感應(yīng)水龍頭設(shè)計(jì)思路研究

密金榮

摘 要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們生活水平不斷提高，在建筑節(jié)能領(lǐng)域中，對(duì)感應(yīng)水龍頭的研究與應(yīng)用越來(lái)越廣泛。通過(guò)對(duì)感應(yīng)水龍頭的應(yīng)用，能夠有效解決水資源，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)?；诖?，文章針對(duì)一種紅外線流量可控式水龍頭的設(shè)計(jì)展開(kāi)研究與探討，簡(jiǎn)單介紹了其工作原理，對(duì)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)加以描述與分析，闡述了系統(tǒng)應(yīng)用到的模糊PID控制算法理論，并結(jié)合公式與圖形對(duì)該感應(yīng)水龍頭設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的分析。

關(guān)鍵詞：感應(yīng)水龍頭；節(jié)能；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TV213.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）05-0013-02

隨著人們生活水平不斷提高，節(jié)能環(huán)保意識(shí)也在不斷提升。目前，很多人在日常生活中會(huì)存在忘記關(guān)水龍頭的情況，進(jìn)而導(dǎo)致水資源的浪費(fèi)。針對(duì)這一情況，研究人員設(shè)計(jì)出一種紅外感應(yīng)自動(dòng)水龍頭，這種科技產(chǎn)品在節(jié)能建筑中有著巨大的應(yīng)用價(jià)值，能夠有效減少能耗，節(jié)約水資源。當(dāng)然，這種水龍頭也存在一定的缺陷與不足，需要針對(duì)這些不足與缺陷展開(kāi)深入的研究，并提出有效的改進(jìn)措施，使問(wèn)題得到解決，并在建筑節(jié)能領(lǐng)域中得到更加充分的應(yīng)用與發(fā)揮。

1 系統(tǒng)工作原理

本文介紹的感應(yīng)水龍頭采用的是SHARP紅外線傳感器，根據(jù)人手與水龍頭之間的距離進(jìn)行檢測(cè)。該檢測(cè)元件的工作原理對(duì)紅外線加以利用，一旦在一定距離內(nèi)遇到障礙物，就會(huì)反射不同強(qiáng)度的紅外線，并檢測(cè)障礙物距離，以此實(shí)現(xiàn)控制的目的。紅外線測(cè)距傳感器主要由一對(duì)紅外信號(hào)發(fā)射與接收二極管構(gòu)成，在工作中發(fā)射管會(huì)針對(duì)一定頻率的紅外信號(hào)進(jìn)行發(fā)射，而接收管則對(duì)這一頻率的信號(hào)進(jìn)行接收，一旦障礙物出現(xiàn)在檢測(cè)方向，那么紅外信號(hào)將會(huì)進(jìn)行發(fā)射，并通過(guò)接收管接收并處理，最后利用數(shù)字傳感器接口向單片機(jī)發(fā)送，最終進(jìn)行一系列控制處理。這種紅外線傳感器對(duì)硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，使開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)成本得到了有效控制，并且其具有簡(jiǎn)單的編程，修改的工作量也相對(duì)較小[1]。

在檢測(cè)距離的過(guò)程中，人伸手的距離會(huì)通過(guò)紅外線測(cè)距傳感器進(jìn)行檢測(cè)，并將相應(yīng)的電壓信號(hào)通過(guò)輸出端輸出，因?yàn)镾TC系列的單片機(jī)內(nèi)部自帶A/D轉(zhuǎn)換，因此，可以直接分析傳感器的電壓信號(hào)，然后根據(jù)分析結(jié)果采取一定的處理措施。紅外線測(cè)距傳感器輸出曲線圖，如圖1所示。

根據(jù)圖1可以看出，在一定區(qū)間內(nèi)距離與輸出電壓呈一定的線性關(guān)系，因此在程序中，可以對(duì)工作范圍設(shè)定在一定的范圍內(nèi)，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)誤差的有效控制，并使水龍頭的工作精確度得以有效提高。

將HD-1501MG系列的舵機(jī)作為輸出裝置，其具有較小的體型，工作原理為通過(guò)接收機(jī)通道將控制信號(hào)引入信號(hào)調(diào)制芯片，實(shí)現(xiàn)直流偏置電壓的獲取。其內(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)，通過(guò)直流偏置電壓與電位器電壓的對(duì)比，實(shí)現(xiàn)電壓差輸出的獲取。

最后，根據(jù)電壓差，實(shí)現(xiàn)芯片受電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，并對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向進(jìn)行確定。當(dāng)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后，利用級(jí)聯(lián)減速齒輪，使電位器旋轉(zhuǎn)得以帶動(dòng)，使電壓差保持為0，并使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)停止。舵機(jī)控制信號(hào)其實(shí)就是PWM信號(hào)，通過(guò)對(duì)占空比，實(shí)現(xiàn)舵機(jī)位置的改變[2]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

