紅外線控制自動水龍頭的設計

覃光鋒

（廣西機械高級技工學校，廣西 柳州545005）

在公共廁所、酒店等地方由于人流量較大，用水量普遍比較大。特別是公共廁所目前大部分用的是傳統手動式開關水龍頭，因為使用頻繁的緣故，這種手動開關水龍頭非常容易損壞，而且人們在洗手后關閉水龍頭時容易造成二次污染，容易造成疾病傳播，對人們的身體健康有很大的潛在危害。

本設計中采用紅外發射及接收的主要元器件TCRT5000傳感器，紅外接收管及紅外發射管都集成在一個元器件里[1]。使用STC89C52RC單片機控制TCRT5000光電傳感器進行工作，電路較為簡單，成本也低。由于是使用單片機為主控進行設計，這個紅外線控制水龍頭還可以根據實際要求，通過編程隨時修改感應時間、出水時間等參數，適用于各種場合。

1 作品的功能及解決問題

1.1 作品功能

設計一個由紅外線控制的自動水龍頭，水龍頭可以根據人手的接近或遠離自動進行出水停水的操作。設計要求使用紅外線檢測，水龍頭則由電磁閥進行控制。當有人手靠近（15 cm）水龍頭時，自動出水，延時5 s后關閉，延時期間若人手離開，亦停止出水。

1.2 解決的主要問題

作品擬解決的主要問題如下：

（1）如何利用52系列單片機為核心，進行紅外線控制水龍頭的設計；

（2）如何運用紅外線檢測人手的靠近和遠離；

（3）如何利用52系列單片機來控制電磁閥的開和關。

2 設計方案

2.1 作品設計功能

本設計所需要實現的功能如下：

（1）檢測人手是否靠近；

（2）電磁閥打開出水；

（3）當出水時間達到5 s，電磁閥關閉，停止出水；

（4）當出水沒有到達5 s時，如果人手離開，電磁閥關閉，停止出水。

根據紅外線控制自動水龍頭的設計要求可以將該設計分為四個模塊，包括單片機控制模塊、紅外線發射模塊、紅外線接收模塊、電磁閥模塊。

具體的工作流程是：單片機給紅外發射模塊一個低電平，紅外發射模塊就定時間歇發送紅外脈沖，紅外脈沖遇到人手的時候返回到紅外接收模塊。當紅外接收模塊接收到2個脈沖后，單片機就給電磁閥模塊一個高電平，電磁閥打開，開始出水并延時；延時達到5 s后，單片機就給電磁閥模塊一個低電平，電磁閥關閉，停止出水。延時期間若人手離開，單片機也會控制電磁閥關閉，停止出水。設計框圖如圖1所示。

圖1 紅外線控制自動水龍頭的系統框圖

2.2 模塊功能介紹

紅外線控制自動水龍頭所用的主控芯片是STC89C52單片機，各個模塊在單片機的控制下進行工作。紅外發射模塊是用來發射紅外脈沖，紅外接收模塊是用來接收紅外脈沖，紅外發射與紅外接收模塊配合工作用以來檢測人手的接近和遠離；電磁閥模塊則是用來控制水龍頭是否出水。該設計的好處是它能夠使公共環境的衛生得到改善，在人流復雜的環境避免洗手后的二次污染，具有很重要的現實意義。

3 硬件電路設計

紅外線控制自動水龍頭的硬件電路的總設計主要是由四個部分所組成：紅外發射電路設計、紅外接收電路設計、單片機控制電路設計、電磁閥電路設計。

3.1 紅外發射電路

如圖2所示，這個紅外發射電路的主要元件是采用TCRT5000傳感器當中的發射管[2]。這個發射管是由高發射功率紅外光電二極管組成[3]。這個發射電路的工作方式是間歇式，當電源接通后，單片機通過P2.0端口給紅外發射電路一個低電平，它就以0.5 s的時間間隔發射紅外脈沖。

圖2 紅外發射電路

3.2 紅外接收電路

如圖3所示，這個紅外接收電路的主要元件是采用TCRT5000傳感器當中的接收管[4]。這個接收管由高靈敏度光電晶體管組成[5]。在發射出去的紅外脈沖還未被人手反射回到接收管，或被反射回到接收管但未達到2次的時候，光敏三極管是處于斷開狀態，此時接收電路的輸出端口為低電平；當人手進入到紅外脈沖的檢測范圍里面，紅外脈沖被反射到接收管并且達到2次后，光敏三極管達到飽和狀態，這時接收電路的輸出端口為高電平。

