周詩豪

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，江蘇 南京 210031）

新型紅外感應(yīng)加壓沖廁式智能節(jié)水馬桶研究

周詩豪

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，江蘇 南京 210031）

根據(jù)傳統(tǒng)馬桶存在的沖廁時間不定、沖廁不干凈、沖廁用水嚴(yán)重浪費(fèi)等問題，文章設(shè)計了一種基于紅外感應(yīng)的加壓沖廁式智能節(jié)水馬桶。該智能馬桶的主要組成部分包括：馬桶、水箱、加壓水泵、電磁閥、固定架、噴洗裝置、感應(yīng)模塊和控制模塊。感應(yīng)模塊由紅外對管模塊、光敏傳感器模塊組成；控制模塊以STM32為控制中心，接收感應(yīng)模塊的信號，并輸出信號控制繼電器開關(guān)，達(dá)到控制電磁閥和水泵的效果。

紅外感應(yīng)；加壓沖廁；節(jié)水；智能；馬桶

1　研制背景及意義

在我國部分城市，水資源短缺也是一個人們必須面臨的問題。我國人均水資源占有量僅為世界平均水平的25%，而水消耗量卻十分巨大。有調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，衛(wèi)生間用水量占家庭用水的60%～70%左右，其中沖水馬桶成為用水大戶，占生活用水量的1/3以上，減少馬桶沖水量對節(jié)約日常用水至關(guān)重要。通過大量調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前市面上的節(jié)水馬桶有3類：普通節(jié)水馬桶、氣壓節(jié)水馬桶、無水箱節(jié)水馬桶。

2　設(shè)計方案

智能節(jié)水馬桶的工作步驟：首先，通過人手遮蔽光敏電阻傳感器時間的長短來判斷是沖大便（遮蔽時間小于2秒）還是沖小便（遮蔽時間超過2秒，沖廁時間由遮蔽時間決定）；然后，馬桶底部和馬桶蓋上分別安裝有5對紅外對管，利用紅外對管的遮光模式和入光模式，檢測是否存在糞便，檢測信號輸入STM32控制板進(jìn)行沖廁控制；在蓄水箱與馬桶之間連接有電磁閥和加壓水泵，并用STM32控制板控制沖廁時間和水量，達(dá)到節(jié)約水量和增壓沖廁的效果；最后，利用馬桶上增設(shè)的噴灑式洗臀裝置清洗臀部，減少紙巾擦拭使用量、使用戶感到衛(wèi)生舒適。

2.1 電器控制

本作品考慮綜合考慮到節(jié)電和控制性能后采用STM32作為控制芯片，STM32處理器的內(nèi)核是ARM公司為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計的ARM CortexTM-M3內(nèi)核。引腳豐富方便功能拓展。系統(tǒng)的電路控制如圖1所示。

2.2 機(jī)械部分

圖1　單片機(jī)連接電路

機(jī)械部分設(shè)計如圖2所示，水箱、電磁閥和增壓泵之間通過軟管連接，增壓泵的出水口分別接有注水口和噴頭的水管；紅外對管分別固定在馬桶下底部和馬桶蓋的上面，并且保持上下紅外對管直線相對。

設(shè)計時考慮的主要問題：通過在馬桶下底部和馬桶蓋上分別打孔，然后將紅外對管安裝在孔中，注意孔與紅外對管的配合問題以及下部的紅外對管表面要用透明凝膠固定，防止水分滲透。

圖2　馬桶機(jī)械部分設(shè)計

3　理論設(shè)計計算

3.1 用水量

本研究的計算公式定義如下：V1=Q×t1；V2=Q×t2；V= （V1×N+V2）/（N+1）。

其中，V1：單次小便沖水量（普通馬桶和節(jié)水馬桶直接讀取相關(guān)數(shù)值）；Q：馬桶流速；t1：單次小便沖水時間；V2：單次污物沖水量（普通馬桶和節(jié)水馬桶直接讀取相關(guān)數(shù)值）；t2：平均單次污物沖水時間；V：平均單次用水量；N：人體平均每日排尿次數(shù)。

