一种恒温节水电子淋浴系统

1.本实用新型涉及卫浴用品领域，尤其涉及一种恒温节水电子淋浴系统。


背景技术：

2.随着生活水平的不断提高，大众对美好生活的标准更高，需求更全面，其主要表现在生活用品方面。随着5g技术的深入发展，智能家居已渐渐走进人们的生活中。传统的淋浴器构造简单，控制精度低，调温慢，且存在浪费水资源和能源的可能，已无法满足人们对舒适的淋浴需求。更进一步，传统的淋浴器属于纯粹的机械结构，缺乏电子控制系统，无法融入到5g时代的智能家居体系中，注定要被时代淘汰。传统淋浴器在使用时，通常需要放一段时间的冷水，把滞留在热水管中的冷水放完之后才能流出热水。这样既费时，又浪费了水资源。而且目前智能淋浴器普及度相对较低，尤其是在公共浴室、游泳馆、学校浴室等公共淋浴场合，几乎普遍使用传统淋浴器，对水资源造成了浪费，有较大的改进空间。


技术实现要素：

3.本实用新型所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种恒温节水电子淋浴系统。
4.本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：
5.一种恒温节水电子淋浴系统，包括混水阀、动力单元、热水接入管、冷水接入管、分水阀、回流单元、水压传感器、操作显示单元和中央处理单元；
6.所述混水阀包含混水阀体、阀芯、活塞、固定杆、万向节、连杆；
7.所述混水阀体包含操作筒和混水筒；
8.所述操作筒为下端开口、上端中心设有通孔的空心圆柱体；
9.所述混水筒为上端开口、下端中心设有通孔的空心圆柱体；所述混水筒侧壁上设有冷水入口和热水入口，其中，所述冷水入口和所述冷水接入管的出口密闭相连，所述热水入口和所述热水接入管的出口密闭相连；所述热水接入管、冷水接入管分别用于从外界接入热水、冷水；
10.所述混水筒的上端和操作筒的下端同轴固连；
11.所述阀芯为上下开口的空心圆柱体，设置再所述混水筒中，阀芯的外壁和混水筒的内壁贴合、能够沿混水筒自由滑动，用于调节混水筒侧壁上冷水入口和热水入口的开合比例，当阀芯将冷水入口完全堵住时热水入口完全打开、当阀芯将热水入口完全堵住时冷水入口完全打开；
12.所述活塞同轴设置在操作筒中，活塞和操作筒内壁密闭且活塞能够沿操作筒内壁自由滑动；
13.所述连杆一端通过万向节和所述活塞上端面的中心铰接，另一端从所述操作筒上端的通孔伸出混水阀体外；
14.所述固定杆上端和所述活塞的下端面中心垂直固连，下端伸入所述阀芯中，且固
定杆和阀芯内壁之间周向均匀设有若干固定条，所述固定条均一端和固定杆侧壁固连、另一端和阀芯内壁固连；
15.所述动力单元包含舵机、舵机支架和摆臂，其中，所述舵机通过舵机支架固定在所述操作筒外，其输出轴和所述摆臂的一端垂直固连；所述摆臂的另一端和所述连杆伸出混水阀体的一端铰接；所述舵机用于带动活塞在操作筒内上下滑动进而带动阀芯在混水筒内滑动，达到调节混水筒侧壁上冷水入口和热水入口开合比例的目的；
16.所述分水阀为三位二通电磁阀，包含混水入口、混水出口、回流出口，用于使混水入口和混水出口联通或使混水入口和回流出口联通；
17.所述分水阀的混水入口和混水筒下端的通孔通过管道相连，且该管道内设有第一温度传感器；分水阀的混水出口用于和外界淋浴喷头通过管道相连；
18.所述回流单元包含水箱和水泵；
19.所述水箱顶部设有入口、底部设有出口，水箱的入口通过管道和所述分水阀的回流出口相连，水箱的出口通过管道和所述水泵的输入端相连；
20.所述水泵的输出端通过管道和所述冷水接入管联通，用于将水箱中的水泵入冷水接入管中；
21.所述水压传感器设置在所述热水接入管中，用于感应热水接入管中的水压并将其传递给所述中央处理单元；
22.所述操作显示单元用于设定目标温度、显示当前的出水温度；
23.所述中央处理单元分别和所述水压传感器、第一温度传感器、分水阀、舵机、水泵、操作显示单元电气相连，用于根据所述水压传感器、第一温度传感器的感应数据以及操作显示单元输入的目标温度控制分水阀、舵机、水泵工作，并控制操作显示单元显示第一温度传感器的感应温度。