圖3 紅外接收電路

3.3 電磁閥電路

如圖4所示，本設計采用的是直流12 V有壓電磁閥。此款電磁閥是常閉型，即通電就接通，通水，斷電就斷開，斷水。電源接線端采用的是插片式，用6.3插簧，額定功率為5W.且此款電磁閥接電不需要分正負極，更方便接線。工作方式為定額制，最長連續工作4小時。絕緣等級為E級絕緣[6]。使用壽命≥50萬次（實驗室數據）≥30萬次（實際正常使用），能夠滿足日常使用要求[7]。

圖4 電磁閥電路

當單片機的P2.2端口輸出為高電平的時候，電磁閥通電打開，出水。當P2.2端口輸出為低電平的時候，電磁閥斷電關閉，停水。

3.4 單片機控制電路

由圖5可以看出，本設計是使用STC89C52作為主控[8]。通過單片機的各個端口控制各個模塊電路，使它們完成各自的工作，以實現紅外線控制自動水龍頭的功能。單片機的各個端口控制著不同的模塊，其中由P2.0端口控制紅外發射模塊，作用是使紅外發射模塊定時間歇發射紅外脈沖。由P2.1、P3.2端口控制紅外接收模塊，作用是檢測是否接收到足夠數量紅外脈沖并反饋給單片機。電磁閥是由單片機的P2.2端口來控制以實現通斷的功能。

圖5 單片機控制電路

4 軟件設計

系統的軟件設計運用C語言來進行編程。使用的編程工具是keil uvision4軟件，這款編程軟件是一款很方便并且功能很強大的軟件[9]。系統的主程序在總體上控制著各個模塊，目的是使得程序完成紅外線控制自動水龍頭的功能，本系統的軟件程序由三個模塊所組成：紅外發射模塊、紅外接收模塊、電磁閥模塊。

4.1 紅外發射模塊

紅外發射模塊是由單片機通過P2.0端口控制，在程序初始化完成后，紅外發射模塊就會一直定時間歇發射紅外脈沖。

（1）sbit OPEN=P2^0；//發射紅外

（2）if（MScond==22）//20ms*22

{

OPEN=0； //打開發射管

FLAG=0；

IE0=0； //標志位清0

EX0=1； //允許外部中斷

}/開

4.2 紅外接收模塊

紅外接收模塊是由單片機通過P2.1端口控制，程序初始化后就一直等待接收脈沖，接收電路接收到2次脈沖后就由P3.2端口反饋給單片機。

（1）sbit OPEN2=P2^1；//接收紅外

（2）if（MScond==24）

{

OPEN=1；

IE0=0； //標志位清0

EX0=0； //關閉外部中斷

if（FLAG==1）//有檢測信號

4.3 電磁閥模塊

（1）電磁閥由單片機通過P2.2端口進行控制：

sbit MOtor=P2^2；//電磁閥控制

（2）程序初始化完成后等待中斷，檢測到2次脈沖后出水，超時后關水：

if（OUTtime<10）{

OUTtime++；

if（Min2s<2）{Min2s++；}else{LED=0；MOtor=1；}//測到2次脈沖為1S，出水

}

else

{

MOtor=0；LED=1； //超時，關閉水閥

}

}else{Min2s=0；LED=1；MOtor=0；OUTtime=0；}//無信號，關閉水閥

5 結束語

本設計通過硬件和軟件的整體調試后，這個水龍頭能在人手接近的時候自動出水5 s后停水，5 s期間人手遠離也會自動停水。而且這個水龍頭采用直流電供電，不需要電池，很環保，適用于公共場合。

[1]林 恒.紅外自控水龍頭[J].家庭電子，2002，（07）:23.

[2]寧禮佳，郭婷婷，武志明，等.流量可控式紅外線感應水龍頭控制模塊設計[J].節能技術，2013，（03）:247-249.

[3]傅國迎.電池式感應水龍頭制作[J].電子制作，2003，（08）:56-57.

[4]吳銀鳳，丁文權，劉光聰.紅外式自動水龍頭電路設計[J].電工技術，2003，（10）:59.

[5]成加國.紅外傳感器在節能水龍頭中的應用[J].科協論壇（下半月），2011，（03）:88.

[6]毛獻輝，郭 宏，朱 昊，等.智能化紅外感應控制系統[J].電子測量技術，2005，（02）:45.