CN2460602Y - 超声测距自动节水器具 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种超声测距自动节水器具,可实现给水器具水源通断自动控制,其利用超声测距和动态补偿原理,由脉冲发生器配合具有延迟功能的时序分配器输出三路门信号,分别控制超声波发射电路和两个模拟开关,又由超声波接收、检波、放大电路将放大的反射信号经两个模拟开关和两路充电积分电路,接入比较器电路使驱动电路截止或导通,从而控制电磁阀通断,而实现水源的自动通断控制,本实用新型可有效克服环境无序干扰和“混响”“串扰”,提高了整机可靠性,有较强实用性和扩展性,满足部颁标准CJ/T3081—1999技术要求,有利于推广应用。

Description

超声测距自动节水器具

本实用新型涉及非接触式(电子)给水器具的自动控制设计，特别是一种运用超声波反射测距和动态判别原理而实现给水器自动控制的超声测距自动节水器具，它可广泛地应用于机关、企事业单位、公共浴室、宾馆、饭店等单位的淋浴、冲便池、洗手池等场合。

由于超声波是以纵波和横波的形式传输的，其反射波特性和多种因素有关：1、选择不同的类型的发射接收探头，反射波信号的强弱和波形就有较大差异。2、应用环境和空间不同，遮挡物“混响”拖尾明显不同，特别是同室有多台超声产品同时工作时，常会导致无序干扰。3、由于人的头发和衣料对超声波有吸收作用，会导致反射波信号衰减，使信噪比变差。4、雾气和水流柱对反射信号会产生随机的动态干扰。

基于上述原因，目前单纯采用超声测距原理设计的电子控制的自动节水器，较难以实现它的正常使用功能，可靠性差，其实用性和推广应用受到一定制约。

有鉴于此，本实用新型的目的是提供一种超声测距自动节水器具，它的电子控制电路采用了对现场数据波形进行采集、分析和量化，并有针对性的采取地面反射波动态自动补偿原理，从而增强了抗干扰能力，提高了整机灵敏度和信噪比，使其技术指标满足国家建设部制定的《非接触式(电子)给水器具》(CJ/T3081-1999)标准的技术要求。

图1、本实用新型电子控制原理方框图

图2、本实用新型电子控制原理电路图

图3、实施例超声测距自动淋浴器安装示意图

现结合图1所示原理方框图来说明本实用新型的目的是如何实现的。为了叙述简便，仅以单台淋浴器的电子控制原理为例来说明本实用新型的电子控制原理。

由图1所示看出，本实用新型的电子控制电路是由两大部分组成的，点划线上方为集中控制电路部分，在实施中该部分将以配电箱形式安装在配电室或更衣室干燥处；点划线下方表示有多台并连的给水器具。例如淋浴器喷头，并给出了单台给水器-淋浴喷头的电子控制原理方框图，在实施时，该部分电子控制电路密封安装在喷头壳体内，并用导线与集中控制部分电路相连。图中虚线连接电路为实施例冲便器的附加电路。

现将各单元部分叙述如下：

1．电源变压器经漏电保护器将市电(220V)转换为低压交流电源，再经整流滤波电路变成低压直流电源，供集中控制电路和多台淋浴器(给水器)喷头同时使用。这里采用低于36V电压供电，旨在贯彻部颁《非接触式(电子)给水器具》(CJ/T3081-1999)标准中安全性的技术要求。

2．脉冲发生器与时序分配器组合同步输出三路门信号K₁、K₂、K₃，同时输至每个淋浴喷头，经保护电路后，门信号K₁、K₂、K₃变为K₁’、K₂’、K₃’(二者实际上相同)，顺序开关超声波发射电路和两路接收门电路控制范围模拟开关及地面反射波模拟开关电路。这也就是说，用于测距的一串超声波发射信号，可同时获得两路测距的反射信号。这里需要附带说明的是由于发射门信号和接收门信号均有一定的脉宽，因而其实际上探测的是同一范围。

