王 騏，王 佳，王青萍，王懷興

（湖北第二師范學院物理與電子信息學院，湖北 武漢 430205）

自動沖廁裝置目前使用最廣泛的是紅外感應自動沖廁裝置，傳統(tǒng)的紅外傳感沖廁裝置采用紅外脈沖幅度測量進行測距感應。其工作機制是單片機利用定時開關(guān)周期性檢測傳感器采集到的測距數(shù)據(jù)，以此判斷是否有人進入及是否沖水等。它還可以在設(shè)定的時間周期內(nèi)自動沖水，以防第一次沖廁失敗。有些紅外沖廁裝置也能對單次沖水時間進行設(shè)置從而達到節(jié)水的目的。

傳統(tǒng)的紅外傳感自動沖廁裝置雖然智能化程度比較高，但它設(shè)計復雜、不夠節(jié)水且成本較高。本文設(shè)計的一種基于力敏傳感器、測量放大電路和定時開關(guān)控制的新型節(jié)水自動沖廁裝置，很好地克服了紅外傳感自動沖廁裝置的上述不足，在成本、環(huán)保和人性化等方面具有一定優(yōu)勢。

1 新型節(jié)水自動沖廁裝置的工作原理

與傳統(tǒng)紅外感應自動沖廁裝置相比，新型節(jié)水自動沖廁裝置無需用到單片機，控制裝置主要為一個定時開關(guān)，因而其結(jié)構(gòu)要比紅外感應沖廁裝置簡單，成本更低，易于生產(chǎn)和安裝。這種新型節(jié)水自動沖廁裝置示意圖如圖1所示，工作原理如下：

1）當凹形受壓板上有糞便時，傳感器受壓感應，將糞便重力信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺?/p>

2）電信號經(jīng)直流放大電路放大到繼電器的吸合電流，使繼電器閉合，此時定時開關(guān)開始啟動運轉(zhuǎn)；

3）家用電源經(jīng)整流器整流后變?yōu)榈蛪褐绷鳎ㄟ^定時開關(guān)與電磁水閥連接，定時開關(guān)使電磁水閥周期性開閉從而實現(xiàn)周期性檢測和沖廁功能。即當檢測到糞便后開始第一個周期的沖水，當?shù)谝淮螞_水停止后若檢測到便池還未沖干凈便進行第二個周期的沖水，如此反復直到?jīng)_干凈為止；

4）每次沖水后都會有一定的停滯時間用于感應便槽是否沖干凈，及等待沖廁的水排流干凈以防止誤將水作為感應對象。當感應到便槽已沖干凈后力敏傳感器不再受壓，此時無明顯電流流經(jīng)放大電路使繼電器斷開，定時開關(guān)停止運轉(zhuǎn)，從而使電磁水閥與電源斷開，沖廁工作停止；

5）若便池內(nèi)的臟物重量太輕無法感應到或蓄電池沒電時，可使用手動開關(guān)進行人工沖廁。

圖1 新型節(jié)水自動沖廁裝置工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of a new automatic water-saving toilet-flushing device

定泛pei定時開關(guān)為此裝置的主要控制中心，裝置用的定時開關(guān)是機械式定時開關(guān)[1]。小電機經(jīng)減速調(diào)速器減速后帶動輪盤轉(zhuǎn)動，輪盤上陰影部分為金屬導體，空白部分為絕緣體，在輪盤周圍緊貼有兩片銅刷，經(jīng)導線分別連接電源和電磁水閥。輪盤轉(zhuǎn)動時，銅刷便可實現(xiàn)周期性接通和斷開，從而實現(xiàn)周期性沖水。通過減速調(diào)速器還可對輪盤轉(zhuǎn)速進行手動調(diào)節(jié)，當增大輪盤轉(zhuǎn)速時就會減小單次沖水時間和沖水周期，反之便會延長沖水時間和沖水周期。很明顯，沖水時間和沖水周期越短節(jié)水能力就越強，但也不是越短越好，因為如果沖水時間和周期太短，不但無法及時將糞便沖干凈，而且因為沖水周期太短，便槽內(nèi)的水可能尚有殘余，從而導致被再次檢測到，使裝置不停地沖洗廁所。

2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及理論分析

2.1 蹲便器的組成與設(shè)計

蹲便器的組成包括陶瓷便槽，凹形受壓板，支撐彈簧，調(diào)節(jié)彈簧等。1）陶瓷便槽：與普通的蹲便器相似，由于在便槽上加了一層凹形受壓板，故對便槽底層的材料不做要求，甚至可以用水泥代替陶瓷；2）凹形受壓板：受壓板與糞便直接接觸，因此其制作材料必須為陶瓷或不銹鋼等光滑防粘材料；3）支撐彈簧：用于支撐受壓板，因為可能會接觸到水，故需用不銹鋼材料制作或進行鍍膜防銹；4）調(diào)節(jié)彈簧：主要用于防止支撐彈簧的機械疲勞。當支撐彈簧由于機械疲勞而彈力減損時，可調(diào)整調(diào)節(jié)彈簧，以彌補減損的彈力，否則會導致應變片傳感器因為一直受壓產(chǎn)生感應而產(chǎn)生誤操作。