經(jīng)實驗統(tǒng)計及資料調(diào)查，Q=0.3L/s，t1=7s，t2=13s，N=5可求得：

普通馬桶：V1=4L，V2=6L，V=26L

節(jié)水馬桶：V1=2.7L，V2=5L，V=19.5L

智能節(jié)水馬桶V1=2.1L，V2=3.9L，V=14.4L

3.2 耗電量

本研究的計算公式定義如下：

P2=U2×I2；P4=U4×I4；P=P1+P2+ P3×5 +P4+ P5× （t1×N+t2）/3600

其中，P1：光敏傳感器功率；P2：單片機(jī)空載功率；U2：單片機(jī)工作電壓；I2：單片機(jī)工作電流；P3：單個紅外對管功率；P4：電磁閥功；U4：電磁閥工作電壓；I4：電磁閥工作電流；P5：水泵功率；P：平均功率。

經(jīng)實驗統(tǒng)計及資料調(diào)查，由P1=0.1W，U2=5V，I2=36mA，P3=0.1W，U4=12V，I4=500mA，P5=100W，可求得：

P2=0.18W；P4=6W；P=7.61W

4　性能分析

通過對大量衛(wèi)生間內(nèi)的馬桶及市面上常見的節(jié)水馬桶進(jìn)行分析以及對實物的數(shù)據(jù)統(tǒng)計（見表1），可知普通馬桶沖洗時一次性將水排出，水流僅受重力影響流下，平均單次用水約為5L；市場上常見的節(jié)水馬桶改進(jìn)了水箱的大小，最小單次出水2.7L，按鍵有液壓裝置，流速有所提升。

智能節(jié)水馬桶設(shè)計實物如圖3所示。該智能節(jié)水馬桶采用了電磁閥、水泵、紅外對管進(jìn)行自動沖洗，并采用人體感應(yīng)裝置，使整套系統(tǒng)在無人時處于斷電狀態(tài)，保證了系統(tǒng)的低耗。

表1　各種馬桶參數(shù)比較

圖3　馬桶制作實物

5　創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用

5.1 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）智能沖水，可根據(jù)污物的沖除情況控制用水量的多少。（2）使用水泵增加流速，瞬間水量大，在耗電量極小的情況下減少大量用水。（3）操作和控制簡便，使用方便，尤其對身體殘疾和行動不便的人。

5.2 應(yīng)用

隨著城市化的迅猛發(fā)展，馬桶逐漸成為現(xiàn)代化家庭生活中不可分割的一部分。在住宅區(qū)、商場、辦公區(qū)等場所的衛(wèi)生間內(nèi)，馬桶是必不可少的。傳統(tǒng)馬桶在節(jié)能方面需要實施改進(jìn)，因此，本產(chǎn)品具有極大的潛在市場和應(yīng)用前景。

［1］滕云起.節(jié)能環(huán)保衛(wèi)浴設(shè)計研究［D］.昆明：昆明理工大學(xué)，2015.

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［3］李軍，王藝穎，陳實，等.渦旋噴射節(jié)水馬桶的系統(tǒng)設(shè)計與分析［J］.機(jī)械設(shè)計與制造，2015（6）：134-137.

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Research on the New Infrared Induction Pressure Type Intelligent Water-saving Toilet

Zhou Shihao
（Engineering Institute of Nanjing Agricultural University， Nanjing 210031， China）

According to the problems that traditional toilet flushing time is indefinite， flushing is not clean， flushing water is seriously wasted， this paper designed an intelligent water-saving toilet flushing pressure based on infrared sensor. The main component of the intelligent toilet includes： toilet， water tank， pressurized water pump， solenoid valve， a fixed frame， spray cleaning device， induction module and control module. Induction module consists of infrared module， photosensitive sensor module， the pipe； control module based on STM32 control center， receives the induction module of signal， and outputs signal control relay switch to achieve the effect of control if solenoid valves and pumps.

infrared sensor； pressure flushing； water saving； intelligent； toilet

周詩豪（1994— ），男，湖北荊州。