林紀(jì)巧

（九牧廚衛(wèi)股份有限公司，福建 廈門361000）

20 世紀(jì)70 年代，在日本以及一些歐美國(guó)家開始使用自動(dòng)感應(yīng)水龍頭，該形式的龍頭常常應(yīng)用于公共場(chǎng)所，但因?yàn)楫?dāng)時(shí)的技術(shù)水平發(fā)展不夠完善，因此在使用過程中出現(xiàn)大量的水資源浪費(fèi)，進(jìn)入90 年代后，隨著電子技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，感應(yīng)水龍頭的技術(shù)水平有了長(zhǎng)足進(jìn)步，尤其是電池的使用使得水閥結(jié)構(gòu)更加的緊湊，節(jié)水效率也變得更加高效。之后隨著自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用，工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化程度提升，自動(dòng)感應(yīng)水龍頭也開始逐步進(jìn)入普通民眾的生活中。自動(dòng)感應(yīng)水龍頭能夠通過自動(dòng)感應(yīng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)水龍頭的開、關(guān)，例如在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)用戶的手進(jìn)入感應(yīng)范圍內(nèi)則水龍頭能夠自動(dòng)放水，當(dāng)用戶的手離開感應(yīng)區(qū)域后水龍頭停止出水，該形式的水龍頭適用范圍廣、使用方便衛(wèi)生、材質(zhì)多為不銹鋼或銅制陶瓷芯片。

1 自動(dòng)感應(yīng)水龍頭工作原理

本文介紹的感應(yīng)水龍頭采用的是MSP430 紅外感應(yīng)定高節(jié)水水龍頭。該檢測(cè)元件的工作原理為通過使用紅外線對(duì)一定范圍內(nèi)的物體進(jìn)行檢測(cè)，并反射出不同強(qiáng)度的紅外線進(jìn)行水龍頭開關(guān)的控制。MSP430 系列單片機(jī)為16 位的，具有集成度高、超低功耗等優(yōu)點(diǎn)。該自動(dòng)感應(yīng)水龍頭的設(shè)計(jì)主要采用定水工作模式以及普通工作模式，其中，定水工作模式是在使用容器進(jìn)行接水時(shí)，利用自動(dòng)控制方式即自動(dòng)接水至目標(biāo)值則水龍頭自動(dòng)關(guān)閉；而普通工作模式則是使用紅外感應(yīng)開關(guān)，當(dāng)用戶的雙手被占用時(shí)則可使用該模式進(jìn)行水龍頭開、關(guān)的控制。定水模式主要是指用戶自己根據(jù)所需的水量高度進(jìn)行定高裝置的設(shè)定，通過使用紅外線高度檢測(cè)儀測(cè)定用戶取水量，當(dāng)取水達(dá)到目標(biāo)值時(shí)則控制水龍頭關(guān)閉；普通模式則是將水量的定高檢測(cè)系統(tǒng)關(guān)閉，只使用紅外感應(yīng)用水系統(tǒng)。

1.1 定高裝置的充電原理及實(shí)現(xiàn)過程

在水龍頭的定高裝置中安設(shè)一無線充電模塊的接收模塊，當(dāng)該模塊內(nèi)輸出端和電池相連接時(shí)則模塊會(huì)給電池組充電，此外，為了避免電池組充放電過程中造成電流的亂入而燒壞無線充電接收模塊，故在定高裝置中使用雙水銀開關(guān)。為檢測(cè)在實(shí)際應(yīng)用中的放水高度，因此在定高裝置下方設(shè)置一紅外線感應(yīng)檢測(cè)電路，且在定高裝置上方設(shè)置一紅外發(fā)射管，方便裝置向上方發(fā)射信號(hào)。

1.2 控水裝置的工作原理與抗干擾設(shè)計(jì)

控水裝置主要包含微控制器系統(tǒng)與側(cè)面紅外感應(yīng)電路，其中，側(cè)面紅外感應(yīng)電路主要功能是為了檢測(cè)是否存在用戶需要開啟電磁閥，而微控制器則主要是處理定高裝置以及側(cè)面紅外感應(yīng)電路信號(hào)，當(dāng)紅外感應(yīng)電路檢測(cè)到物體時(shí)則對(duì)單片機(jī)引起低電平中斷。

因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用中需要考慮到龍頭使用環(huán)境的干擾，因此通過比對(duì)選取SFH506-38 作為該系統(tǒng)內(nèi)紅外線接收端，該型號(hào)接頭內(nèi)置PIN 二極管、前置放大器與PCM頻率濾波器，可以有效地避免裝置運(yùn)行受到光源干擾，此外，該接頭能夠持續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送，且中心頻率為38kHz，裝置的發(fā)射端使用帶通555 振蕩電路為載波驅(qū)動(dòng)，發(fā)射紅外線頻率同樣為38kHz，故能夠有效地避免裝置使用環(huán)境的干擾。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

2.1 低負(fù)荷使用原則

在進(jìn)行自動(dòng)感應(yīng)水龍頭設(shè)計(jì)時(shí)首先應(yīng)考慮的原則就是如何最大限度的降低不必要水源的使用，即避免用戶在使用水龍頭時(shí)出現(xiàn)過多的操作動(dòng)作。任何產(chǎn)品的設(shè)計(jì)首選應(yīng)從使用者的心理以及生理考慮，最大限度的讓用戶在使用產(chǎn)品的過程中高效、舒適，即我們常說的設(shè)計(jì)人性化。針對(duì)該自動(dòng)感應(yīng)水龍頭的設(shè)計(jì)即是確保用戶在使用水龍頭時(shí)避免出現(xiàn)過多重復(fù)性動(dòng)作，這樣不僅可以讓使用者操作更加的簡(jiǎn)便舒適且有助于減少水資源的浪費(fèi)。

