基本信息
- 项目名称：
- 防长流水自关断自动控制阀
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本作品采用防长流水自关断自动控制阀与便携式集中控制仪相结合的方案，防长流水自关断自动控制阀由外壳、水流发电机、自锁电磁阀、充电电池、控制电路板、进水口管、出水口管、连接管等构成，能够自动识别因忘记关阀、水龙头损坏、管道漏水导致的长流水现象，自动关闭阀门并同时发出报警信息；便携式集中控制仪能监控防长流水自关断自动控制阀的工作状态，并且可以方便地对工作状态进行设置。
- 详细介绍：
- 防长流水自关断自动控制阀作品说明书 1.产品背景 1.1缺水成为世界性的难题 全球水资源中，陆地淡水仅占6％，其余94％为海洋水。而在陆地淡水中，又有77.2％分布在南北极，22.4％分布在很难开发的地下深处，仅有0.4％的淡水可供人类维持生命。 淡水资源的分布极不均衡，导致一些国家和地区严重缺水。如非洲扎伊尔河的水量占整个大陆再生水量的30％，但该河主要流经人口稀少的地区，一些人口众多的地区严重缺水。再如美洲的亚马孙河，其径流量占南美总径流量的60％，但它也没有流经人口密集的地区，其丰富的水资源无法被充分利用。按地区分布，巴西、俄罗斯、加拿大、中国、美国、印度尼西亚、印度、哥伦比亚和刚果等9个国家的淡水资源占了世界淡水资源的60%。约占世界人口总数40%的80个国家和地区约15亿人口淡水不足，其中26个国家约3亿人极度缺水。更可怕的是，预计到2025年，世界上将会有30亿人面临缺水，40个国家和地区淡水严重不足。 我国属于缺水国之列，人均淡水资源仅为世界人均量的1／4，居世界第109位。中国已被列入全世界人均水资源13个贫水国家之一。而且分布不均，大量淡水资源集中在南方，北方淡水资源只有南方水资源的1／4。据统计，全国600多个城市中有一半以上城市不同程度缺水，沿海城市也不例外，甚至更为严重。目前我国城市供水以地表水或地下水为主，或者两种水源混合使用，有些城市因地下水过度开采，造成地下水位下降，有的城市形成了几百平方公里的大漏斗，使海水倒灌数十公里。由于工业废水的肆意排放，导致80％以上的地表水、地下水被污染。 专家们警告：“20年后中国将找不到可饮用的水资源”。美国民间有影响的智囊机构——世界观察研究所发表的一份报告中称：“由于中国城市地区和工业地区对水需求量迅速增大，中国将长期陷入缺水状况。”中国的黄河在过去的10多年以前年年断流，其中1997年断流226天。流经中国一些人口稠密集地区的淮河去年也断流了90天。根据卫星拍摄的照片，数百个湖泊正在干涸，一些地方性的河流也在消失。目前全国600多座城市中，有300多座城市缺水，其中严重缺水的有108个。其中北京市的人均占有水量为全世界人均占有水量的1／13，连一些干旱的阿拉伯国家都不如。由于缺水，对经济的可持续发展构成威胁。 1.2供水故障引发邻里纠纷 由于停水忘记关阀门，或者管道漏水，以及用水装置损坏导致的长流水，引发的房屋渗漏水事件比比皆是，为此对簿公堂的的案件与日俱增。 2010年，浙江朱先生家住3楼，发现女儿房间的地板常出现水渍，起初他也没放在心上，可是情况越来越糟。为了搞清楚这些水究竟是哪来的，朱先生从4楼一直查到6楼，原来，住6楼的李先生家水管破裂，水就顺着墙壁一直往下灌，积水到了朱先生住的3楼，由于不能再往下灌，就从墙壁渗了出来，还顺着墙脚蔓延开来。朱先生为此找到6楼住户李先生协商未果，楼上楼下互不相让，坚持自己的观点。朱先生坚持认为被水浸泡的地板和墙纸不能再使用，而且积水已经渗透的几面墙，必须更换墙纸。李先生坚持只更换地板，墙纸因为没有变色，还可以修复使用，不同意整壁更换。 双方协商不成。朱先生就聘请律师，准备起诉李先生。李先生也毫不示弱，准备好了打官司。原本关系尚可的两家人从此反目。 湖南李小姐于2008年买了某小区一套两居室的房屋。2009年五一的时候，李小姐举家出游，回到家时才发现卫生间水管没有关严，水已经把家里的几个房间都淹了，水还漏到楼下住户张先生家，对客厅的木地板也造成了损坏；因此，张先生希望李小姐能对其损失给予一定的赔偿，并希望以后不要再发生类似事件。张先生多次与李小姐就此事协商不成，一怒之下以李小姐侵犯其相邻权为由将李小姐告上法庭，要求李小姐赔偿其受到的损失。 宁夏新闻网曾经报导过居住在银川市民生城市花园5号楼的许女士，家里的暖气半夜漏水，淹了楼下住户家。许女士与楼下住户商量赔付一事时，被楼下住户打伤。 诸如此例，不胜枚举，都不利于和谐社会的构建。 1.3现有节水设备的现状 目前在节水产业发展方面，节水设备、器具研制、生产、销售、推广、服务从无到有，从小到大，正逐渐形成规模，已成为我国经济新的增长点。 