智能马桶方案设计开发

现阶段，随着科技的不断进步，智能马桶已经逐渐走进千家万户，人们对于智能马桶的性能要求也在进一步提高。利用PSD的人体运动检测方式已经无法满足人们的需求，将微波传感技术应用于智能马桶中，设计出更加简洁时尚的卫浴风格，提高智能马桶的功能，满足人类的需求，可以更好地推动相关行业不断发展，为国家的经济发展贡献力量。

一、智能马桶所用的微波传感技术原理

1.1传统智能马桶应用的检测原理

传统的智能马桶通过在马桶中安装位置敏感器以及红外监测器来对人体运动进行检测，虽然能够较为准确地判断出人体动作，但是容易受到周围环境的影响而导致检测出错。红外检测器作为被动的运动传感器，很容易受到温度等环境的影响。而且这两种人体检测工具都无法应用在非透明的材质中，往往需要在马桶上另外设置窗口来达到检测的目的，严重影响了马桶的整体设计效果。使用微波传感技能利用开普勒原理来实现对于人体运动检测的功能，在保证马桶整体设计效果的同时，也能够更准确地检测人体运动。

1.2微波传感技术人体运动检测原理

微波传感技术通过发射高频率的电磁波到空中，覆盖马桶周围，当人体接近马桶时就自然进入了微波传感器的覆盖面，微波传感器发射出来的电磁波在触碰到人体后自动反射折回，传感器根据接收到的电磁波，输出中频信号，即为多普勒信号。多普勒信号通过陷波器除去信号中的噪音，通过放大信号，传入单片机进行识别，最终衡量信号频率来做出相应的反应动作。多普勒信号进入单片机后，通过采集处理等模块，进行不同的信号处理，检测频率模块进侧出信号的频率，幅值检测模块检测出信号的幅值，最后到达信号处理模块。利用得出来的信息以及机器最初的设定值处理信号的概率信息，并传回单片机，对本次执行的动作任务进行反馈。当无人使用时，微波传感技术所发出的多普勒信号的幅值和频率相对保持不动；当有人靠近时，微波传感器自动感应到距离和运动速度，信号的幅值也会相对上升；在人离开时，信号幅值相对下降。多普勒信号的幅值和频率分别由人和智能马桶之间的位置以及二者相对的运动速度决定。

1.3微波传感技术人体检测运动流程

以某智能卫浴系统设计企业为例。该企业设计的智能马桶，核心是由单片机对人体接近进行检测。假定预设值的幅值频率以及相应的判定条件后，对该企业设计的智能马桶进行功能数据变化检测。当试验员朝着微波传感器的方向移动，多普勒信号就会不断增加，但是由于实验员和传感器还有一定的距离，信号中还有很多噪音和杂声，在通过信号滤波器的处理过后，将信号通过低频放大器进行不断的放大。在放大的过程中采用交流耦合的方法，不仅能够有效去除信号中的直流成分，还能够让信号在放大过程中保持清晰，单凭低频放大器处理过后的信号不能让单片机识别。该企业的技术人员为了解决这一问题，将被放大了的信号通过可调放大器进一步放大，再利用数控技术控制信号放大的程度，直到多普勒信号可以被识别为止。

根据企业所使用的单片机功能确定可调放大器的放大倍数，同时记录员记录此时的幅值和频率，将放大后的多普勒信号直接输入单片机做进一步处理。因为试验员在不断接近，幅值和频率也在不断变化，记录员除了要对信号进行记录之外，还要通过计算机技术记录并存储幅值和频率，并通过算法进行总结规律。和最初预设的条件进行对比发现，幅值和频率在逐渐增加且幅值是一条上升的曲线时，微波传感控制器就会自动判断，试验员为有效的接近，进而执行相应的动作信号输出；反之，如果条件不满足，微波传感控制器则不会有任何信号输出的反应。通过该企业技术人员在事后输出的波形图中，发现当试验员从远处移动到智能马桶前方时，经过相关软件检测后得出信号的整条曲线都成上升趋势的结论；而在尾部波形曲线有一定的下降趋势，此时试验员刚好走到智能马桶的位置，并且停止移动，此时虽然波形下降，但是马桶接收到微波智能传感的相应命令已经做出了翻盖等动作任务。而在试验员远离多普勒传感器向远处移动的过程中，微波检测装置检测到的波形图整体呈下降趋势；当波形下降到距离有效位置最长的时候，智能马桶根据响应命令执行冲刷以及关盖的任务。

同时，让试验员从侧面接近微波传感器，通过后期形成的波形图可知整体呈上升趋势。单片机通过收集相应的多普勒信号，并且检测出相应的幅值和频率，在对信号进行处理后，提取出相应的变化趋势。根据趋势走向信息做出预判，最终执行相应的命令信号输出。单片机在对动作判定的过程中主要依靠幅值和频率以及整体变化趋势，这三个方面都要在事先进行预设，通过控制器的计算机系统将采集分析后的信息和预设信息进行对比，满足全部条件则判定为有效，执行相应的动作，如果任何一个条件不满足，都视为无效判定。通过这样的判定流程以及特定的判定条件，实现了微波传感技术在智能马桶中的应用。

