基于STM32的智能馬桶漏水檢測儀設(shè)計(jì)

郭紅英，林梅燕

(1.漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建漳州 363000；2.陽光學(xué)院，福建福州 350015)

0 引言

隨著人們對環(huán)保意識的不斷增強(qiáng)，節(jié)約水資源、保護(hù)水生態(tài)已引起了政府及民眾的重視.但多數(shù)人在挑選馬桶時主要看重的仍是馬桶沖水能力以及款式價(jià)格.對于國外的高科技智能馬桶因其高昂的價(jià)格普通民眾無法受用.普通的馬桶水箱的水流控制方法多是機(jī)械式而且無漏水檢測及提醒功能[1-2]，一般家庭發(fā)現(xiàn)馬桶漏水的主要途徑是馬桶流水聲音的異常，而在公共場合，密閉式抽水馬桶漏水只能通過超額的水費(fèi)單或是定期的檢查才能發(fā)現(xiàn)異常.為了解決這些問題本文提出一種低功耗、低成本的設(shè)計(jì)方案，并根據(jù)擬定的方案設(shè)計(jì)相應(yīng)的軟件程序，進(jìn)行節(jié)水馬桶水箱漏水檢測儀整體的連接調(diào)試.

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該設(shè)計(jì)由水流、液位傳感器采集模塊、漏水檢測模塊、顯示模塊、GSM無線報(bào)警模塊與主控模塊五大模塊構(gòu)成，如圖1所示.主控模塊以STM32F1038T6為主控芯片，處理各模塊傳送來的信息數(shù)據(jù)；水流傳感器采集模塊及漏水檢測模塊將檢測到的信息傳送至主控模塊，由該模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理；顯示模塊接收來自主控模塊傳送來的水流信息及漏水情況并顯示在LCD屏上，同時也顯示GSM模塊當(dāng)前的工作狀態(tài)；GSM報(bào)警模塊，當(dāng)系統(tǒng)檢測到漏水或水流信息異常時，由主控模塊判定是否超過規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，若判定超過則立刻觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警并發(fā)送指令啟動GSM無線傳輸模塊，將數(shù)據(jù)信息以短信的形式發(fā)送至客戶手機(jī)端，提醒用戶及時維修更換.

圖1 結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block Diagram of Structure

1.2 水流、液位傳感器檢測模塊

水流傳感器采用霍爾水流傳感器，其特點(diǎn)是采用德國不漏水的灌封膠封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，葉輪內(nèi)部轉(zhuǎn)軸材質(zhì)耐磨，防水性及抗老化強(qiáng)，低功耗，抗干擾能力強(qiáng)，外觀小巧，便于安裝.霍爾水流傳感器的電路設(shè)計(jì)圖2所示，水流量傳感器需5 V電源供電，水流流經(jīng)水流傳感器帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動切割磁感線，產(chǎn)生占空比約為50%的電脈沖，當(dāng)引腳OUT輸出高電平，開關(guān)管T0管導(dǎo)通，集電極PA0輸出低電平；當(dāng)無水流時轉(zhuǎn)子沒有切割磁感線，霍爾元件無電壓輸出，引腳OUT輸出低電平，開關(guān)三極管截止，集電極輸PA0出高電平.如此將水流信息經(jīng)PA0口采集至STM32M.根據(jù)廠家數(shù)據(jù)4分入水口傳感器1L流量的脈沖數(shù)約為1560個脈沖，因此通過的計(jì)算脈沖個數(shù)便可估算出水流容量，方便用戶根據(jù)水箱大小調(diào)節(jié)計(jì)數(shù)閾值.

圖2 霍爾水流傳感器電路Fig.2 Electric Circuit of Hall Water Flow Sensor

液位檢測采用投入式液位變送器傳感器，其工作原理是被測液體靜壓與高度成正比，采用傳感器將靜壓轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)補(bǔ)償修正后輸出4～20 mA的DC標(biāo)準(zhǔn)電流信號或0～5V的DC電壓信號.針對馬桶容量選擇傳感器工作參數(shù)為：測量量程0～0.5 m，工作電壓12 VDC.為獲得穩(wěn)定的電壓信號采用了OPA237電壓跟隨器，如圖3所示，輸出電壓為0～5 VDC，STM32的(12位)AD采集參考電壓取3.3 V,節(jié)水型水箱內(nèi)部尺寸為：水位高15 cm,長29 cm，寬10 cm，考慮傳感器誤差小于2%，取水箱容量計(jì)閾值約為4 400 mL(脈沖總數(shù)為6 864)， 由于傳感器為線性，液位及容量與輸出電壓成正比，則傳感器的輸出電壓范圍為0～1.5 VDC，在AD采集的參考電壓值范圍之內(nèi). 液位與容量關(guān)系如公式(1)、流量計(jì)數(shù)器初始值脈沖數(shù)與容量關(guān)系如公式(2)，其中AD_data為液位AD采集的值；AD_max是水箱停止注水時液位(15 cm)的AD采集數(shù)值，該值可在初始化過程中測得；int_Data_h是霍爾水流傳感器脈沖計(jì)數(shù)器.

