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智能馬桶方案設(shè)計(jì)開發(fā)
現(xiàn)階段，隨著科技的不斷進(jìn)步，智能馬桶已經(jīng)逐漸走進(jìn)千家萬戶，人們對于智能馬桶的性能要求也在進(jìn)一步提高。利用PSD的人體運(yùn)動(dòng)檢測方式已經(jīng)無法滿足人們的需求，將微波傳感技術(shù)應(yīng)用于智能馬桶中，設(shè)計(jì)出更加簡潔時(shí)尚的衛(wèi)浴風(fēng)格，提高智能馬桶的功能，滿足人類的需求，可以更好地推動(dòng)相關(guān)行業(yè)不斷發(fā)展，為國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。
一、智能馬桶所用的微波傳感技術(shù)原理
1.1傳統(tǒng)智能馬桶應(yīng)用的檢測原理
傳統(tǒng)的智能馬桶通過在馬桶中安裝位置敏感器以及紅外監(jiān)測器來對人體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行檢測，雖然能夠較為準(zhǔn)確地判斷出人體動(dòng)作，但是容易受到周圍環(huán)境的影響而導(dǎo)致檢測出錯(cuò)。紅外檢測器作為被動(dòng)的運(yùn)動(dòng)傳感器，很容易受到溫度等環(huán)境的影響。而且這兩種人體檢測工具都無法應(yīng)用在非透明的材質(zhì)中，往往需要在馬桶上另外設(shè)置窗口來達(dá)到檢測的目的，嚴(yán)重影響了馬桶的整體設(shè)計(jì)效果。使用微波傳感技能利用開普勒原理來實(shí)現(xiàn)對于人體運(yùn)動(dòng)檢測的功能，在保證馬桶整體設(shè)計(jì)效果的同時(shí)，也能夠更準(zhǔn)確地檢測人體運(yùn)動(dòng)。
1.2微波傳感技術(shù)人體運(yùn)動(dòng)檢測原理
微波傳感技術(shù)通過發(fā)射高頻率的電磁波到空中，覆蓋馬桶周圍，當(dāng)人體接近馬桶時(shí)就自然進(jìn)入了微波傳感器的覆蓋面，微波傳感器發(fā)射出來的電磁波在觸碰到人體后自動(dòng)反射折回，傳感器根據(jù)接收到的電磁波，輸出中頻信號，即為多普勒信號。多普勒信號通過陷波器除去信號中的噪音，通過放大信號，傳入單片機(jī)進(jìn)行識別，最終衡量信號頻率來做出相應(yīng)的反應(yīng)動(dòng)作。多普勒信號進(jìn)入單片機(jī)后，通過采集處理等模塊，進(jìn)行不同的信號處理，檢測頻率模塊進(jìn)側(cè)出信號的頻率，幅值檢測模塊檢測出信號的幅值，最后到達(dá)信號處理模塊。利用得出來的信息以及機(jī)器最初的設(shè)定值處理信號的概率信息，并傳回單片機(jī)，對本次執(zhí)行的動(dòng)作任務(wù)進(jìn)行反饋。當(dāng)無人使用時(shí)，微波傳感技術(shù)所發(fā)出的多普勒信號的幅值和頻率相對保持不動(dòng)；當(dāng)有人靠近時(shí)，微波傳感器自動(dòng)感應(yīng)到距離和運(yùn)動(dòng)速度，信號的幅值也會相對上升；在人離開時(shí)，信號幅值相對下降。多普勒信號的幅值和頻率分別由人和智能馬桶之間的位置以及二者相對的運(yùn)動(dòng)速度決定。
1.3微波傳感技術(shù)人體檢測運(yùn)動(dòng)流程
以某智能衛(wèi)浴系統(tǒng)設(shè)計(jì)企業(yè)為例。該企業(yè)設(shè)計(jì)的智能馬桶，核心是由單片機(jī)對人體接近進(jìn)行檢測。假定預(yù)設(shè)值的幅值頻率以及相應(yīng)的判定條件后，對該企業(yè)設(shè)計(jì)的智能馬桶進(jìn)行功能數(shù)據(jù)變化檢測。當(dāng)試驗(yàn)員朝著微波傳感器的方向移動(dòng)，多普勒信號就會不斷增加，但是由于實(shí)驗(yàn)員和傳感器還有一定的距離，信號中還有很多噪音和雜聲，在通過信號濾波器的處理過后，將信號通過低頻放大器進(jìn)行不斷的放大。在放大的過程中采用交流耦合的方法，不僅能夠有效去除信號中的直流成分，還能夠讓信號在放大過程中保持清晰，單憑低頻放大器處理過后的信號不能讓單片機(jī)識別。該企業(yè)的技術(shù)人員為了解決這一問題，將被放大了的信號通過可調(diào)放大器進(jìn)一步放大，再利用數(shù)控技術(shù)控制信號放大的程度，直到多普勒信號可以被識別為止。
