一種具有警示功能節(jié)水裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

胡致杰，梁人杰，羅澤鵬

（廣東理工學(xué)院 信息技術(shù)學(xué)院，廣東肇慶 526100）

0 引言

水是生命之源，增強(qiáng)節(jié)水意識(shí)，提高節(jié)水效率是一項(xiàng)重要而又緊迫的任務(wù)[1]。傳統(tǒng)水龍頭普遍存在缺乏提醒與警示功能的缺點(diǎn)，一定程度上導(dǎo)致水資源的浪費(fèi)。為此本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種具有LED燈與數(shù)顯雙重警示功能的節(jié)水裝置，能夠依據(jù)用戶的用水時(shí)長，而采用不同顏色的信號燈進(jìn)行提醒與警示；用水結(jié)束后，還可對當(dāng)次用水量進(jìn)行數(shù)顯，達(dá)到增強(qiáng)用戶節(jié)水意識(shí)，合理利用水資源的效果。

1 節(jié)水裝置及工作原理

1.1 裝置結(jié)構(gòu)

具有警示功能的節(jié)水裝置主要由單片機(jī)CPU模塊、電源模塊、紅外感應(yīng)模塊、計(jì)時(shí)模塊、警示燈模塊、數(shù)顯模塊、繼電器控制模塊、晶振電路模塊和復(fù)位電路模塊等9部分組成，如圖1所示。

1.2 工作原理

節(jié)水裝置的內(nèi)核為單片機(jī)芯片。系統(tǒng)通過紅外感應(yīng)模塊確定水龍頭前是否有使用者存在，當(dāng)未感應(yīng)到使用者時(shí)，系統(tǒng)僅在液晶顯示屏顯示水龍頭的當(dāng)前狀態(tài)“welcome”，同時(shí)綠色LED警示燈常亮；當(dāng)感應(yīng)有使用者存在時(shí)，開啟水龍頭。同時(shí)，計(jì)時(shí)模塊開始計(jì)時(shí)，如果當(dāng)次用水量在正常用量內(nèi)，綠色LED警示燈常亮；如果超過正常用量，紅色LED警示燈常亮；如果大大超過正常用量，則藍(lán)色LED警示燈常亮，從而提醒使用者節(jié)約用水。用水期間液晶顯示屏?xí)掷m(xù)顯示水龍頭當(dāng)前狀態(tài)“opening”。用水完畢后，系統(tǒng)自動(dòng)延時(shí)2 s斷水，液晶顯示屏數(shù)顯當(dāng)次用水量“**mL”，并轉(zhuǎn)回初始狀態(tài)“welcome”，綠色LED警示燈常亮，紅色、藍(lán)色LED警示燈關(guān)閉。節(jié)水裝置系統(tǒng)工作流程圖如圖2所示。

圖1 節(jié)水裝置基本結(jié)構(gòu)圖

圖2 節(jié)水裝置工作流程圖

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片

設(shè)計(jì)采用STC89C52作為主控芯片，內(nèi)部配置8位高性能微控制器和容量為8 K的Flash存儲(chǔ)器，外部可連接晶振電路，且具有并行I/O引腳。該主控芯片具有功耗低、速度快、抗干擾性強(qiáng)、價(jià)格低廉、可靠性高等特點(diǎn)，特別適用于實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，現(xiàn)已成為各種自動(dòng)控制系統(tǒng)理想的控制芯片[2-3]。

2.2 紅外感應(yīng)模塊

系統(tǒng)的紅外感應(yīng)模塊采用LM393紅外感應(yīng)模塊，該模塊電路由數(shù)個(gè)不同阻值的電阻、滑動(dòng)變阻器、104型號電容、LED提示小燈、以及LM393放大電路芯片組成[4]，當(dāng)紅外感應(yīng)模塊開始工作時(shí)，電路警示燈會(huì)進(jìn)行模塊狀態(tài)提示。

紅外感應(yīng)模塊具有1對紅外線發(fā)射與接收管，當(dāng)發(fā)射管發(fā)出的紅外線遭遇障礙物（反射面）時(shí)被反射回來，接收管接收紅外線，經(jīng)比較器電路處理，綠色指示燈會(huì)亮起，同時(shí)向單片機(jī)發(fā)出控制信號，做出相應(yīng)功能響應(yīng)。

該傳感器工作電壓3.3～5 V，檢測距離（有效距離范圍2～30 cm）可通過電位器調(diào)節(jié)，具有干擾小、便于裝配、使用方便等特點(diǎn)[4]。

2.3 計(jì)時(shí)模塊設(shè)計(jì)

由于單片機(jī)內(nèi)部自帶的計(jì)時(shí)時(shí)鐘會(huì)受到多種因素的影響而產(chǎn)生計(jì)時(shí)偏差，為準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，在單片機(jī)外部增設(shè)時(shí)基電路。系統(tǒng)采用NE555時(shí)基芯片作為外部時(shí)鐘的核心芯片，與單片機(jī)控制中斷系統(tǒng)、2個(gè)4.7 kΩ電阻、1個(gè)10μF電容、1個(gè)0.01μF電容共同組成計(jì)時(shí)模塊。NE555芯片無需單片機(jī)輔助，可獨(dú)立于單片機(jī)獨(dú)自運(yùn)行，與STC89C52相連可消除主控芯片因掉電而產(chǎn)生的計(jì)時(shí)誤差。同時(shí)，NE555芯片具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性和精準(zhǔn)性，能為系統(tǒng)的運(yùn)行提供良好的保障[5-6]。計(jì)時(shí)模塊的核心設(shè)計(jì)電路圖如圖3所示。

