基于流量控制和遙控配置的感應(yīng)沖水控制器*

于顯濤　吳勝舉　張 丹

(陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院　陜西 西安　710119)

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基于流量控制和遙控配置的感應(yīng)沖水控制器*

于顯濤吳勝舉張 丹

(陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院陜西 西安710119)

摘 要：現(xiàn)有的感應(yīng)沖水控制器使用紅外反射感應(yīng)原理，按時(shí)長沖水，浪費(fèi)水資源且沖洗效果無法保證．鑒于此，以單片機(jī)為核心研究了一種新型感應(yīng)沖水控制器，使用熱釋電紅外傳感器和超聲測距傳感器配合采集距離數(shù)據(jù)，霍爾流量傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測沖水量，紅外遙控器設(shè)置沖水器的運(yùn)行參數(shù)，能夠檢測潔具使用情況并自動控制沖水．該裝置進(jìn)一步提高了節(jié)水效益，并增強(qiáng)了感應(yīng)沖水控制器的易用性．

關(guān)鍵詞：單片機(jī)流量控制遙控節(jié)水

廁所潔具感應(yīng)沖水控制器具有自動控制、方便、衛(wèi)生等優(yōu)點(diǎn)，已在機(jī)場、車站、學(xué)校、寫字樓等公共場所廣泛使用．但是，經(jīng)過對目前常用廁所潔具感應(yīng)沖水控制器研究和市場上同類產(chǎn)品的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)目前的廁所潔具感應(yīng)沖水控制器由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的不足，在使用中出現(xiàn)諸多弊端，存在著靈敏度低、沖水量受水壓影響、缺乏理想的智能控制等問題，主要表現(xiàn)以下方面：

(1)目前的廁所潔具感應(yīng)沖水控制器采用主動式紅外感應(yīng)方法[1]，紅外二極管向前方發(fā)射紅外線，紅外接收管根據(jù)前方物體反射回紅外線的強(qiáng)度來判斷是否有人如廁．其工作時(shí)易受環(huán)境光線和使用者著裝影響，感應(yīng)準(zhǔn)確度不夠高．因此容易誤判而沖水，浪費(fèi)水資源．

(2)主動式紅外線感應(yīng)無法判斷前方物體的運(yùn)動狀況．如廁人流高峰期，由于人多擁擠，易誤判而沖水，造成水資源浪費(fèi)．另外，在空間狹小的衛(wèi)生間中，從感應(yīng)沖水控制器前面經(jīng)過的人反射回來的紅外線，也可能引起誤判而沖水．

(3)目前的小便斗感應(yīng)沖水控制器產(chǎn)品采用兩段式?jīng)_水，但沖水策略不夠完善，在使用者到來時(shí)和離開后均沖水，連續(xù)使用的情況下存在重復(fù)沖水問題，造成大量水資源浪費(fèi)．

(4)目前廁所潔具感應(yīng)沖水控制器均按時(shí)長沖水，由于水壓處于動態(tài)變化中，因此每段沖水量會隨水壓變化而變化，水壓低時(shí)沖水不足，水壓高時(shí)又會造成浪費(fèi)．

隨著經(jīng)濟(jì)社會的不斷發(fā)展，水資源短缺不斷加?。虼?，筆者對沖水器的控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，不但進(jìn)一步提高了節(jié)水效益，而且在成本有限增加的前提下，使其具備智能化、操控簡單的特點(diǎn)．

1設(shè)計(jì)思路

新型智能感應(yīng)沖水控制器的原理框圖如圖1所示.

圖1　新型智能感應(yīng)沖水控制器原理框圖

新設(shè)計(jì)的感應(yīng)沖水控制器以STC89C52RC單片機(jī)為控制核心，用來接收處理外部信息并控制各部件；應(yīng)用熱釋電紅外傳感技術(shù)[2]和超聲波測距技術(shù)改進(jìn)現(xiàn)有產(chǎn)品的數(shù)據(jù)采集性能；采用霍爾流量傳感器精確控制每段沖水的沖水量；配有一體化紅外接收頭和紅外遙控器，以實(shí)現(xiàn)更多拓展功能；采用相對節(jié)能的脈沖電磁閥控制水流通斷．在提高該感應(yīng)沖水控制器智能化水平的同時(shí)，增強(qiáng)了易用性和可操作性，并增加了人性化的新功能．

