以ARM Cortex-M3為控制核心的蹲便器自動沖水抽紙系統設計

周金芝，楊 明

（亳州學院電子與信息工程系，安徽亳州236800）

在人流量較大的公共場所，如商場、車站等，傳統蹲便器手動沖便、抽紙裝置節約用水和節約用紙效果不佳，容易造成資源浪費和環境污染；同時，這些裝置極易人為損壞，且容易傳播細菌，對人們的身體健康不利。智能蹲便器的自動沖便、自動抽紙裝置可以很好地解決這些問題，它自動感應、無需人們手動控制，可有效防止細菌交叉感染。自動控制沖水、抽紙的次數和抽紙的長度，可以節約資源、減少環境污染。然而當前，智能蹲便器由于價格昂貴不能得到廣泛應用。因此，設計一套性能優良、價格合理的蹲便器自動沖水抽紙系統很有必要。本文以單片機STM32F103ZET6作為控制核心，結合傳感器技術、電磁閥及步進電機驅動技術，設計實現蹲便器自動沖水抽紙系統。

1 系統組成及工作原理

蹲便器自動沖水抽紙系統整體上由檢測系統、主控系統和驅動系統組成。檢測系統由紅外傳感器和激光傳感器組成。紅外傳感器用來檢測是否有人如廁，激光傳感器用于檢測抽紙是否用完。無人進入感應區，指示燈是滅的；當有人進入感應區時，指示燈亮。當檢測到紙已用完，則缺紙指示燈亮。主控系統由單片機最小系統和供電模塊組成，是整個系統的控制核心。驅動系統用于驅動語音模塊和步進電機，實現系統的語音播報和自動抽紙功能。當有人進入感應區時，語音模塊自動播放音樂或公益廣告，自動抽紙模塊在步進電機的帶動下完成自動抽紙。繼電器模塊用于控制電磁閥的打開與關閉，從而實現自動沖水功能。圖1為整個系統模塊框圖。

圖1 系統模塊框圖

2 系統硬件設計

硬件系統由單片機最小系統、串行通信模塊、紅外傳感器模塊、激光傳感器模塊、語音播報模塊、電磁繼電器模塊、步進電機驅動模塊和彩色液晶顯示模塊組成。系統硬件電路原理如圖2所示。

2.1 控制芯片的選擇

單片機STM32F103ZET6 是一款32 位的微控制器（如圖2 中“STM32F103ZET6”所示），采用ARM Cortex-M3內核，具有功耗低、性能高的優點。和8位、16位單片機相比，性能更高、專用性更強，具有引腳多、功能強、應用廣的特點。STM32F103ZET6擁有72 MHz的最高工作頻率，豐富的片上外設使系統外圍電路的復雜度得到簡化。

ARM Cortex-M3內核在中斷處理中采用Tail-Chaining中斷技術，完全基于硬件的中斷處理，在實際應用中可使中斷減少70%。單一的Thumb-2指令集[1]減少了45%的代碼量。ARM v7哈佛架構、三級流水線、1.25DMIPS/MHZ和0.19MW/MHZ的性能和功耗、0.06 mW/MHz的突出能效比[2]，這一切使得Cortex-M3處理器是一款可綜合、高度可配置的處理器。同時，Cortex-M3處理器內部集成了大部分存儲器、控制器，外部可以直接連接Flash，使得設計難度和應用障礙得到降低，可編程的復雜性很大程度上得到簡化，使得ARM架構成了各種應用方案的上佳之選。ARM Cortex-M3內核是為功耗和價格敏感的應用領域而設計的，從低端微控制器到復雜的嵌入式系統芯片都有它的市場[3]。

2.2 檢測系統及接口電路設計

檢測系統包括紅外檢測和激光檢測，由紅外傳感器和激光傳感器組成。紅外傳感器是感知人體最簡單、最方便的方法。紅外傳感器的接收器SM0038是一款一體化的紅外遙控接收器，對外只有3個引腳，如圖2 中“紅外傳感器接口”模塊所示。引腳1 接12 伏電源，引腳2 通過分壓電阻R4 接到單片機的PG.15端口，引腳3接地。當有人進入了感應范圍，紅外傳感器便會探測到人體產生的紅外輻射，接收端引腳2的信號變為低電平；若無人進入感應區，則引腳2處的電平為高電平。單片機的PG.15端口根據檢測信號的高低電平來判斷是否有人。

激光檢測由激光發射和激光接收模塊組成，通過激光檢測接收模塊是否接收到激光判斷是否有紙。激光接口電路是將激光傳感器與單片機相連接的電路。當缺紙時，激光傳感器沒有檢測到障礙物，則2號引腳為高電平，發光二極管D2不亮，單片機的PA.15端口被賦予低電平，缺紙指示燈亮。當有紙時，2號引腳為低電平，發光二極管D2亮，單片機的PA.15端口被賦予高電平，缺紙指示燈不亮。激光接口及缺紙指示電路如圖2中“激光傳感器接口”及“缺紙指示”模塊所示。

