感应水龙头设计思路研究

密金荣

摘 要：随着社会经济与科学技术的不断发展，人们生活水平不断提高，在建筑节能领域中，对感应水龙头的研究与应用越来越广泛。通过对感应水龙头的应用，能够有效解决水资源，实现节能环保的目标。基于此，文章针对一种红外线流量可控式水龙头的设计展开研究与探讨，简单介绍了其工作原理，对系统硬件设计加以描述与分析，阐述了系统应用到的模糊PID控制算法理论，并结合公式与图形对该感应水龙头设计进行详细的分析。

关键词：感应水龙头；节能；设计

中图分类号：TV213.4 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）05-0013-02

随着人们生活水平不断提高，节能环保意识也在不断提升。目前，很多人在日常生活中会存在忘记关水龙头的情况，进而导致水资源的浪费。针对这一情况，研究人员设计出一种红外感应自动水龙头，这种科技产品在节能建筑中有着巨大的应用价值，能够有效减少能耗，节约水资源。当然，这种水龙头也存在一定的缺陷与不足，需要针对这些不足与缺陷展开深入的研究，并提出有效的改进措施，使问题得到解决，并在建筑节能领域中得到更加充分的应用与发挥。

1 系统工作原理

本文介绍的感应水龙头采用的是SHARP红外线传感器，根据人手与水龙头之间的距离进行检测。该检测元件的工作原理对红外线加以利用，一旦在一定距离内遇到障碍物，就会反射不同强度的红外线，并检测障碍物距离，以此实现控制的目的。红外线测距传感器主要由一对红外信号发射与接收二极管构成，在工作中发射管会针对一定频率的红外信号进行发射，而接收管则对这一频率的信号进行接收，一旦障碍物出现在检测方向，那么红外信号将会进行发射，并通过接收管接收并处理，最后利用数字传感器接口向单片机发送，最终进行一系列控制处理。这种红外线传感器对硬件设计进行了简化，使开发与生产成本得到了有效控制，并且其具有简单的编程，修改的工作量也相对较小[1]。

在检测距离的过程中，人伸手的距离会通过红外线测距传感器进行检测，并将相应的电压信号通过输出端输出，因为STC系列的单片机内部自带A/D转换，因此，可以直接分析传感器的电压信号，然后根据分析结果采取一定的处理措施。红外线测距传感器输出曲线图，如图1所示。

根据图1可以看出，在一定区间内距离与输出电压呈一定的线性关系，因此在程序中，可以对工作范围设定在一定的范围内，以此实现对检测误差的有效控制，并使水龙头的工作精确度得以有效提高。

将HD-1501MG系列的舵机作为输出装置，其具有较小的体型，工作原理为通过接收机通道将控制信号引入信号调制芯片，实现直流偏置电压的获取。其内部有一个基准电路，产生周期为20 ms，宽度为1.5 ms的基准信号，通过直流偏置电压与电位器电压的对比，实现电压差输出的获取。

最后，根据电压差，实现芯片受电机的驱动，并对电机的转动方向进行确定。当达到一定转速后，利用级联减速齿轮，使电位器旋转得以带动，使电压差保持为0，并使电机转动停止。舵机控制信号其实就是PWM信号，通过对占空比，实现舵机位置的改变[2]。

2 系统设计原则

2.1 低负荷使用原则

在设计过程中，尽量减少水龙头使用者无谓的动作，是设计者应当考虑的重要原则。

任何产品的设计都要站在使用者的生理和心理角度去考虑，让使用者感到高效、舒适，能以一种自然的状态使用产品，充分体现设计的人性化。

具体包括：减少使用者的重复动作次数；减少使用者持续性体力负荷；根据使用者条件的不同确保使用者处于自然装填。这样的设计对所有人来说都是有益的。因此设计师应秉承这种设计理念，认真思考设计问题。如：掀压式的龙头比螺旋式的更加省力，更有利于弱势群体和大众的使用等。

2.2 经济耐用原则

首先是使用的耐久性设计，良好的产品性能是购买者安心、贴心使用的保障，水龙头作为人们日常所需的用品，应尽量避免由于零件引起的故障的可能性，确保产品经久耐用，设计时力求简约化，并满足人们长时间使用的需求。

其次是低成本设计。水龙头产品设计应符合通用设计理念，主要体现在产品的使用公平性和价格公平性。如果设计成本较高，就会造成产品的市场面较窄，甚至成为富人的专属，难以实现水龙头产品大规模生产的经济效益。尤其是在人们日益追求生活品质的年代，水龙头产品也趋向于智能化，这就能要求设计师要注重简单质朴的设计，华而不实的产品最终会被淘汰，而且也不利于资源节约型、环境友好型社会的建设。

2.3 增进节水意识

水资源的日益匮乏是我国面临的长期困境，由此节约用水成为了当前刻不容缓的措施。水龙头产品的设计如果忽略了这一问题，不遵循这一标准，就不会被人们所接受。并且水龙头作为重要的节水器具，启发大众的节水意识，让使用者在使用过程中无意识的培养节水习惯，是设计师义不容辞的责任。如某感应水龙头一次性只出一公升的水，足够一个人快速洗一次手，相比较普通水龙头每次可节约将近六公升的水，极大的提高了人们节水意识。

