基于MCU的智能漏水检测系统设计

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近年来，随着自动化技术及人们生活水平的提高，智能家居的概念被越来越多的人所接受。所谓智能家居，是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。在智能家居系统中，智能防漏水系统是在家居安全里具有十分重要的作用。通常由于一时疏忽，如停水时忘关水龙头、下水不通畅、管道破损等意外原因所造成家居漏水，很多情况下事态严重，不仅是自家受损失，同一栋楼里的人也会同样受害。文中设计了一种家居智能防水系统，能自动检测选定区域的意外漏水，通过电磁阀及时切断水管，并伴随声光报警，提示出现的浸水事件，减少漏水状况的恶化，能有效地防止各种损失进一步扩大。

1 系统设计
    家居智能防水系统主要分为4个部分，包括检测组件、MCU控制部分、报警及按键电路、电磁阀及驱动电路。通过MCU的并口I／O检测水传感器状态，并控制LED显示电路及蜂鸣器报警电路，同时通过驱动电路控制水电磁阀的通断，其系统框图如图1所示。




    系统通过MCU一直监测水传感器状态，若发现漏水，通过发光LED显示和蜂鸣器报警，并延时一段时间，然后启动电磁阀关闭水管。如果家中有人，在听到报警后，检查漏水情况，可手动切断水管，或者关闭报警系统(若发现是误报警的情况下)。

2 硬件设计
2．1 水传感器检测电路
    电路采用适当的电极型水传感器，布置在需要监测的区域，可以是某一固定区域，也可以是多个区域同时监测。主要根据电极浸水阻值变化原理，通过电压检测确定传感器的状态。通过电压比较器，得到外部状态电平，并送往MCU单元进行检测处理。水感传器接口电路如图2所示。




2．2 MCU控制电路
    MCU单元电路主要完成整个系统的监测、判断、报警控制以及人机交互控制等功能。本方案中选用Atmel的89C52单片机作为控制MCU，其结构简单，价格低廉，通用性好，内部集成了CPU，RAM，ROM，定时器／计数器和多功能I／0，串口通信等部等基本功能部件，可灵活编程控制外部I／0接口。结合本案例，通过MCU的并口I／O检测水水传感器状态，并控制LED显示电路及蜂鸣器报警电路，同时通过驱动电路控制水电磁阀的通断。MCU及外围电路如图3所示。
                          
                       
                          
                               
2．3 显示及报警电路
    蜂鸣器选择有源蜂鸣器，其内部集成了多谐振荡器，只需要在外部施加必要的直流电平即可发生，其驱动及控制电路简单。同时驱动发光二极管，在检测到漏水时点亮二极管。蜂鸣器及驱动电路如图4所示，LED及驱动电路如图5所示。




2．4 电磁阀驱动电路
    电磁阀是用来控制流体方向的自动化基础元件，通常用于机械控制和工业阀门，对介质方向进行控制，从而达到对阀门开关的控制。本方案中水管在一般状态下是畅通的，所以选择常开型的电磁阀，先导阀接受电控制信号开关后带动主阀动作，切断水管，从而避免漏水状况的进一步恶化。由于单片机输出控制信号为TTL电平，不能直接控制电磁阀动作，需要增加驱动电路，如图6所示。
    图6所示电路采用光电耦合器将控制信号输出电路与电磁阀驱动电路隔离，从而抑制驱动电路的高频干扰进入控制电路部分，以保证其正常工作。电阻R6和二极管D在喷油器关闭时构成放电通路，以防止功率三极管损坏，它们和电磁阀线圈组成消弧电路。

3 软件设计
3．1 系统软件流程
    系统控制软件采用循环扫描时，实时监测水传感器状态。如果检测到传感器异常，启动声光报警电路。如果周围有人，确认是否发生了漏水，则可以手动关闭进水阀门；如果周围没有人，系统在报警后5s内启动电磁阀控制电路，自动切断进水阀门，等待人员前来解决问题。其中单片机的软件流程图如图7所示。




3．2 中断子程序设计
    在系统中将人机交互的按键行为作为中断，其优先级别比较高。在系统工作的任何过程中，都可以优先响应人工命令。其按键中断类型分为电路复位、手动关闭电磁阀、手动打开电磁阀、关闭报警等。其中断子程序流程如图8所示。





4 结语
    针对智能家居中关键区域防漏水问题，提出一种基于水传感器检测、MCU控制的方案，在检测到有漏水状况发生时，控制启动电磁阀自动关闭水管，并通过声光等方式报警。同时增加人工交互能力，优先处理人工指令。经测试及试用，本方案经济可行，电路可靠，能有效处理家居中漏水问题，同时可以扩展到机房、档案管理室、仓库等需要严格防水的地方，具有十分广阔的前景。在未来的工作中，可以考虑进一步增加该系统功能，如增加GPRS信息通信功能，可以通过接人通信网，实现报警信息的远程发送等；也可以将通过电力线通信接入物业服务网络，实现远程监测及控制等。