基于PIC單片機的新型沖水器的設計

1. 引言

傳統的手按式廁所沖水器沖水系統采用的是全機械構造，沖水時(shí)需要人工手按，既浪費了時(shí)間和水資源，又因手的接觸而造成不衛生，還會(huì )因忘記沖水而造成環(huán)境污染，為適應日益加快的現代生活的節奏，節約水資源，創(chuàng )造一個(gè)干凈、舒適、衛生的環(huán)境，穩定、可靠、方便的感應式?jīng)_水器亟待出現，特別是在大型商場(chǎng)、車(chē)站、學(xué)校等人員流動(dòng)比較大的衛生間，節水型感應式?jīng)_水器顯得尤為重要^[1,2]。

然而，一般的感應式?jīng)_水器因其硬件電路的設計、單片機的選擇及沖水閥門(mén)的選擇不是非常恰當，會(huì )造成制造成本高，電量消耗大，易出現誤感應、不沖水等不穩定因素，不僅浪費了能源還給使用者造成一些不必要的麻煩。針對這些問(wèn)題，我們設計了一套制造成本低且穩定性高的沖水系統。

2. 系統總體方案設計

智能節水小便沖洗器的基本設計思想是利用紅外傳感器感應入廁人的到來(lái)，產(chǎn)生電脈沖信號輸入到PIC12C508A單片機，通過(guò)軟件做出智能判斷，從而控制電磁閥開(kāi)啟或閉合。硬件電路以低功耗的PIC12C508A單片機為核心。由熱釋紅外檢測電路、閥門(mén)驅動(dòng)電路、電源電壓變換電路等組成其外圍電路。為簡(jiǎn)化系統軟件設計難度、減少電線(xiàn)連接數量、減小空間體積、降低成本，我們使紅外探頭、單片機及電磁閥用一個(gè)總電源，中間用變壓器變壓，考慮到電源的穩定性和減少干擾噪聲的影響，我們通過(guò)反復實(shí)驗設計成了電路的控制卡模塊，單片機嵌入其上，只留出接線(xiàn)端子作為紅外探頭和電磁閥與控制卡的接口，原理示意見(jiàn)圖1。

圖1 智能節水小便沖洗器控制卡的原理示意圖

3. 單片機介紹

本設計采用的PIC12C508A單片機是由美國Microchip公司較早推出的流行于市場(chǎng)的8位單片機，它的最大優(yōu)點(diǎn)表現為引腳少、低功耗、全靜態(tài)、體積小，如圖2所示。

圖2 PIC12C508A引腳

采用指令總線(xiàn)和數據總線(xiàn)分開(kāi)的哈佛雙線(xiàn)結構，突破了約束單片機速度的瓶頸^[3-6]。PIC12C508A單片機是作為減少系統價(jià)格和功率而設計的特殊單片機。采用CMOS工藝，價(jià)格低廉、功能齊全，可在高頻下工作，功耗極低，供電電壓為2．5～5.5V，運行時(shí)功耗電流小于2mA，待機時(shí)功耗電流小于1μA，能方便地采用電池直接供電。它可以采用看門(mén)狗或外部事件周期性地喚醒自己，執行完相應代碼后又回到SLEEP模式。在SLEEP模式下，晶振停止振蕩，以減少系統功耗，而此時(shí)單片機只有幾個(gè)微安的電流，由此達到了省電的目的，體現了微控制器工業(yè)的新趨勢，也是本設計采用這種單片機做控制器的原因.并且PIC單片機以其較大的電流驅動(dòng)能力(每個(gè)I/O腳的最大控電流為25mA)可以直接驅動(dòng)數碼管（LED）顯示。

每個(gè)管腳的功能如下：

OSC1、OSC2：OSC1是時(shí)鐘輸入端，輸入信號可由外接晶體片內自激振蕩器或由外部晶體振蕩器提供；OSC2為時(shí)鐘輸出端，在RC振蕩器時(shí)輸出4分頻信號。

TOCK1：脈沖計數器的外加脈沖是輸入端，信號輸入第一級為施密特觸發(fā)器。

GP0～GP5：雙向I／O口，可由程序設計輸入或輸出。其中GP3為單向輸入口。

MCLR：復位信號。

VDD、VSS：電源及地。

4. 控制卡電路設計

控制卡作為整個(gè)自動(dòng)沖水系統的控制核心，要求其電路在穩定的基礎上簡(jiǎn)單合理，并且從成本要求和實(shí)際應用場(chǎng)合考慮，控制卡體積要盡量小。