市场上常见的节水装置，特别是有防长流水的装置有感应水龙头、延时阀、磁控停水自锁阀、家用节水水箱、厕所节水器、节水花洒、空气膨化淋浴节水阀、智能节水阀、节水灌溉设备等。下面列举几个产品的功能和缺点。 1.3.1感应水龙头 感应水龙头常用于公共场所的洗手盆上以及大小便的感应冲洗厕所上，具有“人在感应出水、人走延时关水”的功能其特点体现在（1）自动感应,微电脑全自动智能控制，按时冲洗，无人不冲，避免细菌交叉感染;（2）数码调整,调整程序参数只需几秒钟，适用各种场合;（3）高可靠性,微电脑控制技术，任何情况下程序绝不丢失，系统按工业化标准设计，使用寿命可达八年以上;（4）适用各种恶劣环境,无论是夏季的高温，还是零下十几度的严寒，产品均能正常工作。 感应水龙头的缺点是需要布置电源线，安装较麻烦，具有220V漏电的安全隐患，出水必须有感应体存在，大大限制了其应用范围，不能代替家庭普通水龙头，不能识别管道漏水获水龙头损坏所导致的长流水现象并及时关阀。 1.3.2 延时阀 目前市面上延时阀形式多种，按控制方式主要分为电磁脚踏延时阀、按钮延时阀、自闭式延时阀等；按结构分三通、二位三通、四通、二位四通等；按安装方式分暗装和明装。 延时冲水阀由主阀、控制阀构成，主阀由阀体、阀座、阀芯，位于阀体内的缸体、活塞、活塞回位弹簧构成，控制阀由按钮、阀套、阀芯、按钮回位弹簧构成。主阀缸体注水室通过控制阀与主阀阀腔相通，气室有气孔与外界相通。注水室通过阀芯杆上的泄水孔道与主阀出水口连通。具有体积小，结构紧凑、造价低等优点，适于洗手间、厕所洗手、冲水使用，特别是适用于家庭厕所冲水使用。 其缺点在于延时时间固定，调整不方便，限制了其应用范围，不能代替现有阀，同时不能识别管道漏水获水龙头损坏所导致的长流水现象并及时关阀，不能有效防止长流水所导致的水资源浪费与相应的邻里纠纷事件发生。 1.3.3磁控停水自锁阀 公告号CN201517652U的专利“磁控停水自锁阀”（20092026975 3.7）属机械阀，由连接管、阀盖、密封垫、隔离片、磁套、拉杆、过水孔、锥形体、浮筒、镀锌铁块、控制管、磁铁构成。控制管和连接管正交且相通。浮筒的底部与镀锌铁快的上端以螺纹结合。浮筒和镀锌铁块构成的圆筒体处于控制管内并与控制管成动配合关系。阀盖的地面的中部有一根拉杆，拉杆的低端有一个锥形体。拉杆处于过水孔中。控制管的低端外壁与圆筒形的磁套以螺纹结合，磁铁处于磁套内。可避免因用户打开水龙头发现停水后忘记将水龙头关闭，从而导致自来水的大量流失的情况发生。 采用水的压力浮力磁力相互作用的原理，能解决因为停水忘记关阀造成浪费水的问题，但是不能解决有水时没关龙头以及因为管道漏水、水龙头损坏而浪费水资源的问题。 因此，在不改变现有家庭用水装置的前提下，设计一种能自动识别因忘记关水龙头、或因管道漏水、或因用水装置损坏所导致的长流水现象，并及时关闭水阀，避免水资源的浪费，避免因为流水和漏水所导致的邻里纠纷，符合 “两型”社会建设要求，有助于和谐社会的建设。 2.作品介绍 2.1作品概述 在不改变现有家庭用水装置的前提下，加装该产品，能自动识别正常用水还是因用户忘记关水龙头所导致的长流水现象；能自动识别管道漏水或用水装置损坏所导致的“长流”或者是“微漏”现象，并及时关闭水阀。作品样品如图2.1所示。 图2.1 样品实物图 2.1.1作品创新点 （1）智能电子与机械阀相结合。 将微处理器技术、传感器检测技术、智能充电技术、无线通讯技术、LCD显示技术等应用于机械水阀的智能控制; （2）采用流量检测和模糊算法相结合的长流水智能识别方法。 微处理器通过流量监测模块获取水阀水流量值，将水流量值周期性存储在对应的存储模块存储单元中，同时比对存储器中的用水流量值，如果发现水流量维持在某一相对稳定的数值，并维持时间超过某一设定值M（M的值由经验调查数据表以及用户的平均用水记录数据表来动态决定）关闭阀门，进入报警状态； （3）自供电技术，利用水流发电机发电并存储电能给系统供电。 电源由水流发电机、桥式整流单元、稳压单元、充电单元、防反向放电单元、电池电量监测单元、充电电池构成。当水流发电机产生的交流电能到达控制电路板时，就经桥式整流单元转变直流脉动电能，经稳压单元转化为较平稳的直流电能，直流电能再经充电部分，以恒流、恒压、涓流三种方式中的一种进行充电，防反向放电单元当发电机发电电压较低时，低于充电电池电压时，防止充电电池对发电机进行反向放电；电池电量监测单元的作用是监测电池的电量及电池的工作状态，由微控制器模块决定采用恒流、恒压、涓流三种方式中的哪种进行充电，有利于提高充电电池的使用寿命。有利于提高阀的用电安全性，同时便于安装； （4）水流发电机的发电电压作为水流流量检测信号。 