根據(jù)企業(yè)所使用的單片機(jī)功能確定可調(diào)放大器的放大倍數(shù)，同時(shí)記錄員記錄此時(shí)的幅值和頻率，將放大后的多普勒信號直接輸入單片機(jī)做進(jìn)一步處理。因?yàn)樵囼?yàn)員在不斷接近，幅值和頻率也在不斷變化，記錄員除了要對信號進(jìn)行記錄之外，還要通過計(jì)算機(jī)技術(shù)記錄并存儲幅值和頻率，并通過算法進(jìn)行總結(jié)規(guī)律。和最初預(yù)設(shè)的條件進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，幅值和頻率在逐漸增加且幅值是一條上升的曲線時(shí)，微波傳感控制器就會自動(dòng)判斷，試驗(yàn)員為有效的接近，進(jìn)而執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作信號輸出；反之，如果條件不滿足，微波傳感控制器則不會有任何信號輸出的反應(yīng)。通過該企業(yè)技術(shù)人員在事后輸出的波形圖中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)試驗(yàn)員從遠(yuǎn)處移動(dòng)到智能馬桶前方時(shí)，經(jīng)過相關(guān)軟件檢測后得出信號的整條曲線都成上升趨勢的結(jié)論；而在尾部波形曲線有一定的下降趨勢，此時(shí)試驗(yàn)員剛好走到智能馬桶的位置，并且停止移動(dòng)，此時(shí)雖然波形下降，但是馬桶接收到微波智能傳感的相應(yīng)命令已經(jīng)做出了翻蓋等動(dòng)作任務(wù)。而在試驗(yàn)員遠(yuǎn)離多普勒傳感器向遠(yuǎn)處移動(dòng)的過程中，微波檢測裝置檢測到的波形圖整體呈下降趨勢；當(dāng)波形下降到距離有效位置最長的時(shí)候，智能馬桶根據(jù)響應(yīng)命令執(zhí)行沖刷以及關(guān)蓋的任務(wù)。
同時(shí)，讓試驗(yàn)員從側(cè)面接近微波傳感器，通過后期形成的波形圖可知整體呈上升趨勢。單片機(jī)通過收集相應(yīng)的多普勒信號，并且檢測出相應(yīng)的幅值和頻率，在對信號進(jìn)行處理后，提取出相應(yīng)的變化趨勢。根據(jù)趨勢走向信息做出預(yù)判，最終執(zhí)行相應(yīng)的命令信號輸出。單片機(jī)在對動(dòng)作判定的過程中主要依靠幅值和頻率以及整體變化趨勢，這三個(gè)方面都要在事先進(jìn)行預(yù)設(shè)，通過控制器的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將采集分析后的信息和預(yù)設(shè)信息進(jìn)行對比，滿足全部條件則判定為有效，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，如果任何一個(gè)條件不滿足，都視為無效判定。通過這樣的判定流程以及特定的判定條件，實(shí)現(xiàn)了微波傳感技術(shù)在智能馬桶中的應(yīng)用。
二、智能馬桶傳感硬件設(shè)計(jì)
2.1智能馬桶系統(tǒng)單片機(jī)設(shè)計(jì)
單片機(jī)在微波傳感系統(tǒng)中是最為核心的存在，通過單片機(jī)對微波傳感釋放出的多普勒信號進(jìn)行判定，并且輸出相應(yīng)的信號動(dòng)作。某智能馬桶中使用的單片機(jī)為美國出產(chǎn)的八位單片機(jī)，該單片機(jī)的性能較好，且具有較大含量的存儲功能，可以存儲系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置，運(yùn)用后期的軟件初始化中。除此之外，該單片機(jī)還有豐富的外設(shè)功能，不需要進(jìn)行額外的設(shè)置，加強(qiáng)了功能的一體化，簡化了設(shè)計(jì)步驟，最大程度地降低了設(shè)計(jì)成本。目前，國內(nèi)所使用的單片機(jī)中大部分應(yīng)用A/D轉(zhuǎn)換器對多普勒信號進(jìn)行收集處理，通過10位的轉(zhuǎn)換器將信號輸送給處理模塊進(jìn)行分析，同時(shí)在系統(tǒng)中使用增強(qiáng)通信的串口模塊，加強(qiáng)智能馬桶的主控制系統(tǒng)和單片機(jī)之間的通信，保證信息可以及時(shí)地傳送給智能馬桶的主控制系統(tǒng)，根據(jù)人體動(dòng)作做出相應(yīng)的反應(yīng)。
