陳奇俊，徐開煒，楊奮潔，陸傳德，李健榮，李智慧，張　霞

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)　工程學(xué)院，廣州　510642)

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紅外感應(yīng)定高節(jié)水水龍頭設(shè)計

陳奇俊，徐開煒，楊奮潔，陸傳德，李健榮，李智慧，張霞

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州510642)

該文設(shè)計了一種基于MSP430紅外感應(yīng)定高節(jié)水的新型水龍頭，是針對生活或工業(yè)用水過程中需要控制水量和水面高度的場合而設(shè)計的。通過采用兩種不同的工作模式——定量模式與普通模式的結(jié)合來達(dá)到控制水量和更方便開關(guān)的效果，節(jié)省人們放水的等待時間以及避免浪費水的現(xiàn)象。闡述了新型水龍頭的控制原理及硬件電路組成，并完成了實物制作，經(jīng)過測試，該設(shè)計能很好地達(dá)到預(yù)期效果。

MSP430單片機(jī)；無線充電；定高；紅外

水資源短缺及水、旱災(zāi)害問題影響著各國經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展，對于人口密集而水資源環(huán)境先天條件并不優(yōu)越的國家和地區(qū)，問題就顯得格外嚴(yán)重。而對水資源問題認(rèn)識不夠和管理不當(dāng)也將使問題進(jìn)一步惡化。如日常生活中，用水桶取水時，常因有事離開，水桶裝滿未能及時關(guān)閉開關(guān)，導(dǎo)致水溢出而造成浪費的現(xiàn)象。這些“小小”的浪費時常發(fā)生在人們身邊，每年所造成的水資源浪費多達(dá)幾百噸。傳統(tǒng)水龍頭不僅使用不方便，而且容易造成水資源的浪費。

智能水龍頭則可以實現(xiàn)自動感應(yīng)控制開與關(guān)，進(jìn)而做到智能節(jié)水。如將手或盛水容器、洗滌物品伸入感應(yīng)范圍內(nèi)，水龍頭即自動出水，離開后即停止出水。這種水龍頭適應(yīng)性強(qiáng)、維護(hù)方便、使用方便衛(wèi)生，多見于酒店及商場的洗手間。其材質(zhì)多為不銹鋼或銅制陶瓷芯片，水龍頭的開關(guān)和水溫的控制都由這兩片陶瓷芯片前后左右移動來調(diào)節(jié)[1]。

1　設(shè)計方案

基于MSP430紅外感應(yīng)定高節(jié)水水龍頭，裝置簡單，操作方便，使用范圍廣泛。裝置的系統(tǒng)流程圖如圖1所示。MSP430系列單片機(jī)是一種16位單片機(jī)，具有集成度高、外圍設(shè)備豐富、超低功耗等優(yōu)點[2]。

該節(jié)水水龍頭采用了定水(離開)和普通兩種工作模式。前者采用自動控制的方式，普通水桶(或其他容器)放到水龍頭下，設(shè)置所需高度，自動接水到指定高度就關(guān)停，避免了生活中因多余取水而造成的浪費現(xiàn)象，充分體現(xiàn)了節(jié)約用水、節(jié)能減排的思想。后者采用紅外感應(yīng)開關(guān)，適用于雙手被占用、不方便進(jìn)行水龍頭操作等情況。

1)定水(離開)模式

需取水人拉下定高裝置置于預(yù)取水位，利用裝置帶有的紅外檢測液位高度的定高部分，檢測液位高度并控制水龍頭的關(guān)閉。

2)普通模式

這一模式將暫時關(guān)閉定高部分，轉(zhuǎn)為普通的紅外感應(yīng)出水。

圖1　裝置的系統(tǒng)流程圖

2　主要工作原理

2.1定高裝置

2.1.1定高裝置充電原理

定高裝置內(nèi)置了無線充電模塊的接收模塊，當(dāng)接收模塊的輸出端與電池正負(fù)極接通并且有來自發(fā)射端發(fā)出的信號時，接收模塊輸出8 V給7.4 V鋰電池組充電。同時，設(shè)計中采用雙水銀開關(guān)的方式避免了充放電過程電流的亂入而燒壞無線接收模塊或者定高裝置的其他電路[3]。定高裝置的充電流程圖如圖2所示。

圖2　定高裝置充電流程圖

2.1.2定高裝置的功能實現(xiàn)過程

定高裝置在下側(cè)安裝了紅外感應(yīng)檢測電路，用以檢測液位高度是否達(dá)到要求，并且在上方安裝了帶有555振蕩電路的紅外發(fā)射管，以便向上方發(fā)射信號。其流程圖如圖3所示。

2.2控水裝置

2.2.1控水裝置工作原理

控水裝置包括微控制器系統(tǒng)電路和側(cè)面紅外感應(yīng)電路。微控制器用于對來自定高裝置的信號和來自側(cè)面紅外感應(yīng)電路信號的處理，側(cè)面紅外感應(yīng)電路用于探測是否有人要打開閉合電磁閥。側(cè)面紅外感應(yīng)電路檢測到有物體靠近時將對單片機(jī)引起低電平中斷。主體電路軟件流程圖如圖4所示。

