基于MCU的權控智能節水系統設計實(shí)現
文章出處：http://psychicreadingswithdeb.com 作者：王志強 人氣： 發(fā)表時(shí)間：2010年11月06日
引言
隨著(zhù)社會(huì )和經(jīng)濟的不斷發(fā)展，環(huán)境和資源問(wèn)題日益突出，預計到2020年，全國年總需水量將達到900億立方米，而缺水量也將達到150億立方米，水資源短缺已成為制約我國經(jīng)濟和社會(huì )發(fā)展的重要因素，為此國家大力提倡節能減排，鼓勵節水、節能設備的研發(fā)。衛生間節水技術(shù)始于20世紀80年代末和90年代初期，在節水技術(shù)初級階段，普遍采用數字邏輯電路和模擬電子技術(shù)實(shí)現節水控制功能；自21世紀以來(lái)，衛生間節水技術(shù)開(kāi)始采用先進(jìn)的紅外檢測技術(shù)以及單片機控制技術(shù)，節水率有了較大的提高。目前衛生間節水設備存在諸多技術(shù)上的缺陷，即沖廁不及時(shí)，誤沖廁、漏沖廁現象頻繁，導致節水率低，環(huán)境衛生差。
為實(shí)現節約型、環(huán)保型社會(huì )，未來(lái)的衛生間節水設備必將朝著(zhù)高節水率、環(huán)保、集成化、智能化方向發(fā)展?；诖?，設計了一種基于統計學(xué)和模糊控制理論的權控智能節水系統。它利用改進(jìn)的紅外檢測單元準確地采集數據；以AT89C2051單片機為硬件平臺構建信號處理、控制的主控制器，對檢測數據進(jìn)行處理，并實(shí)時(shí)判斷出真實(shí)的人流量；注水分主注水和權控注水，保證主控制單元發(fā)出沖廁指令后能迅速沖廁。試驗結果表明，系統各項性能指標均達到設計要求，節水率提高到88％。
1 權控技術(shù)
為了確保主控制單元發(fā)出沖水指令后，水箱內的水能迅速瀉放，本節水系統采用了權控技術(shù)，權控沖廁功能由主注水、防滲漏控制單元、主控制單元等實(shí)現。主注水單元依據水箱低水位檢測器狀態(tài)判斷出水箱全空時(shí)啟動(dòng)電磁閥，執行主注水至水箱總容量的95％時(shí)停止，為水箱的低水位。由于水中雜質(zhì)經(jīng)長(cháng)時(shí)間的積淀以及水箱虹吸閥與水箱密封不嚴密，水過(guò)長(cháng)時(shí)間停留會(huì )致使水位因滲漏而下降，鑒于此，設計防滲漏電路補注水，使水箱水位始終保持在水箱總容量的95％位置處。主控制單元實(shí)時(shí)處理入廁信息并發(fā)出權注水指令，這部分注水僅占水箱總容量的5％，耗時(shí)1～2 s。權注水后水箱內的水已充滿(mǎn)整個(gè)水箱，達到了虹吸閥開(kāi)啟的位置，這種迅速沖廁的控制技術(shù)稱(chēng)為權控技術(shù)。
2 系統硬件設計
本系統采用AT89C2051單片機作為系統的主控制單元，可實(shí)現紅外信號的處理、電磁閥權注水控制和LED顯示；結合C語(yǔ)言軟件編程，實(shí)現了與實(shí)際情況相吻合的沖水控制和兩級程序保密措施，豐富了系統功能，提高了系統的穩定性。
系統由主輔兩大控制單元組成，圖1為主控制單元結構圖，完成紅外信號處理，延時(shí)選擇并執行沖水子程序。其中，改進(jìn)的紅外監測可感知移動(dòng)生物，高水位可檢測水箱水位是否到達虹吸點(diǎn)，延時(shí)選擇是在入廁低峰期時(shí)供人工選擇延時(shí)沖水時(shí)間；LED可實(shí)時(shí)顯示主控制器工作狀態(tài)。
圖2為輔控制單元，完成無(wú)水斷電、主注水及防滲漏控制。當管網(wǎng)斷水時(shí)，低水位檢測水箱內始終無(wú)水，于是主注水控制電路一直開(kāi)啟電磁閥，故設計智能電源在無(wú)水時(shí)斷開(kāi)除水管檢測之外的所有電路電源。低水位檢測主注水是否到水箱95％，主注水控制單元據之控制電磁閥；防滲漏控制單元保持水箱在95％的水位。
2．1 智能電源設計
智能電源系統結構包括數字+5 V電源電路、模擬+5 V電源電路、無(wú)水斷電控制電路，系統結構框見(jiàn)圖3。
在無(wú)水斷電控制電路檢測到無(wú)水時(shí)，控制2個(gè)繼電器JDQ3，JDQ4斷開(kāi)常閉觸點(diǎn)，切斷除水管檢測之外的所有電路供電，既保護了電磁閥，又節省了電能。在管網(wǎng)恢復供水后，無(wú)水斷電控制電路能瞬間迅速恢復電路供電，系統進(jìn)入正常工作狀態(tài)，無(wú)水斷電控制電路圖見(jiàn)圖4。
2．2 紅外監測設計
