22基于單片機(jī)的智能節(jié)水系統(tǒng)

1、編號：22校級大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃項目申 報 書 項 目 名 稱： 基于單片機(jī)的智能節(jié)水系統(tǒng)申 請 者： 吳風(fēng)雷所 在 院 系： 電子學(xué)院電氣工程系 專 業(yè) 年 級： 07級自動化專業(yè)指 導(dǎo) 教 師： 劉蘇南 起 止 時 間： 2010.5.12011.4.1 聯(lián) 系 電 話： 電 子 信 箱： 申 報 時 間： 2010.5.17安徽大學(xué)教務(wù)處制表項目名稱基于單片機(jī)的智能節(jié)水系統(tǒng)申請經(jīng)費2000起止時間2010.5.12011.4.1負(fù)責(zé)人學(xué)號姓名年級所在院系、專業(yè)聯(lián)系電話E-mail P40714071吳風(fēng)雷07電院、自動化參加成員P40714087吳治賓07電院、自動化P40714086

2、陳杰07電院、自動化P40714011鄧盼盼07電院、自動化P40714025王秀英07電院、自動化指導(dǎo)老師姓名職稱所在院系聯(lián)系電話 E-mail劉蘇南副教授電子學(xué)院一、項目申請理由（一）項目背景本項目是對公共廁所的小便池沖水系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。解決下述三個問題：1、原有的沖水系統(tǒng)有明顯的浪費水資源的情況。比如兩次沖水的水量一樣多；當(dāng)有人近距離路過時，可能誤沖水。這可能是由于原有的電路主要采用模電完成，時間長以后造成節(jié)水裝置性能不穩(wěn)定。兩次沖水的水量都會增加。這樣造成水資源的浪費。2、節(jié)水裝置異?；驌p壞后小便池漏水，造成浪費。3、許多人小便不入池，如果長時間不用水沖洗的話，造成廁所內(nèi)有異味，環(huán)境極差

3、。本項目的設(shè)計是以現(xiàn)行傳統(tǒng)的節(jié)水器為基礎(chǔ)，以單片機(jī)為核心，進(jìn)行多節(jié)點控制。整體由三部分電路模塊裝置組成：控制小便池紅外節(jié)水裝置，漏水檢測裝置，聲音報響裝置。一方面能夠比較準(zhǔn)確的控制小便池的沖水量和沖水時間；另一方面也能夠?qū)β┧M(jìn)行實時監(jiān)控，如果出現(xiàn)問題，聲音報響裝置啟動發(fā)出聲音提醒，避免水資源浪費；同時還能提示人們小便入池，保持公共廁所的清潔。 本項目歸根結(jié)底是為了節(jié)約水資源。 水是生命之源，是人類賴以生存的最珍貴的資源。由于近代世界人口急劇膨脹，現(xiàn)在仍以每日20萬或每年7000萬的速度增長，全世界耗水量在20世紀(jì)增加了6倍，加之工業(yè)化現(xiàn)代化對生態(tài)環(huán)境帶來的負(fù)面影響，水的污染嚴(yán)重，地球上的水資

4、源日益緊缺。目前，已有100多個國家缺水。水荒不僅成為許多國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的嚴(yán)重障礙，而且嚴(yán)重地威脅到人類的生活、健康與生命。我國是世界上最缺水的國家之一，人均水資源不到世界平均數(shù)的1/4。而現(xiàn)實的情況是，我們對水資源的浪費十分嚴(yán)重。增強(qiáng)節(jié)水意識，對我們來說，就顯得更為緊迫。因此，增加節(jié)水資金投入不但為可持續(xù)發(fā)展所必需，而且具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。（二）組員具備的專業(yè)素質(zhì)、能力及獲獎情況吳風(fēng)雷：兩次三等獎學(xué)金，參加過電子學(xué)院創(chuàng)新實驗室助理選拔，電子設(shè)計大賽培訓(xùn)；參加過飛思卡爾智能車大賽，并獲得不錯成績；順利通過了金工實習(xí)。吳治賓：一次二等獎學(xué)金，一次三等獎學(xué)金，通過了計算機(jī)二級C，三級網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，四級軟

