基于PIC單片機(jī)的新型沖水器的設(shè)計(jì)
[關(guān)鍵字] 單片機(jī)，節(jié)能，紅外檢測(cè)，自動(dòng)沖水器。
1. 引言
傳統(tǒng)的手按式廁所沖水器沖水系統(tǒng)采用的是全機(jī)械構(gòu)造，沖水時(shí)需要人工手按，既浪費(fèi)了時(shí)間和水資源，又因手的接觸而造成不衛(wèi)生，還會(huì)因忘記沖水而造成環(huán)境污染，為適應(yīng)日益加快的現(xiàn)代生活的節(jié)奏，節(jié)約水資源，創(chuàng)造一個(gè)干凈、舒適、衛(wèi)生的環(huán)境，穩(wěn)定、可靠、方便的感應(yīng)式?jīng)_水器亟待出現(xiàn)，特別是在大型商場(chǎng)、車站、學(xué)校等人員流動(dòng)比較大的衛(wèi)生間，節(jié)水型感應(yīng)式?jīng)_水器顯得尤為重要[1,2]。
然而，一般的感應(yīng)式?jīng)_水器因其硬件電路的設(shè)計(jì)、單片機(jī)的選擇及沖水閥門的選擇不是非常恰當(dāng)，會(huì)造成制造成本高，電量消耗大，易出現(xiàn)誤感應(yīng)、不沖水等不穩(wěn)定因素，不僅浪費(fèi)了能源還給使用者造成一些不必要的麻煩。針對(duì)這些問題，我們?cè)O(shè)計(jì)了一套制造成本低且穩(wěn)定性高的沖水系統(tǒng)。
2. 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
智能節(jié)水小便沖洗器的基本設(shè)計(jì)思想是利用紅外傳感器感應(yīng)入廁人的到來，產(chǎn)生電脈沖信號(hào)輸入到PIC12C508A單片機(jī)，通過軟件做出智能判斷，從而控制電磁閥開啟或閉合。硬件電路以低功耗的PIC12C508A單片機(jī)為核心。由熱釋紅外檢測(cè)電路、閥門驅(qū)動(dòng)電路、電源電壓變換電路等組成其外圍電路。為簡(jiǎn)化系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)難度、減少電線連接數(shù)量、減小空間體積、降低成本，我們使紅外探頭、單片機(jī)及電磁閥用一個(gè)總電源，中間用變壓器變壓，考慮到電源的穩(wěn)定性和減少干擾噪聲的影響，我們通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)成了電路的控制卡模塊，單片機(jī)嵌入其上，只留出接線端子作為紅外探頭和電磁閥與控制卡的接口，原理示意見圖1。
圖1 智能節(jié)水小便沖洗器控制卡的原理示意圖
3. 單片機(jī)介紹
本設(shè)計(jì)采用的PIC12C508A單片機(jī)是由美國(guó)Microchip公司較早推出的流行于市場(chǎng)的8位單片機(jī)，它的最大優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)為引腳少、低功耗、全靜態(tài)、體積小，如圖2所示。
圖2 PIC12C508A引腳
采用指令總線和數(shù)據(jù)總線分開的哈佛雙線結(jié)構(gòu)，突破了約束單片機(jī)速度的瓶頸[3-6]。PIC12C508A單片機(jī)是作為減少系統(tǒng)價(jià)格和功率而設(shè)計(jì)的特殊單片機(jī)。采用CMOS工藝，價(jià)格低廉、功能齊全，可在高頻下工作，功耗極低，供電電壓為2．5～5.5V，運(yùn)行時(shí)功耗電流小于2mA，待機(jī)時(shí)功耗電流小于1μA，能方便地采用電池直接供電。它可以采用看門狗或外部事件周期性地喚醒自己，執(zhí)行完相應(yīng)代碼后又回到SLEEP模式。在SLEEP模式下，晶振停止振蕩，以減少系統(tǒng)功耗，而此時(shí)單片機(jī)只有幾個(gè)微安的電流，由此達(dá)到了省電的目的，體現(xiàn)了微控制器工業(yè)的新趨勢(shì)，也是本設(shè)計(jì)采用這種單片機(jī)做控制器的原因.并且PIC單片機(jī)以其較大的電流驅(qū)動(dòng)能力(每個(gè)I/O腳的最大控電流為25mA)可以直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管（LED）顯示。
每個(gè)管腳的功能如下：
OSC1、OSC2：OSC1是時(shí)鐘輸入端，輸入信號(hào)可由外接晶體片內(nèi)自激振蕩器或由外部晶體振蕩器提供；OSC2為時(shí)鐘輸出端，在RC振蕩器時(shí)輸出4分頻信號(hào)。
TOCK1：脈沖計(jì)數(shù)器的外加脈沖是輸入端，信號(hào)輸入第一級(jí)為施密特觸發(fā)器。
GP0～GP5：雙向I／O口，可由程序設(shè)計(jì)輸入或輸出。其中GP3為單向輸入口。
MCLR：復(fù)位信號(hào)。
VDD、VSS：電源及地。
4. 控制卡電路設(shè)計(jì)
控制卡作為整個(gè)自動(dòng)沖水系統(tǒng)的控制核心，要求其電路在穩(wěn)定的基礎(chǔ)上簡(jiǎn)單合理，并且從成本要求和實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合考慮，控制卡體積要盡量小。
