基于單片機(jī)的生物菌群環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭曉鳳，李俊嬌，權(quán)海平，盧克

（南京機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京，211306）

0 引言

《中共中央 國(guó)務(wù)院關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》中指出，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和，是以習(xí)近平同志為核心的黨中央統(tǒng)籌國(guó)內(nèi)國(guó)際兩個(gè)大局作出的重大戰(zhàn)略決策，是著力解決資源環(huán)境約束突出問題、實(shí)現(xiàn)中華民族永續(xù)發(fā)展的必然選擇，是構(gòu)建人類命運(yùn)共同體的莊嚴(yán)承諾。要深入貫徹習(xí)近平生態(tài)文明思想，立足新發(fā)展階段，貫徹新發(fā)展理念，構(gòu)建新發(fā)展格局，堅(jiān)持系統(tǒng)觀念，處理好發(fā)展和減排、加快形成節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的生活方式，其中“廁所革命”是一項(xiàng)重要工作。可生物降解智能馬桶的開發(fā)使用是實(shí)現(xiàn)“廁所革命”的重要舉措?？缮锝到庵悄荞R桶是電子技術(shù)與生物技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)品，要保障可生物降解智能馬桶實(shí)現(xiàn)地上衛(wèi)生化、地下無害化、使用方便化的功能，為生物菌群提供適宜的培植環(huán)境是關(guān)鍵，為此本文以單片機(jī)技術(shù)為核心，應(yīng)用STC89S52 單片機(jī)為核心控制芯片，開發(fā)了“可生物降解智能馬桶的生物菌群環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)”，為生物菌群培植環(huán)境保駕護(hù)航，助力智能化的廁所改造與新建[1]。

1 基于STC89S52 單片機(jī)的生物菌群環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件電路由STC89S52 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、自動(dòng)感應(yīng)電路、溫濕度采集與轉(zhuǎn)換電路、菌群攪拌電路、加熱升溫電路、風(fēng)扇降溫電路、工作狀態(tài)顯示電路、WiFi 模塊電路和電源電路組成[2]，系統(tǒng)框圖如圖1 所示。實(shí)現(xiàn)的功能為：溫濕度傳感器實(shí)時(shí)采集環(huán)境溫濕度，當(dāng)溫濕度處于生物菌群培植的正常范圍內(nèi)時(shí)，為了保障生物菌群的活性，每隔10 分鐘，菌群攪拌1 分鐘；當(dāng)溫濕度低于生物菌群培植的溫濕度設(shè)定范圍值時(shí)，加熱絲升溫電路啟動(dòng)工作；當(dāng)溫濕度高于生物菌群培植的溫濕度設(shè)定范圍值時(shí)，風(fēng)扇降溫電路啟動(dòng)，同時(shí)菌群攪拌電路也開始攪拌；當(dāng)有人來使用時(shí)，馬桶蓋自動(dòng)打開，攪拌停止；當(dāng)人離開時(shí)，馬桶蓋自動(dòng)關(guān)閉。

圖1 硬件電路系統(tǒng)框圖

1.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路構(gòu)成

硬件電路系統(tǒng)原理圖如圖2 所示。SCT89C52 單片機(jī)的最小系統(tǒng)如圖2 中最小系統(tǒng)電路所示，整個(gè)最小系統(tǒng)由四個(gè)部分組成，時(shí)鐘電路部分、復(fù)位電路部分、EA 拉高四部分組成。

圖2 可生物降解智能馬桶生物菌群環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)原理圖

時(shí)鐘電路產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)是整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)工作的時(shí)間基礎(chǔ)。直接影響單片機(jī)的工作速度，頻率過快超負(fù)荷、過慢效率低。時(shí)鐘電路包括2 個(gè)30pF 的電容C2 和C3，以及11.0592M 的晶振X1。電容的作用在這里是起振作用，幫助晶振更容易地起振，取值范圍是15~33pF。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，只要不超過最高頻率即可，晶振頻率一般取1.2MHz~12MHz。

單片機(jī)復(fù)位電路就好比電腦的重啟部分，當(dāng)電腦在使用中出現(xiàn)死機(jī)，按下重啟按鈕電腦內(nèi)部的程序從頭開始執(zhí)行。單片機(jī)也一樣，當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行中，受到環(huán)境干擾出現(xiàn)程序跑飛的時(shí)候，按下復(fù)位按鈕內(nèi)部的程序自動(dòng)從頭開始執(zhí)行。

復(fù)位電路由10μF的極性電容C1和10k的電阻R5構(gòu)成。利用電容電壓不能突變的性質(zhì)，可以知道，當(dāng)系統(tǒng)一上電，RESET 腳將會(huì)出現(xiàn)高電平，并且這個(gè)高電平持續(xù)的時(shí)間由電路的RC 值來決定。典型的51 單片機(jī)當(dāng)RESET 腳的高電平持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上就將復(fù)位，所以適當(dāng)組合RC 的取值就可以保證可靠的復(fù)位。

