李容容

（陜西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西寶雞，721001）

0 引言

我國是一個水資源短缺的國家，人均水資源占有量只有2500 立方米，約為世界人均水資源占有量的四分之一。推行節(jié)約用水政策，加強水資源的管理和合理利用，是緩解水資源危機、促進經(jīng)濟和社會持續(xù)發(fā)展的重要措施?，F(xiàn)如今，建設(shè)資源節(jié)約型社會的理念已深入人心，然而在淋浴過程中，水資源浪費的情況卻很少能夠得到大家的關(guān)注，因此浪費了大量的水資源。而自動感應(yīng)式淋浴控制系統(tǒng)的應(yīng)用，可將淋浴過程中水資源浪費情況顯著減少，實現(xiàn)水資源能耗節(jié)省。本文設(shè)計了一款自動淋浴水位控制報警系統(tǒng)，可以自動感應(yīng)人體來去出水，同時能夠顯示和控制淋浴裝置中的水位。

1 本系統(tǒng)的技術(shù)指標

(1)當淋浴裝置中水量高于上水位限定值時，上水功能關(guān)閉，淋浴裝置自動感應(yīng)人體出水。

(2)當容器中水量低于下水位限定值時，自動關(guān)閉淋浴功能，發(fā)出警報同時開啟上水功能。

(3)利用超聲波檢測水位并用LED 數(shù)碼管顯示水位。

2 系統(tǒng)整體方案設(shè)計

該設(shè)計以AT89S52 單片機為主控芯片，它與紅外傳感器檢測模塊、LED 數(shù)碼管顯示模塊、超聲波測距模塊以及報警模塊協(xié)同工作，實現(xiàn)系統(tǒng)自動感應(yīng)人體出水、顯示淋浴裝置水位并報警的功能。該系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要由單片機最小系統(tǒng)、紅外傳感器檢測模塊、LED 數(shù)碼管顯示模塊、超聲波測距模塊以及報警模塊等構(gòu)成。AT89S52 單片機首先對超聲波發(fā)射器電路進行控制，超聲波接收器會把傳感器檢測來的超聲信號自動輸入到單片機內(nèi)存中，然后通過芯片內(nèi)部的程序?qū)鬏數(shù)降某暡〝?shù)據(jù)自動進行分析、計算和處理，最終在LED 數(shù)碼顯示模塊上顯示水位。該系統(tǒng)整體硬件設(shè)計方案框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體方案框圖

圖2 單片機最小系統(tǒng)電路圖

3 各模塊電路設(shè)計

■3.1 單片機最小系統(tǒng)電路

(1)51 單片機最小系統(tǒng)中的復(fù)位電路中包含了極性電容C1，它的大小直接影響到單片機的復(fù)位時間，系統(tǒng)中一般采用10μF 大小的電容。

(2)51 單片機最小系統(tǒng)中晶振的振蕩頻率直接影響到單片機對于輸入數(shù)據(jù)的運算和處理速度。為了加快單片機處理數(shù)據(jù)的速度，一般情況下，晶振的振蕩頻率要較大才能滿足要求。在系統(tǒng)正常工作的情況下，晶振Y1 一般情況下可以采用22.1184MHz 這樣的頻率。

(3)除了復(fù)位電容C1 之外，51 單片機最小系統(tǒng)中還有兩個起振電容C2、C3，它們一般采用15～33pF 這樣的大小。在布局單片機最小電路時，起振電容C2、C3 要盡可能的靠近晶振，這樣起振效果才比較好。

■3.2 紅外傳感器檢測模塊

當有人站在淋浴裝置噴頭下時，系統(tǒng)中的紅外傳感器檢測到相應(yīng)的人體紅外信號，同時將才采集到的紅外信號數(shù)據(jù)在單片機中進行處理，然后觸發(fā)超聲波檢測模塊去檢測淋浴裝置中的水位。本文采用紅外接收發(fā)射二極管作為紅外傳感器。紅外感應(yīng)電路圖如圖3 所示。

圖3 紅外感應(yīng)電路圖

3.2.1 紅外接收發(fā)射二極管工作原理

紅外線感應(yīng)電路[1]主要由紅外接收二極管和紅外發(fā)射二極管構(gòu)成。這兩種二極管器件都采用了新型的導(dǎo)電材料，可以使接收到的紅外線光信號通過它們之后變成紅外線電信號。和目前市面上的普通半導(dǎo)體紅外二極管相比，這種二極管在材料的使用上和工藝方法的實現(xiàn)上有許多優(yōu)點。

