(张家口职业技术学院)

摘要：设计了基于霍尔传感器的卫生问自动控制器电路。在分析卫生间自动控制器功能的基础上，针对装置的每个功能，分别完成了直流电源、照明灯控制电路、抽水马桶控制电路等的分析与设计。

关键词：霍尔传感器；卫生间；自动控制器；电路；直流电源；照明灯控制；抽水

马桶控制

引 言 1 自动控制装置中霍尔开关的设计

卫生间是住宅中功能多、强度高、使用频繁的空间。在科学技术日益发展的今天，如果能实现卫生间内部分常用电器的自动控制，将大大方便人们的日常生活。本文所介绍的卫生间自动控制装置具有两个功能：一是打开卫生间门后，照明灯自动点亮，经过任意使用时间后，关门出来，照明灯自动熄灭，避免了忘记关灯的情况；二是用厕完毕后，抽水马桶自动冲水。在该自动控制系统中，这两个功能都是自动完成的。因此，必须要有感知这两个功能进行所需要的条件，并产生控制信号作为这两个功能自动进行的开关。在自动控制系统的电子电路中，普遍使用的是霍尔开关，它能够感受接近物体磁通的变化，利用这种传感器对接近物体磁通变化的敏感特性达到控制开关通、断的目的。

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霍尔开关是开关型霍尔集成电路的一种应用形式。首先，开关型霍尔集成电路输出的是数字信号，?0’代表低电平，“1”代表高电平。其次，霍尔器件是一种磁电转换的磁敏传感器，它可以感受磁场的变化，因此需要使用磁性物体作为其接近物体，通过霍尔开关检测磁性物体的存在与否，达到控制开关通、断的目的。由卫生间自动控制装置的{dy}个功能可知，当人打开卫生间门后，照明灯就自动点亮；人离开卫生间关上门后，照明灯熄灭。因此，可以把打开、关闭卫生间门作为装置工作的信号。打开、关闭卫生间门时，门和门框就都会产生相对的位移，如果可以使门具有磁性，门框具有和霍尔开关一样检测磁性物体能力，那么就能形成一个开关。因此，可以在门上安装一块磁钢，把霍尔开关安装在门框上，用霍尔开关检测门开、关的状态，作为装置的开关信号。

霍尔开关的具体实现方式示意图如图1所示。霍尔开关(用B表示)安装在门框上，而磁钢安装在门的上边框上。当关门时，磁钢刚好在霍尔开关正下方，且靠近霍尔开关，利用霍尔开关检测面的霍尔应，使开关内部电路状态发生变化，霍尔开关能感受到磁钢的存在。当打开门时，磁钢离开霍尔开关，没有磁场通过检测面，检测面不发生霍尔效应，感知到没有磁性物体存在。霍尔开关输出特性如图2所示。

在卫生间内可以装设判断人存在与否的传感器(红外或微波)，以防止出现误判断，如人在时熄灯、人走后亮灯的错误，进而影响冲水的错误动作。

2 卫生间自动控制器电路的分析和设计为了实现{dy}个功能，需要设计照明灯控制电路；为了实现第二个功能，需要设计抽水马桶控制电路；同时，还需要设计给这两部分电路提供直流电的直流电源。整个电路分为这3个部分，分别进行设计。卫生间自动控制装置如图3所示。

2．1 直流电源的分析和设计

整个电路需要一个12 V的直流电源来提供直流电。如果用直流电池供电，则不能满足长时间的工作要求。因此，选用电容降压式直流稳压电源电路来产生直流电源。将市电先后通过电容降压、半波整流电路、滤波电路和稳压电路转换成稳定的12 V直流电压。这部分电路是由C 、R 、VD1、VD2和C：构成的。其中电容C 用于降压限流，二极管VDI用于整流，电容C：用于滤波，稳压二极管VD2用于稳压。220 V交流电经C降压限流后，依次经过VD1整流、C：滤波、VD2稳压而获得稳定的12 V直流电压，用以作为照明灯控制电路和抽水马桶控制电路的控制电压。其

2．2 照明灯控制电路的分析和设计由上面的分析可知，霍尔接近开关给照明灯控制电路提供控制信号，但仅靠霍尔接近开关不

能够很好地完成控制功能，必须在霍尔开关的基础上设计外围电路，使照明灯控制电路能够准确地工作。从照明灯电路的控制要求可以看出，一次完整的开关门状态产生一个照明灯控制信号，而在一次完整的开关门状态发生时，霍尔开关输出一个高电平和一个低电平，或者可以看作是一个上升沿脉冲和一个下降沿脉冲。由于在这个过程中只需一个有效信号，因此不能用高电平或低电平作为控制信号，只能使用上升沿脉冲或下降沿脉冲。此过程中，开门时产生上升沿脉冲，关门时产生下降沿脉冲。由于开门时，照明灯点亮，故选用上升沿脉冲。在确定上升沿脉冲作为控制信号后，开始设计其外围电路。D触发器有两个稳定状态，可以有效地作为照明灯点亮与熄灭的输入信号。同时，D触发器需要时钟脉冲才能使其输出在两个状态间稳定转换。这正好符合要用上升沿脉冲作为原始控制信号的要求。因此，选用D触发器接成双稳态电路(初态应为“0”态)，用其输出信号控制照明灯的点亮和熄灭。但并不能直接用其输出信号控制照明灯，这是因为D触发器的输出信号不足以驱动白炽灯，而且白炽灯应使用交流电。因此，需要使用双向晶闸管作为交流开关，同时用D触发器的输出信号产生双向晶闸管的门极触发信号。图3中IC2就是产生控制信号的双稳态D触发器。但并没有直接使用霍尔开关的输出作为IC2的时钟信号，是为了避免由于某些原因造成在短时间内多次开门时照明灯闪亮的情况。在这里使用一个D触发器接成单稳态，它接受霍尔开关B的一个上升沿脉冲后，也产生一个上升沿脉冲作为IC2的时钟脉冲。但是主要目的是利用IC1单稳态电路的暂态时间来xx在短时间内多次开门造成的误差，因为在这段时间内IC1的输出不会因B的输出变化而变化。IC1的暂态时间是由尺，、C 决定的，一般以3～5 S为宜。VD5就