2.1 低負(fù)荷使用原則

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，盡量減少水龍頭使用者無(wú)謂的動(dòng)作，是設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)考慮的重要原則。

任何產(chǎn)品的設(shè)計(jì)都要站在使用者的生理和心理角度去考慮，讓使用者感到高效、舒適，能以一種自然的狀態(tài)使用產(chǎn)品，充分體現(xiàn)設(shè)計(jì)的人性化。

具體包括：減少使用者的重復(fù)動(dòng)作次數(shù)；減少使用者持續(xù)性體力負(fù)荷；根據(jù)使用者條件的不同確保使用者處于自然裝填。這樣的設(shè)計(jì)對(duì)所有人來(lái)說(shuō)都是有益的。因此設(shè)計(jì)師應(yīng)秉承這種設(shè)計(jì)理念，認(rèn)真思考設(shè)計(jì)問(wèn)題。如：掀壓式的龍頭比螺旋式的更加省力，更有利于弱勢(shì)群體和大眾的使用等。

2.2 經(jīng)濟(jì)耐用原則

首先是使用的耐久性設(shè)計(jì)，良好的產(chǎn)品性能是購(gòu)買者安心、貼心使用的保障，水龍頭作為人們?nèi)粘Ｋ璧挠闷罚瑧?yīng)盡量避免由于零件引起的故障的可能性，確保產(chǎn)品經(jīng)久耐用，設(shè)計(jì)時(shí)力求簡(jiǎn)約化，并滿足人們長(zhǎng)時(shí)間使用的需求。

其次是低成本設(shè)計(jì)。水龍頭產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)符合通用設(shè)計(jì)理念，主要體現(xiàn)在產(chǎn)品的使用公平性和價(jià)格公平性。如果設(shè)計(jì)成本較高，就會(huì)造成產(chǎn)品的市場(chǎng)面較窄，甚至成為富人的專屬，難以實(shí)現(xiàn)水龍頭產(chǎn)品大規(guī)模生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。尤其是在人們?nèi)找孀非笊钇焚|(zhì)的年代，水龍頭產(chǎn)品也趨向于智能化，這就能要求設(shè)計(jì)師要注重簡(jiǎn)單質(zhì)樸的設(shè)計(jì)，華而不實(shí)的產(chǎn)品最終會(huì)被淘汰，而且也不利于資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的建設(shè)。

2.3 增進(jìn)節(jié)水意識(shí)

水資源的日益匱乏是我國(guó)面臨的長(zhǎng)期困境，由此節(jié)約用水成為了當(dāng)前刻不容緩的措施。水龍頭產(chǎn)品的設(shè)計(jì)如果忽略了這一問(wèn)題，不遵循這一標(biāo)準(zhǔn)，就不會(huì)被人們所接受。并且水龍頭作為重要的節(jié)水器具，啟發(fā)大眾的節(jié)水意識(shí)，讓使用者在使用過(guò)程中無(wú)意識(shí)的培養(yǎng)節(jié)水習(xí)慣，是設(shè)計(jì)師義不容辭的責(zé)任。如某感應(yīng)水龍頭一次性只出一公升的水，足夠一個(gè)人快速洗一次手，相比較普通水龍頭每次可節(jié)約將近六公升的水，極大的提高了人們節(jié)水意識(shí)。

3 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)涉及到的模塊比較多，主要有單片機(jī)主控、路徑信息采集模塊、電源模塊、接口擴(kuò)展模塊以及舵機(jī)等等。具體硬件設(shè)計(jì)圖，如圖2所示。

單片機(jī)型號(hào)采用STC12C5608AD系列，這類芯片的應(yīng)用較為廣泛，并且具有相對(duì)簡(jiǎn)單的編程，成本相對(duì)低廉，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

4 模糊PID控制算法理論

PID指的是積分-微分控制，這種算法具有較高的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。閉環(huán)控制系統(tǒng)主要為了實(shí)現(xiàn)對(duì)命令的快速響應(yīng)，并且盡量控制誤差。在實(shí)驗(yàn)中，為了確保舵機(jī)旋轉(zhuǎn)位置的準(zhǔn)確性與快速性，由于PID控制的成熟度較高，實(shí)現(xiàn)難度相對(duì)較低，同時(shí)能夠使穩(wěn)態(tài)誤差得到有效控制，因此能夠基本滿足系統(tǒng)性能需求。然而其穩(wěn)定性也存在一定的影響因素，需要根據(jù)參數(shù)進(jìn)行細(xì)致分析。相比于PID控制，模糊控制的優(yōu)勢(shì)十分突出，在超調(diào)量方面能夠保持較小的值，并且具有較大的快速性。然而就理論而言，模糊控制在很多方面仍有待完善，并且其具有相對(duì)復(fù)雜的算法，在控制過(guò)程中穩(wěn)態(tài)誤差出現(xiàn)的可能性較大。