发电机发电的电压大小可表示通过水阀的水流量，将流量数据写入存储器，可便于微控制器分析判断是否处在长流水状态，可省去流量传感器部分，减少了体积，降低了成本； （5）便携式集中控制仪监控阀的工作状态。 便携式集中控制仪由显示屏、开阀键、关阀键、特殊用水键构成， 显示屏可查看和改变防长流水自关断自动控制阀的工作状态。一个便携式集中控制器，通过无线学习功能控制多个防长流水自关断自动控制阀。 2.1.2 作品的特点 本作品采用防长流水自关断自动控制阀与便携式集中控制仪相结合，该阀能够自动识别“长流水”还是正常用水状态，并判断是否关闭阀门并发出报警信息。便携式集中控制仪能监控阀的工作状态，并可对阀的工作状态方便设置。具有如下功能和特点： （1）防长流水。能自动识别因为忘记关水龙头所导致的长流水现象，并及时关闭水阀，防止水资源浪费。 （2）防微漏。 能自动识别因为用水装置损坏以及管道漏水所导致的长流水现象，并及时关闭水阀。 （3）智能。具有自动识别、故障报警、状态自动切换、无线遥控与仪表自控制相结合,便于将阀的工作状态以及水路故障情况及时上报，同时便于在故障排除后重启水阀； （4）节能。通过自锁型电磁阀控制水的通断，由于自锁型电磁阀中的自锁结构可以利用永久磁石的磁力来维持这种运转的状态，所以在维持状态时不需要通电，比起需要长时间通电运转的一般电磁阀来讲，具有明显的节能效果； （5）体积小。发电的电压大小可表示通过水阀的水流量，将流量数据写入存储器，可便于微控制器分析判断是否处在长流水状态，可省去流量传感器部分，减少了体积，降低了成本； （6）安装方便。 通过水流发电机的发电通过电源模块存储在电池上给系统供电，解决了系统的供电安装问题和安全问题； 图2.2 结构分解图 2.2参数 1) 工作电压 DC2.8-4.5V 2) 最大工作压力 0.8 MPa 3) 工作压力 0～0.8 Mpa 4) 测试压力 0.8 MPa 5) 温度范围 0～80°C 6) 允许最大环境温度 80°C 7) 存储温度 -25～45°C 8) 静态工作电流 ≤8uA(VDD=3.6V) 9) 设计寿命 ≥6年 10) 精度等级 2级 11) 压力损失 ≤0.1mpa（Qmax） 2.3作品结构 长流水自关断自动控制阀与便携式集中控制仪相结合的方案，控制阀由1外壳、2水流发电机、3自锁电磁阀、4充电电池、5控制电路板、6自来水进水口管、7自来水出水口管、连接管构成 (如图2.2、2.3所示)。 图2.3 阀剖视图 2.4操作介绍 基于微处理器的防长流水自关断自动控制阀，经过多次设计改进，安装简单、智能程度高、操作简便。 （1）安装。该阀可以水表一起合装在一起，进出水口与自来水管相接即可，不需另占空间，不需外接电源线。 （2）开阀。按阀体上或便携式集中控制仪上的开阀键，即可打开阀门进入用水状态。 （3）关阀。按阀体上或便携式集中控制仪上的关阀键，即可打开阀门进入断水报警状态。 （4）特殊用水。当需要进行特殊用水时，比方说给金鱼缸加水、洗车、大扫除，用水量较大时，可设置阀进入特殊用水装态，可按阀仪表上的特殊用水按键或便携式集中控制仪上的特殊用水按键阀可进入特殊用水状态，当特殊用水时间到后，阀自动进入正常用水状态。 便携式集中控制遥控器如图2.4所示。 图2.4 遥控器实物图 3.作品技术可行性分析 3.1作品设计方案 本阀采用防长流水自关断自动控制阀与便携式集中控制仪相结合，能够自动识别因为忘记关阀、水龙头损坏、管道漏水导致的长流水现象，并自动关闭阀门同时发出报警信息，便携式集中控制仪能监控阀的工作状态，并且可以方便地对工作状态进行设置。 如图2.3所示，防长流自关断自动控制水阀由外壳1、水流发电机2、自锁电磁阀3、充电电池4、控制电路板5、自来水进水口管6、自来水出水口管7、连接管8、水流发电机叶轮9、水流发电机线圈10、水流发电机导线11、自锁电磁阀导线12构成。其中进水口管6与水流发电机2相连，水流发电机2通过连接管8与自锁电磁阀3连接,自锁电磁阀3与出水口管7相连；水流发电机3通过两根导线与控制电路板5相连接，控制电路板5通过两根导线与充电电池4连接，控制电路板5通过两根导线与自锁电磁阀3连接。 具体工作工程：当自来水经进水口管7流经水流发电机2时，水流发电机2的叶轮9随水流转动，叶轮9带动发电机工作，在水流发电机线圈10上输出对应的电能，电能通过水流发电机导线11送到控制电路板5，控制电路板5将电能存储在充电电池4中给整个系统供电，同时控制电路板5将发电机的发电电压信号转变成微处理器能识别的数字信号作为水流量的采样数据，便于系统跟踪水流情况，并根据水流情况以及设定的判断规律（相对恒定的水流量维持超过某一相对时间M，就判断为故障长流水，M的值与经验调查数据表以及用户的平均用水记录数据表来动态决定）进而判断是否为故障原因导致的长流水，如果为故障原因导致的长流水，控制电路板5通过自锁电磁阀导线12控制自锁电磁阀3关闭。 