5、件測試工程師；參加過飛思卡爾智能車大賽；順利通過了金工實習(xí)。鄧盼盼：兩次三等獎學(xué)金，c語言優(yōu)秀。王秀英：國家勵志獎學(xué)金，一次二等獎學(xué)金，一次三等獎學(xué)金，團(tuán)學(xué)工作獎。（三）技術(shù)可行性論證1 針對以上問題我們設(shè)計了本項目。系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，以漏水的檢測模塊、人體紅外感應(yīng)模塊和聲音報警模塊為基本組成部分，構(gòu)成公廁沖水控制裝置。同時使用太陽能電池供電。（1）人體紅外線檢測模塊：利用熱釋電傳感器將人體輻射出來的特定波長的紅外線檢測到，并產(chǎn)生微弱的信號。然后經(jīng)運算放大器放大后傳給A/D轉(zhuǎn)換器。作為單片機(jī)進(jìn)行控制的依據(jù)。（2）漏水檢測模塊： 采用流量傳感器檢測沖水時間。當(dāng)沖水器長時間沖水時，單片機(jī)根據(jù)接收

6、到的信號設(shè)定時間，超過后即發(fā)出報警信號。（3）聲音報警模塊： 當(dāng)接收到單片機(jī)的報警指令后，即刻發(fā)出報警聲音，以示提醒。（4）單片機(jī)控制模塊：對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，然后發(fā)出指令，控制整個系統(tǒng)從難易程度出發(fā)，我們組被分成四部分，由于吳風(fēng)雷和吳治賓已經(jīng)多次做過項目，所以單片機(jī)部分就由他們負(fù)責(zé)，其中包括單片機(jī)C語言編程的外圍電路。王秀英負(fù)責(zé)聲音報警電路，鄧盼盼和陳杰負(fù)責(zé)長時間沖水檢測電路。前期，我們準(zhǔn)備進(jìn)行資料的收集，分析原理電路圖以及器件的特性；后期進(jìn)行項目的研究制作。最終使項目達(dá)到預(yù)期的效果。本系統(tǒng)適用于各種公共場所內(nèi)的廁所。對小便池節(jié)水系統(tǒng)提供實時，智能監(jiān)控。當(dāng)人進(jìn)入感應(yīng)范圍后，自動沖水系統(tǒng)第一次進(jìn)行

7、沖水，離開后進(jìn)行第二次沖水。第一次沖水量少，第二次沖水量多，采用單片機(jī)進(jìn)行控制完全可以做到。我們組已經(jīng)有人學(xué)過單片機(jī)，再加上其他人的自學(xué)對于單片機(jī)控制這一塊應(yīng)該沒有問題。另外由于某些原因造成漏水的情況，采用流量傳感器進(jìn)行檢測，一旦出現(xiàn)上述情況，單片機(jī)發(fā)出指令控制聲音報警（長時間）提示。對于小便不入池的情況，通過調(diào)節(jié)被動式紅外感應(yīng)器的感應(yīng)范圍和距離解決。同時單片機(jī)發(fā)出指令控制聲音報警（短時間）。我們這學(xué)期學(xué)習(xí)傳感器與檢測技術(shù)，同時我們準(zhǔn)備購買水流量傳感器，人體紅外感應(yīng)器和太陽能電池（12V）（很多公司出售可以買到）。所采用模塊的技術(shù)國內(nèi)已經(jīng)很成熟，完全可以達(dá)到預(yù)期效果。我們有能力完成該項目。2.

