趙忠厚，趙 輝，劉俊清

(沈陽(yáng)工程學(xué)院 自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng)110136)

1 節(jié)水的必要性

水資源作為人類社會(huì)的基礎(chǔ)性自然資源和戰(zhàn)略性經(jīng)濟(jì)資源，是不可替代的一種重要資源。它與環(huán)境、人口及生產(chǎn)生活密切相關(guān)。因此，水資源問(wèn)題已成為舉世矚目的重要問(wèn)題之一。據(jù)有關(guān)資料報(bào)道顯示，我國(guó)是一個(gè)干旱缺水嚴(yán)重的國(guó)家。淡水資源總量為28 000億m3，占全球水資源的6%。僅次于巴西、俄羅斯和加拿大，居世界第四位，但人均只有2 200 m3，僅為世界平均水平的四分之一、美國(guó)的五分之一，是全球13個(gè)人均水資源最貧乏的國(guó)家之一。

沈陽(yáng)屬北溫帶氣候，受季風(fēng)影響較大，雨熱同期，降雨年內(nèi)、年季變化大，水資源時(shí)空分布不均勻。降雨量的2/3集中在7、8月份，并多以暴雨形式降落。不利于雨水的滲儲(chǔ)、保留。其水資源利用現(xiàn)狀如下。

沈陽(yáng)市年平均水資源量大約為323 000萬(wàn)m3，人均水資源占有量約448 m3，只有全國(guó)人均水平的20%左右，屬于水資源短缺地區(qū)。水資源時(shí)空分布不均，年際變化大，特別是遇到連續(xù)干旱的年份的出現(xiàn)，會(huì)加劇水資源的供需矛盾。隨著東北老工業(yè)基地振興的進(jìn)程加快，沈陽(yáng)市用水量將會(huì)快速增長(zhǎng)，用水保證率及水質(zhì)要求將會(huì)更高，生態(tài)用水標(biāo)準(zhǔn)也相應(yīng)提高，農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生活用水及水資源利用有效率低等諸多問(wèn)題也將越發(fā)突出。雖然，水資源如此短缺，但至今人們還沒(méi)有真正認(rèn)識(shí)到水資源缺乏的嚴(yán)重性。

據(jù)有關(guān)部門網(wǎng)上調(diào)查得知，在現(xiàn)實(shí)生活中，大多數(shù)人的節(jié)水意識(shí)淡薄，常在無(wú)意中浪費(fèi)大量的水資源，如一些常見(jiàn)的用水不良習(xí)慣：洗臉?biāo)⒀罆r(shí)任水流淌；洗澡涂肥皂時(shí)不關(guān)淋浴噴頭；用過(guò)多的水沖洗汽車；洗衣服時(shí)只用自來(lái)水沖洗；在解凍海鮮等凍品時(shí)通常使用自來(lái)水解凍；常用自動(dòng)洗衣機(jī)洗少量的衣物等等。

從以上種種浪費(fèi)水的現(xiàn)象不難看出，大多數(shù)人們?cè)诩依锊](méi)有很強(qiáng)的節(jié)約用水意識(shí)，如果連家庭用水都沒(méi)有辦法做到節(jié)約，那不用說(shuō)在公共場(chǎng)所了。之所以有嚴(yán)重的浪費(fèi)水的情況出現(xiàn)，是因?yàn)榇蠖鄶?shù)人都沒(méi)有節(jié)約用水的概念，認(rèn)為節(jié)水很麻煩，使生活不方便。還有少部分人是因?yàn)椴徊铄X，水費(fèi)對(duì)他們來(lái)說(shuō)是低廉的，并不能形成對(duì)“節(jié)約用水”的認(rèn)真關(guān)注和重視。

2 解決方案

保護(hù)水源，節(jié)約用水十分必要，為此，設(shè)計(jì)了一套“家庭節(jié)水自動(dòng)循環(huán)系統(tǒng)”。下面將做詳細(xì)介紹。

當(dāng)前，每個(gè)家庭都是將日常生活中洗漱、洗衣等用水流入下水道，變成了不可再用的污水，沒(méi)有二次處理的可能，水資源被白白浪費(fèi)掉。據(jù)了解，現(xiàn)今并沒(méi)有利用水的二次利用來(lái)進(jìn)行節(jié)水的方法。本系統(tǒng)是將家庭每天洗漱、洗衣等生活用水(可再用的廢水)收集在儲(chǔ)水箱中，用來(lái)沖洗便池，達(dá)到節(jié)約用水的目的。

本系統(tǒng)自動(dòng)控制儲(chǔ)水、進(jìn)水、沖水等過(guò)程循環(huán)進(jìn)行，其中關(guān)鍵技術(shù)在于如何自動(dòng)對(duì)各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)水位的判斷、控制及相應(yīng)的操作。控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

