基于单片机的智能座便器设计

发布于：2025-08-16 ⋅ 阅读:(14) ⋅ 点赞:(0)

摘要

随着科技的不断发展和人们生活水平的提高，智能座便器逐渐成为现代家庭卫生间的重要组成部分。本文设计了一款基于 STM32 单片机的智能座便器，该智能座便器集成了座圈加热、自动翻盖、冲洗、烘干等多种功能，并配备了按键和语音控制模块，以提高用户的使用体验。本文详细介绍了智能座便器的硬件设计和软件设计，通过实验验证了该设计的可行性和稳定性。

关键词：STM32 单片机；智能座便器；步进电机；按键控制；语音控制

一、绪论

（一）研究背景

在当今社会，人们对生活品质的追求日益提高，卫生间作为家庭生活的重要空间，其舒适性和智能化程度受到了越来越多的关注。传统的座便器功能单一，已经无法满足人们的需求。智能座便器凭借其便捷、卫生、舒适等优点，逐渐走进人们的生活。

智能座便器起源于日本，经过多年的发展，其技术已经相当成熟。在国外，智能座便器的普及率较高，而在国内，随着人们生活水平的提高和消费观念的转变，智能座便器的市场需求也在不断增长。然而，目前国内市场上的智能座便器产品价格较高，且部分功能不符合国内用户的使用习惯。因此，研发一款性价比高、功能实用的智能座便器具有重要的现实意义。

（二）研究意义

本设计基于 STM32 单片机开发智能座便器，具有以下几方面的意义：

  1. 提高生活品质：智能座便器的多种功能，如座圈加热、自动翻盖、冲洗等，能够为用户提供更加舒适、卫生的使用体验，提高人们的生活品质。
  1. 推动相关技术发展：本设计涉及到单片机技术、传感器技术、电机控制技术、语音识别技术等多个领域，通过对这些技术的综合应用和研究，能够推动相关技术的发展。
  1. 满足市场需求：研发性价比高、功能实用的智能座便器，能够满足国内市场的需求，促进智能卫浴行业的发展。

（三）国内外研究现状

国外在智能座便器的研究和开发方面起步较早，技术相对成熟。日本的 TOTO、松下等品牌的智能座便器产品具有功能丰富、性能稳定等优点，在全球市场上占据了重要的份额。这些产品通常采用先进的传感器技术和控制算法，能够实现自动翻盖、自动冲洗、座圈加热等多种功能，并且具有较低的能耗。

国内的智能座便器研究和开发始于 20 世纪 90 年代，经过多年的发展，已经取得了一定的成果。国内的一些品牌，如九牧、箭牌等，已经推出了多款智能座便器产品，这些产品在功能和性能上逐渐接近国外先进水平，并且具有价格优势。然而，与国外相比，国内在智能座便器的核心技术方面还存在一定的差距，如传感器的精度、控制算法的优化等。

（四）主要研究内容

本设计的主要研究内容包括以下几个方面：

  1. 硬件设计：选择合适的 STM32 单片机作为控制核心，设计座圈加热模块、自动翻盖模块、冲洗模块、烘干模块、按键模块和语音模块等硬件电路。
  1. 软件设计：开发基于 STM32 单片机的控制程序，实现座圈加热温度控制、自动翻盖控制、冲洗控制、烘干控制、按键输入处理和语音识别与控制等功能。
  1. 系统调试与测试：对设计的智能座便器系统进行调试和测试，验证系统的功能和性能是否达到设计要求。

二、总体设计方案

（一）设计目标

本设计旨在开发一款具有以下功能的智能座便器：

  1. 座圈加热功能：能够根据用户的需求调节座圈的温度，使用户在使用过程中感到舒适。
  1. 自动翻盖功能：当用户靠近座便器时，座圈和马桶盖能够自动打开；当用户离开后，能够自动关闭。
  1. 冲洗功能：提供臀洗和妇洗两种冲洗模式，用户可以根据自己的需求进行选择，并且能够调节冲洗的水温、水压和冲洗位置。
  1. 烘干功能：在冲洗完成后，能够对用户的臀部进行烘干，避免使用纸巾。
  1. 按键控制功能：通过按键可以实现对智能座便器各项功能的手动控制。
  1. 语音控制功能：用户可以通过语音指令控制智能座便器的各项功能，提高使用的便捷性。

