吳崢強(qiáng)

Design and research of a comprehensive household water saving device

（Mechanical and Electrical Engineering Department）

【摘要】將研制一套家庭綜合節(jié)水裝置，將生活中使用過的相對(duì)干凈的洗菜、洗衣等用水進(jìn)行回收并凈化處理，使之用于廁所沖洗、家庭清潔、花草澆灌等。綜合節(jié)水系統(tǒng)的集成化設(shè)計(jì)，使其能在家庭環(huán)境中具有安裝和使用的可行性。將家庭使用過的相對(duì)干凈的水再回收利用，提高了水資源的利用效率。

【關(guān)鍵詞】家庭 節(jié)水 回收 裝置

【Abstract】The development of a comprehensive water-saving device， recycling washing dishes， washing water， and purification， to be used for flushing toilets， household cleaning， watering flowers and so on. The integrated design of comprehensive water saving system， the installation and use are convenient. The device family used water recycling， improve the utilization efficiency of water resources.

【Keywords】Family Water saving Recovery Device

1 引 言

我國是水資源相對(duì)十分匱乏的國家，以廣州為例，地處多雨的珠江三角洲的廣州，印象中雨水充沛，年均降雨量約1800毫米。而在用水量上，目前廣州市平均每人每天用水量達(dá)350升，為全國之最。在現(xiàn)有供水條件下，有報(bào)告指出，2020年廣州市供需水在97%保證率下可供水量為55.2億立方米，缺水7.0億立方米；在90%保證率下可供水量為56.4億立方米，缺水5.8億立方米?？梢?，廣州的缺水形勢(shì)十分嚴(yán)峻，而中國北方的城市缺水形勢(shì)則是極為嚴(yán)重了。另外，龐大的人口規(guī)模，這使得家庭節(jié)水問題日益得以重視。家庭生活中，洗衣機(jī)用水、洗浴用水和洗菜用水相當(dāng)大比例可以收回再利用。本文研究的目標(biāo)為開發(fā)出一套家庭綜合節(jié)水系統(tǒng)，將家庭可回收用水進(jìn)行回收儲(chǔ)存并凈化處理，使之用于廁所沖洗、家庭清潔、花草澆灌等，這將大大節(jié)約家庭用水量。

2總體方案設(shè)計(jì)

本裝置設(shè)計(jì)的基本思路是將家庭生活用水通過檢測(cè)，自動(dòng)篩選是否需要回收，將相對(duì)潔凈的已使用過的水回收進(jìn)入處理系統(tǒng)，使這一部分水體得到再次利用。自動(dòng)篩選系統(tǒng)判斷相對(duì)潔凈的水體，這樣可以降低污水處理難度，簡化污水處理裝置。

本裝置運(yùn)作總流程設(shè)計(jì)如圖1所示：

3 節(jié)水裝置的設(shè)計(jì)制作

1） 準(zhǔn)備過程

分析控制策略、水循環(huán)的通路，篩選主要制成模型的主要功能，除去非必要功能，整理出所需要的硬件材料、控制開發(fā)工具等。

設(shè)計(jì)蓄水箱2個(gè)（1主1從），包含以下組件：

①抽水泵1個(gè)（簡化自動(dòng)清洗功能需要的泵）；

②51單片機(jī)組成的控制模塊；

③電磁閥門2個(gè)（簡化自動(dòng)清洗功能）；

④渾濁度檢測(cè)裝置

⑤過濾裝置；

⑥輔助元件：如膠管等。

2）制作51控制模塊

① 處理芯片的選擇

根據(jù)控制流程所需采集的信號(hào)，輸出的控制信號(hào)，以及邏輯運(yùn)算的復(fù)雜程度。選用STC89C52RC單片機(jī)做控制芯片，該單片機(jī)擁有32個(gè)I/O口，兩路定時(shí)器中斷，兩路外部中斷，8K的ROM，256B的RAM。接12M晶振有良好的運(yùn)行速度，滿足系統(tǒng)的需要。

