22基于单片机的智能节水系统

编号： 22 校级大学生创新性实验计划项目 申 报 书 项 目 名 称： 基于单片机的智能节水系统 申 请 者： 吴风雷 所 在 院 系： 电子学院电气工程系 专 业 年 级： 07 级自动化专业 指 导 教 师： 刘苏南 起 止 时 间： 2010.5.12011.4.1 联 系 电 话：电 子 信 箱： 申 报 时 间： 2010.5.17 1 安徽大学教务处制表 项目名称 基于单片机的智能节水系统 申请经费 2000 起止时间 2010.5.12011.4.1 学号 姓名 年级 所在院系、专 业 联系电话 E-mail 负 责 人 P40714071 吴风雷 07 电院、自动化wufenglei456163.co m P40714087 吴治宾 07 电院、自动化824308168 P40714086 陈杰 07 电院、自动化897916777 P40714011 邓盼盼 07 电院、自动化534779771 参 加 成 员 P40714025 王秀英 07 电院、自动化 1585519759 893462503 姓 名 职 称 所在院系 联系电话 E-mail指 导 老 师 刘苏南 副教授 电子学院 2 一、项目申请理由 （一）项目背景 本项目是对公共厕所的小便池冲水系统进行改进。解决下述三个问题： 1、原有的冲水系统有明显的浪费水资源的情况。比如两次冲水的水量一样 多；当有人近距离路过时，可能误冲水。这可能是由于原有的电路主要采用模 电完成，时间长以后造成节水装置性能不稳定。两次冲水的水量都会增加。这 样造成水资源的浪费。 2、节水装置异常或损坏后小便池漏水，造成浪费。 3、许多人小便不入池，如果长时间不用水冲洗的话，造成厕所内有异味， 环境极差。 本项目的设计是以现行传统的节水器为基础，以单片机为核心，进行多节点控 制。整体由三部分电路模块装置组成：控制小便池红外节水装置，漏水检测装 置，声音报响装置。一方面能够比较准确的控制小便池的冲水量和冲水时间； 另一方面也能够对漏水进行实时监控，如果出现问题，声音报响装置启动发出 声音提醒，避免水资源浪费；同时还能提示人们小便入池，保持公共厕所的清 洁。 本项目归根结底是为了节约水资源。 水是生命之源，是人类赖以生存的最珍贵的资源。由于近代世界人口急剧膨 3 胀，现在仍以每日 20 万或每年 7000 万的速度增长，全世界耗水量在 20 世纪增 加了 6 倍，加之工业化现代化对生态环境带来的负面影响，水的污染严重，地 球上的水资源日益紧缺。目前，已有 100 多个国家缺水。水荒不仅成为许多国 家经济发展的严重障碍，而且严重地威胁到人类的生活、健康与生命。我国是 世界上最缺水的国家之一，人均水资源不到世界平均数的 1/4。而现实的情况 是，我们对水资源的浪费十分严重。增强节水意识，对我们来说，就显得更为 紧迫。 因此，增加节水资金投入不但为可持续发展所必需，而且具有明显的经济 效益。 （二）组员具备的专业素质、能力及获奖情况 吴风雷：两次三等奖学金，参加过电子学院创新实验室助理选拔，电子设计大 赛培训；参加过飞思卡尔智能车大赛，并获得不错成绩；顺利通过了金工实习。 吴治宾：一次二等奖学金，一次三等奖学金，通过了计算机二级 C，三级网络 技术，四级软件测试工程师；参加过飞思卡尔智能车大赛；顺利通过了金工实 习。 邓盼盼：两次三等奖学金，c 语言优秀。 王秀英：国家励志奖学金，一次二等奖学金，一次三等奖学金，团学工作奖。 （三）技术可行性论证 1 针对以上问题我们设计了本项目。系统以单片机为核心，以漏水的检 测模块、人体红外感应模块和声音报警模块为基本组成部分，构成公厕冲水控 制装置。同时使用太阳能电池供电。 （1）人体红外线检测模块：利用热释电传感器将人体辐射出来的特定波长 的红外线检测到，并产生微弱的信号。然后经运算放大器放大后传给 A/D 转换器。作为单片机进行控制的依据。 （2）漏水检测模块： 采用流量传感器检测冲水时间。当冲水器长时间冲 水时，单片机根据接收到的信号设定时间，超过后即发出报警信号。 （3）声音报警模块： 当接收到单片机的报警指令后，即刻发出报警声音， 以示提醒。 （4）单片机控制模块：对数据进行分析，然后发出指令，控制整个系统 从难易程度出发，我们组被分成四部分，由于吴风雷和吴治宾已经多次做过项 目，所以单片机部分就由他们负责，其中包括单片机 C 语言编程的外围电路。 王秀英负责声音报警电路，邓盼盼和陈杰负责长时间冲水检测电路。前期，我 们准备进行资料的收集，分析原理电路图以及器件的特性；后期进行项目的研 究制作。最终使项目达到预期的效果。本系统适用于各种公共场所内的厕所。 对小便池节水系统提供实时，智能监控。当人进入感应范围后，自动冲水系统 第一次进行冲水，离开后进行第二次冲水。第一次冲水量少，第二次冲水量多， 采用单片机进行控制完全可以做到。我们组已经有人学过单片机，再加上其他 人的自学对于单片机控制这一块应该没有问题。另外由于某些原因造成漏水的 情况，采用流量传感器进行检测，一旦出现上述情况，单片机发出指令控制声 音报警（长时间）提示。对于小便不入池的情况，通过调节被动式红外感应器 4 的感应范围和距离解决。同时单片机发出指令控制声音报警（短时间） 。我们这 学期学习传感器与检测技术，同时我们准备购买水流量传感器，人体红外感应 器和太阳能电池（12V） （很多公司出售可以买到） 。所采用模块的技术国内已经 很成熟，完全可以达到预期效果。我们有能力完成该项目。 2.系统功能模块介绍： （1）. 人体红外线检测模块： 人体有恒定的体温，一般在 37，所以会发出特定波长 10um 左右的红外 线，红外探头就是靠探测人体发射的红外线而进行工作的。人体发射的红外线， 通过菲涅尔滤光片增强后，聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电 元件，这种元件在接受到人体红外辐射时，就会失去电荷平衡，向外释放电荷， 后续电路经检测处理后就能产生输出信号（如图一） 。整个人体红外感应模块包 括热释电型传感器，菲涅尔透镜，带通放大器，比较器，光控电路，延时电路， 输出电路等。 采用上下两套电路板，上边的感应器感应角度和距离范围大，下边的感应 器感应的角度和距离小，只有两个感应器都感应有人在，说明有人已站在小便 池前面，这时才开始冲水。如果只有上边的感应器感应到人且超过 4 秒，说明 有人已站在小便池前面，但距离有点远，这时声音报警模块报警，作为提示。 菲涅尔透镜 透镜的作用是将人体辐射的红外线聚集，集中，以提 高探测灵敏度（如图一） 。 图一 菲涅尔透镜 热释电传感器 传感器的功能是将人体辐射出来的特定波长的红 外线检测到，并产生微弱的信号。 （如图二） 5 图二 热释电传感器 .带通放大器 由于热释电传感器输出的电脉冲信号幅度很小（仅 1mV 左右） ，其频率在 0.310Hz 左右（该频率视人体的移动速度而定） ，是超 低频信号，因此，需要高增益低噪声，低频带通放大器进行高增益放大处理后， 才能送到下一级电路。放大器的增益大约在 70-75dB 数量级。 .比较器 为了有效地抑制噪声干扰，提高模块的工作可靠性，降低 误动作的概率，感应模块内设置了电压比较器。电压比较器一般采用双限窗口 比较器，它有一个门限电压，设为静态噪声的 5 倍。 .光控电路 光控电路的作用是利用光敏电阻对光敏感的特性，对输 入到比较器的信号进行控制。在白天，光敏电阻受到光线的照射，阻值变的很 小，如果将该很小的电阻值接在比较器的输入端，比较器的输入信号幅度永远 达不到阀值信号所需要的跳变值，所以，比较器就没有输出。相反，在晚间， 光敏电阻不受光的照射，阻值变的很大，几乎度比较器的输入信号不起作用。 这就起到了光控作用目的。 .延迟电路 延时电路有两种：一种是可重复触发的单稳态延时电路， 只要电压比较器有不断的信号输出（其实就是在感应模块感应范围内，有人不 断地走动或出现，消失） ，单稳延时电路被不断地重新触发，输出端保持有效电 平，直到最后一个触发脉消失后，再延长一个单稳时间。 第二种延时电路是用两个单稳电路，其目的是提高延时电路的工作可靠性。 其原理是：当比较器输出脉冲信号时，第一个触发器被触发，第一个单稳态电 路，使其进入暂稳态，两个单稳电路的输出一起送下一级电路处理。 .输出电路 根据执行电路的不同，红外线感应模块可以输出高电平 延时脉冲，也可以输出低电平延时脉冲；甚至输出标准的脉冲波形。需要对比 较器电路输出的信号进行整形处理。 图三 传感器内部流程图 6 图四 热释电红外传感器内部结构与特性分析 .热释电人体感应电路：（如图五） 图五 热释电人体感应电路 该电路采用 LN074B 作探头。当探头接收到人体释放的热释红外信号后，由 控头内部转换成一个频率约 0.33Hz 微弱的低频信号，经 VT1、IC2 两级放大器 放大后输入电压比较器 IC3。两级电压放大采用直流放大器，总增益约 7075 分贝。IC3 等组成电压比较器，其中 RP 为参考电压调节电位器，用来调节电路 灵敏度，也就是探测范围。平时，参考电压（IC3 的（2）脚电压）高于 IC2 的 输入电压（IC3 的（3）脚电压），IC3 输出低电平。当有人进入探测范围时， 探头输出探测电压，经 VT1 和 IC2 放大后使信号输出电压高于参考电压，这时 IC3 的（6）脚输出高电平，三极管 VT2 导通，继电器 J1 能电吸合，接通开关。 电路中 VT3、C7、R8、R10 组成开机延时电路。当开机时，开机人的感应 7 会使 IC3 输出高电平，造成误触发。开机延时电路在开机的瞬间，由电容 C7 的 充电作用而使 VT3 导通，这样就使 IC3 输出的高电平经 VT3 通地，VAT2 可以保 持截状态，防止了开机误触发。开机延时时间由 C7 与 R8 的时间常数决定，约 20 秒。 元件选用热释红外探头选用 LN074B 型。IC2、IC3 选用高输入阻抗的运算 放大器 CA3140。该电路采用结型场效应管作差分输入级，输入阻抗高达 1.5*10(12)欧，输入失调电流仅 0.5pA，频带宽达 4.5MHz，转换速率为 9V/us，是一种性能十分优良的运算放大器，很适合于作微弱信号的放大级。 探头安装在高度距离地面为 1-2 米左右。外壳设计时应使透镜对地面呈 13 度左右的俯角，这样就可以形成一个监视区。由于探测器控制角只有 86 度 左右，所以在安装时应选择最优良角度，使死区尽量减小。 (2). 漏水检测模块： 采用一个流量传感器（如图六） 。若红外传感器没有动作，而流量传感器有输 出，即说明有漏水。 主要采用水流量传感器来检测水流，燃后输出电量信号给单片机。 水流量传感器是利用霍尔元件的霍尔效应来测量磁性物理量。在霍尔元件的 正极串入负载电阻，同时通上 5V 的直流电压并使电流方向与磁场方向正交。当 水通过涡轮开关壳推动磁性转子转动时，产生不同磁极的旋转磁场，切割磁感 应线，产生高低脉冲电平。由于霍尔元件的输出脉冲信号频率与磁性转子的转 速成正比，转子的转速又与水流量成正比， 其脉冲信号频率的经验公式见式(1)。 f=81q-3 (1) 式中：f脉冲信号频率，H2 q水流量，Lmin 由水流量传感器的反馈信号通过控制器判断水流量的值 图六 水流传感器实物图 水流量传感器主要由铜阀体、水流转子组件、稳流组件和霍尔传感器组成。当 水流通过水流转子组件时，磁性转子转动并且转速随着流量的变化而成线性变 化。霍尔传感器（霍尔元件采样）输出相应的脉冲信号，反馈给单片机控制器。 (3) .声音报警模块：（如图七） 8 图七 声音报警电路 如图为声音报响电路，该电路由单稳延时电路、驱动电路、蜂鸣器、发光 二极管等组成。当加上电压时，将通过二级管加到 555（8）脚，使电容器通过 C3 通过 R1 进行充电。随着充电的进行，脚电位上升，当脚电位达到 2/3VD D，555 发生翻转，脚输出的低电平使 BG 导通相应驱动 LED 发光，蜂鸣器 发声来提醒。电路中灯亮的时间长短即对应电路的延迟时间，可通过调节时间 常数 R1C3 来进行改变。 (4). 单片机控制模块： 利用单片机AT89C51 和A/D 转换器件等构成的数据采集系统， 首先将采集到的数据送入A/D转换器进行数据转换， 再将转换后的数据送 入单片机AT89C51 （5）.本系统使用太阳能电池供电。 适用12V小型太阳能系统，具有强充和浮充的两段式充电方式具有温度补偿 功能。