基本信息
- 项目名称：
- 公共卫生间智能节水装置的研制
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 1、不改变原有水箱的泄水装置，注水采用机电控制，加装两个不同功能的电磁阀，改造简单、成本低，实现“开源节流”。2、探测器采用性能优良的微波雷达传感器，只对活动体进行检测。3、泄水频率根据卫生状况可调。4、本作品在有电时可实现智能控水，在停电时自动转变为原装置冲洗功能，不存在停电后不能冲洗的尴尬局面（现市场上提供的智能节水器均在停电时不能使用，这是它使用中的致命弱点），本作品克服了这个弱点。
- 详细介绍：
- 0 引言 水是生命之源，是不可替代的有限的自然资源。在生产和生活领域存在严重的结构型、生产型和消费型浪费。农业干旱缺水、河流断流、湖泊干涸、地下水超采、水环境恶化等现象越来越严重。我国城市666个城市中，有400多个城市供水不足，日缺水量1600万立方米，年缺水量约60亿立方米。节约用水、任何短缺资源都应开源节流，是中国水资源可持续利用的对策。对水资源来说，开源就是保护，节流就是节水。节水，已是全人类众所周知的一件大事，“节水是一场革命”，它不仅是一场思想上的革命，也是一场政策和体制上的革命。政府要求百姓节水，就需要科学、经济和实用的节水器具。在机关、学校、公共场所卫生间的清洗过程中广泛应用的传统水箱集流式高位定时冲洗装置，都是由一个自动水箱来进行冲洗的。最常见的是虹吸式水箱，它的工作原理是：将自来水不断的注入水箱内，水面不断上升，当水面淹没虹吸管时，产生虹吸现象，水箱开始放水，当水面下降低于虹吸管的进水口时，停止放水，完成了一个循环周期。这样周而复始，形成24小时不间断的冲洗。虹吸式水箱以其工作效率高、耐用、效果好而长期使用。但供水管道持续注水，箱内水满就自动开启放水冲洗，周而复始，昼夜不停，用水量极大。由于进水常流不息，不能在无人入厕时停上注水、泄水，仍以一定的时间内下泄，而造成水资源的浪费。以微波探测传感器以其独特的传感探测性能，应用于此装置中，可达到智能式节水目的。 1 微波传感器的工作原理 (1)什么叫微波传感器 微波传感器又称多普勒雷达，是一种多普勒收发模块。它是通过发射连续微波并接受反射波从而探测移动目标的组件。微波探测的原理是探测器持续发射微波，并接收反射回的微波信号。当探测区内的目标移动时，原发射信号与反射的信号之间会有频率差异，通常称为多普勒效应。微波探测器用于探测移动物体，根据频率改变的大小来生成相应强度的探测信号。探测信号的强弱取决于目标的大小以及与探测器的距离。目标越大，距离越短，生成的探测信号就越强。如果有物体在探测区内移动，在安装时根据具体环境设置灵敏度，则可以避免误动作。微波灵敏度与目标移动的速度也紧密相关，当目标缓慢移动时，微波传感设备生成低频信号；当目标快速移动时，则生成高频信号。其微波传感器原理构成如图1所示： 图1 微波传感器原理构成原理图 (2)微波探测传感器的特性： ① 非接触式 ② 不受热、噪声、湿度、气流、尘土等影响，适合恶劣环境。 ③ 抗干扰 ④ 宽范围 2 微波探测传感器的选用 根据卫生间空间等条件，结合微波传感器的特殊性，选用天津特新电子厂生产的TX982型微波雷达探测模块，该模块采用塑料封装，自带圆环状发射接收天线，模块上设有两个发光二极管指示灯和一个灵敏度调节孔，使得监控距离在5米范围内可调，其顺时针转动距离变近，逆时针转动距离变远。模块对外联系仅通过一根长1.2m的电缆线，红色芯线为电源正端（12V)；白色芯线为控制信号输出端，内电路为集电极开路输出，为下拉灌电流输出方式；屏蔽层皮网为地端，接电源负端。模块内设有延迟电路，在模块初次加电时，系统将闭锁预热60s，同时完成微处理器的初始化并建立电磁场，这时模块壳体上红色发光二极管照明灯点亮，延迟60s后熄灭，系统自动进人监控状态。 图2 TX982模块 其工作原理利用微波多普勒技术，在有效空间内建立电场，当有人或活动物体进入电场后，会产生反射回波，经电子线路混频后检出极微弱的移频信号，此信号经单片机处理后，可输出控制电平。在电路中采用了高达2.4GHz频率的高频振荡器，使得本机天线体积更小，建立的电场更加狭窄，减少了多余空间。并且采用了微波检测专用微处理器，它能够对输入信号进行调频和调宽处理，对小动物、远距离的树木、高频通讯信号、远距离的闪电和电器开关产生的干扰予以排除，是以往红外线、超声波、热释电元件组成的报警电路以及常规微波电路所无法比拟的，是目前自动监控的最佳产品。