24.作为本实用新型一种恒温节水电子淋浴系统进一步的优化方案，还包含螺旋桨和继电器，所述螺旋桨设置在所述固定杆下端，通过继电器和所述中央处理单元电气相连，用于搅拌阀芯内的热水和冷水、使其充分混合。
25.作为本实用新型一种恒温节水电子淋浴系统进一步的优化方案，所述混水阀芯在其混水筒下端内壁上设有导流筒；
26.所述导流筒为两端开口的空心圆柱体，导流筒的下端和混水筒下端内壁同轴密闭固连，且导流筒将螺旋桨罩在其内，使得进入混水筒的冷水、热水必须经过螺旋桨的搅拌后才能从混水筒下端的通孔流出。
27.作为本实用新型一种恒温节水电子淋浴系统进一步的优化方案，还包含复检单元；
28.所述复检单元包含复检阀体、第一电磁阀、以及第二温度传感器；
29.所述复检阀体内设密闭腔体，且复检阀体的外壁上分别设有和其内腔体相联通的复检入口、复检出口；所述复检阀体的复检入口和分水阀的混水出口通过管道相连，复检阀体的复检出口用于和外界淋浴喷头通过管道相连；
30.所述第一电磁阀设置在复检阀体内，用于调节所述复检出口的流量；
31.所述第二温度传感器设置在复检阀体的密闭腔体中，用于感应其中的温度并将其传递给所述中央处理单元；
32.所述中央处理单元还分别和第二温度传感器、第一电磁阀电气相连，用于判断第二温度传感器的感应温度和操作显示单元输入的目标温度之间的差值z的绝对值是否小于等于预设的误差阈值q，当z小于等于q时根据预先设定出水流量控制第一电磁阀调节复检出口的流量，否则可控制第一电磁阀阻断复检入口和复检出口、使得复检出口的流量为0。
33.作为本实用新型一种恒温节水电子淋浴系统进一步的优化方案，还包含雾化器和第二电磁阀；
34.所述雾化器的入口通过管道和所述热水接入管联通；
35.所述第二电磁阀设置在雾化器和热水接入管之间的管道中，和中央处理单元电气相连。
36.作为本实用新型一种恒温节水电子淋浴系统进一步的优化方案，所述操作显示单元采用触摸显示屏。
37.本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
38.1.本实用新型在使用的时候，首先由使用者通过按键和显示器输入设定水温。使用者可以直接输入设定的温度，也可以通过升温和降温按键进行微调。与传统的手把式的温度调节方式相比，提高了温度调节的准确性。设定温度后，通过舵机控制阀芯的位置，进而控制冷热水流量比例，使混水水温快速接近设定水温。舵机根据设定水温和当前水温计算偏差，由pid算法得到调节量，并反复测量当前水温，以修正偏差，使水温调节更加高效、准确和快速。
39.2.本实用新型与传统淋浴器相比，设置有复检单元，保证使用者淋浴体验的舒适性。复检单元由电磁阀和温度传感器组成，当水温过高或过低时，复检单元生效，电磁阀会立即关闭出水口，且电磁阀只接受复检单元的温度数据控制。也就是说，复检单元完全独立，不会受前置单元的任何影响。因此，即使某一部分发生了故障，只要复检单元正常，就不会有高温水或低温水流出，进而保证了使用者的舒适度，大大降低了整体安全隐患。
40.3.本实用新型有节水功能，设置有回流单元，能够将不符合温度的混水重新回流至冷水接入管内。传统淋浴器使用时通常需要放掉一段冷水，造成了水资源的浪费。本实用新型针对此问题，设置有回流水箱、水泵和回流管道。当前水温不符合设定水温时，混水在电磁阀的控制下分流至回流水箱，在水泵的作用下通过回流管道回流至冷水接入管，进而重新形成冷水，达到节约水资源的目的。
41.4.为提升使用者的舒适度，本实用新型面向使用者设置有雾化器。在冬季，使用者使用传统淋浴器时可能会出现身体发冷的情况，对此本实用新型将电磁阀和雾化器接在热水接入管之上，电磁阀由中央处理单元给出决策信号。使用者只需通过显示屏和按键选择对应模式，电磁阀便会打开，由雾化器喷出热水喷雾，提高浴室的温度，力求为使用者打造更为舒适的淋浴体验。
42.5.本实用新型具有良好的人机交互性。使用者可以通过调温按键设置水温，通过出水按键控制出水量，并能够在显示屏上读到当前水温与设定水温，以及二者之间的偏差。使用者还可以通过按键控制热水喷雾，以实现调节浴室温度的目的。此外，热水接入管中的压力传感器经由中央处理单元通过一定公式运算后，可以得出在设定水温下进行淋浴的热水流量和理论时间，以便使用者权衡。
