一種自動斷水水龍頭的研究

【摘 要】近年來隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，水資源利用問題越來越突出。與此同時，城市、農(nóng)村生活中浪費水資源現(xiàn)象十分常見。本文從最常用的水龍頭著手，探究了一種新型水龍頭，對我國節(jié)水工作提供了有效途徑。

【關(guān)鍵詞】節(jié)水；自動；水龍頭

1.研究背景

據(jù)統(tǒng)計，我國人均淡水資源僅為世界人均量的1／4，居世界第109位，屬于缺水國之列。而且時空分布不均，大量淡水資源集中在南方，北方淡水資源只有南方水資源的1／4。預計到2030年，我國人口16億，人均水資源1760億立方米，接近國際公認的1700立方米用水緊張國家的標準，水資源問題十分突出。

最近十幾年中，由于我國農(nóng)村城鎮(zhèn)化速度加快，原來只存在于城市地區(qū)的一些生活設施開始在農(nóng)村普及。農(nóng)民的生活方式也在發(fā)生變化。自來水設施、洗衣機、抽水馬桶等進入農(nóng)村家庭，這都將極大地改變農(nóng)村生活用水方式，增加用水量。在城市生活中，也普遍存在著浪費水資源的現(xiàn)象。鑒于種種此類現(xiàn)象的存在，本文以節(jié)約水資源，節(jié)省水費為目的，努力去尋找一個解決問題的方案。

2.設計原理

2.1設計思路

水是一種具有質(zhì)量，在地球引力作用下會有重力，容器中的水會對容器力的作用，從而使容器對地面有力的作用。水龍頭打開后，水流流到容器中（或是直接地沖向水龍頭對著的地面，由于這種情況類似于有容器接水且水已滿的情形，在下面的分析中就不再另外提到），致使容器中水位不斷上升，容器作用在地面的壓力逐漸增大，當容器裝滿水后，容器中的水位將保持穩(wěn)定。如果是在無人在旁的情況下，水龍頭會一直流水，水開始沿容器壁網(wǎng)下流，容器作用到地面的壓力不會再變化。利用壓力傳感器，測出容器作用在其上的壓力，在把測到的壓力信號送到控制芯片，再通過芯片中的程序控制，使電磁閥關(guān)閉，達到自動斷水的目的。

2.2主要部件結(jié)構(gòu)說明及其工作原理

自動斷水水龍頭有四個部分組成，水龍頭、壓力傳感器、控制芯片、電磁閥。四部分整體的控制電路如下所示。

圖1 總控制電路

2.2.1水龍頭

水龍頭是起到讓水流通路接通的作用，在整個裝置中，水龍頭的開合還會直接影響到圖1（總控制電路）中的開關(guān)1的開合，開關(guān)1將與水龍頭開關(guān)產(chǎn)生聯(lián)動作用（水龍頭打開時，開關(guān)1閉合，水龍頭關(guān)閉時，開關(guān)1斷開）。

圖2 水龍頭-開關(guān)1

原理圖如上，當水龍頭有打開，也就是水龍頭旋轉(zhuǎn)的時候，水龍頭就會帶動何其相連的導桿運動，導桿上的導體的運動軌跡被導軌給約束，當水龍頭旋轉(zhuǎn)過了一定的角度的時候，導體就會經(jīng)過絕緣部分，到達導電部分，導電部分的導軌是接入了總的控制電路中的，這樣導體部分就把導軌連成了通路，于是開關(guān)1接通。

當水龍頭關(guān)閉的時候，管道的通路也就斷開了，同時水龍頭也使導桿恢復到絕緣部分，于是導電部分的通路斷開。

2.2.2壓力傳感器

壓力傳感器是安裝在水龍頭的正下方、位于洗漱池底部，它能感受給與它接觸的物質(zhì)作用在其上的壓力。當水龍頭打開的時候，如果用容器接水，容器中的水深會隨著時間的改變而改變，從而使容器作用在壓力傳感器上的壓力值隨著時間發(fā)生改變。壓力傳感器感受到的壓力值會傳到控制芯片。

