智能卫生间控制系统

合肥学院第七届电子设计竞赛报告合肥学院第七届电子设计竞赛报告 作品名称 作品名称 智能卫生间控制系统智能卫生间控制系统 学校全称 学校全称 合合 肥肥 学学 院院 系别班级 系别班级 电子系电子系08级级 队员姓名 队员姓名 电子电子 2 班班 张浩忠张浩忠 电子电子 2 班班 王笑康王笑康 电子 电子 3 班 班 韩韩 冰冰 1 智能卫生间控制系统 智能卫生间控制系统 20112011 年年 A A 题 题 摘摘 要要 本智能卫生间控制系统采用 AVR 系列 8 位单片机 ATMEGA16 作为主控制器 通过对门上红外对管信号的采集 完成对有无人的智能判断 利用独立开关和 红外信号相结合的方式 实现了对洗手和冲厕水泵手动或自动双重控制的功能 根据对电位器两端电压信号的采集和判断 确定洗手水泵的工作时间 同时 采用蜂鸣器和发光二极管 对紧急情况进行声光报警 另外 在人性化设计方面 增加了自动烘手功能 在节水设计方面 通过 检测入厕状态的不同来控制冲厕水量的大小 在节能设计方面 将电磁铁与自 锁开关相结合 在短时间内让电磁铁闭合并松开来控制照明系统的工作状态 从而实现低功耗的目的 关键词关键词 智能卫生间 ATMEGA16 红外检测 节水 低功耗 2 1 1 引言引言 我国在 2000 年小康型城乡住宅科技产业工程项目实施方案 中 将建筑 智能化小康示范小区列入国家的发展方向 建设部要求到 2012 年 我国大中城 市中 60 的住宅要实现智能家居 目前 举国上下正掀起智能小区和智能住宅 的建筑热潮 智能化已渐入人心 住宅智能化给家居生活带来了许多便利 在 家居中 卫生间是一个不可或缺的重要空间 卫生间与人的关系极为密切 智 能技术的引入将使住宅卫生间更显人性化 本次设计完成的智能卫生间控制系 统满足如下要求 1 基本要求 该系统能够自动识别房间有人和无人 并且根据有人和无人的情况 分 别让不同的设备开启或关闭 房间有人时 a 红外检测有人时 有人指示灯 亮 并点亮照明系统 b 冲厕开关与 GND 短接时 冲厕水泵开启 3 秒断开 两次冲厕时间间隔 10 秒 c 洗手开关与 GND 短接时 洗手水泵开启 3 7 秒断开 两次洗手时间间 隔 7 秒 d 内风机转 全功率工作 房间无人状态下 a 红外检测无人时 无人指示灯 亮 照明系统不工作 b 内风机转 半功率工作 用一个可调电阻 来调节洗手时间 0 4 秒 报警开关与 GND 短接时 蜂鸣器响 2 发挥部分 如果在有人时 没有按下冲厕开关 当人离开后 进行自动冲厕 可添加一个拨码开关 用于控制是否可以重复洗手 能实现自动冲水洗手 其他 2 2 方案设计方案设计 2 12 1 设计思路设计思路 本系统是采集外部不同输入信号来控制系统的输出工作方式 对硬件和软 件都有严格要求 在硬件部分 负责红外检测驱动电路和继电器或电磁铁驱动 电路设计 在软件部分 负责采集开关或红外输入信号 经过计算以及判断 进而控制继电器或电磁铁来实现对外部设备的控制 系统总体结构图见附录 1 所示 本次设计的重点在于硬件驱动电路和软件的编程 2 22 2 方案比较与选择方案比较与选择 2 2 12 2 1 系统控制器方案选择系统控制器方案选择 方案一 采用 51 系列 8 位单片机 AT89S52 为控制器 利用其采集外部信号 3 数据输入 通过控制 A D 转换器 ACD0809 采集电位器两端电压来确定洗手时间 利用控制继电器来选择不同的电压 进而让内风机在不同功率下工作 方案二 以 AVR 系列 8 位单片机 ATMEGA16 为主控制器 利用其自带的 10 位 A D 转换器来采集电压 利用其片内输出比较模式 CTC 分别产生占空比 0 的 PWM 波和占空比 50 的 PWM 波来控制内风机的工作模式 通过上述的分析中可以看出 利用 AT89S52 单片机需要使用外部 