引言
隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，環(huán)境和資源問(wèn)題日益突出，預(yù)計(jì)到2020年，全國(guó)年總需水量將達(dá)到900億立方米，而缺水量也將達(dá)到150億立方米，水資源短缺已成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要因素，為此國(guó)家大力提倡節(jié)能減排，鼓勵(lì)節(jié)水、節(jié)能設(shè)備的研發(fā)。衛(wèi)生間節(jié)水技術(shù)始于20世紀(jì)80年代末和90年代初期，在節(jié)水技術(shù)初級(jí)階段，普遍采用數(shù)字邏輯電路和模擬電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)節(jié)水控制功能；自21世紀(jì)以來(lái)，衛(wèi)生間節(jié)水技術(shù)開(kāi)始采用先進(jìn)的紅外檢測(cè)技術(shù)以及單片機(jī)控制技術(shù)，節(jié)水率有了較大的提高。目前衛(wèi)生間節(jié)水設(shè)備存在諸多技術(shù)上的缺陷，即沖廁不及時(shí)，誤沖廁、漏沖廁現(xiàn)象頻繁，導(dǎo)致節(jié)水率低，環(huán)境衛(wèi)生差。
為實(shí)現(xiàn)節(jié)約型、環(huán)保型社會(huì)，未來(lái)的衛(wèi)生間節(jié)水設(shè)備必將朝著高節(jié)水率、環(huán)保、集成化、智能化方向發(fā)展。基于此，設(shè)計(jì)了一種基于統(tǒng)計(jì)學(xué)和模糊控制理論的權(quán)控智能節(jié)水系統(tǒng)。它利用改進(jìn)的紅外檢測(cè)單元準(zhǔn)確地采集數(shù)據(jù)；以AT89C2051單片機(jī)為硬件平臺(tái)構(gòu)建信號(hào)處理、控制的主控制器，對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并實(shí)時(shí)判斷出真實(shí)的人流量；注水分主注水和權(quán)控注水，保證主控制單元發(fā)出沖廁指令后能迅速?zèng)_廁。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，節(jié)水率提高到88％。
1 權(quán)控技術(shù)
為了確保主控制單元發(fā)出沖水指令后，水箱內(nèi)的水能迅速瀉放，本節(jié)水系統(tǒng)采用了權(quán)控技術(shù)，權(quán)控沖廁功能由主注水、防滲漏控制單元、主控制單元等實(shí)現(xiàn)。主注水單元依據(jù)水箱低水位檢測(cè)器狀態(tài)判斷出水箱全空時(shí)啟動(dòng)電磁閥，執(zhí)行主注水至水箱總?cè)萘康?5％時(shí)停止，為水箱的低水位。由于水中雜質(zhì)經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的積淀以及水箱虹吸閥與水箱密封不嚴(yán)密，水過(guò)長(zhǎng)時(shí)間停留會(huì)致使水位因滲漏而下降，鑒于此，設(shè)計(jì)防滲漏電路補(bǔ)注水，使水箱水位始終保持在水箱總?cè)萘康?5％位置處。主控制單元實(shí)時(shí)處理入廁信息并發(fā)出權(quán)注水指令，這部分注水僅占水箱總?cè)萘康?％，耗時(shí)1～2 s。權(quán)注水后水箱內(nèi)的水已充滿(mǎn)整個(gè)水箱，達(dá)到了虹吸閥開(kāi)啟的位置，這種迅速?zèng)_廁的控制技術(shù)稱(chēng)為權(quán)控技術(shù)。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用AT89C2051單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控制單元，可實(shí)現(xiàn)紅外信號(hào)的處理、電磁閥權(quán)注水控制和LED顯示；結(jié)合C語(yǔ)言軟件編程，實(shí)現(xiàn)了與實(shí)際情況相吻合的沖水控制和兩級(jí)程序保密措施，豐富了系統(tǒng)功能，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
