基于多傳感器水流量識別的節水循環控制系統?

張曉軍 王少平 葉銘銘 陸興華

（廣東工業大學華立學院 廣州 511325）

1 引言

隨著人們生活水平的提高，對家居的智能環保和節能的要求越來越高，智能家居控制技術在生活中得到廣泛的應用［1～2］，衛浴系統是家居生活的重要組成部分，家庭生活中衛浴系統的水量開銷占據了整個自來水消耗的大部分比例，為了降低衛生間中的不必要的水量開銷，滿足消費者的節能生活需求，需要對衛浴系統的馬桶、淋浴、洗衣等水量消耗大的環節進行水循環節能控制。通過設計一款新型馬桶將浴室洗手盆和馬桶一體化，將洗手盆產生的廢水二次利用，高效利用浴室空間，使馬桶最大化地節約水資源，實現水循環控制，研究衛浴系統的節水循環控制控制系統在智能家居建設和踐行綠色環保理念中都具有重大的應用意義。

對此，本文提出一種基于多傳感器水流量識別的節水循環控制系統設計方法，通過各個傳感器的識別把水流量數據傳送給單片機，單片機通過數據處理來控制繼電器工作，通過洗手和其他生活用水進行重復利用，把這些廢水進行二次過濾后，收集，儲存到馬桶的儲水箱里，利用過濾后的廢水來沖洗馬桶，采用超聲波和紅外等多傳感器進行水流傳感識別，實現節水循環控制，取得較好的設計效果。

2 系統總體設計描述及功能指標分析

2.1 系統總體設計描述

本文設計的利用基于多傳感器水流量識別的節水循環控制系統主要是進行衛浴的水流控制，實現自動沖洗和自動蓄水功能，系統采用STC89C52單片機作為控制系統的核心處理芯片［3］，通過超聲波傳感器、紅外傳感器進行使用者的距離測量和水流信息感知［4～6］，采用智能水箱進行自動加水和排水，為了利用洗手或其他生活用水來提供衛浴系統作為水源，廢水經雙層過濾后匯聚到水箱，當水位下降到最低水位時，水箱自動加水到合適的水位。運用超聲波傳感器來檢測人與馬桶、洗臉池等衛浴系統的距離，各個傳感器的識別把數據傳送給單片機，同時單片機通過數據處理來控制繼電器工作，同時控制各個電磁閥的開和關，進而計算沖水量，來節省水源利用。根據上述設計思想，構建本文設計的基于多傳感器水流量識別的節水循環控制的總體結構框圖如圖1所示。

圖1 系統總體設計結構框圖

根據圖1所示的總體結構框圖得知，本文設計的節水循環控制系統主要分為傳感器測量模塊、單片機控制模塊、繼電器模塊、電磁水閥控制模塊，其中，單片機作為控制系統的處理中樞，通過各個傳感器的識別把水流量數據傳送給單片機，系統的數字電路部分主要包括A/D、復位芯片、EEPROM、D/A和水流輸出控制，數字部分在整個系統中負責向節水循環控制系統提供水流強度和人體與衛浴系統的距離等信息，并且對接收和參考兩路信號進行采集和處理并給出判決結果，根據系統的功能需求，數字電路ADI公司推出的ADSP-BF561作為數字信號處理芯片［7］，內核電壓0.8V～1.2V，片內調壓器可調，節水循環控制系統具有2個并行輸入/輸出外圍接口單元（PPI），支持PWM，具有2個“看門狗”定時器，支持 IrDA（Infrared Data Association）的UART，通過UART循環堆棧控制設計，當水位下降到最低水位時，水箱自動加水到合適的水位，保障了節水循環控制系統的智能性和人機友好性。

