低功耗公厕智能节水装置设置.docx

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低功耗公厕智能节水装置设置

本科毕业设计（论文）

低功耗公厕智能节水装置设置

学院电子信息工程学院

专业电气工程及其自动

年级班别09级（3）班

学号24

学生姓名胡文渊

指导教师袁氢

2013年5月8日

摘要

随着社会的发展，水资源紧缺的问题日益凸显。

保护水资源成为可持续发展战略的一部分，因此在生产生活中节约水资源是尤为重要的。

本文采用红外光电传感器、555定时器组成的延时电路、继电器以及电磁阀构成了一个公厕自动冲水控制装置。

当有人遮挡红外光电传感器时，系统将产生一个高电平并保持；当人离开时，系统将由高电平变为低电平，此时系统通过对此下降沿进行判断，并发出打开电磁阀指令，开始冲水4秒钟。

冲水时以及冲水过后，控制信号始终维持低电平状态，等待下一次的遮挡到来。

通过固态继电器构成控制电磁阀的开关，能够以弱控强，不需要驱动电路就可以驱动电磁阀的开启与关闭。

关键词：

红外光电传感器；555定时器；自动冲水系统；节水

1绪论

1.1课题研究的背景、目的及意义

1.1.1中国水资源现状

水是生态环境系统中最活跃、影响最广泛的要素。

它既是生命的源泉，也是工农业生产中不可替代的重要资源。

然而中国是个缺水大国，水资源并不丰富，但用水浪费惊人。

我国水资源总参为2.81亿立方米，在世界上仅次于巴西、前苏联、加拿大、美国和印尼而居第6位。

绝对量虽算丰富，但由于人口多，人均水资源占有量却大大低于世界平均水平，仅列世界第88位。

而且随着人口的迅速增长，人均水资源每年在递减。

从淡水资源看，世界人均占有量为12900立方米，我国仅2695立方米，还不到世界人均占有量的四分之一。

中国已被列入全世界人均水资源13个贫水国家之一。

而且分布不均，大量淡水资源集中在南方，北方淡水资源只有南方水资源的1／4。

据统计，全国600多个城市中有一半以上城市不同程度缺水，沿海城市也不例外，甚至更为严重。

目前我国城市供水以地表水或地下水为主，或者两种水源混合使用，有些城市因地下水过度开采，造成地下水位下降，有的城市形成了几百平方公里的大漏斗，使海水倒灌数十公里。

由于工业废水的肆意排放，导致80％以上的地表水、地下水被污染。

我国水资源还有几个特点：

一是全国降水在空间和时间的分布上极不平衡，南方水多，北方水少，差别悬殊，历史上水旱灾害极为频繁；二是北方有的地区人均占有水资源相当于世界上最干旱的国家，水丰富的南方却常常发生季节性干旱，使依赖水灌溉的主要农作物水稻及一些经济作物用水困难；三是污水排放量大处理率低，全国年排污水363亿吨，其中80％未经处理，使江河湖海和地下水严重污染，水质性缺水现象越来越严重；四是缺乏科学的用水定额和管理，生产耗水量大，水的浪费相当普遍，全国工业用水重复利用率仅有45%，万元工业产值耗水量远远高于工业友达国家，农业灌溉有效利用率一般只有25％至40%。

所以，水的问题在我国是很严峻的。

城市生活用水和工农业生活用水都要求有稳定、可靠的供水。

只有合理开发利用和保护水资源，防治水害，充分发挥水资源的综合效益，才能适应国民经济发展和人民生活的需要。

一项调查预测表明，我国用水总量将逼近水资源总量，水资源“危机”为期不远。

严峻的水环境形势要求进一步重视水的开发、利用。

保护和水害防治等方面的立法工作，提高人们的节水、护水意识和“水患意识”，确保更有效地利用水资源，实现可持续发展战略。

联合国第二次人类住区大会秘书长曾说：

“水将是2l世纪国际社会争论最激烈的城市问题。

”水资源对我国来说是宝贵资源，随着城市化，现代化的建设发展，水资源越来越匮乏，节约用水已经成为我国的基本国策。

公共厕所因为数量多，所以也是用水大户，由过去的旱厕改为冲水式，就是出于卫生文明的需要。

单坑水箱式改为按纽式也是为了节水但不卫生，公厕的感应式洗手龙头是为了卫生，互不感染细菌，条沟多位式改为单坑也是为了节水，但条沟多位式也有其优势，即一箱水可冲多个蹲位，并且建设成本也低，因此学校、公共场所等的公厕仍采用条沟式，条沟式公厕由水箱定时冲水，定时长短由放水龙头的流量大小决定冲水时间的长短。

