一种电子便座.pdf

一种电子便座，包括座圈、喷水系统和吹风系统；喷水系统包括水加热装置；吹风系统包括：风道；位于风道内的加热器；位于风道出口的吹风口；驱动外部空气进入风道掠过加热器后经吹风口吹出的风机；风机和加热器的控制器；还包括在风道内位于加热器至吹风口途中位置的空气温度传感器；该传感器的空气温度信号输入控制器，控制器记忆加热器每次工作前的规定时刻所接收的空气温度信号值，加热器此次工作的热功率为该温度信号值的减函数。该设计克服环境温度对系统输出温度的影响，简化结构，降低制造成本、故障率与维修成本。

1、  一种电子便座，包括以座圈为使用基础的本体、吹风系统和具有水加热装置的喷水系统；吹风系统包括：
——风道；
——位于风道内的加热器；
——位于风道出口的吹风口；
——驱动外部空气进入风道掠过加热器后经吹风口吹出的风机；
——风机和加热器的控制器；
其特征在于：还包括在风道内位于加热器至吹风口途中位置的空气温度传感器；该传感器的空气温度信号输入控制器，控制器记忆加热器每次工作前的规定时刻所接收的空气温度信号值，加热器此次工作的热功率为该温度信号值的减函数。

2、  按照权利要求1所述电子便座，其特征在于：所述加热器每次工作前的规定时刻是以下时刻中最靠近加热器此次工作的那一刻：
a)控制器通电后进入稳定工作那一刻，以及此刻至加热器首次工作之前每隔一定时间的那些时刻；
b)加热器在每次工作结束之后至加热器再次工作之前每隔一定时间的那些时刻。

3、  按照权利要求2所述电子便座，其特征在于：所述控制器具有启动按键，所述控制器进入稳定工作那一刻为该启动按键动作那一刻。

4、  按照权利要求2所述电子便座，其特征在于：所述一定时间为15min～30min。

5、  按照权利要求1或权利要求2或权利要求3或权利要求4所述电子便座，其特征在于：所述水加热装置工作的热功率为所述控制器记忆的空气温度信号值的减函数。

6、  按照权利要求1或权利要求2或权利要求3或权利要求4所述电子便座，其特征在于：所述控制器的输入还包括对在风道内位于加热器至吹风口途中位置的空气温度的设定，加热器工作的热功率为空气温度传感器的瞬时空气温度信号值和该设定值之差以及所述控制器记忆的空气温度信号值的函数。

7、  按照权利要求6所述电子便座，其特征在于：所述函数为如下表达式：
Pa＝Pao-Aa·Tn-Ka·(Ta-Tas)；
式中，Pa：加热器工作的热功率；
Pao：加热器的设定热功率；
Tn：所述控制器记忆的空气温度信号值；
Ta：空气温度传感器的瞬时空气温度信号值；
Tas：对在风道内位于加热器至吹风口途中位置的空气温度的设定值；
Aa：系数；
Ka：系数。

8、  按照权利要求5所述电子便座，其特征在于：所述水加热装置包括测量输出水温的传感器；所述控制器的输入还包括该水温传感器的温度信号和对输出水温的设定，所述水加热装置工作的热功率为该水温传感器的水温信号值和设定值之差以及所述控制器记忆的空气温度信号值的函数。

9、  按照权利要求8所述电子便座，其特征在于：所述函数为如下表达式：
Pw＝Pwo-Aw·Tn-Kw·(Tw-Tws)；
式中，Pw：水加热装置工作的热功率；
Pwo：水加热装置的设定热功率；
Tn：所述控制器记忆的空气温度信号值；
Tw：水温传感器的水温信号值；
Tws：对输出水温的设定值；
Aw：系数；
Kw：系数。

10、  按照权利要求1或权利要求2或权利要求3或权利要求4所述电子便座，其特征在于：所述座圈具有加热装置，其工作的热功率为所述控制器记忆的空气温度信号值的减函数。

11、  按照权利要求10所述电子便座，其特征在于：所述座圈加热装置包括测量座圈温度的传感器；所述控制器的输入还包括该传感器的温度信号和座圈温度的设定，所述座圈加热装置工作的热功率为该传感器的温度信号值和设定值之差以及所述控制器记忆的空气温度信号值的函数。

