某智能马桶设计方案.docx
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某智能马桶设计方案
某智能马桶设计方案
1任务描述
1.1任务要求
一：
操作面板
座便器本体操作面板共有7个按键分别为电源、停止、臀部洗净、女用洗净、烘干、照明、按摩。
二：
功能的操作
1、按下“臀部洗净”或遥控器“臀部洗净”按键，臀部洗净喷嘴将喷射前后往返移动一分钟后自动停止喷射。
再按一次“臀部洗净”或按遥控器“臀部洗净”按键，将再次重复此功能。
2、按遥操作面板上“座温调节”按键可调节座圈温度。
座圈温度可设定为座圈不加热、约34摄氏度、约37摄氏度、约40摄氏度。
3、按遥操作面板上“水温调节”按键可调节水箱当中水的温度。
水温度可设定为水温不加热、约34±2摄氏度、约37±2摄氏度、约40±2摄氏度。
4、按遥操作面板上“风温调节”按键可调节风的温度。
暖风温度可设定为暖风不加热、约45摄氏度、约55摄氏度、约65摄氏度。
5、人体入座3秒后，除臭功能运转，开始除臭工作人体离座后30秒除臭停止。
6、夜灯的使用在有红外感应前提下，外界光照强度减弱，夜灯开启；红外感应消失后，夜灯随即熄灭。
三：
设计要求：
（1）外围电路必须protel99或相关电路画图软件,不能用word和非电路设计软件画。
FPGA芯片内部电路必须有整体和单元的综合电路,和对应波形及其详细说明。
（2）课程报告字数要求3000字以上。
2智能马桶简介
2.1课题研究背景
马桶是人们生活中必不可少的家用器具。
智能马桶是马桶的升级版，随着人们对生活舒适度的更高追求，马桶的功能也越来越多，越来越高科技。
智能马桶盖起源于美国，用于医疗和老年保健，最初设置有温水洗净功能。
后经日本卫浴公司TOTO引进并进行改良，于80年代推出全新产品“卫洗丽”，加入了集便盖加热、温水洗净、暖风干燥、杀菌等多种功能。
成为智能马桶发展的第一个里程碑。
2.2智能马桶发展现状
智能马桶起源于日本，现流行于日本和韩国，日本72%的普及率和韩国45%的普及率成为智能马桶全球最大消费国、技术产品出口国，中国自1998年首次生产只能便器以来，国内定位目标消费人群几乎是高收入人群。
近年来智能马桶已慢慢走进寻常百姓家。
智能座便器属于更新换代的革命性产品，迎合了未来人性化的卫浴发展趋势，"智能座便器"是以"微电脑数字处理系统、纳米材料、激光或热合"等成熟的高科技含量为技术手段，达到和实现传统的"冲水式坐使器、简易式便槽"根本无法解决的污染与环保相矛盾的问题。
从而不仅从技术上和方式上乃至村料上都是新突破与改革。
目前市面上智能马桶的功能大体有如下一些：
集温水洗净、按摩、暖圈、夜光等多项功能于一身，提供更佳的洁身功效和舒适的清洗体验。
双喷嘴设计，提供臀部清洁与女性清洁，清洗到位。
独特脉冲冲洗模式，SPA按摩功效。
座圈及上盖使用抗菌材质，减少交叉感染，健康选择。
座便圈及水温皆可加热，三档温度选择，舒适享受。
水流强度3级可调，满足不同需求。
静音缓降盖板，安静、安全。
暖风烘干，无需用纸，使用更加方便舒适。
抽风及臭氧双重除臭，快速清除异味。
节电模式选择，省电更环保。
光感启动蓝色夜光功能，方便夜间使用。
2.3智能马桶的特点
1、全轻触式按键设计
采用全轻触式按键设计，使用过程更方便，清洁更彻底，污渍不留痕。
2、喷头自洁
使用前后喷头都会自我清洁，保持干净卫生。
3、二个喷头
臀部清洗用（后部）和女性专用（前部清洗）2
个喷头，根据不同用途达到清洗干净的效果。
4、静音缓闭功能
放手后便座、便盖自动缓慢地关上，缓慢闭合才噪音。
5、智能节电
具有智能学习记忆功能，可根据使用者的日常生活习惯，自动预先对水温和便座加热，且用后自动停止加热，达到节能效果。
6、座式感应
在没有感应到人坐上之前，冲洗开关都不会启动，不必担心错按开关造成的尴尬，非常人性化。
7、抗菌便座
直接接触肌肤的便座部分采用抗菌材料。
3方案设计
3.1总体框图
图3.1系统框图
3.2功能模块分述
图3.2温度控制模块
智能马桶要求实现的功能中有座圈温度调节，水温调节及暖风烘干。
此三项功能都需温度调节及加热设计。
温度传感器能感受外界温度并将感受到的非电量转化成电量输出，因此可通过温度传感器感受温度，将所需温度传给FPGA控制系统，由其将输入数据进行处理分析后传出指令使加热电路进行相应操作。
图3.3电机工作模块
PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法。
PWM可以应用在许多方面，如电机调速、温度控制、压力控制等。
在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。
通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。
因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。
本设计用电机来驱动电磁阀工作，电磁阀控制智能马桶的洗净和冲洗功能。
4硬件电路设计
4.1温度控制模块
pt100是铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变。
PT后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。
它的工作原理：
当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而成近似匀速的增长。
电桥不平衡时输出两点间产生电压差，经过两个电压跟随器稳定输出后送入差分式运算放大器进行一倍放大。
温度传感器PT100在外界温度不是1度时，电桥输出电压差为
3T/100（T为传感器感受到的外界温度），经过电压跟随器及差分运放处理后输出电压为3T/100v。
电路输出电压送入A/D转换器处理，将模拟电压量转换为数字量输出，送入FPGA芯片。
图4.1传感器测温电路
图示电路图是用双向可控硅控制的电路。