43.6.本实用新型在动力单元的机械结构上有诸多创新点，对提高产品性能具有有益
效果。动力单元动力来源于舵机，舵机扭力大，适用于水压较高的混水阀的控制。在连杆末端接有万向节，使连杆将舵机的转动运动转化为活塞的平移运动。在活塞的末端接有螺旋桨，系统工作过程中，螺旋桨持续保持转动，以确保冷热水混合均匀。动力单元所接的阀芯，顶部和底部分别与热水水管与冷水水管相连接，阀芯上升时，冷水流量增加，热水流量减少，混水水温降低，反之亦然。因此，阀芯的上下阀口均为环形，以确保水流能够从各个方向进入混水筒，进一步使冷热水混合均匀。阀芯与冷热水的交界处均采用斜面，以引导水流进入混水筒，同时防止上部的热水流入冷水水管内。
附图说明
44.图1是本实用新型的结构示意图；
45.图2是本实用新型的剖面示意图。
46.图中，1-混水阀，2-动力单元，3-分水阀，4-回流单元，5-复检单元，6-操作显示单元，7-冷水接入管，8-热水接入管，9-水压传感器，10-雾化器，11-舵机，12-舵机支架，13-摆臂，14-连杆，15-万向节，16-活塞，17-操作筒，18-混水筒，19-阀芯，20-固定杆，21-螺旋桨，22-固定条，23-导流筒，24-水箱，25-水泵，26-第一温度传感器，27-第一电磁阀，28-复检出口，29-第二温度传感器，30-雾化器，31-第二电磁阀。
具体实施方式
47.下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：
48.本实用新型可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本实用新型的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
49.如图1、图2所示，本实用新型公开了一种恒温节水电子淋浴系统，包括混水阀、动力单元、热水接入管、冷水接入管、分水阀、回流单元、水压传感器、操作显示单元和中央处理单元；
50.所述混水阀包含混水阀体、阀芯、活塞、固定杆、万向节、连杆；
51.所述混水阀体包含操作筒和混水筒；
52.所述操作筒为下端开口、上端中心设有通孔的空心圆柱体；
53.所述混水筒为上端开口、下端中心设有通孔的空心圆柱体；所述混水筒侧壁上设有冷水入口和热水入口，其中，所述冷水入口和所述冷水接入管的出口密闭相连，所述热水入口和所述热水接入管的出口密闭相连；所述热水接入管、冷水接入管分别用于从外界接入热水、冷水；
54.所述混水筒的上端和操作筒的下端同轴固连；
55.所述阀芯为上下开口的空心圆柱体，设置再所述混水筒中，阀芯的外壁和混水筒的内壁贴合、能够沿混水筒自由滑动，用于调节混水筒侧壁上冷水入口和热水入口的开合比例，当阀芯将冷水入口完全堵住时热水入口完全打开、当阀芯将热水入口完全堵住时冷水入口完全打开；
56.所述活塞同轴设置在操作筒中，活塞和操作筒内壁密闭且活塞能够沿操作筒内壁自由滑动；
57.所述连杆一端通过万向节和所述活塞上端面的中心铰接，另一端从所述操作筒上端的通孔伸出混水阀体外；
58.所述固定杆上端和所述活塞的下端面中心垂直固连，下端伸入所述阀芯中，且固定杆和阀芯内壁之间周向均匀设有若干固定条，所述固定条均一端和固定杆侧壁固连、另一端和阀芯内壁固连；
59.所述动力单元包含舵机、舵机支架和摆臂，其中，所述舵机通过舵机支架固定在所述操作筒外，其输出轴和所述摆臂的一端垂直固连；所述摆臂的另一端和所述连杆伸出混水阀体的一端铰接；所述舵机用于带动活塞在操作筒内上下滑动进而带动阀芯在混水筒内滑动，达到调节混水筒侧壁上冷水入口和热水入口开合比例的目的；
60.所述分水阀为三位二通电磁阀，包含混水入口、混水出口、回流出口，用于使混水入口和混水出口联通或使混水入口和回流出口联通；
61.所述分水阀的混水入口和混水筒下端的通孔通过管道相连，且该管道内设有第一温度传感器；分水阀的混水出口用于和外界淋浴喷头通过管道相连；
