实体公共卫生间冲水习惯养成装置.docx

北京航空航天大学“冯如杯”作品大赛参赛论文公共卫生间冲水习惯养成装置项 目 编 号 院（系）名 称 电子信息工程学院 专 业 名 称 电子信息工程 作 者 姓 名 学 号 指 导 教 师 2012年 3 月摘要目前，卫生间的冲水系统主要有脚踏式冲水器、红外感应自动冲水器、定时冲水器，虽然这些冲水器能改善卫生间环境，但因不能促使人们养成便后冲水的习惯，所以不能从根本上解决问题。 “公共卫生间冲水习惯养成装置”主要致力于简易加装已有脚踏式蹲便器，改变便后不冲水的现象，并帮助人们养成便后冲水的习惯。该装置以51单片机为主体，通过接收处理感应冲水按键，电磁感应器，室内按键等元件的信号，实现对电机和数码管等元件的控制，以达到预期效果。如厕者进入卫生间后，位于门锁上的电磁感应器检测到门的关闭，由单片机控制直流电机自动上锁。如厕结束后，开锁方法分为外部开锁和内部开锁。外部开锁方式为转动位于门锁外侧的旋钮，门即可以打开，方便进入卫生间。内部开锁有两种方法：踩下冲水踏板，触动感应冲水按键，以电子的方法自动开锁；和使用在卫生间内固定住的钥匙，以相对于踩踏板较为复杂的方式开门，这种方法主要是针对断电等特殊情况设计的。根据“可用性启发机制”，人们往往会主动选择冲水这个简便方式开门，从而将逐渐养成便后自觉冲水的习惯。关键字：单片机、电磁传感器、可用性启发机制、电子机械门锁 AbstractAt the present, toilet flushing method mainly consists of the pedal-powered flushing apparatus, the automatic infrared sensing flushing apparatus and the flushing apparatus with a calculagraph. However, the hygienic conditions of public toilets have not been improved radically and are still abominable, for the reason that all these flushing apparatus cannot urge people to form the habit of flushing toilets after defecating. Public toilet flushing habit developing device mainly focus on transforming existing pedal-powered Flushing apparatus, to ameliorate the condition of public toilet and help people to develop the habit of flushing toilets after defecating.The device is mainly controlled by 51 SCM. By receiving and processing the signal emitted from induction flush buttons, electromagnetic sensor and indoor buttons, the device is able to realize the control of motor and nixie tube. When someone gets into the bathroom, the electromagnetic sensor located on the lock can detect the shut and SCM conducts the motor to lock the door automatically. There are two ways to unlock the door. One way is to spin the knob from outside to get into the bathroom; the other way is to tread the pedal so that the induction flush buttons can be touched to open the door from inside automatically. Meanwhile, to deal with a power-off, one