圖3 液位檢測Fig.3 Liquid Level Detection

(1)

int_Data_h=1 560÷1 000×V液位容量

(2)

1.3 漏水檢測模塊

漏水傳感器采用Water Sensor，這是一款簡單易用、性價(jià)比高的水位/水滴識別檢測傳感器.通過一系列暴露的平行導(dǎo)線線跡測量其水滴/水量大小從而判斷水位，輕松完成水量到模擬信號的轉(zhuǎn)換,低成本、低功耗和高靈敏度，還可直接與微處理器或其他邏輯電路相連，使用方便[3-5].漏水檢測模塊電路設(shè)計(jì)如圖4所示.管腳S代表信號輸出管腳“+”代表VCC電源正極，管腳“-”代表GND電源負(fù)極，管腳1連接1KΩ限流電阻R3再與STM32單片機(jī)PB1口連接，輸入低電平信號，管腳2與單片機(jī)VCC(3.3 V)腳連接，為水位傳感器工作電源正極，3號管腳與單片機(jī)GND引腳連接，為電源接地.在當(dāng)該水位、水滴傳感器接觸到水，傳感器上的導(dǎo)線形成短路，輸出一個低電平信號至主控MCU，當(dāng)主控MCU接收到發(fā)送來的低電平信號時則判定為漏水，通過發(fā)送AT指令至GSM模塊，由GSM模塊發(fā)送報(bào)警短信至用戶手機(jī)端并啟動蜂鳴器聲音報(bào)警，完成馬桶水箱外部的漏水警報(bào).

圖4 水滴傳感器實(shí)物及電路Fig.4 Water Drop Sensor and the Electirc Circuit

1.4 顯示模塊

本設(shè)計(jì)的顯示模塊，采用Nokia5110 LCD液晶顯示作為節(jié)水馬桶水量檢測儀的顯示模塊.Nokia5110 LCD是一個84x48像素點(diǎn)，可顯示15個漢字30個字符，其性價(jià)比較高、成本低、接口簡單僅四根I/O線即可驅(qū)動具有掉電模式、體積45 mm×45 mm×5 mm、采用低電壓供電、工作電流小于200 uA.模塊化設(shè)計(jì)與STM32主控器采用SPI接口通信，通信傳輸速率可高達(dá)4Mbps，可全速寫入顯示數(shù)據(jù)無需等待時間，安裝和更換簡便，如圖5為Nokia5110 LCD顯示電路圖.

1.5 GSM報(bào)警模塊

GSM報(bào)警模塊采用SIM800C模塊.SIM800C是一款高性能高性價(jià)比的四頻GSM/GPRS模塊，為城堡孔封裝，性能穩(wěn)定，外觀小巧.SIM800C工作頻率為GSM/GPRS 850/900/1800/1900 MHz，可以低功耗實(shí)現(xiàn)語音、SMS和數(shù)據(jù)信息的傳輸，適用于各類緊湊型產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求，更新?lián)Q代也十分方便[6-8].GSM模塊與STM32單片機(jī)的通信采用串口協(xié)議，TTL電平控制接口，可以直接與單片機(jī)串口進(jìn)行連接.GSM模塊電路圖6所示，模塊的TXD引腳和RXD引腳分別與STM32單片機(jī)的PA3口和PA2口連接實(shí)現(xiàn)串口通信.

圖6 SIM800C電路Fig.6 Electric Circuit of SIM800C

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)程序首先將系統(tǒng)各個模塊初始化，SIM800C模塊插上SIM卡后開始工作，該模塊正常工作后采集模塊開始工作并且顯示模塊LCD顯示屏上顯示水流信息.STM32工作業(yè)于睡眠模式，當(dāng)有外部中斷時被喚醒進(jìn)入工作狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，其中外部中斷源有水流檢測模塊、漏水檢測模塊、按鍵檢測，主函數(shù)工作流程如圖7所示.

