智能型嵌入式節(jié)水系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

王 晴，王建華

（南通航運職業(yè)技術(shù)學(xué)院 管理信息系，南通 226010）

0 引言

本文設(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(zhǔn)確地采集數(shù)據(jù)；以AT89C2051為硬件平臺的信號處理和控制的主控制單元對檢測數(shù)據(jù)進行處理并實時判斷出真實的人流量；注水分主、權(quán)兩次，保證主控制單元發(fā)出沖廁指令后能迅速沖廁。

本方案解決了誤沖、漏沖、沖廁不及時的技術(shù)問題，節(jié)水率高達88.﹪，加之槽式節(jié)水設(shè)備市場需求量大，故本產(chǎn)品市場應(yīng)用前景巨大。

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)TOWC，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(yán)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秒。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。

圖1 主控制單元結(jié)構(gòu)圖

圖2 輔助控制單元結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)由主輔兩大控制單元組成，圖1為主控制單元，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)測感知移動生物，高水位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?dāng)嚯姟⒅髯⑺胺罎B漏控制。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+5V電源電路、模擬+5V電源電路、無水?dāng)嚯娍刂齐娐?，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

無水?dāng)嚯娍刂齐娐啡鐖D4所示，檢測到無水時，控制兩個繼電器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)省電能。在管網(wǎng)恢復(fù)供水后，無水?dāng)嚯娍刂齐娐纺芩查g迅速恢復(fù)個電路供電，系統(tǒng)進入正常工作狀態(tài)[1]。

圖3 智能電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖4 無水?dāng)嚯娍刂齐娐穲D

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)模塊有效探測范圍110°，探測距離最遠(yuǎn)可達7米，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)[2]。為了將誤觸發(fā)大大降低，甚至降為零誤觸發(fā)，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2mm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)移動人產(chǎn)生體紅外脈沖，極大地提高了監(jiān)測的精度，誤檢率降低到0.02，如圖5所示。

圖5 GH-718感應(yīng)區(qū)和接收窗口實物圖

圖6 主注水及防滲漏控制電路圖

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來判斷是否注水，電路如圖6所示。

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?，于是三極管V1因飽和導(dǎo)通驅(qū)使電磁閥閉合進行主注水。當(dāng)水箱水位到達時，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?，于是三極管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)其功能，其電路見圖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。

圖7 權(quán)注水控制電路電路圖

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分鐘定時模塊、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[3,4]如圖7所示。

3分鐘定時模塊在紅外檢測經(jīng)P3.1口送入第一個紅外脈沖時啟動，在3分鐘定時時間內(nèi)由紅外脈沖計數(shù)模塊對紅外脈沖計數(shù)。3分鐘定時到時，3分鐘定時模塊和紅外計數(shù)模塊清零復(fù)位，此后3分鐘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兩個功能：當(dāng)3分鐘內(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(dāng)3分鐘內(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(dāng)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[4,5]：

圖8 單片機系統(tǒng)控制流程圖

4 試驗結(jié)果

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＜0.02，沖廁遲滯時間≦2秒，節(jié)水率高達88﹪。表1是本節(jié)水系統(tǒng)在檢測周期為3分鐘時的一年耗水量，以及和普通沖水器的耗水的比較情況總結(jié)。

表1 試驗結(jié)果數(shù)據(jù)

本文針對現(xiàn)有節(jié)水產(chǎn)品誤檢率高、遲滯時間過長、沖水時間固定等缺點，基于GH-718人體感應(yīng)模塊作了技術(shù)改進，極大提高了檢測的精度；基于權(quán)控技術(shù)大大縮短了沖水遲滯時間；基于3分鐘檢測周期的沖廁機理能實時判斷出入廁的真實人流量情況，保證了高峰期及時沖水、低峰期延遲沖水，無人期決不沖水。試驗結(jié)果表明本系統(tǒng)既保證了環(huán)境衛(wèi)生、就廁舒適度，又保證了高節(jié)水率。

[1] 孫余凱.穩(wěn)壓電源設(shè)計與技能實訓(xùn)教程[M].電子工業(yè)出版社,2007．

[2] 周繼明,江世明,傳感技術(shù)與應(yīng)用[M].中南大學(xué)出版社,2005.

[3] 趙亮,侯國銳.單片機C語言編程與實例M].人民郵電出版社,2003．

[4] 韓志軍.單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計—入門向?qū)c設(shè)計實例[M].機械工業(yè)出版社,2005．