基于多傳感器水流量識別的節(jié)水循環(huán)控制系統(tǒng)?

張曉軍 王少平 葉銘銘 陸興華

（廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院 廣州 511325）

1 引言

隨著人們生活水平的提高，對家居的智能環(huán)保和節(jié)能的要求越來越高，智能家居控制技術(shù)在生活中得到廣泛的應(yīng)用［1～2］，衛(wèi)浴系統(tǒng)是家居生活的重要組成部分，家庭生活中衛(wèi)浴系統(tǒng)的水量開銷占據(jù)了整個自來水消耗的大部分比例，為了降低衛(wèi)生間中的不必要的水量開銷，滿足消費者的節(jié)能生活需求，需要對衛(wèi)浴系統(tǒng)的馬桶、淋浴、洗衣等水量消耗大的環(huán)節(jié)進(jìn)行水循環(huán)節(jié)能控制。通過設(shè)計一款新型馬桶將浴室洗手盆和馬桶一體化，將洗手盆產(chǎn)生的廢水二次利用，高效利用浴室空間，使馬桶最大化地節(jié)約水資源，實現(xiàn)水循環(huán)控制，研究衛(wèi)浴系統(tǒng)的節(jié)水循環(huán)控制控制系統(tǒng)在智能家居建設(shè)和踐行綠色環(huán)保理念中都具有重大的應(yīng)用意義。

對此，本文提出一種基于多傳感器水流量識別的節(jié)水循環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計方法，通過各個傳感器的識別把水流量數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)，單片機(jī)通過數(shù)據(jù)處理來控制繼電器工作，通過洗手和其他生活用水進(jìn)行重復(fù)利用，把這些廢水進(jìn)行二次過濾后，收集，儲存到馬桶的儲水箱里，利用過濾后的廢水來沖洗馬桶，采用超聲波和紅外等多傳感器進(jìn)行水流傳感識別，實現(xiàn)節(jié)水循環(huán)控制，取得較好的設(shè)計效果。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計描述及功能指標(biāo)分析

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計描述

本文設(shè)計的利用基于多傳感器水流量識別的節(jié)水循環(huán)控制系統(tǒng)主要是進(jìn)行衛(wèi)浴的水流控制，實現(xiàn)自動沖洗和自動蓄水功能，系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心處理芯片［3］，通過超聲波傳感器、紅外傳感器進(jìn)行使用者的距離測量和水流信息感知［4～6］，采用智能水箱進(jìn)行自動加水和排水，為了利用洗手或其他生活用水來提供衛(wèi)浴系統(tǒng)作為水源，廢水經(jīng)雙層過濾后匯聚到水箱，當(dāng)水位下降到最低水位時，水箱自動加水到合適的水位。運用超聲波傳感器來檢測人與馬桶、洗臉池等衛(wèi)浴系統(tǒng)的距離，各個傳感器的識別把數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)，同時單片機(jī)通過數(shù)據(jù)處理來控制繼電器工作，同時控制各個電磁閥的開和關(guān)，進(jìn)而計算沖水量，來節(jié)省水源利用。根據(jù)上述設(shè)計思想，構(gòu)建本文設(shè)計的基于多傳感器水流量識別的節(jié)水循環(huán)控制的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)圖1所示的總體結(jié)構(gòu)框圖得知，本文設(shè)計的節(jié)水循環(huán)控制系統(tǒng)主要分為傳感器測量模塊、單片機(jī)控制模塊、繼電器模塊、電磁水閥控制模塊，其中，單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的處理中樞，通過各個傳感器的識別把水流量數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)，系統(tǒng)的數(shù)字電路部分主要包括A/D、復(fù)位芯片、EEPROM、D/A和水流輸出控制，數(shù)字部分在整個系統(tǒng)中負(fù)責(zé)向節(jié)水循環(huán)控制系統(tǒng)提供水流強(qiáng)度和人體與衛(wèi)浴系統(tǒng)的距離等信息，并且對接收和參考兩路信號進(jìn)行采集和處理并給出判決結(jié)果，根據(jù)系統(tǒng)的功能需求，數(shù)字電路ADI公司推出的ADSP-BF561作為數(shù)字信號處理芯片［7］，內(nèi)核電壓0.8V～1.2V，片內(nèi)調(diào)壓器可調(diào)，節(jié)水循環(huán)控制系統(tǒng)具有2個并行輸入/輸出外圍接口單元（PPI），支持PWM，具有2個“看門狗”定時器，支持 IrDA（Infrared Data Association）的UART，通過UART循環(huán)堆棧控制設(shè)計，當(dāng)水位下降到最低水位時，水箱自動加水到合適的水位，保障了節(jié)水循環(huán)控制系統(tǒng)的智能性和人機(jī)友好性。