3.2作品的控制电路板设计 3.2.1控制电路系统 防长流水自关断自动控制阀的控制电路板5由微控制器模块25、电源模块26、自锁电磁阀驱动模块27、按键模块28、指示模块29、无线发射模块30、无线接收模块31、故障报警模块32、流量监测模块33、存储模块34、时钟模块35构成。防长流水自关断自动控制阀能根据水流发电机2发电电压的大小，通过流量监测模块33，微处理器模块25获取水阀水流量值，将水流量值周期性存储在对应的存储模块34存储单元中，同时比对存储器中的用水流量值，如果发现水流量维持在某一相对稳定的数值，并维持时间超过某一设定值M（M的值由经验调查数据表以及用户的平均用水记录数据表来动态决定），判断为因为忘记关阀或者阀损坏以及管道漏水导致的长流水现象，微控制器关闭水阀，发出报警指示，同时通过无线模块发送报警指令给便携式集中控制器，进入报警状态，等待故障排除。（如图3.1所示） 图3.1 系统控制框图 3.2.2控制电路图 1、PCB印制电路板图(如图3.2所示) 图3.2 系统控制电路板 2、电路原理图（如图3.3） 图3.3 系统电路图 3.2.3 控制电路板电源模块（如图3.4所示） 图3.4电源模块框图 电源模块26如图3.4所示，防长流水自关断自动控制阀的电源模块由桥式整流单元36、稳压单元37、充电单元38、防反向放电单元39、电池电量监测单元40构成。工作过程描述如下：当水流发电机2产生的交流电能到达控制电路板5时，就经电源模块26的桥式整流单元36转变直流脉动电能，经稳压单元37转化为较平稳的直流电能，直流电能再经38充电部分，以恒流、恒压、涓流三种方式中的一种进行充电，防反向放电单元39的作用是当发电机发电电压较低时，低于充电电池4电压时，防止充电电池4对发电机进行反向放电；电池电量监测单元40的作用是监测电池的电量及电池的工作状态，由微控制器模块25决定采用恒流、恒压、涓流三种方式中的哪种进行充电，有利于提高充电电池4的使用寿命。 3.2.4控制电路板流量监测模块 流量监测模块33，由AD转换器构成，其作用是将代表流量大小的水流发电机的发电电压这一模拟信号转换为微控制器模块25能识别、存储的数字信号，便于系统跟踪用户用水情况，并根据用户用水情况与设定的判断规律判断是否为因忘记关阀等故障造成等长流水现象。 3.2.5控制电路板自锁电磁阀驱动模块 自锁电磁阀驱动模块27，由晶体管构成的开关电路构成，通过微处理器控制不同的晶体管导通与截止，形成正向或者反向的电流通路，控制自锁电磁阀的自锁机构改变并维持电磁阀的状态，从而到达节能省电的目的。 3.2.6控制电路板存储模块 存储模块34，由E2PROM存储器与相应的外围电路构成，微控制器模块25控制E2PROM存储器的写入与读取，存储模块34中保存三类数据，一是常规用水模式数据表，该数据通过调查得出普通用户的用水情况数据，二是用户的平均用水数据表，一分钟为单位记录用户近期的实际用水数据的平均值，三是用户实际，周期性记录用户的实时用水数据，通过对三个表格数据的比对，微控制器能判断出是否为长流水状态。 3.2.7控制电路板故障报警模块 故障报警模块32，由蜂鸣器及相关电路构成，其作用为当系统发现因为忘记关阀或其他原因造成的长流水情况时关闭阀门并发出100hz音频报警信号。 3.2.8控制电路板时钟模块 时钟模块35，由时钟芯片及相关的电路构成，其作用为系统提供精准的系统时间，便于系统数据的同步处理。 3.2.9控制电路板无线发射、接收模块 无线发射模块30、无线接收模块31，由编解码信息的的无线发射模块及相关电路构成，无线发射模块作用为将防长流水自关断自动控制阀的报警信息发送给便携式控制器，便携式集中控制器便可识别故障阀的位置以及故障时间等信息；无线接收模块可接受来自便携式控制器的信息，通过发送规定命令字，便携式集中控制器可控制防长流水自关断自动控制阀的状态以及撤销报警灯功能。 3.2.10控制电路板指示模块 指示模块29，由红、绿、黄色三个发光二极管构成，红灯亮为电源指示，只亮绿灯为正常工作状态指示，只亮黄灯为故障状态指示，绿灯、黄灯同时亮为特殊用水状态。三个灯均具有省电节能切换功能，及在正常工作并且没有按键调节或外部无线指令控制的状态维持1分钟，三灯均熄灭。 3.2.11控制电路板按键模块 按键模块28，由开阀按键、关阀按键、特殊用水按键，当按下开阀按键时，防长流水自关断自动控制阀打开阀门进入正常工作状态，当按下关阀按键时，自关断自动控制阀打开阀门进入故障报警状态，当按下 特殊用水按键时，自关断自动控制阀打开阀门进入特殊用水状态，当特殊用水时间到的时候，自关断自动控制阀自动进入正常工作状态。 