基于MCU的权控智能节水系统设计

引言
    随着社会和经济的不断发展，环境和资源问题日益突出，预计到2020年，全国年总需水量将达到900亿立方米，而缺水量也将达到150亿立方米，水资源短缺已成为制约我国经济和社会发展的重要因素，为此国家大力提倡节能减排，鼓励节水、节能设备的研发。卫生间节水技术始于20世纪80年代末和90年代初期，在节水技术初级阶段，普遍采用数字逻辑电路和模拟电子技术实现节水控制功能；自21世纪以来，卫生间节水技术开始采用先进的红外检测技术以及单片机控制技术，节水率有了较大的提高。目前卫生间节水设备存在诸多技术上的缺陷，即冲厕不及时，误冲厕、漏冲厕现象频繁，导致节水率低，环境卫生差。
    为实现节约型、环保型社会，未来的卫生间节水设备必将朝着高节水率、环保、集成化、智能化方向发展。基于此，设计了一种基于统计学和模糊控制理论的权控智能节水系统。它利用改进的红外检测单元准确地采集数据；以AT89C2051单片机为硬件平台构建信号处理、控制的主控制器，对检测数据进行处理，并实时判断出真实的人流量；注水分主注水和权控注水，保证主控制单元发出冲厕指令后能迅速冲厕。试验结果表明，系统各项性能指标均达到设计要求，节水率提高到88％。

1 权控技术
    为了确保主控制单元发出冲水指令后，水箱内的水能迅速泻放，本节水系统采用了权控技术，权控冲厕功能由主注水、防渗漏控制单元、主控制单元等实现。主注水单元依据水箱低水位检测器状态判断出水箱全空时启动电磁阀，执行主注水至水箱总容量的95％时停止，为水箱的低水位。由于水中杂质经长时间的积淀以及水箱虹吸阀与水箱密封不严密，水过长时间停留会致使水位因渗漏而下降，鉴于此，设计防渗漏电路补注水，使水箱水位始终保持在水箱总容量的95％位置处。主控制单元实时处理入厕信息并发出权注水指令，这部分注水仅占水箱总容量的5％，耗时1～2 s。权注水后水箱内的水已充满整个水箱，达到了虹吸阀开启的位置，这种迅速冲厕的控制技术称为权控技术。

2 系统硬件设计
    本系统采用AT89C2051单片机作为系统的主控制单元，可实现红外信号的处理、电磁阀权注水控制和LED显示；结合C语言软件编程，实现了与实际情况相吻合的冲水控制和两级程序保密措施，丰富了系统功能，提高了系统的稳定性。
    系统由主辅两大控制单元组成，图1为主控制单元结构图，完成红外信号处理，延时选择并执行冲水子程序。其中，改进的红外监测可感知移动生物，高水位可检测水箱水位是否到达虹吸点，延时选择是在入厕低峰期时供人工选择延时冲水时间；LED可实时显示主控制器工作状态。

    图2为辅控制单元，完成无水断电、主注水及防渗漏控制。当管网断水时，低水位检测水箱内始终无水，于是主注水控制电路一直开启电磁阀，故设计智能电源在无水时断开除水管检测之外的所有电路电源。低水位检测主注水是否到水箱95％，主注水控制单元据之控制电磁阀；防渗漏控制单元保持水箱在95％的水位。
2．1 智能电源设计
    智能电源系统结构包括数字+5 V电源电路、模拟+5 V电源电路、无水断电控制电路，系统结构框见图3。

