一種智能馬桶便蓋自動(dòng)開(kāi)閉控制系統

作者 嚴剛(四川長(cháng)虹電器股份有限公司，四川 綿陽(yáng) 621000)

　　摘要：本文介紹了一種基于R5F1006A單片機的智能馬桶便蓋自動(dòng)開(kāi)閉控制系統。本系統主要由微波感應模塊、電動(dòng)開(kāi)閉組件、單片機控制系統組成。由微波感應模塊檢測到有人靠近或離開(kāi)，發(fā)送信息給單片機控制系統;電動(dòng)開(kāi)閉組件反饋便蓋的位置信息給的單片機控制系統;然后單片機控制系統收到的信息，通過(guò)精確的算法處理，對便蓋的打開(kāi)或關(guān)閉以及轉動(dòng)速度進(jìn)行精準控制。

　　關(guān)鍵詞：智能馬桶;微波感應;直流電機;單片機;PWM波

　　0 引言

　　科技在不斷的進(jìn)步和完善，在物質(zhì)文化生活和精神文化生活不斷提高的同時(shí)，為了滿(mǎn)足人們的視覺(jué)和舒適度，智能馬桶得到迅速的發(fā)展。截至目前，智能馬桶在日本、韓國從家庭到賓館市場(chǎng)使用普及率已達到90%以上，在歐美已普及達到35%以上，而中國市場(chǎng)只不到百分之二。由此可見(jiàn)，智能馬桶在中國具有非常大的市場(chǎng)潛力。而人們處于方便、衛生的考慮，特別是公共場(chǎng)合，馬桶的便蓋自動(dòng)開(kāi)閉功能將得到大量的應用。本文將針對這一功能，介紹一種智能馬桶便蓋自動(dòng)開(kāi)閉控制系統。

　　1 系統組成及工作原理

　　本系統主要由微波感應模塊、電動(dòng)開(kāi)閉組件、單片機控制系統組成。如圖1所示。

　　工作原理：首先由微波感應模塊檢測到有人靠近或離開(kāi)，發(fā)送信息給單片機控制系統;電動(dòng)開(kāi)閉組件反饋便蓋的位置信息給的單片機控制系統;然后單片機控制系統根據這兩條信息，通過(guò)精確的算法處理，對便蓋的打開(kāi)或關(guān)閉以及轉動(dòng)速度進(jìn)行精準控制。

　　2 微波感應模塊

　　相比于紅外感應模塊，微波感應模塊不像用紅外感應模塊那樣需要開(kāi)一個(gè)紅外線(xiàn)感應窗口，從而使整機保持了完整的外觀(guān)。

　　微波感應模塊采用LSB102。LSB102是一款多普勒微波感應器。其擁有適用性極強的平面微帶天線(xiàn)及微小的功耗，在近距離探測目標的移動(dòng)及智能控制方面一直保持著(zhù)獨特的優(yōu)勢。當微波感應器在范圍內檢測到有物體有大動(dòng)作產(chǎn)生后，立即判定有人，并且輸出有人信號(高電平)約1秒。每檢測到大動(dòng)作信號之后的約1秒內為激活狀態(tài)，激活狀態(tài)中，檢測到小動(dòng)作信號也判定為有人。若在激活狀態(tài)的約5秒內一直沒(méi)有檢測到大信號，則恢復初始狀態(tài)，Output輸出低電平。

　　3 電動(dòng)開(kāi)閉組件

　　電動(dòng)開(kāi)閉組件采用TSL300。電動(dòng)開(kāi)閉組件包括直流電機、位置反饋傳感器和相關(guān)結構件，如圖2。

　　直流電機是12 V直流電源驅動(dòng)的直流電機，可實(shí)現正轉或反轉，同時(shí)轉動(dòng)角度不同輸出不同的電壓信號，對應關(guān)系如圖3所示?？刂品绞讲捎肞WM控制。

　　4 單片機控制系統

　　本系統單片機選用R5F1006A，R5F1006A是一種可編程可擦除，自帶PWM輸出功能的16位微處理控制器。將R5F1006A的管腳P0.0設置為輸入口，連接微波感應模塊的信號輸出口，接收微波感應模塊的信息。將R5F1006A的管腳P3.0設置為輸入口，連接電機位置反饋傳感器，接收便蓋的位置信息。用R5F1006A的PWM輸出管腳TO00和管腳TO01分別控制電機正轉和反轉，正轉對應開(kāi)蓋，反轉對應關(guān)蓋。

　　當人體靠近時(shí)，微波感應模塊檢測到有人，給單片機發(fā)送高電平信號。單片機控制電機正轉打開(kāi)便蓋，并根據電機位置傳感器反饋角度，單片機經(jīng)過(guò)內部算法處理，在管腳TO00輸出相匹配占空比的PWM波驅動(dòng)電機轉動(dòng)。具體電機位置角度、反饋電壓信號、電機控制占空比對應關(guān)系如表1。

　　如圖4所示，便蓋在角度0°到60°時(shí)，單片機管腳TO00輸出占空比為100%的PWM波驅動(dòng)電機轉動(dòng)，即輸出高電平;便蓋在角度60°到90°時(shí)，單片機根據圖中角度和占空比關(guān)系，計算出占空比X，管腳TO00輸出占空比為X的PWM波驅動(dòng)電機轉動(dòng);當便蓋角度大于90°，單片機管腳TO00輸出占空比為0%的PWM波驅動(dòng)電機轉動(dòng)，即輸出低電平，便蓋依靠轉動(dòng)慣性到達120°位置，從而完成整個(gè)便蓋打開(kāi)過(guò)程。整個(gè)過(guò)程，單片機管腳TO01輸出低電平。