62.所述回流单元包含水箱和水泵；
63.所述水箱顶部设有入口、底部设有出口，水箱的入口通过管道和所述分水阀的回流出口相连，水箱的出口通过管道和所述水泵的输入端相连；
64.所述水泵的输出端通过管道和所述冷水接入管联通，用于将水箱中的水泵入冷水接入管中；
65.所述水压传感器设置在所述热水接入管中，用于感应热水接入管中的水压并将其传递给所述中央处理单元；
66.所述操作显示单元用于设定目标温度、显示当前的出水温度；
67.所述中央处理单元分别和所述水压传感器、第一温度传感器、分水阀、舵机、水泵、操作显示单元电气相连，用于根据所述水压传感器、第一温度传感器的感应数据以及操作显示单元输入的目标温度控制分水阀、舵机、水泵工作，并控制操作显示单元显示第一温度传感器的感应温度。
68.本实用新型还能够进一步包含螺旋桨和继电器，所述螺旋桨设置在所述固定杆下端，通过继电器和所述中央处理单元电气相连，用于搅拌阀芯内的热水和冷水、使其充分混合。
69.所述混水阀芯在其混水筒下端内壁上设有导流筒；
70.所述导流筒为两端开口的空心圆柱体，导流筒的下端和混水筒下端内壁同轴密闭固连，且导流筒将螺旋桨罩在其内，使得进入混水筒的冷水、热水必须经过螺旋桨的搅拌后才能从混水筒下端的通孔流出。
71.本实用新型还能够进一步包含复检单元；
72.所述复检单元包含复检阀体、第一电磁阀、以及第二温度传感器；
73.所述复检阀体内设密闭腔体，且复检阀体的外壁上分别设有和其内腔体相联通的复检入口、复检出口；所述复检阀体的复检入口和分水阀的混水出口通过管道相连，复检阀体的复检出口用于和外界淋浴喷头通过管道相连；
74.所述第一电磁阀设置在复检阀体内，用于调节所述复检出口的流量；
75.所述第二温度传感器设置在复检阀体的密闭腔体中，用于感应其中的温度并将其
传递给所述中央处理单元；
76.所述中央处理单元还分别和第二温度传感器、第一电磁阀电气相连，用于判断第二温度传感器的感应温度和操作显示单元输入的目标温度之间的差值z的绝对值是否小于等于预设的误差阈值q，当z小于等于q时根据预先设定出水流量控制第一电磁阀调节复检出口的流量，否则可控制第一电磁阀阻断复检入口和复检出口、使得复检出口的流量为0。
77.本实用新型还能够进一步包含雾化器和第二电磁阀；
78.所述雾化器的入口通过管道和所述热水接入管联通；
79.所述第二电磁阀设置在雾化器和热水接入管之间的管道中，和中央处理单元电气相连。
80.所述操作显示单元优先采用触摸显示屏。
81.所述舵机型号为dg-995mg，堵转扭矩为25kg/cm，尺寸40
×
20
×
37mm，工作电压4.8v～7.4v，具有工作电压低，扭矩大，体积小的特点。
82.所述热水接入管规格为s3.2dn20*en2.8mm，表示该管道为s3.2系列，公称外径为20mm，公称壁厚为2.8mm，所述冷水接入管规格为s5dn20*en2.8mm。
83.所述压力传感器为mik-p300压力变送器，量程最大为60mpa，介质温度范围-20～85℃，介质允许类型为气体和液体，适用于淋浴热水接入管的水压测量。
84.所述水箱尺寸为300
×
200
×
200mm，可置于地面，固定在墙壁、支架上，亦可嵌入墙壁内。所述水泵采用r385直流隔膜泵，尺寸90
×
40
×
35mm，流量1.5-2l/min，垂直扬程3m，工作电压为dc12v，工作环境最高水温达100℃，可在不超过80℃水温下长期正常工作；
85.所述第一、第二温度传感器均采用ds18b20数字温度传感器，采用防水封装。具有体积小，硬件开销低，功耗低，抗干扰能力强，精度高的特点，测温范围为－55℃～ 125℃，包含液态水的全部温度取值(0℃～100℃)。且精度为
±
0.5℃，适用于淋浴水温的测量。
86.使用者通过操作显示单元输入设定温度值。中央处理单元得到用户输入的设定温度值，并加以处理，将处理后的数据作为预设水温变量t储存。同时将处理后的数据传到显示器，通过显示器将设定温度值t回显到显示屏，以便使用者查看；同时，热水接入管中安装的压力传感器将水压p传至中央处理单元，中央处理单元通过一定公式运算后，得出在设定水温下进行淋浴的热水流量和理论时间，公式如下：
