郭曉鳳，李俊嬌，權海平，盧克

（南京機電職業(yè)技術學院，江蘇南京，211306）

0 引言

《中共中央 國務院關于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》中指出，實現(xiàn)碳達峰、碳中和，是以習近平同志為核心的黨中央統(tǒng)籌國內國際兩個大局作出的重大戰(zhàn)略決策，是著力解決資源環(huán)境約束突出問題、實現(xiàn)中華民族永續(xù)發(fā)展的必然選擇，是構建人類命運共同體的莊嚴承諾。要深入貫徹習近平生態(tài)文明思想，立足新發(fā)展階段，貫徹新發(fā)展理念，構建新發(fā)展格局，堅持系統(tǒng)觀念，處理好發(fā)展和減排、加快形成節(jié)約資源和保護環(huán)境的生活方式，其中“廁所革命”是一項重要工作?？缮锝到庵悄荞R桶的開發(fā)使用是實現(xiàn)“廁所革命”的重要舉措?？缮锝到庵悄荞R桶是電子技術與生物技術結合的產(chǎn)品，要保障可生物降解智能馬桶實現(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)境是關鍵，為此本文以單片機技術為核心，應用STC89S52 單片機為核心控制芯片，開發(fā)了“可生物降解智能馬桶的生物菌群環(huán)境調控系統(tǒng)”，為生物菌群培植環(huán)境保駕護航，助力智能化的廁所改造與新建[1]。

1 基于STC89S52 單片機的生物菌群環(huán)境調控系統(tǒng)硬件電路設計

本系統(tǒng)的硬件電路由STC89S52 單片機最小系統(tǒng)電路、自動感應電路、溫濕度采集與轉換電路、菌群攪拌電路、加熱升溫電路、風扇降溫電路、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。實現(xiàn)的功能為：溫濕度傳感器實時采集環(huán)境溫濕度，當溫濕度處于生物菌群培植的正常范圍內時，為了保障生物菌群的活性，每隔10 分鐘，菌群攪拌1 分鐘；當溫濕度低于生物菌群培植的溫濕度設定范圍值時，加熱絲升溫電路啟動工作；當溫濕度高于生物菌群培植的溫濕度設定范圍值時，風扇降溫電路啟動，同時菌群攪拌電路也開始攪拌；當有人來使用時，馬桶蓋自動打開，攪拌停止；當人離開時，馬桶蓋自動關閉。

圖1 硬件電路系統(tǒng)框圖

1.1 單片機最小系統(tǒng)電路構成

硬件電路系統(tǒng)原理圖如圖2 所示。SCT89C52 單片機的最小系統(tǒng)如圖2 中最小系統(tǒng)電路所示，整個最小系統(tǒng)由四個部分組成，時鐘電路部分、復位電路部分、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)境調控系統(tǒng)原理圖

時鐘電路產(chǎn)生的時鐘信號是整個單片機系統(tǒng)工作的時間基礎。直接影響單片機的工作速度，頻率過快超負荷、過慢效率低。時鐘電路包括2 個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。在設計電路時，只要不超過最高頻率即可，晶振頻率一般取1.2MHz~12MHz。

單片機復位電路就好比電腦的重啟部分，當電腦在使用中出現(xiàn)死機，按下重啟按鈕電腦內部的程序從頭開始執(zhí)行。單片機也一樣，當單片機系統(tǒng)在運行中，受到環(huán)境干擾出現(xiàn)程序跑飛的時候，按下復位按鈕內部的程序自動從頭開始執(zhí)行。

復位電路由10μF的極性電容C1和10k的電阻R5構成。利用電容電壓不能突變的性質，可以知道，當系統(tǒng)一上電，RESET 腳將會出現(xiàn)高電平，并且這個高電平持續(xù)的時間由電路的RC 值來決定。典型的51 單片機當RESET 腳的高電平持續(xù)兩個機器周期以上就將復位，所以適當組合RC 的取值就可以保證可靠的復位。

特別注意的是，對于31 腳(EA)，當接高電平時，單片機在復位后從內部ROM 的0000H 開始執(zhí)行；當接低電平時，復位后直接從外部ROM 的0000H 開始執(zhí)行。由于我們的程序存儲在了單片機內部，所以EA 要接高電平，保證單片機是從內部讀取程序去執(zhí)行的。

1.2 溫濕度調控電路構成

溫濕度調控電路主要由溫濕度采集與轉換電路、電熱絲加熱升溫電路、菌群攪拌降溫電路和風扇運轉降溫電路組成，如圖2 傳感器模塊和執(zhí)行機構模塊所示。

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

電熱絲加熱升溫電路是對生物菌群培植環(huán)境進行加溫控制的，當采集的環(huán)境溫濕度低于生物菌群培植所需的溫濕度值時，該電路啟動工作。同時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，當冬季環(huán)境溫度較低時，可以啟動工作，使馬桶圈處于溫熱狀態(tài)，提高智能馬桶的使用舒適度。

