流量可控式紅外線感應(yīng)水龍頭控制模塊設(shè)計(jì)

寧禮佳，郭婷婷，武志明，范長(zhǎng)勝

(東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150040)

0 引言

紅外感應(yīng)自動(dòng)水龍頭是一項(xiàng)包含在建筑節(jié)能這個(gè)大概念中的科技產(chǎn)品，發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)有經(jīng)驗(yàn)表明，建筑能耗總量約占社會(huì)總能耗的三分之一，最終將超越工業(yè)、交通等其它行業(yè)居于社會(huì)能源消耗的首位。建筑節(jié)能有利于促進(jìn)科技進(jìn)步，拉動(dòng)內(nèi)需，帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。實(shí)施建筑節(jié)能，既能產(chǎn)生強(qiáng)大的能源環(huán)境效益，而且有著巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，并潛在巨大的商機(jī)。同理對(duì)于其中的一個(gè)部分也是適用的，所以我們可以說(shuō)紅外感應(yīng)自動(dòng)水龍頭的市場(chǎng)是巨大的，并且我們也是本著創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)利益和促進(jìn)科技進(jìn)步的目的來(lái)研究紅外感應(yīng)自動(dòng)水龍頭。現(xiàn)在市場(chǎng)的紅外線水龍頭都是開關(guān)量，只有開關(guān)兩種狀態(tài)［1］，我們?cè)O(shè)計(jì)的是可以根據(jù)手的距離改變水的流量，更符合節(jié)能的標(biāo)準(zhǔn)。

1 系統(tǒng)工作原理

采用SHARP紅外線測(cè)距傳感器作為人手距離水龍頭距離的檢測(cè)元件［2］，其工作原理是利用紅外信號(hào)遇到障礙物距離的不同反射的強(qiáng)度也不同的原理，進(jìn)行障礙物遠(yuǎn)近的檢測(cè)。紅外線測(cè)距傳感器具有一對(duì)紅外信號(hào)發(fā)射與接收二極管，發(fā)射管發(fā)射特定頻率的紅外信號(hào)，接收管接收這種頻率的紅外信號(hào)，當(dāng)紅外線的檢測(cè)方向遇到障礙物時(shí)，紅外信號(hào)反射回來(lái)被接收管接收，經(jīng)過(guò)處理之后，通過(guò)數(shù)字傳感器接口返回到單片機(jī)中［3］。用此類傳感器簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)，節(jié)約了開發(fā)和生產(chǎn)成本，另外采用此類傳感器編程簡(jiǎn)單，易于修改。

在進(jìn)行距離檢測(cè)時(shí)，紅外線測(cè)距傳感器檢測(cè)到人伸手的位置，并在輸出端輸出對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，由于STC系列的單片機(jī)內(nèi)部自帶A/D轉(zhuǎn)換［4］，所以可以直接將傳感器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行分析，并作出相應(yīng)的處理。圖1是紅外線測(cè)距傳感器輸出曲線圖。從圖中來(lái)看，在10～50 cm之間時(shí)，隨著距離的增加，輸出電壓的減小近似線性，所以我們?cè)诔绦蛑袑⒃O(shè)定其工作范圍為10～50 cm，除此范圍之外的檢測(cè)信號(hào)均為無(wú)效，這樣既可以減小檢測(cè)誤差，又提高了水龍頭的工作動(dòng)作的精確度。

圖1 紅外線測(cè)距傳感器輸出曲線圖Fig.1 The Output graph of Infrared measuring distance sensor

輸出裝置采用HD－1501MG系列的舵機(jī)，其體型較小但失速轉(zhuǎn)矩為17 kg·cm，其工作原理是控制信號(hào)由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號(hào)調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20 ms，寬度為1.5 ms的基準(zhǔn)信號(hào)，將獲得的直流偏置電壓和電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，通過(guò)級(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。舵機(jī)的控制信號(hào)也就是PWM信號(hào)，利用占空比的變化改變舵機(jī)的位置［5］。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

紅外線感應(yīng)自動(dòng)水龍頭系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要由單片機(jī)主控、路徑信息采集模塊(紅外線測(cè)距傳感器)、舵機(jī)、電源模塊和接口擴(kuò)展等模塊組成，如圖2所示［6］。選用STC12C5608AD單片機(jī)，該系列芯片平時(shí)較為常用而且編程簡(jiǎn)單［7］，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。

圖2 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 The structure diagram of system hardware

3 模糊PID控制的算法理論

PID是 比 例(proportion)——積 分(integral)——微分(derivative)控制的一種算法。任何閉環(huán)控制系統(tǒng)的首要任務(wù)就是要穩(wěn)定、快速、準(zhǔn)確地去響應(yīng)命令。實(shí)驗(yàn)中，為了使舵機(jī)能快速、穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)到所需的位置，而PID控制因其成熟［8－9］，容易實(shí)現(xiàn)，并且具有可消除穩(wěn)態(tài)誤差的優(yōu)點(diǎn)，在大多數(shù)的情況下可以滿足系統(tǒng)性能的要求，但它的性能取決于參數(shù)的穩(wěn)定情況。而模糊控制在保持較小的超調(diào)量和快速性方面有著很大的自身優(yōu)勢(shì)，但其理論并不太完善，算法復(fù)雜，控制過(guò)程會(huì)存在一定的穩(wěn)態(tài)誤差［10］。所以將模糊控制算法引入到舵機(jī)的控制系統(tǒng)構(gòu)成了智能模糊PID控制系統(tǒng)，利用模糊控制的規(guī)則自適應(yīng)在線去修改PID參數(shù)，構(gòu)成模糊自整定，通過(guò)控制舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，以最短的時(shí)間完成角度的調(diào)節(jié)，借此提高其控制效率。

