感應水龍頭設計思路研究

密金榮

摘 要：隨著社會經濟與科學技術的不斷發展，人們生活水平不斷提高，在建筑節能領域中，對感應水龍頭的研究與應用越來越廣泛。通過對感應水龍頭的應用，能夠有效解決水資源，實現節能環保的目標。基于此，文章針對一種紅外線流量可控式水龍頭的設計展開研究與探討，簡單介紹了其工作原理，對系統硬件設計加以描述與分析，闡述了系統應用到的模糊PID控制算法理論，并結合公式與圖形對該感應水龍頭設計進行詳細的分析。

關鍵詞：感應水龍頭；節能；設計

中圖分類號：TV213.4 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）05-0013-02

隨著人們生活水平不斷提高，節能環保意識也在不斷提升。目前，很多人在日常生活中會存在忘記關水龍頭的情況，進而導致水資源的浪費。針對這一情況，研究人員設計出一種紅外感應自動水龍頭，這種科技產品在節能建筑中有著巨大的應用價值，能夠有效減少能耗，節約水資源。當然，這種水龍頭也存在一定的缺陷與不足，需要針對這些不足與缺陷展開深入的研究，并提出有效的改進措施，使問題得到解決，并在建筑節能領域中得到更加充分的應用與發揮。

1 系統工作原理

本文介紹的感應水龍頭采用的是SHARP紅外線傳感器，根據人手與水龍頭之間的距離進行檢測。該檢測元件的工作原理對紅外線加以利用，一旦在一定距離內遇到障礙物，就會反射不同強度的紅外線，并檢測障礙物距離，以此實現控制的目的。紅外線測距傳感器主要由一對紅外信號發射與接收二極管構成，在工作中發射管會針對一定頻率的紅外信號進行發射，而接收管則對這一頻率的信號進行接收，一旦障礙物出現在檢測方向，那么紅外信號將會進行發射，并通過接收管接收并處理，最后利用數字傳感器接口向單片機發送，最終進行一系列控制處理。這種紅外線傳感器對硬件設計進行了簡化，使開發與生產成本得到了有效控制，并且其具有簡單的編程，修改的工作量也相對較小[1]。

在檢測距離的過程中，人伸手的距離會通過紅外線測距傳感器進行檢測，并將相應的電壓信號通過輸出端輸出，因為STC系列的單片機內部自帶A/D轉換，因此，可以直接分析傳感器的電壓信號，然后根據分析結果采取一定的處理措施。紅外線測距傳感器輸出曲線圖，如圖1所示。

根據圖1可以看出，在一定區間內距離與輸出電壓呈一定的線性關系，因此在程序中，可以對工作范圍設定在一定的范圍內，以此實現對檢測誤差的有效控制，并使水龍頭的工作精確度得以有效提高。

將HD-1501MG系列的舵機作為輸出裝置，其具有較小的體型，工作原理為通過接收機通道將控制信號引入信號調制芯片，實現直流偏置電壓的獲取。其內部有一個基準電路，產生周期為20 ms，寬度為1.5 ms的基準信號，通過直流偏置電壓與電位器電壓的對比，實現電壓差輸出的獲取。

最后，根據電壓差，實現芯片受電機的驅動，并對電機的轉動方向進行確定。當達到一定轉速后，利用級聯減速齒輪，使電位器旋轉得以帶動，使電壓差保持為0，并使電機轉動停止。舵機控制信號其實就是PWM信號，通過對占空比，實現舵機位置的改變[2]。

2 系統設計原則

2.1 低負荷使用原則

在設計過程中，盡量減少水龍頭使用者無謂的動作，是設計者應當考慮的重要原則。

任何產品的設計都要站在使用者的生理和心理角度去考慮，讓使用者感到高效、舒適，能以一種自然的狀態使用產品，充分體現設計的人性化。

具體包括：減少使用者的重復動作次數；減少使用者持續性體力負荷；根據使用者條件的不同確保使用者處于自然裝填。這樣的設計對所有人來說都是有益的。因此設計師應秉承這種設計理念，認真思考設計問題。如：掀壓式的龍頭比螺旋式的更加省力，更有利于弱勢群體和大眾的使用等。

2.2 經濟耐用原則

首先是使用的耐久性設計，良好的產品性能是購買者安心、貼心使用的保障，水龍頭作為人們日常所需的用品，應盡量避免由于零件引起的故障的可能性，確保產品經久耐用，設計時力求簡約化，并滿足人們長時間使用的需求。

其次是低成本設計。水龍頭產品設計應符合通用設計理念，主要體現在產品的使用公平性和價格公平性。如果設計成本較高，就會造成產品的市場面較窄，甚至成為富人的專屬，難以實現水龍頭產品大規模生產的經濟效益。尤其是在人們日益追求生活品質的年代，水龍頭產品也趨向于智能化，這就能要求設計師要注重簡單質樸的設計，華而不實的產品最終會被淘汰，而且也不利于資源節約型、環境友好型社會的建設。

2.3 增進節水意識

水資源的日益匱乏是我國面臨的長期困境，由此節約用水成為了當前刻不容緩的措施。水龍頭產品的設計如果忽略了這一問題，不遵循這一標準，就不會被人們所接受。并且水龍頭作為重要的節水器具，啟發大眾的節水意識，讓使用者在使用過程中無意識的培養節水習慣，是設計師義不容辭的責任。如某感應水龍頭一次性只出一公升的水，足夠一個人快速洗一次手，相比較普通水龍頭每次可節約將近六公升的水，極大的提高了人們節水意識。