2.2 外圍器件選擇及功能指標描述

節水循環控制功能的實現不僅需要合適的單片機作為核心控制單元，還不能缺少外圍器件的支持，控制系統的傳感器單元需要A/D轉換器進行水流信號向電信號的轉換，選用ADI公司的A/D和D/A，設計的采樣頻率不低于8位，D/A芯片選用的是ADI的串行D/A轉換器AD5545，采用高速A/D芯片AD9225構建內部時鐘振蕩器，系統的復位芯片包括了2個16位MAC，2個40位ALU，D/A的輸出信號的范圍是：0～10VDD，AD7767-1的主要參數可達到：分辨率：24bit，采樣率：64kps/s。為了提高控制系統的低頻幅頻響應性能，在濾波電路中加入動態范圍≥25dB的AGC，通過設計檢波器模塊和積分器模塊實現線性檢波和兩級放大，節水循環控制系統的有效信號頻率范圍為100Hz～2000Hz，接收機內部濾波器的通頻帶應設計為100Hz～2000Hz。在外圍器件選擇中，需要考慮節水循環控制系統的主要特征參數：靈敏度（動作電壓），通頻帶及交流放大量等［8～10］。為了滿足控制系統的低功耗要求，系統采用單4V供電，輸入范圍為4Vpp，功耗280mW，使用有源晶振ADSP-BF537精確控制高壓，I/O電壓為3.2V，最大倍頻數為64倍，單片機控制芯片采用低功耗的STC89C52單片機。

在上述進行了系統的外圍器件選擇的基礎上，得出本文設計的系統的技術指標歸納如下：節水循環控制系統的電磁水閥控制具有VCC檢測功能，當VCC不足3.2V時，OUT可能被撤除；具有1.25V的門限檢測器，用于水流過大以及系統故障報警以及實現低電池檢測；當控制系統的VCC電壓低于2.92V時，SP在1.6s內未改變WDI引腳狀態，復位輸出引腳將輸出200ms的低脈沖，當達到使用的適合次數后，則單片機控制稀釋消毒液，實現衛浴系統的消毒處理；外部口的等待配置采用最慢模式（3周期的保持時間，15周期的讀寫存取時間），在節水循環控制中確保控制出水量的準確性。

3 系統設計與實現

3.1 系統硬件電路設計

在上述進行了節水循環控制系統的總體設計和技術指標分析的基礎上，根據實際開發需求，記性系統的模塊化涉及面系統模塊化設計主要包括了傳感器測量模塊、單片機控制模塊、繼電器模塊、電磁水閥控制模塊等。傳感器測量模塊。

1）傳感器測量模塊。根據超聲波和紅外等多種傳感器進行水流量識別，CPU與DAM控制器由外部脈沖源驅動，實現節水循環控制集成設計，圖2給出了多傳感器測量模塊的電路設計。

圖2 多傳感器測量模塊的電路設計

采用多傳感器進行水流識別，系統的輸入信號為U1Ai，則

其中，I1=I2，線性檢波電路的輸入為半雙工狀態，可得反相放大的輸出電壓為

采樣率發生器中的幀同步位FSGM決定發送幀同步信號，對運放U1B，超聲波傳感器的輸出電流和直流放大增益為

配置采樣率發生寄存器，當Vb變化時，可得動串口0的采樣率發生器，計算得到多傳感器測量的放大倍數A1為

本文設計A1＝225，實測 A1＝213。

2）單片機控制模塊。單片機控制模塊是該系統的核心模塊，采用STC89C52單片機，通過數據處理來控制繼電器工作，同時控制各個電磁閥的開和關，模塊電路原理圖如圖3所示。

在單片機控制模塊中，VDD（6腳）：正電源輸入端，一----般取+5V，FB（10腳）輸入運放的輸出反饋端，CE（4腳）鎖存控制信號的輸入--端--，當V+時，輸入數據 D0～D5不起作用，當CE=Vss時，數據可直接加到ROM中，可接收TTL電平信號及上升沿鎖存輸入控制信號，D0～D5（3，2，1，18，17，16）控制低通濾波器截止頻率的碼字，在fcp=3.5795MHz時，若選擇 D5～D0=110010，DSP采樣BMODE2-0管腳，從而決定程序加載方式。