3.2.12 便携式集中控制器 便携式集中控制器，由显示屏、开阀键、关阀键、特殊用水键构成， 显示屏可查看防长流水自关断自动控制阀的工作状态，可通过开阀键、关阀键、特殊用水键设置与改变相应的防长流水自关断自动控制阀的工作状态。一个便携式集中控制器，通过无线学习功能控制多个防长流水自关断自动控制阀。防长流水自关断自动控制阀的按键输入与指示模块由电源指示灯、正常状态灯、报警状态灯、开阀键、关阀键、特殊用水键组成，能指示防长流水自关断自动控制阀的工作状态，能设置修改防长流水自关断自动控制阀的工作状态。 3.3作品的控制系统软件设计 3.3.1系统设计的流程图（图3.5所示） 图3.5 控制系统程序流程图 3.3.2 显示模块程序流程设计 采用1602液晶模块，其驱动程序框图设计（如图3.6所示） 图3.6 1602程序流程图 3.3.3实时1302时钟程序设计流程（如图3.7所示） 图3.7 1302程序流程图 3.3.4 存储器24c04系列程序设计流程（如图3.8所示） 图3.8 24C04程序流程图 3.3.5 A/D转换TLC549程序设计流程（如图3.9所示） 图3.9 AD程序流程图 3.4 用户用水数据调研结果及分析 为了了解用户用水习惯以及常见的用水数量，便于作品“防长流水自关断自动控制阀”的程序中的长流水的判断方法的制定，特对用户用水数据进行了相关的调研与实测。 家庭用水主要有3大块，包括卫浴用水、洗衣用水和厨房用水，其中卫浴和洗衣占到约2/3。此外，渗漏浪费比较严重，约占14％。 3.4.1 家庭常用用水容器容积调查（如表3.1所示） 表 3.1 序号 名称 容量范围 1 普通杯 0.4-0.8L 2 保温杯 0.3-0.5L 3 暖水瓶 1.5-3 4 电饭锅 2-6L 5 洗漱盆 5-9L 6 马桶箱 3-6L 7 脸 盆 10-15L 8 饮水机 15L 9 水 桶 20-30L 10 洗衣机 50-80L 11 浴 缸 230-320L 12 热水器 50-100L 13 水 壶 4-6L 3.4.2 一般用水数据统计表（如表3.2所示） 表3.2 序号 项目 一般用水范围（单位：升） 平均用水时间 1 洗脸 5~8 0.5~0.8min 2 刷牙 0.8~1.2 0.08~0.12min 3 洗餐具 20~24 2~2.4min 4 洗手 1~3 0.1~0.3min 5 洗菜 18~23 1.8~2.3min 6 冲厕所 3~6 0.3~0.6min 7 烧开水 8~10 0.8~1min 8 做饭 10~15 1~1.5min 9 洗衣服 40~130 4~13min 10 洗脚 6~10 0.6~1min 11 洗头 10~15 1~1.5min 12 沐浴 60~280 6~28min 13 洗杯子 2~3 0.2~0.3min 3.4.3 特殊用水数据统计表（如表3.3所示） 表3.3 序号 项 目 一般用水范围（单位：升） 平均用水时间 1 洗 车 40~200 4~20min 2 搞卫生 20~100 2~10min 3 洗水果 1.5~3 0.15~0.3min 4 洗 鞋 10~20 1~2min 5 洗被子 150~200 15~20min 根据实际测量4分管自来水的水龙头水流速度0-20升/分钟，按照流量V=流速u*时间t的计算公式得知 t=V/u，以最大速度的1/3估算，家庭一般用水连续时间最长为沐浴时间42分钟（以打开水龙头不关断，直至用完280升水）。 3.5作品主要器件分析 3.5.1水流发电机 （1）作用：采用电感式水流发电机SL-AC50V（如图3.10所示），当自来水经过水流发电机时，水流发电机发电，在本产品中水流发电机有两个作用，一是通过电源模块的整流、稳压、充电电路给充电电池充电，从而实现便捷安装，二是通过电源模块的整流、稳压、分压电路，可得到同比于水流流量的发电电压信号，该信号经过AD转换器后送微处理器，微处理器能及时获取流经系统的水流情况，不用另外安装水流传感器，节约了系统成本，减少了产品的体积。 图3.10 水流发电机 （2）水流发电机参数： 最大工作压力 0.8 MPa 工作压力 0～0.8 Mpa 测试压力 0.8 MPa 温度范围 0～80°C 允许最大环境温度 80°C 存储温度 -25～45°C 外壳材料 POM 安装方式 小孔为进水口。 