12、  按照权利要求11所述电子便座，其特征在于：所述函数为如下表达式：
Pt＝Pto-At·Tn-Kt·(Tt-Tts)；
式中，Pt：座圈加热装置工作的热功率；
Pto：座圈加热装置的设定热功率；
Tn：所述控制器记忆的温度信号值；
Tt：座圈温度传感器的温度信号值；
Tts：对座圈温度的设定值；
At：系数；
Kt：系数。

一种电子便座
技术领域
本发明涉及一种安装于座厕之上构成国家标准GB4706.53—2002中所称“电子座便器”的电子便座，在国际专利分类表中，分类可属于E03D9/08。
背景技术
电子便座的温度控制要求正在随着人们对舒适性要求的提高而提高。目前，大多数电子便座的喷水系统和吹风系统(GB4706.53—2002中称“冲洗组件”)以及座圈(6B4706.53—2002中称“座垫”)的温度为开环或简单闭环加热功率控制，例如CN2302294、CN2319459、CN2555305和CN2887981。实用情况表明，类似设计的产品难以适应春夏秋冬环境温度有较大幅度变化的情况。它们以同样的控制档位运行，往往容易发生其输出温度在夏天过高而冬天过低的情况，令如厕者颇为不快。如一般地按照自动控制理论设置环境温度检测并以此对加热功率控制，则需有专门的环境温度传感器及其输入电路，因而增加制造成本。此外，因电路复杂化还将增加故障率与维修成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提出一种电子便座，其和现有技术相比，可以比较简单的结构和较低的成本，更有效地克服环境温度对系统输出温度的影响。
本发明解决技术问题的技术方案是，一种电子便座，包括以座圈为使用基础的本体、喷水系统和吹风系统；所述喷水系统包括水加热装置；所述吹风系统包括：
——风道；
——位于风道内的加热器；
——位于风道出口的吹风口；
——驱动外部空气进入风道掠过加热器后经吹风口吹出的风机；
——风机和加热器的控制器；
其特征在于：还包括在风道内位于加热器至吹风口途中位置的空气温度传感器；该传感器的空气温度信号输入控制器，控制器记忆加热器每次工作前的规定时刻所接收的空气温度信号值，加热器此次工作的热功率为该温度信号值的减函数。
把环境空气加热至规定温度所需要的功率与该规定温度与环境温度之差成正比。设计加热器工作的热功率与所检测到的环境温度构成减函数关系的结果是，环境温度高时加热功率适当减少，反之则适当增加，因而克服环境温度对系统输出温度的影响。该设计巧妙利用了环境温度在一定时间内不会突变的特点和控制器的记忆功能，而风道内位于加热器至吹风口途中位置的空气温度传感器在加热器不工作时反映的是环境温度，把此时的测量值记下，传感器在加热器工作时即可改用于测量热空气，达到了以一个传感器及电路测量2种不同温度的效果，与一般按照自动控制理论需设置2个传感器和电路的设计相比，明显地简化了结构，降低制造成本、故障率与维修成本。
该技术方案的典型设计之一是，所述加热器每次工作前是以下时刻中最靠近加热器此次工作的那一刻：
a)控制器通电后进入稳定工作那一刻，以及此刻至加热器首次工作之前每隔一定时间的那些时刻；
b)加热器在每次工作结束之后至加热器再次工作之前每隔一定时间的那些时刻。
其中，控制器若有启动按钮，则其通电后进入稳定工作那一时刻最适宜设计为启动按钮动作那一刻。按照电子便座的使用特点，由于加热器通常不会在该时刻立即工作，故设计在此时刻测量环境温度比较方便且可靠。按照一定周期重复测定环境温度的设计，可以使控制器更及时地跟踪环境温度的变化进行控制。所设计时间考虑到加热器在每次工作结束之后需要一定的冷却时间，使得传感器所测量的温度更接近环境温度。按照电子便座的使用和环境温度变化的特点，该周期时间最好设计为15min～30min。
该技术方案的典型设计之二是，所述水加热装置工作时的热功率与所述记忆的温度信号值构成减函数关系。由于水源温度也大致与环境温度正相关，该设计使水加热装置工作时的热功率与环境温度构成减函数关系，也有利于输出水温的稳定控制。