菌群攪拌電路一是定時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、三是降溫攪拌輔助降低生物菌群培植環(huán)境溫度。攪拌電路由ULN2003 驅動模塊和4 相5線5V 步進電機組成。

風扇運轉降溫電路是由1 路5V 繼電器模塊驅動風扇運轉，此項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，單片機發(fā)送高電平觸發(fā)信號，繼電器吸合，風扇運轉降溫，圖2 中風扇用電機代替仿真運行時方便觀測運轉情況。風扇電路也可以拓展增加攪拌排泄物同時啟動風扇工作，促使空氣快速流動。

1.3 自動感應電路設計

自動感應電路由HC—SR505 人體感應模塊、舵機和輔助的機械結構組成，如圖3 傳感器模塊部分所示。其功能是當有人來使用時，馬桶蓋自動打開，當人離開時，馬桶蓋自動關閉。電路設計時要注意舵機的選擇，如果選擇的舵機工作扭矩較小，人來時不能自動打開馬桶蓋，舵機工作扭矩較大，浪費資源，要求供電電壓較大，本項目選擇的舵機為MG90，其工作扭矩為2.0Kg，供電電壓為4.8V。這里還可以進行電路優(yōu)化，把自動感應電路中的舵機用攪拌電路中的步進電機代替，可以減少項目中的元器件種類，但是機械結構相對較復雜。

圖3 LCD 顯示工作狀態(tài)圖片

1.4 狀態(tài)顯示電路設計

狀態(tài)顯示電路是應用LCD1602 液態(tài)晶體顯示器顯示智能馬桶當前的工作狀態(tài)，部分工作狀態(tài)顯示圖片如圖3 所示。可根據(jù)實際需求設置顯示狀態(tài)，顯示狀態(tài)及其對應的功能說明如表1 所示。

表1 顯示狀態(tài)及其對應的功能說明表

1.5 WiFi 模塊電路設計

無線通信模塊電路由ESP8266 WiFi 模塊構成[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，方便對智能馬桶的狀態(tài)進行實時監(jiān)測，通過數(shù)據(jù)收集方便產(chǎn)品的檢測、維護，也方便產(chǎn)品的投產(chǎn)和使用。本項目作為教學項目，可應用ESP8266 WiFi 模塊進行數(shù)據(jù)傳輸，其外圍電路簡單，工作溫度范圍大、低功耗、集成度高、支持實時操作系統(tǒng) (RTOS) 和 Wi-Fi 協(xié)議棧等特性。如果產(chǎn)品分布范圍較廣，而且要支持手機等移動設備監(jiān)測產(chǎn)品工作狀態(tài)，可以應用LTEUECategory1，借助物聯(lián)網(wǎng)進行無線連接。

2 基于STC89S52 單片機的生物菌群環(huán)境調控系統(tǒng)軟件程序設計

本設計軟件開發(fā)環(huán)境采用的是Keil μVision5 軟件[5]。針對本系統(tǒng)的功能實現(xiàn)，編寫了溫濕度傳感器、電機、液晶顯示3 個頭文件函數(shù)和1個主函數(shù)。

程序正常運行時溫濕度傳感器采集生物菌群培植環(huán)境溫濕度，電機每隔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，攪拌正常運行，無論馬桶蓋開還是關，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 程序設計流程圖

通過軟硬件聯(lián)合調試，可生物降解智能馬桶的工作狀態(tài)可以實時顯示；日常無人使用時，每隔30 分鐘，電機轉動攪拌菌群2 分鐘，正轉1 分鐘，反轉1 分鐘；當有人來使用時，人離馬桶30 厘米左右時，馬桶蓋自動打開，電機停止攪拌；用完離開后，馬桶蓋自動關閉，電機又開始轉動攪拌菌群2分鐘；溫濕度傳感器實時采集環(huán)境溫濕度，設定正常溫度范圍為24℃~36℃，濕度范圍為20%rh~60%rh，當溫濕度處于生物菌群培植的正常范圍內時，溫濕度調控電路不工作，當采集環(huán)境溫濕度低于設定范圍值時，啟動加熱絲升溫，當采集環(huán)境溫濕度高于設定范圍值時，啟動風扇降溫，同時電機轉動攪拌菌群，加速降溫；智能馬桶的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)實時傳送給PC 機。所有測試數(shù)據(jù)都可以結合實際，通過程序進行設計。

3 結束語

隨著國家對綠色低碳發(fā)展規(guī)劃引領，推動人們加快形成綠色生產(chǎn)生活方式，本文所設計的基于STC89S52 單片機的生物菌群環(huán)境調控系統(tǒng)，一方面可以使學生了解國家碳達峰碳中和的大政方針，給學生注入節(jié)能環(huán)保的理念，另一方面通過項目實施強化學生單片機知識的學習和技能訓練，實現(xiàn)了生物菌群培植環(huán)境調控功能，而且通過WIFI 技術與菌群控制系統(tǒng)的融合應用，實現(xiàn)對產(chǎn)品工作狀態(tài)的實時監(jiān)控，使我們的生活方式和工作方式更加便捷化和智能化。