目 录
1 引言 1
1.1研究意义 1
1.2研究现状 1
1.3 智能化公厕系统的主要结构和功能 3
2 系统总体方案设计 3
2.1 系统器件的选择及相关参数 4
2.1.1 单片机的选择 4
2.1.2 降压模块的选择 4
2.1.3 人体感应模块的选择 4
2.1.4 氨气检测模块的选择 5
2.1.5 定时冲水模块的选择 5
2.1.6 蜂鸣器紧急求助模块的选择 5
3 系统硬件电路原理图设计 5
3.1 单片机主要控制电路 5
3.2 降压电路 6
3.3 人体感应电路 6
3.4 氨气检测电路 7
3.5 定时冲水电路 7
3.6 蜂鸣器报警电路 8
4 系统电路软件的实现 8
4.1 人体感应电路程序设计 9
4.2 氨气检测电路程序设计 9
4.3 定时冲水电路程序设计 9
4.4 蜂鸣器报警电路程序设计 10
5 电路调试及功能演示 10
5.1硬件调试 10
5.1.1 PCB图 10
5.1.2 定时冲水功能测试 11
5.1.3 人体感应功能测试 12
5.1.4 氨气检测功能测试 12
5.1.5 蜂鸣器求助功能测试 13
5.2 综合调试 13
6 总结 14
参考文献 15
致谢 15

智能化公厕系统设计
作者：熊鼎中 指导教师：邹旭
（海南师范大学物理与电子工程学院，海口，571158)
摘 要：智能化公厕的设计，旨在提升公厕的使用效率，改善公共卫生环境，通过引入传感器与电路系统的创新结合，充分发挥传感器与电路系统的优势，实现了公厕的智能化管理与调控 ，本设计采用C52单片机为控制芯片，通过MQ137氨气检测模块采集氨气浓度数据，并且使用单片机中断定时，继电器代替水泵冲水功能实现了公厕环境的实时监测与调控，确保空气清新、温度适宜，还通过HS-S38A人体感应模块，实现人体感应控制照明等设施。利用蜂鸣器报警求助模块实现求助按钮的设置更彰显了人性化关怀。程序设计使用KEIL4软件和C语言进行编写。智能化公厕的设计与实施，不仅实现了对公厕的全面升级，更为城市的智慧化建设注入了新的活力。

关键词: 智能化公厕；单片机；传感器；MQ137；城市智慧化；

Design of intelligent public toilet system

Author： XiongDingzhong Tutor： ZouXu
(College of Physics and Electronic Engineering, Hainan Normal University, Haikou, 571158)

Abstract：The design of intelligent public toilets aims to improve the efficiency of their use and improve the public health environment. By introducing an innovative combination of sensors and circuit systems, the advantages of sensors and circuit systems are fully utilized to achieve intelligent management and regulation of public toilets. This design uses a C52 microcontroller as the control chip, collects ammonia concentration data through the MQ137 ammonia detection module, and uses a microcontroller to interrupt timing and relays to replace the water pump flushing function to achieve real-time monitoring and regulation of the public toilet environment, ensuring fresh air and suitable temperature. The HS-S38A human body sensing module is also used to achieve human body sensing control of lighting and other facilities. The use of a buzzer alarm and help seeking module to set the help button further demonstrates humanized care. The program design is written using KEIL4 software and C language. The design and implementation of intelligent public toilets not only achieve comprehensive upgrading of public toilets, but also inject new vitality into the intelligent construction of cities.

Keywords: Intelligent public toilet, Microcomputer,Sensor,MQ137, Intelligent cities.

1 引言
1.1研究意义
在日益发达的现代社会，人们对于大型公共场所的公共卫生给予了越来越多的关注，特别是一些大型的商场，公园等人流量巨大的公共场所，公厕作为必不可少的设施，一个干净，智能的公厕就显得尤为重要。这不仅仅优化了人们的体验，还反映出一个城市的文明程度。一个干净无臭有风格的公厕，可以大大增加公共场所的人流量，让社会焕发出更强的生机。
公厕的发展和城市发展的速度不成正比，很多时候人们日益增长的需求传统公厕已经无法解决。人们已经不再满足于解手，更多时候会更在意环境。传统公厕如果没有管理人员的监督，往往会伴随脏，乱，臭的问题。同时不同的人有不同的文明程度，会增加管理人员的负担，所以一个好的智能化公厕，能大大减轻管理人员的负担，同时可以优化人们的体验。

