基于多传感器水流量识别的节水循环控制系统∗

张晓军 王少平 叶铭铭 陆兴华

（广东工业大学华立学院 广州 511325）

1 引言

随着人们生活水平的提高，对家居的智能环保和节能的要求越来越高，智能家居控制技术在生活中得到广泛的应用［1～2］，卫浴系统是家居生活的重要组成部分，家庭生活中卫浴系统的水量开销占据了整个自来水消耗的大部分比例，为了降低卫生间中的不必要的水量开销，满足消费者的节能生活需求，需要对卫浴系统的马桶、淋浴、洗衣等水量消耗大的环节进行水循环节能控制。通过设计一款新型马桶将浴室洗手盆和马桶一体化，将洗手盆产生的废水二次利用，高效利用浴室空间，使马桶最大化地节约水资源，实现水循环控制，研究卫浴系统的节水循环控制控制系统在智能家居建设和践行绿色环保理念中都具有重大的应用意义。

对此，本文提出一种基于多传感器水流量识别的节水循环控制系统设计方法，通过各个传感器的识别把水流量数据传送给单片机，单片机通过数据处理来控制继电器工作，通过洗手和其他生活用水进行重复利用，把这些废水进行二次过滤后，收集，储存到马桶的储水箱里，利用过滤后的废水来冲洗马桶，采用超声波和红外等多传感器进行水流传感识别，实现节水循环控制，取得较好的设计效果。

2 系统总体设计描述及功能指标分析

2.1 系统总体设计描述

本文设计的利用基于多传感器水流量识别的节水循环控制系统主要是进行卫浴的水流控制，实现自动冲洗和自动蓄水功能，系统采用STC89C52单片机作为控制系统的核心处理芯片［3］，通过超声波传感器、红外传感器进行使用者的距离测量和水流信息感知［4～6］，采用智能水箱进行自动加水和排水，为了利用洗手或其他生活用水来提供卫浴系统作为水源，废水经双层过滤后汇聚到水箱，当水位下降到最低水位时，水箱自动加水到合适的水位。运用超声波传感器来检测人与马桶、洗脸池等卫浴系统的距离，各个传感器的识别把数据传送给单片机，同时单片机通过数据处理来控制继电器工作，同时控制各个电磁阀的开和关，进而计算冲水量，来节省水源利用。根据上述设计思想，构建本文设计的基于多传感器水流量识别的节水循环控制的总体结构框图如图1所示。

图1 系统总体设计结构框图

根据图1所示的总体结构框图得知，本文设计的节水循环控制系统主要分为传感器测量模块、单片机控制模块、继电器模块、电磁水阀控制模块，其中，单片机作为控制系统的处理中枢，通过各个传感器的识别把水流量数据传送给单片机，系统的数字电路部分主要包括A/D、复位芯片、EEPROM、D/A和水流输出控制，数字部分在整个系统中负责向节水循环控制系统提供水流强度和人体与卫浴系统的距离等信息，并且对接收和参考两路信号进行采集和处理并给出判决结果，根据系统的功能需求，数字电路ADI公司推出的ADSP-BF561作为数字信号处理芯片［7］，内核电压0.8V～1.2V，片内调压器可调，节水循环控制系统具有2个并行输入/输出外围接口单元（PPI），支持PWM，具有2个“看门狗”定时器，支持 IrDA（Infrared Data Association）的UART，通过UART循环堆栈控制设计，当水位下降到最低水位时，水箱自动加水到合适的水位，保障了节水循环控制系统的智能性和人机友好性。

2.2 外围器件选择及功能指标描述

节水循环控制功能的实现不仅需要合适的单片机作为核心控制单元，还不能缺少外围器件的支持，控制系统的传感器单元需要A/D转换器进行水流信号向电信号的转换，选用ADI公司的A/D和D/A，设计的采样频率不低于8位，D/A芯片选用的是ADI的串行D/A转换器AD5545，采用高速A/D芯片AD9225构建内部时钟振荡器，系统的复位芯片包括了2个16位MAC，2个40位ALU，D/A的输出信号的范围是：0～10VDD，AD7767-1的主要参数可达到：分辨率：24bit，采样率：64kps/s。为了提高控制系统的低频幅频响应性能，在滤波电路中加入动态范围≥25dB的AGC，通过设计检波器模块和积分器模块实现线性检波和两级放大，节水循环控制系统的有效信号频率范围为100Hz～2000Hz，接收机内部滤波器的通频带应设计为100Hz～2000Hz。在外围器件选择中，需要考虑节水循环控制系统的主要特征参数：灵敏度（动作电压），通频带及交流放大量等［8～10］。为了满足控制系统的低功耗要求，系统采用单4V供电，输入范围为4Vpp，功耗280mW，使用有源晶振ADSP-BF537精确控制高压，I/O电压为3.2V，最大倍频数为64倍，单片机控制芯片采用低功耗的STC89C52单片机。

在上述进行了系统的外围器件选择的基础上，得出本文设计的系统的技术指标归纳如下：节水循环控制系统的电磁水阀控制具有VCC检测功能，当VCC不足3.2V时，OUT可能被撤除；具有1.25V的门限检测器，用于水流过大以及系统故障报警以及实现低电池检测；当控制系统的VCC电压低于2.92V时，SP在1.6s内未改变WDI引脚状态，复位输出引脚将输出200ms的低脉冲，当达到使用的适合次数后，则单片机控制稀释消毒液，实现卫浴系统的消毒处理；外部口的等待配置采用最慢模式（3周期的保持时间，15周期的读写存取时间），在节水循环控制中确保控制出水量的准确性。