②AD信號(hào)采集芯片的選擇

系統(tǒng)所采集的水位、渾濁度均為模擬量，需要進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換才能用單片機(jī)進(jìn)行邏輯運(yùn)算。模型需要的模擬量共3路，選用飛利浦的8位精度AD芯片PCF8591，該芯片有4路模數(shù)轉(zhuǎn)換通道，1路數(shù)模轉(zhuǎn)換通道，系統(tǒng)任意選用3路模數(shù)轉(zhuǎn)換通道即可，且轉(zhuǎn)換精度也夠用。

③系統(tǒng)設(shè)定值存儲(chǔ)芯片

系統(tǒng)設(shè)計(jì)為可變水箱，可調(diào)參數(shù)系統(tǒng)，采用自動(dòng)檢測(cè)設(shè)定值，并且設(shè)定值可更換，符合方便、人性化的原則。Atmel公司的AT24C02能夠存儲(chǔ)255個(gè)8位數(shù)，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要。

④顯示部分

系統(tǒng)要顯示的內(nèi)容并不多，所以選用很普通的LCD1602點(diǎn)陣液晶顯示即可滿足。該液晶可顯示兩行共32個(gè)字符，支持英語、數(shù)字及符號(hào)顯示。

⑤繼電器模塊

單片機(jī)的工作電壓為5v，且負(fù)載能力差，通過繼電器控制12v的抽水泵和電磁閥門的工作。繼電器與單片機(jī)之間用光電隔離，提高單片機(jī)的負(fù)載能力，同時(shí)也減少繼電器對(duì)單片機(jī)的干擾。

⑥電源選擇

系統(tǒng)需要5v和12v的電壓，5v的電壓由12v的電源適配器經(jīng)調(diào)壓板獲得，5v為單片機(jī)等單片機(jī)外圍元件供電以及壓力傳感器、渾濁度傳感裝置供電，12v為抽水泵和電磁閥門的供電，系統(tǒng)采用雙電源設(shè)計(jì)，小電流與大電流分離供電，減少對(duì)單片機(jī)控制系統(tǒng)的干擾，提高系統(tǒng)可靠性。

⑦外殼選擇安裝

提高系統(tǒng)的美觀性和抗干擾能力，為系統(tǒng)安裝一個(gè)外殼，接線口，通過排針和接線端子引出，方便接線和調(diào)試。

3）制作渾濁度檢測(cè)裝置

①設(shè)計(jì)原理

工作原理：當(dāng)光線穿過一定量的水時(shí)，光線的穿透量取決于該水中的懸浮顆粒物的含量；當(dāng)含量增加時(shí)，穿透水樣的光線隨之減少，濁度測(cè)量透過的光線量來計(jì)算水的濁度。

利用發(fā)光二極管和光電三極管對(duì)特定波長的折射作用，來測(cè)量臟水的不透光度或者其他物質(zhì)的濃度。

②選用的材料

紅外光的發(fā)光二極管作為信號(hào)源，紅外光接收管作為接收信號(hào)，配上適當(dāng)阻值的電阻元件。

③設(shè)計(jì)電路

設(shè)計(jì)的控制電路如圖2所示。

3）過濾裝置

①過濾裝置原理圖如圖3所示：

②過濾工作描述

污水從均布的進(jìn)水口進(jìn)入外殼與內(nèi)殼間的間隙，淹沒進(jìn)水口，形成密閉，出水口連接抽水機(jī)的進(jìn)水口，抽水機(jī)工作，利用抽水機(jī)的自吸，在過濾器內(nèi)外殼間形成負(fù)壓，水進(jìn)入裝有過濾介質(zhì)的內(nèi)殼，被迫通過介質(zhì)進(jìn)入出水口，水中的雜物被分離。同時(shí)，出水口前有一隔網(wǎng)，隔離過濾介質(zhì)，防止管道或抽水泵的堵塞。

