張銳佳

摘 要：我國(guó)是缺水國(guó)家，水資源十分寶貴。而日常生活中，水管漏水，以及由于人為的疏忽、設(shè)備故障等原因，水管閥門(mén)沒(méi)有及時(shí)關(guān)閉，導(dǎo)致水資源浪費(fèi)的情況時(shí)有發(fā)生。為避免水資源的大量浪費(fèi)，筆者利用單片機(jī)控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了“低功耗水管漏水自動(dòng)報(bào)警與關(guān)斷系統(tǒng)”。本系統(tǒng)能自動(dòng)檢測(cè)抽水馬桶、洗水盆等水網(wǎng)閥門(mén)是否長(zhǎng)時(shí)間未關(guān)斷，并進(jìn)行聲音、燈光報(bào)警，提醒人員處理。若長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人處理，可以通過(guò)電磁閥自動(dòng)切斷進(jìn)水，避免造成水資源的大量浪費(fèi)。

關(guān)鍵詞：漏水；閥門(mén)未關(guān)斷；聲光報(bào)警；自動(dòng)關(guān)斷；水資源浪費(fèi)；環(huán)保

中圖分類(lèi)號(hào)：TU761.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）11-0084-02

Abstract： Our country is short of water， so water resources are very precious. But in daily life， the water pipe leakage， and because of human negligence， equipment failure and other reasons and water valve did not shut in time， leading to the waste of water resources from time to time. In order to avoid a large amount of waste of water resources， the author designed an automatic alarm and shutdown system for water leakage in low power consumption water pipes using single-chip microcomputer control technology. The system can automatically detect whether the valve of water net such as flush toilet， washing basin and other water net valves are not closed for a long time， and sound and light alarm to remind personnel to handle. If there is no one to deal with for a long time， we can automatically cut off the influent through the solenoid valve， to avoid causing a large amount of waste of water resources.

Keywords： leakage； valve not shut off； acousto-optic alarm； automatic shutdown； waste of water resources； environmental protection

1 應(yīng)用背景

在國(guó)際上，地球表面70%是水，但人類(lèi)可以利用的淡水資源只占其中的1%。在無(wú)錫舉行的全球人居環(huán)境論壇上，來(lái)自國(guó)際水協(xié)會(huì)、聯(lián)合國(guó)環(huán)境署的專(zhuān)家和相關(guān)企業(yè)代表一同發(fā)出警告：水危機(jī)，將成為人類(lèi)本世紀(jì)面臨的最大挑戰(zhàn)之一。在國(guó)內(nèi)，我國(guó)是缺水國(guó)家，人均淡水資源占有率僅有2300立方米，僅為世界平均水平的四分之一，是全球13個(gè)人均水資源最貧乏的國(guó)家之一。全國(guó)城市缺水總量為60億立方米。全國(guó)六百多座城市中，已有四百多個(gè)城市存在供水不足問(wèn)題，其中嚴(yán)重的缺水城市達(dá)110個(gè)。因此，國(guó)家十分重視水資源的保護(hù)和循環(huán)利用，鼓勵(lì)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、支持可持續(xù)發(fā)展、重視綠色環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展。黨的十八大把生態(tài)文明建設(shè)放在更加突出的位置，納入中國(guó)特色社會(huì)主義事業(yè)五位一體的總體布局。這些都涉及到節(jié)約水資源、加大利用程度的訴求。不管是在全世界范圍，還是國(guó)內(nèi)，水資源都是十分寶貴的。但即使如此，在日常生活中，水管漏水，以及由于人為的疏忽、設(shè)備故障等原因，水管閥門(mén)沒(méi)有及時(shí)關(guān)閉，導(dǎo)致水資源浪費(fèi)的情況時(shí)有發(fā)生：（1）衛(wèi)生間自動(dòng)沖水裝置因?yàn)闄C(jī)械故障（浮球卡住等原因），進(jìn)水閥門(mén)不能自動(dòng)關(guān)閉，導(dǎo)致生活用水白白浪費(fèi)?。?）擰開(kāi)水龍頭裝水，有事走開(kāi)后一直忘記關(guān)水（特別是老人家），水滿(mǎn)后溢出浪費(fèi)?。?）停水前擰開(kāi)水龍頭，來(lái)水前沒(méi)有關(guān)閉，導(dǎo)致水漫金山！

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 功能設(shè)計(jì)