8、系統(tǒng)功能模塊介紹： （1）. 人體紅外線檢測模塊： 人體有恒定的體溫，一般在37，所以會發(fā)出特定波長10um左右的紅外線，紅外探頭就是靠探測人體發(fā)射的紅外線而進(jìn)行工作的。人體發(fā)射的紅外線，通過菲涅爾濾光片增強(qiáng)后，聚集到紅外感應(yīng)源上。紅外感應(yīng)源通常采用熱釋電元件，這種元件在接受到人體紅外輻射時，就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續(xù)電路經(jīng)檢測處理后就能產(chǎn)生輸出信號（如圖一）。整個人體紅外感應(yīng)模塊包括熱釋電型傳感器，菲涅爾透鏡，帶通放大器，比較器，光控電路，延時電路，輸出電路等。采用上下兩套電路板，上邊的感應(yīng)器感應(yīng)角度和距離范圍大，下邊的感應(yīng)器感應(yīng)的角度和距離小，只有兩個感應(yīng)器都感應(yīng)有人在，說明有人

9、已站在小便池前面，這時才開始沖水。如果只有上邊的感應(yīng)器感應(yīng)到人且超過4秒，說明有人已站在小便池前面，但距離有點遠(yuǎn)，這時聲音報警模塊報警，作為提示。菲涅爾透鏡 透鏡的作用是將人體輻射的紅外線聚集，集中，以提高探測靈敏度（如圖一）。圖一 菲涅爾透鏡熱釋電傳感器 傳感器的功能是將人體輻射出來的特定波長的紅外線檢測到，并產(chǎn)生微弱的信號。（如圖二）圖二 熱釋電傳感器.帶通放大器 由于熱釋電傳感器輸出的電脈沖信號幅度很?。▋H1mV左右），其頻率在0.310Hz左右（該頻率視人體的移動速度而定），是超低頻信號，因此，需要高增益低噪聲，低頻帶通放大器進(jìn)行高增益放大處理后，才能送到下一級電路。放大器的增益大約在

10、70-75dB數(shù)量級。.比較器 為了有效地抑制噪聲干擾，提高模塊的工作可靠性，降低誤動作的概率，感應(yīng)模塊內(nèi)設(shè)置了電壓比較器。電壓比較器一般采用雙限窗口比較器，它有一個門限電壓，設(shè)為靜態(tài)噪聲的5倍。.光控電路 光控電路的作用是利用光敏電阻對光敏感的特性，對輸入到比較器的信號進(jìn)行控制。在白天，光敏電阻受到光線的照射，阻值變的很小，如果將該很小的電阻值接在比較器的輸入端，比較器的輸入信號幅度永遠(yuǎn)達(dá)不到閥值信號所需要的跳變值，所以，比較器就沒有輸出。相反，在晚間，光敏電阻不受光的照射，阻值變的很大，幾乎度比較器的輸入信號不起作用。這就起到了光控作用目的。.延遲電路 延時電路有兩種：一種是可重復(fù)觸發(fā)的單

11、穩(wěn)態(tài)延時電路，只要電壓比較器有不斷的信號輸出（其實就是在感應(yīng)模塊感應(yīng)范圍內(nèi)，有人不斷地走動或出現(xiàn)，消失），單穩(wěn)延時電路被不斷地重新觸發(fā)，輸出端保持有效電平，直到最后一個觸發(fā)脈消失后，再延長一個單穩(wěn)時間。 第二種延時電路是用兩個單穩(wěn)電路，其目的是提高延時電路的工作可靠性。其原理是：當(dāng)比較器輸出脈沖信號時，第一個觸發(fā)器被觸發(fā)，第一個單穩(wěn)態(tài)電路，使其進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，兩個單穩(wěn)電路的輸出一起送下一級電路處理。.輸出電路 根據(jù)執(zhí)行電路的不同，紅外線感應(yīng)模塊可以輸出高電平延時脈沖，也可以輸出低電平延時脈沖；甚至輸出標(biāo)準(zhǔn)的脈沖波形。需要對比較器電路輸出的信號進(jìn)行整形處理。圖三 傳感器內(nèi)部流程圖圖四 熱釋電紅外傳感