圖3　定高裝置工作流程圖

圖4　控制流程圖

2.2.2紅外感應(yīng)電路抗干擾設(shè)計

考慮到可能存在的環(huán)境干擾，采用紅外接收頭SFH506-38作為紅外線接收端。SFH506-38紅外接收頭是一種小型紅外遙控系統(tǒng)接收器件，電路內(nèi)置PIN二極管、前置放大器及PCM頻率濾波器，并且不受環(huán)境光源干擾，可以連續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，其中心頻率為38 kHz[4]。發(fā)射端用帶通555振蕩電路作為載波驅(qū)動紅外發(fā)射管，使得發(fā)射的紅外線也能達(dá)到38 kHz，從而作為特定的信號被紅外接收頭識別，避免了干擾[5]。

3　性能分析

3.1普通模式測試

主要測試水龍頭在普通模式下的響應(yīng)時間，如表1所示。

表1　普通模式開關(guān)響應(yīng)時間

3.2定高模式測試

定高模式測試是在調(diào)節(jié)好特定紅外接收管的靈敏度，水面到達(dá)被測到時的距離，即定高模塊最底部的距離——安全距離。表2、表3和表4的數(shù)據(jù)分別是在不同的外界光強(qiáng)及不同顏色的水桶情況下實驗測試得到的安全距離。

表2　在光照強(qiáng)度較強(qiáng)下測試的安全距離　cm

表3　在光照強(qiáng)度適中下測試的安全距離　cm

表4　在光照強(qiáng)度較弱下測試的安全距離　cm

結(jié)合實驗所得的數(shù)據(jù)，在一定誤差范圍內(nèi)，水龍頭響應(yīng)時間穩(wěn)定，且影響定高裝置的環(huán)境條件較少，所以該裝置具有實用性。

4　結(jié)束語

本設(shè)計方案的隔離感應(yīng)液位、自動斷水的功能證明裝置具有實用性，其高度的密封性也確保了自動取液的安全性。采用無線電源模塊，使得裝置的應(yīng)用更加靈活。

基于MSP430紅外定高節(jié)水水龍頭的設(shè)計解決了目前取水的浪費問題，采用紅外檢測裝置、無線充電方式及定高裝置相結(jié)合，實現(xiàn)機(jī)電一體，能滿足各類用戶用水的基本需要，并且操作簡便、節(jié)約時間、節(jié)約水資源。

經(jīng)過實物測試后，其優(yōu)越性能體現(xiàn)在以下4個方面。

1)利用紅外探測及定高裝置實現(xiàn)取水量的智能控制，能有效做到節(jié)約人力、時間，控制水量，防止水的溢出浪費。

2)在節(jié)電方面，采用無線方式對智能控制器的電源進(jìn)行充電并且加入重力感應(yīng)(水銀開關(guān))來對紅外感應(yīng)進(jìn)行控制，做到不用不耗電。

3)定高部分可高度密封，能避免定高部分要接觸到水而可能帶來的安全隱患。

4)采用定高模式和普通模式相結(jié)合的方式，為大量取水和少量取水提供操作性強(qiáng)的切換方式。

[1]百度文庫.水龍頭調(diào)查報告[EB/OL].[2014-09-20].http://wenku.baidu.com/view/f1cf79f86294dd88 d0d26b35.html.

[2]張晞，王德銀，張晨.MSP430系列單片機(jī)[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[3]潘力.一種鋰電池?zé)o線充電模塊的設(shè)計[D].成都：電子科技大學(xué)，2013:19-22.

[4]陸平.新一代紅外遙控接收頭[J].電子制作，2005(4):47.

[5]康華光.電子設(shè)計基礎(chǔ)(數(shù)字部分)[M].5版.北京：高等教育出版社，2008：421-423.

Design of Fixed Height and Infrared Sensor Tap

CHEN Qijun，XU Kaiwei ，YANG Fenjie，LU Chuande，LI Jianrong，LI Zhihui，ZHANG Xia

(College of Engineering，South China Agricultural University，Guangzhou 510642，China)

This paper presented a fixed high and infrared sensor faucet based on MSP430 It is designed for domestic or industrial water process，which need to control the flow of water and water level of occasions.Then the work is designed through a combination of two different working modes ：a quantitative mode and normal mode to control the content and switch which has more convenient effects.People can save waiting time and avoid the phenomena of wasting water.The control principle of work and the hardware circuit are expounded.The physical production is completed，after testing，the design can be very good to achieve the desired effects.

MSP430; wireless charging; fixed height; infrared induction

2014-10-21；修改日期: 2014-11-17

2013年度華南農(nóng)業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目(SCX13181)。

陳奇俊(1993-)，男，本科生，電子信息工程專業(yè)。

張霞(1978-)，女，碩士，講師，主要從事稻田水稻農(nóng)情信息快速采集，光譜分析方面的研究。

TP212.14

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.01.034