特別注意的是，對(duì)于31 腳(EA)，當(dāng)接高電平時(shí)，單片機(jī)在復(fù)位后從內(nèi)部ROM 的0000H 開始執(zhí)行；當(dāng)接低電平時(shí)，復(fù)位后直接從外部ROM 的0000H 開始執(zhí)行。由于我們的程序存儲(chǔ)在了單片機(jī)內(nèi)部，所以EA 要接高電平，保證單片機(jī)是從內(nèi)部讀取程序去執(zhí)行的。

1.2 溫濕度調(diào)控電路構(gòu)成

溫濕度調(diào)控電路主要由溫濕度采集與轉(zhuǎn)換電路、電熱絲加熱升溫電路、菌群攪拌降溫電路和風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)降溫電路組成，如圖2 傳感器模塊和執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊所示。

其中溫濕度采集與轉(zhuǎn)換電路由DHT11 溫濕度傳感器模塊及10kΩ 的上拉電阻構(gòu)成，數(shù)據(jù)總線接入單片機(jī)的I/O 端口。選用DHT11 作為溫濕度檢測(cè)模塊。DHT11 是一款數(shù)字輸出的復(fù)合傳感器，包含一個(gè)電阻式干事元件和NTC 式溫度檢測(cè)元件，可測(cè)20%~90%RH 濕度，誤差為±5%RH，0℃~50℃，誤差范圍±2℃。其功能是實(shí)時(shí)采集生物菌群的環(huán)境溫度，依據(jù)采集數(shù)據(jù)判斷生物菌群培植環(huán)境是需要升溫調(diào)整或降溫調(diào)整[3]。

電熱絲加熱升溫電路是對(duì)生物菌群培植環(huán)境進(jìn)行加溫控制的，當(dāng)采集的環(huán)境溫濕度低于生物菌群培植所需的溫濕度值時(shí)，該電路啟動(dòng)工作。同時(shí)也可以拓展電熱絲加熱升溫電路功能，即在馬桶圈上也可以放置電熱絲加熱升溫電路，當(dāng)冬季環(huán)境溫度較低時(shí)，可以啟動(dòng)工作，使馬桶圈處于溫?zé)釥顟B(tài)，提高智能馬桶的使用舒適度。

菌群攪拌電路一是定時(shí)攪拌保障菌群的活性、二是使用后攪拌保障排泄物充分溶解、三是降溫?cái)嚢栎o助降低生物菌群培植環(huán)境溫度。攪拌電路由ULN2003 驅(qū)動(dòng)模塊和4 相5線5V 步進(jìn)電機(jī)組成。

風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)降溫電路是由1 路5V 繼電器模塊驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)，此項(xiàng)目中采用的是高電平觸發(fā)，可以根據(jù)需要變換為低電平觸發(fā)。其功能是當(dāng)采集的環(huán)境溫濕度高于生物菌群培植所需的溫濕度值時(shí)，單片機(jī)發(fā)送高電平觸發(fā)信號(hào)，繼電器吸合，風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)降溫，圖2 中風(fēng)扇用電機(jī)代替仿真運(yùn)行時(shí)方便觀測(cè)運(yùn)轉(zhuǎn)情況。風(fēng)扇電路也可以拓展增加攪拌排泄物同時(shí)啟動(dòng)風(fēng)扇工作，促使空氣快速流動(dòng)。

1.3 自動(dòng)感應(yīng)電路設(shè)計(jì)

自動(dòng)感應(yīng)電路由HC—SR505 人體感應(yīng)模塊、舵機(jī)和輔助的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，如圖3 傳感器模塊部分所示。其功能是當(dāng)有人來使用時(shí)，馬桶蓋自動(dòng)打開，當(dāng)人離開時(shí)，馬桶蓋自動(dòng)關(guān)閉。電路設(shè)計(jì)時(shí)要注意舵機(jī)的選擇，如果選擇的舵機(jī)工作扭矩較小，人來時(shí)不能自動(dòng)打開馬桶蓋，舵機(jī)工作扭矩較大，浪費(fèi)資源，要求供電電壓較大，本項(xiàng)目選擇的舵機(jī)為MG90，其工作扭矩為2.0Kg，供電電壓為4.8V。這里還可以進(jìn)行電路優(yōu)化，把自動(dòng)感應(yīng)電路中的舵機(jī)用攪拌電路中的步進(jìn)電機(jī)代替，可以減少項(xiàng)目中的元器件種類，但是機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)較復(fù)雜。

