老人用助力起身马桶的改进设计＊

刘明德，熊文凯，王 江

（江西机电职业技术学院，江西 南昌 330013）

随着中国老龄化进程的加快，针对老人的用品也越来越受到各方面的重视。市面上如厕装置绝大多数不具备助力作用，很少有完全以满足老年人需求的坐便器[1]。文献[2]设计的一款老人用助力起身马桶，以电动缸作为顶起动力源，通过四连杆机构实现助力起身功能，该机构具有结构简单、助力效果好、易于对现有马桶进行改造等优点，具有较好的推广前景。由于笔者最初的设计主要目的是为老人助力起身，也包含了臀部洗净、女性洗净和电控冲洗等智能马桶功能，但在其他功能方面还存在一些不足，比如需要手动按按钮控制助力起身装置动作，不能自动识别是否有人前来如厕；还有如厕结束后需要通过手动操作按钮，使起身装置回位。

智能马桶盖新国家标准GB/T 23131—2019《家用和类似用途电坐便器便座》已经对智能马桶的设计有了标准要求。智能马桶的主要功能包括臀部洗净、位置调节、移动清洗、按摩、温暖便座、温度调节、暖风烘干、自动除臭、便座缓冲、自动感应、自动冲洗、喷头自洁、节电功能、无线遥控和安全防护等[3]。有的智能马桶还添加了基于物联网的智慧检测系统[4]。然而，用户在使用智能马桶时，更关注产品是否具备一些基本的功能[5]。其实过多的附加功能对老人反而会增加麻烦，只有基本功能好用、易用的产品才容易被广大消费者认可。

针对现有的老人用的具有助力起身功能的马桶，为如厕老人更加方便地使用马桶，增加自动开关盖板的功能，如厕完毕能够自动冲洗马桶，可减少老人按键操作，对老人的帮助较为明显。为此，提出以下改进目标：①当使用人靠近马桶时，盖板要能自动打开；②当使用人离开时，马桶盖要能自动关闭、自动冲洗马桶；③当有人经过马桶前方时，要解决误触发开盖的问题。由于有些功能在改进前已经实现，详见文献[2]，以下着重叙述自动开关盖方面的技术实现问题。

1 硬件实现

1.1 电源电路

系统主电源为12 V直流电，用于电机供电。控制电路用电为5 V直流电，电路如图1所示，通过由XL1509把12 V电压转换输出为5 V。限位开关用的3.3 V电源由LM1117F-3.3把5 V电压转换输出为3.3 V，电路如图2所示。

图1 5 V电源电路

图2 3.3 V电源电路

1.2 主芯片控制电路

主芯片控制电路如图3所示，主控制芯片为一片ATMEGA328P-AU统一控制，使用了五路I/O端口。其中，PD2作为输入开关量，连接D2，用于人体感应传感器；PD3作为输入开关量，连接D3，用于检测开盖到位信号；PD4作为输入开关量，连接D4，用于检测关盖到位信号；PB0和PB2作为输出开关量，分别连接D8和D10这2个控制继电器的线圈，用于控制盖板的开与关，D8用于控制电机是否通电，D10用于控制电机的正反转（正转为开盖，反转为关盖）。其他端口为辅助电路用。

图3 主芯片控制电路

1.3 传感器电路

总共设有3个传感器，传感器电路如图4所示。1个人体感应模块（P11），该模块有3个接线端，2根线用于连接5 V电源，1个输出端连接到主控芯片的PD2端口，当该传感器检测到有人到达马桶前方时，该端口电平由低电平转为高电平。2个限位开关，连接到主控芯片的PD3和PD4端口，当盖板打开到位时，限位开关S3导通，PD3端口电平由高变低；当盖板关闭到位时，限位开关S4导通，PD4端口电平由高变低。控制器根据3个传感器的状态再结合定时器的状态控制电机的动作。

图4 传感器电路

1.4 电机的控制电路

电机的控制电路如图5所示，由于电机B1的功耗较大，加上电机的电磁感应干扰较大，因此，主控电路是通过控制继电器对电机实现控制的。将主控芯片的PB0输出端口连接到继电器线圈D8端，控制继电器触点K1，控制直流减速电机是否通电；将主控芯片的PB2输出端口连接到继电器线圈D10端，控制继电器触点K3，控制电机电流方向，从而控制电机的正反转，实现盖板的打开和关闭，电机正转时，盖板打开，反之，盖板关闭。

图5 电机的控制电路

2 软件实现

当传感器P11电平由低变高时，表示有人出现在马桶前方较近位置。由于卫生间一般较小，不一定有人经过马桶都是要使用，可能是仅仅路过。为避免误动作，当收到信号时，先启动定时器，如果在3 s后，传感器P11还是输出高电平，则认为有人有如厕意愿，控制电机把盖板打开。当盖板打开到达位置后，关闭电机电源。

当传感器P11输出电平由高变低后，也启动定时器，如果3 s后，传感器P11还是输出低电平，则认为人已离开，控制电机把盖板关闭。当盖板关闭到位后，关闭电机电源。具体程序如下：

3 结束语

国内智能坐便器生产制造技术趋于成熟，然而，国内智能坐便器普及率还很低。智能坐便器在国内拥有巨大的市场待挖掘[6]。对于专为老人设计的智能马桶将会有广阔的市场前景。经过改进后的老人用助力起身马桶具有以下功能特点：①老人到达如厕位置时，无需任何操作，马桶盖能自动打开，助力起身装置会自动升起，辅助老人轻松坐下；②如厕完毕，一键洗净烘干；③一键助力起身，对腿脚功能退化的老人帮助极大；④老人离开后，自动冲洗马桶，自动关盖板，减少了老人的操作。通过实验表明，经过改进后的老人用助力起身马桶效果确实较好，对老人的帮助较为明显，具有很好的市场推广价值。