一种智能马桶便盖自动开闭控制系统
作者 严刚(四川长虹电器股份有限公司，四川 绵阳 621000)
本文引用地址：http://www.amcfsurvey.com/article/201901/397271.htm摘要：本文介绍了一种基于R5F1006A单片机的智能马桶便盖自动开闭控制系统。本系统主要由微波感应模块、电动开闭组件、单片机控制系统组成。由微波感应模块检测到有人靠近或离开，发送信息给单片机控制系统;电动开闭组件反馈便盖的位置信息给的单片机控制系统;然后单片机控制系统收到的信息，通过精确的算法处理，对便盖的打开或关闭以及转动速度进行精准控制。
0 引言
科技在不断的进步和完善，在物质文化生活和精神文化生活不断提高的同时，为了满足人们的视觉和舒适度，智能马桶得到迅速的发展。截至目前，智能马桶在日本、韩国从家庭到宾馆市场使用普及率已达到90%以上，在欧美已普及达到35%以上，而中国市场只不到百分之二。由此可见，智能马桶在中国具有非常大的市场潜力。而人们处于方便、卫生的考虑，特别是公共场合，马桶的便盖自动开闭功能将得到大量的应用。本文将针对这一功能，介绍一种智能马桶便盖自动开闭控制系统。
1 系统组成及工作原理
本系统主要由微波感应模块、电动开闭组件、单片机控制系统组成。如图1所示。
工作原理：首先由微波感应模块检测到有人靠近或离开，发送信息给单片机控制系统;电动开闭组件反馈便盖的位置信息给的单片机控制系统;然后单片机控制系统根据这两条信息，通过精确的算法处理，对便盖的打开或关闭以及转动速度进行精准控制。
2 微波感应模块
相比于红外感应模块，微波感应模块不像用红外感应模块那样需要开一个红外线感应窗口，从而使整机保持了完整的外观。
微波感应模块采用LSB102。LSB102是一款多普勒微波感应器。其拥有适用性极强的平面微带天线及微小的功耗，在近距离探测目标的移动及智能控制方面一直保持着独特的优势。当微波感应器在范围内检测到有物体有大动作产生后，立即判定有人，并且输出有人信号(高电平)约1秒。每检测到大动作信号之后的约1秒内为激活状态，激活状态中，检测到小动作信号也判定为有人。若在激活状态的约5秒内一直没有检测到大信号，则恢复初始状态，Output输出低电平。
3 电动开闭组件
电动开闭组件采用TSL300。电动开闭组件包括直流电机、位置反馈传感器和相关结构件，如图2。
直流电机是12 V直流电源驱动的直流电机，可实现正转或反转，同时转动角度不同输出不同的电压信号，对应关系如图3所示。控制方式采用PWM控制。
4 单片机控制系统
本系统单片机选用R5F1006A，R5F1006A是一种可编程可擦除，自带PWM输出功能的16位微处理控制器。将R5F1006A的管脚P0.0设置为输入口，连接微波感应模块的信号输出口，接收微波感应模块的信息。将R5F1006A的管脚P3.0设置为输入口，连接电机位置反馈传感器，接收便盖的位置信息。用R5F1006A的PWM输出管脚TO00和管脚TO01分别控制电机正转和反转，正转对应开盖，反转对应关盖。
当人体靠近时，微波感应模块检测到有人，给单片机发送高电平信号。单片机控制电机正转打开便盖，并根据电机位置传感器反馈角度，单片机经过内部算法处理，在管脚TO00输出相匹配占空比的PWM波驱动电机转动。具体电机位置角度、反馈电压信号、电机控制占空比对应关系如表1。
如图4所示，便盖在角度0°到60°时，单片机管脚TO00输出占空比为100%的PWM波驱动电机转动，即输出高电平;便盖在角度60°到90°时，单片机根据图中角度和占空比关系，计算出占空比X，管脚TO00输出占空比为X的PWM波驱动电机转动;当便盖角度大于90°，单片机管脚TO00输出占空比为0%的PWM波驱动电机转动，即输出低电平，便盖依靠转动惯性到达120°位置，从而完成整个便盖打开过程。整个过程，单片机管脚TO01输出低电平。
