德州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 王曉崧 常紅業(yè) 郅昕澤 王芳

引言

像節(jié)水洗衣機(jī)這類新型綠色家電在當(dāng)今市場上呈現(xiàn)井噴式的發(fā)展，主要原因就是近年來國家大力加強(qiáng)節(jié)能環(huán)保建設(shè)，尤其是在“綠水青山就是金山銀山”的強(qiáng)力號(hào)召下市場活力極為突出。而綠色家電也最能表現(xiàn)科技特色與創(chuàng)新水平，并且與人們的生活還密切相關(guān)。隨著節(jié)能環(huán)保的思想深入人心，加之生活水平的提高，越來越多的人選擇了綠色家電。然而綠色智能的家電產(chǎn)品并沒有撼動(dòng)普通家電的市場地位，這就表明在類型多樣、各顯神通的創(chuàng)新大潮下隱藏的是節(jié)水能力差、機(jī)體成本高、智能反饋弱等問題。而該產(chǎn)品正是圍繞這幾點(diǎn)展開了具體調(diào)查與攻堅(jiān)。

1 綠色智能家電的需求分析

1.1 產(chǎn)品需求調(diào)研

對中高產(chǎn)階級的城市居民進(jìn)行調(diào)查研究。該產(chǎn)品由于已經(jīng)制作出了實(shí)體機(jī)，可以使體驗(yàn)者對產(chǎn)品的特色節(jié)水系統(tǒng)有更直接的視覺感受，而簡潔大氣的外形結(jié)構(gòu)和簡單易懂的內(nèi)部維修與保養(yǎng)說明書，使得對機(jī)電產(chǎn)品沒有基本知識(shí)的居民也可以進(jìn)行基礎(chǔ)的維修，這就避免了在沒有知識(shí)儲(chǔ)備的條件下進(jìn)行盲區(qū)拆解的情況[1]。而該產(chǎn)品的智能節(jié)水循環(huán)和洗滌劑二次利用率也在多次的產(chǎn)品調(diào)研中得到了最佳數(shù)值，同時(shí)克服了日常生活中節(jié)水難點(diǎn)和頻發(fā)點(diǎn)。并受到了大部分體驗(yàn)者對該產(chǎn)品的認(rèn)可，這也充分表明真正特色鮮明的節(jié)水智能洗衣機(jī)還是有較大市場空間的。

1.2 設(shè)計(jì)背景

據(jù)《2013—2017 年中國洗衣機(jī)行業(yè)產(chǎn)銷需求與投資預(yù)測分析報(bào)告》分析，目前我國洗衣機(jī)市場普及程度已經(jīng)超過了76%。在日常家庭生活用水中，洗衣用水將近占到1／3。與此同時(shí)日益成熟的物聯(lián)網(wǎng)帶來了家電行業(yè)的快速發(fā)展，安裝方便、操作簡單的網(wǎng)絡(luò)化智能家電產(chǎn)品改變了的不只是人們的日常習(xí)慣，還有更全面的節(jié)能意識(shí)[2]。隨著我國綜合國力在本世紀(jì)初的快速的提升，智能家電行業(yè)也飛速發(fā)展，同時(shí)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的創(chuàng)新推動(dòng)了制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級[3]。而在當(dāng)下不只有產(chǎn)業(yè)鏈的快速發(fā)展，國家政策也開始重點(diǎn)扶植綠色產(chǎn)業(yè)，伴隨這種良好的市場創(chuàng)新條件，綠色智能家電產(chǎn)品也必將在家電市場扮演更重要的角色。

2 基于STM32 控制的智能雙筒節(jié)水洗衣機(jī)結(jié)構(gòu)分析

2.1 主控電路設(shè)計(jì)