3．时序分配器增设延迟电路，可以避免工作环境“混响”反射波拖尾带来的干扰。

4．点划线下方为并连着多台淋浴器(给水器)喷头，它们是处于同步发射和接收工作状态：

a、对应于K₁(K₁’)导通区间，多台淋浴器的超声波发射电路同时发出一串超声波探测信号。

b、超声波接收检波、放大电路处于连续工作状态，其功能是将反射波信号转换成为放大的包络线信号，该包络线各点电压的高低描述了对应时间反射波的强弱。该包络线信号输至两路模拟开关。

c、对应于K₂(K₂’)导通区间，若控制范围内有人体，包络线对应时段为高电平输出，于是以泵电路的形式使充电积分电路Ⅰ输出高电平。

d、同理，对应于K₃(K₃’)导通区间，若控制范围内没有人时，包络线对应地面反射波时段为高电平输出，于是充电积分电路Ⅱ输出高电平，经由比较器电路判别输出为零，于是驱动电路和电磁阀电路处于截止和关断状态。

实际使用过程中，当人体进入淋浴器喷头下方控制范围时，使充电积分电路Ⅰ输出高电平的同时，由于人体遮挡了大部分地面反射波信号，至使充电积分电路Ⅱ输出电平降低，比较器将输出高电平，经驱动电路，使电磁阀导通，水源接通。由此看出，本设计方案引入了类似于跷跷板的动态补偿方法，来确保水源通断的可靠性。图2为本实用新型电子控制原理电路图。为叙述简便仍以单台淋浴器喷头电子控制电路为例对各单元电路简述如下：

1．如图2所示点划线上方集中控制部分的电源是由市电220V通过漏电保护器经变压器B1转换成为低电压(约21V)，由二极管D₁₅～D₁₈全桥整流和电容C₁滤波成为低压直流电源：一路输至三端稳压器IC₁作为集中控制电路的工作电源，另一路输至浴室多台淋浴器喷头的控制电路同时使用，其中二极管D₁₅～D₁₈的工作电流和电容C₁容量由所接淋浴器的数量确定。

2．电阻R₁～R₅、电容C₂、电位器W₁、集成电路IC₂接成振荡器电路以产生脉冲发射信号，其中W₁用作频率微调。

3．电阻R₇～R₈、电容C₃、二极管D₁～D₇，集成电路IC₃接成具有延迟功能的时序分配器电路，其延迟功能是这样实现的：当计数器IC₃回零时，Q₀端由低电平转为高电平，经由C₃微分使R₀端在一段时间内处于高电平，即为清零，并保持状态，使来自R₆的脉冲信号停止进位。电容C₃和电阻R₇组成的时间常数将确定延迟时间的长短，一般延迟时间应大于30MS。二极管D₁～D₇分别合成三路开关信号分别经分压电阻R₈～R₁₃的A、B、C点输出。由于超声波传输速度基本恒定，所以三路开关信号依据距离和时间有相对应的关系。其中K₂(K₂’)区间应覆盖控制范围，K₃(K₃’)区间应覆盖地面。

4．由电阻R₁₄～R₁₆、晶体管BG₁～BG₆接成三路互补跟随器输出电路将三路开关信号分别成为三路门信号K₁、K₂、K₃输出，该电路的作用是降低输出阻抗，便于远距离传输。其中电阻R₁₄～R₁₆是为了传输中若发生信号线与电源线或地线短路时避免晶体管损坏而设置的保护电阻，同时由于R₁₄～R₁₆的串入还可以较方便地增设短路警示、报警装置。

5．如图2所示，点划线下方为单台淋浴器(给水器)喷头的电子控制原理电路图。来自接插头J₁的电源经三端稳压器IC₄成为供本台控制电路使用的工作电源。来自J₁的三路门信号K₁、K₂、K₃分别经由R₂₁～R₂₃，二极管D₈～D₁₀组成的保护电路输出，记为K₁’、K₂’、K₃’，二者实质上是相同的脉冲信号。三路输出脉冲信号K₁’、K₂’、K₃’分别输至三路模拟开关IC_9-1、IC_9-2、IC_9-3的控制端。

6．由电阻R₂₄～R₂₈、电容C₄～C₇、晶体管BG₇、BG₈和超声波发射头T接成串联式自激振荡器，对应于K₁’控制的模拟开关HC_9-1导通区间，该振荡器将发射出一串超声波探测信号。

