洗手间智能节水冲水控制系统的研发

摘 要：为实现对洗手间冲水箱智能化、节能化的控制，文章介绍了基于Freescale 9S12XS128 芯片实现了对冲水箱、电磁阀、继电器等器件闭环控制的设计。程序的编译采用了Codewarrior软件，闭环控制即在洗手间安装了压力传感器和红外对射模块，可根据压力传感器和红外对射传感器的反馈值进行双重判定并控制电磁阀、继电器的开合。此款控制器实现了从水箱的智能化、节能化的控制，还设计有显屏，可显示累计次数、空位、电压及相对节水量，且预留有无线输出口并配有Labview 上位机软件可用于调试各种器件和采集数据。

关键词：压力传感器；冲水箱； MC9S12XS128；Labview；Codewarrior；

1背景

随着智能控制技术的不断发展和节能减排的趋势，对应用洗手间冲水系统的性能和控制器性能的要求越来越高。传统冲水系统浪费水较多，不够智能，满足不了现代人的需求。本次洗手间智能节能冲水系统的设计，采用新型传感器，具有特色性的控制策略，既符合了节能减排的需求，又能满足人们的要求，更为节能化，智能化。

2硬件系统设计

2.1硬件系统整体设计

本控制器主要由微控制器、功率驱动单元、位置传感器、显屏和周边的辅助电路及保护电路等组成（图1）。其中微控制器的主要功能是根据抽水泵与冲水箱的开关要求和光敏电阻的变化输出的3个信号，将其处理为功率驱动单元的3个功率开关器件所要求的驱动顺序：AD1，AD2―M1，AD4―M2，AD3―M3，AD5―M5 。微控制器还可根据电流，电压和光敏电阻的模拟信号，及时的发出制动信号，进而控制各个M通道的开启来控制潜水泵、电磁阀和LED灯的开关，实现智能冲水的闭环控制；功率驱动单元主要包括功率开关器件组成的自变电路；本控制器的显示器采用了12864显屏，能够显示累计、总计、空位、电压及节水量；无线输出口电路能进行无线传输数据，可与无线模块对接与Labview上位机实现通信，方便数据的采集分析。

2.2主要应用芯片

1）LM2940芯片，三端稳压集成电路，它的样子象是普通的三极管，TO- 92 的标准封装，也有SOP-8贴片封装，具有纹波小、电路结构简单的优点。

2） LM393， LM393运用于水位检测模块，是双电压比较器集成电路， 工作温度范围：0°C -- +70°C工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作，单电源： 2～ 36V， 双电源：±1～±18V；消耗电流小， ICC=0.8mA；输出与TTL，DTL，MOS，CMOS 等兼容，LM393内部采用双列直插8脚塑料封装（DIP8）和微形的双列8 脚塑料封装（SOP8）输出负载电阻能衔接在可允许电源电压范围内的任何电源电压上，不受 Vcc端电压值的限制。

3）三极管8050，三极管8050是常见的NPN型晶体三极管，在各种放大电路中经常看到它，应用范围很广，主要用于高频放大，本次运用于继电器模块。

4）EL817，EL817是（EVERLIGHT）生产的线性光耦，用在电源的反馈回路，用来稳定电压和隔离，具有体积小、寿命长、无触点，抗干扰能力强，输出和输入之间绝缘，单向传输信号等优点。

2.3 传感器原理及电路

红外传感器输出的是一组模拟信号，将信号线接入AD端口，片内将模拟信号转化为电信号，通过在线仿真调试，可以看到传感器输出信号变为一组不同的数值，根据数值的大小来控制其他执行器。HX711是一款专为压力传感器而设计的24位A/D转换器芯片。与同类型其它芯片相比，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需要的电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。

2.4 蓄电池的检测方案

当蓄电池以恒定的电流放电时，它的容量（Q/（A・h））等于放电电流和放电时间的乘积Q=It[1]，如果放电电流不是常数，蓄电池的容量为不同的放电电流与相应的时间的乘积之和，Q=I1t1+I2t2+I3t3+…+Intn

式中：I1，I2，…，In――不同时间段的电流，A；

t1，t2，…，tn――时间，s。

因此需要在程序上进行积分，根据AD采集的周期与在此时间段的电流的乘积进行计算。

3软件系统设计

3.1 程序控制策略

本设计的主要控制策略（图2）：首先启动后主控制器通过外接的各种传感器检测外界信号执行相应的应用程序，包括通过数值比较开启继电器和电磁阀、采集电压判断是否等待或断电等。

3.2程序设计

CodeWarrior支持C/C++编程，也支持Java 开发，CodeWarrior 能够自动地检查代码中的明显错误，它通过一个集成的调试器和编辑器来扫描代码，然后编译并链接程序以便计算机能够理解并执行程序，并且能实时仿真，为调试硬件提供了很大的方便，

LabVIEW是一种图形化的编程语言，利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。

本控制器采用虚拟仪器作为采集信息软件，是用LabVIEW作为编程语言。选用无线蓝牙模块作为数据采集设备，没有用数据采集卡使其能够更加方便快捷的检测控制系统的运行。

在上位机中可以看到累计、电压、节水量、重量这些变量的参数值和波形图，MQ-2警报指示灯，帮助维护人员进行维护和改进。

4 创新及应用前景

1）闭环控制即在控制器上安装了红外对射传感器和光敏电阻传感器，根据不同的人流量和光线强度自行进行冲水以及打开LED灯，即保证了洗手间的整洁有节约了水资源，同时利用太阳能板作为供电源，电池作为储存剩余电能，还减少了夜晚电能的消耗；

2）通过无线模块进行数据的实时采集和图形的显示；将控制系统的一些实时数据采集出来，供研究人员参考，为完善节能系统和降低能耗提供广泛数据；

3）此款控制器设计增添了显屏，可以显示空位、累计、电压及节能量；

4）操作软件界面风格清新精致，操作简单快捷，软件和硬件升级空间大，能够很大程度的适应产品的换型。

参考文献：

[1] 张阳 吴晔 腾勤 单片机原理及嵌入式系统开发[M]. 北京：电子工业出版社，2011.09.

[2]陈锡辉，张银鸿. LabVIEW8.20程序设计从入门到精通[M]. 北京：清华大学出版社，2007：2-6.

[3]杨乐平，李海涛，赵勇等. LabVIEW高级程序设计[M]. 北京：清华大学出版社，2003：3-8.

[4]谭浩强C语言程序设计[M]. 北京：清华大学出版社， 2010.06.01