新型智能感應(yīng)沖水控制器具有以下功能特點(diǎn)：

(1)使用者到來時(shí)進(jìn)行第一段沖水，使用完畢離開后進(jìn)行第二段沖水；

(2)紅外遙控設(shè)置運(yùn)行參數(shù)；

(3)采用霍爾流量傳感器控制每段沖水量，每段沖水量由遙控器設(shè)置；

(4)可通過遙控器查詢當(dāng)日總耗水量，為合理設(shè)置每段沖水量提供參考；

(5)為保潔人員開發(fā)強(qiáng)制沖水功能，方便刷洗便器；

(6)根據(jù)使用頻率自動開啟/關(guān)閉第一段沖水，節(jié)約水資源；

(7)可用于蹲便器或小便斗，用于蹲便器時(shí)根據(jù)使用時(shí)長自動增減第二段沖水量；

(8)電磁閥損壞無法關(guān)閉時(shí)自動鳴響報(bào)警，提示維修；

(9)如在停水期間有人使用便器，來水后立即進(jìn)行補(bǔ)救性沖洗．

2設(shè)計(jì)原理

2.1數(shù)據(jù)采集部分

本感應(yīng)沖水控制器數(shù)據(jù)采集部分采用熱釋電紅外傳感器和超聲測距傳感器配合工作：熱釋電紅外傳感器用于檢測便器前方是否有人，若前方有人，則超聲測距傳感器啟動并測量前方人體的距離．

熱釋電紅外傳感器可檢測到人體發(fā)出的紅外線，并將其處理、放大，轉(zhuǎn)換為電信號輸出．其具有耗電量低、靈敏度高、壽命長的特點(diǎn)，正常工作電流在50 μA左右，可連續(xù)工作10年以上．當(dāng)有人來到感應(yīng)沖水控制器前方時(shí)，熱釋電紅外傳感器接收到人體發(fā)射的紅外輻射線后，鐵電體薄片極化強(qiáng)度降低，表面電荷失去平衡，從而在鐵電體兩端產(chǎn)生微弱的電壓，該微弱電壓經(jīng)過放大電路放大，由比較器進(jìn)行比較判斷后，在輸出端產(chǎn)生一個(gè)高電平輸出．該輸出信號經(jīng)過反相放大輸入單片機(jī)，從而控制超聲測距傳感器工作．

超聲測距傳感器用來采集使用者與沖水控制器之間的距離數(shù)據(jù)．超聲測距傳感器中超聲換能器的特殊形狀與其發(fā)射頻率相適應(yīng)，因而其發(fā)射的超聲波具有指向性強(qiáng)、能量衰減少的特點(diǎn)，適用于距離的測量[3]．本裝置采用渡越時(shí)間檢測法測距，如圖2所示.

圖2　超聲波測距時(shí)序圖

在超聲波測量系統(tǒng)中，如果頻率取得太低，外界的雜音干擾較多；而頻率取得太高，在傳播的過程中衰減較大．故在本裝置應(yīng)用超聲波測量中，使用 40 kHz 的超聲波．測距時(shí)首先由超聲波發(fā)射換能器向前方發(fā)出8個(gè)頻率為40 kHz的脈沖超聲波，并在發(fā)射時(shí)刻打開計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)．由于超聲測距傳感器中電聲換能器的壓電晶片是一個(gè)小圓片，根據(jù)聲學(xué)理論可知，壓電晶片受激勵振動時(shí)，離開超聲測距傳感器空間某一點(diǎn)的聲壓，是由壓電晶片上數(shù)量較多的點(diǎn)聲源輻射疊加形成的，由于不同相位干涉而具有指向性．當(dāng)輻射頻率對應(yīng)的波長大于振動聲源的尺寸時(shí)，指向性變得突出[4]．其中，指向性最強(qiáng)的為主瓣，其余的為旁瓣，如圖3所示．