该技术方案的典型设计之三是，所述控制器的输入还包括对在风道内位于加热器至吹风口途中位置的空气温度的设定，加热器工作的热功率为空气温度传感器的瞬时空气温度信号值和该设定值之差以及所述控制器记忆的空气温度信号值的函数。所述函数最好为如下表达式：
Pa＝Pao-Aa·Tn-Ka·(Ta-Tas)；
式中，Pa：加热器工作的热功率；
      Pao：加热器的设定热功率；
      Tn：所述控制器记忆的空气温度信号值；
      Ta：空气温度传感器的瞬时空气温度信号值；
      Tas：对在风道内位于加热器至吹风口途中位置的空气温度的设定值；
      Aa：系数；
      Ka：系数。
该设计是对输出风温实施闭环和环境温度校正相结合的控制，可以达到更稳定的温度控制效果，但未增加成本。
该技术方案的典型设计之四是，所述座圈具有加热装置，其工作的热功率为所述控制器记忆的空气温度信号值的减函数。
对典型设计之二的进一步设计是，所述水加热装置包括测量输出水温的传感器；所述控制器的输入还包括该水温传感器的温度信号和对输出水温的设定，所述水加热装置工作的热功率为该水温传感器的水温信号值和设定值之差以及所述控制器记忆的空气温度信号值的函数。所述函数最好为如下表达式：
Pw＝Pwo-Aw·Tn-Kw·(Tw-Tws)；
式中，Pw：水加热装置工作的热功率；
      Pwo：水加热装置的设定热功率；
    Tn：所述控制器记忆的空气温度信号值；
    Tw：水温传感器的水温信号值；
    Tws：对输出水温的设定值；
    Aw：系数；
    Kw：系数。
该设计是对输出水温实施闭环和环境温度校正相结合的控制，可以达到更适合的温度控制效果，同样未增加成本。
对典型设计之四的进一步设计是，所述座圈加热装置包括测量座圈温度的传感器；所述控制器的输入还包括该传感器的温度信号和座圈温度的设定，所述座圈加热装置工作的热功率为该传感器的温度信号值和设定值之差以及所述控制器记忆的空气温度信号值的函数。所述函数最好为如下表达式：
Pt＝Pto-At·Tn-Kt·(Tt-Tts)；
式中，Pt：座圈加热装置工作的热功率；
      Pto：座圈加热装置的设定热功率；
      Tn：所述控制器记忆的温度信号值；
      Tt：座圈温度传感器的温度信号值；
      Tts：对座圈温度的设定值；
      At：系数；
      Kt：系数。
该设计是对座圈温度实施闭环和环境温度校正相结合的控制，可以达到更适合的温度控制效果，同样未增加成本。
本发明的技术方案和效果将在具体实施方式中结合附图作进一步的说明。
附图说明
图1是本发明实施例电子便座的机械结构示意图；
图2是本发明实施例电子便座的吹风系统机械结构示意图；
图3是本发明实施例电子便座控制电路框图；
图4是本发明实施例电子便座温度测量控制程序流程图。
具体实施方式
本发明实施例电子便座主要是对现有技术产品的改进。现有技术产品较新且齐全的机械和电气结构可见于TOTO株式会社的发明专利申请文件CN101082231(2007年5月30日申请，2007年12月5日公开)。本发明实施例中所需应用的现有技术有关内容在本申请文件中未有记述的，可参见该文件等。
本发明实施例电子便座的机械结构如图1和图2所示：
电子便座的以座圈2为使用基础的本体1中安装有喷水机械系统10、吹风机械系统20和程序控制器30。本体1之外部有程序控制器30的线控操作器31。操作器31具有启动按键38和温度设定按键39等。当然，操作器也可以设计为与主机无线联络的遥控器。
座圈2为GB4706.53—2002中所称“加热座垫”，其底部加工有用于对座圈2加热的电热膜和装设有座温传感器。座温传感器是一薄膜电阻，贴装于适当位置，用于检测座圈2的工作温度。
喷水机械系统10主要依次由内装有卷簧形的电热管11的水箱12、水泵13和喷水口14及它们之间以及与水源19的连接管路组成。来自水源19的水进入水箱12被电热管11加热后，经水泵13加压后经喷水口14喷出。在水箱12靠近其出水口的位置还安装有检测水箱此处温度的水温传感器15，通常为套于不锈钢管内的热电偶或半导体二极管探头。