基于模糊PID控制算法［11］，以單片機(jī)為主體，構(gòu)成一個(gè)能處理較復(fù)雜數(shù)據(jù)和控制功能的智能控制器。該控制器控制精度高，具有較高的靈活性和可靠性。

模糊自整定PID算法程序的總流程為:首先模糊整定，然后就可以根據(jù)誤差和誤差變化率來(lái)對(duì)PID的3個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線的調(diào)整，把經(jīng)過(guò)模糊調(diào)整后的PID參數(shù)作為最終的控制參數(shù)來(lái)進(jìn)行PID控制(見圖3)。

圖3 模糊PID控制流程Fig.3 The process of fuzzy PID control

在以計(jì)算機(jī)為核心的離散性控制系統(tǒng)中，PID控制利用差分方程表示，即

式中u(k)——第k次采樣時(shí)的輸出;

e(k)——第k次采樣時(shí)的偏差;

T——采樣間隔。

在公式(1)中，令

則有

公式(2)被稱為數(shù)字PID控制器的位置式算式。其輸出的控制量u(k)對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)輸出Y(位置)，是全量輸出。系統(tǒng)框圖如圖(4)。

圖4 位置式PID算式Fig.4 Position type PID algorithm

由于公式(2)的第二項(xiàng)計(jì)算過(guò)于復(fù)雜，一般采用增量式的PID算式。即

增量式的算法只輸出控制量的增量Δu(k)。在實(shí)際控制算法中，采用公式(3)進(jìn)行PID的調(diào)節(jié)。

第n次的輸出u0(n)等于第n次比例項(xiàng)與0到n次積分項(xiàng)的和與第［n－(n－1)］次的微分項(xiàng)的總和。

在紅外線自動(dòng)水龍頭系統(tǒng)中，通過(guò)使用Matlab中simulink模塊對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真［12］，系統(tǒng)為隨動(dòng)系統(tǒng)，人手距離水龍頭的距離為輸入信號(hào)，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度即閥門開啟的大小為輸出信號(hào)，根據(jù)模糊PID理論，對(duì)所用參數(shù)進(jìn)行調(diào)整得到如圖(5)所示的“舵機(jī)角度——人手與水龍頭距離曲線”。通過(guò)曲線可以看出，當(dāng)距離小于20 cm時(shí)，舵機(jī)調(diào)度為0°;當(dāng)在20～50 cm時(shí)，與圖(1)中紅外線輸出的電壓信號(hào)相反，隨著距離增加，水龍頭角度增加即開度變大至90°;當(dāng)距離大于50 cm時(shí)，手不在考慮范圍內(nèi)，所以角度變?yōu)榱?，水龍頭關(guān)閉。通過(guò)仿真更直觀清晰的觀察水龍頭的轉(zhuǎn)動(dòng)特性。

圖5 舵機(jī)角度——人手與水龍頭距離曲線Fig.5 The angle of teering engine——The distance of Hands and faucet curve

由此我們可知，根據(jù)單片機(jī)檢測(cè)到的紅外線測(cè)距傳感器的信號(hào)進(jìn)行分析，通過(guò)PID控制其角度［13］，可以使舵機(jī)快速穩(wěn)定的轉(zhuǎn)到我們所需要的角度，然后達(dá)到預(yù)期的目的［14］。為此我們根據(jù)要求我們做了一個(gè)水龍頭進(jìn)行試驗(yàn)，如圖(6)所示，從自動(dòng)水龍頭控制的實(shí)際效果來(lái)看，具有較好的動(dòng)態(tài)特性、比較理想的穩(wěn)態(tài)品質(zhì)和系統(tǒng)的抗干擾能力增強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)針對(duì)于市場(chǎng)上出現(xiàn)的問(wèn)題也將會(huì)做更好改善和提高［15］。

圖6 紅外線感應(yīng)水龍頭實(shí)物Fig.6 The physical of Infrared induction faucet

4 結(jié)論

流量可控式紅外線感應(yīng)自動(dòng)水龍頭控制模塊設(shè)計(jì)，采用單片機(jī)通過(guò)紅外線檢測(cè)到的信號(hào)來(lái)控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)水龍頭開關(guān)，并采用模糊PID控制算法，在常規(guī)PID控制的基礎(chǔ)上加以模糊調(diào)整，并針對(duì)不同的位置采取相應(yīng)的控制。模糊PID算法可以不需要精確的數(shù)學(xué)模型，使系統(tǒng)具有模糊控制的靈活性和適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又具有PID控制精度高的優(yōu)勢(shì)。在節(jié)能方面具有較大的優(yōu)勢(shì)和使用價(jià)值。

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