12、器內(nèi)部結(jié)構(gòu)與特性分析.熱釋電人體感應(yīng)電路：（如圖五）圖五 熱釋電人體感應(yīng)電路該電路采用LN074B作探頭。當(dāng)探頭接收到人體釋放的熱釋紅外信號后，由控頭內(nèi)部轉(zhuǎn)換成一個頻率約0.33Hz微弱的低頻信號，經(jīng)VT1、IC2兩級放大器放大后輸入電壓比較器IC3。兩級電壓放大采用直流放大器，總增益約7075分貝。IC3等組成電壓比較器，其中RP為參考電壓調(diào)節(jié)電位器，用來調(diào)節(jié)電路靈敏度，也就是探測范圍。平時，參考電壓（IC3的（2）腳電壓）高于IC2的輸入電壓（IC3的（3）腳電壓），IC3輸出低電平。當(dāng)有人進(jìn)入探測范圍時，探頭輸出探測電壓，經(jīng)VT1和IC2放大后使信號輸出電壓高于參考電壓，這時IC3的（6

13、）腳輸出高電平，三極管VT2導(dǎo)通，繼電器J1能電吸合，接通開關(guān)。  電路中VT3、C7、R8、R10組成開機(jī)延時電路。當(dāng)開機(jī)時，開機(jī)人的感應(yīng)會使IC3輸出高電平，造成誤觸發(fā)。開機(jī)延時電路在開機(jī)的瞬間，由電容C7的充電作用而使VT3導(dǎo)通，這樣就使IC3輸出的高電平經(jīng)VT3通地，VAT2可以保持截狀態(tài)，防止了開機(jī)誤觸發(fā)。開機(jī)延時時間由C7與R8的時間常數(shù)決定，約20秒。  元件選用熱釋紅外探頭選用LN074B型。IC2、IC3選用高輸入阻抗的運算放大器CA3140。該電路采用結(jié)型場效應(yīng)管作差分輸入級，輸入阻抗高達(dá)1.5*10(12)歐，輸入失調(diào)電流僅0.5pA，頻帶寬達(dá)4.5M

14、Hz，轉(zhuǎn)換速率為9V/us，是一種性能十分優(yōu)良的運算放大器，很適合于作微弱信號的放大級。  探頭安裝在高度距離地面為1-2米左右。外殼設(shè)計時應(yīng)使透鏡對地面呈13度左右的俯角，這樣就可以形成一個監(jiān)視區(qū)。由于探測器控制角只有86度左右，所以在安裝時應(yīng)選擇最優(yōu)良角度，使死區(qū)盡量減小。(2). 漏水檢測模塊：采用一個流量傳感器（如圖六）。若紅外傳感器沒有動作，而流量傳感器有輸出，即說明有漏水。主要采用水流量傳感器來檢測水流，燃后輸出電量信號給單片機(jī)。水流量傳感器是利用霍爾元件的霍爾效應(yīng)來測量磁性物理量。在霍爾元件的正極串入負(fù)載電阻，同時通上5V的直流電壓并使電流方向與磁場方向正交。當(dāng)水通過渦

15、輪開關(guān)殼推動磁性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，產(chǎn)生不同磁極的旋轉(zhuǎn)磁場，切割磁感應(yīng)線，產(chǎn)生高低脈沖電平。由于霍爾元件的輸出脈沖信號頻率與磁性轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速又與水流量成正比，其脈沖信號頻率的經(jīng)驗公式見式(1)。f=81q-3 (1)式中：f脈沖信號頻率，H2q水流量，Lmin由水流量傳感器的反饋信號通過控制器判斷水流量的值圖六 水流傳感器實物圖水流量傳感器主要由銅閥體、水流轉(zhuǎn)子組件、穩(wěn)流組件和霍爾傳感器組成。當(dāng)水流通過水流轉(zhuǎn)子組件時，磁性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動并且轉(zhuǎn)速隨著流量的變化而成線性變化。霍爾傳感器（霍爾元件采樣）輸出相應(yīng)的脈沖信號，反饋給單片機(jī)控制器。(3) .聲音報警模塊：（如圖七） 圖七 聲音報警電路