2.2微波傳感器應(yīng)用優(yōu)勢
微波傳感器是體現(xiàn)微波傳感技術(shù)的主要硬件，體積較小，且功耗較低，靈敏度高，對于智能馬桶的人體檢測，是可以被廣泛應(yīng)用的非常理想的設(shè)備。通過設(shè)備自帶的微天線發(fā)出高頻電磁波，根據(jù)電磁波反射回來的反射波進(jìn)行判斷，最終形成多普勒信號。如果沒有微波傳感器，微波傳感技術(shù)也就失去了意義。
以某企業(yè)研發(fā)的智能馬桶為例。該企業(yè)使用的微波移動(dòng)傳感器能能夠形成X波段的移動(dòng)傳感多普勒信號，通過多普勒信號的形成原理，將具備中頻信號特征的多普勒信號經(jīng)過處理傳送給單片機(jī)。微波傳感器作為實(shí)現(xiàn)智能馬桶的基礎(chǔ)設(shè)備，除了要具備良好的發(fā)射信號功能，還要保證和智能馬桶的設(shè)備感較為統(tǒng)一。
2.3微波傳感技術(shù)的陷波器和電路
從微波傳感技術(shù)的運(yùn)作原理中可以得知，通過微波傳感器釋放出來的多普勒信號進(jìn)行判斷，但在移動(dòng)過程中信號中的噪音和雜聲較多，信號整體變化較為緩慢，需要設(shè)置相應(yīng)的陷波器和整形電路對信號進(jìn)行處理，將信號處理后，保證信號的清晰明確，再進(jìn)行下一步的擴(kuò)大，從根本上保證信號的準(zhǔn)確無誤，不會造成單片機(jī)的誤判。在使用智能馬桶的過程中，微波傳感技術(shù)主要針對人體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行檢測，首要檢測目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)就是靠近和離開，某智能馬桶的設(shè)計(jì)人員在不斷的分析過程中發(fā)現(xiàn)，微波傳感技術(shù)中信號頻率集中在30～80Hz之間浮動(dòng)，一旦受到環(huán)境和電網(wǎng)中的輻射干擾，頻率容易增加到100Hz甚至120Hz，造成整體信號判斷失誤，發(fā)生錯(cuò)誤動(dòng)作。
在整體設(shè)計(jì)中加入了陷波器和整形電路對信號進(jìn)行處理：首先，通過陷波器，處理外部環(huán)境的干擾，讓信號保持在正常頻率上；其次，通過整形電路對信號進(jìn)行整形，剔除掉其中的干擾信號，保證單片機(jī)可以更加準(zhǔn)確地判斷出多普勒信號的頻率。經(jīng)過該實(shí)驗(yàn)人員對安裝陷波器和整形電路后，外界環(huán)境的赫茲被陷波器弱化，雜亂頻率被濾波器有效地濾除。只有在信號的頻率一定的基礎(chǔ)上，才能保證后期的相關(guān)設(shè)備對于信號的判定更加準(zhǔn)確。
2.4微波傳感技術(shù)可調(diào)增益放大器
微波傳感技術(shù)所釋放出來的電磁波相對較弱，無法被單片機(jī)有效感應(yīng)，只能通過數(shù)控可調(diào)的增益放大器相對程度地放大信號，保證單片機(jī)可以有效接收到相應(yīng)的信號進(jìn)行判斷。多普勒信號在傳遞過程中，信號會逐漸減弱，但是不同智能馬桶所應(yīng)用的微波傳感器不同，單片機(jī)的型號也各不相同，通過低頻放大器后的多普勒信號仍然較為微弱，只有利用數(shù)控可調(diào)的增益放大器，才可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)接收信號的功能。根據(jù)不同單片機(jī)的功能，對放大信號的倍數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，保證信號可以被單片機(jī)有效接收。以某衛(wèi)浴企業(yè)開發(fā)設(shè)計(jì)的智能馬桶中使用的數(shù)控可調(diào)增益放大器為例。