1.2研究现状
国内的智能公厕目前已经将传感器模块和互联网，大数据，物联网等一系列技术结合，创造出了一个集电路设计和智能分析为一体的智慧公厕系统。但是前提是传感器技术的大量运用。传统公厕常常伴随脏乱差的问题，并且很大程度上都比较落后，不管是体验感还是舒适度都有待提高，相比与智能公厕，传统公厕面对这些问题就有点捉襟见肘了。
但是这些功能性极强的智能公厕，目前只在一些大型的先进城市才得以出现，并且还没有得到普及。在很多小一些的城市，别说智能公厕，就连公厕的数量都很少，并且很多都没有配备最基本的智能公厕功能，比如自动冲水，电子显示屏等。所以一套实用并且符合大多数不太发达城市的智能公厕系统很有必要，公厕很大程度上是城市文明的神经末梢，公厕文明一定程度上反映城市文明，公厕是城市中的重要设施,公厕应采用人性化的设计形式,可以促进公厕服务水平提升,并且有助于城市的文明建设,提高城市建设的现代化标准,使公厕得到合理的应用。[1]
通过调查发现，大部分的居民都认为自己所居住地的公厕没有一个令人舒适的环境，而且大部分的人都反映了不冲厕所的问题，这不仅仅是在农村，在大城市也是很普遍的现象。公厕在城市的每一个角落都是不可或缺的设施，街边的厕所可以给街上的人提供便利，大型商超的公厕为顾客提供方便，还有学校，医院等等公共场所，公厕设施的完成度是国民非常关切的问题，公厕环境和功能也是目前急需解决的问题。
目前结合国内多个调查和资料的分析，可以看出，主要缺点有：
1、公厕数量少，很多大型场所配备的公厕数量很少，需求和供应不成正比，可能在平时公厕数量少的问题不会显现出来，可是一当大型活动，或者是节日，旅游旺季来临时，公厕数量少造成的直接问题就是拥挤，特别是女厕所，由于女性普遍比男性上厕所慢，所以女厕所外常常需要排队，在学校中这一问题显得尤为突出。
2、公厕内环境问题令人十分堪忧。由于文明发展的不同，很多没有素质的人故意损坏公厕设施，或者是乱涂乱画，刻意搞乱公厕卫生，很多管理员往往是心有余而力不足。与此同时，很多地方也存在不够整洁，功能不够完备，公厕未采取人性化措施，例如除臭，自动冲水等问题等等。
3、设计建设问题一些公厕建设中、很少有对残疾人，儿童，孕妇等弱势团体的照顾，难以表现出以人为本的设计理念。
在国外，智能公厕的发展和普及同样进度不一，但在国外和国内一样，同样贯彻的理念是以人为本。
不同的是，国外大部分的国家，使用的都是坐便，因此大部分国家街道上都只有极少数的公共厕所，在一些大型公共场所里，由于和我们国家不一样，外国很多都融入了多元的文化，公共厕所内使用坐便还是蹲便是很大的问题。同时国外对于特殊人群需要提供帮助，所以国外的公共厕所应该是包容性，无障碍性的，这个在我们国家并没有被很重视，同时由于这些原因，公厕在国外并没有得到广泛普及。目前的国外智能化公厕面临着以下问题。
1、是否是无障碍厕所，是否采用坐便蹲便混合的方式。
2、智能化公厕的卫生水平，供应水平。位置远不远。
3、是否需要付费。
4、开放时间。[2]
可以看出国外和国内的观念不同侧重点也不一样，但是都面临一个问题，没有对特殊人群的关照，或者是关照不到位，例如残疾人，儿童等等。
我国的很多先进城市已经解决了大部分国外的智能化公厕问题，例如一些国际机场的厕所，代表着我国的国际形象，蹲便和坐便都有，并且有无障碍通道，在智能化上有智能冲水，LED电子屏显示等等，并且很多都配备烘手机等等。
目前的问题在于，我国的发展不平衡，所以一套适合发展不那么快的地区的智能化公厕很重要，例如农村。
同时国外公厕的现状，也为我们打造多元化智能公厕提供了参考。

