基于MCU的權(quán)控智能節(jié)水系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)
文章出處：http://www.fang1.net 作者：王志強 人氣： 發(fā)表時間：2010年11月06日
引言
隨著社會和經(jīng)濟的不斷發(fā)展，環(huán)境和資源問題日益突出，預(yù)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)濟和社會發(fā)展的重要因素，為此國家大力提倡節(jié)能減排，鼓勵節(jié)水、節(jié)能設(shè)備的研發(fā)。衛(wèi)生間節(jié)水技術(shù)始于20世紀80年代末和90年代初期，在節(jié)水技術(shù)初級階段，普遍采用數(shù)字邏輯電路和模擬電子技術(shù)實現(xiàn)節(jié)水控制功能；自21世紀以來，衛(wèi)生間節(jié)水技術(shù)開始采用先進的紅外檢測技術(shù)以及單片機控制技術(shù)，節(jié)水率有了較大的提高。目前衛(wèi)生間節(jié)水設(shè)備存在諸多技術(shù)上的缺陷，即沖廁不及時，誤沖廁、漏沖廁現(xiàn)象頻繁，導(dǎo)致節(jié)水率低，環(huán)境衛(wèi)生差。
為實現(xiàn)節(jié)約型、環(huán)保型社會，未來的衛(wèi)生間節(jié)水設(shè)備必將朝著高節(jié)水率、環(huán)保、集成化、智能化方向發(fā)展?；诖?，設(shè)計了一種基于統(tǒng)計學(xué)和模糊控制理論的權(quán)控智能節(jié)水系統(tǒng)。它利用改進的紅外檢測單元準確地采集數(shù)據(jù)；以AT89C2051單片機為硬件平臺構(gòu)建信號處理、控制的主控制器，對檢測數(shù)據(jù)進行處理，并實時判斷出真實的人流量；注水分主注水和權(quán)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(jié)果表明，系統(tǒng)各項性能指標均達到設(shè)計要求，節(jié)水率提高到88％。
1 權(quán)控技術(shù)
為了確保主控制單元發(fā)出沖水指令后，水箱內(nèi)的水能迅速瀉放，本節(jié)水系統(tǒng)采用了權(quán)控技術(shù)，權(quán)控沖廁功能由主注水、防滲漏控制單元、主控制單元等實現(xiàn)。主注水單元依據(jù)水箱低水位檢測器狀態(tài)判斷出水箱全空時啟動電磁閥，執(zhí)行主注水至水箱總?cè)萘康?5％時停止，為水箱的低水位。由于水中雜質(zhì)經(jīng)長時間的積淀以及水箱虹吸閥與水箱密封不嚴密，水過長時間停留會致使水位因滲漏而下降，鑒于此，設(shè)計防滲漏電路補注水，使水箱水位始終保持在水箱總?cè)萘康?5％位置處。主控制單元實時處理入廁信息并發(fā)出權(quán)注水指令，這部分注水僅占水箱總?cè)萘康?％，耗時1～2 s。權(quán)注水后水箱內(nèi)的水已充滿整個水箱，達到了虹吸閥開啟的位置，這種迅速沖廁的控制技術(shù)稱為權(quán)控技術(shù)。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
本系統(tǒng)采用AT89C2051單片機作為系統(tǒng)的主控制單元，可實現(xiàn)紅外信號的處理、電磁閥權(quán)注水控制和LED顯示；結(jié)合C語言軟件編程，實現(xiàn)了與實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(tǒng)功能，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
系統(tǒng)由主輔兩大控制單元組成，圖1為主控制單元結(jié)構(gòu)圖，完成紅外信號處理，延時選擇并執(zhí)行沖水子程序。其中，改進的紅外監(jiān)測可感知移動生物，高水位可檢測水箱水位是否到達虹吸點，延時選擇是在入廁低峰期時供人工選擇延時沖水時間；LED可實時顯示主控制器工作狀態(tài)。
圖2為輔控制單元，完成無水斷電、主注水及防滲漏控制。當管網(wǎng)斷水時，低水位檢測水箱內(nèi)始終無水，于是主注水控制電路一直開啟電磁閥，故設(shè)計智能電源在無水時斷開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(jù)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(shè)計
智能電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括數(shù)字+5 V電源電路、模擬+5 V電源電路、無水斷電控制電路，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框見圖3。