③缺點(diǎn)和不足

過濾器正常工作要求到達(dá)一定的水位（淹沒進(jìn)水口），工作時(shí)，需要配備具有一定自吸能力的抽水泵。

4節(jié)水裝置的運(yùn)作

本裝置的運(yùn)作流程，見圖4所示。

系統(tǒng)設(shè)置為四個(gè)模塊： ①污水選擇處理模塊；②抽水機(jī)動(dòng)作控制模塊；③紫外線裝置控制模塊；④干凈水補(bǔ)給控制模塊。

通過實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)定：①水位傳感器Y1的最大值為V1、最小值為Vm1 ；②水位傳感器Y3的最大值為V2、最小值為Vm2、其中任意值為VH2 ；③水體渾濁度檢測(cè)的臨界值為H；④水流量計(jì)L2的最小值為L。

演示模型的運(yùn)作如下：

①污水控制：水位傳感器Y1實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到水壓到達(dá)預(yù)設(shè)值時(shí)，電磁閥門F1加電開啟一段時(shí)間，以保證實(shí)時(shí)渾濁度檢測(cè)裝置內(nèi)部的被檢測(cè)的水是新注入的水，保證檢測(cè)的準(zhǔn)確性；完成放水動(dòng)作后，關(guān)閉F1，加電運(yùn)行檢測(cè)裝置H1監(jiān)測(cè)水質(zhì)情況，若檢測(cè)通過，則加電開啟F2、L1，此時(shí)H1檢測(cè)裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦監(jiān)測(cè)到水質(zhì)改變?yōu)椴煌ㄟ^，立即關(guān)閉F2、L1和開啟F1；若L1中監(jiān)測(cè)不到數(shù)據(jù)，則說明水流已消失，此時(shí)可關(guān)閉閥門和流量計(jì)，并對(duì)流量計(jì)的數(shù)據(jù)清零，恢復(fù)Y2待機(jī)狀態(tài)。

②抽水機(jī)控制：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水位傳感器Y3的數(shù)據(jù)，若所測(cè)數(shù)據(jù)低于設(shè)定值VH2且Y2所測(cè)得數(shù)據(jù)未低于設(shè)定值Vm1，則加電開啟抽水機(jī)B1和流量計(jì)L2，若Y 2所測(cè)的數(shù)據(jù)大于V1且Y3所測(cè)得數(shù)據(jù)未小于VH2，則加電開啟B1和L2，若Y3所測(cè)得數(shù)據(jù)低于Vm2且Y2所測(cè)得數(shù)據(jù)大于Vm1，則加電開啟B1和L1。

③紫外線控制；若抽水機(jī)B1處于開啟狀態(tài)且流量計(jì)L2所測(cè)得數(shù)據(jù)大于或等于設(shè)定值L，則開啟紫外線裝置X1，X1的開啟時(shí)間由L2的實(shí)時(shí)所測(cè)數(shù)據(jù)換算而得。

④干凈水補(bǔ)給控制：若水位傳感器Y3所測(cè)的數(shù)據(jù)低于設(shè)定值Vm2，則加電開啟電磁閥門F3，檢測(cè)B1是否開啟，若B1處于未開啟狀態(tài)，則開啟F3至Y3實(shí)時(shí)所測(cè)的數(shù)據(jù)到達(dá)設(shè)定值VH2后關(guān)閉F3；若B1處于開啟狀態(tài)，則開啟F3至Y3實(shí)時(shí)所測(cè)的數(shù)據(jù)至設(shè)定值V2后關(guān)閉F3。注：若未特殊說明，則B：抽水泵、F：閥門、Y：壓力傳感器、L：紫外燈。

5 結(jié)語

本裝置針對(duì)匱乏的水資源，立足于家庭生活本身，提出了一套家庭節(jié)水設(shè)計(jì)方案。針對(duì)“節(jié)流”這一環(huán)節(jié)，通過安裝家庭節(jié)水系統(tǒng)，收集處理家庭污染程度較低的水，使之多一次循環(huán)利用，因此可大幅提高家庭用水的利用率，綜合測(cè)算能提升30%以上的利用率，這對(duì)城市的可持續(xù)發(fā)展提供了巨大的水資源保障空間，具有極大的環(huán)境價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

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