一种具有警示功能节水装置的设计与实现*

胡致杰，梁人杰，罗泽鹏

（广东理工学院 信息技术学院，广东肇庆 526100）

0 引言

水是生命之源，增强节水意识，提高节水效率是一项重要而又紧迫的任务[1]。传统水龙头普遍存在缺乏提醒与警示功能的缺点，一定程度上导致水资源的浪费。为此本文设计并实现了一种具有LED灯与数显双重警示功能的节水装置，能够依据用户的用水时长，而采用不同颜色的信号灯进行提醒与警示；用水结束后，还可对当次用水量进行数显，达到增强用户节水意识，合理利用水资源的效果。

1 节水装置及工作原理

1.1 装置结构

具有警示功能的节水装置主要由单片机CPU模块、电源模块、红外感应模块、计时模块、警示灯模块、数显模块、继电器控制模块、晶振电路模块和复位电路模块等9部分组成，如图1所示。

1.2 工作原理

节水装置的内核为单片机芯片。系统通过红外感应模块确定水龙头前是否有使用者存在，当未感应到使用者时，系统仅在液晶显示屏显示水龙头的当前状态“welcome”，同时绿色LED警示灯常亮；当感应有使用者存在时，开启水龙头。同时，计时模块开始计时，如果当次用水量在正常用量内，绿色LED警示灯常亮；如果超过正常用量，红色LED警示灯常亮；如果大大超过正常用量，则蓝色LED警示灯常亮，从而提醒使用者节约用水。用水期间液晶显示屏会持续显示水龙头当前状态“opening”。用水完毕后，系统自动延时2 s断水，液晶显示屏数显当次用水量“**mL”，并转回初始状态“welcome”，绿色LED警示灯常亮，红色、蓝色LED警示灯关闭。节水装置系统工作流程图如图2所示。

图1 节水装置基本结构图

图2 节水装置工作流程图

2 系统方案设计

2.1 主控芯片

设计采用STC89C52作为主控芯片，内部配置8位高性能微控制器和容量为8 K的Flash存储器，外部可连接晶振电路，且具有并行I/O引脚。该主控芯片具有功耗低、速度快、抗干扰性强、价格低廉、可靠性高等特点，特别适用于实时控制系统，现已成为各种自动控制系统理想的控制芯片[2-3]。

2.2 红外感应模块

系统的红外感应模块采用LM393红外感应模块，该模块电路由数个不同阻值的电阻、滑动变阻器、104型号电容、LED提示小灯、以及LM393放大电路芯片组成[4]，当红外感应模块开始工作时，电路警示灯会进行模块状态提示。

红外感应模块具有1对红外线发射与接收管，当发射管发出的红外线遭遇障碍物（反射面）时被反射回来，接收管接收红外线，经比较器电路处理，绿色指示灯会亮起，同时向单片机发出控制信号，做出相应功能响应。

该传感器工作电压3.3～5 V，检测距离（有效距离范围2～30 cm）可通过电位器调节，具有干扰小、便于装配、使用方便等特点[4]。

2.3 计时模块设计

由于单片机内部自带的计时时钟会受到多种因素的影响而产生计时偏差，为准确计时，在单片机外部增设时基电路。系统采用NE555时基芯片作为外部时钟的核心芯片，与单片机控制中断系统、2个4.7 kΩ电阻、1个10μF电容、1个0.01μF电容共同组成计时模块。NE555芯片无需单片机辅助，可独立于单片机独自运行，与STC89C52相连可消除主控芯片因掉电而产生的计时误差。同时，NE555芯片具有很强的稳定性和精准性，能为系统的运行提供良好的保障[5-6]。计时模块的核心设计电路图如图3所示。

2.4 警示灯模块

警示灯模块由3个NPN型三极管、3种不同颜色LED小灯，以及若干电阻组成。由于系统中单片机芯片管脚驱动能力较弱，无法直接驱动LED小灯，所以采用S8050三极管直接驱动LED小灯，保证LED小灯供电稳定性。在S8050三极管中，基极连接单片机输出管脚，集电极连接5V直流电源正极，发射极连接5 V直流电源负极[7]，三极管S8050的使用，保证了LED警示灯供电的稳定性。警示灯模块的设计电路图如图4所示。

图3 计时模块电路图

图4 警示灯模块电路图

2.5 继电器模块设计

继电器模块是由2个10 kΩ电阻、1个NPN型三极管S8050、1个继电器线圈组成。当单片机与继电器相连的电路为高电平时，继电器开始工作。S8050三极管的基极为高电平，三极管导通，继电器弱电电路有电流通过，而弱电线圈中的电流使得继电器强电电路接通，水龙头开始工作。当单片机与继电器相连的电路为低电平时，继电器不工作，S8050三极管的基极为低电平，三极管不导通，继电器弱电电路无电流通过，继电器强电电路亦为开路，水龙头关闭。继电器模块的设计电路如图5所示。

2.6 晶振电路、复位电路

晶振电路的作用是为系统提供基本的时钟信号，便于各部分保持同步。晶振电路通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率[5-7]。本系统的晶振电路采用国内通用标准的晶振电路模块，由2个0.47μF的电容以及1个11.9 MHz的晶振组合而成，通过晶振震荡驱动单片机工作，具有较强的稳定性。晶振模块电路如图6所示。

图5 继电器模块电路图

图6 晶振模块电路图

图7 复位模块电路图

复位电路由1个10 kΩ电阻和1个10μF的电容组成，由于系统电路板外面具有保护盒，无需亦不能进行任何重启操作，所以该电路只需保证系统的稳定运行即可。当系统运行时，该电路能保证RST重置管脚为高电平信号，以保证单片机芯片不会被重置。另为保证实现RST管脚功能，在系统电源供电处增加开关，当开关状态变换时，即为复位操作。复位模块电路图如图7所示。

3 系统仿真与成品制作

3.1 系统仿真

系统仿真采用KEIL公司的KEIL uVision4进行编译，生成hex文件进行烧写。使用Proteus 8进行仿真电路设计、调试和实现[8]。

仿真开始，液晶屏显示“welcome”，红、蓝色LED灯都为熄灭状态，绿色LED灯为点亮状态，水龙头为关闭的状态。

当使用者将手放入红外线感应区，刷新液晶显示屏，显示“opening”，水龙头开始出水，LED警示灯随着用水时间的增加依次变换为红色和蓝色。

用水完毕后，刷新液晶显示屏，显示“open-close”和当次用水量“**mL”，绿色LED警示灯常亮，其他警示灯熄灭。延时2 s后水龙头关闭，系统恢复初始状态。

3.2 成品制作

系统电路图以面包板设计模型为原型，遵循先还原，后改进原则[8]，系统总电路图的PCB图如图8所示。PCB电路板采用单点焊接，组装完成后的电路板成品如图9所示。

图8 系统总电路PCB图

图9 电路板成品概览图

4 结束语

本文设计的具有警示功能的节水装置，不仅可通过红外技术自动控制水龙头的开启与关闭达到节水目的，而且使用不同颜色的警示灯及液晶显示屏对超时用水进行双重警示与提醒，有利于提高使用者的节水意识。通过此节水装置，可有效缓解水资源浪费，提高水资源利用率。