自動感應水龍頭的節水模型和控制的研究

林紀巧

（九牧廚衛股份有限公司，福建 廈門361000）

20 世紀70 年代，在日本以及一些歐美國家開始使用自動感應水龍頭，該形式的龍頭常常應用于公共場所，但因為當時的技術水平發展不夠完善，因此在使用過程中出現大量的水資源浪費，進入90 年代后，隨著電子技術的發展與應用，感應水龍頭的技術水平有了長足進步，尤其是電池的使用使得水閥結構更加的緊湊，節水效率也變得更加高效。之后隨著自動化技術的應用，工業生產的自動化程度提升，自動感應水龍頭也開始逐步進入普通民眾的生活中。自動感應水龍頭能夠通過自動感應系統實現對水龍頭的開、關，例如在實際應用中，當用戶的手進入感應范圍內則水龍頭能夠自動放水，當用戶的手離開感應區域后水龍頭停止出水，該形式的水龍頭適用范圍廣、使用方便衛生、材質多為不銹鋼或銅制陶瓷芯片。

1 自動感應水龍頭工作原理

本文介紹的感應水龍頭采用的是MSP430 紅外感應定高節水水龍頭。該檢測元件的工作原理為通過使用紅外線對一定范圍內的物體進行檢測，并反射出不同強度的紅外線進行水龍頭開關的控制。MSP430 系列單片機為16 位的，具有集成度高、超低功耗等優點。該自動感應水龍頭的設計主要采用定水工作模式以及普通工作模式，其中，定水工作模式是在使用容器進行接水時，利用自動控制方式即自動接水至目標值則水龍頭自動關閉；而普通工作模式則是使用紅外感應開關，當用戶的雙手被占用時則可使用該模式進行水龍頭開、關的控制。定水模式主要是指用戶自己根據所需的水量高度進行定高裝置的設定，通過使用紅外線高度檢測儀測定用戶取水量，當取水達到目標值時則控制水龍頭關閉；普通模式則是將水量的定高檢測系統關閉，只使用紅外感應用水系統。

1.1 定高裝置的充電原理及實現過程

在水龍頭的定高裝置中安設一無線充電模塊的接收模塊，當該模塊內輸出端和電池相連接時則模塊會給電池組充電，此外，為了避免電池組充放電過程中造成電流的亂入而燒壞無線充電接收模塊，故在定高裝置中使用雙水銀開關。為檢測在實際應用中的放水高度，因此在定高裝置下方設置一紅外線感應檢測電路，且在定高裝置上方設置一紅外發射管，方便裝置向上方發射信號。

1.2 控水裝置的工作原理與抗干擾設計

控水裝置主要包含微控制器系統與側面紅外感應電路，其中，側面紅外感應電路主要功能是為了檢測是否存在用戶需要開啟電磁閥，而微控制器則主要是處理定高裝置以及側面紅外感應電路信號，當紅外感應電路檢測到物體時則對單片機引起低電平中斷。

因為在實際應用中需要考慮到龍頭使用環境的干擾，因此通過比對選取SFH506-38 作為該系統內紅外線接收端，該型號接頭內置PIN 二極管、前置放大器與PCM頻率濾波器，可以有效地避免裝置運行受到光源干擾，此外，該接頭能夠持續進行數據的發送，且中心頻率為38kHz，裝置的發射端使用帶通555 振蕩電路為載波驅動，發射紅外線頻率同樣為38kHz，故能夠有效地避免裝置使用環境的干擾。

2 系統設計原則

2.1 低負荷使用原則

在進行自動感應水龍頭設計時首先應考慮的原則就是如何最大限度的降低不必要水源的使用，即避免用戶在使用水龍頭時出現過多的操作動作。任何產品的設計首選應從使用者的心理以及生理考慮，最大限度的讓用戶在使用產品的過程中高效、舒適，即我們常說的設計人性化。針對該自動感應水龍頭的設計即是確保用戶在使用水龍頭時避免出現過多重復性動作，這樣不僅可以讓使用者操作更加的簡便舒適且有助于減少水資源的浪費。

2.2 經濟耐用原則

產品的耐用性一直是用戶購買商品時的重要參考，故自動感應水龍頭設計時應避免出現因水龍頭零件出現故障而引發使用故障，因此設計時應確保水龍頭的經久耐用性，并力求設計的簡約化，此外，水龍頭造價成本也是設計時需考慮的重點。自動感應水龍頭設計時應考慮龍頭的通用性原則，即水龍頭的使用公平性以及價格公平性，尤其是隨著一系列智能化技術的使用，盡心自動感應水龍頭設計時應注重簡單質樸、運行高效。

2.3 增進節水意識

水資源的匱乏一直是我國的一項基本國情，節水措施的使用是有效降低水資源浪費的必然選擇，而自動感應水龍頭作為最普遍的使用裝置，在進行設計時同樣需堅持節水這一基本原則，因此，如何讓用戶在使用過程中潛移默化的接收并養成節水習慣是設計師進行自動感應水龍頭設計時需要考慮的重點。例如，在實際應用中，自動感應水龍頭一次可防水一公升，足夠一個使用者快速的洗手一次，而用戶使用普通水龍頭洗手一次則會消耗掉大約六公升的水。

3 節水控制過程

3.1 節水模型與控制

3.1.1 普通模式節水測試

普通模式下主要是進行自動感應龍頭相應時間的測試，測試結果如表1 所示。

表1 龍頭普通模式開關相應時間

3.1.2 定高模式測試結果

定高模式的測試主要是對紅外接收管的靈敏度以及定高模塊最底部安全距離進行測定。表2、表3、表4 分別為不同光照強度和不同水桶顏色條件下所測得的安全距離。

表2 光照強度較高時安全距離測定值

表3 光照強度適中時安全距離測定值

表4 光照強度較低時安全距離測定值

從上表中可以看出，該自動感應水龍頭的相應時間穩定，且滿足實際需求，對比不同光照條件下的安全距離測定值可以看出，光照環境的變化對該自動感應水龍頭的影響較小，可以滿足不同使用環境。

3.2 測試分析

該自動感應水龍頭設計中的定高裝置以及自動感應斷水功能具有實用意義，該裝置的密封性能較好，能夠確保用戶用水的安全性，尤其是該裝置中所使用的無線電源模塊使得用戶使用該裝置時更加的靈活方便。因此，本文中基于MSP430 紅外線定高節水龍頭的設計能夠滿足節水要求，裝置中所使用的紅外線檢測裝置以及無線充電裝置可以使得龍頭的工作滿足機電一體化要求，能夠適應與各種用水、取水要求，且該裝置的結構簡單、使用方面、節約水源。經過測試后該裝置的性能優越性主要為：使用紅外探測和定高裝置能夠對用戶取水量進行智能控制，不僅可以有效節約時間成本還能夠防止出現因水體溢出而造成的浪費；本裝置使用無線充電方式可以節約用電，且由于增設了水銀開關對紅外感應進行控制，能夠達到裝置不運行不用電的效果；定高裝置部分的密封性較強，可有效防止因定高部分接觸水體而存在安全隱患；兩種工作模式的結合設計使得用戶進行大量用水與少量用水時具有更高的可操作性。

4 結論

隨著科學技術水平的不斷提升，更加智能化的水龍頭也必將出現，例如現今一些大城市內出現的萬能水龍頭、聲控水龍頭、光控水龍頭等，雖說龍頭的名稱不同，但其追求的目標一致，即節約水源。相信隨著更加智能化的設備應用于龍頭中，水龍頭也必將朝著智能化、人性化、節約化發展。