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基于STM32的红外感应饮水机漏水检测装置

2024-08-28 49 上传者：管理员

摘要：传统的饮水机往往无法做到在漏水时第一时间给出漏水提醒，导致了水资源和用电的浪费，针对这一问题提出了一种基于STM32为核心控制的红外感应饮水机漏水检测装置，该设计由STM32主控模块、人体红外感应模块、漏水检测模块、OLED显示模块、蜂鸣器模块与GA6-B短信模块构成，实现了对饮水机漏水的检测，以及当出现漏水时能及时给予用户提醒，从而避免了因饮水机漏水维修不及时或者未被他人发现而造成水资源和用电的浪费。在经过反复的实验与测试后，该装置能很好地实现上述功能，检测相对稳定。

关键词：
STM32
人体红外
信息传输
智能家居
漏水检测
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近年来，智能家居技术的飞速发展为我们的生活带来了诸多便利和舒适，但也存在例如饮水机水龙头漏水的问题，这可能导致资源浪费和安全事故。因此，已有人针对这些问题提出了相应的漏水检测方法，例如刘艳妮所研究的智能漏水检测系统以漏水时水声信号来判断管道漏水[1],浙江天摩电子科技有限公司的黄峰等人所研究的一种漏水检测保护功能的饮水机以引水框与检测框相结合来判断是否漏水[2],但这些都并未涉及及时的漏水信息提示。而本文设计了一种基于STM32红外感应饮水机漏水检测装置，通过高精度的人体红外感应检测技术来检测是否有人使用饮水机，在无人使用时，通过漏水检测模块检测到漏水后，会给用户手机发送饮水机漏水的短信提示，从而能够迅速、准确地检测到饮水机水龙头的漏水情况，为我们提供了一个及时发现并预防漏水问题的有效工具。

1、系统硬件设计

1.1系统的组成结构饮水机漏水检测装置由STM32主控模块、人体红外感应模块、漏水检测模块、OLED显示模块、信息发送模块以及蜂鸣器模块，系统的结构框图如图1所示。以STM32F103C8T6单片机作为主控制器的核心[3-4],用于处理来自各模块所输送的信息；人体红外感应模块用于检测饮水机前是否有人在用水[5];漏水检测模块用于当无人用水时检测到水龙头出水，则将其判断为饮水机漏水；OLED显示模块用于显示饮水机当前的状态，包括有人、无人及无人时饮水机漏水三种情况；蜂鸣器模块在检测到饮水机水龙头漏水时，会通过发出蜂鸣声响来提示饮水机出现漏水问题；之后GA6-B短信模块会将饮水机漏水的情况通过短信的形式发送至用户手机端来提示用户，从而避免了水资源的浪费。

图1系统的结构框图

1.2 STM32F103C8T6主控模块

STM32F103C8T6是一款32位的ARM cortex-M3内核的微控制器模块，拥有强大的性能与丰富的功能，运行频率可高达72MHz,具有64KB的Flash存储器和20KB的静态ARM,同时支持SPI、I2C及USART等多种串行通信接口，支持多个ADC通道和GPIO引脚，支持直接内存访问，从而实现高速数据传输和处理。该模块工作时可以使用2.0～3.6V直流电压(实验时可通过连接电脑USB或者充电宝即可),带有两个外部晶振电路来提供较为稳定的始终信号给微控制器模块或其他电子设备，同时带有一个按键复位电路及一个电源电路(AMS1117-3.3V芯片)[6-10]。

1.3人体红外感应模块

常用的人体红外检测模块包含有HC-SR501人体红外感应模块[10-11]、E18-D80NK模块及红外对管避障传感器模块(TCRT5000)等，表1是三者的功能参数对比。从表1中可知，由于是用于饮水机水龙头的漏水检测，所以感应距离应该尽量短一些才不会出现只是有人经过便感应到人，从而将其判定为有人的情况，因此选用工作距离在2～30cm的红外对管避障传感器模块作为人体红外检测模块。该传感器的探测距离可以通过电位器调节，顺时针调电位器检测距离增加，逆时针调电位器检测距离减少，且对环境光线适应能力强，具有干扰小、便于装配、使用方便等特点，广泛应用于机器人避障、避障小车和智能家电等众多场合。红外对管避障传感器模块的工作原理是基于红外传感技术。模块由一个红外发射器和红外接收器组成，在模块工作时，发射器发射出红外光束，当光束被障碍物遮挡时，部分或全部的红外光会被遮挡，无法到达接收器，此时接收器会检测到光信号的变化，并将光信号转化为电信号输出。根据输出信号的变化，可以确定是否由障碍物(即人体)存在。

表1人体红外感应模块功能参数对比

人体红外感应模块名称工作电压/V静态电流/μA工作距离/cm感应角度HC-SR501 5 <50 300～700 <120°E18-D80NK 3.3～5 <20 3～80 <80° 红外对管避障传感器模块3.3～5 <20 2～30≈35° 人体红外感应模块检测电路图如图2所示：

图2人体红外感应检测电路图

1.4漏水检测模块

凹槽型漏水检测模块主要基于红外线感应技术或压力感应技术实现。通过内置的感应器监测凹槽型结构内部的湿度或水压变化，一旦发现异常，立即发出警报，该模块广泛应用于各种凹槽型管道、储水池等场所，实现快速有效检测和预警。其检测引脚连接如图3所示。