2.2 外圍器件選擇及功能指標(biāo)描述

節(jié)水循環(huán)控制功能的實現(xiàn)不僅需要合適的單片機(jī)作為核心控制單元，還不能缺少外圍器件的支持，控制系統(tǒng)的傳感器單元需要A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行水流信號向電信號的轉(zhuǎn)換，選用ADI公司的A/D和D/A，設(shè)計的采樣頻率不低于8位，D/A芯片選用的是ADI的串行D/A轉(zhuǎn)換器AD5545，采用高速A/D芯片AD9225構(gòu)建內(nèi)部時鐘振蕩器，系統(tǒng)的復(fù)位芯片包括了2個16位MAC，2個40位ALU，D/A的輸出信號的范圍是：0～10VDD，AD7767-1的主要參數(shù)可達(dá)到：分辨率：24bit，采樣率：64kps/s。為了提高控制系統(tǒng)的低頻幅頻響應(yīng)性能，在濾波電路中加入動態(tài)范圍≥25dB的AGC，通過設(shè)計檢波器模塊和積分器模塊實現(xiàn)線性檢波和兩級放大，節(jié)水循環(huán)控制系統(tǒng)的有效信號頻率范圍為100Hz～2000Hz，接收機(jī)內(nèi)部濾波器的通頻帶應(yīng)設(shè)計為100Hz～2000Hz。在外圍器件選擇中，需要考慮節(jié)水循環(huán)控制系統(tǒng)的主要特征參數(shù)：靈敏度（動作電壓），通頻帶及交流放大量等［8～10］。為了滿足控制系統(tǒng)的低功耗要求，系統(tǒng)采用單4V供電，輸入范圍為4Vpp，功耗280mW，使用有源晶振ADSP-BF537精確控制高壓，I/O電壓為3.2V，最大倍頻數(shù)為64倍，單片機(jī)控制芯片采用低功耗的STC89C52單片機(jī)。

在上述進(jìn)行了系統(tǒng)的外圍器件選擇的基礎(chǔ)上，得出本文設(shè)計的系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)歸納如下：節(jié)水循環(huán)控制系統(tǒng)的電磁水閥控制具有VCC檢測功能，當(dāng)VCC不足3.2V時，OUT可能被撤除；具有1.25V的門限檢測器，用于水流過大以及系統(tǒng)故障報警以及實現(xiàn)低電池檢測；當(dāng)控制系統(tǒng)的VCC電壓低于2.92V時，SP在1.6s內(nèi)未改變WDI引腳狀態(tài)，復(fù)位輸出引腳將輸出200ms的低脈沖，當(dāng)達(dá)到使用的適合次數(shù)后，則單片機(jī)控制稀釋消毒液，實現(xiàn)衛(wèi)浴系統(tǒng)的消毒處理；外部口的等待配置采用最慢模式（3周期的保持時間，15周期的讀寫存取時間），在節(jié)水循環(huán)控制中確保控制出水量的準(zhǔn)確性。

