红外线定位沟槽节水器.docx
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红外线定位沟槽节水器
项目
类别
一般项目
√
重点项目
项目编号
湖南科技大学2014年度SRIP项目
申报书
项目名称：
_红外线定位沟槽节水器_________
申请人：
学号：
所在学院：
联系电话：
E-mail：
申请日期：
共青团湖南科技大学委员会制
二〇一二年十二月
一、简表
项目
名称
红外线定位沟槽节水器
申请项目类别
重点项目
一般项目
√
项目
来源
学生自行设定
学科
类别
自然科学类
√
社会科学类
研究
年限
是否跨院
研究
领域
项
目
负
责
人
姓名
学号
专业
年级
所在学院
平均
成绩
QQ
邮箱
联系
方式
指导教师
姓名
所在学院
学历
学位
职称
联系方式
邮箱
职务
研究方向
嵌入式系统
项目成员
姓名
所在学院
学号
专业
平均成绩
联系方式
签名
成绩审核并签章
二、研究摘要
研究摘要
本项目以一种基于单片机控制的红外线感应与定位转置为研究对象，主要应用学校、机关商场、工厂等单位的沟槽式小便池，也可用于沟槽式大便槽冲水箱，节水效率高，使用寿命长，安全省电。
在便池一边安装红外线定位沟槽节水器，当电源盒内的红外探测器探测到人体的信号后，经信号处理执行红外定外电路，确定与之对应的节水阀开启控制冲水水流的接通，人离去后水流继续接通的时间长短可通过延时部分来实现。
本项目所研究的节水装置能够实现通过红外线测距控制哪一个节水阀的开启，改变了一般节水器感应时毫无控制的全排放水的方式，而不仅仅是感应的功能，能够定位的小范围排水，从而达到更能节水、省水的目的。
三、立项依据
1.项目的研究目的、意义
长期以来，人们普遍认为水是“取之不尽，用之不竭”的，浪费挥霍。
事实上，水资源日益紧缺，而城市的供水工作更是在严重缺水的边缘艰难度日，自来水来之不易。
进入2000年来，节水成为一个越来越引人深思的问题，随着节水技术的逐步完善，远程节水控制系统运用被认为是节水技术发展进程中的一次革命，节水电子化的程序被看作是衡量现代节能水平的重要标志，是用来开发新技术，提高水的利用率最重要的技术措施。
人为认为增加水利用率是夺取未来市场的重要的有效手段。
目前，节水技术正逐渐有机械向电子转换，全球节水电子产品面临着高速增长。
红外线定位节水器改变了传统用水观念。
过去，教学楼没有用水量的限度、用多用少、时间长短不一，造成巨大的浪费。
使用远程自动节水控制系统，根据实际用量计算，培养了人民的节水意识，使节水成为每个人的自觉行动。
其次，节水效果显著，用水观念转变的直接结果就是对水资源的浪费现象得到了有效的控制，真正实现了按需消费，人走水停。
而且红外线定位节水器与传统的红外感应节水器不同，传统的节水器即是感应到人后开启电磁阀进行全排放，没有对人有针对性，仅仅是作为一个简单的自动感应排水，因为当人较少时排放的水是较多的。
此次，红外线定位节水器是在感应节水器的基础上添加了红外线测距系统，并对水管或水箱进行分流和控制排水地点，具体的分支数由实际而定。
利用红外线照射到被测物体的表面，仪器同时接受被测物体的反射光能量，然后根据接收到的反射光能量来判断被测物体的距离。
因而利用红外线定位能够确定人的位置，从而开启相对应的排水阀。
这实现了定位排水功能，实现个人消费，更能达到节水的目的。
2.国内外研究现状分析和发展趋势
联合国环境与发展大会通过的《21世纪议程》强调：
“水是一种有限的资源，不仅为维持地球上的一切生命所必需，而且对一切社会经济部门都具有生死攸关的重要意义”。
随着世界性水资源、能源的日趋紧张，采用节水、远程自动节水控制方法已经成为全世界发展的总趋势，推广远程自动节水控制也已成为世界各国为缓解水资源危机和实现农业现代化的必然选择。
国家远程自动节水控制系统的基本特点是高技术、高投入和管理现代化，高效益则是维系远程自动控制水系统能否持续发展的基础。
自20世纪60年代“红火”以来，远程自动节水控制技术一直被作为最主要的技术。
随着这项技术在生存中的广泛应用、经济、适应性等多方面的考核。