图3漏水检测模块

阈值判定公式：检测模块通过测量的距离数据来判定是否存在物体。判定公式如下：A=d<h其中A表示存在物体，d表示距离，h表示阈值，即当距离<阈值时，则存在物体。

1.5 OLED显示模块

显示模块接上电源后会先显示无人的字样，在红外感应模块感应到人时会显示有人的字样，在检测到漏水时会显示漏水的字样。其中OLED的GND接地，VCC接5V或3.3V电源(可用充电宝或电脑USB端口作为电源),SCL接PA6,SDL接PA7。

1.6 GA6-B短信模块

GA6-B短信模块是一种低功耗、高效率、高性能的无线通信模块，具有高度集成化、高速率传输、低功耗、高稳定性和可靠性、灵活性和可扩展性等优势。GA6-B通信模块通过与GPRS网络进行通信，实现了设备与互联网之间的数据传输。

1.7蜂鸣器模块

蜂鸣器模块是一种能够发出声音的电子元件，其工作原理基于压电效应或磁性效应，以磁性蜂鸣器为例，其内部包含一个电磁线圈和一个振片。在工作时，电流通过电磁线圈，产生一个磁场，由于磁场的作用，振片会产生振动。振动通过蜂鸣器的外壳传播，并产生声音，从而实现报警的功能。

2、系统软件设计

在搭建好系统硬件设计后，进行软件流程的编写，本文采用Keil进行系统的程序编译和调试。首先对各模块初始化，然后进行人体红外感应检测，根据是否检测到人来显示不同的屏幕字样。在检测到有人时，凹槽型漏水检测模块不工作并且判定为有人在接水；在检测到无人时，凹槽型漏水检测模块工作，当其检测到水龙头漏水后，会接着进行OLED显示无人、蜂鸣器蜂鸣及传输漏水信息给用户的操作。系统软件设计流程图如图4所示：

图4系统软件流程图

3、系统测试与调整

3.1系统各个模块的测试与调整

系统各个模块的测试与调整结果如表2所示，根据人体红外感应模块距离人体的距离、输出信号灯是否亮起、OLED的显示、蜂鸣器蜂鸣以及GA6-B短信模块是否接收到信息来测试。当距离大于15cm时，判定为没有检测到人体，此时饮水机出水则视为饮水机漏水，当距离小于等于15cm时，判定为检测到人，此时饮水机出水则视为有人在接水。

表2系统各个模块的测试与调整结果

距人体的距离/cm输出信号灯是否亮起(亮/不亮) OLED显示(有人/无人)蜂鸣器蜂鸣(响/不响) GA6-B短信模块是否接收到信息20不亮无人响是18不亮无人响是16不亮无人响是15亮有人不响否14亮有人不响否12亮有人不响否10亮有人不响否0～10亮有人不响否

3.2系统总体测试结果

经过系统测试，在强光条件下红外对管避障传感器模块(TCRT5000)易受影响会导致灵敏度发生变化，从而影响红外感应人体的距离，因此实验时要避免在强光的环境下进行测试。在非强光条件下，在红外感应模块检测到人体后，输出信号灯、OLED显示、蜂鸣器蜂鸣及GA6-B短信模块发送的功能均可以实现。

结语本装置设计以STM32F103C8T6单片机为主控模块，通过人体红外感应模块与漏水检测模块来采集在无人时漏水的信息发送至主控模块，并通过OLED显示、蜂鸣器及GA6-B短信模块来告知饮水机出现漏水问题，实现了对饮水机的智能监控及出现问题时的及时反馈。通过引入该装置，我们能够更好地保护我们的家庭、学校和办公的环境，节约水资源并预防潜在的安全风险，同时符合国家提出的绿色节能的政策。

参考文献:

[1]刘艳妮.智能漏水检测系统设计[J].南方农机,2021,52(18):194-196.

[2]浙江天摩电子科技有限公司.一种具有漏水检测保护功能的饮水机:CN202320059419.9[P].2023-06-09.

[3]薛迪杰.基于ESP8266的物联网远程监控系统[J].电子制作,2021(11):34-37.

[4]吕杨,安厚儒,李蓓茹,等.基于STM32F103C8T6的智能车载安全系统设计[J].传感器与微系统,2022,41(09):95-98.

[5]陈俊妍,刘秒秒.基于STM32的智能台灯系统设计[J].中国新通信,2022,24(15):22-24,141.

[6]宋林,黄麒萱.基于STM32F103C8T6的燃气泄漏检测装置设计[J].无线互联科技,2022,19(17):79-81.

[7]周朝霞.基于STM32F103C8T6的蓝牙智能垃圾桶设计[J].无线互联科技,2022,19(12):65-67.

[8]聂茹.基于STM32F103C8T6的植保无人机设计[J].自动化技术与应用,2020,39(8):20-24.

[9]吴晓红,石丽梅,黄振兴.基于STM32F103C8T6单片机的火灾报警系统的设计与实现[J].现代信息科技,2021,5(1):171-174.

[10]王海宁,王新龙,徐若洋.一种基于红外技术的智能声控灯系统设计[J].电子世界,2019(05):152-154.

[11]袁必康,王旭,张晨旭,等.基于3D打印的智能垃圾回收装置的设计[J].现代信息科技,2020,4(03):178-179+182.

基金资助:厦门理工学院研究生创新计划项目(YKJCX 2022115);

文章来源:杨鹏,徐代升,徐耀武,等.基于STM32的红外感应饮水机漏水检测装置[J].科技风,2024,(24):7-9.

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