7．由电阻R₂₉～R₃₁、电位器W₃、电容C₈、集成电路IC₅、IC₆和超声波接收探头R接成两级反相放大器，用以接收和放大反射波信号，其中电位器W₃用于放大倍数微调，由于采用单电源供电，为使集成电路工作在最佳状态，增设了由电阻R₃₂、R₃₃组成的分压电路，使Q点电压约为电源电压的1/3。

8．放大后的反射波信号经由二极管D₁₁、电容C₁₀、电阻R₃₄接成的检波电路后于D点获得反射波包络线信号，再进入放大电路。

9．由电阻R₃₅、R₃₆、集成电路IC₇接成同相放大器电路，其可将反射波包络线信号放大于F点输出至两路模拟开关电路。该级放大倍数与R₃₆和R₃₅的比值有关。

10．假设淋浴喷头下方控制范围内没有人，对应于K₂’的控制范围模拟开关HC_9-2导通期间，就没有反射波信号，包络线信号对应该时段处于低电平信号，从而由电阻R₃₈、电容C₁₂、二极管D₁₃、电位器W₂组成的充电积分电路不会导通，即C₁₂上无充电信号，则M点处于低电平状态。与此同时，对应于K₃’的地面反射波模拟开关HC_9-3导通区间，由于无人遮挡，地面反射波信号较强，对应该时段包络线信号处于高电平信号，导致由电位器W₂、二极管D₁₂、电阻R₃₇、电容C₁₁充电积分电路实现泵式充电，即C₁₁上有充电信号，则N点处于高电平状态。从而使由电阻R₃₉、R₄₀、集成电阻IC₈组成的比较器电路输出端H点为零，则驱动电路BG₉截止，电磁阀DCF不导通，水源关断。其中：R₃₇、R₃₈分别为C₁₁、C₁₂提供放电回路；R₃₉、R₄₀接成正反馈回差电路以防止电磁阀DCF的颤动；D₁₄为BG₉通断提供保护作用；W₂有平衡调节作用，以克服电路参数的离散性及由喷头安装高度带来的误差。

反之，当人体进入淋浴喷头下方控制范围时，前述的两路泵式充电积分电路工作状态将进行逆向转换，也就是说由于人体遮挡了大部分地面反射波信号，M点电平逐步升高的同时，N点电平降低，则IC₈输出端H点为高电平，从而BG₉导通，开启电磁阀DCF，接通水源，进行淋浴。这样就实现了淋浴喷头水源通断的自动化控制，可以达到有效地节约用水的目的。

实施例1、超声测距自动节水淋浴器。

如图3所示为超声测距自动节水淋浴器安装示意图

淋浴喷头的电子控制电路安装在淋浴器喷头1的密封壳体内，其中超声波发射探头(T)和接收探头(R)2安装喷头前端，集中部分电路与喷头控制电路由电缆3和接插头4、5连接，6为进水管、7为地面、8为人体。H₁为控制范围、H₂为地面反射波探测范围。

实施例2、超声测距自动洗手器。

利用前述电子控制工作原理，只需将时序分配器的参数作相应调整：将洗手池池底视作地面，将手掌视为人体即可，其喷头结构形式及其安装方式可参照实施例1来实现。

实施例3、超声测距自动冲便器。

由于冲便器(如小便斗、沟槽式小便池、蹲便坑等)需要延迟冲水，也就是说人体离开控制范围后，自动冲水一段时间。

该实施例的设计方案如图1方框图所示虚线连接部分那样，即比较器的输出信号先经过负沿触发单稳定时电路后再接入驱动电路及电磁阀电路。该实施例原理电路如图2右下方所示：断开J点，并将H点和P点短接，Z点和R₄₁连接。