2.2 電路設(shè)計及理論分析

電路組成包括傳感器、測量放大電路、繼電器、手動開關(guān)、定時開關(guān)、電磁水閥、蓄電池、整流器。

1）傳感器

此裝置比較適合使用應變片力敏傳感器，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、體積小、溫度適應能力強、精度高、頻率特性響應較好、價格低廉等。如圖2所示，傳感器主要由兩片相同的應變片R1，R2，形變片和頂桿組成。兩片應變片分別粘貼在形變片上下兩側(cè)，當頂桿受壓時就會導致形變片發(fā)生彈性形變使應變片R1受到拉伸力，應變片R2受到擠壓力，從而使其阻值發(fā)生改變[2]。

2）測量放大電路

測量放大電路由傳感器測量電路和直流放大電路組成。

圖2 應變片傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of strain gauge sensors

①傳感器測量電路[3]：在使用應變片測量應變時，必須用適當?shù)霓k法測量其電阻值的微小變化。為此，一般是把應變片接入某種電路，讓其電阻值的變化對電路進行某種控制，使電路輸出一個能模擬該電阻值變化的信號，然后，只要對這個電信號進行相應的處理就行了。常規(guī)電測法使用的電阻應變儀的輸入回路叫做應變電橋，它是以應變片作為其部分或全部橋臂的四臂電橋。它能把應變片電阻值的微小變化轉(zhuǎn)化成輸出電壓的變化。應變片在電橋中的接法有3種[4-5]：a.半橋單臂式接法；b.半橋雙臂式接法；c.全橋式接法。

半橋雙臂式和全橋式接法（也稱半橋、全橋差動電路）的靈敏度高且具有溫度補償功能，在應變片的安裝上也與應變片傳感器的結(jié)構(gòu)相適應，故測量電路選擇半橋雙臂式或全橋式電路更為合適。兩種電路原理相同，唯一區(qū)別是全橋式電路比雙臂式電路的電壓靈敏度大一倍，故這里且只介紹半橋雙臂式電路。半橋雙臂式接法是將兩個工作片接入電橋的兩個相鄰橋臂，另兩個橋臂接固定電阻，兩個工作片同時互為溫度補償片。半橋雙臂電橋的接法和計算公式如下。

如果橋臂電阻R1和鄰邊橋臂電阻R2都由應變片替代，且使一個應變片受拉，另一個受壓，這種接法成為半橋差動式工作電路。其接法如圖3所示。

當電橋開路時，不平衡電橋輸出的電壓為：

圖3 半橋差動式電橋電路Fig.3 Half-bridge differential bridge circuit

UO與ΔR1/R1成線性關(guān)系，差動電橋無非線性誤差。電壓靈敏度S=E/2，比使用單只應變片提高一倍。

②直流放大電路：在交流放大電路中，輸入的交流信號是通過耦合電容疊加到輸入端的靜態(tài)工作電壓和電流上的，疊加后的輸入電壓和電流是含有交流成分的直流信號，使工作點隨輸入信號的變化而變化，輸出是放大后的變化的直流信號，通過輸出耦合電容分離出交流成分。而直流放大電路不能有耦合電容，因為電容不能通過直流信號。對于一個單管放大電路來說，它有靜態(tài)工作點，但靜態(tài)工作點不能為零，因此它雖然可以放大直流，但它的輸入和輸出都疊加了靜態(tài)工作電壓和電流，因此放大不是線性的。

如果用兩個完全相同的單管放大電路，用這兩個放大電路的兩個輸入端作為一個信號的輸入，兩個輸出端作為這個信號放大后的輸出，那么這兩個放大器的靜態(tài)工作點就可以抵消，當輸入為零時輸出也是零，當輸入直流電壓時，輸出則是放大后的直流電壓。這種直流放大器，實際上就是差動放大電路。差動直流放大電路具有抑制零點漂移的能力，故裝置選擇差動直流放大電路[6-8]，如圖4所示。通常把幅度相等，相位相反的一對輸入信號，稱為差模信號。當Ui1=Ui2差模輸入時，兩面三極管集電極輸出分別為：UC1=UC2=-KUi2。所以差模放大倍數(shù)為：

由于差動電路的雙端輸入電壓、雙端輸出電壓均比單管共射放大電路增加一倍，所以差模放大倍數(shù)與單管共射電路的放大倍數(shù)相同。為提高抑制零漂能力，應使共模放大倍數(shù)越小越好，差模放大倍數(shù)越大越好，一般根據(jù)共模抑制比C=Kud/Kuc作為評價差動放大電路性能好壞的重要指標。另外，裝置還可采用交流放大器對信號進行放大處理，應變片電橋電路采用交流電供電，組成交流電橋。其優(yōu)點是零點漂移現(xiàn)象小，抗干擾能力強。

3）繼電器

圖4 差動放大電路Fig.4 Differential amplifier circuit

繼電器是一種當輸入量（激勵量）的變化達到規(guī)定要求時，在電氣輸出電路中使被控量發(fā)生預定的階躍變化的元件。它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種自動開關(guān)，在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護、轉(zhuǎn)換電路等作用。

