[關(guān)鍵字] 單片機,節(jié)能,紅外檢測,自動沖水器。
1. 引言
傳統(tǒng)的手按式廁所沖水器沖水系統(tǒng)采用的是全機械構(gòu)造,沖水時需要人工手按,既浪費了時間和水資源,又因手的接觸而造成不衛(wèi)生,還會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、車站、學(xué)校等人員流動比較大的衛(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、單片機的選擇及沖水閥門的選擇不是非常恰當(dāng),會造成制造成本高,電量消耗大,易出現(xiàn)誤感應(yīng)、不沖水等不穩(wěn)定因素,不僅浪費了能源還給使用者造成一些不必要的麻煩。針對這些問題,我們設(shè)計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
智能節(jié)水小便沖洗器的基本設(shè)計思想是利用紅外傳感器感應(yīng)入廁人的到來,產(chǎn)生電脈沖信號輸入到PIC12C508A單片機,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單片機為核心。由熱釋紅外檢測電路、閥門驅(qū)動電路、電源電壓變換電路等組成其外圍電路。為簡化系統(tǒng)軟件設(shè)計難度、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、單片機及電磁閥用一個總電源,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)實驗設(shè)計成了電路的控制卡模塊,單片機嵌入其上,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. 單片機介紹
本設(shè)計采用的PIC12C508A單片機是由美國Microchip公司較早推出的流行于市場的8位單片機,它的最大優(yōu)點表現(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),突破了約束單片機速度的瓶頸[3-6]。PIC12C508A單片機是作為減少系統(tǒng)價格和功率而設(shè)計的特殊單片機。采用CMOS工藝,價格低廉、功能齊全,可在高頻下工作,功耗極低,供電電壓為2.5~5.5V,運行時功耗電流小于2mA,待機時功耗電流小于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,而此時單片機只有幾個微安的電流,由此達到了省電的目的,體現(xiàn)了微控制器工業(yè)的新趨勢,也是本設(shè)計采用這種單片機做控制器的原因.并且PIC單片機以其較大的電流驅(qū)動能力(每個I/O腳的最大控電流為25mA)可以直接驅(qū)動數(shù)碼管(LED)顯示。
每個管腳的功能如下:
OSC1、OSC2:OSC1是時鐘輸入端,輸入信號可由外接晶體片內(nèi)自激振蕩器或由外部晶體振蕩器提供;OSC2為時鐘輸出端,在RC振蕩器時輸出4分頻信號。
TOCK1:脈沖計數(shù)器的外加脈沖是輸入端,信號輸入第一級為施密特觸發(fā)器。
GP0~GP5:雙向I/O口,可由程序設(shè)計輸入或輸出。其中GP3為單向輸入口。
MCLR:復(fù)位信號。
VDD、VSS:電源及地。
4. 控制卡電路設(shè)計
控制卡作為整個自動沖水系統(tǒng)的控制核心,要求其電路在穩(wěn)定的基礎(chǔ)上簡單合理,并且從成本要求和實際應(yīng)用場合考慮,控制卡體積要盡量小。
單片機、電磁閥、紅外探頭需要不同的電源,按常規(guī)需要幾個電壓變換裝置,為了節(jié)省控制卡的空間體積,我們采用了一個主線圈,兩個副線圈的變壓模式,這樣可以大大節(jié)省
空間,降低成本。
在選單片機時,考慮了單片機管腳的充分利用,以盡量減低成本。我們所要的信息只有紅外探頭的監(jiān)測信號,只需一個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I/O口作為輸出口。因此至少要用到三個I/O口,選單片機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)動發(fā)光二極管,省去了功率放大的設(shè)計,從而節(jié)省了成本,如圖3所示。管腳7輸出的電壓信號經(jīng)三極管放
圖3 控制卡電路圖
大為12V,這個電信號經(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)生的干擾信號進入單片機。平時上拉電阻把管腳5設(shè)為高電平,當(dāng)紅外探頭檢測到信號時,送入一低電平,單片機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. 控制卡單片機程序設(shè)計
5.1 程序流程圖
為了避免因假信號而引起誤判斷的發(fā)生,我們在程序設(shè)計的第一次檢驗是否有輸入信號后延時了三秒,目的是消除紅外探頭前未如廁而走動的人員所引起的信號。三秒后程序進入第二次信號判斷, 如果信號仍存在,則把它作為真正有效的信號,如果判斷出信號消除則說明第一次檢測到的信號為假信號,則返回上一級信號判斷,如果判斷出信號未消除則把它作為有效信號并進入第三次信號判斷,循環(huán)執(zhí)行,直到檢測出信號消失,這時單片機通過軟件把7腳和2腳同時置高電位,從而使電磁閥打開、指示燈點亮。之后的延時十秒是沖水,經(jīng)過反復(fù)試驗在本電磁閥下沖水十秒是最佳選擇時間,在把潔具完全沖洗干凈的基礎(chǔ)上節(jié)約了水源,達到了設(shè)計目的。十秒后電磁閥和指示燈同時關(guān)閉,進入新一輪的信號檢測。如圖4所示。
圖4 流程圖
在每次沖水后或上電復(fù)位后,單片機將自動檢測三分鐘內(nèi)是否有輸入信號,如果沒有,單片機將進入睡眠狀態(tài),此時單片機內(nèi)部只有幾個微安的電流,達到了節(jié)電的目的。睡眠狀態(tài)下的單片機可以隨時被外界信號喚醒。
5.2單片機設(shè)置
為實現(xiàn)上述功能,我們單片機設(shè)置如下:
CONFIG=×××××××00110:禁止MCLR引腳復(fù)位、使能程序代碼保護、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、定時器模塊的時鐘源取至內(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間管理、減少誤判斷方面體現(xiàn)了節(jié)水的設(shè)
計思路;在單片機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)計思路。
(2)實際應(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,本控制卡的性價比高,每塊卡的成本不超過20元。檢測卡體積小,易實現(xiàn)嵌入式安裝,使用方便。
(3)感應(yīng)式的檢測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會,可以說是一個安全健康的裝置。受到了廠家和用戶的好評。
本文創(chuàng)新點:
采用了低功耗PIC單片機作為控制器的控制核心,并對根據(jù)需要對其進行開發(fā),合理設(shè)計了控制卡電路和單片機控制流程,使得本系統(tǒng)達到了低成本高、可靠性、省電、節(jié)水、清潔的設(shè)計目的。
參考文獻
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