紅外線接收二極管的設(shè)計是為了便于在單位面積內(nèi)更多的接收到入射的紅外光線[2]，所以它里面的PN 結(jié)電極的面積也就盡量地做的比較大，而且通常PN 結(jié)電極的結(jié)深要做的很淺，一般要小于1μm，這樣才有利于接收到更多的紅外光線。

此外還應(yīng)注意的是，紅外線接收二極管只能在反向電壓的作用下工作。當外界沒有紅外光照時，反向暗感應(yīng)電流的值較?。ㄒ话阈∮?.1μA）。當外界環(huán)境有強烈的紅外線光照時，紅外線接收二極管中的兩種載流子（電子和空穴）能在光反向電壓的作用下參加電荷漂移運動，使其反向的電流強度明顯增大。紅外接收發(fā)射二極管結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示。

圖4 紅外接收發(fā)射二極管結(jié)構(gòu)圖

3.2.2 CD4093 簡介

因為有的時候紅外線感應(yīng)電路采集到的紅外信號太小，會影響淋浴系統(tǒng)自動感應(yīng)出水的功能，所以紅外感應(yīng)電路增加了CD4093 芯片來放大接收到的紅外信號[3]。

CD4093 的應(yīng)用范圍：

(1)波形和脈沖整形；(2)單穩(wěn)態(tài)多頻振蕩器；(3)高環(huán)境噪聲系統(tǒng)；(4)非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器。

CD4093 是CD 系列數(shù)字集成電路中的一個型號，采用CMOS 工藝制造。CD4093 內(nèi)部有四個施密特觸發(fā)器，每個觸發(fā)器有一個2 輸入與非門，當正極性或負極性信號輸入時，觸發(fā)器在不同的點翻。正極性(VP)和負極性(VN)電壓的不同之處由遲滯電壓(VH)確定。在輸出電流<1mA 時，一般在5 至15VDC 電源時，輸出電壓接近電源電壓；若輸出電流增大時，輸出電壓會降低，特別是電源電壓較低時影響更大。CD4093 結(jié)構(gòu)圖如圖5 所示。在本設(shè)計中，CD4093 芯片可以用74 系列芯片74LS32 同等替換。

圖5 CD4093 結(jié)構(gòu)圖

■3.3 液位開關(guān)

液位開關(guān)是測量液位最常見的測量工具之一，它結(jié)構(gòu)簡單、易于安裝維護、工作壽命長。本系統(tǒng)用液位開關(guān)來測量水位的最高值和最低值。淋浴裝置中的浮球處有兩個限位開關(guān)，一個表示上水位、一個表示下水位，上水位處于常閉狀態(tài)，下水位處于常開狀態(tài)。工作原理是當淋浴水位上升到上限值時，浮球?qū)⑾尬婚_關(guān)打開，繼電器斷電，水泵停止運行；當淋浴水位下降到下限值時，浮球又將限位開關(guān)關(guān)閉，繼電器吸合，水泵開始上水。液位開關(guān)如圖6 所示。

圖6 液位開關(guān)實物圖

■3.4 超聲波模塊的設(shè)計

本系統(tǒng)采用超聲波模塊來進行水位高度檢測。開始時，兩個端口TRIG 端口和ECHO 端口都被設(shè)置為低電平，然后TRIG 端口將接收至少10μs 的高電平脈沖(模塊自動向外發(fā)送8 個40kHz 的方波)，同時開始等待，等待捕捉ECHO 端輸出的上升沿，當捕捉到ECHO 端輸出上升沿的同時，打開定時器并重新開始測試計時，然后再次等待捕捉ECHO 端輸出的下降沿，當捕捉到ECHO 端輸出下降沿時，讀出計時器的運行時間，這一步的目的是為了測量超聲波發(fā)生器在周圍的空氣介質(zhì)環(huán)境中的實際運行的時間。按照測試距離=(高電平時間?聲速(340m/s))/2 這個公式，就可以算出超聲波到障礙物的距離。應(yīng)注意的是，在實際檢測時，超聲波周期應(yīng)為60ms 以上，這樣可以避免回響信號受到發(fā)射信號的影響，造成檢測誤差[4]。HC-SR04 超聲波檢測時序圖如圖7 所示。