4）手動開關(guān)

即需手動接通的開關(guān)，這里使用基于555芯片的延時開關(guān)，其電路圖如圖5所示，工作過程如下：

①觸發(fā)前：觸發(fā)端V1為高電平，2號比較器也輸出高電平，此時輸出端VO為低電平，放電管導通，VC1為 0；②觸發(fā)時：當幅度低于VCC的窄脈沖觸發(fā)信號加在觸發(fā)器時，比較器輸出低電平，鎖存器置1，放電管關(guān)閉，輸出端VO輸出高電平，電源通過電阻向電容C充電，VC1電壓指數(shù)增加，暫穩(wěn)態(tài)開始。經(jīng)過一個小的時間延遲，V1的觸發(fā)信號消失，觸發(fā)端變?yōu)楦唠娖?；③暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束時：VC1達到VCC，比較器 1輸出低電平，輸出端輸出低電平，放電管導通，電容C通過放電管放電，當VC1電壓低于VCC時，比較器1輸出高電平，恢復觸發(fā)前的狀態(tài)；④輸出脈沖寬度：電容電壓VC1從0增加到VCC需要的時間TW=1.1RC。通過調(diào)節(jié)電阻值R或電容值C便可調(diào)節(jié)延時時間TW。

圖5 延時開關(guān)電路示意圖Fig.5 Schematic diagram of delay switch circuit

當按一下觸發(fā)開關(guān)后，輸出端的繼電器吸合，電源與電磁水閥接通水閥打開沖水；過了延時時間后繼電器自動斷開，電源與電磁水閥也斷開水閥關(guān)閉停止沖水，觸發(fā)波形圖如圖6所示。

圖6 延時開關(guān)觸發(fā)波形圖Fig.6 Schematic diagram of delay switch trigger waveform

5）定時開關(guān)

定時開關(guān)主要由小電機、減速調(diào)速器、輪盤、銅刷等組成。這里只介紹減速調(diào)速器的結(jié)構(gòu)原理。小電機由減速行星齒輪減速后經(jīng)履帶和活動齒輪帶動錐形調(diào)速齒輪，錐形齒輪經(jīng)長形齒輪帶動輪盤。活動齒輪在彈簧的作用下與錐形齒輪緊緊嚙合，它可以以行星齒輪為軸心、以中心履帶為半徑作圓弧運動，使得錐形齒輪能夠上下運動。當錐形齒輪向上運動時，輪盤轉(zhuǎn)速增加，反之輪盤轉(zhuǎn)速下降。減速調(diào)速器就是通過這些齒輪組來實現(xiàn)電機減速和調(diào)速的。

6）電磁水閥

為普通沖廁的電磁水閥，通直流電，長閉式二位二通，即僅當通電時才打開閥門，只有開和關(guān)兩種狀態(tài)。

7）整流器

普通整流器，用于將電源整流為低壓直流電的電子器件。

8）蓄電池

一般的可充電蓄電池，電池電壓要大于或等于放大電路和定時開關(guān)的額定電壓，小于其最大工作電壓，蓄電池主要作為后備電源，如果要節(jié)省成本也可以不使用。

3 結(jié)束語

該裝置已經(jīng)在實驗室進行了仿真模擬實驗[7]，效果良好。與傳統(tǒng)的紅外傳感自動沖廁裝置相比，此裝置主要有以下優(yōu)點：

1）成本更低；2）結(jié)構(gòu)更簡單。無需單片機等復雜電子元件和軟件設(shè)計；3）具有更強的節(jié)水功能。僅在如廁時進行沖廁工作，可調(diào)節(jié)單次沖水量至最佳水平，從而使節(jié)水能力達到最大；4）能及時沖洗便池防止臭味發(fā)散。裝置能夠?qū)崿F(xiàn)即時檢測，當檢測到糞便就會立刻開始沖水，大大減少了臭味發(fā)散的時間。而紅外傳感沖廁裝置需在設(shè)定時間或在人離開后才能進行沖水，從而會因臭味發(fā)散使如廁者感到不適；5）體積小，易于安裝，無需入墻安裝；6）在安裝蓄電池的情況下，停電時也能正常工作。

在裝置的實現(xiàn)過程中可能遇到的問題主要有2個：1）應變片傳感器靈敏度的把握問題。在整個裝置的實現(xiàn)過程中，傳感器的靈敏度問題是個很重要的問題。要準確的把握傳感器的靈敏度，就必須要進行實驗測試才能夠找到一個合適的靈敏度值。2）電路的干擾問題。解決電路干擾問題的可行方法是應變片電橋電路用交流電供電，組成交流電橋，采用交流載波放大器對信號進行放大處理。其優(yōu)點是靈敏度高、穩(wěn)定性好、外界干擾小、電源影響小和造價低等。但也存在工作頻率上限較低、長導線對分布電容影響大等缺點。另一個方法是在直流電橋的輸入電壓接穩(wěn)壓器以減輕電源不穩(wěn)定對電路造成的影響。

因此，裝置的正常運行還需要根據(jù)具體的試驗測試來選擇最佳方案。

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