（二）系统总体结构

本智能座便器系统主要由 STM32 单片机控制模块、传感器模块、执行器模块、人机交互模块和电源模块组成，系统总体结构如图 2-1 所示。

STM32 单片机控制模块是整个系统的核心，负责接收传感器模块的信号、处理人机交互模块的输入信息，并根据预设的程序控制执行器模块的动作。

传感器模块包括人体红外传感器、温度传感器等，用于检测用户的 presence 和座圈的温度等信息。

执行器模块包括步进电机（用于控制自动翻盖）、加热片（用于座圈加热）、水泵（用于冲洗）、风机（用于烘干）等，用于执行各种动作。

人机交互模块包括按键模块和语音模块，用于实现用户与智能座便器之间的交互。

电源模块用于为整个系统提供稳定的电源。

三、硬件设计

（一）单片机选择

本设计选用 STM32F103C8T6 单片机作为控制核心。STM32F103C8T6 是一款基于 ARM Cortex-M3 内核的 32 位微控制器，具有以下优点：

  1. 高性能：工作频率可达 72MHz，具有较高的运算速度，能够满足智能座便器复杂的控制需求。
  1. 丰富的外设：拥有多个通用输入输出端口（GPIO）、定时器、串口、SPI 接口、I2C 接口等，便于与各种传感器和执行器进行连接。
  1. 低功耗：支持多种低功耗模式，能够降低系统的能耗。
  1. 价格适中：具有较高的性价比，适合用于民用产品的开发。

（二）座圈加热模块设计

座圈加热模块采用加热片作为加热元件，通过 STM32 单片机控制继电器的通断来实现对加热片的控制，从而调节座圈的温度。

加热片选用具有正温度系数（PTC）的加热片，这种加热片具有恒温特性，当温度达到一定值时，其电阻会急剧增大，从而限制电流的增大，使温度保持稳定。

温度传感器选用 DS18B20 数字温度传感器，该传感器具有测量精度高、抗干扰能力强、接线简单等优点，能够实时检测座圈的温度，并将温度信息传输给 STM32 单片机。

STM32 单片机根据 DS18B20 传输的温度信息，通过控制继电器的通断来调节加热片的工作状态，使座圈的温度保持在用户设定的范围内。座圈加热模块电路如图 3-1 所示。

（三）自动翻盖模块设计

自动翻盖模块采用步进电机作为驱动元件，通过 STM32 单片机控制步进电机的转动来实现座圈和马桶盖的自动打开和关闭。

步进电机选用 42 步进电机，该电机具有体积小、力矩大、精度高等优点，适合用于驱动座圈和马桶盖的运动。

步进电机驱动器选用 A4988 步进电机驱动器，该驱动器能够接收 STM32 单片机发送的脉冲信号和方向信号，实现对步进电机的精确控制。

为了检测座圈和马桶盖的位置，在翻盖机构上安装了限位开关。当座圈或马桶盖运动到极限位置时，限位开关会被触发，STM32 单片机接收到限位开关的信号后，会控制步进电机停止转动，避免发生过冲现象。自动翻盖模块电路如图 3-2 所示。

（四）冲洗模块设计

冲洗模块包括臀洗和妇洗两种冲洗模式，主要由水泵、电磁阀、温度传感器和加热装置组成。

水泵选用微型直流水泵，用于提供冲洗所需的水压。电磁阀用于控制冲洗水路的通断，实现臀洗和妇洗模式的切换。

温度传感器选用 DS18B20，用于检测冲洗水的温度。加热装置采用加热管，通过 STM32 单片机控制继电器的通断来实现对冲洗水的加热，使水温保持在用户设定的范围内。

STM32 单片机根据用户的选择（臀洗或妇洗），控制相应的电磁阀打开，同时控制水泵工作，提供冲洗水压。并且，根据温度传感器检测到的水温信息，控制加热装置的工作状态，调节水温。冲洗模块电路如图 3-3 所示。