现以我校某教学楼一公厕为例，水箱的长，宽，（水）深各为56厘米，38厘米，20厘米，容量为0.0426立方米，放满水需8分钟，即8分钟冲一次水，一天（24小时）需冲掉7.67吨水，夜间无人用厕也定时冲水，因此浪费了不少水资源（这也是条沟式改单坑式的原因，但单坑式造价比条沟式高，一箱水冲多个蹲位的优势也取消了），再加上小便也冲水，大约一天（24小时）需冲掉15吨水左右，那么整座教学楼上的所有厕所一天（24小时）共需75吨水左右。

由此可得出结论，现有的公厕冲水系统说引起的水资源浪费情况是不容忽视的。

在水资源如此紧张的今天，致力于公厕冲水系统节水的研究将是一件非常有意义的事情。

1.1.2智能冲厕电路研究的目的及意义

用厕是人类最基本的活动之一，因此公厕的产生和发展也是人类位文明进步的一部记录史。

随着现代社会的不断进步和发展，人们也赋予它更进步的意义和更新颖的内容，特别是更加符合环境保护的要求。

例如日本发明的自动入厕器以及“方便”后可自动喷出暖水清洗、烘干或将人体排泄物在24小时内稀释成高级复合肥料的公厕，令世人惊叹不已。

法国杜克思公司推出一种流动式街头公厕，“方便”后的人们无不为它那内部清新无异味以及提供多种服务所吸引。

目前美国的一些公厕向向艺术化和保健化方向发展，厕所内挂壁画，放音乐，又将电子技术引入公厕，使公厕向自动化、智能化发展。

在了解了国外发达国家的厕所革命现状及趋势之后，我国的发明革新者也做出了巨大的努力并取得了显著成果。

他们致力于“公厕革命”，从不同的学科领域出发改进公厕设计观念，提出现代公厕设计理念不仅要考虑将公厕做成可供旅游欣赏的“景观小品”，还要考虑环保、城市的品位和人文关怀，更为突出的是提出了节水、环保的指导思想。

从而出现了新一代含有较高科技的公厕，如随着我国城市地下空间开发日益受到重视，出现了地下公厕；针对缺水困境和粪便处理难题，出现中水回用公厕，灭菌烘干公厕、太阳能公厕、免冲洗生态公厕等等。

随着人们的生活越来越多地融入智能化、自动化,环保与能源短缺等问题也更多地被关注。

尤其是诸如公厕等公共场所实施自动、节能、环保的设备改造也就显得更加重要。

目前我国大部分地区普遍使用的都是传统的手按式厕所冲水器，手按式厕所冲水器冲水系统采用的是全机械构造,冲水时需要人工手按,既浪费了时间和水资源,又因手的接触而造成不卫生,还会因忘记冲水而造成环境污染,为适应日益加快的现代生活的节奏,节约水资源,创造一个干净、舒适、卫生的环境,稳定、可靠、方便的感应式自动冲水系统亟待出现。

然而,一般的感应式冲水系统因其硬件电路的设计、单片机的选择及冲水阀门的选择不是非常恰当,会造成制造成本高,电量消耗大,易出现误感应、不冲水等不稳定因素,不仅浪费了能源还给使用者造成一些不必要的麻烦。

基于此，我们初步设想设计一种基于人体红外线探测的自动冲厕系统，以更好地促进“公厕革命”的发展。

本文介绍的是一种利用光电传感器以及一些外围控制电路设计而成的自动冲水装置，此方案采用红外传感器，成本较低、可靠性好，结构简洁，能有效达到节水的目的，可以广泛应用于火车站、飞机场、工厂、公司、学校、旅游景点等公共场所。

此种设计方案可以达到环保、节能、优化控制的目的，同时还可使其适宜实际使用与广泛推广。

2总体方案设计

2.1总体设计框架

该公厕自动冲水控制装置有五个模块组成：

红外检测模块、延时电路模块、开关电路模块、电磁阀及电源电路模块。

如图1.1

图2.1系统总框图

2.2总体设计思路

本设计的体统框图如图2.1所示。

电源电路为电路中所有器件提供电能。

红外传感器模块通过一个红外线发射管以及一个红外线接收装置构成。

一旦红外传感器产生高低电平变化（有下降沿到来时），向555定时器发出指令后，系统向开关电路发出指令打开电磁阀，打开时间由555定时器的延时时间决定，本设计延时时间确定为4秒左右，达到延时时间以后，关闭电磁阀，停止冲水，等待下一时刻冲水信号的到来。