3 系统设计与实现

3.1 系统硬件电路设计

在上述进行了节水循环控制系统的总体设计和技术指标分析的基础上，根据实际开发需求，记性系统的模块化涉及面系统模块化设计主要包括了传感器测量模块、单片机控制模块、继电器模块、电磁水阀控制模块等。传感器测量模块。

1）传感器测量模块。根据超声波和红外等多种传感器进行水流量识别，CPU与DAM控制器由外部脉冲源驱动，实现节水循环控制集成设计，图2给出了多传感器测量模块的电路设计。

图2 多传感器测量模块的电路设计

采用多传感器进行水流识别，系统的输入信号为U1Ai，则

其中，I1=I2，线性检波电路的输入为半双工状态，可得反相放大的输出电压为

采样率发生器中的帧同步位FSGM决定发送帧同步信号，对运放U1B，超声波传感器的输出电流和直流放大增益为

配置采样率发生寄存器，当Vb变化时，可得动串口0的采样率发生器，计算得到多传感器测量的放大倍数A1为

本文设计A1＝225，实测 A1＝213。

2）单片机控制模块。单片机控制模块是该系统的核心模块，采用STC89C52单片机，通过数据处理来控制继电器工作，同时控制各个电磁阀的开和关，模块电路原理图如图3所示。

在单片机控制模块中，VDD（6脚）：正电源输入端，一----般取+5V，FB（10脚）输入运放的输出反馈端，CE（4脚）锁存控制信号的输入--端--，当V+时，输入数据 D0～D5不起作用，当CE=Vss时，数据可直接加到ROM中，可接收TTL电平信号及上升沿锁存输入控制信号，D0～D5（3，2，1，18，17，16）控制低通滤波器截止频率的码字，在fcp=3.5795MHz时，若选择 D5～D0=110010，DSP采样BMODE2-0管脚，从而决定程序加载方式。

图3 单片机控制模块的电路图

3）继电器模块设计。系统的继电器模块必须设计成至少16阶，采用了一个8阶高通滤波器（S3529）和一个8阶低通滤波器（S3528）级连，组成一个16阶的带通滤波器，采用二阶级联检波方法进行信号检波设计，系统5V电源，通过R13和R14进行分压，信号经过R1向C1两端积累，C1处在放电状态，使得C1两端变压变小，通过继电器模块控制节水阀，当水位下降到最低水位时，双层过滤后汇聚到水箱，进行节水控制。继电器模块电路设计如图4所示。

图4 继电器模块电路设计

4）电磁水阀控制模块。电磁水阀控制模块的设计电路如图5所示。

图5 电磁水阀控制模块电路设计

电磁水阀进行节水循环控制的过程描述为：设Vi是水箱的最低水位的输入端信号，Vo是最高水位输出端信号，Vb是控制端信号。当Vb大于二极管D1、D2的导通电压时，水位下降到最低水位时，二极管D1、D2导通。当Vb变化时，水箱自动加水到合适的水位，由于二极管D1伏安特性的非理想性，所以D1的阻值也在变化，并且这个网络与R1组成分压电路，从而使输出端Vo也在变化，从而实现节水循环系统的出水控制。

3.2 控制系统的串口配置设计

在上述进行了系统的电路设计的基础上，进行系统的串口配置，通过串口配置设计，CPU与DAM控制器由外部脉冲源驱动，实现节水循环控制集成设计，节水循环控制系统的外部接口片选信号和控制信号在CPLD上根据译码器原理编写产生，利用DSP的5根地址线作为控制系统的串口输入，启动串口0的采样率发生器工作，设定1，用一根地址线和/IOSTRB（片外I/O外设选通脉冲）作译码器，对SPCR1（串口接收控制寄存器）和SPCR2（串口发送控制寄存器）写0H选择，配置PCR（串口控制引脚寄存器）的FSXM=1，得到控制系统的串口配置设计图如图6所示。

其中，控制信号Q，把DSP的第12位数据线状态赋给DSP，读取采样值时接收控制寄存器（RCR［1，2］和XCR［1，2］），节水循环控制系统的触发器真值表见表1。

表1 节水循环控制系统的触发器真值表

图6 控制系统的串口配置设计图

4 系统实验测试分析

为了测试本文设计的基于多传感器水流量识别的节水循环控制系统的稳定性和可靠性，对系统对卫浴系统的节水循环控制性能进行测试，系统测试中，起控点是由直流放大器输出的直流电平来控制，通过多传感器进行水流量识别后进行AD转换成电信号Vi2在100μV，输出的超声传感器信号的Vi2为峰峰值为2V、频率可变的正弦波，得到节水循环控制中的高水位和低水位的控制幅频响应曲线如图7所示。

图7 节水循环控制中的高水位和低水位的控制幅频响应曲线

分析得知，该控制系统的最大有效信号为5mV，动态范围为，满足设计要求，系统单片机控制储水箱的水位精准度较高，对出水量控制的可靠性较好，性能较好。

5 结语

本文研究了卫浴系统的节水循环控制系统，提出一种基于多传感器水流量识别的节水循环控制系统设计方法，通过各个传感器的识别把水流量数据传送给单片机，单片机通过数据处理来控制继电器工作。系统模块化设计主要包括了传感器测量模块、单片机控制模块、继电器模块、电磁水阀控制模块等。采用低功耗的STC89C52单片机作为核心控制芯片，根据超声波和红外等多种传感器进行水流量识别，CPU与DAM控制器由外部脉冲源驱动，实现节水循环控制集成设计。实验分析表明，该系统可以智能化地实现卫浴系统节水循环控制，单片机控制储水箱的水位精准度较高，对出水量控制的可靠性较好，具有较好的实用价值。

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