如前所述对应于控制范围内有人时，H点(即P点)为高电平，假设电阻R₁₀₁、R₁₀₂、R₁₀₃的阻值相同，而R₁₀₄阻值远大于R₁₀₃，这样X点电平将逐步升高至电源电压的2/3，该时段内二极管D₁₀₁导通、电容C₁₀₁被充电，而且X点电平略高于Y点电平，则比较器IC₁₀₁输出(Z点)为零。当人离开后，H点(即P点)回零，X点电平跳变为电源电压的1/3(由R₁₀₁～R₁₀₃分压值确定)，由于此时Y点电平仍为近于电源电压的2/3，从而使比较器IC₁₀₁输出(Z点)为高电平，经R₄₁使BG₉导通，电磁阀DCF启动接通水源冲水。随着R₁₀₄对C₁₀₁的放电，Y点电平逐渐降到电源电压的1/3时，比较器IC₁₀₁输出回零，使BG₉截止、电磁阀DCF关断水源，停止冲水。由上述看出，R₁₀₄、C₁₀₁组成的时间常数将确定冲水时间。

综上所述，本实用新型具有如下显著特点：

1．由于采用了集中时序分配器电路，实现多台淋浴喷头同步发射和接收，又由于时序分配器电路引入了延迟电路，同步信号周期变长，避免了环境干扰，克服了“混响”“串扰”和误动作的发生。有效地贯彻了CJ/T3081-1999标准中抗干扰技术要求，同时使信噪比大大改善。

2．由于引入了地面反射波动强有力的动态补偿信号设计，有效地抑制了雾气或水流柱对反射波产生的随机动态干扰，提高了整机可靠性。

3．具有较强的适用性和灵活的扩展性，利用本实用新型的基本设计原理，可灵活扩展制成多种实用的自动节水器具(如实施例1、2、3)，除了适于多台节水器具的自动控制外，还可用于单台节水器具，此时可简化电路的设计。例如利用小变压器，省略地面反射波动态补偿相关电路等。

本实用新型实施时，采用主要电子元器件有超声波发射、接收探头为TCT40T型、集成电路IC₃为4017型、IC₉为双向模拟开关4066型、IC₅、IC₆采用4558型、电磁阀DCF选用光导式24V直流195型，其余均采用通用型件。

Claims (4)

1．一种超声测距自动节水器具，由集中控制器和多台并联给水器具组成，其中集中控制器电路包括电源电路(B₁、D₁₅～D₁₈、C₁)，每台给水器具壳体(1)内装有驱动电路(BG₉)和电磁阀电路(DCF)，其特征在于集中控制器电路由脉冲发生器电路(IC₂)连接时序分配器电路(IC₃、C₃、D₁～D₇)同步输出三路门信号输至每台给水器具壳体(1)内的三路模拟开关，其中一路门信号经模拟开关(IC_9-1)使超声波发射电路(BG₇、BG₈、T)发射超声波探测信号，另两路门信号分别输至控制范围模拟开关(IC_9-2)和地面反射波模拟开关(IC_9-3)控制端，同时超声波反射信号经接收、检波、放大电路(R、IC₅～IC₇、D₁₁、C₁₀)形成的包络信号输至控制范围模拟开关(IC_9-2)连接充电积分电路Ⅰ(R₃₈、C₁₂)和地面反射波模拟开关(IC_9-3)连接充电积分电路Ⅱ(R₃₇、C₁₁)，二者输出信号至比较器电路(IC₈)比较后，经驱动电路(BG₉)控制电磁阀(DCF)通断水源。

2．如权利要求1所述自动节水器具，其特征在于所述时序分配器电路(IC₃、C₃、D₁～D₇)具有延迟功能，其时间常数由电容(C₃)和电阻(R₇)确定。

3．如权利要求1所述的自动节水器具，其特征在于所述的时序分配器电路(IC₃、C₃、D₁～D₇)接有三路互补跟随器电路(BG₁～BG₆)以分别输出三路门信号(K₁、K₂、K₃)。

4．如权利要求1所述自动节水器具，其特征在于所述的比较器电路(IC₈)和驱动电路(BG₉)之间接有负沿触发单稳定时电路(IC₁₀₁、D₁₀₁、C₁₀₁、R₁₀₁～R₁₀₄)，其中电阻(R₁₀₁～R₁₀₃)阻值相同，而电阻(R₁₀₄)阻值远大于电阻(R₁₀₃)。

Images