2.2 經(jīng)濟(jì)耐用原則

產(chǎn)品的耐用性一直是用戶購買商品時(shí)的重要參考，故自動(dòng)感應(yīng)水龍頭設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免出現(xiàn)因水龍頭零件出現(xiàn)故障而引發(fā)使用故障，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)確保水龍頭的經(jīng)久耐用性，并力求設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)約化，此外，水龍頭造價(jià)成本也是設(shè)計(jì)時(shí)需考慮的重點(diǎn)。自動(dòng)感應(yīng)水龍頭設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮龍頭的通用性原則，即水龍頭的使用公平性以及價(jià)格公平性，尤其是隨著一系列智能化技術(shù)的使用，盡心自動(dòng)感應(yīng)水龍頭設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注重簡(jiǎn)單質(zhì)樸、運(yùn)行高效。

2.3 增進(jìn)節(jié)水意識(shí)

水資源的匱乏一直是我國(guó)的一項(xiàng)基本國(guó)情，節(jié)水措施的使用是有效降低水資源浪費(fèi)的必然選擇，而自動(dòng)感應(yīng)水龍頭作為最普遍的使用裝置，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)同樣需堅(jiān)持節(jié)水這一基本原則，因此，如何讓用戶在使用過程中潛移默化的接收并養(yǎng)成節(jié)水習(xí)慣是設(shè)計(jì)師進(jìn)行自動(dòng)感應(yīng)水龍頭設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的重點(diǎn)。例如，在實(shí)際應(yīng)用中，自動(dòng)感應(yīng)水龍頭一次可防水一公升，足夠一個(gè)使用者快速的洗手一次，而用戶使用普通水龍頭洗手一次則會(huì)消耗掉大約六公升的水。

3 節(jié)水控制過程

3.1 節(jié)水模型與控制

3.1.1 普通模式節(jié)水測(cè)試

普通模式下主要是進(jìn)行自動(dòng)感應(yīng)龍頭相應(yīng)時(shí)間的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1 所示。

表1 龍頭普通模式開關(guān)相應(yīng)時(shí)間

3.1.2 定高模式測(cè)試結(jié)果

定高模式的測(cè)試主要是對(duì)紅外接收管的靈敏度以及定高模塊最底部安全距離進(jìn)行測(cè)定。表2、表3、表4 分別為不同光照強(qiáng)度和不同水桶顏色條件下所測(cè)得的安全距離。

表2 光照強(qiáng)度較高時(shí)安全距離測(cè)定值

表3 光照強(qiáng)度適中時(shí)安全距離測(cè)定值

表4 光照強(qiáng)度較低時(shí)安全距離測(cè)定值

從上表中可以看出，該自動(dòng)感應(yīng)水龍頭的相應(yīng)時(shí)間穩(wěn)定，且滿足實(shí)際需求，對(duì)比不同光照條件下的安全距離測(cè)定值可以看出，光照環(huán)境的變化對(duì)該自動(dòng)感應(yīng)水龍頭的影響較小，可以滿足不同使用環(huán)境。

3.2 測(cè)試分析

該自動(dòng)感應(yīng)水龍頭設(shè)計(jì)中的定高裝置以及自動(dòng)感應(yīng)斷水功能具有實(shí)用意義，該裝置的密封性能較好，能夠確保用戶用水的安全性，尤其是該裝置中所使用的無線電源模塊使得用戶使用該裝置時(shí)更加的靈活方便。因此，本文中基于MSP430 紅外線定高節(jié)水龍頭的設(shè)計(jì)能夠滿足節(jié)水要求，裝置中所使用的紅外線檢測(cè)裝置以及無線充電裝置可以使得龍頭的工作滿足機(jī)電一體化要求，能夠適應(yīng)與各種用水、取水要求，且該裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方面、節(jié)約水源。經(jīng)過測(cè)試后該裝置的性能優(yōu)越性主要為：使用紅外探測(cè)和定高裝置能夠?qū)τ脩羧∷窟M(jìn)行智能控制，不僅可以有效節(jié)約時(shí)間成本還能夠防止出現(xiàn)因水體溢出而造成的浪費(fèi)；本裝置使用無線充電方式可以節(jié)約用電，且由于增設(shè)了水銀開關(guān)對(duì)紅外感應(yīng)進(jìn)行控制，能夠達(dá)到裝置不運(yùn)行不用電的效果；定高裝置部分的密封性較強(qiáng)，可有效防止因定高部分接觸水體而存在安全隱患；兩種工作模式的結(jié)合設(shè)計(jì)使得用戶進(jìn)行大量用水與少量用水時(shí)具有更高的可操作性。

4 結(jié)論

隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升，更加智能化的水龍頭也必將出現(xiàn)，例如現(xiàn)今一些大城市內(nèi)出現(xiàn)的萬能水龍頭、聲控水龍頭、光控水龍頭等，雖說龍頭的名稱不同，但其追求的目標(biāo)一致，即節(jié)約水源。相信隨著更加智能化的設(shè)備應(yīng)用于龍頭中，水龍頭也必將朝著智能化、人性化、節(jié)約化發(fā)展。