基于单片机控制的节水装置

2022-09-10

全球淡水资源严重紧缺, 已经危及到部分人的生命安全!为保证我们的生命得以延续, 节约用水, 迫在眉睫。细心观察, 我们可以发现:纯净水泄漏;保洁员拖地过量用水;公共场所里自来水常流;水龙头关不紧, 任其细水长流;洗手、刷牙时没有控制水流……种种水源浪费, 让人心痛!专家估算, 如果我国的城市家庭都把坐便器或淋浴器换成节水产品, 每月就可望节水4.9亿吨。面对频频告急的全球用水形势, 每个人都必须改变不良用水习惯, 节约用水。

本文利用单片机AT89C51的编程灵活性及水管电磁阀设计出一套可编程的自动化节水装置, 充分利用了单片机的可编程功能, 同时可以根据用水需要调节水管电磁阀的出水状态, 达到适量、定量用水。

1 整体电路框架设计

如图1所示。

整体电路框架是基于TA89C51单片机作为核心控制器件, 当有人走近节水装置时, 红外感应探头输出感应信号给单片机, 通知系统进入工作状态, 并开始扫描16位功能键盘上的状态, 进行数据处理, 输出相应的控制信号驱动水管电磁阀工作。4位数码管显示相应的功能外, 还进行用水程序倒计时工作, 当时间到达设定值时, 输出报警提醒信号!从而达到在视觉上及听觉上给用水人以一种量化感觉, 提醒用水人节约用水。用水人离开时, 红外感应器自动发出控制信号, 使系统关闭电磁阀, 进入初始化状态。

2 水管电磁阀

如图2水管电磁阀是利用电线圈通电时产生电磁力, 使动铁芯克服弹簧力同静铁芯吸合直接开启阀, 介质呈通路;当线圈断电时电磁力消失, 动铁芯在弹簧力的作用下复位, 直接关闭阀口, 介质不通。根据水管尺寸不同, 选择相应的电磁阀配用。

由单片机T A 8 9 C 5 1的P 1.1脚输出信号使驱动电路工作于相应的工作状态。当P1.1输出高电平时, 经过电阻R4使开关三极管8050饱和导通, 电流从R3经三极管的CE极流向光电耦合器, 发光二极管点亮, 次极三极管导通, 水管电磁阀通电, 吸合动铁芯, 阀门打开, 水开始流出。当P1.1输出低电平时, 三极管8050截止, 水管电磁阀断电, 阀门关闭。见图2, 图3。

3 热释红外探测电路

热释电红外线传感器主要是由一种高热电系数的材料, 如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2*1mm的探测元件。在每个探测器内装入一个或两个探测元件, 并将两个探测元件以反极性串联, 以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号, 经装在探头内的场效应管放大后从S端输出。如图4所示。

为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离, 一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜, 该透镜用透明塑料制成, 将透镜的上、下两部分各分成若干等份, 制成一种具有特殊光学系统的透镜, 它和放大电路相配合, 可将信号放大70分贝以上, 这样就可以测出10米~20米范围内人的行动。

菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理, 在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”, 以提高它的探测接收灵敏度。当有人从透镜前走过时, 人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”, 这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入, 从而强其能量幅度。人体辐射的红外线中心波长为9~10—um, 而探测元件的波长灵敏度在0.2~20—um范围内几乎稳定不变。在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口, 这个滤光片可通过光的波长范围为7~10—um, 正好适合于人体红外辐射的探测, 而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收, 这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。一旦人侵入探测区域内, 人体红外辐射通过部分镜面聚焦, 并被热释电元接收, 但是两片热释电元接收到的热量不同, 热释电也不同, 不能抵消, 经信号处理而报警。如图5所示。

红外线热释电传感器对人体的敏感程度还和人的运动方向关系很大。红外线热释电传感器对于径向移动反应最不敏感, 而对于横切方向 (即与半径垂直的方向) 移动则最为敏感。在现场选择合适的安装位置是避免红外探头误报、求得最佳检测灵敏度极为重要的一环。由此可以设计电路如下。

当人体靠近热释红外探头时, 内部感应电路驱动S脚输出高电平, 通过R2和电容C驱动Q1饱和导通, 发光二极管LED点亮, 同时P1.0从高电平拉至低电平。单片机检测到P1.0从高电平跳变为低电平时, 软件系统开始扫描矩阵键盘, 做好编程或驱动电磁阀工作的准备。

4 键盘与显示报警电路设计

显示电路主要由两片74HC595八位串入并出的数码集成电路完成对4位7段数码管的动态扫描显示。数据从单片机的P3.0脚输出到U2的14脚, 同时单片机的P3.1脚输出移位脉冲, 使数据逐位送到74HC595的寄存器里。当发送完一组显示代码时, 单片机P 2.7输出一个方波脉冲, 数据从74HC595的寄存器里被送到了数码管, 完成了一位数据的显示。如此重复, 就可以完成整体数据的动态显示。见图6。

16位键盘是利用4*4矩阵扫描原理组成的。扫描时, 先使行线全输出低电平, 然后判断列线状态, 若行线全为高电平, 表示无键被按下;若行线不全为高电平表示有键被按下, 然后依次使列线为低电平, 再判断行线状态, 当行线全为高电平时, 表示按下的键不在本列;当行线不全为高电平时, 表示被按下的键在本列, 把此时的行线状态与列线状态和在一起即为被按下的键的位置, 即产生键值码。根据键值码, 散转程序可以转到所需要的功能程序上。