（五）烘干模块设计

烘干模块采用风机和加热丝作为核心元件，通过 STM32 单片机控制风机和加热丝的工作来实现烘干功能。

风机选用小型轴流风机，用于提供烘干所需的气流。加热丝用于对气流进行加热，提高烘干效果。

STM32 单片机通过控制继电器的通断来控制风机和加热丝的工作状态。当用户需要烘干时，STM32 单片机控制风机和加热丝工作，吹出热风对用户的臀部进行烘干；当烘干完成后，控制风机和加热丝停止工作。烘干模块电路如图 3-4 所示。

（六）按键模块设计

按键模块采用独立按键，用于实现对智能座便器各项功能的手动控制。按键包括电源键、座圈加热键、自动翻盖键、臀洗键、妇洗键、烘干键、水温调节键、水压调节键等。

每个按键的一端接地，另一端通过上拉电阻连接到 STM32 单片机的 GPIO 端口。当按键被按下时，相应的 GPIO 端口会检测到低电平信号，STM32 单片机根据检测到的信号判断用户的操作，并执行相应的功能。按键模块电路如图 3-5 所示。

（七）语音模块设计

语音模块采用 LD3320 语音识别芯片，该芯片具有识别准确率高、响应速度快、使用方便等优点，能够实现对特定语音指令的识别。

LD3320 语音识别芯片通过 SPI 接口与 STM32 单片机进行通信，STM32 单片机可以通过 SPI 接口向 LD3320 发送控制命令和语音识别列表，LD3320 识别到语音指令后，会将识别结果通过 SPI 接口传输给 STM32 单片机。

为了实现语音播报功能，语音模块还配备了扬声器。当智能座便器执行某项功能或出现异常情况时，STM32 单片机控制语音模块通过扬声器进行语音播报。语音模块电路如图 3-6 所示。

（八）电源模块设计

电源模块用于为整个智能座便器系统提供稳定的电源。系统需要的电源电压包括 3.3V（用于 STM32 单片机、传感器、语音模块等）、5V（用于步进电机驱动器、继电器等）和 12V（用于水泵、风机、加热片、加热管等）。

电源模块采用 220V 交流电源输入，经过变压器降压、整流桥整流、滤波电容滤波后，得到直流电压，再通过三端稳压器（如 LM1117-3.3、LM1117-5）和 DC-DC 转换器将直流电压转换为系统所需的各种电压。电源模块电路如图 3-7 所示。

四、软件设计

（一）主程序设计

主程序是整个智能座便器系统的控制中心，负责初始化系统各模块、检测外部事件（如按键输入、语音指令、传感器信号等）、并根据事件类型调用相应的处理函数。主程序流程图如图 4-1 所示。

主程序的工作过程如下：

  1. 系统上电后，首先进行初始化操作，包括 STM32 单片机的 GPIO 端口、定时器、串口、SPI 接口等外设的初始化，以及传感器模块、执行器模块、按键模块和语音模块的初始化。
  1. 初始化完成后，系统进入循环等待状态，不断检测外部事件。
  1. 当检测到外部事件时，根据事件类型调用相应的处理函数。例如，当检测到按键按下时，调用按键处理函数；当检测到语音指令时，调用语音处理函数；当检测到人体红外传感器信号时，调用自动翻盖处理函数等。
  1. 处理函数执行完成后，系统返回循环等待状态，继续检测外部事件。

（二）座圈加热控制程序设计

座圈加热控制程序的主要功能是根据用户设定的温度和 DS18B20 检测到的座圈实际温度，控制加热片的工作状态，使座圈温度保持在设定范围内。座圈加热控制程序流程图如图 4-2 所示。

程序的工作过程如下：

  1. 读取用户设定的座圈温度值。
  1. 读取 DS18B20 检测到的座圈实际温度值。
  1. 将实际温度值与设定温度值进行比较。如果实际温度低于设定温度，控制继电器导通，加热片开始加热；如果实际温度高于设定温度，控制继电器断开，加热片停止加热；如果实际温度等于设定温度，保持继电器当前的工作状态。
  1. 延时一段时间后，返回步骤 2，继续检测和控制座圈温度。

（三）自动翻盖控制程序设计

自动翻盖控制程序的主要功能是根据人体红外传感器检测到的用户 presence 信号，控制步进电机的转动，实现座圈和马桶盖的自动打开和关闭。自动翻盖控制程序流程图如图 4-3 所示。

