红外感应定高节水水龙头设计

陈奇俊，徐开炜，杨奋洁，陆传德，李健荣，李智慧，张　霞

(华南农业大学　工程学院，广州　510642)



红外感应定高节水水龙头设计

陈奇俊，徐开炜，杨奋洁，陆传德，李健荣，李智慧，张霞

(华南农业大学工程学院，广州510642)

该文设计了一种基于MSP430红外感应定高节水的新型水龙头，是针对生活或工业用水过程中需要控制水量和水面高度的场合而设计的。通过采用两种不同的工作模式——定量模式与普通模式的结合来达到控制水量和更方便开关的效果，节省人们放水的等待时间以及避免浪费水的现象。阐述了新型水龙头的控制原理及硬件电路组成，并完成了实物制作，经过测试，该设计能很好地达到预期效果。

MSP430单片机；无线充电；定高；红外

水资源短缺及水、旱灾害问题影响着各国经济和社会发展，对于人口密集而水资源环境先天条件并不优越的国家和地区，问题就显得格外严重。而对水资源问题认识不够和管理不当也将使问题进一步恶化。如日常生活中，用水桶取水时，常因有事离开，水桶装满未能及时关闭开关，导致水溢出而造成浪费的现象。这些“小小”的浪费时常发生在人们身边，每年所造成的水资源浪费多达几百吨。传统水龙头不仅使用不方便，而且容易造成水资源的浪费。

智能水龙头则可以实现自动感应控制开与关，进而做到智能节水。如将手或盛水容器、洗涤物品伸入感应范围内，水龙头即自动出水，离开后即停止出水。这种水龙头适应性强、维护方便、使用方便卫生，多见于酒店及商场的洗手间。其材质多为不锈钢或铜制陶瓷芯片，水龙头的开关和水温的控制都由这两片陶瓷芯片前后左右移动来调节[1]。

1　设计方案

基于MSP430红外感应定高节水水龙头，装置简单，操作方便，使用范围广泛。装置的系统流程图如图1所示。MSP430系列单片机是一种16位单片机，具有集成度高、外围设备丰富、超低功耗等优点[2]。

该节水水龙头采用了定水(离开)和普通两种工作模式。前者采用自动控制的方式，普通水桶(或其他容器)放到水龙头下，设置所需高度，自动接水到指定高度就关停，避免了生活中因多余取水而造成的浪费现象，充分体现了节约用水、节能减排的思想。后者采用红外感应开关，适用于双手被占用、不方便进行水龙头操作等情况。

1)定水(离开)模式

需取水人拉下定高装置置于预取水位，利用装置带有的红外检测液位高度的定高部分，检测液位高度并控制水龙头的关闭。

2)普通模式

这一模式将暂时关闭定高部分，转为普通的红外感应出水。

图1　装置的系统流程图

2　主要工作原理

2.1定高装置

2.1.1定高装置充电原理

定高装置内置了无线充电模块的接收模块，当接收模块的输出端与电池正负极接通并且有来自发射端发出的信号时，接收模块输出8 V给7.4 V锂电池组充电。同时，设计中采用双水银开关的方式避免了充放电过程电流的乱入而烧坏无线接收模块或者定高装置的其他电路[3]。定高装置的充电流程图如图2所示。

图2　定高装置充电流程图

2.1.2定高装置的功能实现过程

定高装置在下侧安装了红外感应检测电路，用以检测液位高度是否达到要求，并且在上方安装了带有555振荡电路的红外发射管，以便向上方发射信号。其流程图如图3所示。

2.2控水装置

2.2.1控水装置工作原理

控水装置包括微控制器系统电路和侧面红外感应电路。微控制器用于对来自定高装置的信号和来自侧面红外感应电路信号的处理，侧面红外感应电路用于探测是否有人要打开闭合电磁阀。侧面红外感应电路检测到有物体靠近时将对单片机引起低电平中断。主体电路软件流程图如图4所示。