can also use the fixed key to open the door from inside, which is more complex. According to availability inspiration mechanism, people will actively select a simple method that they flush the toilet to open the door. Therefore, the habit of flushing toilets after defecating will be developed gradually. Keywords：SCM, electromagnetic sensor, availability inspiration mechanism, Electronic- mechanical lock目录摘要iAbstracti第一章 绪论11.1功能概述11.2创意来源及国内外研究现状11.3装置组成11.4名词解释2第二章 整体结构22.1踏板检测部分22.2电机锁32.2.1电机锁概述32.2.2机械部分32.2.2.1机械部分概述32.2.2.2门锁内、外部机械开法42.2.3电子部分52.2.3.1电子部分概述52.2.3.2电路图与分析52.2.3.3重要元件解析62.2.3.3.1电磁传感器62.2.3.3.2继电器62.2.3.3.3直流电动机62.2.3.4单片机及程序62.2.3.4.1程序框图：72.2.3.4.2单片机程序7第三章 可行性分析83.1心理角度83.2设备角度93.2.1卫生间改造方面93.2.2配件方面93.2.3单片机与程序方面9结束与展望9参考文献10附录10图表目录图 1 系统实物模拟图2图 2 检测踏板是否踩下的按键3图 3 机械锁结构4图 4 机械锁外部旋钮4图 5 机械锁头5图 6 电路原理图5图 7 继电器内部放大电路原理图【1】6图 8 STC芯片7图 9 单片机程序流程图7图 10 模拟LED显示FULL8图 11 模拟上锁开锁过程813北京航空航天大学“冯如杯”作品大赛参赛论文第一章 绪论1.1功能概述公共卫生间冲水习惯养成装置可以通过半强制性措施，促使人们养成便后冲水的习惯，从根本上改善公共卫生间恶劣的卫生现状。当有人进入卫生间时，即门关上时，门锁能通过电磁感应器进行检测，产生低电平信号至单片机输入端，再由单片机通过控制2个单刀双掷继电器的开闭，间接控制直流电机的正反转，实现自动上锁，同时如厕者通过门上的按键控制数码管显示“FULL”字样以传达室内有人的信息。门锁分内外两种开锁方法，外部机械旋钮开锁确保人可以进入卫生间。内部主要由电子开法为主，钥匙开法为辅：可通过踩下踏板冲水的方式实现感应，产生的低电平信号通过信号线传输至单片机，再由单片机控制直流电机，完成电子自动开锁；也可以采取复杂的方式，从卫生间内规定位置找到钥匙，用钥匙从内部开锁，以确保在断电等特殊情况下的开锁。这样设计的目的是，不主动踩下冲水踏板，就必须采用相对复杂的钥匙开门方式，根据可用性启发机制，人们会主动选择冲水这个简便的开门方法，从而逐渐养成自动冲水的习惯。1.2创意来源及国内外研究现状由于公共卫生间的使用频率很高但大都缺乏有效的管理，许多人在如厕后都没有冲水的习惯，大多数公共卫生间的环境比较恶劣，很大程度地提高了病毒细菌的传播几率，对公共环境卫生带来了极坏的影响。应对如厕者不主动冲水的问题，现主要的应对方式为采用红外感应式蹲便器，以达到自动冲水的效果。但是，目前这样的蹲便器只在新建的或者高档的酒店、机场、公园中的公共卫生间使用，普及情况较差。而红外感应蹲便器技术含量较高，成本较高，对于一般的小加油站、小居民区街道等场所没有应用前景。且现在大部分已建成的公用卫生间多采用踩式蹲便器，在已有的蹲便器上增加红外感应装置不仅工作繁琐且成本高，还有可能需要对整个厕所进行翻修，没有太大的可行性；而那些传统踩式的蹲便器不能够促进如厕者养成便后冲水的习惯，公共卫生不能得到保障。由此，我们想到了用一个简单的装置使这些老式的蹲便器“升级”为能够让人们主动冲水的蹲便器。经查阅大量书籍和电子文献，国内外的冲水装置在这种应用背景下的研究基本没有，但是装置需要的压力传感技术、电信号传输、单片机智能控制技术和机械传动技术在理论和实践上都已十分成熟。1.3装置组成公共卫生间冲水习惯养成装置主要由踏板感应装置和电子机械两用门锁即电机锁组成,由单片机统一控制。其中单片机输入端元件主要有电磁感应器，冲水感应按键，室内按键等。