当人体离开时，微波感应模块检测到无人，给单片机发送低电平信号。单片机控制电机反转闭合便盖，并根据电机位置传感器反馈角度，单片机经过内部算法处理，在管脚TO00输出相匹配占空比的PWM波驱动电机转动。具体电机位置角度、反馈电压信号、电机控制占空比对应关系如表2。
如图5所示，便盖在角度120°到90°时，单片机根据图中角度和占空比关系，计算出占空比X，管脚TO01输出占空比为X的PWM波驱动电机转动，当占空比为负数时，管脚TO01输出低电平，管脚TO00输出相应占空比的PWM波驱动电机转动;当便盖角度小于90°，单片机管脚TO01输出低电平，管脚TO00输出占空比为50%的PWM波驱动电机转动，直到便盖达0°位置，管脚TO00和管脚TO01都输出低电平，从而完成整个便盖闭合过程。
5 系统电路设计
整个电路包括微波信号检测模块电路，便盖角度检测电路，电机驱动电路。电路原理图如图6所示。
采用集成电路RZ7899，对直流电机进行正反转驱动控制。RZ7899可通过PWM调速，但频率不能太高，否则RZ7899发热厉害。
6 系统软件设计
本程序设计主要包括有无人检测，便盖角度检测，以及电机正转、反转控制。
6.1 PWM功能配置
本系统单片机选用日本瑞萨公司的R5F1006A，使用PWM功能时，需将2 个定时器通道成对使用，能生成任意周期和占空比的脉冲。
输出脉冲的周期和占空比能用以下计算式进行计算：
脉冲周期= {TDRmn(主控)的设定值+ 1} × 计数时钟周期。
占空比[%] = {TDRmp(从属)的设定值} / {TDRmn(主控)的设定值+ 1} × 100。
0% 输出：TDRmp(从属)的设定值= 0000H。
100% 输出：TDRmp(从属)的设定值≥ {TDRmn(主控)的设定值+ 1}。
m：单元号(m=0、1)。
n：主控通道号(n=0、2、4、6)。
p：从属通道号(n<p≤7)。
当用作PWM 功能时，主控通道进行递减计数，在计数到“0000H” 为止的期间为PWM 输出(TOmp)周期。
从属通道用作单次计数模式。以主控通道的INTTMmn 中断为开始触发，将TDRmp 寄存器的值装入TCRmp寄存器，并且进行递减计数，计数到“0000H” 为止。当计数到“0000H” 时，输出INTTMmp 中断，并且等待下一个开始触发(主控通道的INTTMmn)。
当用作PWM 功能时，从属通道进行递减计数，在计数到“0000H” 为止的期间为PWM 输出(TOmp)的占空比。
在从主控通道产生INTTMmn 中断并且经过1 个时钟后，PWM 输出(TOmp)变为有效电平，并且在从属通道的TCRmp 寄存器的值变为“0000H” 时变为无效电平。
6.2 程序设计思想
程序设计思想：首先上电后让便盖关闭，让系统进入待机状态。当检测到人体靠近时，控制电机以合适的速度正转，打开便盖，以便用户使用;当检测人体离开时，控制电机以合适的速度反转，闭合便盖，系统进入待机状态。
程序设计流程图如图7所示。
7 结论
随着马桶智能化程度的提高，便盖自动开闭是马桶智能化必不可少的功能。马桶便盖自动开闭控制技术，将得到广泛的应用，给人们带去更加方便、时尚的使用体验。
参考文献
[1]刘嘉祺.基于多普勒原理的微波测距系统的研究与设计.吉林大学, 2017.
[2]瑞萨R5F系列芯片参考手册.
[3]杨景芝,付丽娟.全自动坐便器电器控制系统设计.现代电子技术,2008(16).
作者简介：
严刚(1984-)，男，嵌入式研发工程师，主要研究方向：智能家用电器基础技术研究及产品应用。
本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第2期第48页，欢迎您写论文时引用，并注明出处
评论