3 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

在上述進(jìn)行了節(jié)水循環(huán)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計和技術(shù)指標(biāo)分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)實際開發(fā)需求，記性系統(tǒng)的模塊化涉及面系統(tǒng)模塊化設(shè)計主要包括了傳感器測量模塊、單片機(jī)控制模塊、繼電器模塊、電磁水閥控制模塊等。傳感器測量模塊。

1）傳感器測量模塊。根據(jù)超聲波和紅外等多種傳感器進(jìn)行水流量識別，CPU與DAM控制器由外部脈沖源驅(qū)動，實現(xiàn)節(jié)水循環(huán)控制集成設(shè)計，圖2給出了多傳感器測量模塊的電路設(shè)計。

圖2 多傳感器測量模塊的電路設(shè)計

采用多傳感器進(jìn)行水流識別，系統(tǒng)的輸入信號為U1Ai，則

其中，I1=I2，線性檢波電路的輸入為半雙工狀態(tài)，可得反相放大的輸出電壓為

采樣率發(fā)生器中的幀同步位FSGM決定發(fā)送幀同步信號，對運放U1B，超聲波傳感器的輸出電流和直流放大增益為

配置采樣率發(fā)生寄存器，當(dāng)Vb變化時，可得動串口0的采樣率發(fā)生器，計算得到多傳感器測量的放大倍數(shù)A1為

本文設(shè)計A1＝225，實測 A1＝213。

2）單片機(jī)控制模塊。單片機(jī)控制模塊是該系統(tǒng)的核心模塊，采用STC89C52單片機(jī)，通過數(shù)據(jù)處理來控制繼電器工作，同時控制各個電磁閥的開和關(guān)，模塊電路原理圖如圖3所示。

在單片機(jī)控制模塊中，VDD（6腳）：正電源輸入端，一----般取+5V，F(xiàn)B（10腳）輸入運放的輸出反饋端，CE（4腳）鎖存控制信號的輸入--端--，當(dāng)V+時，輸入數(shù)據(jù) D0～D5不起作用，當(dāng)CE=Vss時，數(shù)據(jù)可直接加到ROM中，可接收TTL電平信號及上升沿鎖存輸入控制信號，D0～D5（3，2，1，18，17，16）控制低通濾波器截止頻率的碼字，在fcp=3.5795MHz時，若選擇 D5～D0=110010，DSP采樣BMODE2-0管腳，從而決定程序加載方式。

圖3 單片機(jī)控制模塊的電路圖

3）繼電器模塊設(shè)計。系統(tǒng)的繼電器模塊必須設(shè)計成至少16階，采用了一個8階高通濾波器（S3529）和一個8階低通濾波器（S3528）級連，組成一個16階的帶通濾波器，采用二階級聯(lián)檢波方法進(jìn)行信號檢波設(shè)計，系統(tǒng)5V電源，通過R13和R14進(jìn)行分壓，信號經(jīng)過R1向C1兩端積累，C1處在放電狀態(tài)，使得C1兩端變壓變小，通過繼電器模塊控制節(jié)水閥，當(dāng)水位下降到最低水位時，雙層過濾后匯聚到水箱，進(jìn)行節(jié)水控制。繼電器模塊電路設(shè)計如圖4所示。

圖4 繼電器模塊電路設(shè)計

4）電磁水閥控制模塊。電磁水閥控制模塊的設(shè)計電路如圖5所示。

圖5 電磁水閥控制模塊電路設(shè)計

電磁水閥進(jìn)行節(jié)水循環(huán)控制的過程描述為：設(shè)Vi是水箱的最低水位的輸入端信號，Vo是最高水位輸出端信號，Vb是控制端信號。當(dāng)Vb大于二極管D1、D2的導(dǎo)通電壓時，水位下降到最低水位時，二極管D1、D2導(dǎo)通。當(dāng)Vb變化時，水箱自動加水到合適的水位，由于二極管D1伏安特性的非理想性，所以D1的阻值也在變化，并且這個網(wǎng)絡(luò)與R1組成分壓電路，從而使輸出端Vo也在變化，從而實現(xiàn)節(jié)水循環(huán)系統(tǒng)的出水控制。

