家庭智能高效節(jié)水器的設(shè)計(jì)

郭世旭 劉健 王鶴 陳煒坪 張慧山

摘 要：本文設(shè)計(jì)了一種家庭智能高效節(jié)水器。該節(jié)水器由水流傳感器、控制模塊和電磁閥組成。通過(guò)流量開(kāi)關(guān)傳感器檢測(cè)水流信號(hào)，將信號(hào)傳遞給控制模塊進(jìn)行分析后控制電磁閥的通斷。這種節(jié)水器可以有效地控制水的通斷，避免不必要的浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)節(jié)水的目的。

關(guān)鍵詞：家庭智能高效節(jié)水器；水流傳感器；控制模塊；電磁閥

生活中無(wú)處沒(méi)有水龍頭和管道的存在，每天水龍頭都會(huì)流通大量的水供給使用，無(wú)論是家庭，學(xué)校，車站，商場(chǎng)等公共場(chǎng)所，都會(huì)發(fā)生這些情況?？墒窃跀嗨臅r(shí)候，由于不知道什么時(shí)間來(lái)水，水龍頭未關(guān)閉，就可能造成水的浪費(fèi)流失。甚至水淹房間地面或者家具的情況。因此，部分專家對(duì)于節(jié)水器進(jìn)行了研究：曹行等[1]提出了以基于HX711的重力傳感器以及Zigbee模塊為核心器件的自動(dòng)節(jié)水方案，當(dāng)儲(chǔ)水的重量達(dá)到一定數(shù)值后，Zigbee協(xié)調(diào)器模塊與Zigbee終端進(jìn)行通信，從而控制繼電器的開(kāi)閉。蘭建軍等[2]設(shè)計(jì)了一種可自行發(fā)電的感應(yīng)式節(jié)水器，利用微型水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)回收管道中的水流動(dòng)能進(jìn)行發(fā)電，為感應(yīng)式節(jié)水器供電。羅鈦龍等[3]設(shè)計(jì)了一種無(wú)線遙控節(jié)水灌溉自動(dòng)控制器，采用NRF24L01構(gòu)成無(wú)線通信收發(fā)模塊，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上增加了LED指示燈功能，可通過(guò)觀察LED的狀態(tài)來(lái)識(shí)別遠(yuǎn)程控制的工作狀態(tài)。郭宏[4]研制了一種新型的節(jié)水器，該節(jié)水器融合了紅外測(cè)控、電子技術(shù)以及機(jī)械設(shè)計(jì)的技術(shù)，做到了光、機(jī)、電的有機(jī)結(jié)合。

以上的節(jié)水器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，大部分應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種家庭智能高效節(jié)水器，結(jié)構(gòu)上更加精巧安裝方便，可以高效地控制水的通斷。

1 家庭智能高效節(jié)水器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

節(jié)水器主體結(jié)構(gòu)如圖1所示：由水流傳感器、控制模塊和電磁閥組成。

水流傳感器：利用一對(duì)永磁鐵浮子的磁性相斥力和水流的沖擊力來(lái)相互作用，配合干簧管輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)（0/1），靠永磁鐵之間的相斥力來(lái)復(fù)位，相對(duì)于機(jī)械性的彈簧更穩(wěn)定更可靠，使用壽命更長(zhǎng)，啟動(dòng)流量更小，通水通電，沒(méi)水?dāng)嚯姟?/p>

控制模塊：接收水流傳感器的開(kāi)關(guān)信號(hào)，并輸出控制信號(hào)對(duì)電磁閥的通斷進(jìn)行有效控制。

電磁閥：采用先導(dǎo)式結(jié)構(gòu)，利用壓差打開(kāi)后者關(guān)閉閥門（由線圈通斷電信號(hào)控制），動(dòng)作可靠，啟閉迅速，性能穩(wěn)定。

2 控制模塊軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

控制器：STC89C52性能參數(shù)下；8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32 位I/O 口線，，內(nèi)置4KB EEPROM，MAX810復(fù)位電路，3個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，4個(gè)外部中斷。控制電路如圖2所示

在STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)下，通過(guò)p1.0引腳連接水流傳感器，p3.6引腳連接繼電器。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

使用Keil μVision4 編寫控制程序，編譯、仿真、調(diào)試，最后生成hex文件，通過(guò)下載器將hex文件下載到MCU中。編程思想：有水流信號(hào)，超過(guò)t秒后，繼電器吸合，復(fù)位之后，繼電器停止控制。流程圖如圖3：

3 應(yīng)用

角閥是總閥，角閥開(kāi)啟，軟管中有水流通過(guò)，電磁閥安裝在角閥之上，保持常開(kāi)的狀態(tài)，正常工作的情況下允許水流通過(guò)，水流傳感器安裝在電磁閥和軟管之間，檢測(cè)水流輸出信號(hào)，繼電器模塊與電磁閥、水流傳感器串連，識(shí)別水流傳感器的輸出信號(hào)控制電磁閥的通斷。節(jié)水器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖4。

4 結(jié)論

圍繞節(jié)能環(huán)保的理念，設(shè)計(jì)了一種家庭智能高效節(jié)水器，首先在硬件上基于STC89C52單片機(jī)設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)到水流后關(guān)閉電磁閥的功能。最后通過(guò)不同的測(cè)試方案測(cè)試了這種智能高效節(jié)水器，都可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期結(jié)果。

參考文獻(xiàn)：

[1]曹行，張立增，尹輝娟.基于Zigbee的智能節(jié)水器系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)新通信，2016，18（13）：78-79.

[2]蘭建軍，蔡曉霞，姜楚盈，等.自發(fā)電感應(yīng)式節(jié)水控制系統(tǒng)[J].化工自動(dòng)化及儀表，2015，42（9）.

[3]羅鈦龍，于洋.無(wú)線遙控節(jié)水灌溉自動(dòng)控制器設(shè)計(jì)[J].民營(yíng)科技，2016（2）：61.

[4]郭宏，毛獻(xiàn)輝，朱昊，等.紅外測(cè)控技術(shù)在節(jié)水器中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2004，21（4）：32-35.

[5]陳瑚容，謝柯陽(yáng)，王怡波，等.自發(fā)電數(shù)控雙閥紅外感應(yīng)節(jié)水器設(shè)計(jì)[J].江蘇科技信息，2017（9）：58-60.

資助項(xiàng)目：遼寧科技大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)（No.201810146049）

指導(dǎo)老師：劉健，王鶴。