周金芝，楊 明

（亳州學(xué)院電子與信息工程系，安徽亳州236800）

在人流量較大的公共場(chǎng)所，如商場(chǎng)、車站等，傳統(tǒng)蹲便器手動(dòng)沖便、抽紙裝置節(jié)約用水和節(jié)約用紙效果不佳，容易造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染；同時(shí)，這些裝置極易人為損壞，且容易傳播細(xì)菌，對(duì)人們的身體健康不利。智能蹲便器的自動(dòng)沖便、自動(dòng)抽紙裝置可以很好地解決這些問(wèn)題，它自動(dòng)感應(yīng)、無(wú)需人們手動(dòng)控制，可有效防止細(xì)菌交叉感染。自動(dòng)控制沖水、抽紙的次數(shù)和抽紙的長(zhǎng)度，可以節(jié)約資源、減少環(huán)境污染。然而當(dāng)前，智能蹲便器由于價(jià)格昂貴不能得到廣泛應(yīng)用。因此，設(shè)計(jì)一套性能優(yōu)良、價(jià)格合理的蹲便器自動(dòng)沖水抽紙系統(tǒng)很有必要。本文以單片機(jī)STM32F103ZET6作為控制核心，結(jié)合傳感器技術(shù)、電磁閥及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)蹲便器自動(dòng)沖水抽紙系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

蹲便器自動(dòng)沖水抽紙系統(tǒng)整體上由檢測(cè)系統(tǒng)、主控系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成。檢測(cè)系統(tǒng)由紅外傳感器和激光傳感器組成。紅外傳感器用來(lái)檢測(cè)是否有人如廁，激光傳感器用于檢測(cè)抽紙是否用完。無(wú)人進(jìn)入感應(yīng)區(qū)，指示燈是滅的；當(dāng)有人進(jìn)入感應(yīng)區(qū)時(shí)，指示燈亮。當(dāng)檢測(cè)到紙已用完，則缺紙指示燈亮。主控系統(tǒng)由單片機(jī)最小系統(tǒng)和供電模塊組成，是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用于驅(qū)動(dòng)語(yǔ)音模塊和步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的語(yǔ)音播報(bào)和自動(dòng)抽紙功能。當(dāng)有人進(jìn)入感應(yīng)區(qū)時(shí)，語(yǔ)音模塊自動(dòng)播放音樂(lè)或公益廣告，自動(dòng)抽紙模塊在步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)下完成自動(dòng)抽紙。繼電器模塊用于控制電磁閥的打開(kāi)與關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)沖水功能。圖1為整個(gè)系統(tǒng)模塊框圖。

圖1 系統(tǒng)模塊框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)由單片機(jī)最小系統(tǒng)、串行通信模塊、紅外傳感器模塊、激光傳感器模塊、語(yǔ)音播報(bào)模塊、電磁繼電器模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和彩色液晶顯示模塊組成。系統(tǒng)硬件電路原理如圖2所示。

2.1 控制芯片的選擇

單片機(jī)STM32F103ZET6 是一款32 位的微控制器（如圖2 中“STM32F103ZET6”所示），采用ARM Cortex-M3內(nèi)核，具有功耗低、性能高的優(yōu)點(diǎn)。和8位、16位單片機(jī)相比，性能更高、專用性更強(qiáng)，具有引腳多、功能強(qiáng)、應(yīng)用廣的特點(diǎn)。STM32F103ZET6擁有72 MHz的最高工作頻率，豐富的片上外設(shè)使系統(tǒng)外圍電路的復(fù)雜度得到簡(jiǎn)化。

ARM Cortex-M3內(nèi)核在中斷處理中采用Tail-Chaining中斷技術(shù)，完全基于硬件的中斷處理，在實(shí)際應(yīng)用中可使中斷減少70%。單一的Thumb-2指令集[1]減少了45%的代碼量。ARM v7哈佛架構(gòu)、三級(jí)流水線、1.25DMIPS/MHZ和0.19MW/MHZ的性能和功耗、0.06 mW/MHz的突出能效比[2]，這一切使得Cortex-M3處理器是一款可綜合、高度可配置的處理器。同時(shí)，Cortex-M3處理器內(nèi)部集成了大部分存儲(chǔ)器、控制器，外部可以直接連接Flash，使得設(shè)計(jì)難度和應(yīng)用障礙得到降低，可編程的復(fù)雜性很大程度上得到簡(jiǎn)化，使得ARM架構(gòu)成了各種應(yīng)用方案的上佳之選。ARM Cortex-M3內(nèi)核是為功耗和價(jià)格敏感的應(yīng)用領(lǐng)域而設(shè)計(jì)的，從低端微控制器到復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)芯片都有它的市場(chǎng)[3]。