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是作交流开关用的双向晶闸管。为了产生它的门极触发信号，将IC2的输出通过一个三极管VT1放大，从而产生足够大的门极触发信号，以保证准确性。IC2的输出为高电平时，VT1导通，VD5导通，照明灯L点亮，VD4也点亮，用来作为有人使用的指示灯。IC1的输出为低电平时，VT1、VD5都截止，L不能点亮。

2．3 抽水马桶控制电路的分析和设计从抽水马桶电路的控制要求可以看出，抽水马桶要冲水，需要在两个事件发生之后才能被触

发，即有人用厕、人离开卫生间。因此，抽水马桶控制电路需要两个控制信号，即人用厕信号和人离开卫生间信号。当这两个信号都有效时，抽水马桶冲水。下面分别对两个信号进行分析，并完成电路的设计。

2．3．1 用厕信号的分析及其电路设计

可以设想在这个过程中产生一个信号，作为用厕信号。可以在马桶上进行检测，并产生这个信号。在这里使用了光电耦合的方法。用一个发光二极管与光电三极管组成一个光电耦合器，安装在马桶上。当人坐在马桶上时，遮住了光电耦合器的光路，光电耦合器截止；当人离开马桶时，光路就存在，光电耦合器导通。用厕信号产生电路如图4所示。

图4 用厕信号产生电路

人没有坐在马桶上时，VD3和V 的光路是导通的，V 因受VD3的光照而导通，V 也导通，其集电极输出为低电平。当有人坐上马桶时，VD3与V 间的光路被遮住，V 截止，V 也截止，其集电极输出为高电平。因此在人坐上马桶时，会产生一个由低到高的上升沿脉冲。同样，人用厕完，离开马桶时，会产生一个下降沿脉冲。采用和照明灯控制电路一样的方法，可以用一个双稳态D触发器来产生用厕完毕信号，而用光电耦合器的上升沿脉冲作为其时钟脉冲。光电耦宇自动化· 低压电器(2oo8№6)器的上升沿使D触发器翻转，输出高电平，成为用厕信号。D触发器的初态应设为“0”态。

2 3．2 人离开卫生问信号的分析及其电路设计可以用人离开卫生问照明灯熄灭的事件产生抽水马桶冲水所需要的信号—— 人离开卫生间信号。人离开卫生间，会使照明灯从点亮的状态变为熄灭，因此，同样可以用光电耦合的方法，把人离开卫生间的事件转变为电信号。白炽灯为光源，故不再需要发光二极管。仅仅需要一个光电三极管和一个晶体三极管构成产生控制信号的电路。具体电路如图3所示。VT4是感受白炽灯的光电三极管。白炽灯点亮时，VT4受白炽灯光照而导通，VT5也导通，VT5的集电极为低电平；人离开卫生间后，白炽灯熄灭，VT4、VT5都熄灭，VT5的集电极为高电平，这正好可以作为人离开卫生间的信号。上面提到D触发器要把初态设为“0”态，它和这部分电路有一定关系。D触发器的“0”态只需要在人用厕之前设好就不会造成错误。D触发器的“0”态可以通过用复位信号将触发器拉到?0’态。因此，可以设想，在人用厕之前一直向触发器发送复位信号，而人用厕时撤消这个复位信号，就可以达到目的。为了使电路简便，借助VT5的集电极来产生复位信号。用VT5的集电极经过由R 和C 构成的延时电路向IC3的31脚R发出信号。人不用厕时，VT5集电极为高电平，经R 向c 充电，经过一定的延时，R端为高电平，触发器复位到“0”态；人进入卫生问后VT5集电极为低电平，c 经R 放电，经过一定的延时，R端变为低电平，触发器可以正常翻转，且其初态为“0”态。

2．3．3 冲水信号的分析及其电路设计冲水信号是由上述两个信号共同产生的。当两个信号满足时，就产生冲水信号，缺少其中任何一个信号都不能产生冲水信号。故只需要使用一个与门便可达到目的。抽水马桶的冲水装置是机械装置，示意图如图5所示。需要冲水时，通过控制杆拉动水箱的抽水柄，马桶就冲水。继电器电磁铁线圈通电后，吸铁舌吸合，在磁力作用下将控制杆向上拉起，带动水箱盖内的抽水柄进行冲水。继电器的线圈需要接220 V的市电，因此需要用双向晶闸管做交流开关，其门极信号是被三极管放大了的冲水信号。其电路设计和照明灯控制电路的相应部分相同。

3 结 语

本文所研究和设计的卫生间自动控制装置的特点是使用了非接触霍尔开关。它是自动控制系统中使用十分普遍的一种传感器，其{zd0}特点是非接触性和可靠性高。利用霍尔开关的这两个特点正好可以满足装置中所需要非接触开关的要求。该装置制作容易，动作稳定、可靠，具有一定的实用价值，能够大大方便人们的日常生活。