本系統(tǒng)包括信號(hào)采集處理、對(duì)應(yīng)控制及執(zhí)行動(dòng)作部分等。水位傳感器探頭1、2、3分別安裝在儲(chǔ)水箱內(nèi)和沖水箱內(nèi)的適當(dāng)位置。將各自檢測(cè)采集到的“水位情況”信號(hào)，經(jīng)過(guò)分別處理后送至“系統(tǒng)控制”部分?！翱刂撇糠帧笔盏叫盘?hào)后，進(jìn)行判斷確認(rèn)，發(fā)出不同的“控制信號(hào)”給“執(zhí)行部件”，進(jìn)而實(shí)施不同的功能操作。

圖1 家庭節(jié)水自動(dòng)循環(huán)控制系統(tǒng)

其中，F(xiàn)M1為洗臉盆下水閥門，關(guān)閉時(shí)(橫向)，可將使用過(guò)的水流入儲(chǔ)水箱，打開(kāi)時(shí)(縱向)，使用過(guò)的水流入下水道；FM2為原進(jìn)水管閥門，關(guān)閉時(shí)(縱向)可以阻止原進(jìn)水管的水進(jìn)入沖水箱，而用儲(chǔ)水箱中的水，打開(kāi)時(shí)(橫向)，原進(jìn)水管的水進(jìn)入沖水箱，恢復(fù)原來(lái)運(yùn)行狀態(tài)；K1為啟動(dòng)水泵控制開(kāi)關(guān)(+12V)。

3 系統(tǒng)供電電源

電子設(shè)備中一般都需要用直流電源來(lái)供電，所用的直流電源，通常是由電網(wǎng)提供的交流電經(jīng)過(guò)整流、濾波和穩(wěn)壓后得到的。特別是在電子線路和自動(dòng)化控制裝置中，對(duì)所用的直流電源要求更高，除了要求能夠輸出不同電路所需要的電壓和電流以外，還應(yīng)做到直流電壓平滑、脈動(dòng)成分小、輸出電壓的幅值穩(wěn)定，即當(dāng)電網(wǎng)電壓或負(fù)載電流波動(dòng)時(shí)能保持輸出基本穩(wěn)定，交流電變換成直流電時(shí)的轉(zhuǎn)換效率高。為了得到合適的直流電，目前廣泛采用各種半導(dǎo)體直流電源。

圖2是半導(dǎo)體直流電源的原理方框圖，其表示的是把交流電變換為直流電的過(guò)程。

圖2 半導(dǎo)體直流電源

直流電源一般包括4個(gè)組成部分，即電源變壓器、整流電路、濾波器和穩(wěn)壓電路。

3.1 電源變壓器

電網(wǎng)提供的交流電一般為220V(或380V)，而各種電器設(shè)備所需要直流電壓的幅值卻各不相同。整流變壓器就是將交流電源電壓變換為符合整流需要的電壓。

3.2 整流電路

將正負(fù)交替的正弦交流電壓整流成單脈動(dòng)電壓，其中的整流元件之所以能整流，是因?yàn)樗鼈兌季哂袉蜗驅(qū)щ姷墓餐匦浴?/p>

3.3 濾波器

整流電路雖然可以把交流電轉(zhuǎn)化為直流電，但是所得到的電壓是單向脈動(dòng)電壓，在某些設(shè)備中，這種電壓的脈動(dòng)是允許的。但是，在大多數(shù)電子設(shè)備中，整流電路后都要加接濾波器，以改善輸出電壓的脈動(dòng)程度。濾波器主要由電容、電感等儲(chǔ)能元件組成。其作用是減小整流電壓的脈動(dòng)程度，輸出比較平滑的直流電壓，以適合負(fù)載的需要。

3.4 穩(wěn)壓電路

整流電路把交流電轉(zhuǎn)化為單方向的脈動(dòng)電壓，而濾波器降低了輸出電壓的脈動(dòng)成分。此時(shí)的電壓往往會(huì)隨著交流電源電壓的波動(dòng)和負(fù)載的變化而變化，電壓的不穩(wěn)定有時(shí)會(huì)引起控制裝置的工作不穩(wěn)定，甚至根本無(wú)法正常工作。特別是自動(dòng)控制、計(jì)算裝置等都要求有很穩(wěn)定的直流電源供電。為了得到更加穩(wěn)定的直流電源，需要在整流濾波電路的后面再加上穩(wěn)壓電路，當(dāng)交流電源電壓或負(fù)載變動(dòng)時(shí)，使直流輸出電壓保持穩(wěn)定。

