智能型嵌入式節水系統的設計與應用

王 晴，王建華

（南通航運職業技術學院 管理信息系，南通 226010）

0 引言

本文設計了一種基于統計學和模糊控制理論的權控智能節水系統，它利用改進的紅外檢測單元準確地采集數據；以AT89C2051為硬件平臺的信號處理和控制的主控制單元對檢測數據進行處理并實時判斷出真實的人流量；注水分主、權兩次，保證主控制單元發出沖廁指令后能迅速沖廁。

本方案解決了誤沖、漏沖、沖廁不及時的技術問題，節水率高達88.﹪，加之槽式節水設備市場需求量大，故本產品市場應用前景巨大。

1 權控技術

為了確保主控制單元發出沖水指令后，水箱內的水能迅速瀉放，本節水系統采用了權控技術TOWC，權控沖廁功能由主注水、防滲漏控制單元、主控制單元等實現。

主注水單元依據水箱低水位檢測器狀態判斷出水箱全空時啟動電磁閥，執行主注水至水箱總容量的95﹪時停止，為水箱的低水位。由于水中雜質經長時間的積淀以及水箱虹吸閥與水箱密封不嚴密，水過長時間停留會致使水位因滲漏而下降，鑒于此，設計防滲漏電路補注水，使水箱水位始終保持在水箱總容量的95﹪位置處。主控制單元實時處理入廁信息并發出權注水指令，這部分注水僅占水箱總容量的5﹪，耗時1-2秒。權注水后水箱內的水已充滿整個水箱，達到了虹吸閥開啟的位置。這種迅速沖廁的控制技術稱為權控技術。

2 系統硬件設計

本系統采用AT89C2051單片機作為系統的主控制單元，可實現紅外信號的處理、電磁閥權注水控制和LED顯示；結合C語言軟件編程，實現了與實際情況相吻合的沖水控制和兩級程序保密措施，豐富了系統功能，提高了系統的穩定性。

圖1 主控制單元結構圖

圖2 輔助控制單元結構圖

系統由主輔兩大控制單元組成，圖1為主控制單元，完成紅外信號處理，延時選擇并執行沖水子程序。其中改進的紅外監測感知移動生物，高水位檢測水箱水位是否到達虹吸點，延時選擇是在入廁低峰期時供人工選擇延時沖水時間；LED實時顯示主控制器工作狀態。

圖2為輔控制單元，完成無水斷電、主注水及防滲漏控制。管網斷水時，低水位檢測水箱內始終無水，于是主注水控制電路一直開啟電磁閥，故設計智能電源在無水時斷開除水管檢測之外的所有電路電源。低水位檢測主注水是否到水箱95﹪，主注水控制單元據之控制電磁閥；防滲漏控制單元保持水箱在95﹪的水位。

2.1 智能電源設計

智能電源系統結構包括數字+5V電源電路、模擬+5V電源電路、無水斷電控制電路，系統結構框圖如圖3所示。

無水斷電控制電路如圖4所示，檢測到無水時，控制兩個繼電器JDQ3、JDQ4斷開常閉觸點，切斷除水管檢測之外的所有電路供電，既保護了電磁閥又節省電能。在管網恢復供水后，無水斷電控制電路能瞬間迅速恢復個電路供電，系統進入正常工作狀態[1]。

圖3 智能電源系統結構圖

圖4 無水斷電控制電路圖

2.2 紅外監測設計

紅外監測采用GH-718人體感應模塊感知生物體，輸出高電平。GH-718人體感應模塊有可重復觸發和不可重復觸發兩種觸發方式，為精確計算入廁人數，本系統設置成可重復觸發方式。但GH-718人體感應模塊有效探測范圍110°，探測距離最遠可達7米，人體在這個區域移動時，造成同一入廁者有多次紅外觸發[2]。為了將誤觸發大大降低，甚至降為零誤觸發，本系統將GH-718人體感應模塊設置在機殼內，機殼底部居中開直徑為2mm的圓孔。經過以上改進，紅外監測器僅在一根線上才感應移動人產生體紅外脈沖，極大地提高了監測的精度，誤檢率降低到0.02，如圖5所示。