程序的工作过程如下：

  1. 检测人体红外传感器的信号。如果检测到用户靠近（传感器输出高电平），并且座圈和马桶盖处于关闭状态，则控制步进电机正转，带动座圈和马桶盖打开，直到触发限位开关，步进电机停止转动。
  1. 如果检测到用户离开（传感器输出低电平），并且座圈和马桶盖处于打开状态，则控制步进电机反转，带动座圈和马桶盖关闭，直到触发限位开关，步进电机停止转动。

（四）冲洗控制程序设计

冲洗控制程序的主要功能是根据用户的选择（臀洗或妇洗），控制相应的电磁阀和水泵工作，实现冲洗功能，并根据温度传感器检测到的水温信息，控制加热装置的工作状态，调节水温。冲洗控制程序流程图如图 4-4 所示。

程序的工作过程如下：

  1. 检测用户的选择（臀洗或妇洗）。
  1. 根据用户的选择，控制相应的电磁阀打开。
  1. 控制水泵工作，提供冲洗水压。
  1. 读取 DS18B20 检测到的冲洗水实际温度值。
  1. 将实际温度值与用户设定的水温值进行比较。如果实际温度低于设定温度，控制加热装置工作，对冲洗水进行加热；如果实际温度高于设定温度，控制加热装置停止工作；如果实际温度等于设定温度，保持加热装置当前的工作状态。
  1. 冲洗一段时间后，控制水泵和电磁阀停止工作，冲洗结束。

（五）烘干控制程序设计

烘干控制程序的主要功能是根据用户的指令，控制风机和加热丝的工作状态，实现烘干功能。烘干控制程序流程图如图 4-5 所示。

程序的工作过程如下：

  1. 检测用户是否发出烘干指令（通过按键或语音）。
  1. 如果检测到烘干指令，控制风机和加热丝工作，吹出热风进行烘干。
  1. 烘干一段时间后，控制风机和加热丝停止工作，烘干结束。

（六）按键处理程序设计

按键处理程序的主要功能是检测按键的按下状态，并根据不同的按键执行相应的功能。按键处理程序流程图如图 4-6 所示。

程序的工作过程如下：

  1. 检测各个按键的状态。
  1. 如果检测到某个按键被按下，根据按键的功能定义，执行相应的操作。例如，按下电源键，系统开机或关机；按下座圈加热键，开启或关闭座圈加热功能，并可以调节加热温度等。
  1. 延时一段时间，消除按键抖动。
  1. 返回步骤 1，继续检测按键状态。

（七）语音识别与控制程序设计

语音识别与控制程序的主要功能是通过 LD3320 语音识别芯片识别用户的语音指令，并根据识别结果执行相应的功能。语音识别与控制程序流程图如图 4-7 所示。

程序的工作过程如下：

  1. 初始化 LD3320 语音识别芯片，设置识别模式和语音识别列表。
  1. 启动 LD3320 进行语音识别。
  1. 检测 LD3320 是否识别到语音指令。如果识别到语音指令，读取识别结果。
  1. 根据识别结果，执行相应的功能。例如，识别到 “打开座圈” 指令，控制自动翻盖模块打开座圈；识别到 “臀洗” 指令，控制冲洗模块进行臀洗等。
  1. 返回步骤 2，继续进行语音识别。

五、系统调试与测试

（一）硬件调试

硬件调试主要是检查各模块电路的连接是否正确，元器件是否正常工作。

  1. 电源模块调试：使用万用表测量电源模块输出的各种电压（3.3V、5V、12V）是否稳定，是否符合设计要求。
  1. 单片机模块调试：将 STM32 单片机与仿真器连接，通过仿真软件下载测试程序，检查单片机是否能够正常工作。
  1. 传感器模块调试：分别测试人体红外传感器和 DS18B20 温度传感器，检查其输出信号是否正常。例如，人体红外传感器在检测到人体时应输出高电平，否则输出低电平；DS18B20 应能准确测量温度，并将温度信息传输给单片机。
  1. 执行器模块调试：分别测试步进电机、加热片、水泵、风机等执行器，检查其是否能够正常工作。例如，步进电机应能按照控制信号的要求进行转动；加热片在通电后应能发热等。
  1. 人机交互模块调试：测试按键模块和语音模块，检查按键是否能够正常输入
  2. #include "stm32f10x.h"
#include "delay.h"
#include "ds18b20.h"
#include "ld3320.h"
#include "key.h"