水流发电机运行测试参数如表3.4所示 表3.4 水 压 流 量 短路电流 空载电压 负载200欧 姆后电压 0.05MPA 4.8L AC10mA AC10V 24V 0.1 MPA 6.3L AC10mA AC15V 31V 0.2 MPA 8L AC10mA AC20V 39V 0.3 MPA 9.3L AC10mA AC24V 45V 0.4 MPA 10.5L AC10mA AC28V 52V 3.5.2 脉冲保持电磁阀 图3.11 脉冲电磁阀 本作品采用通过自锁型电磁阀（如图3.11所示）控制水的通断，由于自锁型电磁阀中的自锁结构可以利用永久磁石的磁力来维持这种运转的状态，所以在维持状态时不需要通电，比起需要长时间通电运转的一般电磁阀来讲，具有较大的节能效果，工作参数如表3.5所示； 额定电压 控制方式 工作压力 介质温度 使用寿命 3.6V-9V 脉 冲 0.02-0.8MPa 0℃-110℃ ≥15万次 表3、5 脉冲电磁阀特点： （1）独特的疏导式过滤器方式，过滤网免清洗，杂质自动排出 （2）稳定可靠，使用寿命大于50万次 （3）可用于智能感应洁具、节水设备、洗衣机、洗碗机、太阳能热水器及工农业自动水控制设备中 （4）断电自动关闭，起动性能好 （5）工作压力范围大：0.02Mpa-0.8Mpa 3.5.3 stc单片机 该单片机属于STC系类新型增强型单片机（如图3.12所示），功能强大。高速，1个时钟/机器周期，增强型8051 内核，速度比普通8051快8-12倍；宽电压：5.5-3.3V，2.2-3.6V;增加第二复位功能（高可靠复位，可调整复位门槛电压，频率<12MHz时，无需此功能）；增加外不掉电检测电路，可在掉电时，及时将数据保存进EEPROM，正常工作时无需操作EEPROM；低功耗设计：空闲模式，（可任意一个中断唤醒）掉电模式（可由外部中断唤醒），可支持下降沿/上升沿和远程唤醒；工作频率：0-35MHz,相当于普通8051：0-420MHz；时钟：外部晶体或内部RC振荡器可选，在ISP下载编程用户程序时设置；8/16/20/32/40/48/52/60/62K字节片内Flash程序存储器，擦写次数10万次以上；1280字节片内RAM数据存储器；芯片内EEPROM功能，擦写次数10万次以上；ISP/IAP，在系统可编程/在应用可编程，无需编程器/仿真器。 图3.12 STC单片机 8通道，10位该素ADC，速度可达25万次/秒，2路PCA还可当2路D/A使用；2通道捕获/比较单元（PWA/PCA/CCP），也可以用来在实现2个定时器或2个外部中断（支持上升沿/下降沿中断）；4个16位定时器，兼容普通8051的定时器T0/T1，2路PCA实现2个定时器；可编程时钟输出功能,T0在P3.4输出时钟，T1在P3.5输出时钟，BRT在P1.0输出时钟；硬件看门狗(WDT）；高速SPI串行通信端口；全双工异步串行（UART），兼容8051的串口；先进的指令集结构，兼容普通8051指令集，有硬件乘法/除法指令；通用I/O口（36/40/44），复位后为：准双向口/弱上拉（普通8051传统i/0口）可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O口驱动能力均达到20mA，但是整个芯片最大不得超过100mA；复位脚，烧录程序时如设置I/O口，可当I/O口使用；EX_LVD是外部低压检测中断/比较器；不用的I/O口，浮空即可；使用LQFP48/PDIP48封装是，最大有44个I/O口；使用LQFP44封装时，最多有40个I/O口；使用PDIP40封装时，做多有36个I/0口。 3.6产品发展战略 3.6.1、技术发展战略 产品发展战略为三步走，第一步为设计预设置基本功能产品；第二步为设计自适应调整的产品；第三步为设计远程通讯与控制功能的产品； 预设置基本功能产品的功能有：1）发电机发电实现系统自供电；2）发电机发电电压表示水流流量；3）蜂鸣器报警功能；4）led指示功能；5)按键设置功能；6）特殊用水功能；7）开阀、关阀功能。 自适应调整产品在预设置基本功能产品的基础上增加的功能有：1）智能记忆系统的用水数据；2）智能获取系统的平均用水数据；3）智能获取系统的最高用水数据及其出现的时间段；4）自动调整系统的长流水判断算法；5）无线信号发送和接受功能，实现产品的无线开关阀设置等做操作。 远程通讯与控制功能产品在第二代产品的基础扩展了1）远程通讯功能，方便产品的集中管理与控制；2）系统自检功能；3）系统故障自动上报功能；4）系统故障自动修复功能；5）阀门联网群控功能等。 3.6.2 市场开发战略 本产品的应用对象有家庭、学校、工厂、市政办公楼、公共场所等。 产品可实现各种规格型号的发展战略，与常规水龙头结合，实现一个水龙头对应安装一个防长流水自关断自动控制阀；代替现有机械水阀，实现水阀的智能控制集中管理；实现水阀按口径设计有用于家庭的4分管系列自动控制阀、外线安装的6分管口径的自动控制阀等。 先推广能代替现有机械阀的基本功能自动控制阀，采用低价保质的营销策略，发展高端产品，采用高价高品质品牌管理策略。 