输出端元件有单刀双掷继电器，直流电机，数码管等。 图 1 系统实物模拟图1.4名词解释可用性启发机制：一种认知机制，它指人们往往根据可利用或可获得的知识、概念和事件来采取简洁的认知策略。容易提取的知识、概念、事件往往占认知优势，个体倾向于肯定它们并认可它们真实、重要。在我们的系统中，表现为主动选择冲水来打开门锁的方式。电子机械锁：以电机锁为蓝本的门锁，能够通过电子和机械两种方式打开。在我们的系统中具体表现为外部机械开锁，内部以电子开锁为主，机械开锁为辅。第二章 整体结构2.1踏板检测部分踏板未踩下时，按键处于原位，信号线持续输入高电平，使单片机不对直流电机采取动作。当踏板踩下带动按键下压时，信号线中高电平变成低电平，单片机接收到这一信息后，按照程序对直流电机进行控制，使其转动从而打开门锁，同时熄灭显示有“FULL”的数码管。图 2 检测踏板是否踩下的按键2.2电机锁2.2.1电机锁概述锁钥部分，采用以大众化的低成本的直流电机作为驱动力的电机锁，主要以老式宾馆的电控门锁为蓝本。锁内部由机械部分与电子部分构成。机械部分采用市面上已有的机械锁结构，而侧重于电子部分的电路设计与程序设计。用stc51单片机学习板模拟出电路，达到对电机锁的控制，和加入一些新的自己需要的功能。自己设计电路与程序相比与借用原有程序与电路的优点在于：保留一些基本需要的功能而对原有的一些不必要的电路进行删减，减少能耗与成本；能够根据需要添加一些后续的功能与对于原功能的完善；最重要的是，能解决市面上现成的电控电机锁只能够安装在门禁电路上的这一缺陷，使得装置能够应用在实际问题中。2.2.2机械部分2.2.2.1机械部分概述 门锁的开闭，由简单的机械结构完成。图中1为电机，2、3均为齿轮。电机转动，带动2号齿轮转动，2号齿轮再带动3号齿轮转动。图中4随着3以相同角速度转动，并且图 3 机械锁结构4与5号凹槽相咬合，将转动的角度转化成锁舌的横向运动，控制门的开闭。6号圆形孔有向内部突出的两个三角形突起，用于与下图中部的转轮相结合，转轮转动，带动3号齿轮及4一同转动，手动开关门锁。图 4 机械锁外部旋钮2.2.2.2门锁内、外部机械开法外部开法：外部开关即按照图6所示，通过与门锁相连的数码管确认卫生间内为空时，只需转动旋钮即可从外侧开门。内部开法：门锁整体位于卫生间门外侧，下左图为门锁安装与门上的一面，中心有个同6号圆洞一样的圆形空洞，可与下右图中锁头部分的末端（即图中的左端）相连。锁头穿过门体，其末端插入左图中心孔中，即完成安装。卫生间内部只需从特定的位置找到钥匙，就能够从内侧打开门锁。图 5 机械锁头2.2.3电子部分2.2.3.1电子部分概述电子部分主要以51单片机为主，处理电磁感应器，室内按键，以及踩水踏板处的信号从而控制电机的正反转以及数码管的显示，以达到门锁开闭和显示室内是否有人的功能。2.2.3.2电路图与分析图 6 电路原理图 输入口：30口即P25口，感应电磁感应器的感应低电平信号。 34口即P23口，感应冲水按键的低电平信号。 40口即P20口，感应内部按键的低电平信号。输出口：3,517口即P1口，控制数码管显示。 21,23口，实际为P06，P07口，数码管的段，位锁存器。 4,6口即P00，P01口，控制2个单刀双掷继电器，间接控制电机转动方向。图 7 继电器内部放大电路原理图【1】2.2.3.3重要元件解析2.2.3.3.1电磁传感器电磁传感器用于检测门是否闭合，从而达到门关上时自动上锁的功能。将永磁体装在锁芯上，半导体磁阻元件装在锁体上。当门关上时，磁体与磁阻元件对上后，磁阻元件将感受到的磁信号转化为电信号，再传输给单片机以达成相关上锁操作。能感应到门关上的方法有很多，但是电磁感应器成本低，结构与操作都很简单，且有一定的使用寿命，这是我们做出这个选择的原因。2.2.3.3.2继电器采用两个单刀双掷式继电器，可以实现4种情况，足够实现直流电机的正向电流，反向电流，以及不通电的3种控制【2】。无论是电路还是程序都不复杂，同时是学习板上唯一能模拟出的一种改变直流电机电流方向的方法。2.2.3.3.3直流电动机装置不需要精确的定位，所以使用最为普通的有刷直流电动机，节约成本。2.2.3.4单片机及程序采用51系列的芯片，其性能已经足够支撑整个电路运行，且51单片机有40个接口，如果要对功能进行扩充也比较方便。图 8 STC芯片2.2.3.4.1程序框图：图 9 单片机程序流程图2.2.3.4.2单片机程序见【附录】图 10 模拟LED显示FULL图 11 模拟上锁开锁过程第三章 可行性分析3.1心理角度我们设计的冲水感应门锁，由冲水检测装置和配套门锁组成，一旦关上门，门不能够打开，只需如厕后简单地踩下踏板，检测装置检测到踏板踩下，门即可自行打开，非常容易。