// 引脚定义
// 座圈加热模块
#define HEAT_RING_PORT GPIOA
#define HEAT_RING_PIN GPIO_Pin_0
// 自动翻盖步进电机控制
#define STEP_MOTOR_DIR_PORT GPIOB
#define STEP_MOTOR_DIR_PIN GPIO_Pin_0
#define STEP_MOTOR_STEP_PORT GPIOB
#define STEP_MOTOR_STEP_PIN GPIO_Pin_1
#define LIMIT_OPEN_PORT GPIOB
#define LIMIT_OPEN_PIN GPIO_Pin_2
#define LIMIT_CLOSE_PORT GPIOB
#define LIMIT_CLOSE_PIN GPIO_Pin_3
// 冲洗模块
#define PUMP_PORT GPIOC
#define PUMP_PIN GPIO_Pin_0
#define VALVE_BUTT_PORT GPIOC
#define VALVE_BUTT_PIN GPIO_Pin_1
#define VALVE_FEMALE_PORT GPIOC
#define VALVE_FEMALE_PIN GPIO_Pin_2
#define HEAT_WATER_PORT GPIOC
#define HEAT_WATER_PIN GPIO_Pin_3
// 烘干模块
#define FAN_PORT GPIOD
#define FAN_PIN GPIO_Pin_0
#define HEAT_DRY_PORT GPIOD
#define HEAT_DRY_PIN GPIO_Pin_1
// 人体红外传感器
#define IR_SENSOR_PORT GPIOE
#define IR_SENSOR_PIN GPIO_Pin_0

// 功能状态宏定义
#define ON 1
#define OFF 0
#define OPEN 1
#define CLOSE 0
#define BUTT_WASH 1
#define FEMALE_WASH 2

// 全局变量
uint8_t seatTempSet = 35; // 座圈设定温度
uint8_t waterTempSet = 38; // 冲洗水设定温度
uint8_t waterPressSet = 2; // 水压设定（1-3档）
uint8_t flipState = CLOSE; // 翻盖状态
uint8_t heatRingState = OFF; // 座圈加热状态

    座圈加热控制函数

    // 座圈加热控制
void SeatHeatingControl(void)
{
    if(heatRingState == ON)
    {
        uint8_t currentTemp = DS18B20_GetTemp(); // 获取当前座圈温度
        if(currentTemp < seatTempSet - 1) // 低于设定温度1℃以上，开启加热
        {
            GPIO_SetBits(HEAT_RING_PORT, HEAT_RING_PIN);
        }
        else if(currentTemp > seatTempSet + 1) // 高于设定温度1℃以上，关闭加热
        {
            GPIO_ResetBits(HEAT_RING_PORT, HEAT_RING_PIN);
        }
        // 接近设定温度时保持当前状态
    }
    else
    {
        GPIO_ResetBits(HEAT_RING_PORT, HEAT_RING_PIN); // 关闭加热
    }
}

    自动翻盖控制函数

    // 步进电机驱动函数（脉冲数，方向：1-正转打开，0-反转关闭）
void StepMotorRun(uint16_t pulse, uint8_t dir)
{
    if(dir == 1)
    {
        GPIO_SetBits(STEP_MOTOR_DIR_PORT, STEP_MOTOR_DIR_PIN); // 正转方向
    }
    else
    {
        GPIO_ResetBits(STEP_MOTOR_DIR_PORT, STEP_MOTOR_DIR_PIN); // 反转方向
    }
    
    for(uint16_t i = 0; i < pulse; i++)
    {
        GPIO_SetBits(STEP_MOTOR_STEP_PORT, STEP_MOTOR_STEP_PIN);
        Delay_us(500);
        GPIO_ResetBits(STEP_MOTOR_STEP_PORT, STEP_MOTOR_STEP_PIN);
        Delay_us(500);
        
