紅外線控制自動水龍頭的設(shè)計(jì)

覃光鋒

（廣西機(jī)械高級技工學(xué)校，廣西 柳州545005）

在公共廁所、酒店等地方由于人流量較大，用水量普遍比較大。特別是公共廁所目前大部分用的是傳統(tǒng)手動式開關(guān)水龍頭，因?yàn)槭褂妙l繁的緣故，這種手動開關(guān)水龍頭非常容易損壞，而且人們在洗手后關(guān)閉水龍頭時容易造成二次污染，容易造成疾病傳播，對人們的身體健康有很大的潛在危害。

本設(shè)計(jì)中采用紅外發(fā)射及接收的主要元器件TCRT5000傳感器，紅外接收管及紅外發(fā)射管都集成在一個元器件里[1]。使用STC89C52RC單片機(jī)控制TCRT5000光電傳感器進(jìn)行工作，電路較為簡單，成本也低。由于是使用單片機(jī)為主控進(jìn)行設(shè)計(jì)，這個紅外線控制水龍頭還可以根據(jù)實(shí)際要求，通過編程隨時修改感應(yīng)時間、出水時間等參數(shù)，適用于各種場合。

1 作品的功能及解決問題

1.1 作品功能

設(shè)計(jì)一個由紅外線控制的自動水龍頭，水龍頭可以根據(jù)人手的接近或遠(yuǎn)離自動進(jìn)行出水停水的操作。設(shè)計(jì)要求使用紅外線檢測，水龍頭則由電磁閥進(jìn)行控制。當(dāng)有人手靠近（15 cm）水龍頭時，自動出水，延時5 s后關(guān)閉，延時期間若人手離開，亦停止出水。

1.2 解決的主要問題

作品擬解決的主要問題如下：

（1）如何利用52系列單片機(jī)為核心，進(jìn)行紅外線控制水龍頭的設(shè)計(jì)；

（2）如何運(yùn)用紅外線檢測人手的靠近和遠(yuǎn)離；

（3）如何利用52系列單片機(jī)來控制電磁閥的開和關(guān)。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 作品設(shè)計(jì)功能

本設(shè)計(jì)所需要實(shí)現(xiàn)的功能如下：

（1）檢測人手是否靠近；

（2）電磁閥打開出水；

（3）當(dāng)出水時間達(dá)到5 s，電磁閥關(guān)閉，停止出水；

（4）當(dāng)出水沒有到達(dá)5 s時，如果人手離開，電磁閥關(guān)閉，停止出水。

根據(jù)紅外線控制自動水龍頭的設(shè)計(jì)要求可以將該設(shè)計(jì)分為四個模塊，包括單片機(jī)控制模塊、紅外線發(fā)射模塊、紅外線接收模塊、電磁閥模塊。

具體的工作流程是：單片機(jī)給紅外發(fā)射模塊一個低電平，紅外發(fā)射模塊就定時間歇發(fā)送紅外脈沖，紅外脈沖遇到人手的時候返回到紅外接收模塊。當(dāng)紅外接收模塊接收到2個脈沖后，單片機(jī)就給電磁閥模塊一個高電平，電磁閥打開，開始出水并延時；延時達(dá)到5 s后，單片機(jī)就給電磁閥模塊一個低電平，電磁閥關(guān)閉，停止出水。延時期間若人手離開，單片機(jī)也會控制電磁閥關(guān)閉，停止出水。設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 紅外線控制自動水龍頭的系統(tǒng)框圖

2.2 模塊功能介紹

紅外線控制自動水龍頭所用的主控芯片是STC89C52單片機(jī)，各個模塊在單片機(jī)的控制下進(jìn)行工作。紅外發(fā)射模塊是用來發(fā)射紅外脈沖，紅外接收模塊是用來接收紅外脈沖，紅外發(fā)射與紅外接收模塊配合工作用以來檢測人手的接近和遠(yuǎn)離；電磁閥模塊則是用來控制水龍頭是否出水。該設(shè)計(jì)的好處是它能夠使公共環(huán)境的衛(wèi)生得到改善，在人流復(fù)雜的環(huán)境避免洗手后的二次污染，具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

紅外線控制自動水龍頭的硬件電路的總設(shè)計(jì)主要是由四個部分所組成：紅外發(fā)射電路設(shè)計(jì)、紅外接收電路設(shè)計(jì)、單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)、電磁閥電路設(shè)計(jì)。

3.1 紅外發(fā)射電路

如圖2所示，這個紅外發(fā)射電路的主要元件是采用TCRT5000傳感器當(dāng)中的發(fā)射管[2]。這個發(fā)射管是由高發(fā)射功率紅外光電二極管組成[3]。這個發(fā)射電路的工作方式是間歇式，當(dāng)電源接通后，單片機(jī)通過P2.0端口給紅外發(fā)射電路一個低電平，它就以0.5 s的時間間隔發(fā)射紅外脈沖。

圖2 紅外發(fā)射電路

3.2 紅外接收電路

如圖3所示，這個紅外接收電路的主要元件是采用TCRT5000傳感器當(dāng)中的接收管[4]。這個接收管由高靈敏度光電晶體管組成[5]。在發(fā)射出去的紅外脈沖還未被人手反射回到接收管，或被反射回到接收管但未達(dá)到2次的時候，光敏三極管是處于斷開狀態(tài)，此時接收電路的輸出端口為低電平；當(dāng)人手進(jìn)入到紅外脈沖的檢測范圍里面，紅外脈沖被反射到接收管并且達(dá)到2次后，光敏三極管達(dá)到飽和狀態(tài)，這時接收電路的輸出端口為高電平。