1.3 智能化公厕系统的主要结构和功能
智能化公厕系统主要由单片机为主控制电路，使用HS-S38A红外人体感应电路模块感应人体；使用MQ137氨气传感器检测电路模块检测氨气；使用单片机定时中断实现定时冲水；使用按键和蜂鸣器报警求助电路模块等组成，并且可以实现如下功能：
1、定时冲水功能（定时时间继电器响应）。
2、蜂鸣器报警紧急求助功能（紧急求助按键）。
3、人体感应功能（红外感应到人通过LED显示）。
4、氨气检测排气功能（氨气浓度达到一定值，继电器代替排气扇响应）。

2 系统总体方案设计
在结合系统功能和实际条件后，选择使用STC89C52单片机为主控制芯片。系统整体主要以单片机为主控模块，控制其余电路模块的运行。使用MQ137氨气传感器和继电器、LED灯来实现氨气检测电路模块的检测氨气浓度达到一定值时启动排气扇（继电器）的功能。通过HS-S38A红外人体感应芯片和LED灯来实现人体感应提示照明电路。使用7805降压芯片来平衡电压完成电源控制模块，并且使用单片机来实现时钟控制模块。最后使用按键电路和蜂鸣器来完成蜂鸣器报警求助电路。当系统接入电源时，电源显示灯常亮，直接启动定时冲水装置，在设定的时间到达时，继电器响应，代表系统开始冲水；与此同时，人体感应功能也同时启动，当没有感应到人体的时候，蓝灯亮，代表没有人。当感应到人的时候，两个红灯和黄灯亮，红灯分别在蹲位门口和公厕门口显示，以便于公厕内外的人可以知道蹲位是否有人的状态。黄灯代表公厕内的照明灯和管理人员旁边的显示灯，这样可以很好的节能并且方便管理人员及时了解公厕内的人员情况，以便于安排后续工作。当有人按紧急求助按钮的时候，蜂鸣器报警，以便于工作人员提供帮助。由于公厕产生的大量氨气很容易造成不好的体验，氨气传感器在氨气浓度达到一定值的时候，会启动排气扇，继电器代替排气扇响应，此时公厕排气系统开始运作。
2.1 系统器件的选择及相关参数
2.1.1 单片机的选择
本设计由单片机、存储器、串口、并联的输入、输出、定时器等组成。[3]单片机作为核心，必须具备出色的处理能力、高度的可靠性和稳定性，以及强大的抗干扰能力，以确保在各种复杂环境下都能稳定运行。首先，STC89C52单片机性能稳定可靠，价格适中，非常适合作为嵌入式系统的核心控制单元。其强大的运算能力和丰富的外设接口，能够满足大多数控制系统的需求。其次，STC89C52单片机编程简便，易于学习和使用。它采用经典的8051内核，编程语言成熟，开发工具完善。此外，STC89C52单片机在市场上应用广泛，技术资料丰富，社区支持活跃，可以轻松获得资料和解决方案，减少开发难度和时间成本。
综上所述，STC89C52单片机以其性能稳定、价格适中、编程简便以及广泛应用等特点，成为理想的主控制芯片选择。

2.1.2 降压模块的选择
由于干电池电压过大，需要降压电路和芯片。7805三端稳压器具有过压、过流和过热保护功能，这使得它在各种环境下都能保持稳定的输出电压，满足了设计对可靠性的要求。在成本方面，7805三端稳压器价格适中，易于获取，使得研究更加经济高效。三端稳压器是一种集成电路元件,在分析电路时可简单的认为这是一个能自动调节电阻的元件，其负载电流会随着三端稳压器内的电阻呈反比变化，这样就能保持稳压器的输出电压保持基本不变，所以选用7805[4]。7805前面的字母可能会因生产厂家不同而不同。
2.1.3 人体感应模块的选择
HS-S38A小型人体感应模块采用先进的红外感应技术，能够高灵敏度地探测到人体的移动，这对于需要实时监测人体活动的应用场景至关重要。其次，HS-S38A模块具有抗干扰能力强、工作稳定可靠的特点，能够在复杂环境下保持稳定的性能。此外，该模块还具有体积小、功耗低等优点，便于集成到各种设备中，并能够满足长时间工作的需求。综上，HS-S38A芯片有着优异的性能、稳定性以及广泛的应用。当人进入其感应范围时，模块输出高电平；离开时，则启动延时并转成低电平。[5]在设定的延时内，只要有人体活动，模块将持续输出高电平，人完全离开并经过延时后才转为低电平，并自动顺延一个延时，以最后一次活动为延时时间的起始点。[5]其工作电压为3-5V。
表1. 引脚功能
引脚名称 描述
G GND（电源输入负极）
V VCC（电源输入正极）
S 数字信号引脚
2.1.4 氨气检测模块的选择
MQ137以其高灵敏度和对氨气的优异选择性脱颖而出，能够精确检测环境中氨气的浓度变化。其次，MQ137具有广泛的适用范围。此外，MQ137还具有低成本的优势，使得整个检测系统的构建更加经济高效。最后，MQ137的稳定性高，能够在长时间内保持稳定的检测性能。
MQ137气体传感器的电导率会随空气中氨气浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号[6]。这种传感器可检测多种含氨气体，并且对氨气的灵敏度高，长寿命低成本，使用简单的驱动电路就能实现，是一款适合多种应用的低成本传感器。[6]