因此，在舵機(jī)的控制系統(tǒng)中引入模糊控制算法，實(shí)現(xiàn)智能模糊PID控制系統(tǒng)的構(gòu)建是具有一定可行性的，通過(guò)模糊控制自適應(yīng)，實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的在線修改，并完成模糊自整定的構(gòu)成，為了實(shí)現(xiàn)快速的角度調(diào)節(jié)，可以對(duì)舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行控制，使控制效率得以有效提高[3]。

建立在應(yīng)用模糊PID控制算法的基礎(chǔ)之上，采用單片機(jī)的主體，實(shí)現(xiàn)智能控制器的構(gòu)建，通過(guò)其完成復(fù)雜數(shù)據(jù)的處理與控制。這一控制器在精確度、可靠性以及靈活性方面都具有一定的優(yōu)勢(shì)。關(guān)于模糊自整定PID算法程序的總流程，如圖3所示。

在離散性控制系統(tǒng)中，采用計(jì)算機(jī)的核心設(shè)備，并通過(guò)差分方程式表示PID控制，如下：

u（k）=Kpe（k）+■■e（j）T+T■■

其中，u（k）代表第k次采樣時(shí)的輸出，e（k）代表第k次采樣時(shí)的偏差，并由T代表采樣間隔。根據(jù)上式可以得出數(shù)字PID控制器的位置式算法：

u（k）=Kpe（k）+KiT■e（j）+■？駐e（k）

式中，輸出的控制量u（k）與系統(tǒng)輸出Y（位置）相對(duì)應(yīng)，代表全量輸出。系統(tǒng)框圖，如圖4所示。

第二個(gè)公式的計(jì)算的復(fù)雜程度較高，通常情況下會(huì)由增量式的PID算式代替計(jì)算，即：

u（k）=Kp？駐e（k）+KiTe（k）+Kd■

該式的算法只對(duì)控制量的增量進(jìn)行輸出。在實(shí)際控制算法中，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)PID的調(diào)節(jié)，同城采用上式。在紅外線自動(dòng)水龍頭系統(tǒng)中，仿真采用Matlab中的simulink模塊，系統(tǒng)具有隨動(dòng)性，輸入信號(hào)為人手與水龍頭的距離，閥門開(kāi)啟的大小代表舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，并作為輸出信號(hào)。通過(guò)模糊PID理論可知，可以調(diào)整所用參數(shù)，并繪制出人手與水龍頭距離曲線圖，如圖5所示。

根據(jù)上圖可以得知，在一定距離內(nèi)，舵機(jī)調(diào)度與距離呈正比例關(guān)系，因此在進(jìn)行水龍頭系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，只對(duì)特定范圍進(jìn)行考慮，一旦手超出一定距離，水龍頭將會(huì)關(guān)閉。根據(jù)仿真，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水龍頭轉(zhuǎn)動(dòng)特性的清晰、直觀的觀察[4]。

由此可見(jiàn)，通過(guò)分析單片機(jī)檢測(cè)到的紅外線測(cè)距傳感器信號(hào)，利用PID對(duì)角度進(jìn)行控制，能夠使舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)具有快速性、準(zhǔn)確性以及穩(wěn)定性。據(jù)此，需要根據(jù)實(shí)際進(jìn)行一定的水龍頭試驗(yàn)是非常必要的。在試驗(yàn)中，根據(jù)自動(dòng)水龍頭控制的實(shí)際效果，可以得出其在動(dòng)態(tài)特性、穩(wěn)定性以及抗干擾能力都具有一定的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然，在市場(chǎng)中不可避免會(huì)出現(xiàn)一系列問(wèn)題，需要我們針對(duì)這些問(wèn)題提出有效措施予以改進(jìn)，使紅外線感應(yīng)水龍頭系統(tǒng)得到優(yōu)化，發(fā)揮出更大的作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源的有效控制與節(jié)約。

5 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，紅外線流量可控式感應(yīng)水龍頭在建筑節(jié)能領(lǐng)域中的應(yīng)用是具有一定的可靠性的。通過(guò)對(duì)其設(shè)計(jì)的分析與探討，可以得知這種感應(yīng)水龍頭采用模糊PID算法，系統(tǒng)整體的靈活性與適應(yīng)性都具有一定的優(yōu)勢(shì)，并且控制精度高，能夠有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目的。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，相信對(duì)感應(yīng)水龍頭的研究將會(huì)越來(lái)越深入，并且對(duì)于這種紅外線流量可控式感應(yīng)水龍頭而言，其中存在的缺陷與不足將會(huì)得到改進(jìn)與彌補(bǔ)，在未來(lái)建筑節(jié)能領(lǐng)域中，將會(huì)具有巨大的應(yīng)用前景與發(fā)展控制。

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