鑒于以上原因，為避免水資源的大量浪費(fèi)，筆者利用所學(xué)的單片機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)了“低功耗水管漏水自動(dòng)報(bào)警與關(guān)斷系統(tǒng)”，實(shí)現(xiàn)以下的功能：（1）當(dāng)水管漏水或者閥門(mén)因?yàn)楣收?、人為等原因沒(méi)有及時(shí)關(guān)閉時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)到長(zhǎng)時(shí)間的水流流動(dòng)，自動(dòng)通過(guò)LED閃爍與聲音報(bào)警，提醒人員及時(shí)查看，關(guān)斷閥門(mén)。（2）人員收到裝置的聲光報(bào)警后，手動(dòng)關(guān)閉水閥，報(bào)警自動(dòng)解除。（3）如長(zhǎng)時(shí)間未有人處理報(bào)警，系統(tǒng)將接通12V安全電壓控制的電磁閥，自動(dòng)關(guān)斷水，并持續(xù)間斷報(bào)警。此后人員跟進(jìn)處理，手動(dòng)關(guān)閉水閥后，須按下系統(tǒng)“恢復(fù)”鍵，電磁閥斷開(kāi)，恢復(fù)正常供水。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)設(shè)計(jì)功能，筆者在生活中原有的閥門(mén)/進(jìn)水管（圖1中虛線(xiàn)框所示）的基礎(chǔ)上，拓展增加本系統(tǒng)硬件（圖1中實(shí)線(xiàn)框部分），以實(shí)現(xiàn)總體功能。

2.3 主要元件簡(jiǎn)介

（1）水流發(fā)電機(jī)。系統(tǒng)采用微型水流發(fā)電機(jī)接入水網(wǎng)網(wǎng)路中，檢測(cè)水流大小。水流發(fā)電機(jī)輸出交流電壓0.1～10V，電流10～300mA，額定轉(zhuǎn)速3000轉(zhuǎn)。發(fā)電機(jī)是低速無(wú)阻型，效率高速98%。水流發(fā)電機(jī)輸出為交流電壓，需經(jīng)過(guò)二極管整流、電容濾波后轉(zhuǎn)換為較平滑的直流電后再輸出給單片機(jī)進(jìn)行水流大小與持續(xù)時(shí)間的檢測(cè)。

（2）常開(kāi)電磁閥。在長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人切斷水流的情況，系統(tǒng)通過(guò)電磁閥自動(dòng)切斷水流。為良好兼容家庭水網(wǎng)，保證用水安全，電磁閥參數(shù)選擇如下：

控制形式：常開(kāi)電磁閥。通電關(guān)閉，切斷進(jìn)水；不通電（包括停電等）一直開(kāi)著，確保水路正常運(yùn)行。

螺紋口徑：2W-15K 4分，DN15。兼容家庭水網(wǎng)。

流量口徑：16mm。兼容家庭水網(wǎng)。

耐壓：0-0.8MPA ，0-8KG公斤。適用于住宅供水（國(guó)家規(guī)定住宅的供水壓力不得超過(guò)0.35MPa）。

流體溫度：-10℃-100℃。適合住宅供水。

密封材質(zhì)：NBR橡膠，具有良好的耐低溫性能，耐化學(xué)穩(wěn)定性好，有良好的耐水性、氣密性，適用于水路密封，安全環(huán)保。

控制電源：DC12V，18W。采用DC12V安全電壓，確保用水安全。

安裝方式：閥體上面有指示水流方向，反過(guò)來(lái)裝不能使用，出水口水會(huì)倒流也會(huì)導(dǎo)致不能使用。

接線(xiàn)方式：接線(xiàn)盒拆開(kāi)，把線(xiàn)接進(jìn)左右二個(gè)螺絲孔。

（3）DC12V電源?？紤]用水場(chǎng)所潮濕的環(huán)境等因素，電磁閥供電電源采用防水殼包裝，參數(shù)為DC12V，3A。本電源為普通型開(kāi)關(guān)電源，保護(hù)性能好，穩(wěn)定性?xún)?yōu)越，帶負(fù)載能力好，帶輸入、輸出過(guò)壓保護(hù)、短路保護(hù)，以確保用電安全。