二、智能马桶传感硬件设计

2.1智能马桶系统单片机设计

单片机在微波传感系统中是最为核心的存在，通过单片机对微波传感释放出的多普勒信号进行判定，并且输出相应的信号动作。某智能马桶中使用的单片机为美国出产的八位单片机，该单片机的性能较好，且具有较大含量的存储功能，可以存储系统的参数设置，运用后期的软件初始化中。除此之外，该单片机还有丰富的外设功能，不需要进行额外的设置，加强了功能的一体化，简化了设计步骤，最大程度地降低了设计成本。目前，国内所使用的单片机中大部分应用A/D转换器对多普勒信号进行收集处理，通过10位的转换器将信号输送给处理模块进行分析，同时在系统中使用增强通信的串口模块，加强智能马桶的主控制系统和单片机之间的通信，保证信息可以及时地传送给智能马桶的主控制系统，根据人体动作做出相应的反应。

2.2微波传感器应用优势

微波传感器是体现微波传感技术的主要硬件，体积较小，且功耗较低，灵敏度高，对于智能马桶的人体检测，是可以被广泛应用的非常理想的设备。通过设备自带的微天线发出高频电磁波，根据电磁波反射回来的反射波进行判断，最终形成多普勒信号。如果没有微波传感器，微波传感技术也就失去了意义。

以某企业研发的智能马桶为例。该企业使用的微波移动传感器能能够形成X波段的移动传感多普勒信号，通过多普勒信号的形成原理，将具备中频信号特征的多普勒信号经过处理传送给单片机。微波传感器作为实现智能马桶的基础设备，除了要具备良好的发射信号功能，还要保证和智能马桶的设备感较为统一。

2.3微波传感技术的陷波器和电路

从微波传感技术的运作原理中可以得知，通过微波传感器释放出来的多普勒信号进行判断，但在移动过程中信号中的噪音和杂声较多，信号整体变化较为缓慢，需要设置相应的陷波器和整形电路对信号进行处理，将信号处理后，保证信号的清晰明确，再进行下一步的扩大，从根本上保证信号的准确无误，不会造成单片机的误判。在使用智能马桶的过程中，微波传感技术主要针对人体的运动进行检测，首要检测目标的运动就是靠近和离开，某智能马桶的设计人员在不断的分析过程中发现，微波传感技术中信号频率集中在30～80Hz之间浮动，一旦受到环境和电网中的辐射干扰，频率容易增加到100Hz甚至120Hz，造成整体信号判断失误，发生错误动作。

在整体设计中加入了陷波器和整形电路对信号进行处理：首先，通过陷波器，处理外部环境的干扰，让信号保持在正常频率上；其次，通过整形电路对信号进行整形，剔除掉其中的干扰信号，保证单片机可以更加准确地判断出多普勒信号的频率。经过该实验人员对安装陷波器和整形电路后，外界环境的赫兹被陷波器弱化，杂乱频率被滤波器有效地滤除。只有在信号的频率一定的基础上，才能保证后期的相关设备对于信号的判定更加准确。

2.4微波传感技术可调增益放大器

微波传感技术所释放出来的电磁波相对较弱，无法被单片机有效感应，只能通过数控可调的增益放大器相对程度地放大信号，保证单片机可以有效接收到相应的信号进行判断。多普勒信号在传递过程中，信号会逐渐减弱，但是不同智能马桶所应用的微波传感器不同，单片机的型号也各不相同，通过低频放大器后的多普勒信号仍然较为微弱，只有利用数控可调的增益放大器，才可以实现单片机接收信号的功能。根据不同单片机的功能，对放大信号的倍数进行调节控制，保证信号可以被单片机有效接收。以某卫浴企业开发设计的智能马桶中使用的数控可调增益放大器为例。该放大器包括固定放大器以及可调放大器两种类型，放大器通过调整电位器的电阻数值实现增益调整，电位器是由美国生产的数字电位器，属于成本较低的50kΩ。在该电位器中还具有对接口滑动端的控制，根据信号递增递减不同的串行程度达到控制滑动端的目的，但是因为其本身的易失性，在断电后无法保存当前对于滑动端的控制值。所以，该企业将滑动端的数值保存到系统软件中，在系统开始时，通过系统初始化将滑动端数值恢复，利用这种方法使得增益调整更加完善，调整后的信号被单片机完美的接收。数控可调增益放大器是微波传感技术中最为关键的部分，只有通过放大器，才能有保证后续判断动作的运行。

三、智能马桶的微波传感技术软件设计

在设计微波传感技术的硬件技术后，还要针对微波传感技术进行相应的软件技术设计。软件系统主要包括初始化系统、波形采集系统、幅值和频率监测系统以及通信和信号灵敏度系统进行检测。软件在开始后，首先，要将设备进行初始化，包括系统自身以及内部和外部的功能初始化，随后对灵敏度以及判决参数进行设置。这个步骤是软件运行流程中最为关键的步骤，只有提高了系统的灵敏度和判决参数，才能保证系统的正常准确的运行。其次，利用通信模块对马桶实行相应的指令，此时软件自身根据反馈出来的波形采集模块的信号反应，对信号的幅值和频率进行检测处理，分析过后，判断控制指令成立，输出相应的指令信号，马桶完成指令；如果判断指令无效，就相应地输出无效的信号。

总结

本文通过对微波传感技术在智能马桶中的应用原理进行详细讨论，根据相关的原理设计了智能马桶的各个硬件和软件的功能，主要体现通过微波传感系统检测人体的运动，并根据人体的运动做出相应的反应，比如控制马桶翻盖、冲刷等，进而提高智能马桶的相关功能，进一步推广智能马桶在生活中的应用。

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