远程自动节水控制进行了改进，水量损失大大减少，对的利用率可提高到0.9以上。
3.项目前景和学术价值
针对沟槽式厕所特点开发研制出的系列产品，基于红外线感应和红外线测距技术，人来开启，定位排水，无人关闭，方便卫生，安全节能，设计思路简洁、集成度高、人性化、性能稳定、经济耐用，使用单位改造简便，投资小、见效快，解决了长期困扰长期困扰大、中、小学校水费支出大，厕所用水效率低不好管理等问题。
沟槽式厕所小便池红外感应节水器采用两段式延时控制，将人的生理活动与节水有机结合，人体红外线感应100%识别，可以识别不同颜色、不同材质的物体（衣物），漏冲率为零，感应探头的灵敏度高，感应区域精确，不误报，零压启动，而且红外测距系统就是采用反射能量法，因其结构简单、体积小、成本低,可以广泛应用于大批量生产的光机电综合产品。
4.研究条件和手段
在实验室，经过学习单片机技术、数电、模电和PCB板的绘制、C编程等各种软硬件知识，利用单片机与嵌入式系统控制平台，制作各种模块。
而且具有本项目研究的基本平台，创新实验平台内提供各类实验仪器和开发工具，拟采用现有开发平台进行初步研究，然后设计样机实现项目研究目的。
在学校内，能够进图书馆查阅相关的知识和利用现在的网络，并进行模拟实现。
而且，当遇到问题的时候，能够请教老师或者在这一方面的专业人士。
5.指导教师情况
略
6.主要参考文献
【1】康华光.电子技术基础模拟部分（第五版）
【2】康华光.电子技术基础数字部分（第五版）
【3】TI运算放大器简介、国外电子元器件:
1997年11期
【4】肖景和、赵健.《初学无线电--电子电路分析》.北京：
人民邮电出版社
【5】林长贵、罗晋生.共源共栅CMOS运算放大器的研究与设计[D]:
电子科技大学.2005
【6】赵继文.传感器与应用电路设计[M].北京：
科学出版社2002
【7】唐长文.《通信系统混合信号VLSI设计》课程设计报告：
“全差分运算放大器设计”。
【8】林刚.LM317型集成稳压电路的正确使用[N]
【9】李银华.《电子线路设计指导》.北京：
航空航天大学出版社2005.6
【10】贾政亚.低压微功耗CMOS运算放大器的研究与设计[D]电子科技大学2005
四、研究方案
1.研究目标、研究内容
研究目标：
本项目基于单片机控制的沟槽式节水器：
当人体辐射的红外线通过菲涅尔透镜被聚焦在热释电红外传感器KDS9的探测元上时，电路中的传感器将输出电压信号。
该电压信号输入到红外测距系统中，经过LM324四运放电路放大并运算得到目标距离。
根据目标的距离判断目标在哪个范围内，输出放大的高电平信号送到CD4011进行延时，启动相对应的电磁阀，进行排水。
系统的整体结构如下结构图所示。
电子开关T
红外线传感器KDS9
红外线发射装置
M68HC11E单片机
窗口比较器R9R10R11
电磁阀
带通滤波器C1C2R1R2
LM324四运放器
红外接收器
研究内容：
单片机的模块硬件设计
（1）红外线感应模块
（2）红外线测距模块（3）运算放大模块
（1）红外线感应模块
红外线传感器采用的是KDS9型的，感应到人体红外线通过菲涅尔透镜被热释电红传感器的探测元上时，电路中的传感器将输出电压信号，然后使该信号先通过一个由C1、C2、R1、R2组成的带通滤波器，该滤波器的上限截止频率为16HZ，下限截止频率为0.16HZ。
当传感器探测到人体辐射的红外线信号并经放大后送给窗口比较器是，若信号幅度超过窗口比较器的上下限，系统将输出高电平信号，无异常情况时则输出低电平信号。
在该比较器中R9、R10、R11用做参考电压，两个运算放大器用做比较，两个二极管的主要作用是使输出更稳定。
窗口比较器的上下限电压即参考电压为3.8V和1.2V。
将这个高低电平变化的信号上升沿信号作为延时电路触发信号，并让其输出一个高电平信号来启动红外线测距系统。
（2）红外线测距模块
红外测距的工作过程简单来讲就是瞄准目标，然后接通电源，启动发射电路，通过发射系统，像目标发射红外信号，同时，采样器采样发射信号，作为计数器开门的脉冲信号，启动计数器，时钟振荡器像计数器有效的输入计数脉冲，由目标反射回来的红外线回波作用在光电探测器上，转变为电脉冲信号，经过放大器放大，进入计数器，作为计数器的关门信号，计数器停止计数，计数器从开门到关门期间，所进入的时钟脉冲个数，经过运算得到目标距离，测距公式为：