圖3 單片機控制模塊的電路圖

3）繼電器模塊設計。系統的繼電器模塊必須設計成至少16階，采用了一個8階高通濾波器（S3529）和一個8階低通濾波器（S3528）級連，組成一個16階的帶通濾波器，采用二階級聯檢波方法進行信號檢波設計，系統5V電源，通過R13和R14進行分壓，信號經過R1向C1兩端積累，C1處在放電狀態，使得C1兩端變壓變小，通過繼電器模塊控制節水閥，當水位下降到最低水位時，雙層過濾后匯聚到水箱，進行節水控制。繼電器模塊電路設計如圖4所示。

圖4 繼電器模塊電路設計

4）電磁水閥控制模塊。電磁水閥控制模塊的設計電路如圖5所示。

圖5 電磁水閥控制模塊電路設計

電磁水閥進行節水循環控制的過程描述為：設Vi是水箱的最低水位的輸入端信號，Vo是最高水位輸出端信號，Vb是控制端信號。當Vb大于二極管D1、D2的導通電壓時，水位下降到最低水位時，二極管D1、D2導通。當Vb變化時，水箱自動加水到合適的水位，由于二極管D1伏安特性的非理想性，所以D1的阻值也在變化，并且這個網絡與R1組成分壓電路，從而使輸出端Vo也在變化，從而實現節水循環系統的出水控制。

3.2 控制系統的串口配置設計

在上述進行了系統的電路設計的基礎上，進行系統的串口配置，通過串口配置設計，CPU與DAM控制器由外部脈沖源驅動，實現節水循環控制集成設計，節水循環控制系統的外部接口片選信號和控制信號在CPLD上根據譯碼器原理編寫產生，利用DSP的5根地址線作為控制系統的串口輸入，啟動串口0的采樣率發生器工作，設定1，用一根地址線和/IOSTRB（片外I/O外設選通脈沖）作譯碼器，對SPCR1（串口接收控制寄存器）和SPCR2（串口發送控制寄存器）寫0H選擇，配置PCR（串口控制引腳寄存器）的FSXM=1，得到控制系統的串口配置設計圖如圖6所示。

其中，控制信號Q，把DSP的第12位數據線狀態賦給DSP，讀取采樣值時接收控制寄存器（RCR［1，2］和XCR［1，2］），節水循環控制系統的觸發器真值表見表1。

表1 節水循環控制系統的觸發器真值表

圖6 控制系統的串口配置設計圖

4 系統實驗測試分析

為了測試本文設計的基于多傳感器水流量識別的節水循環控制系統的穩定性和可靠性，對系統對衛浴系統的節水循環控制性能進行測試，系統測試中，起控點是由直流放大器輸出的直流電平來控制，通過多傳感器進行水流量識別后進行AD轉換成電信號Vi2在100μV，輸出的超聲傳感器信號的Vi2為峰峰值為2V、頻率可變的正弦波，得到節水循環控制中的高水位和低水位的控制幅頻響應曲線如圖7所示。

圖7 節水循環控制中的高水位和低水位的控制幅頻響應曲線

分析得知，該控制系統的最大有效信號為5mV，動態范圍為，滿足設計要求，系統單片機控制儲水箱的水位精準度較高，對出水量控制的可靠性較好，性能較好。

5 結語

本文研究了衛浴系統的節水循環控制系統，提出一種基于多傳感器水流量識別的節水循環控制系統設計方法，通過各個傳感器的識別把水流量數據傳送給單片機，單片機通過數據處理來控制繼電器工作。系統模塊化設計主要包括了傳感器測量模塊、單片機控制模塊、繼電器模塊、電磁水閥控制模塊等。采用低功耗的STC89C52單片機作為核心控制芯片，根據超聲波和紅外等多種傳感器進行水流量識別，CPU與DAM控制器由外部脈沖源驅動，實現節水循環控制集成設計。實驗分析表明，該系統可以智能化地實現衛浴系統節水循環控制，單片機控制儲水箱的水位精準度較高，對出水量控制的可靠性較好，具有較好的實用價值。

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