3.2 控制系統(tǒng)的串口配置設(shè)計

在上述進(jìn)行了系統(tǒng)的電路設(shè)計的基礎(chǔ)上，進(jìn)行系統(tǒng)的串口配置，通過串口配置設(shè)計，CPU與DAM控制器由外部脈沖源驅(qū)動，實現(xiàn)節(jié)水循環(huán)控制集成設(shè)計，節(jié)水循環(huán)控制系統(tǒng)的外部接口片選信號和控制信號在CPLD上根據(jù)譯碼器原理編寫產(chǎn)生，利用DSP的5根地址線作為控制系統(tǒng)的串口輸入，啟動串口0的采樣率發(fā)生器工作，設(shè)定1，用一根地址線和/IOSTRB（片外I/O外設(shè)選通脈沖）作譯碼器，對SPCR1（串口接收控制寄存器）和SPCR2（串口發(fā)送控制寄存器）寫0H選擇，配置PCR（串口控制引腳寄存器）的FSXM=1，得到控制系統(tǒng)的串口配置設(shè)計圖如圖6所示。

其中，控制信號Q，把DSP的第12位數(shù)據(jù)線狀態(tài)賦給DSP，讀取采樣值時接收控制寄存器（RCR［1，2］和XCR［1，2］），節(jié)水循環(huán)控制系統(tǒng)的觸發(fā)器真值表見表1。

表1 節(jié)水循環(huán)控制系統(tǒng)的觸發(fā)器真值表

圖6 控制系統(tǒng)的串口配置設(shè)計圖

4 系統(tǒng)實驗測試分析

為了測試本文設(shè)計的基于多傳感器水流量識別的節(jié)水循環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，對系統(tǒng)對衛(wèi)浴系統(tǒng)的節(jié)水循環(huán)控制性能進(jìn)行測試，系統(tǒng)測試中，起控點是由直流放大器輸出的直流電平來控制，通過多傳感器進(jìn)行水流量識別后進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換成電信號Vi2在100μV，輸出的超聲傳感器信號的Vi2為峰峰值為2V、頻率可變的正弦波，得到節(jié)水循環(huán)控制中的高水位和低水位的控制幅頻響應(yīng)曲線如圖7所示。

圖7 節(jié)水循環(huán)控制中的高水位和低水位的控制幅頻響應(yīng)曲線

分析得知，該控制系統(tǒng)的最大有效信號為5mV，動態(tài)范圍為，滿足設(shè)計要求，系統(tǒng)單片機(jī)控制儲水箱的水位精準(zhǔn)度較高，對出水量控制的可靠性較好，性能較好。

5 結(jié)語

本文研究了衛(wèi)浴系統(tǒng)的節(jié)水循環(huán)控制系統(tǒng)，提出一種基于多傳感器水流量識別的節(jié)水循環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計方法，通過各個傳感器的識別把水流量數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)，單片機(jī)通過數(shù)據(jù)處理來控制繼電器工作。系統(tǒng)模塊化設(shè)計主要包括了傳感器測量模塊、單片機(jī)控制模塊、繼電器模塊、電磁水閥控制模塊等。采用低功耗的STC89C52單片機(jī)作為核心控制芯片，根據(jù)超聲波和紅外等多種傳感器進(jìn)行水流量識別，CPU與DAM控制器由外部脈沖源驅(qū)動，實現(xiàn)節(jié)水循環(huán)控制集成設(shè)計。實驗分析表明，該系統(tǒng)可以智能化地實現(xiàn)衛(wèi)浴系統(tǒng)節(jié)水循環(huán)控制，單片機(jī)控制儲水箱的水位精準(zhǔn)度較高，對出水量控制的可靠性較好，具有較好的實用價值。

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