（4）控制電路。本系統(tǒng)處理器采用STC12C5202AD單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，是高速/高可靠/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)。采用16腳封裝，體積小巧，且具有6路高精度ADC，能滿(mǎn)足本系統(tǒng)的對(duì)水流大小進(jìn)行檢測(cè)的要求。內(nèi)部集成高精度R/C時(shí)鐘，5MHz～35MHz寬范圍可設(shè)置，可徹底省掉外部昂貴的晶振，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，符合系統(tǒng)體積小巧，具有ADC檢測(cè)、安全可靠等控制要求。STC12C5202AD單片機(jī)支持掉電喚醒，可通過(guò)程序設(shè)計(jì)使單片機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作睡眠模式，定時(shí)間歇工作，進(jìn)一步降低電路功耗，節(jié)能環(huán)保。

當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到水流長(zhǎng)時(shí)間未關(guān)斷時(shí)，啟動(dòng)蜂鳴器與LED斷續(xù)聲光報(bào)警，提醒人員進(jìn)行處理。當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人處理報(bào)警時(shí)，單片機(jī)通過(guò)繼電器啟動(dòng)電磁閥電源，使常開(kāi)電磁閥通電，切斷水流。電路設(shè)計(jì)上，為確?？煽筷P(guān)斷，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，對(duì)繼電器線(xiàn)圈并接續(xù)流二極管進(jìn)行保護(hù)。本系統(tǒng)采用水流發(fā)電機(jī)監(jiān)測(cè)水流大小與持續(xù)時(shí)間。由于水流發(fā)電機(jī)輸出為交流電壓，故水流發(fā)電機(jī)輸出需經(jīng)過(guò)二極管整流、電容濾波后轉(zhuǎn)換為較平滑的直流電后再輸出給單片機(jī)的進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)水流大小與持續(xù)時(shí)間的檢測(cè)。本系統(tǒng)采用的STC12C系列單片機(jī)ADC支持中斷方式響應(yīng)。但考慮到AD轉(zhuǎn)換的時(shí)間并不長(zhǎng)，而水流流動(dòng)時(shí)間可能會(huì)持續(xù)存在，沒(méi)有必要長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行ADC中斷，以免造成單片機(jī)資源的浪費(fèi)，導(dǎo)致單片機(jī)功耗增加，電池壽命降低。故程序設(shè)計(jì)上，本系統(tǒng)采用查詢(xún)方式進(jìn)行水流大小的ADC檢測(cè)。單片機(jī)大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)，定時(shí)喚醒，并在喚醒的短時(shí)間內(nèi)采用查詢(xún)方式進(jìn)行ADC采樣。對(duì)采樣到數(shù)據(jù)采用平均值濾波的形式，降低水流波動(dòng)的干擾，提高水流檢測(cè)的可靠性。

3 系統(tǒng)制作

經(jīng)過(guò)硬件制作與軟件編程及結(jié)構(gòu)組裝，最終制作完成本系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，能達(dá)到各項(xiàng)預(yù)期設(shè)計(jì)功能?？煞奖愕匕惭b在抽水馬桶進(jìn)水管處、洗手盆水龍頭與凈水器進(jìn)水管處等生活常見(jiàn)的進(jìn)水管與角閥處。

4 系統(tǒng)亮點(diǎn)

（1）實(shí)用性：生活中水管出現(xiàn)漏水、閥門(mén)因機(jī)械故障或人為等原因沒(méi)有及時(shí)關(guān)斷情況時(shí)有發(fā)生，本系統(tǒng)能避免由此引起的水資源浪費(fèi)與財(cái)產(chǎn)損失。（2）安裝方便：適合家庭20mm水管，無(wú)須改動(dòng)墻內(nèi)水管管道。其中12V電源與單片機(jī)控制電路大小約為普通香煙盒大小，占地小。整套設(shè)備，可方便地安裝在抽水馬桶、洗水盆、飲水機(jī)進(jìn)水管與角閥的連接處。（3）成本低：制作成本約為67元。若無(wú)需電磁閥自動(dòng)關(guān)斷功能，則成本僅需17元。（4）功耗低：系統(tǒng)采用一節(jié)3節(jié)5號(hào)干電池供電，單片機(jī)大部分時(shí)間處在休眠狀態(tài)，總體功耗極低。更換一次電池，可以使用一年時(shí)間。（5）安全：檢測(cè)與報(bào)警部分采用3節(jié)5號(hào)干電池供電，而電磁閥采用直流12V電壓供電，均為安全電壓范圍，確保用水安全。且12V電源本身帶負(fù)載能力好，帶輸入、輸出過(guò)壓保護(hù)、短路保護(hù)，穩(wěn)定性?xún)?yōu)越，以進(jìn)一步確保用電安全。

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