智能雙筒洗衣機(jī)主控面板由STM32 單本機(jī)、電源組成。電源采用雙路輸出5V 和12V，分別用于提供電子電路工作電源和電磁閥驅(qū)動(dòng)電源，使用交流變壓器將220V 市電降壓至15V，經(jīng)過二極管整流橋整流、電容濾波和穩(wěn)壓管穩(wěn)壓，能輸出穩(wěn)定的直流5V 和12V 電壓[4]。以STM32 單片機(jī)為主控芯片，接收筒內(nèi)檢測模塊、留水區(qū)水位的信號(hào)，負(fù)責(zé)控制單向電磁控水閥、多口電磁控水閥的開關(guān)，水泵的運(yùn)行和停止。完成分區(qū)留水儲(chǔ)存、分區(qū)留水再利用的任務(wù)。

2.2 機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能雙筒洗衣機(jī)的外形與內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 產(chǎn)品二維圖

在兩橫向滾筒內(nèi)設(shè)有檢測洗衣水濁度【濁度傳感器模塊】、顏色【顏色傳感器】、濃度【根據(jù)電導(dǎo)率傳感器數(shù)據(jù)得出濃度規(guī)律】、水位【水位傳感器】的模塊，通過對筒內(nèi)水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并將收到的數(shù)據(jù)傳遞給STM32 單片機(jī)，在系統(tǒng)程序判定此時(shí)機(jī)體內(nèi)的洗衣水可用后，將無顏色清晰高濃度的洗衣水、無顏色清晰低濃度的洗衣水根據(jù)系統(tǒng)控制留入下筒、或留入分區(qū)的留水區(qū)再次利用。

上下筒連通，其間有1 個(gè)單向電磁控水閥。實(shí)現(xiàn)“獨(dú)立水路節(jié)水模式”和“連通水路節(jié)水模式”，消費(fèi)者可以根據(jù)自己的使用需求和使用習(xí)慣在主控面板自行選擇，同時(shí)可以避免交叉污染，實(shí)現(xiàn)更靈活、智能的功能。

在最底部設(shè)有分區(qū)的留水區(qū)。分為無顏色清晰高濃度洗衣水、無顏色清晰低濃度洗衣水兩個(gè)部分，用于儲(chǔ)存洗護(hù)后可再次利用的洗衣水；另外在下次不同的洗護(hù)階段，由系統(tǒng)控制中心控制多口電磁控水閥開關(guān)、水泵的打開停止將分區(qū)留水區(qū)中的水再次用于不同的洗護(hù)階段。同時(shí)“分區(qū)的”留水功能區(qū)上方設(shè)有過濾、凈化裝置，主要起到去除洗衣水中的衣物纖維、殺菌等作用，保證留入分區(qū)留水功能區(qū)的洗衣水無菌、清潔?？捎行У乇苊饨徊嫖廴?、二次污染。

3 基于STM32 控制的智能雙筒節(jié)水洗衣機(jī)實(shí)際工作方式

智能雙筒洗衣機(jī)的多種洗護(hù)模式是為了應(yīng)對所洗衣物質(zhì)量、顏色和類別，分別為上筒單獨(dú)洗護(hù)、下筒單獨(dú)洗護(hù)和雙筒雙模式洗護(hù)（即獨(dú)立水路節(jié)水模式和連通水路節(jié)水模式）

圖2 工作流程圖

3.1 上筒單獨(dú)洗護(hù)模式

系統(tǒng)自動(dòng)控制上筒進(jìn)水（①水源進(jìn)水，或是無顏色低濃、高濃留水區(qū)進(jìn)水，或水源、留水區(qū)同時(shí)進(jìn)水【注意：高濃無顏色留水僅使用于首次洗護(hù)階段】），上筒不能再次利用的水通過閥3 排出，可用水通過閥4 留入相應(yīng)留水區(qū)。以此循環(huán)。

3.2 下筒單獨(dú)洗護(hù)模式

系統(tǒng)自動(dòng)控制下筒進(jìn)水（同①），下筒不能再次利用的水通過閥6 排出，可用水通過閥7 留入相應(yīng)留水區(qū)，以此循環(huán)。

