǒng)由3個部分組成：檢測控制器、上位機以及水管管路工裝夾具。清洗器性能檢測系統(tǒng)的結構如圖1所示。

圖1 清洗器性能檢測系統(tǒng)結構示意圖

由圖1可知，核心部件檢測控制器負責數(shù)據(jù)中轉以及接口轉換，通過接受上位機的相關測試指令設置，對清洗器進行操作，然后接受儀器的實時數(shù)據(jù)返回給上位機，最后由上位機對數(shù)據(jù)進行分析得出性能評價。

2 系統(tǒng)硬件電路的設計

系統(tǒng)硬件電路的核心部分是由主控單片機系統(tǒng)和多個輔助電路組成的檢測控制器，檢測控制器作為典型的嵌入式系統(tǒng)，其結構如圖2所示。

圖2 檢測控制器的電路結構示意圖

2.1 主控單片機的選擇

在主控單片機的選擇上，主要的限制因素是通用異步收發(fā)傳輸器UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) 接口的個數(shù)。通過圖2可知，主控單片機需要通過RS232接口連接總共6個部件，因此至少需要6個UART接口的單片機，通過端口復用功能可以使用價格低廉的芯片，從而取代價格較為昂貴的多UART接口單片機。通過調研，最終決定選擇單片機STM32F103RCT6，因為它具有5個UART接口，64個引腳，經(jīng)過串口復用設計后，能夠滿足檢測控制器的硬件設計的需求。

2.2 電源電路

圖3 檢測控制器的供電關系結構示意圖

檢測控制器由市電交流220 V作為輸入電源，220 V分別給繼電器所控制的對象和AC-DC電源轉換模塊供電，AC-DC電源轉換模塊將市電交流的220 V電壓轉換為直流電24 V。接著將直流24 V通過降壓開關電源電路轉換得到12 V的直流電源，其中24 V到12 V的降壓開關電源電路使用了常用的LM2596開關電源芯片，保證電源轉換效率的同時也不會發(fā)熱過于嚴重。12 V直流電通過線性穩(wěn)壓芯片78M05轉換為5 V的直流電壓，最后由線性穩(wěn)壓芯片AMS1117轉換為直流電3.3 V。在監(jiān)測控制器的供電系統(tǒng)中，12 V直流電主要給繼電器的驅動供電；5 V直流電給清洗器的通信控制部分供電；3.3 V直流電主要給單片機和外部輔助電路供電。檢測控制器的供電關系結構如圖3所示。

2.3 繼電器驅動電路

檢測控制器上配備了多達6路的磁保持繼電器，分別用于控制水路電磁閥、清洗器及儀器設備等的通斷。因為其路數(shù)較多，并且驅動需要正向和反向一共2個，因此本系統(tǒng)使用了2片復合晶體管陣列芯片作為磁保持繼電器的驅動器。如圖4所知，由1片晶體管陣列芯片、UL2003驅動、3個磁保持繼電器及1個磁保持繼電器組成的電路連接情況。

圖4 磁保持繼電器及其驅動電路圖

2.4 通信電路

檢測控制器通過串口和外部的儀器設備通信，并且讀取數(shù)據(jù)，經(jīng)過分配設計后，采用時分復用的接口方式來最大化利用UART。本系統(tǒng)將3個UART接口采用接口分兩路的方法，分時復用為6路RS232通信接口。每一個單片機UART接口的時分復用結構如圖5所示，先將TTL電平的串口信號經(jīng)由RS232電平轉換芯片轉換為標準的RS232串口通信信號，然后通過切換信號繼電器，在指定的RS232接口上實現(xiàn)串口通信。

圖5 單片機1路UART接口時分2路RS232接口

3 系統(tǒng)軟件的設計

整個清洗器性能檢測系統(tǒng)的軟件包含2大部分，它們分別是上位機的電腦軟件和檢測控制器的嵌入式控制軟件。上位機軟件主要負責人機交互和數(shù)據(jù)處理，檢測控制器軟件則主要負責控制所有儀器設備和，并讀取相應的數(shù)據(jù)向上位機進行上傳。

3.1 上位機軟件的設計

上位機軟件使用了C#開發(fā)，能在Windows操作系統(tǒng)下便捷地進行開發(fā)測試相關工作。上位機的操作方法為先選擇待檢測清洗器的編碼，然后進入測試項目選擇界面，選擇需要進行測試的項目，然后檢測控制器開始該項目的檢測，期間上位機會不斷地接收，并且顯示出檢測控制器返回的實時數(shù)據(jù)，直到測試完成，處理接收到的數(shù)據(jù)并顯示最終的性能測試結果。上位機的具體工作流程如圖6所示。

圖6 上位機軟件的工作流程圖

3.2 檢測控制器軟件的設計

檢測控制器根據(jù)上位機的指令，做出相應的控制操作。檢測控制器需要協(xié)調好清洗器和其它儀器設備的開啟順序及數(shù)據(jù)收集上報工作。每個測試項目的控制內容都不一樣，圖7給出了功率測試項目的工作流程圖。

3.3 通信數(shù)據(jù)格式

上位機和檢測控制器之間通過RS232串口通信，使用指定的數(shù)據(jù)幀格式，每個數(shù)據(jù)幀包括同步頭碼、數(shù)據(jù)內容和校驗字節(jié)，能夠簡單有效地完成通信工作。上位機的指令數(shù)據(jù)幀和檢測控制器返回的數(shù)據(jù)幀定義分別如表1與表2所示。

圖7 功率測試項目檢測控制器的工作流程圖

表1 上位機的指令數(shù)據(jù)幀格式

表2 檢測控制器返回的數(shù)據(jù)幀格式

4 系統(tǒng)實際應用

電子坐便器中清洗器性能的檢測系統(tǒng)，已成功地應用于國家智能馬桶產(chǎn)品質量監(jiān)督檢驗中心，能夠較好地完成和清洗器零部件相關的測試項目。表3列舉了某清洗器的檢測結果。

表3 某清洗器的測試結果

該清洗器的最終檢測結果為基本合格，在清洗水量方面表現(xiàn)欠佳，建議廠家進行節(jié)水性能優(yōu)化，提升對進水水量及水壓變化的適應能力。

5 結論

筆者介紹了用于電子坐便器中負責清洗人體的清洗器零部件性能檢測系統(tǒng)的主要軟硬件設計方案，成功地搭建了一套檢測系統(tǒng)并做了相關性能的測試。該檢測系統(tǒng)為清洗器零部件的性能檢測實驗提供了標準的試驗檢測平臺，能準確客觀地評價清洗器零部件的質量，為電子坐便器行業(yè)的品質提升提供了幫助。