劉明德，熊文凱，王 江

（江西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330013）

隨著中國老齡化進(jìn)程的加快，針對(duì)老人的用品也越來越受到各方面的重視。市面上如廁裝置絕大多數(shù)不具備助力作用，很少有完全以滿足老年人需求的坐便器[1]。文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)的一款老人用助力起身馬桶，以電動(dòng)缸作為頂起動(dòng)力源，通過四連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)助力起身功能，該機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、助力效果好、易于對(duì)現(xiàn)有馬桶進(jìn)行改造等優(yōu)點(diǎn)，具有較好的推廣前景。由于筆者最初的設(shè)計(jì)主要目的是為老人助力起身，也包含了臀部洗凈、女性洗凈和電控沖洗等智能馬桶功能，但在其他功能方面還存在一些不足，比如需要手動(dòng)按按鈕控制助力起身裝置動(dòng)作，不能自動(dòng)識(shí)別是否有人前來如廁；還有如廁結(jié)束后需要通過手動(dòng)操作按鈕，使起身裝置回位。

智能馬桶蓋新國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23131—2019《家用和類似用途電坐便器便座》已經(jīng)對(duì)智能馬桶的設(shè)計(jì)有了標(biāo)準(zhǔn)要求。智能馬桶的主要功能包括臀部洗凈、位置調(diào)節(jié)、移動(dòng)清洗、按摩、溫暖便座、溫度調(diào)節(jié)、暖風(fēng)烘干、自動(dòng)除臭、便座緩沖、自動(dòng)感應(yīng)、自動(dòng)沖洗、噴頭自潔、節(jié)電功能、無線遙控和安全防護(hù)等[3]。有的智能馬桶還添加了基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧檢測(cè)系統(tǒng)[4]。然而，用戶在使用智能馬桶時(shí)，更關(guān)注產(chǎn)品是否具備一些基本的功能[5]。其實(shí)過多的附加功能對(duì)老人反而會(huì)增加麻煩，只有基本功能好用、易用的產(chǎn)品才容易被廣大消費(fèi)者認(rèn)可。

針對(duì)現(xiàn)有的老人用的具有助力起身功能的馬桶，為如廁老人更加方便地使用馬桶，增加自動(dòng)開關(guān)蓋板的功能，如廁完畢能夠自動(dòng)沖洗馬桶，可減少老人按鍵操作，對(duì)老人的幫助較為明顯。為此，提出以下改進(jìn)目標(biāo)：①當(dāng)使用人靠近馬桶時(shí)，蓋板要能自動(dòng)打開；②當(dāng)使用人離開時(shí)，馬桶蓋要能自動(dòng)關(guān)閉、自動(dòng)沖洗馬桶；③當(dāng)有人經(jīng)過馬桶前方時(shí)，要解決誤觸發(fā)開蓋的問題。由于有些功能在改進(jìn)前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，詳見文獻(xiàn)[2]，以下著重?cái)⑹鲎詣?dòng)開關(guān)蓋方面的技術(shù)實(shí)現(xiàn)問題。

1 硬件實(shí)現(xiàn)

1.1 電源電路

系統(tǒng)主電源為12 V直流電，用于電機(jī)供電。控制電路用電為5 V直流電，電路如圖1所示，通過由XL1509把12 V電壓轉(zhuǎn)換輸出為5 V。限位開關(guān)用的3.3 V電源由LM1117F-3.3把5 V電壓轉(zhuǎn)換輸出為3.3 V，電路如圖2所示。

圖1 5 V電源電路

圖2 3.3 V電源電路

1.2 主芯片控制電路

主芯片控制電路如圖3所示，主控制芯片為一片ATMEGA328P-AU統(tǒng)一控制，使用了五路I/O端口。其中，PD2作為輸入開關(guān)量，連接D2，用于人體感應(yīng)傳感器；PD3作為輸入開關(guān)量，連接D3，用于檢測(cè)開蓋到位信號(hào)；PD4作為輸入開關(guān)量，連接D4，用于檢測(cè)關(guān)蓋到位信號(hào)；PB0和PB2作為輸出開關(guān)量，分別連接D8和D10這2個(gè)控制繼電器的線圈，用于控制蓋板的開與關(guān)，D8用于控制電機(jī)是否通電，D10用于控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)（正轉(zhuǎn)為開蓋，反轉(zhuǎn)為關(guān)蓋）。其他端口為輔助電路用。

