郭晓凤，李俊娇，权海平，卢克

（南京机电职业技术学院，江苏南京，211306）

0 引言

《中共中央 国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》中指出，实现碳达峰、碳中和，是以习近平同志为核心的党中央统筹国内国际两个大局作出的重大战略决策，是着力解决资源环境约束突出问题、实现中华民族永续发展的必然选择，是构建人类命运共同体的庄严承诺。要深入贯彻习近平生态文明思想，立足新发展阶段，贯彻新发展理念，构建新发展格局，坚持系统观念，处理好发展和减排、加快形成节约资源和保护环境的生活方式，其中“厕所革命”是一项重要工作。可生物降解智能马桶的开发使用是实现“厕所革命”的重要举措。可生物降解智能马桶是电子技术与生物技术结合的产品，要保障可生物降解智能马桶实现地上卫生化、地下无害化、使用方便化的功能，为生物菌群提供适宜的培植环境是关键，为此本文以单片机技术为核心，应用STC89S52 单片机为核心控制芯片，开发了“可生物降解智能马桶的生物菌群环境调控系统”，为生物菌群培植环境保驾护航，助力智能化的厕所改造与新建[1]。

1 基于STC89S52 单片机的生物菌群环境调控系统硬件电路设计

本系统的硬件电路由STC89S52 单片机最小系统电路、自动感应电路、温湿度采集与转换电路、菌群搅拌电路、加热升温电路、风扇降温电路、工作状态显示电路、WiFi 模块电路和电源电路组成[2]，系统框图如图1 所示。实现的功能为：温湿度传感器实时采集环境温湿度，当温湿度处于生物菌群培植的正常范围内时，为了保障生物菌群的活性，每隔10 分钟，菌群搅拌1 分钟；当温湿度低于生物菌群培植的温湿度设定范围值时，加热丝升温电路启动工作；当温湿度高于生物菌群培植的温湿度设定范围值时，风扇降温电路启动，同时菌群搅拌电路也开始搅拌；当有人来使用时，马桶盖自动打开，搅拌停止；当人离开时，马桶盖自动关闭。

图1 硬件电路系统框图

1.1 单片机最小系统电路构成

硬件电路系统原理图如图2 所示。SCT89C52 单片机的最小系统如图2 中最小系统电路所示，整个最小系统由四个部分组成，时钟电路部分、复位电路部分、EA 拉高四部分组成。

图2 可生物降解智能马桶生物菌群环境调控系统原理图

时钟电路产生的时钟信号是整个单片机系统工作的时间基础。直接影响单片机的工作速度，频率过快超负荷、过慢效率低。时钟电路包括2 个30pF 的电容C2 和C3，以及11.0592M 的晶振X1。电容的作用在这里是起振作用，帮助晶振更容易地起振，取值范围是15~33pF。在设计电路时，只要不超过最高频率即可，晶振频率一般取1.2MHz~12MHz。

单片机复位电路就好比电脑的重启部分，当电脑在使用中出现死机，按下重启按钮电脑内部的程序从头开始执行。单片机也一样，当单片机系统在运行中，受到环境干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。

复位电路由10μF的极性电容C1和10k的电阻R5构成。利用电容电压不能突变的性质，可以知道，当系统一上电，RESET 脚将会出现高电平，并且这个高电平持续的时间由电路的RC 值来决定。典型的51 单片机当RESET 脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位，所以适当组合RC 的取值就可以保证可靠的复位。

特别注意的是，对于31 脚(EA)，当接高电平时，单片机在复位后从内部ROM 的0000H 开始执行；当接低电平时，复位后直接从外部ROM 的0000H 开始执行。由于我们的程序存储在了单片机内部，所以EA 要接高电平，保证单片机是从内部读取程序去执行的。

1.2 温湿度调控电路构成

温湿度调控电路主要由温湿度采集与转换电路、电热丝加热升温电路、菌群搅拌降温电路和风扇运转降温电路组成，如图2 传感器模块和执行机构模块所示。

其中温湿度采集与转换电路由DHT11 温湿度传感器模块及10kΩ 的上拉电阻构成，数据总线接入单片机的I/O 端口。选用DHT11 作为温湿度检测模块。DHT11 是一款数字输出的复合传感器，包含一个电阻式干事元件和NTC 式温度检测元件，可测20%~90%RH 湿度，误差为±5%RH，0℃~50℃，误差范围±2℃。其功能是实时采集生物菌群的环境温度，依据采集数据判断生物菌群培植环境是需要升温调整或降温调整[3]。

电热丝加热升温电路是对生物菌群培植环境进行加温控制的，当采集的环境温湿度低于生物菌群培植所需的温湿度值时，该电路启动工作。同时也可以拓展电热丝加热升温电路功能，即在马桶圈上也可以放置电热丝加热升温电路，当冬季环境温度较低时，可以启动工作，使马桶圈处于温热状态，提高智能马桶的使用舒适度。

