一種具有警示功能節(jié)水裝置的設(shè)計與實現(xiàn)*

胡致杰，梁人杰，羅澤鵬

（廣東理工學(xué)院 信息技術(shù)學(xué)院，廣東肇慶 526100）

0 引言

水是生命之源，增強節(jié)水意識，提高節(jié)水效率是一項重要而又緊迫的任務(wù)[1]。傳統(tǒng)水龍頭普遍存在缺乏提醒與警示功能的缺點，一定程度上導(dǎo)致水資源的浪費。為此本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種具有LED燈與數(shù)顯雙重警示功能的節(jié)水裝置，能夠依據(jù)用戶的用水時長，而采用不同顏色的信號燈進行提醒與警示；用水結(jié)束后，還可對當(dāng)次用水量進行數(shù)顯，達到增強用戶節(jié)水意識，合理利用水資源的效果。

1 節(jié)水裝置及工作原理

1.1 裝置結(jié)構(gòu)

具有警示功能的節(jié)水裝置主要由單片機CPU模塊、電源模塊、紅外感應(yīng)模塊、計時模塊、警示燈模塊、數(shù)顯模塊、繼電器控制模塊、晶振電路模塊和復(fù)位電路模塊等9部分組成，如圖1所示。

1.2 工作原理

節(jié)水裝置的內(nèi)核為單片機芯片。系統(tǒng)通過紅外感應(yīng)模塊確定水龍頭前是否有使用者存在，當(dāng)未感應(yīng)到使用者時，系統(tǒng)僅在液晶顯示屏顯示水龍頭的當(dāng)前狀態(tài)“welcome”，同時綠色LED警示燈常亮；當(dāng)感應(yīng)有使用者存在時，開啟水龍頭。同時，計時模塊開始計時，如果當(dāng)次用水量在正常用量內(nèi)，綠色LED警示燈常亮；如果超過正常用量，紅色LED警示燈常亮；如果大大超過正常用量，則藍色LED警示燈常亮，從而提醒使用者節(jié)約用水。用水期間液晶顯示屏?xí)掷m(xù)顯示水龍頭當(dāng)前狀態(tài)“opening”。用水完畢后，系統(tǒng)自動延時2 s斷水，液晶顯示屏數(shù)顯當(dāng)次用水量“**mL”，并轉(zhuǎn)回初始狀態(tài)“welcome”，綠色LED警示燈常亮，紅色、藍色LED警示燈關(guān)閉。節(jié)水裝置系統(tǒng)工作流程圖如圖2所示。

圖1 節(jié)水裝置基本結(jié)構(gòu)圖

圖2 節(jié)水裝置工作流程圖

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1 主控芯片

設(shè)計采用STC89C52作為主控芯片，內(nèi)部配置8位高性能微控制器和容量為8 K的Flash存儲器，外部可連接晶振電路，且具有并行I/O引腳。該主控芯片具有功耗低、速度快、抗干擾性強、價格低廉、可靠性高等特點，特別適用于實時控制系統(tǒng)，現(xiàn)已成為各種自動控制系統(tǒng)理想的控制芯片[2-3]。

2.2 紅外感應(yīng)模塊

系統(tǒng)的紅外感應(yīng)模塊采用LM393紅外感應(yīng)模塊，該模塊電路由數(shù)個不同阻值的電阻、滑動變阻器、104型號電容、LED提示小燈、以及LM393放大電路芯片組成[4]，當(dāng)紅外感應(yīng)模塊開始工作時，電路警示燈會進行模塊狀態(tài)提示。

紅外感應(yīng)模塊具有1對紅外線發(fā)射與接收管，當(dāng)發(fā)射管發(fā)出的紅外線遭遇障礙物（反射面）時被反射回來，接收管接收紅外線，經(jīng)比較器電路處理，綠色指示燈會亮起，同時向單片機發(fā)出控制信號，做出相應(yīng)功能響應(yīng)。

該傳感器工作電壓3.3～5 V，檢測距離（有效距離范圍2～30 cm）可通過電位器調(diào)節(jié)，具有干擾小、便于裝配、使用方便等特點[4]。

2.3 計時模塊設(shè)計

由于單片機內(nèi)部自帶的計時時鐘會受到多種因素的影響而產(chǎn)生計時偏差，為準(zhǔn)確計時，在單片機外部增設(shè)時基電路。系統(tǒng)采用NE555時基芯片作為外部時鐘的核心芯片，與單片機控制中斷系統(tǒng)、2個4.7 kΩ電阻、1個10μF電容、1個0.01μF電容共同組成計時模塊。NE555芯片無需單片機輔助，可獨立于單片機獨自運行，與STC89C52相連可消除主控芯片因掉電而產(chǎn)生的計時誤差。同時，NE555芯片具有很強的穩(wěn)定性和精準(zhǔn)性，能為系統(tǒng)的運行提供良好的保障[5-6]。計時模塊的核心設(shè)計電路圖如圖3所示。