穩(wěn)壓電路及穩(wěn)壓的方法有多種，但有的電路仍有不少外接元器件，還要注意共模電壓的允許值和輸入端的保護(hù)，使用復(fù)雜。目前，集成穩(wěn)壓器已廣泛應(yīng)用于單片集成穩(wěn)壓電源，它具有體積小、可靠性高、使用靈活、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中。

如三端集成穩(wěn)壓器有固定輸出和可調(diào)輸出兩種不同類型。其中固定輸出集成穩(wěn)壓器又分為正輸出(W78XX：輸出正電壓有 +5V、+9V、+12V、+15V等多個(gè)電壓等級(jí))和負(fù)輸出(W79XX：輸出負(fù)電壓有 -5V、-9V、-12V、-15V等多個(gè)電壓等級(jí))兩大類。三端集成穩(wěn)壓器的組成，如圖3所示。

圖3 三端集成穩(wěn)壓器的組成

從圖可知，電路內(nèi)部實(shí)際上包括了串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路(調(diào)整管、放大電路、基準(zhǔn)電壓、采樣電路)的各個(gè)組成部分，以及保護(hù)電路和啟動(dòng)電路。

供電直流電源簡(jiǎn)圖如圖4所示。圖中，交流電220V為電網(wǎng)供給的民用市電，經(jīng)過(guò)變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)，最后輸出的直流電源為 +5V、+12V、-12V，分別用于電子集成電路和執(zhí)行部分的操作供電。

圖4 供電直流電源

4 系統(tǒng)工作過(guò)程

開(kāi)始階段，廢水儲(chǔ)水箱無(wú)水，此時(shí)，由控制系統(tǒng)控制閥門Fm1關(guān)閉日常生活用水可進(jìn)入儲(chǔ)水箱，當(dāng)水箱中的水達(dá)到一定量時(shí)，將控制閥門Fm2關(guān)閉。此后，仍將繼續(xù)給儲(chǔ)水箱注水，直至加滿為止。如果需要沖水時(shí)，按壓“沖水按鈕”即可。沖水后，啟動(dòng)水泵QJ，用儲(chǔ)水箱的水再給沖水箱加水，待用。若儲(chǔ)水箱內(nèi)水量足夠用，則可控制自動(dòng)循環(huán)進(jìn)行，，從而完成“日常生活用水”的二次利用，達(dá)到節(jié)約用水的目的。

圖5 家庭節(jié)水系統(tǒng)中的實(shí)物模擬

若有以下情況時(shí)，則需特別注意。

1)當(dāng)儲(chǔ)水箱內(nèi)水滿后，系統(tǒng)將控制 Fm1動(dòng)作，使Fm1打開(kāi)，生活用水可直接流入下水道。

2)當(dāng)儲(chǔ)水箱中無(wú)水時(shí)，系統(tǒng)將控制 Fm2動(dòng)作，使Fm2打開(kāi)，用原進(jìn)水管上水，恢復(fù)原來(lái)運(yùn)行狀態(tài)。

3)如生活用水太臟，不宜儲(chǔ)存再用，可手動(dòng)強(qiáng)行控制打開(kāi)Fm1，將污水排入下水道。

4)如有停電發(fā)生時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)失去控制功能，F(xiàn)m1、Fm2均處于自然打開(kāi)(開(kāi)通)狀態(tài)，一切按原來(lái)使用方式進(jìn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

有專家預(yù)言，水資源短缺將成為人類21世紀(jì)面臨的最為嚴(yán)重的資源問(wèn)題之一，水危機(jī)已經(jīng)是全球性的事實(shí)，繼石油危機(jī)之后的下一個(gè)危機(jī)便是水危機(jī)。把水看成取之不盡、用之不竭的時(shí)代已經(jīng)過(guò)去，把水當(dāng)成寶貴資源的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。面對(duì)這樣的問(wèn)題需要做到：①普及節(jié)水常識(shí)，提高全民節(jié)水意識(shí)，轉(zhuǎn)變?nèi)藗兇址判陀盟?xí)慣，提倡良好的用水節(jié)水方法；②合理開(kāi)發(fā)水資源，有效利用，節(jié)約控制，滿足居民生活基本用水需求的同時(shí)，要保證工良好的水環(huán)境，在工農(nóng)業(yè)用水和城市生活用水等方面大力提高水的利用率，

［1］楊素行.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)明教程［M］.北京：高等教育出版社，2005.

［2］秦曾煌，姜三勇.電工學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2008.

［3］趙保經(jīng).中國(guó)集成電路大全［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006.

［4］喬鴻云，楊 雄，張善彪，等.智能節(jié)水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2009(28)：91-92.