[0087][0088]
其中，q是热水流量，p是水压，ρ是水的密度，g是重力加速度，s是比阻，l是管长。其中p由压力传感器读出，ρ、g、l的值结合具体情况查阅资料得到，s的计算公式为：
[0089][0090]
其中，n为管内壁粗糙度，d为管道内径，可结合具体情况查阅资料；
[0091]
预计设置水温下的剩余淋浴时间的计算公式为：
[0092][0093]
其中，t为预计淋浴时间，v为热水总质量，视具体情况而定；
[0094]
第一传感器读取混水水温，将读取数据传至中央处理单元。中央处理单元接收温度数据，并加以处理，将处理后的数据存储为当前水温变量τ，并将此数据传到显示器，通过显示器将实际温度值τ回显到显示屏，以便使用者查看。中央处理单元比较t和τ的大小，根据t与τ的大小关系进行分类。若t＝τ，则中央处理单元产生合适信号a；若t≠τ，则中央处理单元产生不合适信号b。若识别到合适信号a，则中央处理单元产生控制信号c。若识别到不合适信号b，则中央处理单元产生控制信号d，并通过pid算法计算产生pwm占空比调制信号发送给舵机。同时，t与τ的大小关系也会在中央处理单元的控制下经由显示器显示出来。
[0095]
动力单元通过控制线与中央处理单元相连接。舵机接收到的控制信号是由中央处理单元产生并发送的pwm占空比信号，据此调整舵机转子的转速和姿态。若信号线未收到中央处理单元传输的pwm占空比信号，则说明水温合适，中央处理单元产生了合适信号a，该情形下舵机不运作；
[0096]
分水阀用于划分水温合适的混水和水温不合适的混水，其判断依据是来自中央处理单元的电磁阀线圈控制信号c和d。若识别到控制信号c，则混水通过分水阀流出使用；若识别到控制信号d，则混水通过分水阀回流至冷水接入管。
[0097]
第二温度传感器的读数记为tout，当水温在设定温度的规定误差范围之内时，即t-δt＜tout＜t δt时，中央处理单元根据用户设置的出水量，发送控制信号到第一电磁阀，调节第一电磁阀的位置，以控制流量的大小。当水温不在设定温度的规定误差范围之内时，即tout≤t-δt或tout≥t δt时，中央处理单元控制第一电磁阀关闭，此时第一电磁阀的位置与用户设定的出水量无关。同时发出故障信号，反复刷新第一温度传感器和第二温度传感器的测量数据，并通过触摸显示屏显示故障信号，直到满足t-δt＜tout＜t δt为止。允许误差δt可由用户设置；混水通过分水阀回流至冷水接入管，重新利用。
[0098]
中央处理单元收发并处理数据，是由总线操作和时序操作共同完成的。第一、第二温度传感器对温度进行采样，通过数据总线将测量温度传至中央处理单元，中央处理单元根据第一、第二温度传感器的工作时序读取数据，并转码计算得到对应的十进制摄氏度温度数据。再按照显示器对应的时序将温度数据通过总线写入，并显示在触摸显示屏上。
[0099]
通过pid算法计算产生pwm占空比调制信号的计算公式是：
[0100]
pwm＝kp*e(k) ki*σe(k) kd*[e(k)-e(k-1)]
[0101]
其中，pwm是输出信号，为舵机提供占空比；kp、ki、kd是pid参数；e(k)＝t(k)-τ(k)，是当前周期的温度偏差；e(k-1)＝t(k-1)-τ(k-1)，是上一周期的温度偏差。若e(k)＝0，则中央处理单元控制显示器显示“水温正常”；若e(k)》0，则中央处理单元控制显示器显示“水温偏低”；若e(k)《0，则中央处理单元控制显示器显示“水温偏高”。
[0102]
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本实用新型所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0103]
以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均
应包含在本实用新型的保护范围之内。