图3　定高装置工作流程图

图4　控制流程图

2.2.2红外感应电路抗干扰设计

考虑到可能存在的环境干扰，采用红外接收头SFH506-38作为红外线接收端。SFH506-38红外接收头是一种小型红外遥控系统接收器件，电路内置PIN二极管、前置放大器及PCM频率滤波器，并且不受环境光源干扰，可以连续进行数据发送，其中心频率为38 kHz[4]。发射端用带通555振荡电路作为载波驱动红外发射管，使得发射的红外线也能达到38 kHz，从而作为特定的信号被红外接收头识别，避免了干扰[5]。

3　性能分析

3.1普通模式测试

主要测试水龙头在普通模式下的响应时间，如表1所示。

表1　普通模式开关响应时间

3.2定高模式测试

定高模式测试是在调节好特定红外接收管的灵敏度，水面到达被测到时的距离，即定高模块最底部的距离——安全距离。表2、表3和表4的数据分别是在不同的外界光强及不同颜色的水桶情况下实验测试得到的安全距离。

表2　在光照强度较强下测试的安全距离　cm

表3　在光照强度适中下测试的安全距离　cm

表4　在光照强度较弱下测试的安全距离　cm

结合实验所得的数据，在一定误差范围内，水龙头响应时间稳定，且影响定高装置的环境条件较少，所以该装置具有实用性。

4　结束语

本设计方案的隔离感应液位、自动断水的功能证明装置具有实用性，其高度的密封性也确保了自动取液的安全性。采用无线电源模块，使得装置的应用更加灵活。

基于MSP430红外定高节水水龙头的设计解决了目前取水的浪费问题，采用红外检测装置、无线充电方式及定高装置相结合，实现机电一体，能满足各类用户用水的基本需要，并且操作简便、节约时间、节约水资源。

经过实物测试后，其优越性能体现在以下4个方面。

1)利用红外探测及定高装置实现取水量的智能控制，能有效做到节约人力、时间，控制水量，防止水的溢出浪费。

2)在节电方面，采用无线方式对智能控制器的电源进行充电并且加入重力感应(水银开关)来对红外感应进行控制，做到不用不耗电。

3)定高部分可高度密封，能避免定高部分要接触到水而可能带来的安全隐患。

4)采用定高模式和普通模式相结合的方式，为大量取水和少量取水提供操作性强的切换方式。

[1]百度文库.水龙头调查报告[EB/OL].[2014-09-20].http://wenku.baidu.com/view/f1cf79f86294dd88 d0d26b35.html.

[2]张晞，王德银，张晨.MSP430系列单片机[M].北京：人民邮电出版社，2005.

[3]潘力.一种锂电池无线充电模块的设计[D].成都：电子科技大学，2013:19-22.

[4]陆平.新一代红外遥控接收头[J].电子制作，2005(4):47.

[5]康华光.电子设计基础(数字部分)[M].5版.北京：高等教育出版社，2008：421-423.

Design of Fixed Height and Infrared Sensor Tap

CHEN Qijun，XU Kaiwei ，YANG Fenjie，LU Chuande，LI Jianrong，LI Zhihui，ZHANG Xia

(College of Engineering，South China Agricultural University，Guangzhou 510642，China)

This paper presented a fixed high and infrared sensor faucet based on MSP430 It is designed for domestic or industrial water process，which need to control the flow of water and water level of occasions.Then the work is designed through a combination of two different working modes ：a quantitative mode and normal mode to control the content and switch which has more convenient effects.People can save waiting time and avoid the phenomena of wasting water.The control principle of work and the hardware circuit are expounded.The physical production is completed，after testing，the design can be very good to achieve the desired effects.

MSP430; wireless charging; fixed height; infrared induction

2014-10-21；修改日期: 2014-11-17

2013年度华南农业大学大学生创新训练项目(SCX13181)。

陈奇俊(1993-)，男，本科生，电子信息工程专业。

张霞(1978-)，女，硕士，讲师，主要从事稻田水稻农情信息快速采集，光谱分析方面的研究。

TP212.14

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.01.034