單片機(jī)、電磁閥、紅外探頭需要不同的電源，按常規(guī)需要幾個(gè)電壓變換裝置，為了節(jié)省控制卡的空間體積，我們采用了一個(gè)主線圈，兩個(gè)副線圈的變壓模式，這樣可以大大節(jié)省
空間，降低成本。
在選單片機(jī)時(shí)，考慮了單片機(jī)管腳的充分利用，以盡量減低成本。我們所要的信息只有紅外探頭的監(jiān)測(cè)信號(hào)，只需一個(gè)I/O口作為輸入口。另外，我們要通過軟件控制電磁閥和發(fā)光二極管，需要兩個(gè)I/O口作為輸出口。因此至少要用到三個(gè)I/O口，選單片機(jī)PIC12C508A足以滿足要求，并且PIC12C508A管腳輸出的電流最大為25m A足以直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管，省去了功率放大的設(shè)計(jì)，從而節(jié)省了成本，如圖3所示。管腳7輸出的電壓信號(hào)經(jīng)三極管放
圖3 控制卡電路圖
大為12V，這個(gè)電信號(hào)經(jīng)單通二極管控制電磁閥的開閉，這里的單通二極管所起的作用是防止電磁閥產(chǎn)生的干擾信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)。平時(shí)上拉電阻把管腳5設(shè)為高電平，當(dāng)紅外探頭檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，送入一低電平，單片機(jī)通過電平變換的判斷來控制電磁閥的通斷和指示燈的亮滅。
5. 控制卡單片機(jī)程序設(shè)計(jì)
5.1 程序流程圖
為了避免因假信號(hào)而引起誤判斷的發(fā)生，我們?cè)诔绦蛟O(shè)計(jì)的第一次檢驗(yàn)是否有輸入信號(hào)后延時(shí)了三秒，目的是消除紅外探頭前未如廁而走動(dòng)的人員所引起的信號(hào)。三秒后程序進(jìn)入第二次信號(hào)判斷, 如果信號(hào)仍存在，則把它作為真正有效的信號(hào)，如果判斷出信號(hào)消除則說明第一次檢測(cè)到的信號(hào)為假信號(hào)，則返回上一級(jí)信號(hào)判斷，如果判斷出信號(hào)未消除則把它作為有效信號(hào)并進(jìn)入第三次信號(hào)判斷，循環(huán)執(zhí)行，直到檢測(cè)出信號(hào)消失，這時(shí)單片機(jī)通過軟件把7腳和2腳同時(shí)置高電位，從而使電磁閥打開、指示燈點(diǎn)亮。之后的延時(shí)十秒是沖水，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)在本電磁閥下沖水十秒是最佳選擇時(shí)間，在把潔具完全沖洗干凈的基礎(chǔ)上節(jié)約了水源，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。十秒后電磁閥和指示燈同時(shí)關(guān)閉，進(jìn)入新一輪的信號(hào)檢測(cè)。如圖4所示。
圖4 流程圖
在每次沖水后或上電復(fù)位后，單片機(jī)將自動(dòng)檢測(cè)三分鐘內(nèi)是否有輸入信號(hào)，如果沒有，單片機(jī)將進(jìn)入睡眠狀態(tài)，此時(shí)單片機(jī)內(nèi)部只有幾個(gè)微安的電流，達(dá)到了節(jié)電的目的。睡眠狀態(tài)下的單片機(jī)可以隨時(shí)被外界信號(hào)喚醒。
5.2單片機(jī)設(shè)置
為實(shí)現(xiàn)上述功能，我們單片機(jī)設(shè)置如下：
CONFIG=×××××××00110：禁止MCLR引腳復(fù)位、使能程序代碼保護(hù)、使能WDT、使用內(nèi)部RC振蕩器；
TRIS=00001100：GP0、GP5端口設(shè)為輸出，GP2設(shè)為輸入，其余為輸出。
OPTION=00001111：使用引腳喚醒功能、GP3端口具有弱上拉功能、定時(shí)器模塊的時(shí)鐘源取至內(nèi)部振蕩器=Fosc/4、將預(yù)分頻器分配給WDT、預(yù)分頻率=1:128；
6 結(jié)論
（1）與同類沖水器相比，本沖水器在軟件沖水時(shí)間管理、減少誤判斷方面體現(xiàn)了節(jié)水的設(shè)
計(jì)思路；在單片機(jī)的低功耗及其睡眠模式功能的設(shè)定上體現(xiàn)了節(jié)能的設(shè)計(jì)思路。
（2）實(shí)際應(yīng)用一年來本沖水器未出現(xiàn)過誤判斷、不沖水等不良現(xiàn)象，本控制卡的性價(jià)比高，每塊卡的成本不超過20元。檢測(cè)卡體積小，易實(shí)現(xiàn)嵌入式安裝，使用方便。
（3）感應(yīng)式的檢測(cè)方式避免了人手與沖水控制開關(guān)的接觸，減少了疾病傳播的機(jī)會(huì)，可以說是一個(gè)安全健康的裝置。受到了廠家和用戶的好評(píng)。
本文創(chuàng)新點(diǎn)：
采用了低功耗PIC單片機(jī)作為控制器的控制核心，并對(duì)根據(jù)需要對(duì)其進(jìn)行開發(fā)，合理設(shè)計(jì)了控制卡電路和單片機(jī)控制流程，使得本系統(tǒng)達(dá)到了低成本高、可靠性、省電、節(jié)水、清潔的設(shè)計(jì)目的。
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