2.2 檢測(cè)系統(tǒng)及接口電路設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)包括紅外檢測(cè)和激光檢測(cè)，由紅外傳感器和激光傳感器組成。紅外傳感器是感知人體最簡(jiǎn)單、最方便的方法。紅外傳感器的接收器SM0038是一款一體化的紅外遙控接收器，對(duì)外只有3個(gè)引腳，如圖2 中“紅外傳感器接口”模塊所示。引腳1 接12 伏電源，引腳2 通過(guò)分壓電阻R4 接到單片機(jī)的PG.15端口，引腳3接地。當(dāng)有人進(jìn)入了感應(yīng)范圍，紅外傳感器便會(huì)探測(cè)到人體產(chǎn)生的紅外輻射，接收端引腳2的信號(hào)變?yōu)榈碗娖?；若無(wú)人進(jìn)入感應(yīng)區(qū)，則引腳2處的電平為高電平。單片機(jī)的PG.15端口根據(jù)檢測(cè)信號(hào)的高低電平來(lái)判斷是否有人。

激光檢測(cè)由激光發(fā)射和激光接收模塊組成，通過(guò)激光檢測(cè)接收模塊是否接收到激光判斷是否有紙。激光接口電路是將激光傳感器與單片機(jī)相連接的電路。當(dāng)缺紙時(shí)，激光傳感器沒(méi)有檢測(cè)到障礙物，則2號(hào)引腳為高電平，發(fā)光二極管D2不亮，單片機(jī)的PA.15端口被賦予低電平，缺紙指示燈亮。當(dāng)有紙時(shí)，2號(hào)引腳為低電平，發(fā)光二極管D2亮，單片機(jī)的PA.15端口被賦予高電平，缺紙指示燈不亮。激光接口及缺紙指示電路如圖2中“激光傳感器接口”及“缺紙指示”模塊所示。

圖2 系統(tǒng)硬件電路原理圖

2.3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及接口電路設(shè)計(jì)

2.3.1 自動(dòng)沖水模塊電路設(shè)計(jì)

自動(dòng)沖水模塊采用電磁繼電器作為電磁閥的開(kāi)關(guān)[4]，由電磁繼電器控制電磁閥從而控制出水量和出水時(shí)間。在人方便離開(kāi)后，單片機(jī)的PC.3口被賦予低電平（軟件設(shè)定），從而使PNP型三極管Q1導(dǎo)通，繼電器通電吸合，電磁閥電路導(dǎo)通，進(jìn)行沖水。

電磁閥是一種用于流體控制的自動(dòng)化基礎(chǔ)元件，是一種執(zhí)行器。電磁閥里面有密閉的腔，不同位置上開(kāi)有通孔，各自連接不同的水管。腔的中間是活塞，兩面是電磁鐵。電磁鐵通電之后會(huì)產(chǎn)生磁性吸引閥體，電磁閥就是通過(guò)閥體的移動(dòng)來(lái)控制不同排水孔的開(kāi)啟和關(guān)閉。進(jìn)水孔是常開(kāi)的，水通過(guò)進(jìn)水孔進(jìn)入不同的排水管，水的壓力推動(dòng)水缸的活塞，活塞帶動(dòng)活塞桿，活塞桿帶動(dòng)機(jī)械裝置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)沖水。自動(dòng)沖水模塊（電磁繼電器）電路設(shè)計(jì)如圖2中“RELAY”模塊所示。

2.3.2 自動(dòng)抽紙驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

THB7128是一款專業(yè)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，適用于驅(qū)動(dòng)42、57型兩相、四項(xiàng)混合式步進(jìn)電機(jī)，在低成本、低振動(dòng)、小噪聲、高速度的設(shè)計(jì)中應(yīng)用效果較好。THB7128 芯片內(nèi)部集成了細(xì)分、電流調(diào)節(jié)、COMS功率放大等電路，與簡(jiǎn)單的外圍電路配合即可實(shí)現(xiàn)高性能、多細(xì)分、大電流的驅(qū)動(dòng)電路[5]。完整的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路組成。當(dāng)驅(qū)動(dòng)芯片THB7128接收到一個(gè)脈沖信號(hào)后即驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)以固定的角度一步一步進(jìn)行，角位移量的控制通過(guò)控制脈沖的個(gè)數(shù)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)步進(jìn)電機(jī)可控制用戶取紙的長(zhǎng)度為每次25厘米，達(dá)到節(jié)約用紙、避免浪費(fèi)的目的。步進(jìn)電機(jī)接口電路如圖2中“步進(jìn)電機(jī)接口”模塊所示。

2.3.3 語(yǔ)音播報(bào)電路設(shè)計(jì)