A D 转换 器 增加了系统硬件的复杂性 而 ATMEGA16 单片机片内集成 A D 装换器 硬件 简单 同时 ATMEGA16 单片机具有 PWM 波生产功能 利用其可以很好的控制内风 机的工作 鉴于此 我们选择方案二 2 2 22 2 2 人体感应传感器选择人体感应传感器选择 方案一 采用热释电传感器 采用此传感器构成的人体感应模块在人进入 其感应范围时输出高电平 当人离开感应范围后则自动延时关闭高电平 输出 低电平 根据电平的高低来进行有无人的判断 方案二 采用红外对管传感器 将此传感器安置在门上 当人在其检测范 围时 输出高电平 反之则立即输出低电平 控制器根据电平的高低来进行有 无人的判断 方案一和方案二有一个明显的区别 就是当人离开感应范围后 方案一有 段延时时间 而方案二却没有 显然延时的时间就增加了系统控制的稳定性 所以我们选择方案二 2 2 32 2 3 内风机驱动电路选择内风机驱动电路选择 方案一 采用电机驱动芯片 L298 其内部含有双路 H 桥功率驱动电路 如 下图所示 图 1 H 桥功率驱动电路 若 IN1 端口为 PWM 波控制端 ENA 置常高 IN2 为常低 则可控制一路单向 直流电机 方案二 根据开关电源原理 采用大功率场效应管 配合相关驱动电路以 实现 PWM 波的功率输出 方案一中 BJT 为电流控制电流型的有源器件 集电极工作电压在饱和与截 止间跳变时 有功率损失 只利用一路 H 桥驱动电路 则资源利用率低 方案 二中场效应管为电压控制电流型器件 则功率损失低 由以上分析我们选择方案二 4 2 32 3 硬件电路设计硬件电路设计 本系统总体硬件电路实现见附录 2 各部分模块设计如下 2 3 12 3 1 检测电路设计检测电路设计 系统信号检测电路分为有无人检测电路 洗手检测电路 入厕检测电路和 干手检测电路 采用红外对管收发方式 配合其驱动电路来触发单片机 I O 口 从而判断相关信号 具体电路设计如下图所示 图 2 检测电路 当无检测状态产生时 比较器正向输入端电位大于阈值电压 比较器输出高电 平 当检测状态产生时 红外接收管接收到反射回来的红外光 其等效内阻变 小 比较器正向输入端电位小于阈值电压 输出低电平 其中有无人检测电路 采用高电平触发方式 2 3 22 3 2 各模块驱动电路设计各模块驱动电路设计 1 1 短时工作驱动电路 洗手水泵驱动电路 入厕水泵驱动电路和热风干手器驱动电路属于系统短时工 作驱动电路 采用继电器驱动方式 具体电路图如下图所示 图 3 短时工作驱动电路 当控制端置低电平时 PNP 管导通则继电器闭合 电机工作 2 2 长时工作驱动电路 照明系统控制电路属于系统长时工作电路 由电磁铁翕动自锁开关来控制照明 系统 具体电路图如下图所示 5 图 4 长时工作驱动电路 由于电磁铁工作在 12V 而控制器工作在 5V 采用光电耦合器实现了电平转换 3 3 内风机驱动电路 内风机工作于两种状态 即全功率状态和半功率状态 由 AVR 单片机产生 PWM 波并控制其占空比来实现 具体电路图 如下图所示 图 5 内风机驱动电路 图中将 NPN 型三极管 S9013 作为推动级来驱动大功率 N 沟道场效应管 IRF840 控制其通断 S9013 的发射极 基极饱和电压为 5V 与单片机工作电压相匹配 从而实现了电平转换 4 4 报警电路设计 采用有源蜂鸣器作为系统的报警声源 以低电平触发的方式设计如下电路 图 6 报警电路 2 3 32 3 3 电源模块设计 本系统工作于 DC12V 5V 和 AC220V 实测系统全功率工作状态下消耗电流 为 2 8A 除交流外 则系统选择双通道额定输出电压为 DC12V 和 5V 额定输 出电流为 3A 的开关电源 6 在水泵电机启动时 瞬态电流比较大 所以控制器的供电电源要与其隔离 开来 采用 5V 稳压芯片 LM7805 