圖5 GH-718感應區和接收窗口實物圖

圖6 主注水及防滲漏控制電路圖

2.3 主注水及防滲漏控制電路設計

主注水及防滲漏控制電路不受主控制單元控制，它通過低水位檢測裝置送來的高低電平來判斷是否注水，電路如圖6所示。

水箱水位未到低水位時，低水位檢測裝置是低電平，經過一個非門后變為高電平，于是三極管V1因飽和導通驅使電磁閥閉合進行主注水。當水箱水位到達時，水箱水位檢測裝置送來的是高電平，經過一個非門后變為低電平，于是三極管V1截止，主注水控制電路關斷電磁閥停止主注水。

2.4 權注水控制電路設計

權注水是以AT89C2051為核心的主控制單元實現其功能，其電路見圖7。權注水控制電路與微處理器耦合時采用光電耦合器耦合，優點是光電耦合器耦合可以阻隔繼電器和電磁閥開啟與關斷瞬間產生的尖鋒脈沖等干擾信號對微處理器的干擾，從而避免了主控制單元因受干擾而出現工作性能不穩定的現象，減小了誤沖廁和漏沖廁的幾率。信號流程為：權注水指令從P3.2口送出，經R8送光耦IC4驅動V2導通，控制繼電器閉合常開觸電，電磁閥開啟權注水。

圖7 權注水控制電路電路圖

3 系統軟件設計

本系統以AT89C2051單片機為核心，為實現單片機的信號處理和控制功能，將程序劃分為6個模塊：3分鐘定時模塊、紅外脈沖計數模塊、高低峰期判決模塊、延時選擇模塊、水位檢測模塊、電磁閥模塊，單片機主程序流程[3,4]如圖7所示。

3分鐘定時模塊在紅外檢測經P3.1口送入第一個紅外脈沖時啟動，在3分鐘定時時間內由紅外脈沖計數模塊對紅外脈沖計數。3分鐘定時到時，3分鐘定時模塊和紅外計數模塊清零復位，此后3分鐘定時模塊和紅外計數模塊在下一個紅外脈沖到來時才再次啟動。同時紅外計數模塊的紅外脈沖計數值送高低峰期判決模塊。

高低峰期判決模塊有兩個功能：當3分鐘內紅外計數值滿足高峰期人數時啟動電磁閥進行權注水；當3分鐘內紅外計數值不滿足高峰期人數時，啟動延時選擇模塊。

延時選擇設置有友好的人機對話接口，由延時選擇程序和設置在機外人工預置的7組機械開關共同組成實現，延時時間到則開啟電磁閥進行權祝水。為了消除開關開閉產生的瞬間尖峰脈沖干擾紅外計數，在每組開關上設計了消尖峰脈沖電路。

水位檢測模塊檢測權注水是否到達虹吸閥的虹吸點，即高水位位置，當權注水到高水位時水位檢測模塊啟動電磁閥模塊，使其關閉。

由于篇幅的原因，在此給出部分C語言源程序[4,5]：

圖8 單片機系統控制流程圖

4 試驗結果

通過實際工作環境下的多次試驗，系統運行良好，紅外監測誤檢率＜0.02，沖廁遲滯時間≦2秒，節水率高達88﹪。表1是本節水系統在檢測周期為3分鐘時的一年耗水量，以及和普通沖水器的耗水的比較情況總結。

表1 試驗結果數據

本文針對現有節水產品誤檢率高、遲滯時間過長、沖水時間固定等缺點，基于GH-718人體感應模塊作了技術改進，極大提高了檢測的精度；基于權控技術大大縮短了沖水遲滯時間；基于3分鐘檢測周期的沖廁機理能實時判斷出入廁的真實人流量情況，保證了高峰期及時沖水、低峰期延遲沖水，無人期決不沖水。試驗結果表明本系統既保證了環境衛生、就廁舒適度，又保證了高節水率。

[1] 孫余凱.穩壓電源設計與技能實訓教程[M].電子工業出版社,2007．

[2] 周繼明,江世明,傳感技術與應用[M].中南大學出版社,2005.

[3] 趙亮,侯國銳.單片機C語言編程與實例M].人民郵電出版社,2003．

[4] 韓志軍.單片機應用系統設計—入門向導與設計實例[M].機械工業出版社,2005．