單片機、電磁閥、紅外探頭需要不同的電源，按常規需要幾個(gè)電壓變換裝置，為了節省控制卡的空間體積，我們采用了一個(gè)主線(xiàn)圈，兩個(gè)副線(xiàn)圈的變壓模式，這樣可以大大節省

空間，降低成本。

在選單片機時(shí)，考慮了單片機管腳的充分利用，以盡量減低成本。我們所要的信息只有紅外探頭的監測信號，只需一個(gè)I/O口作為輸入口。另外，我們要通過(guò)軟件控制電磁閥和發(fā)光二極管，需要兩個(gè)I/O口作為輸出口。因此至少要用到三個(gè)I/O口，選單片機PIC12C508A足以滿(mǎn)足要求，并且PIC12C508A管腳輸出的電流最大為25m A足以直接驅動(dòng)發(fā)光二極管，省去了功率放大的設計，從而節省了成本，如圖3所示。管腳7輸出的電壓信號經(jīng)三極管放

圖3 控制卡電路圖

大為12V，這個(gè)電信號經(jīng)單通二極管控制電磁閥的開(kāi)閉，這里的單通二極管所起的作用是防止電磁閥產(chǎn)生的干擾信號進(jìn)入單片機。平時(shí)上拉電阻把管腳5設為高電平，當紅外探頭檢測到信號時(shí)，送入一低電平，單片機通過(guò)電平變換的判斷來(lái)控制電磁閥的通斷和指示燈的亮滅。

5. 控制卡單片機程序設計

5.1 程序流程圖

為了避免因假信號而引起誤判斷的發(fā)生，我們在程序設計的第一次檢驗是否有輸入信號后延時(shí)了三秒，目的是消除紅外探頭前未如廁而走動(dòng)的人員所引起的信號。三秒后程序進(jìn)入第二次信號判斷, 如果信號仍存在，則把它作為真正有效的信號，如果判斷出信號消除則說(shuō)明第一次檢測到的信號為假信號，則返回上一級信號判斷，如果判斷出信號未消除則把它作為有效信號并進(jìn)入第三次信號判斷，循環(huán)執行，直到檢測出信號消失，這時(shí)單片機通過(guò)軟件把7腳和2腳同時(shí)置高電位，從而使電磁閥打開(kāi)、指示燈點(diǎn)亮。之后的延時(shí)十秒是沖水，經(jīng)過(guò)反復試驗在本電磁閥下沖水十秒是最佳選擇時(shí)間，在把潔具完全沖洗干凈的基礎上節約了水源，達到了設計目的。十秒后電磁閥和指示燈同時(shí)關(guān)閉，進(jìn)入新一輪的信號檢測。如圖4所示。

圖4 流程圖

在每次沖水后或上電復位后，單片機將自動(dòng)檢測三分鐘內是否有輸入信號，如果沒(méi)有，單片機將進(jìn)入睡眠狀態(tài)，此時(shí)單片機內部只有幾個(gè)微安的電流，達到了節電的目的。睡眠狀態(tài)下的單片機可以隨時(shí)被外界信號喚醒。

5.2單片機設置

為實(shí)現上述功能，我們單片機設置如下：

CONFIG=00110：禁止MCLR引腳復位、使能程序代碼保護、使能WDT、使用內部RC振蕩器；

TRIS=00001100：GP0、GP5端口設為輸出，GP2設為輸入，其余為輸出。

OPTION=00001111：使用引腳喚醒功能、GP3端口具有弱上拉功能、定時(shí)器模塊的時(shí)鐘源取至內部振蕩器=Fosc/4、將預分頻器分配給WDT、預分頻率=1:128；

6 結論

（1）與同類(lèi)沖水器相比，本沖水器在軟件沖水時(shí)間管理、減少誤判斷方面體現了節水的設

計思路；在單片機的低功耗及其睡眠模式功能的設定上體現了節能的設計思路。

（2）實(shí)際應用一年來(lái)本沖水器未出現過(guò)誤判斷、不沖水等不良現象，本控制卡的性?xún)r(jià)比高，每塊卡的成本不超過(guò)20元。檢測卡體積小，易實(shí)現嵌入式安裝，使用方便。

（3）感應式的檢測方式避免了人手與沖水控制開(kāi)關(guān)的接觸，減少了疾病傳播的機會(huì )，可以說(shuō)是一個(gè)安全健康的裝置。受到了廠(chǎng)家和用戶(hù)的好評。

本文創(chuàng )新點(diǎn)：

采用了低功耗PIC單片機作為控制器的控制核心，并對根據需要對其進(jìn)行開(kāi)發(fā)，合理設計了控制卡電路和單片機控制流程，使得本系統達到了低成本高、可靠性、省電、節水、清潔的設計目的。

參考文獻

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