圖3 LCD 顯示工作狀態(tài)圖片

1.4 狀態(tài)顯示電路設(shè)計(jì)

狀態(tài)顯示電路是應(yīng)用LCD1602 液態(tài)晶體顯示器顯示智能馬桶當(dāng)前的工作狀態(tài)，部分工作狀態(tài)顯示圖片如圖3 所示?？筛鶕?jù)實(shí)際需求設(shè)置顯示狀態(tài)，顯示狀態(tài)及其對(duì)應(yīng)的功能說明如表1 所示。

表1 顯示狀態(tài)及其對(duì)應(yīng)的功能說明表

1.5 WiFi 模塊電路設(shè)計(jì)

無線通信模塊電路由ESP8266 WiFi 模塊構(gòu)成[4]，如圖2 中無線通信模塊電路所示，其功能是使智能馬桶的工作狀態(tài)上傳PC 機(jī)，方便對(duì)智能馬桶的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過數(shù)據(jù)收集方便產(chǎn)品的檢測(cè)、維護(hù)，也方便產(chǎn)品的投產(chǎn)和使用。本項(xiàng)目作為教學(xué)項(xiàng)目，可應(yīng)用ESP8266 WiFi 模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其外圍電路簡(jiǎn)單，工作溫度范圍大、低功耗、集成度高、支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) (RTOS) 和 Wi-Fi 協(xié)議棧等特性。如果產(chǎn)品分布范圍較廣，而且要支持手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備監(jiān)測(cè)產(chǎn)品工作狀態(tài)，可以應(yīng)用LTEUECategory1，借助物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行無線連接。

2 基于STC89S52 單片機(jī)的生物菌群環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)軟件開發(fā)環(huán)境采用的是Keil μVision5 軟件[5]。針對(duì)本系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)，編寫了溫濕度傳感器、電機(jī)、液晶顯示3 個(gè)頭文件函數(shù)和1個(gè)主函數(shù)。

程序正常運(yùn)行時(shí)溫濕度傳感器采集生物菌群培植環(huán)境溫濕度，電機(jī)每隔10 分鐘攪拌菌群1 分鐘，人來馬桶蓋開，攪拌停止，人走馬桶蓋關(guān)，攪拌正常運(yùn)行，無論馬桶蓋開還是關(guān)，升溫和降溫電路均正常工作。

具體程序流程圖如圖4 所示。

圖4 程序設(shè)計(jì)流程圖

通過軟硬件聯(lián)合調(diào)試，可生物降解智能馬桶的工作狀態(tài)可以實(shí)時(shí)顯示；日常無人使用時(shí)，每隔30 分鐘，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)攪拌菌群2 分鐘，正轉(zhuǎn)1 分鐘，反轉(zhuǎn)1 分鐘；當(dāng)有人來使用時(shí)，人離馬桶30 厘米左右時(shí)，馬桶蓋自動(dòng)打開，電機(jī)停止攪拌；用完離開后，馬桶蓋自動(dòng)關(guān)閉，電機(jī)又開始轉(zhuǎn)動(dòng)攪拌菌群2分鐘；溫濕度傳感器實(shí)時(shí)采集環(huán)境溫濕度，設(shè)定正常溫度范圍為24℃~36℃，濕度范圍為20%rh~60%rh，當(dāng)溫濕度處于生物菌群培植的正常范圍內(nèi)時(shí)，溫濕度調(diào)控電路不工作，當(dāng)采集環(huán)境溫濕度低于設(shè)定范圍值時(shí)，啟動(dòng)加熱絲升溫，當(dāng)采集環(huán)境溫濕度高于設(shè)定范圍值時(shí)，啟動(dòng)風(fēng)扇降溫，同時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)攪拌菌群，加速降溫；智能馬桶的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給PC 機(jī)。所有測(cè)試數(shù)據(jù)都可以結(jié)合實(shí)際，通過程序進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 結(jié)束語

隨著國(guó)家對(duì)綠色低碳發(fā)展規(guī)劃引領(lǐng)，推動(dòng)人們加快形成綠色生產(chǎn)生活方式，本文所設(shè)計(jì)的基于STC89S52 單片機(jī)的生物菌群環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)，一方面可以使學(xué)生了解國(guó)家碳達(dá)峰碳中和的大政方針，給學(xué)生注入節(jié)能環(huán)保的理念，另一方面通過項(xiàng)目實(shí)施強(qiáng)化學(xué)生單片機(jī)知識(shí)的學(xué)習(xí)和技能訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)了生物菌群培植環(huán)境調(diào)控功能，而且通過WIFI 技術(shù)與菌群控制系統(tǒng)的融合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，使我們的生活方式和工作方式更加便捷化和智能化。