菌群搅拌电路一是定时搅拌保障菌群的活性、二是使用后搅拌保障排泄物充分溶解、三是降温搅拌辅助降低生物菌群培植环境温度。搅拌电路由ULN2003 驱动模块和4 相5线5V 步进电机组成。

风扇运转降温电路是由1 路5V 继电器模块驱动风扇运转，此项目中采用的是高电平触发，可以根据需要变换为低电平触发。其功能是当采集的环境温湿度高于生物菌群培植所需的温湿度值时，单片机发送高电平触发信号，继电器吸合，风扇运转降温，图2 中风扇用电机代替仿真运行时方便观测运转情况。风扇电路也可以拓展增加搅拌排泄物同时启动风扇工作，促使空气快速流动。

1.3 自动感应电路设计

自动感应电路由HC—SR505 人体感应模块、舵机和辅助的机械结构组成，如图3 传感器模块部分所示。其功能是当有人来使用时，马桶盖自动打开，当人离开时，马桶盖自动关闭。电路设计时要注意舵机的选择，如果选择的舵机工作扭矩较小，人来时不能自动打开马桶盖，舵机工作扭矩较大，浪费资源，要求供电电压较大，本项目选择的舵机为MG90，其工作扭矩为2.0Kg，供电电压为4.8V。这里还可以进行电路优化，把自动感应电路中的舵机用搅拌电路中的步进电机代替，可以减少项目中的元器件种类，但是机械结构相对较复杂。

图3 LCD 显示工作状态图片

1.4 状态显示电路设计

状态显示电路是应用LCD1602 液态晶体显示器显示智能马桶当前的工作状态，部分工作状态显示图片如图3 所示。可根据实际需求设置显示状态，显示状态及其对应的功能说明如表1 所示。

表1 显示状态及其对应的功能说明表

1.5 WiFi 模块电路设计

无线通信模块电路由ESP8266 WiFi 模块构成[4]，如图2 中无线通信模块电路所示，其功能是使智能马桶的工作状态上传PC 机，方便对智能马桶的状态进行实时监测，通过数据收集方便产品的检测、维护，也方便产品的投产和使用。本项目作为教学项目，可应用ESP8266 WiFi 模块进行数据传输，其外围电路简单，工作温度范围大、低功耗、集成度高、支持实时操作系统 (RTOS) 和 Wi-Fi 协议栈等特性。如果产品分布范围较广，而且要支持手机等移动设备监测产品工作状态，可以应用LTEUECategory1，借助物联网进行无线连接。

2 基于STC89S52 单片机的生物菌群环境调控系统软件程序设计

本设计软件开发环境采用的是Keil μVision5 软件[5]。针对本系统的功能实现，编写了温湿度传感器、电机、液晶显示3 个头文件函数和1个主函数。

程序正常运行时温湿度传感器采集生物菌群培植环境温湿度，电机每隔10 分钟搅拌菌群1 分钟，人来马桶盖开，搅拌停止，人走马桶盖关，搅拌正常运行，无论马桶盖开还是关，升温和降温电路均正常工作。

具体程序流程图如图4 所示。

图4 程序设计流程图

通过软硬件联合调试，可生物降解智能马桶的工作状态可以实时显示；日常无人使用时，每隔30 分钟，电机转动搅拌菌群2 分钟，正转1 分钟，反转1 分钟；当有人来使用时，人离马桶30 厘米左右时，马桶盖自动打开，电机停止搅拌；用完离开后，马桶盖自动关闭，电机又开始转动搅拌菌群2分钟；温湿度传感器实时采集环境温湿度，设定正常温度范围为24℃~36℃，湿度范围为20%rh~60%rh，当温湿度处于生物菌群培植的正常范围内时，温湿度调控电路不工作，当采集环境温湿度低于设定范围值时，启动加热丝升温，当采集环境温湿度高于设定范围值时，启动风扇降温，同时电机转动搅拌菌群，加速降温；智能马桶的工作状态数据实时传送给PC 机。所有测试数据都可以结合实际，通过程序进行设计。

3 结束语

随着国家对绿色低碳发展规划引领，推动人们加快形成绿色生产生活方式，本文所设计的基于STC89S52 单片机的生物菌群环境调控系统，一方面可以使学生了解国家碳达峰碳中和的大政方针，给学生注入节能环保的理念，另一方面通过项目实施强化学生单片机知识的学习和技能训练，实现了生物菌群培植环境调控功能，而且通过WIFI 技术与菌群控制系统的融合应用，实现对产品工作状态的实时监控，使我们的生活方式和工作方式更加便捷化和智能化。