2.2.3控制芯片

控制芯片里裝有了一個電源，一個控制條（在這里控制條的功能相當于開關(guān)），并且它能夠運行小程序。

壓力傳感器傳送到芯片的數(shù)據(jù)，經(jīng)過程序運算后，控制控制條。具體的說就是數(shù)據(jù)值隨時間變化的時候，控制條是斷開的；數(shù)據(jù)值不隨時間變化了，控制條是關(guān)閉的。

圖3 控制芯片

表達式如下：P（i+1）-P（i）<=dp→控制條關(guān)閉

其中P（i+1）：t（i+1）時間點測得的壓強值；

P（i）：t（i）時間點測得的壓強值；

dp：設定的一個壓強差控制值。

t（i+1）、t（i）是時間點，設定t（i+1）-t（i）=constant

注：為了達到控制的精度，可以使用幾組相鄰的壓強值對系統(tǒng)進行控制。

2.2.4電磁閥

電磁閥控制管道通路的，設計中本文選擇的是常開電磁閥。

當?shù)?部分水龍頭打開到一定的開度，且容器中水放滿了的時候，總控制電路（如圖1）整體處于一個通路狀態(tài)，于是電磁閥的兩端是也就有了電壓，在電壓的作用下電磁閥就會關(guān)閉，于是水流通路就關(guān)閉了。

當電磁閥關(guān)閉了的時候，開關(guān)1仍處于閉合狀態(tài)，壓力傳感器感受到的壓力也不會隨時間有變化，達到這兩個條件了，繼電器仍會工作，電磁閥也會依舊關(guān)閉。

直到有外界的干擾（人把水龍頭關(guān)閉）使開關(guān)1斷開，使整個控制電路斷開。電路斷開的狀態(tài)下，電磁閥恢復到原始的常開狀態(tài)，等待下次水龍頭打開且水滿后再次工作。

總之，通過四部分聯(lián)系，最終達到自動斷水的目的。

總個控制過程如下圖所示。

圖4 控制流程圖

3.創(chuàng)新特色

3.1原理簡單

該自動斷水水龍頭，用到壓強傳感器、芯片、繼電器、電動閘閥?；诘脑?理是壓強變化，芯片中程序控制以及電路控制的簡單原理。

3.2操作簡便

自動斷水水龍頭安裝后使用起來是非常簡便的，僅需對水龍頭進行操作（并且對水龍頭的操作和普通的水龍頭相同）就可以使自動斷水水龍頭正常的發(fā)揮效用。

3.3節(jié)能

自動斷水水龍頭雖然是電動控制的，但是除了芯片里面是長期耗電的，卻耗電量不會很大，另外的一個電源只有在水滿之后才會耗電，這個時間是很短的，總的來說，自動斷水水龍頭是節(jié)能的。

4.應用前景

隨著社會節(jié)奏的加快，農(nóng)村城鎮(zhèn)化的腳步加快，城鎮(zhèn)中用水也越來越緊張，人們對水的需求會越來越多。然而水龍頭未能及時關(guān)閉導致大量水資源浪費的現(xiàn)象旅游發(fā)生，沒有得到足夠的重視。在家庭，工廠，或其他公共地方，有時會因為停水之后忘關(guān)水龍頭，導致來水后自由外流，這不僅會帶來水的浪費，嚴重的還會造成傷亡。

本文設計自動斷水水龍頭裝置簡單實用，且價格低廉，可以應用于城鎮(zhèn)﹑農(nóng)村，以及一些貧窮的缺水地區(qū)，因而如果該裝置在未來得到推廣，那么它將在節(jié)水環(huán)節(jié)中發(fā)揮重要作用。

【參考文獻】

［１］沙中玉.住宅用安全儲水器，2008年全國給水排水技術(shù)交流會暨全國水網(wǎng)理事會換屆大會論文集．