当然，通过门锁上的钥匙亦能打开门锁，但是相比之下要复杂一些。我们利用“可用性启发机制”，当如厕者在面对可以达到同一目的的两种方法时，往往会选择冲水这一简单的方式开门。这样一来，如厕者就必须冲水后方能离开，久而久之，既保证了厕所的卫生环境，又可使本无便后冲水习惯的人养成冲水的习惯，一举两得。3.2设备角度3.2.1卫生间改造方面 现如今，大部分公共卫生间均为踩式蹲便器，如需冲水就得人工进行。虽然有红外感应式的蹲便器，但是对已建成的卫生间进行改造，要消耗大量人力物力，还要影响卫生间的使用。我们的冲水检测装置和配套门锁只需在卫生间的蹲便器冲水踏板下加装检测装置，在原有的卫生间门上加装可控配套门锁，并通过简单的方式将二者连接，就可以完成改造，进而达到预期目标。3.2.2配件方面就电机锁而言，机械部分参考已有的机械锁，可靠且制作工艺成熟，可行性高。而电子部分，我们采用的都是一些简单原理与器件，成本都很低，且各元件都为市面上的常见型号，容易配置，制作的可行性强。3.2.3单片机与程序方面单片机方面51单片机还留有许多未用的接口，日后可以根据需求添加更多的功能，有改进的空间。程序为自己设计，开放性强，便于修改。结束与展望面对现如今部分如厕者没有良好习惯这一现实，我们设计了该系统，旨在通过半强制性以及人们的心理，达到养成便后冲水习惯的目的。通过单片机的学习板，模拟了锁内部的电路，以及通过对51单片机的编程应用，达到了预期效果。当然，无论通过何种设计、利用何种心理，目的还是希望大家能够有良好的卫生习惯，通过该系统的督促，最终会还给我们一个拥有良好卫生的公共卫生间。虽然我们已经主要依靠51学习板模拟出了电路，编写并调试好了程序，以简易的材料做出了实体，从理论和实践都证明了装置的可行性。但是，如果要将这个装置作为产品真正应用到实际中，仍有许多要改进的地方。设备封装：如果使整个装置一体化，设计一个精小简洁的可以装在锁中的电路板，节省空间，从而提高装置的普适性与应用性，仍是我们接下来所要考虑的问题。锁具的安装：本装置的电机锁采用市面上已有的锁钥结构，有锁芯和锁体两部分，安装比较繁琐，且有一定的局限性。如果可以设计出一种一体锁且能够包涵原有锁的功能，且能用一种简单的安装方式（如“黏贴”）安装在任意样式的门上，将会使装置的应用性大大提高。内部机械开锁方式：本创意的内部机械开锁方式仍为用钥匙开锁，钥匙如何安放且难以被人拿走是一个欠缺。如果能对电机锁再进行改装，设计出一种不用钥匙且更为复杂的内部开锁方式，不仅能解决上述不足，且能够更好的利用“可用性启发机制”，迫使人们冲水，养成习惯。外部机械开锁的改进：由于本装置的机械锁部分是改装原有的电控锁，所以外部的旋钮可以随时打开厕所门。虽然设计了一个内部按键控制数码管显示内部有人的信息，但是如果能在所内加上一个电控机构，在内部按下按键的时候触发，将旋钮抱死，可使本装置更加完美。能源方面:虽然整个装置的能耗很低，但是如果能够利用冲水时的水能，即能够解决电能的问题，一劳永逸，又低碳环保，节约能源。水力发电现在并非难以实现，但是成本太高，应用到这个装置上显得不切实际，如果将来能够出现低成本的水力发电系统将会是对本装置的一个加强。参考文献【1】 51单片机开发板指导教程M. 上海朗译电子科技有限公司.2012【2】 李祥臣,卢留生. 模拟电子技术基础教程M. 清华大学出版社 北京交通大学出版社2005附录#include sbit relay2=P00;/定义2个继电器sbit relay1=P01;sbit cigan=P25;/定义磁感应器的输入口sbit anjian1=P23;/定义踩水按键感应器的接口sbit anjian2=P20;/定义显示有无人按键接口sbit wei=P06;/定义数码管的锁存器sbit duan=P07;char weima=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7;char temp4;#define LED P1/定义数码管接口void DelayUs2x(unsigned char t) while(-t);void DelayMs(unsigned char t) while(t-) /大致延时1mS DelayUs2x(245); DelayUs2x(245); void display()/数码管显示程序 static char i=0; LED=0;/清空储存 duan=1; duan=0; LED=weimai; wei=1; we