该自动冲水系统，在-30℃~40℃的环境温度下可以正常工作，而且为了节约电能，采用较小的电流进行控制各个模块，因此低功耗也成为设计也得到体现。

。

3光电传感器检测电路设计

3.1红外技术的介绍

红外技术的内容包含四个主要部分：

红外辐射的性质，其中有受热物体所发射的辐射在光谱、强度和方向的分布；辐射在媒质中的传播特性：

反射、折射、衍射和散射；热电效应和光电效应等。

红外元件、部件的研制，包括辐射源、微型制冷器、红外窗口材料和滤光电等。

把各种红外元件、部件构成系统的光学、电子学和精密机械的组成部分。

红外技术在军事上和国民经济中有着广泛的应用。

红外技术有很多应用，例如在夜晚可以用看见物体的红外线来确定物体的位置;用一个红外线发射器和一个红外线接收器在生产上可以计算商品的数量；军事上可以用来防止敌人侵入,当红外线发射器和接收器被挡住,警报就会响;在医学上还可以查看人的病情等等。

红外线计数器分为对射式和反射式两种电路。

对射式红外线是一个发射头和一个接收头在中间如有物件通过就遮挡一下光线，输出脉冲信号触发计数电路；反射式红外线是把发射头和接收头做在一块成为一个红外探头，当探头前有一个物件出现就把发射头的红外线反射给接收头，探头输出一个脉冲给计数器计数。

本设计采用一个红外发射管以及一个接收管作为光电传感器，在无遮挡的情况下，接收管能够接收到来自发射管发射出的红外信息。

一旦发射管被遮挡，接收管就接收不到信号，当遮挡结束后，电路会产生一个正脉冲。

3.2红外传感器工作原理

如图3.2所示为红外检测电路图，该电路通过一个发射管红外二极管D2发射红外信息，接收管Q1接受发射信息。

当无人站立时，Q1能接到红外信息，Q1导通，CP输出为0；当有人时红外线被遮挡，Q1接收不到红外线，导致Q1截止，经逻辑电路后CP输出为1，此时系统由低电平变为高电平；当人离开后，Q1再次接收到红外信息，Q1导通，CP输出为0，此时即产生了一个下降沿，发出了一个脉冲控制信号，该信号可以作为555定时器的输入信号。

图3.2红外检测电路图

如图3.3是光电传感器工作时的电平变化。

在t=0时刻，表示没有人时红外线没有被遮挡，此时输出信号保持低电平状态。

在T1时刻，表示有人时红外线被遮挡，此时根据遮挡时间不同，会产生一个持续的高电平，直到T2时刻人离开，接收管又能够接收到红外线，此时产生了一个下降沿，控制信号由高电平转成低电平。

T2时刻产生的下降沿即可以作为控制信号的发出，555定时器接收到此信号后延时一段时间，水阀开始放水。

冲水结束后控制信号保持低电平，并等待下一次的下降沿到来。

图3.3光电传感器工作时的电平变化

3.3红外传感器的选型

红外传感器在实际中分为三类：

漫反射型（检测距离70米）、反馈反射型（检测距离5米）、对射型（检测距离10米）。

由于本设计针对于厕所，因此选择对射型最为恰当，并且检测距离10米符合设计要求。

具体选择的型号为对射型NPN，ZYE30-D102NA/D3，直流5-30V供电，响应时间小于2ms，指向角3°-10°，可以检测透明与不透明的物体，工作环境温度-25℃-+55℃，外壳材料为塑料、金属。

以上参数完全符合设计需求。

4延时电路模块

4.1555定时器芯片介绍

555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。

一般用双极性工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。

555定时器的电源电压范围宽，可在4.5V~16V工作，7555可在3~18V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。

其内部构造如下图

555定时器的功能主要由两个比较器决定。

两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。

在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器C1的同相输入端的电压为2VCC/3，C2的反相

输入端的电压为VCC/3。

若触发输入端TR的电压小于VCC/3，则比较器C2的输出为0，可使RS触发器置1，使输出端OUT=1。

如果阈值输入端TH的电压大于2VCC/3，同时TR端的电压大于VCC/3，则C1的

输出为0，C2的输出为1，可将RS触发器置0，使输出为0电平。

4.2延时电路分析

延时电路模块

图示为由555定时器组成的单稳态触发器，延时时间计算如上式所示

经实验得tw约为4s

图波形

（1）为555定时器组成的单稳态触发器的工作波形，当输出端产生一个低电平时电路开始工作，输出端产生脉冲信号，电磁阀得到信号后开始冲水，经过tw时间后结束，并返回原状态，一次冲水完成。