设计的电源提供单片机 显示器 红外对管检 测电路和报警电路 2 42 4 系统软件设计系统软件设计 本系统采用 AVR 系列单片机 ATMEGA16 为主控制器 在其编译环境下利用 C 语言编写程序 首先根据有无人将程序分成两个模块 在有人模块中 点亮有 人指示灯和照明系统 并且让内风机全功率工作 然后检测不同的输入信号并 实现相应的功能 在无人模块中 点亮无人指示灯 关闭照明系统 并且让内 风机半功率工作 并且判断是否需要进行自动冲厕 另外 在软件中将每一部分的工作状态在 LCD128 64 中显示 便于软件调 试和实现良好的人性化界面 系统总体流程图如下所示 开开始始 初初始始化化 检检测测有有无无人人 有有人人 无无人人灯灯亮亮 照照明明灯灯灭灭 内内风风机机半半功功 率率工工作作 检检测测自自动动冲冲 厕厕标标志志位位 为为1 1 N N 开开启启冲冲厕厕水水 泵泵 检检测测有有无无人人 有有人人 返返回回 N N Y Y Y Y N N 有有人人灯灯亮亮 照照明明灯灯亮亮 内内风风机机全全功功 率率工工作作 输输入入信信号号检检 测测 有有输输入入 判判断断输输入入信信 号号 Y Y N N 入入厕厕 红红外外 输输入入 冲冲厕厕 按按键键 输输入入 洗洗手手 按按键键 输输入入 红红外外自自 动动洗洗手手 输输入入 红红外外自自 动动烘烘手手 输输入入 报报警警 输输入入 开开始始 冲冲厕厕 开开始始 洗洗手手 开开始始 计计时时 自自动动 洗洗手手 自自动动 烘烘手手 开开始始 报报警警 检检测测有有无无人人 没没人人 返返回回 Y Y N N Y Y 洗洗手手 时时间间 输输入入 设设置置 洗洗手手 时时间间 7 图 7 系统软件总体流程图 3 3 理论分析与计算理论分析与计算 1 1 红外对管检测电路 查得红外发射管的正常工作电流 I 为 10mA 30mA 两端压降 U 为 1 4V 若 取限流电阻 R 为 200 则其工作电流为 I U U R 18mA 经测得 接收管等效内阻 R 为 2M 则选取分压电阻为 1M 2 2 短时工作驱动电路 经测得 继电器内阻为 150 工作电压为 5V 则其工作电流为 33 3mA BJT S9013 发射极工作电流为 150mA 可满足设计要求 3 3 长时工作驱动电路 经测得 电磁铁工作电压为 12V 瞬时工作电流为 1 2A 则可选取大功率 BJT 管 TIP127 其集电极额定工作电流为 4A 在一次入厕间所消耗的功耗为 Q UI t 16 9J 4 4 内风机驱动电路 经测得 当内风机工作时场效应管的分得压降为 3V 在全功率工作时 其 工作电流为 0 13A 则其消耗功率为 P UI 1 17W 若其工作在半功率时 其消 耗功率由以下公式可得 占空比 P UI 0 59W 4 4 设计实现设计实现 4 14 1 自动冲厕节水算法 自动冲厕节水算法 本智能卫生间控制系统可以根据入厕状态的不同 在没有按下冲厕开关 当人 离开后 能够实现对冲厕水量的自动判断 从而实现节约用水的功能 当检测到入厕的红外输入信号后 开始计时 直到红外输入信号消失后 停止计时 然后根据入厕时间的值 判断入厕状态 并且设定于不同状态时对 应的冲厕水量 在人离开卫生间后 进行自动冲厕 算法流程图如下所示 8 开始 检测入厕红 外输入 有信号 开启定时器 检测入厕红 外输入 无信号 关闭定时器 并计算时间 判断时间T的 值 清零自动冲 厕标志位 T 3s 置位自动冲 厕标志位 冲厕时间2s 3s T30s 完成 N Y N Y 图 8 自动冲厕节水算法流程图 4 24 2 低功耗照明控制开关低功耗照明控制开关 照明灯处于长时间工作状态时 继电器处于闭合状态 这样继电器消耗大 量功耗 设计电磁铁控制的自锁开关来控制照明系统时 只需要 0 5S 的通断时 间 这样在整个入厕过程中 电磁铁只工作了 