16、如圖為聲音報響電路，該電路由單穩(wěn)延時電路、驅(qū)動電路、蜂鳴器、發(fā)光二極管等組成。當(dāng)加上電壓時，將通過二級管加到555（8）腳，使電容器通過C3通過R1進(jìn)行充電。隨著充電的進(jìn)行，腳電位上升，當(dāng)腳電位達(dá)到2/3VDD，555發(fā)生翻轉(zhuǎn)，腳輸出的低電平使BG導(dǎo)通相應(yīng)驅(qū)動LED發(fā)光，蜂鳴器發(fā)聲來提醒。電路中燈亮的時間長短即對應(yīng)電路的延遲時間，可通過調(diào)節(jié)時間常數(shù)R1C3來進(jìn)行改變。(4). 單片機(jī)控制模塊： 利用單片機(jī)AT89C51 和A/D 轉(zhuǎn)換器件等構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)， 首先將采集到的數(shù)據(jù)送入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換， 再將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送入單片機(jī)AT89C51（5）.本系統(tǒng)使用太陽能電池供電。適用12V

17、小型太陽能系統(tǒng)，具有強(qiáng)充和浮充的兩段式充電方式具有溫度補償功能。對蓄電池具有過充和過放保護(hù)具有全面的電子保護(hù)：過載，短路，過流,反接保護(hù)。三只LED指示燈，顯示充電和放電的不同狀態(tài)。所有PCB板采用三防處理（防潮，防腐蝕，防銹）。安裝簡單，方便。如圖八圖八 太陽能電池3.本系統(tǒng)的工作框圖如圖九所示：圖九 單片機(jī)工作框圖硬件電路原理如圖十所示：圖十 硬件電路原圖4本采集系統(tǒng)的程序主要分成三部分：主程序、AD 轉(zhuǎn)換程序和串行通信程序。圖4 所示是其軟件流程圖。其中主程序是總的控制程序，主要實現(xiàn)各單元初始化、控制采樣和中斷等： AD 轉(zhuǎn)換程序主要完成采樣啟動、數(shù)據(jù)保存等功能；串行通信程序則用來在有上

18、位PC 通過串行口發(fā)送數(shù)據(jù)到單片機(jī)時引發(fā)中斷響應(yīng)，也可通過PC 機(jī)通信地址和本單片機(jī)地址是否相符來判斷PC 機(jī)是否和本單片機(jī)通信，如果地址相符，則發(fā)送AD 采樣的結(jié)果給上位機(jī)，如果不相符，則跳出中斷。串行中斷和AD 轉(zhuǎn)換部分的系統(tǒng)軟件流程圖如下圖十一 軟件流程圖本系統(tǒng)由四部分組成：人體紅外檢測模塊，漏水檢測模塊，聲音報警模塊，單片機(jī)控制模塊。從難易程度出發(fā)，我們組被分成四部分，由于吳風(fēng)雷和吳治賓已經(jīng)初步學(xué)習(xí)了單片機(jī)，所以單片機(jī)部分就由他們負(fù)責(zé)，其中包括單片機(jī)C語言編程的外圍電路。王秀英負(fù)責(zé)聲音報警電路，鄧盼盼和陳杰負(fù)責(zé)長時間沖水檢測電路。前期，我們準(zhǔn)備進(jìn)行資料的收集，分析原理電路圖以及器件的特