圖2 系統硬件電路原理圖

2.3 驅動系統及接口電路設計

2.3.1 自動沖水模塊電路設計

自動沖水模塊采用電磁繼電器作為電磁閥的開關[4]，由電磁繼電器控制電磁閥從而控制出水量和出水時間。在人方便離開后，單片機的PC.3口被賦予低電平（軟件設定），從而使PNP型三極管Q1導通，繼電器通電吸合，電磁閥電路導通，進行沖水。

電磁閥是一種用于流體控制的自動化基礎元件，是一種執行器。電磁閥里面有密閉的腔，不同位置上開有通孔，各自連接不同的水管。腔的中間是活塞，兩面是電磁鐵。電磁鐵通電之后會產生磁性吸引閥體，電磁閥就是通過閥體的移動來控制不同排水孔的開啟和關閉。進水孔是常開的，水通過進水孔進入不同的排水管，水的壓力推動水缸的活塞，活塞帶動活塞桿，活塞桿帶動機械裝置，實現自動沖水。自動沖水模塊（電磁繼電器）電路設計如圖2中“RELAY”模塊所示。

2.3.2 自動抽紙驅動電路設計

THB7128是一款專業的步進電機驅動芯片，適用于驅動42、57型兩相、四項混合式步進電機，在低成本、低振動、小噪聲、高速度的設計中應用效果較好。THB7128 芯片內部集成了細分、電流調節、COMS功率放大等電路，與簡單的外圍電路配合即可實現高性能、多細分、大電流的驅動電路[5]。完整的步進電機驅動系統由步進電機和步進電機驅動電路組成。當驅動芯片THB7128接收到一個脈沖信號后即驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，步進電機的轉動以固定的角度一步一步進行，角位移量的控制通過控制脈沖的個數實現。通過步進電機可控制用戶取紙的長度為每次25厘米，達到節約用紙、避免浪費的目的。步進電機接口電路如圖2中“步進電機接口”模塊所示。

2.3.3 語音播報電路設計

WT5001-48L 是一款OTP 高音質的MP3 語音芯片，擁有8-bit CISC，支持WAV 和MP3 解碼；外設接口豐富；一個SPI，支持DMA；能夠直接驅動16歐姆耳機；帶實時時鐘及萬年歷功能；標準的RS232串口控制功能；功耗低，休眠時待機電流約80 μA；控制播放響應速度優于同類產品；適用于需要更換語音或者音樂文件時間較長、音質要求較高的場合[6]；自帶SPI-FLASH存儲介質，自帶一瓦功放；可在線下載音樂文件或者通過TF 卡或U 盤更換音樂文件。單片機通過語音接口控制WT5001來播放音樂。當紅外傳感器檢測到有人進入感應區時，單片機的PG.15 端口變為低電平，此時單片機發送信號給語音模塊，實現驅動語音模塊播放音樂或公益廣告的功能；無人時，則停止播放音樂。該模塊電路設計如圖2“WT5001語音”模塊所示。

3 系統軟件設計

系統基于Keil u Vision5工具開發，以C語言作為開發語言。整個系統軟件包括紅外檢測模塊、激光檢測模塊、單片機控制模塊、自動沖水驅動模塊、自動抽紙模塊和語音播報模塊。首先，由紅外傳感器檢測是否有人進入，將檢測結果發送給單片機。若有人進入，則由單片機驅動語音播報模塊播放音樂；通過按鍵可暫停播放或切換歌曲。單片機驅動自動沖水系統每隔一定時間工作一次。延遲一定時間（程序設定）后，通過激光傳感器檢測有沒有紙，將檢測結果發送給單片機。無紙時，由單片機點亮缺紙指示燈；有紙，則在人按下抽紙按鍵后，由單片機驅動步進電機放出一定長度（25厘米）的紙。若紅外傳感器檢測到無人，則由單片機分析判斷先前是否有人，若有人，則停止音樂播放，并由單片機驅動電磁閥進行沖水，一定時間后關閉。通過軟件實現了蹲便器在無人使用和有人正在使用時不沖水、只有在人離開后延遲一定時間（5秒鐘）沖水的功能；實現人如廁時，自動抽出相同長度的紙的功能。整個系統工作流程如圖3所示。

圖3 算法流程圖

4 系統測試結果及分析

為驗證系統各模塊性能是否滿足設計要求，對系統進行多次測試，得到測試結果如表1所示。

經測試，系統各模塊均能達到設計要求，整個系統運行穩定，具有較高的準確度和較好的靈敏度，滿足系統設計需求。系統實物如圖4所示。

圖4 系統實物圖

5 結束語

以單片機STM32F103ZET6作為控制核心，結合傳感器技術、電磁閥及步進電機驅動技術，設計實現了一套蹲便器自動沖水抽紙系統。系統除可以實現自動沖便、抽紙功能外，還具有語音播報功能，能夠在有人如廁時自動播放音樂和公益廣告。實測結果表明，系統各模塊功能均達到設計要求，且整個系統運行穩定，具有較高的準確度和較好的靈敏度，適用于車站、機場、展覽館等人流量較大的公共衛生間，能夠有效地節約水資源和廁紙，減少環境污染、資源浪費和公共設施的損壞。同時，可避免公共衛生間的細菌交叉感染，潔凈衛生。產品易于安裝和推廣，能夠滿足人們對生活空間自動化和舒適性的要求，更加地人性化。