　　當人體離開(kāi)時(shí)，微波感應模塊檢測到無(wú)人，給單片機發(fā)送低電平信號。單片機控制電機反轉閉合便蓋，并根據電機位置傳感器反饋角度，單片機經(jīng)過(guò)內部算法處理，在管腳TO00輸出相匹配占空比的PWM波驅動(dòng)電機轉動(dòng)。具體電機位置角度、反饋電壓信號、電機控制占空比對應關(guān)系如表2。

　　如圖5所示，便蓋在角度120°到90°時(shí)，單片機根據圖中角度和占空比關(guān)系，計算出占空比X，管腳TO01輸出占空比為X的PWM波驅動(dòng)電機轉動(dòng)，當占空比為負數時(shí)，管腳TO01輸出低電平，管腳TO00輸出相應占空比的PWM波驅動(dòng)電機轉動(dòng);當便蓋角度小于90°，單片機管腳TO01輸出低電平，管腳TO00輸出占空比為50%的PWM波驅動(dòng)電機轉動(dòng)，直到便蓋達0°位置，管腳TO00和管腳TO01都輸出低電平，從而完成整個(gè)便蓋閉合過(guò)程。

　　5 系統電路設計

　　整個(gè)電路包括微波信號檢測模塊電路，便蓋角度檢測電路，電機驅動(dòng)電路。電路原理圖如圖6所示。

　　采用集成電路RZ7899，對直流電機進(jìn)行正反轉驅動(dòng)控制。RZ7899可通過(guò)PWM調速，但頻率不能太高，否則RZ7899發(fā)熱厲害。

　　6 系統軟件設計

　　本程序設計主要包括有無(wú)人檢測，便蓋角度檢測，以及電機正轉、反轉控制。

　　6.1 PWM功能配置

　　本系統單片機選用日本瑞薩公司的R5F1006A，使用PWM功能時(shí)，需將2 個(gè)定時(shí)器通道成對使用，能生成任意周期和占空比的脈沖。

　　輸出脈沖的周期和占空比能用以下計算式進(jìn)行計算：

　　脈沖周期= {TDRmn(主控)的設定值+ 1} × 計數時(shí)鐘周期。

　　占空比[%] = {TDRmp(從屬)的設定值} / {TDRmn(主控)的設定值+ 1} × 100。

　　0% 輸出：TDRmp(從屬)的設定值= 0000H。

　　100% 輸出：TDRmp(從屬)的設定值≥ {TDRmn(主控)的設定值+ 1}。

　　m：?jiǎn)卧?m=0、1)。

　　n：主控通道號(n=0、2、4、6)。

　　p：從屬通道號(n<p≤7)。

　　當用作PWM 功能時(shí)，主控通道進(jìn)行遞減計數，在計數到“0000H” 為止的期間為PWM 輸出(TOmp)周期。

　　從屬通道用作單次計數模式。以主控通道的INTTMmn 中斷為開(kāi)始觸發(fā)，將TDRmp 寄存器的值裝入TCRmp寄存器，并且進(jìn)行遞減計數，計數到“0000H” 為止。當計數到“0000H” 時(shí)，輸出INTTMmp 中斷，并且等待下一個(gè)開(kāi)始觸發(fā)(主控通道的INTTMmn)。

　　當用作PWM 功能時(shí)，從屬通道進(jìn)行遞減計數，在計數到“0000H” 為止的期間為PWM 輸出(TOmp)的占空比。

　　在從主控通道產(chǎn)生INTTMmn 中斷并且經(jīng)過(guò)1 個(gè)時(shí)鐘后，PWM 輸出(TOmp)變?yōu)橛行щ娖?，并且在從屬通道的TCRmp 寄存器的值變?yōu)椤?000H” 時(shí)變?yōu)闊o(wú)效電平。

　　6.2 程序設計思想

　　程序設計思想：首先上電后讓便蓋關(guān)閉，讓系統進(jìn)入待機狀態(tài)。當檢測到人體靠近時(shí)，控制電機以合適的速度正轉，打開(kāi)便蓋，以便用戶(hù)使用;當檢測人體離開(kāi)時(shí)，控制電機以合適的速度反轉，閉合便蓋，系統進(jìn)入待機狀態(tài)。

　　程序設計流程圖如圖7所示。

　　7 結論

　　隨著(zhù)馬桶智能化程度的提高，便蓋自動(dòng)開(kāi)閉是馬桶智能化必不可少的功能。馬桶便蓋自動(dòng)開(kāi)閉控制技術(shù)，將得到廣泛的應用，給人們帶去更加方便、時(shí)尚的使用體驗。

　　參考文獻

　　[1]劉嘉祺.基于多普勒原理的微波測距系統的研究與設計.吉林大學(xué), 2017.

　　[2]瑞薩R5F系列芯片參考手冊.

　　[3]楊景芝,付麗娟.全自動(dòng)坐便器電器控制系統設計.現代電子技術(shù),2008(16).

　　作者簡(jiǎn)介：

　　嚴剛(1984-)，男，嵌入式研發(fā)工程師，主要研究方向：智能家用電器基礎技術(shù)研究及產(chǎn)品應用。

本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第2期第48頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處