吹风机械系统20依次由离心式风机22、螺旋卷绕的电热丝21和珊状吹风口23及把它们连接起来的风道24组成。在风道24内位于电热丝21至吹风口23途中位置装有一测量此处空气温度的气温传感器25，通常为一塑封的热电偶或半导体二极管探头。风机22运转时，外部空气从风机22旋转中心的进风口26吸入，风机22排出的气流首先掠过电热丝21，然后掠过传感器25的探头，最后经吹风口23吹出。
本实施例吹风机械系统中，风机22位于空气流动系统的最上游，其好处是工作温度较低；但也可以因应具体结构设计安装于其它位置，例如在电热丝21和传感器探头25之间，或者传感器探头25和吹风口23之间。
本发明实施例电子便座控制电路如图3所示：
对喷水机械系统和吹风机械系统进行控制的是以具有自编控制程序的单片机为核心的程序控制器30，其主要包括单片机32(型号：S3P9228)及驱动电路33。
驱动电路33包括由单片机32的5个I/O口触发控制的各1路双向晶闸管。第1个I/O口触发控制的双向晶闸管驱动电热管11，第2个I/O口触发控制的双向晶闸管驱动水泵13，第3个I/O口触发控制的双向晶闸管驱动电热丝21，第4个I/O口触发控制的双向晶闸管驱动电热膜3，第5个I/O口触发控制的双向晶闸管驱动风机22。此外，单片机32还有用于喷水口和出风口的运动，以及显示、通讯和保护等控制的若干I/O口(图中未示出)，可直接或经驱动电路连接相应负载。
单片机32接收输入信号的5个I/O口，分别连接水温传感器15、气温传感器25、座温传感器4、操作器31的启动按键38和设定按键39的输出。此外，单片机32还有连接其它传感器或接收其它通讯输入的若干I/O口(图中未示出)。
本发明实施例电子便座对气温的测量控制程序流程如图4所示：
程序控制器30接通电源，在单片机32得电后进入稳定工作状态，所有电路处于等待指令的待命状态(步骤100)；
操作器31的设定按键39动作，经其所连接的I/O口向单片机32输出有效信号，单片机32及进入程序选定状态，其中包括对使用温度的选定，记为Tas(如设定按键39不动作，以默认值为设定值)；其后若启动按键38动作；其输出电路将按选定程序运行(步骤101，103)；操作器也可以设计为对于用户仅有兼有启动按键和设定按键功能的单按键，可大大简化操作器的面板和操作。电子便座还可以设计为仅有一电源开关的所谓“傻瓜机”，其程序控制器在电源开关接通后数秒内自动进入稳定工作状态。
操作器31的启动按键38动作，经其所连接的I/O口向单片机32输出有效信号；单片机32随即对连接传感器探头25的I/O口的数值读入，记为Tn并在RAM加以记忆；之后，每隔30min再读入一次，并对原先记忆的数值予以更新；直至电子便座进入烘干运行，即电热丝21工作(触发控制驱动电热丝21的双向晶闸管的I/O口有效)为止(步骤102，104，105，106)；
自电热丝21工作结束开始，单片机32每隔15min～30min(最好为20min)，对连接传感器探头25的I/O口的数值读入一次，并对原先记忆的数值予以更新；直至电热丝21再次工作(触发控制驱动电热丝21的双向晶闸管的I/O口有效)为止(步骤109，110)。
电热丝21工作期间，单片机32对连接传感器探头25的I/O口的数值每隔1s读入1次，记为Ta(步骤107)。
对驱动电热丝21的双向晶闸管触发控制的第3个I/O口，其输出信号所控制的电热丝21的加热功率Pa是以最新记忆的环境温度值Tn、最新测量到的热气流温度值Ta和输出气流温度的设定值Tas代人如下公式求得(步骤108)：
Pa＝η·ρ·C·Q·(Tas-Tn)-Ka·(Ta-Tas)；
式中，Pa：加热功率；
      η：效率；
      ρ：空气密度；
      C：空气比热；
      Q：空气流量(风量)；
      Tas：输出气流温度的设定值；
      Tn：最新记忆的环境温度值；
      Ta：热气流温度值；
      Ka：系数(W/K)。