系統(tǒng)由主輔兩大控制單元組成，圖1為主控制單元結(jié)構(gòu)圖，完成紅外信號(hào)處理，延時(shí)選擇并執(zhí)行沖水子程序。其中，改進(jìn)的紅外監(jiān)測(cè)可感知移動(dòng)生物，高水位可檢測(cè)水箱水位是否到達(dá)虹吸點(diǎn)，延時(shí)選擇是在入廁低峰期時(shí)供人工選擇延時(shí)沖水時(shí)間；LED可實(shí)時(shí)顯示主控制器工作狀態(tài)。
圖2為輔控制單元，完成無(wú)水?dāng)嚯?、主注水及防滲漏控制。當(dāng)管網(wǎng)斷水時(shí)，低水位檢測(cè)水箱內(nèi)始終無(wú)水，于是主注水控制電路一直開(kāi)啟電磁閥，故設(shè)計(jì)智能電源在無(wú)水時(shí)斷開(kāi)除水管檢測(cè)之外的所有電路電源。低水位檢測(cè)主注水是否到水箱95％，主注水控制單元據(jù)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(shè)計(jì)
智能電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括數(shù)字+5 V電源電路、模擬+5 V電源電路、無(wú)水?dāng)嚯娍刂齐娐?，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框見(jiàn)圖3。
在無(wú)水?dāng)嚯娍刂齐娐窓z測(cè)到無(wú)水時(shí)，控制2個(gè)繼電器JDQ3，JDQ4斷開(kāi)常閉觸點(diǎn)，切斷除水管檢測(cè)之外的所有電路供電，既保護(hù)了電磁閥，又節(jié)省了電能。在管網(wǎng)恢復(fù)供水后，無(wú)水?dāng)嚯娍刂齐娐纺芩查g迅速恢復(fù)電路供電，系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)，無(wú)水?dāng)嚯娍刂齐娐穲D見(jiàn)圖4。
2．2 紅外監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)
紅外監(jiān)測(cè)采用GH-718人體感應(yīng)模塊感知生物體，輸出高電平。GH-718人體感應(yīng)模塊有可重復(fù)觸發(fā)和不可重復(fù)觸發(fā)兩種觸發(fā)方式，為精確計(jì)算入廁人數(shù)，本系統(tǒng)設(shè)置成可重復(fù)觸發(fā)方式。但GH-718人體感應(yīng)模塊的有效探測(cè)范圍為110°，探測(cè)距離最遠(yuǎn)可達(dá)7 m，人體在這個(gè)區(qū)域移動(dòng)時(shí)，造成同一入廁者有多次紅外觸發(fā)。為了將減少誤觸發(fā)，甚至使誤觸發(fā)降為零，本系統(tǒng)將GH-718人體感應(yīng)模塊設(shè)置在機(jī)殼內(nèi)，機(jī)殼底部居中開(kāi)直徑為2 mm的圓孔。經(jīng)過(guò)以上改進(jìn)，紅外監(jiān)測(cè)器僅在一根線(xiàn)上才感應(yīng)移動(dòng)人體產(chǎn)生紅外脈沖，極大地提高了監(jiān)測(cè)精度，誤檢率降低到0．2％，見(jiàn)圖5。
2．3 主注水及防滲漏控制電路設(shè)計(jì)
主注水及防滲漏控制電路不受主控制單元控制，它通過(guò)低水位檢測(cè)裝置送來(lái)的高低電平判斷是否注水，主注水及防滲漏控制電路見(jiàn)圖6。
當(dāng)水箱水位未到低水位時(shí)，低水位檢測(cè)裝置是低電平，經(jīng)過(guò)一個(gè)非門(mén)后變?yōu)楦唠娖?，于是晶體管V1因飽和導(dǎo)通驅(qū)使電磁閥閉合進(jìn)行主注水。當(dāng)?shù)竭_(dá)水箱水位時(shí)，水箱水位檢測(cè)裝置送來(lái)的是高電平，經(jīng)過(guò)一個(gè)非門(mén)后變?yōu)榈碗娖?，于是晶體管V1截止，主注水控制電路關(guān)斷電磁閥停止主注水。
2．4 權(quán)注水控制電路設(shè)計(jì)