对蓄电池具有过充和过放保护具有全面的电子保护：过载，短路，过流, 反接保护。三只LED指示灯，显示充电和放电的不同状态。所有PCB板采用三防 处理（防潮，防腐蚀，防锈） 。安装简单，方便。如图八 9 图八 太阳能电池 3.本系统的工作框图如图九所示： 图九 单片机工作框图 硬件电路原理如图十所示： 10 图十 硬件电路原图 4本采集系统的程序主要分成三部分： 主程序、AD 转换程序和串行通信程序。图4 所示是其软件流程图。其中 主程序 是总的控制程序，主要实现各单元初始化、控制采样和中断等： AD 转换程 序 主要完成采样启动、数据保存等功能；串行通信程序则用来在有上位PC 通过串 行口发送数据到单片机时引发中断响应，也可通过PC 机通信地址和本单片机地 址是否相符来判断PC 机是否和本单片机通信，如果地址相符，则发送AD 采 样 的结果给上位机，如果不相符，则跳出中断。串行中断和AD 转换部分的系统 软件流程图如下 11 图十一 软件流程图 本系统由四部分组成：人体红外检测模块，漏水检测模块，声音报警模块，单 片机控制模块。从难易程度出发，我们组被分成四部分，由于吴风雷和吴治宾 已经初步学习了单片机，所以单片机部分就由他们负责，其中包括单片机 C 语 言编程的外围电路。王秀英负责声音报警电路，邓盼盼和陈杰负责长时间冲水 检测电路。前期，我们准备进行资料的收集，分析原理电路图以及器件的特性； 后期进行项目的研究制作。最终使项目达到预期的效果。 12 二、项目研究内容 （一）研究内容提要 . 本课题是基于单片机的智能冲厕节水装置的研究。系统采用单片机控制， 多个小便池整体智能控制即单片机的多节点控制。 1. 提高公共厕所内小便池节水系统的稳定性和精确度。 2. 对公共厕所内小便池漏水造成水资源的大量浪费进行智能检测。 3. 公共厕所内有一些人小便不入池，对此采用声音报警器提醒。 鉴于以上目标，采用单片机综合控制，太阳能电池供电。整个电路分为四 个部分：1）. 单片机外围接口模块 2）. 漏水检测模块 3）人体红外检测 模块 4 ）声音报警模块。 （二）国内外本项目的研究状况 关于智能冲厕节水系统的研究在国内外层出不穷。如 Visign 推出的电子冲 厕控制系統，灵敏度高，不用手触，亦可控制两种不同的沖水量，智能环保的 设计，亦能有效避免细菌的传播. 福州科源节能设备有限公司生产的沟槽式公 厕节水装置，是在原自动水箱的进水管上加装一个电磁阀，在公厕大便槽或小 便槽入口处天花板上安装红外传感器，红外传感器对现场进行自动探测，当有 人进入公厕后，红外传感器将探测到的信号送到控制箱，控制箱内的微电脑在 进行预定的程序处理后发出指令，控制电磁阀往自动水箱里注水进行冲洗，如 果没有人进入公厕，整个系统将“按兵不动” ，始终不会冲洗。这样就实现了 “无人值守，自动管理，有人则冲，无人则停”的卫生、节水的使用效果。中 山市威欧电子有限公司生产的供应智能环保免水可冲厕所 全自动感应式水箱， 是我公司引进国外先进技术而开发设计，具备先进又实用的特点，由感应器自 动完成冲水，无需接触水箱，可有效避免细菌交叉感染。是一款功能齐全，节 水效果良好新一代卫浴产品。 在现实生活中，小便池随处可见，但是由于人们没有很好的爱护公厕的内部 环境，不但造成水资源的浪费，而且还常常小便不入池，造成气味难闻。纵观 国内外的智能冲厕产品，可以发现这些产品都朝着一个方向发展，即环保与节 水。有的公司已经生产智能免水冲厕产品，大连格瑞尔环保技术开发有限公司 生产的智能控制单袋可降解膜封装式座便器可广泛应用在（移动）环保公厕和 载人移动工具上。因此我国也加大对节能环保洁厕的研究，努力营造一个舒适 环保节水的厕所环境。 （三）项目的创新点 1、对小便池两次冲水的控制更加科学，比普通感应式控制器更节水。 2、提高公民在公共厕所内小便入池的自觉性。 3、提高节水装置实际使用的精确度，解决当人路过小便池前时，小便池可 能会误冲水的问题 4、对小便池漏水进行实时智能监控。 5、系统采用太阳能电池供电，不受停电的影响，能够持续保证冲水。 13 三、项目进度安排 2010.5.12010.7.1 详细查找有关资料，并进行分析整理 2010.