        // 检测限位开关，到达位置停止
        if(dir == 1 && GPIO_ReadInputDataBit(LIMIT_OPEN_PORT, LIMIT_OPEN_PIN) == 0)
        {
            break;
        }
        if(dir == 0 && GPIO_ReadInputDataBit(LIMIT_CLOSE_PORT, LIMIT_CLOSE_PIN) == 0)
        {
            break;
        }
    }
}

// 自动翻盖控制
void AutoFlipControl(void)
{
    uint8_t irState = GPIO_ReadInputDataBit(IR_SENSOR_PORT, IR_SENSOR_PIN); // 读取红外传感器状态
    
    if(irState == 0) // 检测到用户靠近（低电平有效，根据传感器型号调整）
    {
        if(flipState == CLOSE)
        {
            StepMotorRun(2000, 1); // 正转打开翻盖
            flipState = OPEN;
        }
    }
    else // 用户离开
    {
        if(flipState == OPEN)
        {
            StepMotorRun(2000, 0); // 反转关闭翻盖
            flipState = CLOSE;
        }
    }
}

    冲洗功能控制函数

    // 冲洗控制（模式：BUTT_WASH/FEMALE_WASH，时间：秒）
void WashControl(uint8_t mode, uint8_t time)
{
    // 打开对应电磁阀
    if(mode == BUTT_WASH)
    {
        GPIO_SetBits(VALVE_BUTT_PORT, VALVE_BUTT_PIN);
    }
    else if(mode == FEMALE_WASH)
    {
        GPIO_SetBits(VALVE_FEMALE_PORT, VALVE_FEMALE_PIN);
    }
    
    // 控制水泵工作（根据水压设定调整占空比，此处简化为开关控制）
    GPIO_SetBits(PUMP_PORT, PUMP_PIN);
    
    // 水温控制
    uint8_t waterTemp = DS18B20_GetTemp(); // 假设另一个DS18B20检测水温
    if(waterTemp < waterTempSet)
    {
        GPIO_SetBits(HEAT_WATER_PORT, HEAT_WATER_PIN);
    }
    else
    {
        GPIO_ResetBits(HEAT_WATER_PORT, HEAT_WATER_PIN);
    }
    
    Delay_s(time); // 冲洗指定时间
    
    // 关闭所有设备
    GPIO_ResetBits(VALVE_BUTT_PORT, VALVE_BUTT_PIN);
    GPIO_ResetBits(VALVE_FEMALE_PORT, VALVE_FEMALE_PIN);
    GPIO_ResetBits(PUMP_PORT, PUMP_PIN);
    GPIO_ResetBits(HEAT_WATER_PORT, HEAT_WATER_PIN);
}

    烘干功能控制函数

    // 烘干控制（时间：秒）
void DryControl(uint8_t time)
{
    GPIO_SetBits(FAN_PORT, FAN_PIN); // 开启风机
    GPIO_SetBits(HEAT_DRY_PORT, HEAT_DRY_PIN); // 开启加热丝
    
    Delay_s(time); // 烘干指定时间
    
    GPIO_ResetBits(FAN_PORT, FAN_PIN); // 关闭风机
    GPIO_ResetBits(HEAT_DRY_PORT, HEAT_DRY_PIN); // 关闭加热丝
}

    语音控制处理函数

    // 语音指令处理
void VoiceCommandProcess(void)
{
    uint8_t cmd = LD3320_GetCommand(); // 获取语音识别指令
    
    switch(cmd)
    {
        case 0x01: // "打开座圈"
            if(flipState == CLOSE)
            {
                StepMotorRun(2000, 1);
                flipState = OPEN;
            }
            break;
        case 0x02: // "关闭座圈"
            if(flipState == OPEN)
            {
                StepMotorRun(2000, 0);
                flipState = CLOSE;
            }
            break;
        case 0x03: // "座圈加热"
            heatRingState = !heatRingState;
            break;
        case 0x04: // "臀洗"
            WashControl(BUTT_WASH, 10);
            break;
        case 0x05: // "妇洗"
            WashControl(FEMALE_WASH, 10);
            break;
        case 0x06: // "烘干"
            DryControl(30);
            break;
        default:
            break;
    }
}

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