2.4 警示燈模塊

警示燈模塊由3個(gè)NPN型三極管、3種不同顏色LED小燈，以及若干電阻組成。由于系統(tǒng)中單片機(jī)芯片管腳驅(qū)動(dòng)能力較弱，無法直接驅(qū)動(dòng)LED小燈，所以采用S8050三極管直接驅(qū)動(dòng)LED小燈，保證LED小燈供電穩(wěn)定性。在S8050三極管中，基極連接單片機(jī)輸出管腳，集電極連接5V直流電源正極，發(fā)射極連接5 V直流電源負(fù)極[7]，三極管S8050的使用，保證了LED警示燈供電的穩(wěn)定性。警示燈模塊的設(shè)計(jì)電路圖如圖4所示。

圖3 計(jì)時(shí)模塊電路圖

圖4 警示燈模塊電路圖

2.5 繼電器模塊設(shè)計(jì)

繼電器模塊是由2個(gè)10 kΩ電阻、1個(gè)NPN型三極管S8050、1個(gè)繼電器線圈組成。當(dāng)單片機(jī)與繼電器相連的電路為高電平時(shí)，繼電器開始工作。S8050三極管的基極為高電平，三極管導(dǎo)通，繼電器弱電電路有電流通過，而弱電線圈中的電流使得繼電器強(qiáng)電電路接通，水龍頭開始工作。當(dāng)單片機(jī)與繼電器相連的電路為低電平時(shí)，繼電器不工作，S8050三極管的基極為低電平，三極管不導(dǎo)通，繼電器弱電電路無電流通過，繼電器強(qiáng)電電路亦為開路，水龍頭關(guān)閉。繼電器模塊的設(shè)計(jì)電路如圖5所示。

2.6 晶振電路、復(fù)位電路

晶振電路的作用是為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號，便于各部分保持同步。晶振電路通常與鎖相環(huán)電路配合使用，以提供系統(tǒng)所需的時(shí)鐘頻率[5-7]。本系統(tǒng)的晶振電路采用國內(nèi)通用標(biāo)準(zhǔn)的晶振電路模塊，由2個(gè)0.47μF的電容以及1個(gè)11.9 MHz的晶振組合而成，通過晶振震蕩驅(qū)動(dòng)單片機(jī)工作，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。晶振模塊電路如圖6所示。

圖5 繼電器模塊電路圖

圖6 晶振模塊電路圖

圖7 復(fù)位模塊電路圖

復(fù)位電路由1個(gè)10 kΩ電阻和1個(gè)10μF的電容組成，由于系統(tǒng)電路板外面具有保護(hù)盒，無需亦不能進(jìn)行任何重啟操作，所以該電路只需保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行即可。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，該電路能保證RST重置管腳為高電平信號，以保證單片機(jī)芯片不會(huì)被重置。另為保證實(shí)現(xiàn)RST管腳功能，在系統(tǒng)電源供電處增加開關(guān)，當(dāng)開關(guān)狀態(tài)變換時(shí)，即為復(fù)位操作。復(fù)位模塊電路圖如圖7所示。

3 系統(tǒng)仿真與成品制作

3.1 系統(tǒng)仿真

系統(tǒng)仿真采用KEIL公司的KEIL uVision4進(jìn)行編譯，生成hex文件進(jìn)行燒寫。使用Proteus 8進(jìn)行仿真電路設(shè)計(jì)、調(diào)試和實(shí)現(xiàn)[8]。

仿真開始，液晶屏顯示“welcome”，紅、藍(lán)色LED燈都為熄滅狀態(tài)，綠色LED燈為點(diǎn)亮狀態(tài)，水龍頭為關(guān)閉的狀態(tài)。

當(dāng)使用者將手放入紅外線感應(yīng)區(qū)，刷新液晶顯示屏，顯示“opening”，水龍頭開始出水，LED警示燈隨著用水時(shí)間的增加依次變換為紅色和藍(lán)色。

用水完畢后，刷新液晶顯示屏，顯示“open-close”和當(dāng)次用水量“**mL”，綠色LED警示燈常亮，其他警示燈熄滅。延時(shí)2 s后水龍頭關(guān)閉，系統(tǒng)恢復(fù)初始狀態(tài)。

3.2 成品制作

系統(tǒng)電路圖以面包板設(shè)計(jì)模型為原型，遵循先還原，后改進(jìn)原則[8]，系統(tǒng)總電路圖的PCB圖如圖8所示。PCB電路板采用單點(diǎn)焊接，組裝完成后的電路板成品如圖9所示。

圖8 系統(tǒng)總電路PCB圖

圖9 電路板成品概覽圖

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的具有警示功能的節(jié)水裝置，不僅可通過紅外技術(shù)自動(dòng)控制水龍頭的開啟與關(guān)閉達(dá)到節(jié)水目的，而且使用不同顏色的警示燈及液晶顯示屏對超時(shí)用水進(jìn)行雙重警示與提醒，有利于提高使用者的節(jié)水意識(shí)。通過此節(jié)水裝置，可有效緩解水資源浪費(fèi)，提高水資源利用率。