一種智能馬桶便蓋自動開閉控制系統(tǒng)

作者：嚴(yán)剛時間：2019-01-29 來源：電子產(chǎn)品世界

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作者嚴(yán)剛(四川長虹電器股份有限公司，四川綿陽 621000)

本文引用地址：http://www.butianyuan.cn/article/201901/397271.htm

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

　　關(guān)鍵詞：智能馬桶;微波感應(yīng);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，為了滿足人們的視覺和舒適度，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使用普及率已達(dá)到90%以上，在歐美已普及達(dá)到35%以上，而中國市場只不到百分之二。由此可見，智能馬桶在中國具有非常大的市場潛力。而人們處于方便、衛(wèi)生的考慮，特別是公共場合，馬桶的便蓋自動開閉功能將得到大量的應(yīng)用。本文將針對這一功能，介紹一種智能馬桶便蓋自動開閉控制系統(tǒng)。

　　1 系統(tǒng)組成及工作原理

　　本系統(tǒng)主要由微波感應(yīng)模塊、電動開閉組件、單片機控制系統(tǒng)組成。如圖1所示。

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

　　2 微波感應(yīng)模塊

　　相比于紅外感應(yīng)模塊，微波感應(yīng)模塊不像用紅外感應(yīng)模塊那樣需要開一個紅外線感應(yīng)窗口，從而使整機保持了完整的外觀。

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

　　3 電動開閉組件

　　電動開閉組件采用TSL300。電動開閉組件包括直流電機、位置反饋傳感器和相關(guān)結(jié)構(gòu)件，如圖2。

　　直流電機是12 V直流電源驅(qū)動的直流電機，可實現(xiàn)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，同時轉(zhuǎn)動角度不同輸出不同的電壓信號，對應(yīng)關(guān)系如圖3所示。控制方式采用PWM控制。

　　4 單片機控制系統(tǒng)

　　本系統(tǒng)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(shè)置為輸入口，連接微波感應(yīng)模塊的信號輸出口，接收微波感應(yīng)模塊的信息。將R5F1006A的管腳P3.0設(shè)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(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，正轉(zhuǎn)對應(yīng)開蓋，反轉(zhuǎn)對應(yīng)關(guān)蓋。

　　當(dāng)人體靠近時，微波感應(yīng)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(zhuǎn)打開便蓋，并根據(jù)電機位置傳感器反饋角度，單片機經(jīng)過內(nèi)部算法處理，在管腳TO00輸出相匹配占空比的PWM波驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動。具體電機位置角度、反饋電壓信號、電機控制占空比對應(yīng)關(guān)系如表1。

　　如圖4所示，便蓋在角度0°到60°時，單片機管腳TO00輸出占空比為100%的PWM波驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，即輸出高電平;便蓋在角度60°到90°時，單片機根據(jù)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(qū)動電機轉(zhuǎn)動;當(dāng)便蓋角度大于90°，單片機管腳TO00輸出占空比為0%的PWM波驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，即輸出低電平，便蓋依靠轉(zhuǎn)動慣性到達(dá)120°位置，從而完成整個便蓋打開過程。整個過程，單片機管腳TO01輸出低電平。

　　當(dāng)人體離開時，微波感應(yīng)模塊檢測到無人，給單片機發(fā)送低電平信號。單片機控制電機反轉(zhuǎn)閉合便蓋，并根據(jù)電機位置傳感器反饋角度，單片機經(jīng)過內(nèi)部算法處理，在管腳TO00輸出相匹配占空比的PWM波驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動。具體電機位置角度、反饋電壓信號、電機控制占空比對應(yīng)關(guān)系如表2。

　　如圖5所示，便蓋在角度120°到90°時，單片機根據(jù)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(qū)動電機轉(zhuǎn)動，當(dāng)占空比為負(fù)數(shù)時，管腳TO01輸出低電平，管腳TO00輸出相應(yīng)占空比的PWM波驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動;當(dāng)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(qū)動電機轉(zhuǎn)動，直到便蓋達(dá)0°位置，管腳TO00和管腳TO01都輸出低電平，從而完成整個便蓋閉合過程。

　　5 系統(tǒng)電路設(shè)計

　　整個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(qū)動電路。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(zhuǎn)驅(qū)動控制。RZ7899可通過PWM調(diào)速，但頻率不能太高，否則RZ7899發(fā)熱厲害。

　　6 系統(tǒng)軟件設(shè)計

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

　　6.1 PWM功能配置

　　本系統(tǒng)單片機選用日本瑞薩公司的R5F1006A，使用PWM功能時，需將2 個定時器通道成對使用，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(shè)定值+ 1} × 計數(shù)時鐘周期。

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

　　0% 輸出：TDRmp(從屬)的設(shè)定值= 0000H。

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

　　m：單元號(m=0、1)。

　　n：主控通道號(n=0、2、4、6)。

　　p：從屬通道號(n<p≤7)。

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

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

　　當(dāng)用作PWM 功能時，從屬通道進(jìn)行遞減計數(shù)，在計數(shù)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1 個時鐘后，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” 時變?yōu)闊o效電平。

　　6.2 程序設(shè)計思想

　　程序設(shè)計思想：首先上電后讓便蓋關(guān)閉，讓系統(tǒng)進(jìn)入待機狀態(tài)。當(dāng)檢測到人體靠近時，控制電機以合適的速度正轉(zhuǎn)，打開便蓋，以便用戶使用;當(dāng)檢測人體離開時，控制電機以合適的速度反轉(zhuǎn)，閉合便蓋，系統(tǒng)進(jìn)入待機狀態(tài)。

　　程序設(shè)計流程圖如圖7所示。