基于單片機(jī)控制的超感智能座便器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李麗霞，李潤金

（沈陽工程學(xué)院a.自動(dòng)化學(xué)院；b.電力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136）

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，更多的消費(fèi)者開始關(guān)注智能家居產(chǎn)品。智能座便器作為智能家居研究的前沿產(chǎn)品，更是成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。智能座便器起源于日本，日本72%的普及率和韓國45%的普及率成為智能馬桶全球第一和第二的消費(fèi)國及技術(shù)產(chǎn)品出口國。目前，中國智能座便器占所有產(chǎn)品的比例較低，主要是因?yàn)橹悄苄酒涂刂萍夹g(shù)都依靠進(jìn)口，產(chǎn)權(quán)受限，而穩(wěn)定的國產(chǎn)技術(shù)還有待開發(fā)［1］。

設(shè)計(jì)一款新型超感節(jié)能智能座便器，在原有座便器上增加紅外傳感器，實(shí)現(xiàn)有人使用時(shí)座便器接通電源正常工作，無人使用時(shí)座便器處于休眠狀態(tài)的功能，改變以往的座便器座圈始終加熱的常態(tài)，可以為每戶每年節(jié)約大量的電能［2］。

1 方案設(shè)計(jì)

以單片機(jī)為控制芯片，利用紅外光電傳感器檢測是否有物體通過，利用溫度傳感器檢測溫度的變化，利用控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)沖水和排風(fēng)功能。傳感器和電機(jī)的結(jié)合可以提高穩(wěn)定性和可靠性，達(dá)到節(jié)能降耗的效果。當(dāng)紅外光電傳感器檢測到有物體通過時(shí)，接通電源，然后溫度傳感器檢測溫度并使座便圈加熱，達(dá)到預(yù)設(shè)溫度時(shí)加熱燈熄滅；當(dāng)人離開時(shí)，首先控制電機(jī)進(jìn)行排水并延時(shí)一段時(shí)間，然后排風(fēng)，最后進(jìn)入休眠狀態(tài)，以此達(dá)到智能座便器全部功能［3］。檢測過程工作原理如圖1所示。

圖1 檢測過程工作原理

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路由單片機(jī)控制電路、傳感器檢測部分、液晶顯示部分和電機(jī)控制部分組成。

2.1 單片機(jī)控制電路模塊設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)控制電路時(shí)，以STC89C52 作為主控芯片，內(nèi)部實(shí)現(xiàn)紅外信號(hào)采集和溫度信息采集，將采集信號(hào)進(jìn)行處理，根據(jù)要實(shí)現(xiàn)的功能編寫程序，將結(jié)果輸出到執(zhí)行部件。P4和P5為紅外傳感器和溫度傳感器的輸入和輸出端口，P21-P24 為控制電機(jī)輸入、輸出端口，P14 為水泵輸入/輸出端口，P6 為風(fēng)扇輸入/輸出端口。單片機(jī)控制電路如圖2所示。

圖2 單片機(jī)控制電路

2.2 傳感器檢測電路部分

紅外光電傳感器內(nèi)部具有一對(duì)紅外線發(fā)射管和接受管，一定頻率的紅外線通過發(fā)射管發(fā)出，當(dāng)檢測方向出現(xiàn)物體（反射面）時(shí)，接收管接收反射回來的紅外線，同時(shí)信號(hào)輸出接口輸出數(shù)字信號(hào)（低電平信號(hào)）。紅外光電傳感器可通過電位器旋鈕調(diào)節(jié)檢測距離，有效距離最大為30 cm。該傳感器具有干擾小、便于安裝等特點(diǎn)［4］。傳感器輸出端口可直接與單片機(jī)IO 口連接，連接方式為OUT-IO，紅外光電傳感器檢測電路如圖3所示。

圖3 紅外檢測電路

溫度傳感器檢測溫度使座圈加熱并在LCD1602 上實(shí)時(shí)顯示溫度，也可以通過加熱燈的亮起和熄滅觀察溫度是否達(dá)到預(yù)設(shè)值。選取DS18B20 溫度傳感器可以直接從單通訊線上得到能量，除去對(duì)外部電源的需求，其具有一個(gè)可有高低電平觸發(fā)的不因電源消失而改變的報(bào)警功能，溫度檢測范圍為-55 ℃～125 ℃。檢測和顯示電路如圖4所示。