波形

（1）

波形

（2）

5开关电路设计

5.1开关电路的选择

开关电路有两种方案。

第一种方案是采用三极管。

但是模拟电路的搭建比较复杂，而且当信号通过后，输出信号作为电磁阀的输入信号，不能直接驱动功率比较大的电磁阀，因此还需要在开关电路后设计电磁阀的驱动电路（采用斯密特触发器以及运算放大器、三极管、电阻、电容搭建而成），导致后续电路十分复杂，而且随着硬件数量的增加，会导致成本以及故障点的数量增加。

方案二是采用继电器作为本系统的开关。

使用继电器的好处之一是器件可以直接使用，不需要搭建过多的外围电路。

而且最值得关注的是由于继电器本身具有大功率三极管、功率场效应，可以完成以弱控强的功能，因此电磁阀就可以不用加复杂的驱动电路了。

这样大大减少了成本以及工作量。

本设计采用方案二，即用继电器作为系统的开关。

继电器是根据某种输入信号来接通或断开小电流控制电路，以实现远距离控制和保护的自动控制电气。

其输入量可以是电流、电压等电量，也可以是温度、时间、速度、压力等非电量；而输出量则是出头的动作或者电路参数的变化。

继电器一般由输入感测机构和输出执行机构两部分组成。

前者用于反映输入量的变化，后者完成触点动作（对有触点继电器）或半导体元件的通断（对无触点继电器）。

继电器的种类很多，按输入信号的性质分为：

电压继电器、电流继电器、时间继电器、温度继电器、速度继电器等。

按工作原理分为：

电磁式继电器、感应式继电器、电动式继电器、热继电器和电子式继电器等。

按输出形式分为：

有触点和无触点两类。

按用途分为：

控制用和保护用继电器等。

本设计采用控制用无触点的固态继电器。

所谓固态继电器（SSR）是采用固态半导体元件组装而成的一纵无触点开关。

它利用电子元件的电、磁和光特性来完成输入与输出的可靠隔离，利用大功率三极管、功率场效应管、单向可控硅和双向可控硅等器件的开关特性，来达到无触

点、无火花地接通和断开被控电路。

而且固态继电器的主要优点是使用寿命高、可靠性好、灵敏度高、控制功率小、电磁干扰小。

图5.1SSR-40DD固态继电器实物图

本设计固态继电器选择SSR-40DD（如图5.1所示），控制方式为直流，负载电流可以为10A、25A、40A、50A，复杂电压为5-60V直流电压，控制电压3—32V，通态降压小于2.3V，控制电流1mA，断态时间小于10ms，环境温度-30℃—+75℃，安装方式为螺栓固定。

6电磁阀外围电路的设计

由于电磁阀没有驱动电路，直接可以使用继电器开关进行功率驱动，因此没有驱动电路的设计。

电磁阀通过继电器开关直接控制，当光电传感器未发出指令时，继电器打开，电磁阀未导通；当光电传感器发出冲水指令时，555定时器持续导通10秒左右，此时继电器收到信号并且吸合，电磁阀获得开启电压，阀门开启开始冲水。

当延时时间过后，555定时器不再发出信号，继电器随即关闭，导致放水阀关闭。

如图6.1为继电器与电磁阀的电路连接图。

继电器为5V供电。

图6.1继电器与电磁阀连接电路图

在实际中电磁阀选择功率为2W的铜合金水用电磁阀（如图6.2所示），型号2W-08-05，连接方式为螺纹，公称通经为2分-2寸，流动方向为单向，压力环境为常压，工作温度在-15℃—55℃。

图6.22W-08-05电磁阀实物图

7电源电路模块

7.17805芯片的介绍

7.1.1芯片概述

电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的78××系列和负电压输出的79××系列。

顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，别是输入端、接地端和输出端。

图7.1.1为7800系列相关参数。

图7.1.1

用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。

该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7805表示输出电压为正5V。

图7.1.2为7805引脚图

图7.1.2

7.1.2工作原理及注意事项

7805输出电压为正5V具有，稳压IC型号中的78系列，过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜，可以用来做电路的稳压电源。