19、性；后期進(jìn)行項目的研究制作。最終使項目達(dá)到預(yù)期的效果。二、項目研究內(nèi)容（一）研究內(nèi)容提要 . 本課題是基于單片機(jī)的智能沖廁節(jié)水裝置的研究。系統(tǒng)采用單片機(jī)控制，多個小便池整體智能控制即單片機(jī)的多節(jié)點控制。1. 提高公共廁所內(nèi)小便池節(jié)水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確度。2. 對公共廁所內(nèi)小便池漏水造成水資源的大量浪費進(jìn)行智能檢測。3. 公共廁所內(nèi)有一些人小便不入池，對此采用聲音報警器提醒。鑒于以上目標(biāo)，采用單片機(jī)綜合控制，太陽能電池供電。整個電路分為四個部分：1）. 單片機(jī)外圍接口模塊 2）. 漏水檢測模塊 3）人體紅外檢測模塊4 ）聲音報警模塊。（二）國內(nèi)外本項目的研究狀況 關(guān)于智能沖廁節(jié)水系統(tǒng)的研究在國內(nèi)

20、外層出不窮。如Visign推出的電子沖廁控制系統(tǒng)，靈敏度高，不用手觸，亦可控制兩種不同的沖水量，智能環(huán)保的設(shè)計，亦能有效避免細(xì)菌的傳播. 福州科源節(jié)能設(shè)備有限公司生產(chǎn)的溝槽式公廁節(jié)水裝置，是在原自動水箱的進(jìn)水管上加裝一個電磁閥，在公廁大便槽或小便槽入口處天花板上安裝紅外傳感器，紅外傳感器對現(xiàn)場進(jìn)行自動探測，當(dāng)有人進(jìn)入公廁后，紅外傳感器將探測到的信號送到控制箱，控制箱內(nèi)的微電腦在進(jìn)行預(yù)定的程序處理后發(fā)出指令，控制電磁閥往自動水箱里注水進(jìn)行沖洗，如果沒有人進(jìn)入公廁，整個系統(tǒng)將“按兵不動”，始終不會沖洗。這樣就實現(xiàn)了“無人值守，自動管理，有人則沖，無人則?！钡男l(wèi)生、節(jié)水的使用效果。中山市威歐電子有限

21、公司生產(chǎn)的供應(yīng)智能環(huán)保免水可沖廁所 全自動感應(yīng)式水箱，是我公司引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)而開發(fā)設(shè)計，具備先進(jìn)又實用的特點，由感應(yīng)器自動完成沖水，無需接觸水箱，可有效避免細(xì)菌交叉感染。是一款功能齊全，節(jié)水效果良好新一代衛(wèi)浴產(chǎn)品。在現(xiàn)實生活中，小便池隨處可見，但是由于人們沒有很好的愛護(hù)公廁的內(nèi)部環(huán)境，不但造成水資源的浪費，而且還常常小便不入池，造成氣味難聞?？v觀國內(nèi)外的智能沖廁產(chǎn)品，可以發(fā)現(xiàn)這些產(chǎn)品都朝著一個方向發(fā)展，即環(huán)保與節(jié)水。有的公司已經(jīng)生產(chǎn)智能免水沖廁產(chǎn)品，大連格瑞爾環(huán)保技術(shù)開發(fā)有限公司生產(chǎn)的智能控制單袋可降解膜封裝式座便器可廣泛應(yīng)用在（移動）環(huán)保公廁和載人移動工具上。因此我國也加大對節(jié)能環(huán)保潔廁的研究，努力營造一個舒適環(huán)保節(jié)水的廁所環(huán)境。（三）項目的創(chuàng)新點 1、對小便池兩次沖水的控制更加科學(xué)，比普通感應(yīng)式控制器更節(jié)水。 2、提高公民在公共廁所內(nèi)小便入池的自覺性。 3、提高節(jié)水裝置實際使用的精確度，解決當(dāng)人路過小便池前時，小便池可能會誤沖水的問題4、 對小便池漏水進(jìn)行實時智能監(jiān)控。 5、系統(tǒng)采用太陽能電池供電，不受停電的影響，能夠持續(xù)保證沖水。三、項目進(jìn)度安排2010.5.12010.7.1 詳細(xì)查找有關(guān)資料，并進(jìn)行分析整理2010.7