圖3 紅外接收電路

3.3 電磁閥電路

如圖4所示，本設(shè)計(jì)采用的是直流12 V有壓電磁閥。此款電磁閥是常閉型，即通電就接通，通水，斷電就斷開，斷水。電源接線端采用的是插片式，用6.3插簧，額定功率為5W.且此款電磁閥接電不需要分正負(fù)極，更方便接線。工作方式為定額制，最長連續(xù)工作4小時。絕緣等級為E級絕緣[6]。使用壽命≥50萬次（實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)）≥30萬次（實(shí)際正常使用），能夠滿足日常使用要求[7]。

圖4 電磁閥電路

當(dāng)單片機(jī)的P2.2端口輸出為高電平的時候，電磁閥通電打開，出水。當(dāng)P2.2端口輸出為低電平的時候，電磁閥斷電關(guān)閉，停水。

3.4 單片機(jī)控制電路

由圖5可以看出，本設(shè)計(jì)是使用STC89C52作為主控[8]。通過單片機(jī)的各個端口控制各個模塊電路，使它們完成各自的工作，以實(shí)現(xiàn)紅外線控制自動水龍頭的功能。單片機(jī)的各個端口控制著不同的模塊，其中由P2.0端口控制紅外發(fā)射模塊，作用是使紅外發(fā)射模塊定時間歇發(fā)射紅外脈沖。由P2.1、P3.2端口控制紅外接收模塊，作用是檢測是否接收到足夠數(shù)量紅外脈沖并反饋給單片機(jī)。電磁閥是由單片機(jī)的P2.2端口來控制以實(shí)現(xiàn)通斷的功能。

圖5 單片機(jī)控制電路

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)運(yùn)用C語言來進(jìn)行編程。使用的編程工具是keil uvision4軟件，這款編程軟件是一款很方便并且功能很強(qiáng)大的軟件[9]。系統(tǒng)的主程序在總體上控制著各個模塊，目的是使得程序完成紅外線控制自動水龍頭的功能，本系統(tǒng)的軟件程序由三個模塊所組成：紅外發(fā)射模塊、紅外接收模塊、電磁閥模塊。

4.1 紅外發(fā)射模塊

紅外發(fā)射模塊是由單片機(jī)通過P2.0端口控制，在程序初始化完成后，紅外發(fā)射模塊就會一直定時間歇發(fā)射紅外脈沖。

（1）sbit OPEN=P2^0；//發(fā)射紅外

（2）if（MScond==22）//20ms*22

{

OPEN=0； //打開發(fā)射管

FLAG=0；

IE0=0； //標(biāo)志位清0

EX0=1； //允許外部中斷

}/開

4.2 紅外接收模塊

紅外接收模塊是由單片機(jī)通過P2.1端口控制，程序初始化后就一直等待接收脈沖，接收電路接收到2次脈沖后就由P3.2端口反饋給單片機(jī)。

（1）sbit OPEN2=P2^1；//接收紅外

（2）if（MScond==24）

{

OPEN=1；

IE0=0； //標(biāo)志位清0

EX0=0； //關(guān)閉外部中斷

if（FLAG==1）//有檢測信號

4.3 電磁閥模塊

（1）電磁閥由單片機(jī)通過P2.2端口進(jìn)行控制：

sbit MOtor=P2^2；//電磁閥控制

（2）程序初始化完成后等待中斷，檢測到2次脈沖后出水，超時后關(guān)水：

if（OUTtime<10）{

OUTtime++；

if（Min2s<2）{Min2s++；}else{LED=0；MOtor=1；}//測到2次脈沖為1S，出水

}

else

{

MOtor=0；LED=1； //超時，關(guān)閉水閥

}

}else{Min2s=0；LED=1；MOtor=0；OUTtime=0；}//無信號，關(guān)閉水閥

5 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)通過硬件和軟件的整體調(diào)試后，這個水龍頭能在人手接近的時候自動出水5 s后停水，5 s期間人手遠(yuǎn)離也會自動停水。而且這個水龍頭采用直流電供電，不需要電池，很環(huán)保，適用于公共場合。

[1]林 恒.紅外自控水龍頭[J].家庭電子，2002，（07）:23.

[2]寧禮佳，郭婷婷，武志明，等.流量可控式紅外線感應(yīng)水龍頭控制模塊設(shè)計(jì)[J].節(jié)能技術(shù)，2013，（03）:247-249.

[3]傅國迎.電池式感應(yīng)水龍頭制作[J].電子制作，2003，（08）:56-57.

[4]吳銀鳳，丁文權(quán)，劉光聰.紅外式自動水龍頭電路設(shè)計(jì)[J].電工技術(shù)，2003，（10）:59.

[5]成加國.紅外傳感器在節(jié)能水龍頭中的應(yīng)用[J].科協(xié)論壇（下半月），2011，（03）:88.

[6]毛獻(xiàn)輝，郭 宏，朱 昊，等.智能化紅外感應(yīng)控制系統(tǒng)[J].電子測量技術(shù)，2005，（02）:45.