3 系統硬件設計

紅外線感應自動水龍頭系統的硬件設計涉及到的模塊比較多，主要有單片機主控、路徑信息采集模塊、電源模塊、接口擴展模塊以及舵機等等。具體硬件設計圖，如圖2所示。

單片機型號采用STC12C5608AD系列，這類芯片的應用較為廣泛，并且具有相對簡單的編程，成本相對低廉，具有較好的經濟性。

4 模糊PID控制算法理論

PID指的是積分-微分控制，這種算法具有較高的準確性與穩定性。閉環控制系統主要為了實現對命令的快速響應，并且盡量控制誤差。在實驗中，為了確保舵機旋轉位置的準確性與快速性，由于PID控制的成熟度較高，實現難度相對較低，同時能夠使穩態誤差得到有效控制，因此能夠基本滿足系統性能需求。然而其穩定性也存在一定的影響因素，需要根據參數進行細致分析。相比于PID控制，模糊控制的優勢十分突出，在超調量方面能夠保持較小的值，并且具有較大的快速性。然而就理論而言，模糊控制在很多方面仍有待完善，并且其具有相對復雜的算法，在控制過程中穩態誤差出現的可能性較大。

因此，在舵機的控制系統中引入模糊控制算法，實現智能模糊PID控制系統的構建是具有一定可行性的，通過模糊控制自適應，實現PID參數的在線修改，并完成模糊自整定的構成，為了實現快速的角度調節，可以對舵機的旋轉角度進行控制，使控制效率得以有效提高[3]。

建立在應用模糊PID控制算法的基礎之上，采用單片機的主體，實現智能控制器的構建，通過其完成復雜數據的處理與控制。這一控制器在精確度、可靠性以及靈活性方面都具有一定的優勢。關于模糊自整定PID算法程序的總流程，如圖3所示。

在離散性控制系統中，采用計算機的核心設備，并通過差分方程式表示PID控制，如下：

u（k）=Kpe（k）+■■e（j）T+T■■

其中，u（k）代表第k次采樣時的輸出，e（k）代表第k次采樣時的偏差，并由T代表采樣間隔。根據上式可以得出數字PID控制器的位置式算法：

u（k）=Kpe（k）+KiT■e（j）+■？駐e（k）

式中，輸出的控制量u（k）與系統輸出Y（位置）相對應，代表全量輸出。系統框圖，如圖4所示。

第二個公式的計算的復雜程度較高，通常情況下會由增量式的PID算式代替計算，即：

u（k）=Kp？駐e（k）+KiTe（k）+Kd■

該式的算法只對控制量的增量進行輸出。在實際控制算法中，為了實現對PID的調節，同城采用上式。在紅外線自動水龍頭系統中，仿真采用Matlab中的simulink模塊，系統具有隨動性，輸入信號為人手與水龍頭的距離，閥門開啟的大小代表舵機轉動角度，并作為輸出信號。通過模糊PID理論可知，可以調整所用參數，并繪制出人手與水龍頭距離曲線圖，如圖5所示。

根據上圖可以得知，在一定距離內，舵機調度與距離呈正比例關系，因此在進行水龍頭系統設計中，只對特定范圍進行考慮，一旦手超出一定距離，水龍頭將會關閉。根據仿真，可以實現對水龍頭轉動特性的清晰、直觀的觀察[4]。

由此可見，通過分析單片機檢測到的紅外線測距傳感器信號，利用PID對角度進行控制，能夠使舵機轉動時具有快速性、準確性以及穩定性。據此，需要根據實際進行一定的水龍頭試驗是非常必要的。在試驗中，根據自動水龍頭控制的實際效果，可以得出其在動態特性、穩定性以及抗干擾能力都具有一定的優勢。當然，在市場中不可避免會出現一系列問題，需要我們針對這些問題提出有效措施予以改進，使紅外線感應水龍頭系統得到優化，發揮出更大的作用，實現對水資源的有效控制與節約。

5 結 語

綜上所述，紅外線流量可控式感應水龍頭在建筑節能領域中的應用是具有一定的可靠性的。通過對其設計的分析與探討，可以得知這種感應水龍頭采用模糊PID算法，系統整體的靈活性與適應性都具有一定的優勢，并且控制精度高，能夠有效實現節能環保的目的。

隨著科學技術的不斷進步，相信對感應水龍頭的研究將會越來越深入，并且對于這種紅外線流量可控式感應水龍頭而言，其中存在的缺陷與不足將會得到改進與彌補，在未來建筑節能領域中，將會具有巨大的應用前景與發展控制。

參考文獻：

[1] 寧禮佳，郭婷婷，武志明，等.流量可控式紅外線感應水龍頭控制模塊 設計[J].節能技術，2013，（3）.

[2] 吳敏.感應式自動水龍頭的自制與應用[J].科學與財富，2010，（8）.

[3] 司玉娜，魯建亞，慕紅峰，等.對自動感應水龍頭的節水模型和控制的研 究[J].才智，2014，（16）.

[4] 王國棟，孫志平，劉志勇，家用智能水龍頭專利項目產品簡介與市場前 景分析[J].中國科技縱橫，2013，（24）.