WT5001-48L 是一款OTP 高音質(zhì)的MP3 語(yǔ)音芯片，擁有8-bit CISC，支持WAV 和MP3 解碼；外設(shè)接口豐富；一個(gè)SPI，支持DMA；能夠直接驅(qū)動(dòng)16歐姆耳機(jī)；帶實(shí)時(shí)時(shí)鐘及萬(wàn)年歷功能；標(biāo)準(zhǔn)的RS232串口控制功能；功耗低，休眠時(shí)待機(jī)電流約80 μA；控制播放響應(yīng)速度優(yōu)于同類產(chǎn)品；適用于需要更換語(yǔ)音或者音樂(lè)文件時(shí)間較長(zhǎng)、音質(zhì)要求較高的場(chǎng)合[6]；自帶SPI-FLASH存儲(chǔ)介質(zhì)，自帶一瓦功放；可在線下載音樂(lè)文件或者通過(guò)TF 卡或U 盤更換音樂(lè)文件。單片機(jī)通過(guò)語(yǔ)音接口控制WT5001來(lái)播放音樂(lè)。當(dāng)紅外傳感器檢測(cè)到有人進(jìn)入感應(yīng)區(qū)時(shí)，單片機(jī)的PG.15 端口變?yōu)榈碗娖?，此時(shí)單片機(jī)發(fā)送信號(hào)給語(yǔ)音模塊，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)語(yǔ)音模塊播放音樂(lè)或公益廣告的功能；無(wú)人時(shí)，則停止播放音樂(lè)。該模塊電路設(shè)計(jì)如圖2“WT5001語(yǔ)音”模塊所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)基于Keil u Vision5工具開(kāi)發(fā)，以C語(yǔ)言作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言。整個(gè)系統(tǒng)軟件包括紅外檢測(cè)模塊、激光檢測(cè)模塊、單片機(jī)控制模塊、自動(dòng)沖水驅(qū)動(dòng)模塊、自動(dòng)抽紙模塊和語(yǔ)音播報(bào)模塊。首先，由紅外傳感器檢測(cè)是否有人進(jìn)入，將檢測(cè)結(jié)果發(fā)送給單片機(jī)。若有人進(jìn)入，則由單片機(jī)驅(qū)動(dòng)語(yǔ)音播報(bào)模塊播放音樂(lè)；通過(guò)按鍵可暫停播放或切換歌曲。單片機(jī)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)沖水系統(tǒng)每隔一定時(shí)間工作一次。延遲一定時(shí)間（程序設(shè)定）后，通過(guò)激光傳感器檢測(cè)有沒(méi)有紙，將檢測(cè)結(jié)果發(fā)送給單片機(jī)。無(wú)紙時(shí)，由單片機(jī)點(diǎn)亮缺紙指示燈；有紙，則在人按下抽紙按鍵后，由單片機(jī)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)放出一定長(zhǎng)度（25厘米）的紙。若紅外傳感器檢測(cè)到無(wú)人，則由單片機(jī)分析判斷先前是否有人，若有人，則停止音樂(lè)播放，并由單片機(jī)驅(qū)動(dòng)電磁閥進(jìn)行沖水，一定時(shí)間后關(guān)閉。通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)了蹲便器在無(wú)人使用和有人正在使用時(shí)不沖水、只有在人離開(kāi)后延遲一定時(shí)間（5秒鐘）沖水的功能；實(shí)現(xiàn)人如廁時(shí)，自動(dòng)抽出相同長(zhǎng)度的紙的功能。整個(gè)系統(tǒng)工作流程如圖3所示。

圖3 算法流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果及分析

為驗(yàn)證系統(tǒng)各模塊性能是否滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行多次測(cè)試，得到測(cè)試結(jié)果如表1所示。

經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)各模塊均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，具有較高的準(zhǔn)確度和較好的靈敏度，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。系統(tǒng)實(shí)物如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)實(shí)物圖

5 結(jié)束語(yǔ)

以單片機(jī)STM32F103ZET6作為控制核心，結(jié)合傳感器技術(shù)、電磁閥及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套蹲便器自動(dòng)沖水抽紙系統(tǒng)。系統(tǒng)除可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)沖便、抽紙功能外，還具有語(yǔ)音播報(bào)功能，能夠在有人如廁時(shí)自動(dòng)播放音樂(lè)和公益廣告。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，系統(tǒng)各模塊功能均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，且整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，具有較高的準(zhǔn)確度和較好的靈敏度，適用于車站、機(jī)場(chǎng)、展覽館等人流量較大的公共衛(wèi)生間，能夠有效地節(jié)約水資源和廁紙，減少環(huán)境污染、資源浪費(fèi)和公共設(shè)施的損壞。同時(shí)，可避免公共衛(wèi)生間的細(xì)菌交叉感染，潔凈衛(wèi)生。產(chǎn)品易于安裝和推廣，能夠滿足人們對(duì)生活空間自動(dòng)化和舒適性的要求，更加地人性化。