式中各量均采用国际单位。其中Ka为控制器对热气流温度与温度设定值的偏差实施闭环自动调节的系数。当其为常数时，属于比例有差调节。对该系数还可以加入偏差对时间的微分和积分，实施所谓PID调节，以缩短调节时间和达到无差调节。由于时间常数较小和工作时间较短，PID调节的效果会难以显现，处理不好甚至适得其反。
从上述公式可以看出，本发明巧妙地实施环境温度的测量和校正，环境温度作为单一变量当其升高时，电热丝21的输入功率将减少，反之则增大，即构成所谓的减函数关系。其中若η、ρ、C和Q为常量，该减函数为直线函数，否则为非线性函数。该校正在对输出温度的自动测量和闭环自动调节中，特别有针对性地削弱最主要的干扰——环境温度的影响，显著减少调节偏差，显示了简单而实用的优点。
第1个I/O口触发控制的双向晶闸管驱动电热管11，也可以利用上述环境温度的测定值Tn对其工作功率进行类似上述空气温度的减函数控制，以减轻通常与环境温度正相关的水源温度对水温控制效果的影响。该I/O口的输出信号所控制的电热管11的加热功率Pw是以最新记忆的环境温度值Tn、最新测量到的水箱水温Tw和水箱输出水温的设定值Tws代人如下公式求得：
Pw＝η·Aw·Sw·(Tws-Tn)-Kw·(Tw-Tws)；
式中，Pw：加热功率；
      η：效率；
     Aw：平均散热系数；
     Sw：等效散热面积；
     Tws：水箱输出水温的设定值；
     Tn：最新记忆的环境温度值；
     Tw：最新测量到的水箱水温；
     Kw：系数(W/K)。
式中各量均采用国际单位。其中Kw为控制器对水温与其设定值的偏差实施闭环自动调节的系数，除取其为适当的常数实施比例有差调节外，由于水箱热容量较大，最好加入偏差对时间的微分和积分运算，实施PID调节，可缩短调节时间和达到无差调节。
从上述公式可以看出，本发明对水温巧妙地实施环境温度的测量和校正，环境温度作为单一变量当其升高时，电热管11的输入功率将减少，反之则增大，即构成所谓的减函数关系。其中若η、Aw和Sw为常量，该减函数为直线函数，否则为非线性函数。该校正在对水温的自动测量和闭环自动调节中，也特别有针对性地削弱最主要的干扰——环境温度的影响，显著减少调节偏差，显示了简单而实用的优点。
有关对水箱水温的测量控制程序流程可参考图4得到，主要是把其中的设定程序读入Tas改为Tws，间隔1s增加读取水温传感器Tw，加热功率Pa的公式修改为上述Pw的公式。
第4个I/O口触发控制的双向晶闸管驱动电热膜3，同样可以利用上述环境温度的测定值Tn对其工作功率进行类似上述水箱水温的减函数控制，以减轻环境温度对座圈温度控制效果的影响。该I/O口的输出信号所控制的电热膜3的加热功率Pt是以最新记忆的环境温度值Tn、最新测量到的座圈温度Tt和座圈温度的设定值Tts代人如下公式求得：
Pt＝η·At·St·(Tts-Tn)-Kt·(Tt-Tts)；
式中，Pt：加热功率；
      η：效率；
      At：平均散热系数；
      St：等效散热面积；
      Tts：座圈温度的设定值；
      Tn：最新记忆的环境温度值；
      Tt：最新测量到的座圈温度；
      Kt：系数(W/K)。
式中各量均采用国际单位。其中Kt为控制器对座圈温度与其设定值的偏差实施闭环自动调节的系数，除取其为适当的常数实施比例有差调节外，由于座圈也有一定的热容量，适当加入偏差对时间的微分和积分运算，实施PID调节，也可缩短调节时间和达到无差调节。
从上述公式可以看出，本发明对座圈温度巧妙地实施环境温度的测量和校正，环境温度作为单一变量当其升高时，电热膜3的输入功率将减少，反之则增大，即构成所谓的减函数关系。其中若η、At和St为常量，该减函数为直线函数，否则为非线性函数。该校正在对座圈温度的自动测量和闭环自动调节中，同样特别有针对性地削弱最主要的干扰——环境温度的影响，显著减少调节偏差，显示了简单而实用的优点。
对座圈温度的测量控制程序流程同样可类似上述水箱水温的测量控制，参考图4得到。