圖4 溫度檢測和顯示電路

2.3 控制電機(jī)電路部分

控制電機(jī)主要完成的功能是當(dāng)人離開時(shí)紅外檢測信號(hào)變成電信號(hào)，控制沖水及排風(fēng)。選取ULN2003 型號(hào)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，其具有耐高壓、大電流復(fù)合晶體管陣列，由7 個(gè)硅NPN 復(fù)合晶體管組成，每一對(duì)達(dá)林頓都串聯(lián)2.7 kΩ 的基極電阻，在5 V的工作電壓下，能與TTL 和CMOS 電路直接相連，可以直接處理原先需要用標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)［5］。ULN2003驅(qū)動(dòng)電機(jī)電路如圖5所示。

圖5 ULN2003驅(qū)動(dòng)電機(jī)電路

本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是如何使座便器更加節(jié)能降耗，同時(shí)對(duì)如何避免浪費(fèi)水資源也是重點(diǎn)研究內(nèi)容。因此，可以通過排泄物的重量分辨大小便來設(shè)計(jì)控制電路。大便狀態(tài)下進(jìn)行8 s 沖洗，小便狀態(tài)下沖洗3 s，通過這種方式會(huì)極大地減少水資源的浪費(fèi)［6-7］。選用HX-711型號(hào)的稱重精度傳感器，其基本工作原理是將物體應(yīng)變片緊緊粘貼后放到對(duì)壓力敏感的彈性元件上，彈性元件會(huì)產(chǎn)生溫度形變，將應(yīng)變片產(chǎn)生的相應(yīng)的溫度變化轉(zhuǎn)化為傳感電阻的相應(yīng)變化，再經(jīng)過測量數(shù)據(jù)處理得到實(shí)際重量。稱重傳感器測量的排泄物的重量與單片機(jī)程序中區(qū)分大小便設(shè)定的值相比較，然后實(shí)現(xiàn)在人離開之后運(yùn)行沖水、烘干等程序。測重電路原理如圖6所示。

圖6 測重原理

水泵和排風(fēng)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過單片機(jī)內(nèi)部程序編寫，單片機(jī)P14 端口輸出信號(hào)使水泵進(jìn)行工作，延時(shí)一段時(shí)間后，P6 端口輸出信號(hào)，風(fēng)扇開始工作。在水泵控制電路中需要串聯(lián)一個(gè)繼電器，繼電器有對(duì)被控電路實(shí)現(xiàn)“通”和“斷”控制的執(zhí)行作用，故而達(dá)到節(jié)水目的，還能實(shí)現(xiàn)電路的自動(dòng)調(diào)換以及安全保護(hù)作用。水泵和風(fēng)扇電路如圖7所示。

圖7 水泵控制和風(fēng)扇電路

3 軟件設(shè)計(jì)

利用Keil uVision5 開發(fā)環(huán)境進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，可以使用C 語言和單片機(jī)匯編語言進(jìn)行編程。系統(tǒng)軟件流程如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)軟件流程

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過軟件調(diào)試，向單片機(jī)中編寫程序以及在Proteus 平臺(tái)對(duì)電路進(jìn)行仿真，驗(yàn)證其結(jié)果的正確性和穩(wěn)定性［8-9］，如圖9 所示。當(dāng)電路發(fā)現(xiàn)問題時(shí)及時(shí)改正，多次驗(yàn)證后完成實(shí)物制作，通過串口通信向?qū)嵨飭纹瑱C(jī)燒寫程序，再次驗(yàn)證程序以及實(shí)物是否達(dá)到預(yù)期功能，從而達(dá)到調(diào)試目的。經(jīng)過多次驗(yàn)證，智能座便器可以很好地完成各部分功能。

圖9 系統(tǒng)仿真

5 結(jié)論

運(yùn)用硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)的結(jié)合，以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)出一個(gè)精度較高、穩(wěn)定性好、清潔節(jié)能的多功能超感智能座便器，詳細(xì)介紹了超感智能座便器在實(shí)現(xiàn)沖水、排風(fēng)、傳感器檢測等功能的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)。超感智能座便器硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，模塊化程序清晰，便于調(diào)節(jié)傳感器探測距離，系統(tǒng)整體反應(yīng)快速，能夠達(dá)到節(jié)能降耗的目的。但是，設(shè)計(jì)中仍有需要改進(jìn)的地方，如紅外傳感器易受環(huán)境的影響，在實(shí)際中需要做好傳感器定時(shí)檢查的工作。