圖3　超聲波指向性圖

旁瓣有可能對測量結(jié)果造成干擾，本文超聲測距模塊主要用于近距離測量，因此選用了發(fā)射功率較小的超聲換能器，旁瓣幾乎不會對測量結(jié)果造成影響[5]．

超聲波在空氣中向前方傳播，碰到物體被反射回來，超聲波接收換能器收到反射波立即停止計(jì)時(shí)并向單片機(jī)返回一個(gè)持續(xù)的高電平信號，這個(gè)高電平信號持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到接收所經(jīng)歷的總時(shí)間t．由于聲波在空氣介質(zhì)中的傳播速度

c=(331.4+0.607T) m/s

(1)

其中T為環(huán)境溫度．在測量精度要求不高的情況下可取340 m/s，所以前方物體距離s由下式確定

(2)

單片機(jī)根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距前方物體的距離s．由于使用空間的某些結(jié)構(gòu)對超聲波的反射或測量電路器件性能偏差等原因，可能導(dǎo)致某次測量結(jié)果大幅偏離準(zhǔn)確值．單片機(jī)根據(jù)圖4所示的流程，每次測量均連續(xù)采集多次距離數(shù)據(jù)，通過軟件方法去掉偏差較大的數(shù)據(jù)，然后對剩余數(shù)據(jù)取平均值，即得到一次測量數(shù)據(jù)[6]．重復(fù)以上步驟進(jìn)行連續(xù)測量，根據(jù)數(shù)據(jù)變化特征判斷使用者行為，進(jìn)而識別出從前方經(jīng)過的人和擁擠人群等易引起沖水器誤判沖水的非正常使用情形，通過減少誤判沖水，達(dá)到節(jié)約水資源的目的．

圖4　沖水器工作流程圖

新型智能感應(yīng)沖水控制器在無人使用時(shí)處于待機(jī)模式，此時(shí)只開啟熱釋電紅外傳感器而關(guān)閉超聲測距傳感器；當(dāng)有人靠近時(shí)，啟動超聲測距傳感器測量前方人體與沖水控制器之間的距離．這樣不僅可以節(jié)約電能，而且發(fā)揮了熱釋電紅外傳感器壽命長的優(yōu)點(diǎn)，減少了超聲測距傳感器的工作時(shí)長．可以有效延長其使用壽命，從而保證了整個(gè)感應(yīng)沖水控制器的使用壽命．

2.2流量控制部分

采用霍爾流量傳感器控制每段沖水量，可以有效彌補(bǔ)水壓變化帶來的影響，既能保證沖洗效果，又能杜絕不必要的水資源浪費(fèi)．霍爾流量傳感器主要由閥體、磁性水流轉(zhuǎn)子、穩(wěn)流組件和霍爾元件構(gòu)成．

當(dāng)水流過磁性轉(zhuǎn)子組件時(shí)，磁性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，并且轉(zhuǎn)速隨著流量成線性變化．磁性轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)動一周霍爾元件向單片機(jī)輸出一個(gè)脈沖信號，因?yàn)榇判赞D(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)動一周通過的水量為定值，因此單片機(jī)只需對脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)即可算出流過的總水量．

2.3電磁閥控制電路

圖5　電磁閥控制電路電氣原理圖

由于單片機(jī)輸出信號不足以控制電磁閥正常開啟/關(guān)閉，因此需要使用外部電路對單片機(jī)的輸出信號進(jìn)行放大．圖5中的電磁閥L通過4個(gè)三極管(Q4～Q7)形成功率放大的正負(fù)脈沖，以控制電磁閥開閉．其中二極管D1～D4起到保護(hù)電路的作用，防止脈沖結(jié)束時(shí)電磁閥產(chǎn)生的瞬時(shí)高壓對電路造成損害；R10和R11為限流電阻，防止基極電流過大損害單片機(jī)和三極管；R8，R9，R12，R13為上拉電阻，可以提高單片機(jī)的高電平輸出能力，防止三極管因基極電流過小而無法正常導(dǎo)通．