此时若有人在监视区域活动，模块将有10s信号输出，并由壳体上绿色发光二极管指示灯作同步点亮显示。如果人体持续活动，输出信号将持续不停。 TX982微波感应控制器，其工作原理如图3所示。 图3 TX982微波感应控制器工作原理图 3 智能化集水箱冲洗装置工作原理 电磁阀选用常开式电磁阀，断电打开阀门，可以保证本装置在停电时能够自动注水，完全恢复原装置集水、泄水功能，从而克服了停电后不能正常使用的缺点。此智能式节水装置的应用效果，也是其它节水装置无法比拟的。 1—进水管 2—注水管 3—集水箱 4—预进水水位 5—泄水管 6—泄水阀 7—泄水水位 8—泄水控制浮子 9—进水控制浮子 10—微动开关连杆 11—微动开关 12—进水电磁控制阀 图4 节水装置结构示意图 当有人进入卫生间时，TX982微波感应控制器发出信号，触发延时控制电路动作，切断电磁阀电源，电磁阀失电打开，开始向水箱注水，延时约几分钟（根据实际情况可以调节）后延时控制电路动作，接通电磁阀电源，电磁阀通电关闭，停止注水。当水箱水位达到泄水水位时，在泄水浮子球的作用下，打开泄水阀泄水。同时，进水浮子随水位下降，带动微动开关连杆，微动开关触点断开，切断了电磁阀电源，电磁阀失电打开，向水箱注水。当泄水完毕后，泄水阀关闭，开始蓄水。当蓄水水位达到预进水水位时，在进水控制浮子的作用下，带动微动开关连杆，微动开关触点闭合，电磁阀通电关闭，停止注水。电磁阀等待有人进入卫生间时再次失电注水。泄水频率受进水量大小和人间隔移动次数多少决定，在注水期间，与人移动次数基本无关，可实现模糊控制。 a 系统控制原理 b 电磁阀控制电路图 图5 电路控制原理图 图中 C—电磁阀线圈，K—微动开关常开触头，J—驱动继电器常闭触头。 4 延时控制电路工作原理 图6 延时控制电路 图6中，电容器C1、C2和电阻器R1、R2与二极管VD1、VS组成简单的降压稳压电路，向模块IC1与集成电路IC2提供12V直流工作电压。当模块IC1探测到有人活动时，其白线输出下拉电平10s，使IC2的与非门D1输人端变为低电平，反相后输出高电平。与非门D2输人端即5脚为高电平，如果此时有人进入监控范围，与非门D1输出高电平，共同使与非门D2开通输出低电平，由VD3再经并联的与非门D3和与非门D4反相后变成高电平，通过电阻器R6使双向晶闸管VTH开通，电磁阀E得电吸合。如果人离开卫生间，IC1模块停止输出，与非门D1输人端因上拉电阻器R3恢复高电平，反相后变成低电平，与非门D2封锁，输出高电平再通过R5向C4缓慢充电，约经30s后，可使C4上的电压大于1/2电源电压，从而实现与非门D3,与非门D4翻转，输出低电平，VTH失去触发电流，当交流电过零时即关断，电磁阀E失电。 延时未到 延时时间到 无人进入 不放水 不放水 有人进入 不放水 放水 5 使用注意事项 (1)微波感应控制器产生的微波信号在传输、反射接收以及放大处理过程中可能引起微量噪波，过分提高灵敏度将引起噪波误触发，在7米处人体移动3～4步被触发的灵敏度已达到使用极限，应调至在5米处移动3～4步被触发最佳。 (2)微波感应控制器尽量安装在室内门墙上方，轴向对准门窗部位安装。根据实际空间调节传感器探测范围，以避免误触发。如图7所示。 图7 安装示意图 6 经济效益估算 普通水龙头放水10分钟为1箱水，1小时为6箱水，如果按每箱水净重25kg计算，如下： 1小时流出水重量为：6×25kg=150kg； 一天24小时总流量为：24×150kg=3600kg=3.6T； 一年的用水量为：30×3.6T×12=1296T。 而本装置节水器做到人来放水，人走停水，水满即冲，高效节水，平均每小时2箱水，如下： 1小时流出水重量为：2×25kg=50kg； 每天按12小时计算，（晚上无人则不放水）：12×50kg=600kg=0.6T； 一年的用水量为：30×0.6T×12=216T。 节水率为（1296-216）/1296=83.33% 由此可见，经济效益可观。 7 结束语 本节水装置采用了微波探测传感器做为人体探测器，以其独特的性能，开拓了无接触探测的应用，由于它的工作几乎不受周围环境因素的影响，用微波传感器探测是否有人，作为集水箱注水的触发控制信号是非常实用的，它的应用将为常流不息的水流加上一把智能锁，真正实现“开源节流”。本装置的研制成功，运用智能化控制注水的方式，达到在人使用时冲洗，无人使用时，进水阀自闭进水。在确保环境卫生效果良好前提下，可节水70%以上，从而达到较好的节水目的，并能自动实现在停电时正常使用，是其他节水器是无法比拟的，推广应用，可取得良好的经济效益和社会效益。