2.4 警示燈模塊

警示燈模塊由3個NPN型三極管、3種不同顏色LED小燈，以及若干電阻組成。由于系統(tǒng)中單片機芯片管腳驅(qū)動能力較弱，無法直接驅(qū)動LED小燈，所以采用S8050三極管直接驅(qū)動LED小燈，保證LED小燈供電穩(wěn)定性。在S8050三極管中，基極連接單片機輸出管腳，集電極連接5V直流電源正極，發(fā)射極連接5 V直流電源負(fù)極[7]，三極管S8050的使用，保證了LED警示燈供電的穩(wěn)定性。警示燈模塊的設(shè)計電路圖如圖4所示。

圖3 計時模塊電路圖

圖4 警示燈模塊電路圖

2.5 繼電器模塊設(shè)計

繼電器模塊是由2個10 kΩ電阻、1個NPN型三極管S8050、1個繼電器線圈組成。當(dāng)單片機與繼電器相連的電路為高電平時，繼電器開始工作。S8050三極管的基極為高電平，三極管導(dǎo)通，繼電器弱電電路有電流通過，而弱電線圈中的電流使得繼電器強電電路接通，水龍頭開始工作。當(dāng)單片機與繼電器相連的電路為低電平時，繼電器不工作，S8050三極管的基極為低電平，三極管不導(dǎo)通，繼電器弱電電路無電流通過，繼電器強電電路亦為開路，水龍頭關(guān)閉。繼電器模塊的設(shè)計電路如圖5所示。

2.6 晶振電路、復(fù)位電路

晶振電路的作用是為系統(tǒng)提供基本的時鐘信號，便于各部分保持同步。晶振電路通常與鎖相環(huán)電路配合使用，以提供系統(tǒng)所需的時鐘頻率[5-7]。本系統(tǒng)的晶振電路采用國內(nèi)通用標(biāo)準(zhǔn)的晶振電路模塊，由2個0.47μF的電容以及1個11.9 MHz的晶振組合而成，通過晶振震蕩驅(qū)動單片機工作，具有較強的穩(wěn)定性。晶振模塊電路如圖6所示。

圖5 繼電器模塊電路圖

圖6 晶振模塊電路圖

圖7 復(fù)位模塊電路圖

復(fù)位電路由1個10 kΩ電阻和1個10μF的電容組成，由于系統(tǒng)電路板外面具有保護盒，無需亦不能進行任何重啟操作，所以該電路只需保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行即可。當(dāng)系統(tǒng)運行時，該電路能保證RST重置管腳為高電平信號，以保證單片機芯片不會被重置。另為保證實現(xiàn)RST管腳功能，在系統(tǒng)電源供電處增加開關(guān)，當(dāng)開關(guān)狀態(tài)變換時，即為復(fù)位操作。復(fù)位模塊電路圖如圖7所示。

3 系統(tǒng)仿真與成品制作

3.1 系統(tǒng)仿真

系統(tǒng)仿真采用KEIL公司的KEIL uVision4進行編譯，生成hex文件進行燒寫。使用Proteus 8進行仿真電路設(shè)計、調(diào)試和實現(xiàn)[8]。

仿真開始，液晶屏顯示“welcome”，紅、藍色LED燈都為熄滅狀態(tài)，綠色LED燈為點亮狀態(tài)，水龍頭為關(guān)閉的狀態(tài)。

當(dāng)使用者將手放入紅外線感應(yīng)區(qū)，刷新液晶顯示屏，顯示“opening”，水龍頭開始出水，LED警示燈隨著用水時間的增加依次變換為紅色和藍色。

用水完畢后，刷新液晶顯示屏，顯示“open-close”和當(dāng)次用水量“**mL”，綠色LED警示燈常亮，其他警示燈熄滅。延時2 s后水龍頭關(guān)閉，系統(tǒng)恢復(fù)初始狀態(tài)。

3.2 成品制作

系統(tǒng)電路圖以面包板設(shè)計模型為原型，遵循先還原，后改進原則[8]，系統(tǒng)總電路圖的PCB圖如圖8所示。PCB電路板采用單點焊接，組裝完成后的電路板成品如圖9所示。

圖8 系統(tǒng)總電路PCB圖

圖9 電路板成品概覽圖

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的具有警示功能的節(jié)水裝置，不僅可通過紅外技術(shù)自動控制水龍頭的開啟與關(guān)閉達到節(jié)水目的，而且使用不同顏色的警示燈及液晶顯示屏對超時用水進行雙重警示與提醒，有利于提高使用者的節(jié)水意識。通過此節(jié)水裝置，可有效緩解水資源浪費，提高水資源利用率。