2.4紅外遙控控制及其設(shè)置

紅外遙控控制部分由一體化紅外接收頭和紅外遙控器組成,用以設(shè)定運(yùn)行參數(shù)、控制相關(guān)功能．一體化紅外接收頭未接收到紅外調(diào)制信號時(shí)輸出高電平，接受到紅外調(diào)制信號即輸出低電平，將其輸出端與單片機(jī)外部中斷0相連，不需電平轉(zhuǎn)換電路，即可在接收到紅外信號時(shí)觸發(fā)外部中斷0．

遙控裝置采用NEC編碼，其紅外遙控信號是采用脈寬調(diào)制的串行碼，以脈寬為0.565 ms，間隔為0.56 ms，周期為1.125 ms的組合表示二進(jìn)制的“0”；以脈寬為0.565 ms，間隔為1.685 ms，周期為2.25 ms的組合表示二進(jìn)制的“1”，因此信號是由不連續(xù)的紅外光傳遞，單片機(jī)根據(jù)一體化紅外接收頭的高、低電平持續(xù)時(shí)間來解調(diào)紅外遙控信號的內(nèi)容．而紅外遙控器上每個(gè)按鍵對應(yīng)一個(gè)固定的32位二進(jìn)制鍵碼，單片機(jī)根據(jù)解調(diào)得到的鍵碼即可判斷對應(yīng)的按鍵并執(zhí)行相應(yīng)的功能．

2.5顯示部分

本裝置顯示部分由4位共陰數(shù)碼管和限流電阻構(gòu)成，用來顯示沖水控制器的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)．若同時(shí)點(diǎn)亮4個(gè)數(shù)碼管分別顯示不同內(nèi)容，需要的控制端口已超出單片機(jī)所能提供的最大端口數(shù)，因此使用動態(tài)掃描的方式來顯示4位內(nèi)容．動態(tài)掃描顯示方式是利用了人眼的視覺暫留效應(yīng)，把4個(gè)數(shù)碼管按一定順序(從左至右或從右至左)依次點(diǎn)亮．當(dāng)點(diǎn)亮的頻率不大時(shí)，我們看到的是數(shù)碼管一個(gè)個(gè)地點(diǎn)亮，然而，當(dāng)點(diǎn)亮頻率足夠大時(shí)，我們將看到4位全部同時(shí)點(diǎn)亮．因此我們只要給數(shù)碼管一個(gè)較高掃描頻率，那么就可以使用12個(gè)單片機(jī)端口實(shí)現(xiàn)4個(gè)數(shù)碼管同時(shí)點(diǎn)亮．由于每個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)數(shù)碼管被點(diǎn)亮，因此動態(tài)掃描顯示比同時(shí)點(diǎn)亮4個(gè)數(shù)碼管節(jié)約75%的電能．

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1對距離與行為特征的實(shí)驗(yàn)

模擬正常使用情況、有人從前方經(jīng)過、前方人多擁擠等幾種易引起感應(yīng)沖水器誤判沖水的情形，獲得人體與沖水器間距離隨時(shí)間變化關(guān)系如圖6所示．

圖6　不同情形下前方人體距離與時(shí)間變化關(guān)系

圖6(a)、(b)為正常使用者距離與時(shí)間變化關(guān)系，其距離均由大減小，逐漸趨于穩(wěn)定；圖6(c)為沖水器前方擁擠人群距離與時(shí)間變化關(guān)系，其距離忽大忽小，變化幅度較大且無規(guī)律；圖6(d)為從沖水器前方經(jīng)過的人的距離與時(shí)間變化關(guān)系，其近距離數(shù)據(jù)只持續(xù)很短時(shí)間．由圖容易看出，不同情形下的數(shù)據(jù)具有不同的特點(diǎn)，提取這幾種使用情形的特征數(shù)據(jù)作為樣本，單片機(jī)將檢測到的距離數(shù)據(jù)與這些特征標(biāo)本比較，即可篩選出正常使用的情形，減少了誤判沖水動作，從而達(dá)到了節(jié)水的目的．