4.市场分析与经济预测 由于市场上没有同类产品，在市场分析与产品经济预测的过程中，采用相关产品分析与预测法。防长流水自关断自动控制阀的目标市场有两个，一是与现有水龙头一比一配套使用，使现有水龙头具有防长流水功能，二是代替现有水阀阀门，使水阀阀门具有防长流水功能，便于集中管理。故选取水龙头与水阀阀门作为产品的市场分析对象。 4.1市场发展趋势 4.1.1 水龙头市场发展趋势 全国生产水龙头的企业已达到1500余家，年销售额在100亿元左右，出口额每年以20%的速度增加。通过十余年的努力，国内五金龙头业，生产规模不断扩展，生产能力迅速提高。目前，市场上各类中低档产品是琳琅满目，造型也丰富多彩。 目前国产水龙头在中高端市场中所占份额仅20%左右，在低端市场的占有率约60%以上。 4.1.2 水阀阀门市场发展趋势 我国已进入WTO，全球每年需求阀门约300万吨。现在约有3000家的大小阀门厂，其中温州600家，郑州近200多家，上海150多家，辽宁250家，江苏、福建各200余家，尽管良莠不齐，但产品品种已达3000多个型号，近3万个规格。其市场规模如图4.1所示 图4.1 水阀 4.2 相关产品现状 4.2.1感应水龙头 随着卫浴洁具的不断更新换代，感应洁具已经慢慢走进人们的视线，其人性化的设计总给人潇洒自如、心旷神怡的切身感受。在写字楼、酒店、医院、学校等公共场所已习惯性的使用感应水龙头。但是在家装方面，感应水龙头并没有得到普及。 4.2.2延时阀 目前市面上延时阀形式多种，按控制方式主要分为电磁（红外感应）延时阀、气动延时阀、脚踏延时阀、按钮延时阀、自闭式延时阀等；按结构分三通、二位三通、四通、二位四通等；按安装方式分暗装和明装。 延时冲水阀由主阀、控制阀构成，主阀由阀体、阀座、阀芯，位于阀体内的缸体、活塞、活塞回位弹簧构成，控制阀由按钮、阀套、阀芯、按钮回位弹簧构成。主阀缸体注水室通过控制阀与主阀阀腔相通，气室有气孔与外界相通。注水室通过阀芯杆上的泄水孔道与主阀出水口连通。具有体积小，结构紧凑、造价低等优点，适于洗手间、厕所洗手、冲水使用，特别是适用于家庭厕所冲水使用。常见型号、公司以及参考价格如表4.1所示。 表4.1 序号 产品型号 公司 价格（元） 1 RF-Y01 上海同励贸易有限公司 45 2 RF-Y11 70 3 RF-Y02 65 4 RF-Y12 85 5 SA94-5201 嘉柏莱卫浴实业有限公司 98 6 SA93-5101 98 7 SA93-5216 158 8 SA94-5210 78 9 SA149-5221 110 10 SA150-5219 130 11 SA149-5220 102 12 SA150-5218 176 13 SA149-5222 110 14 SA93-5102 88 15 HH－72106 辉煌水暖集团有限公司 120 16 HH－72102 66 17 HH－72104 84 18 HH－72105 84 19 HH－72103 78 20 DN25 兴昌五金水暖机电经营部 25 21 DN20 20 22 A87871C 箭牌卫浴有限公司 230 4.2.3节水水箱 据了解，在居民生活中，马桶的用水量占到日常用水总量的40%-50%，我国原来多采用9升以上的便器，不仅用水量大，跑漏水现象也十分严重，每年因此浪费的水资源达10亿立方米。目前我国强制执行的节水马桶标准为6升洗净，今年1月由建委等八部门联合成立的北京市节水型生活用水器具联席会议发布了《北京市节水型生活用水器具推广工作实施方案》，要求各部门发挥合力，统筹协调和推进节水型生活用水器具推广工作，并提出了今年年底前基本实现非节水型用水器具退出市场的工作目标。而早在十多年前，6升标准的马桶在美国就被明确立法，现在4.8升标准的马桶正逐渐被推行和应用，并有可能成为新的节水马桶标准。水箱的常见型号、公司以及参考价格如表4.2所示。 表4.2 序号 型号 公司 价格（元） 1 博蒙001 博蒙陶瓷有限公司 150 2 博蒙013 160 3 炫彩系列 辉源实业有限公司 139 4 小博士 欧派卫浴国际有限公司 209 5 小天使 208 6 小超人 129 7 9501 九牧集团 148 8 9503 138 9 9504 118 10 1003 马科波罗卫浴实业有限公司 189 11 1002 178 12 1001 150 4.3 产品经济预测 由于水龙头、水阀的的需求量非常大大，年销售额在200亿元左右，且每年以20%的速度增加。以逐步与水龙头配套使用和取代现有水阀的发展趋势预测本产品的经济效应大，市场前景广阔。