2.1.5 定时冲水模块的选择
定时冲水采用单片机定时中断的功能，在达到设置的时间之后，单片机会发送中断信号，并且使得继电器响应，由于设计的特点，这里使用由继电器代替水泵。继电器在电路中起着自动调节的作用,具有动作时间短、工作稳定、寿命长、体积小等优点,是用小电流控制大电流运作的一种控制开关，在这里作为水泵可以实现每隔一段时间定时冲水的功能。[7]

2.1.6 蜂鸣器紧急求助模块的选择
蜂鸣器紧急求助模块功能通过使用5V蜂鸣器和按键来实现，当按下按键之后，单片机向蜂鸣器传输电平信号，并且蜂鸣器发出滴滴的响声。

3 系统硬件电路原理图设计
3.1 单片机主要控制电路
单片机以其体积小、功能强、速度快、易控制、抗干扰、成本低等优点, 被广泛地应用于众多尖端领域。[8]首先，基于单片机的体积小，集成了微处理器，存储器等特点，可以使用单片机用于在不太需要较大空间的设计中应用。其次，基于单片机的特性，应当设计总线驱动电路，复位电路等等。并且由于需要和大量传感器一起协同实现电路功能，应该使用合适的I/O接口，包括A/D转换电路等。并且要实现一定的定时，计数功能、中断管理电路、串行口扩展等等。最后由接插件类型、管脚定义等确定线路板之间的数据通信形式。[8]电路连接图如下图3.1所示

图3.1 单片机控制电路

3.2 降压电路
由于使用两节18650锂电池来进行系统的供电，所以使用三端稳压器7805来对电路进行降压，降压电路通过7805降压芯片与单片机连接来使两节电池的电压稳定在5V。电路连接图如图3.2所示。

图3.2 电源控制电路

3.3 人体感应电路
HS-S38A小型人体感应芯片通过红外感应人体给单片机输送信号，经过处理，单片机发送信号控制五个LED灯，一个蓝灯两个红灯两个绿灯。当输出高电平的时候，红灯和黄灯亮，延时过后变成低电平红黄灯熄灭，蓝灯亮。感应灯电路原理图如图3.3（a）所示，人体感应模块原理图如图3.3（b）所示。

图3.3：（a）感应灯电路；（b）人体感应模块

3.4 氨气检测电路
HS-S38A小型人体感应芯片通过红外感应人体给单片机输送信号，经过处理，单片机发送信号控制五个LED灯，一个蓝灯两个红灯两个绿灯。当输出高电平的时候，红灯和黄灯亮，延时过后变成低电平红黄灯熄灭，蓝灯亮。氨气检测电路原理图如图3.4所示。