圖3 主芯片控制電路

1.3 傳感器電路

總共設(shè)有3個(gè)傳感器，傳感器電路如圖4所示。1個(gè)人體感應(yīng)模塊（P11），該模塊有3個(gè)接線端，2根線用于連接5 V電源，1個(gè)輸出端連接到主控芯片的PD2端口，當(dāng)該傳感器檢測(cè)到有人到達(dá)馬桶前方時(shí)，該端口電平由低電平轉(zhuǎn)為高電平。2個(gè)限位開關(guān)，連接到主控芯片的PD3和PD4端口，當(dāng)蓋板打開到位時(shí)，限位開關(guān)S3導(dǎo)通，PD3端口電平由高變低；當(dāng)蓋板關(guān)閉到位時(shí)，限位開關(guān)S4導(dǎo)通，PD4端口電平由高變低?？刂破鞲鶕?jù)3個(gè)傳感器的狀態(tài)再結(jié)合定時(shí)器的狀態(tài)控制電機(jī)的動(dòng)作。

圖4 傳感器電路

1.4 電機(jī)的控制電路

電機(jī)的控制電路如圖5所示，由于電機(jī)B1的功耗較大，加上電機(jī)的電磁感應(yīng)干擾較大，因此，主控電路是通過控制繼電器對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)控制的。將主控芯片的PB0輸出端口連接到繼電器線圈D8端，控制繼電器觸點(diǎn)K1，控制直流減速電機(jī)是否通電；將主控芯片的PB2輸出端口連接到繼電器線圈D10端，控制繼電器觸點(diǎn)K3，控制電機(jī)電流方向，從而控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)蓋板的打開和關(guān)閉，電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，蓋板打開，反之，蓋板關(guān)閉。

圖5 電機(jī)的控制電路

2 軟件實(shí)現(xiàn)

當(dāng)傳感器P11電平由低變高時(shí)，表示有人出現(xiàn)在馬桶前方較近位置。由于衛(wèi)生間一般較小，不一定有人經(jīng)過馬桶都是要使用，可能是僅僅路過。為避免誤動(dòng)作，當(dāng)收到信號(hào)時(shí)，先啟動(dòng)定時(shí)器，如果在3 s后，傳感器P11還是輸出高電平，則認(rèn)為有人有如廁意愿，控制電機(jī)把蓋板打開。當(dāng)蓋板打開到達(dá)位置后，關(guān)閉電機(jī)電源。

當(dāng)傳感器P11輸出電平由高變低后，也啟動(dòng)定時(shí)器，如果3 s后，傳感器P11還是輸出低電平，則認(rèn)為人已離開，控制電機(jī)把蓋板關(guān)閉。當(dāng)蓋板關(guān)閉到位后，關(guān)閉電機(jī)電源。具體程序如下：

3 結(jié)束語

國內(nèi)智能坐便器生產(chǎn)制造技術(shù)趨于成熟，然而，國內(nèi)智能坐便器普及率還很低。智能坐便器在國內(nèi)擁有巨大的市場(chǎng)待挖掘[6]。對(duì)于專為老人設(shè)計(jì)的智能馬桶將會(huì)有廣闊的市場(chǎng)前景。經(jīng)過改進(jìn)后的老人用助力起身馬桶具有以下功能特點(diǎn)：①老人到達(dá)如廁位置時(shí)，無需任何操作，馬桶蓋能自動(dòng)打開，助力起身裝置會(huì)自動(dòng)升起，輔助老人輕松坐下；②如廁完畢，一鍵洗凈烘干；③一鍵助力起身，對(duì)腿腳功能退化的老人幫助極大；④老人離開后，自動(dòng)沖洗馬桶，自動(dòng)關(guān)蓋板，減少了老人的操作。通過實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)過改進(jìn)后的老人用助力起身馬桶效果確實(shí)較好，對(duì)老人的幫助較為明顯，具有很好的市場(chǎng)推廣價(jià)值。