3.2對沖水策略與沖洗效果的研究

為了在保證沖洗效果的前提下減少耗水量，測試不同沖水策略的沖洗效果：

(1)使用前不沖水，使用后沖水5 L；

(2)使用前不沖水，使用后沖水10 L；

(3)使用前沖水1 L，使用后沖水4 L；

(4)使用前沖水2 L，使用后沖水4 L；

(5)使用前沖水1 L，使用后沖水5 L．實(shí)驗(yàn)獲得不同沖水效果見表1所示．

表1　沖水策略與沖洗效果關(guān)系

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，第一種沖洗策略沖洗效果不理想；第二種沖洗策略沖洗效果比第一種沖洗策略稍好，但效果仍然不理想且耗水較多；第三種、第四種、第五種沖洗策略沖洗效果較第一種、第二種沖洗策略有很大提升，后三種沖洗策略耗水量依次相差1 L，但沖洗效果基本相同，因此選擇第三種沖洗策略，以較少耗水量達(dá)到理想的沖洗效果．

3.3裝置機(jī)械及電氣性能

該裝置為暗裝式設(shè)計(jì)，上方進(jìn)水下方出水，水流路徑為：進(jìn)水口—霍爾流量傳感器—電磁閥—出水口；電源接口位于側(cè)面，配有外置電源變換器將220 V市電轉(zhuǎn)換為6 V直流電；前面板上方開孔安裝超聲測距傳感器、數(shù)碼管和一體化紅外接收頭，下方開孔安裝熱釋電紅外傳感器．

圖7　裝置整體圖片

該裝置熱釋電紅外感應(yīng)范圍為2～3 m；超聲測距范圍為0.02～4 m，測距精度為1 cm；裝置正常工作水壓范圍為0.1～0.6 MPa；電磁閥開閥時(shí)間小于150 ms,關(guān)閥時(shí)間小于500 ms;紅外遙控接收有效距離大于5 m；工作電壓為6 V DC．裝置整體圖片如圖7所示.

4結(jié)語

隨著經(jīng)濟(jì)社會的不斷發(fā)展，水資源短缺不斷加

劇，針對已有感應(yīng)沖水控制器在節(jié)水和智能化方面還有很大提升空間的現(xiàn)狀，本研究設(shè)計(jì)的智能廁所潔具感應(yīng)沖水控制器在較好地解決其不足的同時(shí)，增加了許多人性化新功能，因此具有廣闊的發(fā)展前景．

參 考 文 獻(xiàn)

1張江水. 兩款紅外線感應(yīng)潔具的電路.電子報(bào)，2011(48)：016

2孫華，李揚(yáng). 熱釋電紅外傳感器原理及其應(yīng)用.內(nèi)江科技，2010(012)：116

3張丹. 基于單片機(jī)控制的超聲測距系統(tǒng)的研究：[碩士論文].西安:陜西師范大學(xué)，2008

4杜功煥，龔秀芬，朱哲民. 聲學(xué)基礎(chǔ).南京：南京大學(xué)出版社，2001.344～351

5沈燕，高曉蓉，孫增友，等. 基于單片機(jī)的超聲波測距儀設(shè)計(jì).現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35(7)，126～129

6楊慶，陳桂明，董振旗. 一種改進(jìn)的高精度超聲測距方法研究.計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2010，20(12)：209～212

Induction Flushing Controller Based on Flow

Control and Remote Configuration

Yu XiantaoWu ShengjuZhang Dan

(College of Physics and Information Technology,Shaanxi Normal University,Xi’an,Shanxi710119)

Abstract:Existing sensor flushing controller uses infrared reflective induction principle,according to the length of time to control flushing, waste water and flushing effect can not be guaranteed. In view of this,This paper researched a new type induction flushing device based on MCU,which use the pyroelectric infrared sensors and ultrasonic distance sensor work togeher to collect range data,real-time monitoring of the Hall sensors of flushing water flow,infrared remote controller is used to set the run parameters of the device.The device can detect the use of sanitary and control flushing automatically.The apparatus further improve the water-saving benefits, and enhanced ease of using the induction flushing device.

Keywords:MCU;flow control;remote control;water saving

作者簡介：于顯濤(1994-)，男，在讀本科生．指導(dǎo)教師：吳勝舉(1955-)，男，教授，主要從事超聲學(xué)與電子技術(shù)方向的研究.

收稿日期：*陜西師范大學(xué)勤助科研創(chuàng)新基金，編號：QZZD14013