图中的光耦MOC3041是用来隔离可控硅上的交流高压和直流低压控制信号的。
其输出用来触发双向可控硅BTA12.MOC3041是一个6引脚的芯片，它的输入电流为60Ma,电阻R1用来限制输入电流；控制信号为从FPGA芯片输出的高电平信号，经过反向器后使MOC3041内部的LED灯点亮，光控可控硅同时导通，继而给双极性可控硅BTA12一个触发电压，BTA12导通，电阻丝通电，加热电路开始工作。
因为功率放大电路的输出不能是一个简单的开关量，故输入电炉的加热功率是连续可调的；另一方面双极性可控硅能保证电阻丝在交流电压源的正负半周均工作，增大电源的利用率，而且可控硅工作在过零触发状态，提高了设备的功率因数，也减轻了对电网的干扰。
图4.2加热电路
4.2除臭及冲水电路
图4.3除臭电路
FQ-050是一个一体化的臭氧发生器。
其一体化整合了臭氧发生电路和超微型臭氧发生管、直流微型气泵，内置的超微型臭氧发生管。
是除臭应用的最佳选择。
图4.4电磁阀电路
以上两个电路原理相同。
由FPGA控制芯片输出一个高电平信号后，两个三极管相继
导通，继而臭氧发生器及电磁阀开始工作。
4.3电机控制电路
电机控制电路主要由两两对角的四个三极管导通与否控制电机的正反转，接受控制部分信号后，四个三极管中相对角的两个三极管导通，另两个对角三极管截止，此状态周而复始循环，电机进入正转反转交替执行的模式中。
由PWM1，PWM2两个节点输入FPGA控制芯片输出的PWM波形与正反转信号的配合，电机进入正转或反转模式。
若PWM1=‘1’，PWM2=‘0’，则Q4导通Q1截止，即Q4集电极变低电平Q1集电极变高电平，继而Q3、Q6导通Q5、Q2截止，电机进入正转模式；若PWM1、PWM2是相反的状态，即可推出Q5、Q2导通Q3、Q6截止，即电机进入反转模式。
图4.5电机控制电路
4.4控制部分输入信号
4.4.1压力传感电路
图4.6压力传感电路
如图所示为压阻式压力传感器，压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应制成的器件，也就是在单晶硅的基片或硅杯上用扩散工艺、离子注入工艺或溅射工艺制成一定形状的应变元件，当压力传感器受到压力时，传感器中的应变元件的电阻发生变化，从而输出相应的电压变化。
如图示A1、A2构成同相比例运算电路，它们的同相端连接硅压阻式传感器的输出端，A3组成一个差分比例运算电路，它将双端输入信号变为单端输出的输出电路，A4组成的电压跟随器用作零压力调整，在输入压力为零时，调整RP2可使输出为零。
电容C1在这里通过自身的充放电使电路更稳定。
因此，这个压力传感器应用电路可以通过感知压力的变化而输出一个相应的电压信号，实现了将压力参数转变成电信号输出的功能。
4.4.2红外传感器电路
图4.7反射式红外传感输入
反射式压力传感器内部由一个高发射功率红外发光二极管和一个高灵敏度红外接收管组成，它能自行发出红外光，受到外界障碍物的反射接收管的电阻会发生变化,在电路上一般以电压的变化形式体现出来，一旦接收管接收到信号，输出端将输出低电平，通过调节滑动变阻器R4可以调节红外对管的灵敏度，当红外对管检测到白线或黑线却不能送出信号时，可以调节R4来增大其灵敏度。
4.5夜灯模式电路设计
红外传感输入经一个非门后给三极管Q1发射极一个高电平信号，当外界光照强度下降时，光敏电阻R1的阻值急剧增大，导致三极管Q2基极电压变为低电平后截至，三极管Q3导通且集电极变成低电平，及Q1基极变为低电平，于是三极管Q1导通。
Q1导通后给双极性可控硅一个触发电平，可控硅导通，点灯被点亮开始工作。
图4.8夜灯模式电路
5FPGA控制系统
5.1温度控制部分
5.1.1温度控制工作原理简析
温度传感器感应到外界温度后将非电量转化为电流量输出，通过以运算放大器为核心的电路处理后变为电压量输出，此模拟电压量须输入A/D转换器件ADC0809转换为数字
量输出，转换后的数字量送入FPGA芯片与人为设定的基准温度进行比较，低于基准温度则给加热电路一个加热信号，等于或高于则停止加热。
5.1.2温度控制部分程序，波形及RTL图
VHDL程序如下：
LIBRARYIEEE;
USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
USEIEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
ENTITYJIAREIS
PORT（ADdata:
INSTD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;--ADC0809转换输入数据；
J_R:
INSTD_LOGIC;--按键输入；
C_Z:
OUTSTD_LOGIC）;--输出控制后续电路信号；
ENDENTITYJIARE;
ARCHITECTUREBHVOFJIAREIS
SIGNALX_Z:
INTEGERRANGE1TO3;
SIGNALQ:
STD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;
SIGNALADout:
STD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;
BEGIN
PROCESS（J_R,Q,ADdata）BEGIN
IFJ_R'EVENTANDJ_R='0'THENX_Z<=X_Z+1;
ENDIF;
CASE（X_Z）IS
WHEN1=>Q<="00100010";--选择基准温度34度；
WHEN2=>Q<="00100101";--选择基准温度37度；
WHEN3=>Q<="00101000";--选择基准温度40度；
WHENOTHERS=>Q<="00100010";
ENDCASE;
ADout<=CONV_STD_LOGIC_VECTOR（CONV_I
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