3 系统硬件设计

红外线感应自动水龙头系统的硬件设计涉及到的模块比较多，主要有单片机主控、路径信息采集模块、电源模块、接口扩展模块以及舵机等等。具体硬件设计图，如图2所示。

单片机型号采用STC12C5608AD系列，这类芯片的应用较为广泛，并且具有相对简单的编程，成本相对低廉，具有较好的经济性。

4 模糊PID控制算法理论

PID指的是积分-微分控制，这种算法具有较高的准确性与稳定性。闭环控制系统主要为了实现对命令的快速响应，并且尽量控制误差。在实验中，为了确保舵机旋转位置的准确性与快速性，由于PID控制的成熟度较高，实现难度相对较低，同时能够使稳态误差得到有效控制，因此能够基本满足系统性能需求。然而其稳定性也存在一定的影响因素，需要根据参数进行细致分析。相比于PID控制，模糊控制的优势十分突出，在超调量方面能够保持较小的值，并且具有较大的快速性。然而就理论而言，模糊控制在很多方面仍有待完善，并且其具有相对复杂的算法，在控制过程中稳态误差出现的可能性较大。

因此，在舵机的控制系统中引入模糊控制算法，实现智能模糊PID控制系统的构建是具有一定可行性的，通过模糊控制自适应，实现PID参数的在线修改，并完成模糊自整定的构成，为了实现快速的角度调节，可以对舵机的旋转角度进行控制，使控制效率得以有效提高[3]。

建立在应用模糊PID控制算法的基础之上，采用单片机的主体，实现智能控制器的构建，通过其完成复杂数据的处理与控制。这一控制器在精确度、可靠性以及灵活性方面都具有一定的优势。关于模糊自整定PID算法程序的总流程，如图3所示。

在离散性控制系统中，采用计算机的核心设备，并通过差分方程式表示PID控制，如下：

u（k）=Kpe（k）+■■e（j）T+T■■

其中，u（k）代表第k次采样时的输出，e（k）代表第k次采样时的偏差，并由T代表采样间隔。根据上式可以得出数字PID控制器的位置式算法：

u（k）=Kpe（k）+KiT■e（j）+■？驻e（k）

式中，输出的控制量u（k）与系统输出Y（位置）相对应，代表全量输出。系统框图，如图4所示。

第二个公式的计算的复杂程度较高，通常情况下会由增量式的PID算式代替计算，即：

u（k）=Kp？驻e（k）+KiTe（k）+Kd■

该式的算法只对控制量的增量进行输出。在实际控制算法中，为了实现对PID的调节，同城采用上式。在红外线自动水龙头系统中，仿真采用Matlab中的simulink模块，系统具有随动性，输入信号为人手与水龙头的距离，阀门开启的大小代表舵机转动角度，并作为输出信号。通过模糊PID理论可知，可以调整所用参数，并绘制出人手与水龙头距离曲线图，如图5所示。

根据上图可以得知，在一定距离内，舵机调度与距离呈正比例关系，因此在进行水龙头系统设计中，只对特定范围进行考虑，一旦手超出一定距离，水龙头将会关闭。根据仿真，可以实现对水龙头转动特性的清晰、直观的观察[4]。

由此可见，通过分析单片机检测到的红外线测距传感器信号，利用PID对角度进行控制，能够使舵机转动时具有快速性、准确性以及稳定性。据此，需要根据实际进行一定的水龙头试验是非常必要的。在试验中，根据自动水龙头控制的实际效果，可以得出其在动态特性、稳定性以及抗干扰能力都具有一定的优势。当然，在市场中不可避免会出现一系列问题，需要我们针对这些问题提出有效措施予以改进，使红外线感应水龙头系统得到优化，发挥出更大的作用，实现对水资源的有效控制与节约。

5 结 语

综上所述，红外线流量可控式感应水龙头在建筑节能领域中的应用是具有一定的可靠性的。通过对其设计的分析与探讨，可以得知这种感应水龙头采用模糊PID算法，系统整体的灵活性与适应性都具有一定的优势，并且控制精度高，能够有效实现节能环保的目的。

随着科学技术的不断进步，相信对感应水龙头的研究将会越来越深入，并且对于这种红外线流量可控式感应水龙头而言，其中存在的缺陷与不足将会得到改进与弥补，在未来建筑节能领域中，将会具有巨大的应用前景与发展控制。

参考文献：

[1] 宁礼佳，郭婷婷，武志明，等.流量可控式红外线感应水龙头控制模块 设计[J].节能技术，2013，（3）.

[2] 吴敏.感应式自动水龙头的自制与应用[J].科学与财富，2010，（8）.

[3] 司玉娜，鲁建亚，慕红峰，等.对自动感应水龙头的节水模型和控制的研 究[J].才智，2014，（16）.

[4] 王国栋，孙志平，刘志勇，家用智能水龙头专利项目产品简介与市场前 景分析[J].中国科技纵横，2013，（24）.