2.1 故障檢測中斷子程序

系統(tǒng)設(shè)有四個外部中斷，分別是水流檢測外部中斷1、漏水檢測外部中斷2、按鍵檢測外部中斷3、排水按鍵檢測中斷4，如圖所示.外部中斷1設(shè)下降沿觸發(fā)工作模式，當(dāng)有水流流動切割磁感線時霍爾傳感器將輸出相應(yīng)的脈沖激活外部中斷，每次計(jì)數(shù)前判斷是否按下排水鍵，有排水則啟動液位檢測，將液位檢測值換算成容量值賦給流量計(jì)數(shù)器，清除排水標(biāo)志后啟動脈沖計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)值超過正常閾值時說明馬桶存在漏水，水位達(dá)不到停止注水閾值，故障標(biāo)志置1，若未發(fā)送GSM短信則發(fā)送GSM短信，最后刷新LCD顯示數(shù)據(jù)，工作流程如圖7(b)所示.外部中斷2設(shè)低電平觸發(fā)模式，當(dāng)出現(xiàn)漏水時，傳感器輸出低電平觸發(fā)漏水中斷，為避免在故障排除前重復(fù)觸發(fā)，在發(fā)送GSM短信后關(guān)閉漏水中斷直到故障排除，工作流程如圖7(c)所示.按鍵外部中斷3、4設(shè)低電平觸發(fā)模式，當(dāng)故障排除完畢后按下解除鍵，將故障標(biāo)志、GSM發(fā)送標(biāo)志清零并重新開啟漏水中斷；當(dāng)排水鍵按下時將排水標(biāo)志位置1并延時3秒待水箱排水完畢，工作流程如圖7(d)所示.

圖7 軟件流程圖：(a)主函數(shù)；(b) 水流量檢測中斷；(c)漏水中斷；(d)按鍵中斷Fig.7 Software Flow Chart: (a) Main Function; (b) Water Flow Detection Interruption; (c) Water Leakage Interruption; (d) Key Interruption

2.2 GSM子程序

GSM短信報(bào)警模塊軟件系統(tǒng)開始工作.先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，在主控模塊檢測到漏水是通過串口將漏水信息傳送至GSM模塊，之后進(jìn)行通信.通過串口發(fā)送AT指令“AT+CMGF=1”，設(shè)置短信模式txt模式.當(dāng)GSM模塊無法進(jìn)行正常工作時顯示“AT+CMGF=1 error”表示不在正常工作狀態(tài)，處于正常工作狀態(tài)時顯示“AT+CMGF=1 OK”.通過發(fā)送AT指令“AT+CMGS=18760667072”指令到指定手機(jī)號上.再通過串口發(fā)送字符串，即為報(bào)警短信內(nèi)容.最后串口發(fā)送0x1a，置位GSM發(fā)送標(biāo)志及故障標(biāo)志后返回.GSM報(bào)警短信發(fā)送的流程如圖8所示.

圖8 GSM子程序流程Fig.8 Subprogram Flow of GSM

3 系統(tǒng)測試

如圖9所示，將各模塊與STM32系統(tǒng)連接.首先在接通電源之前先將SIM卡以正確方向插入卡槽中，再接上5 V電源，此時可看到主控模塊工作燈亮起(紅色)，GSM模塊右上角工作燈(紅色)亮起，左上角網(wǎng)絡(luò)燈(藍(lán)色)亮起并處于快速閃爍狀態(tài)，LCD顯示屏亮起并顯示所有待測量為零.當(dāng)LCD顯示屏上出現(xiàn)“AT+CMGD=1 OK”，則說明SIM卡插入成功GSM模塊工作正常，可以進(jìn)行工作.LCD顯示屏上顯示“W”為預(yù)設(shè)定的水箱容量(mL).“WP”為流量傳感器測得的水位容量(mL).“WA”為累積的漏水容量值(mL).LCD顯示屏初始化完畢，開始工作狀態(tài).取節(jié)水型水箱尺寸為：水位高15 cm，長29 cm，寬10 cm，考慮液位傳感器誤差小于2%，預(yù)設(shè)定正常水容量為4 400 mL，霍爾計(jì)數(shù)器值超過此設(shè)定值則可判為馬桶內(nèi)部出現(xiàn)漏水，若未發(fā)出任告警則發(fā)送GSM短信告知用戶，發(fā)送成功后相關(guān)標(biāo)志位置零.對于不同規(guī)格的馬桶水箱只需要調(diào)整預(yù)設(shè)值W便可，使用方便快捷.

圖9 連接測試圖Fig.9 Diagram of Connection Testing

4 結(jié)語

此設(shè)計(jì)以STM32F103C8T6芯片為控制中心，通過霍爾水流傳感器采集水流量的信息，且可根據(jù)水箱具體情況調(diào)節(jié)預(yù)設(shè)值，應(yīng)用靈活.同時增加馬桶外漏水檢測功能，可實(shí)現(xiàn)對馬桶水量信息進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)問題，反饋問題.此外，STM32功耗低，擁有豐富的接口資源，方便各類智能家居服務(wù)的擴(kuò)展應(yīng)用，有利于產(chǎn)品的推廣使用.