图3.4 氨气检测电路

3.5 定时冲水电路
定时冲水电路使用单片机中断函数设置定时，定时为一秒，通过单片机传递信号给继电器，控制继电器的开关。如图3.5所示。

图3.5 定时冲水电路

3.6 蜂鸣器报警电路
蜂鸣器报警电路通过按键连接蜂鸣器和单片机，当按键按下时，单片机传送高电平蜂鸣器报警。[9]蜂鸣器报警求助电路图如图3.6所示。

图3.6 蜂鸣器报警电路

4 系统电路软件的实现
单片机软件电路的设计是一个涉及硬件和软件协同工作的复杂过程。系统整体的功能和效率不仅仅是选择对了硬件，设计好了电路就可以实现的，没有一个可靠的程序结构，系统也可能出现不稳定，或者是效率低的现象。在软件程序编写的过程中，一个严谨、高效的程序结构可以极大的提高系统的效率。在编写程序时，用到的软件为KEIL4。一直以来，单片机都应用汇编语言进行程序设计。但是随着科技的发展，C语言在单片机开发中的应用优势愈发明显。[10]在C语言编写的过程中，应该严格把控每一个细节，一点语句的错误可能就会导致整个程序出错。实现单片机功能的时候，应该将代码编写的尽量简短，代码过长可能会导致程序出现漏洞的时候，很难找到出错点。其次，要在程序设计出来之后及时进行调试，在调试过程中找到自己的疏漏，并且加以改正，同时也可以减少一定的工作量。灵活运用单片机的特性选择合适的硬件，并且设计相应的程序与之协同实现系统功能。

4.1 人体感应电路程序设计
HS-S38A小型人体感应模块首先要确定其电源负极引脚，电源正极引脚和数字信号引脚，并且正确地放入电路中。在本设计中，使用P1.0接口连接单片机和红外模块，使用P0.0~P0.4直接控制五个LED灯，所以编写程序的时候，需要在HS-S38A小型人体感应模块向单片机发送高电平后，通过P0口向LED灯传输电平信号，使红灯黄灯亮，并且此时要向蓝灯传输低电平使蓝灯熄灭。当延时结束HS-S38A返回低电平时，单片机传输低电平给红黄灯，熄灭红黄灯，并且此时应该向蓝灯传输高电平使蓝灯亮代表无人的状态。需要注意的是，感应人体的延时应该设置尽可能适中，延时太短容易造成结果不准确，延时太长则无法体现设计的合理性。

4.2 氨气检测电路程序设计
MQ137传感器使用二氧化锡作为气敏材料，所以传感器是使用其电导率来反映氨气浓度的，这里就可以用一个简单的电路来传输该气体浓度对应的信号。MQ137传感器需要施加两个电压，并且具有轻微极性的特点使得需要直流电源，所以将传感器和单片机共用一个电源电路。当检测的氨气浓度到达一定的阈值，氨气传感器将电平信号传递给单片机，通过单片机处理后的电平信号经过放大电路，传递给继电器，继电器响应。

4.3 定时冲水电路程序设计
定时冲水电路功能的实现由单片机中断独立完成，通过P0口单片机传输中断信号，设置一定的延时，一定时间后继电器代替水泵响应。同理，单片机传输的信号要经过一个放大电路。

4.4 蜂鸣器报警电路程序设计
蜂鸣器报警电路的视线由单片机，按键和蜂鸣器实现。在按键按下时，单片机接收到信号并且向蜂鸣器传递一个高电平，此时蜂鸣器发出响声。蜂鸣器使用P1.3口。使用While函数可以做到即用即停，并且在按键处设置防抖避免按下按键蜂鸣器不响应的情况发生。

5 电路调试及功能演示
5.1 硬件调试
在完成了所有的软硬件设计之后，需要检查整体的系统功能是否实现，电路是否漏点短路、焊接是否规范等等，在发现问题之后及时发现问题并且解决问题，所以硬件调试是不可或缺的一环，并且可以及时解决设计过程遗漏的错误或者考虑不周到的地方。对于本电路设计系统，需要调试的功能包括蜂鸣器报警功能，人体感应功能，氨气检测功能以及定时冲水功能。

5.1.1 PCB图
在进行电路调试之前，首先检查PCB的布局是否合理，是否会造成设计短路等问题，包括极性，线宽等参数设置是否合理，以确保设计可以到达预想中的效果。在最初布局时，由于自动布线的布局十分凌乱，不仅仅显得元器件很挤，而且每根线都很乱，在这里采取的解决办法是更改布局方法为手动布线，并且设置布线规则，将普通线宽缩小，并且增大电源和接地线宽等。在调整数次元器件的排列和老师指导之后，PCB基本合理,如图5.1（a）和5.1（b）所示。