基于單片機的生物菌群環境調控系統設計

郭曉鳳，李俊嬌，權海平，盧克

（南京機電職業技術學院，江蘇南京，211306）

0 引言

《中共中央 國務院關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》中指出，實現碳達峰、碳中和，是以習近平同志為核心的黨中央統籌國內國際兩個大局作出的重大戰略決策，是著力解決資源環境約束突出問題、實現中華民族永續發展的必然選擇，是構建人類命運共同體的莊嚴承諾。要深入貫徹習近平生態文明思想，立足新發展階段，貫徹新發展理念，構建新發展格局，堅持系統觀念，處理好發展和減排、加快形成節約資源和保護環境的生活方式，其中“廁所革命”是一項重要工作。可生物降解智能馬桶的開發使用是實現“廁所革命”的重要舉措。可生物降解智能馬桶是電子技術與生物技術結合的產品，要保障可生物降解智能馬桶實現地上衛生化、地下無害化、使用方便化的功能，為生物菌群提供適宜的培植環境是關鍵，為此本文以單片機技術為核心，應用STC89S52 單片機為核心控制芯片，開發了“可生物降解智能馬桶的生物菌群環境調控系統”，為生物菌群培植環境保駕護航，助力智能化的廁所改造與新建[1]。

1 基于STC89S52 單片機的生物菌群環境調控系統硬件電路設計

本系統的硬件電路由STC89S52 單片機最小系統電路、自動感應電路、溫濕度采集與轉換電路、菌群攪拌電路、加熱升溫電路、風扇降溫電路、工作狀態顯示電路、WiFi 模塊電路和電源電路組成[2]，系統框圖如圖1 所示。實現的功能為：溫濕度傳感器實時采集環境溫濕度，當溫濕度處于生物菌群培植的正常范圍內時，為了保障生物菌群的活性，每隔10 分鐘，菌群攪拌1 分鐘；當溫濕度低于生物菌群培植的溫濕度設定范圍值時，加熱絲升溫電路啟動工作；當溫濕度高于生物菌群培植的溫濕度設定范圍值時，風扇降溫電路啟動，同時菌群攪拌電路也開始攪拌；當有人來使用時，馬桶蓋自動打開，攪拌停止；當人離開時，馬桶蓋自動關閉。

圖1 硬件電路系統框圖

1.1 單片機最小系統電路構成

硬件電路系統原理圖如圖2 所示。SCT89C52 單片機的最小系統如圖2 中最小系統電路所示，整個最小系統由四個部分組成，時鐘電路部分、復位電路部分、EA 拉高四部分組成。

圖2 可生物降解智能馬桶生物菌群環境調控系統原理圖

時鐘電路產生的時鐘信號是整個單片機系統工作的時間基礎。直接影響單片機的工作速度，頻率過快超負荷、過慢效率低。時鐘電路包括2 個30pF 的電容C2 和C3，以及11.0592M 的晶振X1。電容的作用在這里是起振作用，幫助晶振更容易地起振，取值范圍是15~33pF。在設計電路時，只要不超過最高頻率即可，晶振頻率一般取1.2MHz~12MHz。

單片機復位電路就好比電腦的重啟部分，當電腦在使用中出現死機，按下重啟按鈕電腦內部的程序從頭開始執行。單片機也一樣，當單片機系統在運行中，受到環境干擾出現程序跑飛的時候，按下復位按鈕內部的程序自動從頭開始執行。

復位電路由10μF的極性電容C1和10k的電阻R5構成。利用電容電壓不能突變的性質，可以知道，當系統一上電，RESET 腳將會出現高電平，并且這個高電平持續的時間由電路的RC 值來決定。典型的51 單片機當RESET 腳的高電平持續兩個機器周期以上就將復位，所以適當組合RC 的取值就可以保證可靠的復位。

特別注意的是，對于31 腳(EA)，當接高電平時，單片機在復位后從內部ROM 的0000H 開始執行；當接低電平時，復位后直接從外部ROM 的0000H 開始執行。由于我們的程序存儲在了單片機內部，所以EA 要接高電平，保證單片機是從內部讀取程序去執行的。

1.2 溫濕度調控電路構成

溫濕度調控電路主要由溫濕度采集與轉換電路、電熱絲加熱升溫電路、菌群攪拌降溫電路和風扇運轉降溫電路組成，如圖2 傳感器模塊和執行機構模塊所示。

其中溫濕度采集與轉換電路由DHT11 溫濕度傳感器模塊及10kΩ 的上拉電阻構成，數據總線接入單片機的I/O 端口。選用DHT11 作為溫濕度檢測模塊。DHT11 是一款數字輸出的復合傳感器，包含一個電阻式干事元件和NTC 式溫度檢測元件，可測20%~90%RH 濕度，誤差為±5%RH，0℃~50℃，誤差范圍±2℃。其功能是實時采集生物菌群的環境溫度，依據采集數據判斷生物菌群培植環境是需要升溫調整或降溫調整[3]。