在無水斷電控制電路檢測到無水時，控制2個繼電器JDQ3，JDQ4斷開常閉觸點，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(jié)省了電能。在管網(wǎng)恢復(fù)供水后，無水斷電控制電路能瞬間迅速恢復(fù)電路供電，系統(tǒng)進入正常工作狀態(tài)，無水斷電控制電路圖見圖4。
2．2 紅外監(jiān)測設(shè)計
紅外監(jiān)測采用GH-718人體感應(yīng)模塊感知生物體，輸出高電平。GH-718人體感應(yīng)模塊有可重復(fù)觸發(fā)和不可重復(fù)觸發(fā)兩種觸發(fā)方式，為精確計算入廁人數(shù)，本系統(tǒng)設(shè)置成可重復(fù)觸發(fā)方式。但GH-718人體感應(yīng)模塊的有效探測范圍為110°，探測距離最遠可達7 m，人體在這個區(qū)域移動時，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(tǒng)將GH-718人體感應(yīng)模塊設(shè)置在機殼內(nèi)，機殼底部居中開直徑為2 mm的圓孔。經(jīng)過以上改進，紅外監(jiān)測器僅在一根線上才感應(yīng)移動人體產(chǎn)生紅外脈沖，極大地提高了監(jiān)測精度，誤檢率降低到0．2％，見圖5。
2．3 主注水及防滲漏控制電路設(shè)計
主注水及防滲漏控制電路不受主控制單元控制，它通過低水位檢測裝置送來的高低電平判斷是否注水，主注水及防滲漏控制電路見圖6。
當水箱水位未到低水位時，低水位檢測裝置是低電平，經(jīng)過一個非門后變?yōu)楦唠娖?，于是晶體管V1因飽和導(dǎo)通驅(qū)使電磁閥閉合進行主注水。當?shù)竭_水箱水位時，水箱水位檢測裝置送來的是高電平，經(jīng)過一個非門后變?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(quán)注水控制電路設(shè)計
權(quán)注水是以AT89C2051為核心的主控制單元實現(xiàn)電路見圖7。權(quán)注水控制電路與微處理器耦合時采用光電耦合器耦合，優(yōu)點是光電耦合器耦合可以阻隔繼電器和電磁閥開啟與關(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(xiàn)工作性能不穩(wěn)定的現(xiàn)象，減小了誤沖廁和漏沖廁的幾率。信號流程為：權(quán)注水指令從P3．2口送出，經(jīng)R8送光耦I(lǐng)C4驅(qū)動V2導(dǎo)通，控制繼電器閉合常開觸電，電磁閥開啟權(quán)注水。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
本系統(tǒng)以AT89C2051單片機為核心，為實現(xiàn)單片機的信號處理和控制功能，將程序劃分為6個模塊：3 min定時模塊、紅外脈沖計數(shù)模塊、高低峰期判決模塊、延時選擇模塊、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定時模塊在紅外檢測經(jīng)P3．1口送入第1個紅外脈沖時啟動，在3 min定時時間內(nèi)由紅外脈沖計數(shù)模塊對紅外脈沖計數(shù)。3 min定時到時，3 min定時模塊和紅外計數(shù)模塊清零復(fù)位，此后3 min定時模塊和紅外計數(shù)模塊在下一個紅外脈沖到來時才再次啟動。同時紅外計數(shù)模塊的紅外脈沖計數(shù)值送高低峰期判決模塊。
高低峰期判決模塊有2個功能：當3 min內(nèi)紅外計數(shù)值滿足高峰期人數(shù)時啟動電磁閥進行權(quán)注水；當3 min內(nèi)紅外計數(shù)值不滿足高峰期人數(shù)時，啟動延時選擇模塊。
延時選擇設(shè)置有友好的人機對話接口，由延時選擇程序和設(shè)置在機外人工預(yù)置的7組機械開關(guān)共同組成實現(xiàn)，延時時間一到則開啟電磁閥進行權(quán)祝水。為了消除開關(guān)開閉產(chǎn)生的瞬間尖峰脈沖干擾紅外計數(shù)，在每組開關(guān)上設(shè)計了消尖峰脈沖電路。
水位檢測模塊檢測權(quán)注水是否到達虹吸閥的虹吸點，即高水位位置，當權(quán)注水到高水位時，水位檢測模塊啟動電磁閥模塊，使其關(guān)閉。
由于篇幅的原因，在此給出部分C語言源程序：
通過實際工作環(huán)境下的多次試驗，系統(tǒng)運行良好，紅外監(jiān)測誤檢率小于O．2％，沖廁遲滯時間小于1 s。表1是本節(jié)水系統(tǒng)在檢測周期為3 min時的一年耗水量，以及與普通沖水器的耗水情況比較。
從表1可以看出，權(quán)控智能節(jié)水器在檢測周期為3 min的情況下，節(jié)水率高達88％，大大節(jié)約了水資源，符合設(shè)計初衷。
4 結(jié)語
提出的權(quán)控智能節(jié)水方案有效解決了現(xiàn)有節(jié)水產(chǎn)品沖廁不及時、誤沖廁、漏沖廁等技術(shù)缺憾，極大地提高了節(jié)水率，獲得了比較滿意的結(jié)果。隨著信號處理技術(shù)的發(fā)展，這種基于熱釋電紅外移動傳感器和單片微處理器的權(quán)控智能節(jié)水器將有著十分廣闊的應(yīng)用前景。