3.3 雙筒雙洗護(hù)模式

雙筒同時(shí)進(jìn)行時(shí)，考慮到使用者不同使用情形或習(xí)慣，分為獨(dú)立水路節(jié)水模式和連通水路節(jié)水模式。

3.3.1 獨(dú)立水路節(jié)水模式

系統(tǒng)將會(huì)關(guān)閉閥5，上筒進(jìn)水完全來自于水源，系統(tǒng)自動(dòng)控制下筒進(jìn)水（②水源進(jìn)水，或是低濃、高濃留水區(qū)進(jìn)水，或水源、留水區(qū)同時(shí)進(jìn)水【注意：高濃無顏色留水僅使用于首次洗護(hù)階段】），不能再次利用的水通過3、6 排出，可用的水留入相應(yīng)的留水區(qū)。此環(huán)節(jié)留水區(qū)水僅使用于下筒。以此循環(huán)。

3.3.2 連通水路節(jié)水模式

此時(shí)閥5 根據(jù)控制可開可關(guān)，系統(tǒng)自動(dòng)控制上、下筒進(jìn)水（同②），考慮到更好運(yùn)用連通時(shí)閥5 管道的工作效率，當(dāng)上筒水可作為下筒再次使用的條件（高濃無顏色水僅用于下筒首次洗護(hù)階段），系統(tǒng)協(xié)調(diào)閥4 和閥5 開、關(guān)，并根據(jù)運(yùn)行情況，上筒可停止等待下筒10 分鐘，上下筒不可再次利用水由3、6 排出，可用水4、5、7 協(xié)調(diào)打開、關(guān)閉。以此循環(huán)。

4 基于STM32 控制的智能雙筒節(jié)水洗衣機(jī)競爭優(yōu)勢

（1）考慮到使用人群和使用情形不同，基于分區(qū)洗護(hù)的智能節(jié)水系統(tǒng)擁有“獨(dú)立水路節(jié)水”和“連通水路節(jié)水”兩種節(jié)水模式，可按消費(fèi)者需求自行選擇，同時(shí)有效地避免交叉污染，使用更貼心。

（2）筒內(nèi)覆蓋多個(gè)多種類型的傳感器，實(shí)時(shí)檢測洗衣水的各種數(shù)據(jù)。根據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)反饋，由已經(jīng)測算出的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行判斷后，系統(tǒng)根據(jù)程序智能控制各個(gè)環(huán)節(jié)的進(jìn)行，達(dá)到高效節(jié)水的效果。

（3）智能節(jié)水系統(tǒng)設(shè)有低濃和高濃“分區(qū)的”留水功能區(qū)，將不同程度的水高效的再次使用，并根據(jù)設(shè)定的程序，智能的輸出到不同的洗護(hù)階段。

（4）“分區(qū)的”留水功能區(qū)上方設(shè)有過濾、凈化裝置，去除衣物纖維、殺菌，避免再次污染。

（5）除前期的程序開發(fā)與設(shè)計(jì)和多方面調(diào)查與試驗(yàn)外，其機(jī)體本身成本并不昂貴，幾乎與市場主流普通洗衣機(jī)持平，但是在相同壽命的推斷下，用戶可以節(jié)省過半的水電費(fèi)和洗滌劑費(fèi)用，使得綠色節(jié)能家電可以通過性價(jià)比沖破當(dāng)下市場制約。

5 結(jié)語

隨著5G 信號(hào)的快速普及，伴隨著的將是更加猛烈地智能家電大潮，而沖在浪頭的綠色家電必定再次洗牌[5]，如何在當(dāng)今時(shí)代搶占先機(jī)，就需要不斷的探索與創(chuàng)新，不只是要打破外在的市場壁壘，更應(yīng)通過實(shí)踐搶先邁出解決問題的腳步。面對未來這個(gè)世界迫切需要的是一個(gè)更加綠色環(huán)保的開端，而正視當(dāng)下打開這個(gè)開端的鑰匙就在我們身邊。