電熱絲加熱升溫電路是對生物菌群培植環境進行加溫控制的，當采集的環境溫濕度低于生物菌群培植所需的溫濕度值時，該電路啟動工作。同時也可以拓展電熱絲加熱升溫電路功能，即在馬桶圈上也可以放置電熱絲加熱升溫電路，當冬季環境溫度較低時，可以啟動工作，使馬桶圈處于溫熱狀態，提高智能馬桶的使用舒適度。

菌群攪拌電路一是定時攪拌保障菌群的活性、二是使用后攪拌保障排泄物充分溶解、三是降溫攪拌輔助降低生物菌群培植環境溫度。攪拌電路由ULN2003 驅動模塊和4 相5線5V 步進電機組成。

風扇運轉降溫電路是由1 路5V 繼電器模塊驅動風扇運轉，此項目中采用的是高電平觸發，可以根據需要變換為低電平觸發。其功能是當采集的環境溫濕度高于生物菌群培植所需的溫濕度值時，單片機發送高電平觸發信號，繼電器吸合，風扇運轉降溫，圖2 中風扇用電機代替仿真運行時方便觀測運轉情況。風扇電路也可以拓展增加攪拌排泄物同時啟動風扇工作，促使空氣快速流動。

1.3 自動感應電路設計

自動感應電路由HC—SR505 人體感應模塊、舵機和輔助的機械結構組成，如圖3 傳感器模塊部分所示。其功能是當有人來使用時，馬桶蓋自動打開，當人離開時，馬桶蓋自動關閉。電路設計時要注意舵機的選擇，如果選擇的舵機工作扭矩較小，人來時不能自動打開馬桶蓋，舵機工作扭矩較大，浪費資源，要求供電電壓較大，本項目選擇的舵機為MG90，其工作扭矩為2.0Kg，供電電壓為4.8V。這里還可以進行電路優化，把自動感應電路中的舵機用攪拌電路中的步進電機代替，可以減少項目中的元器件種類，但是機械結構相對較復雜。

圖3 LCD 顯示工作狀態圖片

1.4 狀態顯示電路設計

狀態顯示電路是應用LCD1602 液態晶體顯示器顯示智能馬桶當前的工作狀態，部分工作狀態顯示圖片如圖3 所示。可根據實際需求設置顯示狀態，顯示狀態及其對應的功能說明如表1 所示。

表1 顯示狀態及其對應的功能說明表

1.5 WiFi 模塊電路設計

無線通信模塊電路由ESP8266 WiFi 模塊構成[4]，如圖2 中無線通信模塊電路所示，其功能是使智能馬桶的工作狀態上傳PC 機，方便對智能馬桶的狀態進行實時監測，通過數據收集方便產品的檢測、維護，也方便產品的投產和使用。本項目作為教學項目，可應用ESP8266 WiFi 模塊進行數據傳輸，其外圍電路簡單，工作溫度范圍大、低功耗、集成度高、支持實時操作系統 (RTOS) 和 Wi-Fi 協議棧等特性。如果產品分布范圍較廣，而且要支持手機等移動設備監測產品工作狀態，可以應用LTEUECategory1，借助物聯網進行無線連接。

2 基于STC89S52 單片機的生物菌群環境調控系統軟件程序設計

本設計軟件開發環境采用的是Keil μVision5 軟件[5]。針對本系統的功能實現，編寫了溫濕度傳感器、電機、液晶顯示3 個頭文件函數和1個主函數。

程序正常運行時溫濕度傳感器采集生物菌群培植環境溫濕度，電機每隔10 分鐘攪拌菌群1 分鐘，人來馬桶蓋開，攪拌停止，人走馬桶蓋關，攪拌正常運行，無論馬桶蓋開還是關，升溫和降溫電路均正常工作。

具體程序流程圖如圖4 所示。

圖4 程序設計流程圖

通過軟硬件聯合調試，可生物降解智能馬桶的工作狀態可以實時顯示；日常無人使用時，每隔30 分鐘，電機轉動攪拌菌群2 分鐘，正轉1 分鐘，反轉1 分鐘；當有人來使用時，人離馬桶30 厘米左右時，馬桶蓋自動打開，電機停止攪拌；用完離開后，馬桶蓋自動關閉，電機又開始轉動攪拌菌群2分鐘；溫濕度傳感器實時采集環境溫濕度，設定正常溫度范圍為24℃~36℃，濕度范圍為20%rh~60%rh，當溫濕度處于生物菌群培植的正常范圍內時，溫濕度調控電路不工作，當采集環境溫濕度低于設定范圍值時，啟動加熱絲升溫，當采集環境溫濕度高于設定范圍值時，啟動風扇降溫，同時電機轉動攪拌菌群，加速降溫；智能馬桶的工作狀態數據實時傳送給PC 機。所有測試數據都可以結合實際，通過程序進行設計。

3 結束語

隨著國家對綠色低碳發展規劃引領，推動人們加快形成綠色生產生活方式，本文所設計的基于STC89S52 單片機的生物菌群環境調控系統，一方面可以使學生了解國家碳達峰碳中和的大政方針，給學生注入節能環保的理念，另一方面通過項目實施強化學生單片機知識的學習和技能訓練，實現了生物菌群培植環境調控功能，而且通過WIFI 技術與菌群控制系統的融合應用，實現對產品工作狀態的實時監控，使我們的生活方式和工作方式更加便捷化和智能化。