寧禮佳，郭婷婷，武志明，范長勝

(東北林業(yè)大學 機電工程學院，黑龍江 哈爾濱150040)

0 引言

紅外感應自動水龍頭是一項包含在建筑節(jié)能這個大概念中的科技產品，發(fā)達國家已經有經驗表明，建筑能耗總量約占社會總能耗的三分之一，最終將超越工業(yè)、交通等其它行業(yè)居于社會能源消耗的首位。建筑節(jié)能有利于促進科技進步，拉動內需，帶動產業(yè)化發(fā)展。實施建筑節(jié)能，既能產生強大的能源環(huán)境效益，而且有著巨大的經濟效益和社會效益，并潛在巨大的商機。同理對于其中的一個部分也是適用的，所以我們可以說紅外感應自動水龍頭的市場是巨大的，并且我們也是本著創(chuàng)造經濟利益和促進科技進步的目的來研究紅外感應自動水龍頭。現在市場的紅外線水龍頭都是開關量，只有開關兩種狀態(tài)［1］，我們設計的是可以根據手的距離改變水的流量，更符合節(jié)能的標準。

1 系統(tǒng)工作原理

采用SHARP紅外線測距傳感器作為人手距離水龍頭距離的檢測元件［2］，其工作原理是利用紅外信號遇到障礙物距離的不同反射的強度也不同的原理，進行障礙物遠近的檢測。紅外線測距傳感器具有一對紅外信號發(fā)射與接收二極管，發(fā)射管發(fā)射特定頻率的紅外信號，接收管接收這種頻率的紅外信號，當紅外線的檢測方向遇到障礙物時，紅外信號反射回來被接收管接收，經過處理之后，通過數字傳感器接口返回到單片機中［3］。用此類傳感器簡化了硬件設計，節(jié)約了開發(fā)和生產成本，另外采用此類傳感器編程簡單，易于修改。

在進行距離檢測時，紅外線測距傳感器檢測到人伸手的位置，并在輸出端輸出對應的電壓信號，由于STC系列的單片機內部自帶A/D轉換［4］，所以可以直接將傳感器輸出的電壓信號進行分析，并作出相應的處理。圖1是紅外線測距傳感器輸出曲線圖。從圖中來看，在10～50 cm之間時，隨著距離的增加，輸出電壓的減小近似線性，所以我們在程序中將設定其工作范圍為10～50 cm，除此范圍之外的檢測信號均為無效，這樣既可以減小檢測誤差，又提高了水龍頭的工作動作的精確度。

圖1 紅外線測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，其體型較小但失速轉矩為17 kg·cm，其工作原理是控制信號由接收機的通道進入信號調制芯片，獲得直流偏置電壓。它內部有一個基準電路，產生周期為20 ms，寬度為1.5 ms的基準信號，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，電壓差的正負輸出到電機驅動芯片決定電機的正反轉。當電機轉速一定時，通過級聯減速齒輪帶動電位器旋轉，使得電壓差為0，電機停止轉動。舵機的控制信號也就是PWM信號，利用占空比的變化改變舵機的位置［5］。

2 系統(tǒng)硬件設計

紅外線感應自動水龍頭系統(tǒng)的硬件設計主要由單片機主控、路徑信息采集模塊(紅外線測距傳感器)、舵機、電源模塊和接口擴展等模塊組成，如圖2所示［6］。選用STC12C5608AD單片機，該系列芯片平時較為常用而且編程簡單［7］，經濟實惠。

圖2 系統(tǒng)硬件總體結構框圖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)的首要任務就是要穩(wěn)定、快速、準確地去響應命令。實驗中，為了使舵機能快速、穩(wěn)定的旋轉到所需的位置，而PID控制因其成熟［8－9］，容易實現，并且具有可消除穩(wěn)態(tài)誤差的優(yōu)點，在大多數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的穩(wěn)定情況。而模糊控制在保持較小的超調量和快速性方面有著很大的自身優(yōu)勢，但其理論并不太完善，算法復雜，控制過程會存在一定的穩(wěn)態(tài)誤差［10］。所以將模糊控制算法引入到舵機的控制系統(tǒng)構成了智能模糊PID控制系統(tǒng)，利用模糊控制的規(guī)則自適應在線去修改PID參數，構成模糊自整定，通過控制舵機的旋轉角度，以最短的時間完成角度的調節(jié)，借此提高其控制效率。

基于模糊PID控制算法［11］，以單片機為主體，構成一個能處理較復雜數據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，然后就可以根據誤差和誤差變化率來對PID的3個參數進行在線的調整，把經過模糊調整后的PID參數作為最終的控制參數來進行PID控制(見圖3)。

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

在以計算機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次采樣時的輸出;

e(k)——第k次采樣時的偏差;

T——采樣間隔。

在公式(1)中，令

則有

公式(2)被稱為數字PID控制器的位置式算式。其輸出的控制量u(k)對應于系統(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)的第二項計算過于復雜，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)。在實際控制算法中，采用公式(3)進行PID的調節(jié)。

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

在紅外線自動水龍頭系統(tǒng)中，通過使用Matlab中simulink模塊對系統(tǒng)進行仿真［12］，系統(tǒng)為隨動系統(tǒng)，人手距離水龍頭的距離為輸入信號，舵機轉動的角度即閥門開啟的大小為輸出信號，根據模糊PID理論，對所用參數進行調整得到如圖(5)所示的“舵機角度——人手與水龍頭距離曲線”。通過曲線可以看出，當距離小于20 cm時，舵機調度為0°;當在20～50 cm時，與圖(1)中紅外線輸出的電壓信號相反，隨著距離增加，水龍頭角度增加即開度變大至90°;當距離大于50 cm時，手不在考慮范圍內，所以角度變?yōu)榱?，水龍頭關閉。通過仿真更直觀清晰的觀察水龍頭的轉動特性。

圖5 舵機角度——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，根據單片機檢測到的紅外線測距傳感器的信號進行分析，通過PID控制其角度［13］，可以使舵機快速穩(wěn)定的轉到我們所需要的角度，然后達到預期的目的［14］。為此我們根據要求我們做了一個水龍頭進行試驗，如圖(6)所示，從自動水龍頭控制的實際效果來看，具有較好的動態(tài)特性、比較理想的穩(wěn)態(tài)品質和系統(tǒng)的抗干擾能力增強等優(yōu)點。同時針對于市場上出現的問題也將會做更好改善和提高［15］。

圖6 紅外線感應水龍頭實物Fig.6 The physical of Infrared induction faucet

4 結論

流量可控式紅外線感應自動水龍頭控制模塊設計，采用單片機通過紅外線檢測到的信號來控制舵機旋轉帶動水龍頭開關，并采用模糊PID控制算法，在常規(guī)PID控制的基礎上加以模糊調整，并針對不同的位置采取相應的控制。模糊PID算法可以不需要精確的數學模型，使系統(tǒng)具有模糊控制的靈活性和適應性強的優(yōu)點，又具有PID控制精度高的優(yōu)勢。在節(jié)能方面具有較大的優(yōu)勢和使用價值。

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