    在无水断电控制电路检测到无水时，控制2个继电器JDQ3，JDQ4断开常闭触点，切断除水管检测之外的所有电路供电，既保护了电磁阀，又节省了电能。在管网恢复供水后，无水断电控制电路能瞬间迅速恢复电路供电，系统进入正常工作状态，无水断电控制电路图见图4。
2．2 红外监测设计
    红外监测采用GH-718人体感应模块感知生物体，输出高电平。GH-718人体感应模块有可重复触发和不可重复触发两种触发方式，为精确计算入厕人数，本系统设置成可重复触发方式。但GH-718人体感应模块的有效探测范围为110°，探测距离最远可达7 m，人体在这个区域移动时，造成同一入厕者有多次红外触发。为了将减少误触发，甚至使误触发降为零，本系统将GH-718人体感应模块设置在机壳内，机壳底部居中开直径为2 mm的圆孔。经过以上改进，红外监测器仅在一根线上才感应移动人体产生红外脉冲，极大地提高了监测精度，误检率降低到0．2％，见图5。

2．3 主注水及防渗漏控制电路设计
    主注水及防渗漏控制电路不受主控制单元控制，它通过低水位检测装置送来的高低电平判断是否注水，主注水及防渗漏控制电路见图6。

    当水箱水位未到低水位时，低水位检测装置是低电平，经过一个非门后变为高电平，于是晶体管V1因饱和导通驱使电磁阀闭合进行主注水。当到达水箱水位时，水箱水位检测装置送来的是高电平，经过一个非门后变为低电平，于是晶体管V1截止，主注水控制电路关断电磁阀停止主注水。
2．4 权注水控制电路设计
    权注水是以AT89C2051为核心的主控制单元实现电路见图7。权注水控制电路与微处理器耦合时采用光电耦合器耦合，优点是光电耦合器耦合可以阻隔继电器和电磁阀开启与关断瞬间产生的尖锋脉冲等干扰信号对微处理器的干扰，从而避免了主控制单元因受干扰而出现工作性能不稳定的现象，减小了误冲厕和漏冲厕的几率。信号流程为：权注水指令从P3．2口送出，经R8送光耦IC4驱动V2导通，控制继电器闭合常开触电，电磁阀开启权注水。

3 系统软件设计
    本系统以AT89C2051单片机为核心，为实现单片机的信号处理和控制功能，将程序划分为6个模块：3 min定时模块、红外脉冲计数模块、高低峰期判决模块、延时选择模块、水位检测模块、电磁阀模块，单片机主程序流程如图8所示。

    3 min定时模块在红外检测经P3．1口送入第1个红外脉冲时启动，在3 min定时时间内由红外脉冲计数模块对红外脉冲计数。3 min定时到时，3 min定时模块和红外计数模块清零复位，此后3 min定时模块和红外计数模块在下一个红外脉冲到来时才再次启动。同时红外计数模块的红外脉冲计数值送高低峰期判决模块。
    高低峰期判决模块有2个功能：当3 min内红外计数值满足高峰期人数时启动电磁阀进行权注水；当3 min内红外计数值不满足高峰期人数时，启动延时选择模块。
    延时选择设置有友好的人机对话接口，由延时选择程序和设置在机外人工预置的7组机械开关共同组成实现，延时时间一到则开启电磁阀进行权祝水。为了消除开关开闭产生的瞬间尖峰脉冲干扰红外计数，在每组开关上设计了消尖峰脉冲电路。
    水位检测模块检测权注水是否到达虹吸阀的虹吸点，即高水位位置，当权注水到高水位时，水位检测模块启动电磁阀模块，使其关闭。
由于篇幅的原因，在此给出部分C语言源程序：
   
   
    通过实际工作环境下的多次试验，系统运行良好，红外监测误检率小于O．2％，冲厕迟滞时间小于1 s。表1是本节水系统在检测周期为3 min时的一年耗水量，以及与普通冲水器的耗水情况比较。

    从表1可以看出，权控智能节水器在检测周期为3 min的情况下，节水率高达88％，大大节约了水资源，符合设计初衷。

4 结语
    提出的权控智能节水方案有效解决了现有节水产品冲厕不及时、误冲厕、漏冲厕等技术缺憾，极大地提高了节水率，获得了比较满意的结果。随着信号处理技术的发展，这种基于热释电红外移动传感器和单片微处理器的权控智能节水器将有着十分广阔的应用前景。