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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
- 一、 作品设计、发明的目的： 节水，已是全人类众所周知的一件大事，在机关、学校、公共场所卫生间的清洗过程中广泛应用的传统水箱集流式高位定时冲洗装置，因供水管道持续注水，箱内水满就自动开启放水冲洗，而造成水资源的白白浪费。设计制作一个节水装置，达到节水目的。 二、基本思路： 利用机电控制技术，做到有人使用时放水冲洗，无人时停止放水，从而达到节水的目的。 三、创新点： 1.采用微波探测传感器，实时检测控制区域内是否有人活动，在原有集水装置上进行改造，加装浮子进水阀，控制电磁阀的开启、关闭，实现自动注水、停水，达到智能式节水目的。 2.本节水装置能实现正常有电时智能节水，停电时能正常注水、放水，弥布了一些节水装置在停电时不能正常使用的缺点。 四、技术关键 1.选用非接触式且不受热、噪声、湿度、气流、尘土等影响，适合恶劣环境的微波传感器作为探测头。 2.机电结合，采用浮子进水阀实现水箱一定水位注水、停止进水，采用电子控制电磁阀在有人时自动注水。 3.注水电路具有延时功能，可忽略人活动的次数，实现模糊控制，通过改变延时时间，就可达到卫生清洁与节水双赢目标。 4.采用失压检测装置，自动转换注水模式，实现节水装置在停电时也能正常注水、放水。 五、主要技术指标 1.不改变传统集流式高位虹吸水箱定时冲洗装置，以减小再投资成本。 2.采用24V电磁阀及电磁检测机构。 3.注水时间及注水高度可调。
科学性、先进性
- 本作品主要针对机关、学校、公共场所卫生间中广泛应用的传统水箱集流式高位定时冲洗装置，因供水管道持续注水，箱内水满就自动开启放水冲洗，周而复始，昼夜不停，用水量极大。以其工作效率高、耐用、效果好而长期使用。但由于进水常流不息，不能在无人入厕时停止注水、泄水，仍以一定的时间内下泄，而造成水资源的浪费。选用TX982型微波雷达探测模块，利用微波多普勒技术，经电子线路混频后检出极微弱的移频信号，采用了微波检测专用微处理器，是红外线、超声波、热释电元件组成的检测控制电路以及常规微波电路所无法比拟的。本装置工作时，电磁阀选用常闭式电磁阀，通电打开阀门，加装失电检测装置，可以保证本装置在停电时能够自动注水，完全恢复原装置集水、泄水功能，从而克服了停电后不能正常使用的缺点。当蓄水水位达到预进水水位时，在进水控制浮子的作用下，停止注水。电磁阀等待有人进入卫生间时得电注水。泄水频率受进水量大小和人间隔移动次数多少决定，在注水期间，与人移动次数基本无关，可实现模糊控制。
获奖情况及鉴定结果
- 获得甘肃畜牧工程职业技术学院第一届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛一等奖
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 现场演示和样品展示
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
- 一、使用说明：1、微波感应控制器应调至在5米处移动3～4步被触发最佳。2、微波感应控制器尽量安装在室内门墙上方，轴向对准门窗部位安装。根据实际空间调节传感器探测范围，以避免误触发。 二、技术特点和优势：1、微波探测传感器以其独特的性能，开拓了无接触探测的应用，由于它的工作几乎不受周围环境因素的影响，用微波传感器探测是否有人，作为集水箱注水的触发控制信号是非常实用的。2、它的应用将为常流不息的水流加上一把智能锁，真正实现“开源节流”。 三、该作品的适应范围及推广前景：在机关、学校、公共场所卫生间的清洗过程中广泛应用的传统水箱集流式高位定时冲洗装置，本节水装置在原有畜水装置基础上进行改造，采用智能化控制注水的方式，达到在人使用时冲洗，无人使用时，进水阀自闭进水，达到较好的节水目的，并能自动实现在停电时正常使用，取得良好的经济效益和社会效益。
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