基于单片机控制的超感智能座便器系统设计

李丽霞，李润金

（沈阳工程学院a.自动化学院；b.电力学院，辽宁 沈阳 110136）

随着物联网技术的不断创新，更多的消费者开始关注智能家居产品。智能座便器作为智能家居研究的前沿产品，更是成为人们关注的焦点。智能座便器起源于日本，日本72%的普及率和韩国45%的普及率成为智能马桶全球第一和第二的消费国及技术产品出口国。目前，中国智能座便器占所有产品的比例较低，主要是因为智能芯片和控制技术都依靠进口，产权受限，而稳定的国产技术还有待开发［1］。

设计一款新型超感节能智能座便器，在原有座便器上增加红外传感器，实现有人使用时座便器接通电源正常工作，无人使用时座便器处于休眠状态的功能，改变以往的座便器座圈始终加热的常态，可以为每户每年节约大量的电能［2］。

1 方案设计

以单片机为控制芯片，利用红外光电传感器检测是否有物体通过，利用温度传感器检测温度的变化，利用控制电机实现冲水和排风功能。传感器和电机的结合可以提高稳定性和可靠性，达到节能降耗的效果。当红外光电传感器检测到有物体通过时，接通电源，然后温度传感器检测温度并使座便圈加热，达到预设温度时加热灯熄灭；当人离开时，首先控制电机进行排水并延时一段时间，然后排风，最后进入休眠状态，以此达到智能座便器全部功能［3］。检测过程工作原理如图1所示。

图1 检测过程工作原理

2 系统硬件电路设计

系统硬件电路由单片机控制电路、传感器检测部分、液晶显示部分和电机控制部分组成。

2.1 单片机控制电路模块设计

在设计控制电路时，以STC89C52 作为主控芯片，内部实现红外信号采集和温度信息采集，将采集信号进行处理，根据要实现的功能编写程序，将结果输出到执行部件。P4和P5为红外传感器和温度传感器的输入和输出端口，P21-P24 为控制电机输入、输出端口，P14 为水泵输入/输出端口，P6 为风扇输入/输出端口。单片机控制电路如图2所示。

图2 单片机控制电路

2.2 传感器检测电路部分

红外光电传感器内部具有一对红外线发射管和接受管，一定频率的红外线通过发射管发出，当检测方向出现物体（反射面）时，接收管接收反射回来的红外线，同时信号输出接口输出数字信号（低电平信号）。红外光电传感器可通过电位器旋钮调节检测距离，有效距离最大为30 cm。该传感器具有干扰小、便于安装等特点［4］。传感器输出端口可直接与单片机IO 口连接，连接方式为OUT-IO，红外光电传感器检测电路如图3所示。

图3 红外检测电路

温度传感器检测温度使座圈加热并在LCD1602 上实时显示温度，也可以通过加热灯的亮起和熄灭观察温度是否达到预设值。选取DS18B20 温度传感器可以直接从单通讯线上得到能量，除去对外部电源的需求，其具有一个可有高低电平触发的不因电源消失而改变的报警功能，温度检测范围为-55 ℃～125 ℃。检测和显示电路如图4所示。

图4 温度检测和显示电路

2.3 控制电机电路部分

控制电机主要完成的功能是当人离开时红外检测信号变成电信号，控制冲水及排风。选取ULN2003 型号电机驱动芯片，其具有耐高压、大电流复合晶体管阵列，由7 个硅NPN 复合晶体管组成，每一对达林顿都串联2.7 kΩ 的基极电阻，在5 V的工作电压下，能与TTL 和CMOS 电路直接相连，可以直接处理原先需要用标准逻辑缓冲器来处理的数据［5］。ULN2003驱动电机电路如图5所示。

图5 ULN2003驱动电机电路

本次设计的重点是如何使座便器更加节能降耗，同时对如何避免浪费水资源也是重点研究内容。因此，可以通过排泄物的重量分辨大小便来设计控制电路。大便状态下进行8 s 冲洗，小便状态下冲洗3 s，通过这种方式会极大地减少水资源的浪费［6-7］。选用HX-711型号的称重精度传感器，其基本工作原理是将物体应变片紧紧粘贴后放到对压力敏感的弹性元件上，弹性元件会产生温度形变，将应变片产生的相应的温度变化转化为传感电阻的相应变化，再经过测量数据处理得到实际重量。称重传感器测量的排泄物的重量与单片机程序中区分大小便设定的值相比较，然后实现在人离开之后运行冲水、烘干等程序。测重电路原理如图6所示。

图6 测重原理

水泵和排风由电机驱动，通过单片机内部程序编写，单片机P14 端口输出信号使水泵进行工作，延时一段时间后，P6 端口输出信号，风扇开始工作。在水泵控制电路中需要串联一个继电器，继电器有对被控电路实现“通”和“断”控制的执行作用，故而达到节水目的，还能实现电路的自动调换以及安全保护作用。水泵和风扇电路如图7所示。

图7 水泵控制和风扇电路

3 软件设计

利用Keil uVision5 开发环境进行软件设计，可以使用C 语言和单片机汇编语言进行编程。系统软件流程如图8所示。

图8 系统软件流程

4 系统实验结果

通过软件调试，向单片机中编写程序以及在Proteus 平台对电路进行仿真，验证其结果的正确性和稳定性［8-9］，如图9 所示。当电路发现问题时及时改正，多次验证后完成实物制作，通过串口通信向实物单片机烧写程序，再次验证程序以及实物是否达到预期功能，从而达到调试目的。经过多次验证，智能座便器可以很好地完成各部分功能。

图9 系统仿真

5 结论

运用硬件设计与软件设计的结合，以及驱动电机技术，设计出一个精度较高、稳定性好、清洁节能的多功能超感智能座便器，详细介绍了超感智能座便器在实现冲水、排风、传感器检测等功能的硬件电路和软件设计。超感智能座便器硬件设计结构简单，模块化程序清晰，便于调节传感器探测距离，系统整体反应快速，能够达到节能降耗的目的。但是，设计中仍有需要改进的地方，如红外传感器易受环境的影响，在实际中需要做好传感器定时检查的工作。