權(quán)注水是以AT89C2051為核心的主控制單元實(shí)現(xiàn)電路見(jiàn)圖7。權(quán)注水控制電路與微處理器耦合時(shí)采用光電耦合器耦合，優(yōu)點(diǎn)是光電耦合器耦合可以阻隔繼電器和電磁閥開(kāi)啟與關(guān)斷瞬間產(chǎn)生的尖鋒脈沖等干擾信號(hào)對(duì)微處理器的干擾，從而避免了主控制單元因受干擾而出現(xiàn)工作性能不穩(wěn)定的現(xiàn)象，減小了誤沖廁和漏沖廁的幾率。信號(hào)流程為：權(quán)注水指令從P3．2口送出，經(jīng)R8送光耦I(lǐng)C4驅(qū)動(dòng)V2導(dǎo)通，控制繼電器閉合常開(kāi)觸電，電磁閥開(kāi)啟權(quán)注水。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)以AT89C2051單片機(jī)為核心，為實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的信號(hào)處理和控制功能，將程序劃分為6個(gè)模塊：3 min定時(shí)模塊、紅外脈沖計(jì)數(shù)模塊、高低峰期判決模塊、延時(shí)選擇模塊、水位檢測(cè)模塊、電磁閥模塊，單片機(jī)主程序流程如圖8所示。
3 min定時(shí)模塊在紅外檢測(cè)經(jīng)P3．1口送入第1個(gè)紅外脈沖時(shí)啟動(dòng)，在3 min定時(shí)時(shí)間內(nèi)由紅外脈沖計(jì)數(shù)模塊對(duì)紅外脈沖計(jì)數(shù)。3 min定時(shí)到時(shí)，3 min定時(shí)模塊和紅外計(jì)數(shù)模塊清零復(fù)位，此后3 min定時(shí)模塊和紅外計(jì)數(shù)模塊在下一個(gè)紅外脈沖到來(lái)時(shí)才再次啟動(dòng)。同時(shí)紅外計(jì)數(shù)模塊的紅外脈沖計(jì)數(shù)值送高低峰期判決模塊。
高低峰期判決模塊有2個(gè)功能：當(dāng)3 min內(nèi)紅外計(jì)數(shù)值滿(mǎn)足高峰期人數(shù)時(shí)啟動(dòng)電磁閥進(jìn)行權(quán)注水；當(dāng)3 min內(nèi)紅外計(jì)數(shù)值不滿(mǎn)足高峰期人數(shù)時(shí)，啟動(dòng)延時(shí)選擇模塊。
延時(shí)選擇設(shè)置有友好的人機(jī)對(duì)話(huà)接口，由延時(shí)選擇程序和設(shè)置在機(jī)外人工預(yù)置的7組機(jī)械開(kāi)關(guān)共同組成實(shí)現(xiàn)，延時(shí)時(shí)間一到則開(kāi)啟電磁閥進(jìn)行權(quán)祝水。為了消除開(kāi)關(guān)開(kāi)閉產(chǎn)生的瞬間尖峰脈沖干擾紅外計(jì)數(shù)，在每組開(kāi)關(guān)上設(shè)計(jì)了消尖峰脈沖電路。
水位檢測(cè)模塊檢測(cè)權(quán)注水是否到達(dá)虹吸閥的虹吸點(diǎn)，即高水位位置，當(dāng)權(quán)注水到高水位時(shí)，水位檢測(cè)模塊啟動(dòng)電磁閥模塊，使其關(guān)閉。
由于篇幅的原因，在此給出部分C語(yǔ)言源程序：
通過(guò)實(shí)際工作環(huán)境下的多次試驗(yàn)，系統(tǒng)運(yùn)行良好，紅外監(jiān)測(cè)誤檢率小于O．2％，沖廁遲滯時(shí)間小于1 s。表1是本節(jié)水系統(tǒng)在檢測(cè)周期為3 min時(shí)的一年耗水量，以及與普通沖水器的耗水情況比較。
從表1可以看出，權(quán)控智能節(jié)水器在檢測(cè)周期為3 min的情況下，節(jié)水率高達(dá)88％，大大節(jié)約了水資源，符合設(shè)計(jì)初衷。
4 結(jié)語(yǔ)
提出的權(quán)控智能節(jié)水方案有效解決了現(xiàn)有節(jié)水產(chǎn)品沖廁不及時(shí)、誤沖廁、漏沖廁等技術(shù)缺憾，極大地提高了節(jié)水率，獲得了比較滿(mǎn)意的結(jié)果。隨著信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，這種基于熱釋電紅外移動(dòng)傳感器和單片微處理器的權(quán)控智能節(jié)水器將有著十分廣闊的應(yīng)用前景。