該放大器包括固定放大器以及可調(diào)放大器兩種類型，放大器通過調(diào)整電位器的電阻數(shù)值實(shí)現(xiàn)增益調(diào)整，電位器是由美國生產(chǎn)的數(shù)字電位器，屬于成本較低的50kΩ。在該電位器中還具有對接口滑動(dòng)端的控制，根據(jù)信號遞增遞減不同的串行程度達(dá)到控制滑動(dòng)端的目的，但是因?yàn)槠浔旧淼囊资?，在斷電后無法保存當(dāng)前對于滑動(dòng)端的控制值。所以，該企業(yè)將滑動(dòng)端的數(shù)值保存到系統(tǒng)軟件中，在系統(tǒng)開始時(shí)，通過系統(tǒng)初始化將滑動(dòng)端數(shù)值恢復(fù)，利用這種方法使得增益調(diào)整更加完善，調(diào)整后的信號被單片機(jī)完美的接收。數(shù)控可調(diào)增益放大器是微波傳感技術(shù)中最為關(guān)鍵的部分，只有通過放大器，才能有保證后續(xù)判斷動(dòng)作的運(yùn)行。
三、智能馬桶的微波傳感技術(shù)軟件設(shè)計(jì)
在設(shè)計(jì)微波傳感技術(shù)的硬件技術(shù)后，還要針對微波傳感技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)的軟件技術(shù)設(shè)計(jì)。軟件系統(tǒng)主要包括初始化系統(tǒng)、波形采集系統(tǒng)、幅值和頻率監(jiān)測系統(tǒng)以及通信和信號靈敏度系統(tǒng)進(jìn)行檢測。軟件在開始后，首先，要將設(shè)備進(jìn)行初始化，包括系統(tǒng)自身以及內(nèi)部和外部的功能初始化，隨后對靈敏度以及判決參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。這個(gè)步驟是軟件運(yùn)行流程中最為關(guān)鍵的步驟，只有提高了系統(tǒng)的靈敏度和判決參數(shù)，才能保證系統(tǒng)的正常準(zhǔn)確的運(yùn)行。其次，利用通信模塊對馬桶實(shí)行相應(yīng)的指令，此時(shí)軟件自身根據(jù)反饋出來的波形采集模塊的信號反應(yīng)，對信號的幅值和頻率進(jìn)行檢測處理，分析過后，判斷控制指令成立，輸出相應(yīng)的指令信號，馬桶完成指令；如果判斷指令無效，就相應(yīng)地輸出無效的信號。
總結(jié)
本文通過對微波傳感技術(shù)在智能馬桶中的應(yīng)用原理進(jìn)行詳細(xì)討論，根據(jù)相關(guān)的原理設(shè)計(jì)了智能馬桶的各個(gè)硬件和軟件的功能，主要體現(xiàn)通過微波傳感系統(tǒng)檢測人體的運(yùn)動(dòng)，并根據(jù)人體的運(yùn)動(dòng)做出相應(yīng)的反應(yīng)，比如控制馬桶翻蓋、沖刷等，進(jìn)而提高智能馬桶的相關(guān)功能，進(jìn)一步推廣智能馬桶在生活中的應(yīng)用。
以上就是我們深圳市組創(chuàng)微電子有限公司為您介紹的智能馬桶方案詳情。如果您有智能馬桶的設(shè)計(jì)開發(fā)需求，可以放心交給我們，我們有豐富的電子產(chǎn)品定制開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，可以盡快評估開發(fā)周期與IC價(jià)格，也可以核算PCBA報(bào)價(jià)。我們是多家國內(nèi)外芯片代理商：松翰、應(yīng)廣、杰理、安凱、全志、realtek，有MCU、語音IC、藍(lán)牙IC與模塊、wifi模塊。我們的開發(fā)能力涵蓋了PCB設(shè)計(jì)、單片機(jī)開發(fā)、藍(lán)牙技術(shù)開發(fā)、軟件定制開發(fā)、APP定制開發(fā)、微信公眾號開發(fā)等軟硬件設(shè)計(jì)。還可以承接智能電子產(chǎn)品研發(fā)、家用電器方案設(shè)計(jì)、美容儀器開發(fā)、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)、智能家居方案設(shè)計(jì)、TWS耳機(jī)開發(fā)、藍(lán)牙耳機(jī)音箱開發(fā)、兒童玩具方案開發(fā)、電子教育產(chǎn)品研發(fā)。
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