圖7 HC-SR04 檢測時序圖

■3.5 報警模塊的設(shè)計

本系統(tǒng)采用紅外線蜂鳴器[5]作為自動報警裝置。當有人站在淋浴裝置噴頭下淋浴時，系統(tǒng)芯片中內(nèi)置的紅外傳感器能檢測到一個相應(yīng)頻率的人體紅外信號，此時系統(tǒng)報警模塊便被單片機觸發(fā)，將報警信號送給單片機控制系統(tǒng)進行信號判斷，信號輸入后單片機進行自動感應(yīng)控制出水；同時系統(tǒng)可以實時顯示當前淋浴供水裝置的水位。當最低水位已達到安全警戒的水位線時，能夠?qū)崿F(xiàn)自動報警。單片機通過對IO 口的P1.2 接口進行控制，當水位到達安全警戒線時，單片機即給P1.2 接口輸出一個低電平，蜂鳴器得到報警信號立即發(fā)出報警聲。蜂鳴器電路與單片機的接口電路圖如圖8 所示。

圖8 蜂鳴器與單片機的接口電路圖

■3.6 顯示模塊的設(shè)計

本系統(tǒng)采用LED 數(shù)碼管來顯示淋浴水位。LED數(shù)碼管顯示模塊具有功耗比較低、壽命長、無輻射、不易引起視覺疲勞等一系列優(yōu)點，正在被廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、計算機、醫(yī)療儀器設(shè)備及電子交通和計算機通信等領(lǐng)域。根據(jù)LED 的工作原理，單片機與LED 的接口電路如圖9 所示。

圖9 單片機與LED 接口電路

4 軟件設(shè)計

本設(shè)計采用Keil C51 系統(tǒng)軟件進行編程實現(xiàn)。Keil C51是美國Keil Software 公司出品的51 系列兼容單片機C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與其他軟件相比，它在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。

■4.1 超聲波檢測程序的設(shè)計

檢測淋浴水位時，需要用到超聲波模塊中的定時器來計算超聲波發(fā)射與返回之間的時間間隔，所以HC-SR04 超聲波模塊需要先配置在定時器模式下。配置完成后，超聲波模塊輸出口Trig 引腳被拉至高電平，并使用_nop_()函數(shù)連續(xù)等待20 個機器周期，即延時20μs，然后重新拉低輸出口Trig 引腳；當輸入引腳Echo 變?yōu)楦唠娖綍r，定時器開始計時；當輸入引腳Echo 變?yōu)榈碗娖綍r，定時器結(jié)束計時，定時器根據(jù)所記錄的時間，計算出時間間隔；因為固定聲速為340m/s，最終計算出淋浴水位。具體超聲波檢測程序流程圖如圖10 所示。

圖10 超聲波檢測程序流程圖

■4.2 LED 數(shù)碼管顯示程序的設(shè)計

本設(shè)計數(shù)碼管采用共陽數(shù)碼管，驅(qū)動電路采用S8550三極管搭建完成。所以數(shù)碼管采用動態(tài)顯示的方式，即第一位短暫顯示后關(guān)閉第一位的顯示，馬上進入第二位的顯示，短暫顯示后關(guān)閉第二位的顯示，馬上進入第三位的顯示。因為人眼有視覺保留功能，所以看起來是一次全部顯示出來的效果。每一位顯示延時時間不能過長，過長會超過人眼“余輝效應(yīng)”的時間，就會看起來斷斷續(xù)續(xù)的，不能達到連續(xù)顯示的效果。LED 數(shù)碼管顯示程序流程圖如圖11 所示。

圖11 LED 顯示程序流程圖

5 結(jié)語

本文設(shè)計了一款能自動感應(yīng)人體來去的淋浴水位控制報警系統(tǒng)，它由AT89S52 單片機模塊、紅外傳感器檢測模塊、LED數(shù)碼管顯示模塊、超聲波測距模塊以及報警模塊等組成。可以實現(xiàn)自動感應(yīng)人體出水、顯示淋浴裝置水位并自動報警的功能。該系統(tǒng)具有噪聲低、線性度好、功耗低、反應(yīng)速度快等特點，且這款架構(gòu)已經(jīng)經(jīng)過實物制作驗證，完全可以達到應(yīng)用要求。