紅外監測采用GH-718人體感應模塊感知生物體，輸出高電平。GH-718人體感應模塊有可重復觸發(fā)和不可重復觸發(fā)兩種觸發(fā)方式，為精確計算入廁人數，本系統設置成可重復觸發(fā)方式。但GH-718人體感應模塊的有效探測范圍為110°，探測距離最遠可達7 m，人體在這個(gè)區域移動(dòng)時(shí)，造成同一入廁者有多次紅外觸發(fā)。為了將減少誤觸發(fā)，甚至使誤觸發(fā)降為零，本系統將GH-718人體感應模塊設置在機殼內，機殼底部居中開(kāi)直徑為2 mm的圓孔。經(jīng)過(guò)以上改進(jìn)，紅外監測器僅在一根線(xiàn)上才感應移動(dòng)人體產(chǎn)生紅外脈沖，極大地提高了監測精度，誤檢率降低到0．2％，見(jiàn)圖5。
2．3 主注水及防滲漏控制電路設計
主注水及防滲漏控制電路不受主控制單元控制，它通過(guò)低水位檢測裝置送來(lái)的高低電平判斷是否注水，主注水及防滲漏控制電路見(jiàn)圖6。
當水箱水位未到低水位時(shí)，低水位檢測裝置是低電平，經(jīng)過(guò)一個(gè)非門(mén)后變?yōu)楦唠娖?，于是晶體管V1因飽和導通驅使電磁閥閉合進(jìn)行主注水。當到達水箱水位時(shí)，水箱水位檢測裝置送來(lái)的是高電平，經(jīng)過(guò)一個(gè)非門(mén)后變?yōu)榈碗娖?，于是晶體管V1截止，主注水控制電路關(guān)斷電磁閥停止主注水。
2．4 權注水控制電路設計
權注水是以AT89C2051為核心的主控制單元實(shí)現電路見(jiàn)圖7。權注水控制電路與微處理器耦合時(shí)采用光電耦合器耦合，優(yōu)點(diǎn)是光電耦合器耦合可以阻隔繼電器和電磁閥開(kāi)啟與關(guān)斷瞬間產(chǎn)生的尖鋒脈沖等干擾信號對微處理器的干擾，從而避免了主控制單元因受干擾而出現工作性能不穩定的現象，減小了誤沖廁和漏沖廁的幾率。信號流程為：權注水指令從P3．2口送出，經(jīng)R8送光耦I(lǐng)C4驅動(dòng)V2導通，控制繼電器閉合常開(kāi)觸電，電磁閥開(kāi)啟權注水。
3 系統軟件設計
本系統以AT89C2051單片機為核心，為實(shí)現單片機的信號處理和控制功能，將程序劃分為6個(gè)模塊：3 min定時(shí)模塊、紅外脈沖計數模塊、高低峰期判決模塊、延時(shí)選擇模塊、水位檢測模塊、電磁閥模塊，單片機主程序流程如圖8所示。
3 min定時(shí)模塊在紅外檢測經(jīng)P3．1口送入第1個(gè)紅外脈沖時(shí)啟動(dòng)，在3 min定時(shí)時(shí)間內由紅外脈沖計數模塊對紅外脈沖計數。3 min定時(shí)到時(shí)，3 min定時(shí)模塊和紅外計數模塊清零復位，此后3 min定時(shí)模塊和紅外計數模塊在下一個(gè)紅外脈沖到來(lái)時(shí)才再次啟動(dòng)。同時(shí)紅外計數模塊的紅外脈沖計數值送高低峰期判決模塊。
高低峰期判決模塊有2個(gè)功能：當3 min內紅外計數值滿(mǎn)足高峰期人數時(shí)啟動(dòng)電磁閥進(jìn)行權注水；當3 min內紅外計數值不滿(mǎn)足高峰期人數時(shí)，啟動(dòng)延時(shí)選擇模塊。
延時(shí)選擇設置有友好的人機對話(huà)接口，由延時(shí)選擇程序和設置在機外人工預置的7組機械開(kāi)關(guān)共同組成實(shí)現，延時(shí)時(shí)間一到則開(kāi)啟電磁閥進(jìn)行權祝水。為了消除開(kāi)關(guān)開(kāi)閉產(chǎn)生的瞬間尖峰脈沖干擾紅外計數，在每組開(kāi)關(guān)上設計了消尖峰脈沖電路。
水位檢測模塊檢測權注水是否到達虹吸閥的虹吸點(diǎn)，即高水位位置，當權注水到高水位時(shí)，水位檢測模塊啟動(dòng)電磁閥模塊，使其關(guān)閉。
由于篇幅的原因，在此給出部分C語(yǔ)言源程序：
通過(guò)實(shí)際工作環(huán)境下的多次試驗，系統運行良好，紅外監測誤檢率小于O．2％，沖廁遲滯時(shí)間小于1 s。表1是本節水系統在檢測周期為3 min時(shí)的一年耗水量，以及與普通沖水器的耗水情況比較。
從表1可以看出，權控智能節水器在檢測周期為3 min的情況下，節水率高達88％，大大節約了水資源，符合設計初衷。
4 結語(yǔ)
提出的權控智能節水方案有效解決了現有節水產(chǎn)品沖廁不及時(shí)、誤沖廁、漏沖廁等技術(shù)缺憾，極大地提高了節水率，獲得了比較滿(mǎn)意的結果。隨著(zhù)信號處理技術(shù)的發(fā)展，這種基于熱釋電紅外移動(dòng)傳感器和單片微處理器的權控智能節水器將有著(zhù)十分廣闊的應用前景。