焊接时要注意三端集成稳输出和接地端绝不能接错，否则容易烧坏。

电路的输入，一般三端集成稳压电路的最小输入、输出电压差约为3V否则，不能输出稳定的电压，7805输入端和输出端之间的电压差允许在3-13V即经变压器变压、，二极管整流、电容器滤波后的电压应比稳压值要高。

当制作中需要一个能输出1.5A以上电流的稳压电源，通常采用几块三端稳压电路并联起来，使其最大输出电流为N个1.5A，但应用时需注意：

并联使用的集成稳压电路应采用同一厂家、同一批号的产品，以保证参数的一致。

另外在输出电流上留有一定的余量，以避免个别集成稳压电路失效时导致其他电路的连锁烧毁。

7.2直流稳压电源设计介绍

直流电源是本装置的能量源，为装置的芯片和电路提供电能。

作为常用的器件我们要利用220V50Hz交流电，将它转化为我们所需的+5V的直流电。

220V交流电经过变压器降压成12V经过桥式整流器整，C1流、滤波，成为约14V直流电，再经三端稳压集成电路7805稳压，形成5V稳定直流电源。

电源变压器：

将交流电网电压U1变为合适的交流电压U2。

整流电路：

将交流电路U2变为脉动的直流电压U3。

滤波电路：

将脉动的直流电压U3转变为平滑的直流电压U4。

稳压电路：

清除电网波动及负载变化的影响，保持输出电压Uo的稳定

电路如图7.2

图7.2

本例中的整流电路为桥式整流电路（BRIDGERECTIFIERS）桥式整流电路利用四

个二极管，两两对接。

输入正弦波的正半部分是两只管导通，得到正的输出；输入正弦波的负半部分时，另两只管导通，由于这两只管是反接的，所以输出还是得到正弦波的正半部分。

桥式整流器对输入正弦波的利用效率比半波整流高一倍。

桥式整流是交流电转换成直流电的第一个步骤。

滤波电路中当U2为正半周并且数值大于电容两端电压Uc时，二极管D1和D3管

导通，D2和D4管截止，电流一路流经负载电阻RL，另一路对电容C充电。

当Uc>U2，导致D1和D3管反向偏置而截止，电容通过负载电阻RL放电，Uc按指数规律缓慢下降。

当U2为负半周幅值变化到恰好大于Uc时，D2和D4因加正向电压变为导通状态，u2再次对C充电，Uc上升到U2的峰值后又开始下降；下降到一定数值时D2和D4变为截止，C对RL放电，Uc按指数规律下降；放电到一定数值时D1和D3变为导通，重复上述过程。

得到的如图7.3的波形再通过由稳压管组成的稳压电路进行稳压控制形成比较稳定的电压。

图7.3

毕业设计总结

本设计采用直流稳压电源、555定时器构成的单稳态触发器延时电路、固态继电器以及电磁阀构成以一个公厕自动冲水系统。

该系统的工作方式为：

当有人上厕所时，水箱可以自动冲水，这样可以为保洁人员节省精力，并且有效节约了水资源。

本设计理论上实现了当人进入时水箱开始自动冲水，人走后再次冲水，保证了卫生。

但是本系统的还有一些细节需要优化。

比如可以在人进来时并不冲水，而是等人出去后再冲水，这样更加节省了水资源。

这时需要一些外部电路或者逻辑器件进行修正和优化。

也可以用单片机实现该功能。

本系统还有一个缺陷就是在一些人流量比较大的公共厕所，只要有一个人进来就冲一次水，这样会浪费水资源，与当初的设计理念有些相悖。

此时可以通过计数模块的电路设计实现（例如采用74LS160四位二进制计数器）。

通过记录一定人数间隔后进行冲水。

但是这种设计方案仅用于人员出入比较频繁的场合，并不适用于人比较少的公厕，否则长时间未达到计数值则不会冲水，这样环境卫生就遭到了破坏。

因此在不同的场合可以设计不同的方案，而不是像本设计单一的自动冲水方案。

在实物的设计过程中，应用了简化问题的方法，大大节省了时间以及成本，并且达到了实验目的。

但是也存在一些不足，比如一些器件的选择和调整可能比较笼统，没有完美地体现出设计思想。

并且系统存在一些误差，主要来自于器件。

为了更好地解决此类误差，可以通过硬件补偿的方法。

通过本设计，证明了此系统可以应用于实际，可以广泛应用于火车站、旅游景点、学校甚至家庭，因此该设计具有良好的发展空间和发展未来，会为当今社会的节能减排做出一部分贡献，也会适当缓解水资源缺乏的问题。

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附录总体电路图