L=CT/2。
得到的距离输入到单片机中判断将一个脉宽约为10s的脉冲输出到哪一个电磁阀。
（3）运算器放大模块
运算放大器采用的是LM324四运放大器，由于热释电红外传感器输出的探测信号电压十分微弱（通常仅有1mV左右），而且是一个变化的信号，同时菲涅尔透镜的作用又使输出信号电压呈脉冲形式（脉冲电压的频率由被测物体的移动速度决定，通常为0.1—10Hz左右），所以应对热释红外传感器输出的电压信号进行放大。
运用集成放大器LM324来进行两级放大，以使其获得足够的增益。
而且红外线测距系统在许多情况下，输入信号是很微弱的，要把这样微弱的信号放大到足以带动负载，仅用一级电路放大定是做不到的，必须经多级放大，以满足放大倍数和其他性能方面的要求。
2.拟采取的研究方法及可行性分析
【拟采取的研究方法】
（1）以单片机为核心，外围围绕温度传感器，水位探测器，加热控制器，键盘电路和显示电路等。
通过软件编程实现对各硬件的控制和通信，进而实现对加热器的控制，实现设计要求。
（2）设计主从控制系统，实现各个模块的独立与联系，从而达到扩展的目的。
【可行性分析】
学校有较好的试验研究条件，有一个嵌入式系统智能家居与远程监控的实验室，项目积累了较好原始资料，我们有这方面较好的研究教师的指导，同时我们具有项目开发与研究的良好经历。
动手能力也特别强，以上实验条件，能满足本项目的制作与功能模块的实现。
2.拟解决的关键问题
（1）人员的感应。
通过设定红外感应器的感应范围，进行检测。
（2）感应信号的驱动。
设计单片机的程序来启动红外线测距模块。
（3）驱动相对应的电磁阀。
通过测距的结果，由单片机来判断并将高电平输出到相对的地方。
（4）多个人的排水方法。
当感应到多个人时，根据具体情况，执行全排放。
【可行性分析】
通过两年的专业知识的积累，基本能够进行和设计具有一定功能的单片机小模块。
并且学校的图书馆有很多相关于这方面的知识。
学校有较好的试验研究条件，有一个嵌入式系统智能家居与远程监控的实验室，项目积累了较好原始资料，我们有这方面较好的研究教师的指导。
动手能力也特别强，以上实验条件，能满足本项目的制作与功能模块的实现。
3.本项目的创新之处
本项目所研究的节水装置能够实现通过红外线测距控制哪一个节水阀的开启，改变了一般节水器感应时毫无控制的全排放水的方式，不仅仅是感应的功能，而且能够定位的小范围排水，从而达到更能节水、省水的目的。
4.预期研究进展
2014年1月至2014年2月：
查找相关资料，开始设计电路图和画PCB图
2014年3月至2013年5月：
完成各个模块硬件的制作
2014年6月至2014年8月：
完成各个模块的调试与优化
2014年9月至2014年10月：
整理项目
5．预期成果
（1）样机一套
（2）报告一份
五、经费预算
支出科目
金额（元）
计算根据及理由
项目调研
300
查阅文献专利，现场调研
实验器材
2000
电容、电阻、单片机、红外线传感器等
设计与扩展
700
外部模块的扩展，实验费用
合计（元）
3000
六、承诺书
本人保证申报书内容的真实性。
如果立项，并获得基金资助，本人将严格遵守《湖南科技大学大学生科研创新计划（试行）》的要求，保证研究工作时间，按计划认真开展研究工作，按时报送有关材料。
若填报失实和违反规定，本人将承担全部责任。
项目负责人签名：
年月日
七、相关意见
指导教师意见
该项目以饮水装置的温控系统进行研究与设计，目标明确，内容新颖，研究内容具有创新性。
申报人对项目内容进行了深入地研究，研究方案切实可行，研究成果具有很大的实用性，有助于提高学生的学习能力，对学校的教学管理的革新具有重要意义。
指导老师签名：
年月日
院级专家评审委员会意见
负责人签名：
年月日
学院SIRP项目领导小组意见
组长签名：
年月日
院校级专家评审委员会意见
负责人签名：
年月日
学校SRIP项目领导小组意见
签章：
年月日
升级会员 