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 发明目的：其用途在于能解决因忘记关水阀或者水龙头损坏以及管道漏水所导致的长流水问题。 基本思路：采用防长流水自关断自动控制阀与便携式集中控制仪相结合的方案；便携式集中控制仪能监控防长流水自关断自动控制阀的工作状态，并且可以方便地对工作状态进行设置。 创 新 点： 1.智能电子与机械阀相结合 2.采用流量检测和模糊算法相结合的长流水智能识别方法 3.自供电技术，利用水流发电机发电并存储电能给系统供电 4.水流发电机的发电电压作为水流流量检测信号 5.便携式集中控制仪监控阀的工作状态 技术关键： 1.研发基于微处理的智能控制电路板； 2.研发具有保护装置的自动锂电池充电装置； 3.设计一种长流水自动识别算法。 主要技术指标： 1.工作电压 DC2.8-4.5V 2.最大工作压力 0.8 Mpa 3.工作压力 0～0.8 Mpa 4.测试压力 0.8 Mpa 5.温度范围 0～80℃ 6.允许最大环境温度 80℃ 7.存储温度 -25～45℃ 8.静态工作电流 ≤8uA(VDD=3.6V) 9.设计寿命 ≥6年 10.精度等级 2级 11.压力损失 ≤0.1Mpa（Qmax）
科学性、先进性
- 本作品具有如下突出实质性技术特点和显著进步： 1.通过水流发电机发电，电源模块存储在电池上给系统供电，解决了系统的供电安装和安全问题； 2.发电的电压大小可表示通过水阀的水流量，将流量数据写入存储器，可便于微控制器分析判断是否处在长流水状态，可省去流量传感器部分，减少了体积，降低了成本； 3.通过自锁型电磁阀控制水的通断，由于自锁型电磁阀中的自锁结构可以利用永久磁石的磁力来维持这种运转的状态，所以在维持状态时不需要通电，与需要长时间通电运转的一般电磁阀相比，具有明显的节能效果； 4.系统采用无线发送接收模块和远程通讯模块，便于将阀的工作状态以及水路故障情况及时上报，同时便于在故障排除后重启水阀； 5.通过检测水流发电机的发电电压的大小，获取水流流量，跟踪水流量情况，当发现水流流量稳定并达到一定时间，微处理器可根据预先设定的判断方法判断是否为长流状态，达到智能控制的目的。
获奖情况及鉴定结果
- 1、提出专利申请：申报号201120069054.5，申报日期 2011年3月16日； 2、2011年5月15-21日, 应邀参展在省国际会展中心举行的2011年全省科技活动周暨第四届科技博览会。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 一次性转让
作品可展示的形式
- √实物、产品 √现场演示 √样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明：安装简单、智能程度高、操作简便。 技术特点和优势： 1.防长流水。2.防微漏。 3.智能。4.节能。5.体积小。6.安装方便。 适用范围：家庭、学校、工厂、办公场所、公共场所等。 前景说明： 发明一种在不改变现有水龙头、洁具等用水装置的前提下，能解决因为忘记关水龙头或者用水装置损坏以及管道漏水所导致的长流问题的阀势在必行。 市场分析和经济效益预测： 由于市场上没有完全相同产品，在市场分析与产品经济预测的过程中，采用相关产品分析与预测法。防长流水自关断自动控制阀的目标市场有两个，一是与现有常规水龙头一比一配套使用，使水龙头具有防长流水功能，二是代替现有水阀阀门，使水阀阀门具有防长流水功能，便于集中管理。故选取水龙头与水阀阀门作为产品的市场分析对象。水龙头、水阀的的需求量非常大大，年销售额在200亿元左右，且每年以20%的速度增加。以逐步与水龙头配套使用和取代现有水阀的发展趋势预测本产品的经济效应大，市场前景广阔。
同类课题研究水平概述
- 目前市场上，解决水龙头长流水问题的相关产品有感应开关、延时开关、磁控停水自锁阀等。现有的感应开关，有应用在公共场所的全自动洗手器、红外感应小便冲洗器、红外感应大便冲洗器等，可做到“人到水流”、“人走水停”。该系列阀能解决忘记关阀所导致的长流水问题，但是用水时必须有感应体存在才能开阀出水，所有应用范围有限，而且对于管道漏水、水龙头损坏的情况不能自动关断水阀。现有的延时水阀，应用在厕所冲洗的洁具上，具有冲洗方便，节水效果明显，但是因为冲水时间固定，应用范围有限，也不能解决因为管道漏水、水龙头损坏所导致的长流水问题。公告号CN201517652U的专利“磁控停水自锁阀”（200920269753.7）属机械阀，采用水的压力浮力磁力相互作用的原理，能解决因为停水忘记关阀造成浪费水的问题，但是不能解决有水时没关龙头以及因为管道漏水、水龙头损坏而浪费水资源的问题。本产品能在不改变现有水龙头、洁具等用水装置的前提下，圆满地解决上述产品的不足。