1S 无效功耗损失大幅降低 9 5 5 系统测试系统测试 5 15 1 测试条件和测试仪器设备测试条件和测试仪器设备 对系统功耗 PWM 波 红外对管进行测试 测试仪器设备如下表 1 所示 表 1 测试使用的仪器设备 序号名称 型号 规格 数 量 备注出厂编号 1 直尺 122CM 2Tektronix 1TektronixC 3 数字万用表 UT58E 1UNI T 4 函数信号发生器 EE16428 1 南京新联电子设备有限公司 5 25 2 测试方法和结果测试方法和结果 1 系统使用开关电源供电 12V 及 5V 热风干手器和照明灯使用 220V 交流供电 用数字万用表电流档分别测试开关电源电流端口电流 系统最大功 耗计算如下 P总 P 5 P 12 Plamp PHAHD P U I 表 2 系统最大功率测试表 P 5 wP 12 wPlamp wP HAHD w P总 w 1109 610300329 6 29 89 510300329 3 39 99 410300329 3 由上表的测试结果得 P总 329 5W Pmin P12864 P Ventilator 表 3 系统最小功率测试表 P wPventilator wP总 w 11 01 02 0 20 91 01 9 31 10 92 0 2 测试 ATMEGA16 产生 PWM 波占空比 如下表 表 3 PWM 波占空比及内风机功率测试表 Duty Cycle 100 Pventilator w 102 1 2301 5 3501 0 由表 3 所测数据可知 内风机在 PWM 占空比为 0 时为全功率运行 在 50 时为半功率 完全满足题目要求 10 3 红外对管测试 表 4 红外对管距离测试表 类别 次数 洗手对管 cm热风对管冲厕对管 cm人体感应对管 cm 15 13 24 010 5 25 03 14 111 2 35 23 13 912 0 为适应不同环境的监测要求 调节接收管灵敏度 测试结果如上表 4 所示 实现卫生间能的智能控制 6 6 结论结论 经过四天三夜的努力 我们最终完成了对智能卫生间控制系统的设计 综 合测试证明 本系统完成了所有赛题任务 另外 在系统扩展部分 我们从人 性化 节水 节能方面考虑 实现了自动烘手功能 控制冲厕水量大小以及照 明系统低功耗控制的目的 通过本次电子设计竞赛 我们明白了团队协作的重要性 大家只有齐心协 力 才能在更短的时间内完成更好的作品 从中我们深刻体会到坚持不懈 大 胆尝试对实验成功的重要性 这为我们以后的学习坚定了信念 参考文献参考文献 1 赵建领 51 系列单片机开发宝典 北京 电子工业出版社 2007 年 2 田晓梅 王月姣 嵌入式 C 语言在工程编程中的应用技巧 J 中南民族大学 学报 自然科学版 2005 1 3 余锡存 曹国华 单片机原理及接口技术 M 北京 机械工业出版社 2007 年 12 月 4 康华光 电子技术基础 模拟部分 北京 高等教育出版社 2009 年 7 月 5 常健生 检测与转换技术 北京 机械工业出版社 2010 年 8 月 附录附录 1 1 系统总体结构框图 系统总体结构框图 ATMEGA16 独立开关 红外信号 电压信号 洗手 冲厕 报警 有人 洗手 入厕 烘手 可调 电阻 电磁铁 开关照明灯 继电器 水泵 热风干 手器 PWM波内风机 附录附录 2 2 系统总体硬件电路系统总体硬件电路 附录附录 3 3 系统实物图系统实物图 附录附录 4 4 程序部分源代码 程序部分源代码 void main init 系统工作初始化 while 1 卫生间有人系统工作模式 if flag body HAVEBODY delay 12864 500 if flag body HAVEBODY PORTB 有人指示红灯亮 PORTA BIT 1 无人指示绿灯灭 lcd disp