家庭自动循环节水系统的设计

赵忠厚，赵 辉，刘俊清

(沈阳工程学院 自动化学院，辽宁 沈阳110136)

1 节水的必要性

水资源作为人类社会的基础性自然资源和战略性经济资源，是不可替代的一种重要资源。它与环境、人口及生产生活密切相关。因此，水资源问题已成为举世瞩目的重要问题之一。据有关资料报道显示，我国是一个干旱缺水严重的国家。淡水资源总量为28 000亿m3，占全球水资源的6%。仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，居世界第四位，但人均只有2 200 m3，仅为世界平均水平的四分之一、美国的五分之一，是全球13个人均水资源最贫乏的国家之一。

沈阳属北温带气候，受季风影响较大，雨热同期，降雨年内、年季变化大，水资源时空分布不均匀。降雨量的2/3集中在7、8月份，并多以暴雨形式降落。不利于雨水的渗储、保留。其水资源利用现状如下。

沈阳市年平均水资源量大约为323 000万m3，人均水资源占有量约448 m3，只有全国人均水平的20%左右，属于水资源短缺地区。水资源时空分布不均，年际变化大，特别是遇到连续干旱的年份的出现，会加剧水资源的供需矛盾。随着东北老工业基地振兴的进程加快，沈阳市用水量将会快速增长，用水保证率及水质要求将会更高，生态用水标准也相应提高，农业、工业和生活用水及水资源利用有效率低等诸多问题也将越发突出。虽然，水资源如此短缺，但至今人们还没有真正认识到水资源缺乏的严重性。

据有关部门网上调查得知，在现实生活中，大多数人的节水意识淡薄，常在无意中浪费大量的水资源，如一些常见的用水不良习惯：洗脸刷牙时任水流淌；洗澡涂肥皂时不关淋浴喷头；用过多的水冲洗汽车；洗衣服时只用自来水冲洗；在解冻海鲜等冻品时通常使用自来水解冻；常用自动洗衣机洗少量的衣物等等。

从以上种种浪费水的现象不难看出，大多数人们在家里并没有很强的节约用水意识，如果连家庭用水都没有办法做到节约，那不用说在公共场所了。之所以有严重的浪费水的情况出现，是因为大多数人都没有节约用水的概念，认为节水很麻烦，使生活不方便。还有少部分人是因为不差钱，水费对他们来说是低廉的，并不能形成对“节约用水”的认真关注和重视。

2 解决方案

保护水源，节约用水十分必要，为此，设计了一套“家庭节水自动循环系统”。下面将做详细介绍。

当前，每个家庭都是将日常生活中洗漱、洗衣等用水流入下水道，变成了不可再用的污水，没有二次处理的可能，水资源被白白浪费掉。据了解，现今并没有利用水的二次利用来进行节水的方法。本系统是将家庭每天洗漱、洗衣等生活用水(可再用的废水)收集在储水箱中，用来冲洗便池，达到节约用水的目的。

本系统自动控制储水、进水、冲水等过程循环进行，其中关键技术在于如何自动对各个关键点水位的判断、控制及相应的操作。控制系统框图如图1所示。

本系统包括信号采集处理、对应控制及执行动作部分等。水位传感器探头1、2、3分别安装在储水箱内和冲水箱内的适当位置。将各自检测采集到的“水位情况”信号，经过分别处理后送至“系统控制”部分。“控制部分”收到信号后，进行判断确认，发出不同的“控制信号”给“执行部件”，进而实施不同的功能操作。

图1 家庭节水自动循环控制系统

其中，FM1为洗脸盆下水阀门，关闭时(横向)，可将使用过的水流入储水箱，打开时(纵向)，使用过的水流入下水道；FM2为原进水管阀门，关闭时(纵向)可以阻止原进水管的水进入冲水箱，而用储水箱中的水，打开时(横向)，原进水管的水进入冲水箱，恢复原来运行状态；K1为启动水泵控制开关(+12V)。

3 系统供电电源

电子设备中一般都需要用直流电源来供电，所用的直流电源，通常是由电网提供的交流电经过整流、滤波和稳压后得到的。特别是在电子线路和自动化控制装置中，对所用的直流电源要求更高，除了要求能够输出不同电路所需要的电压和电流以外，还应做到直流电压平滑、脉动成分小、输出电压的幅值稳定，即当电网电压或负载电流波动时能保持输出基本稳定，交流电变换成直流电时的转换效率高。为了得到合适的直流电，目前广泛采用各种半导体直流电源。

图2是半导体直流电源的原理方框图，其表示的是把交流电变换为直流电的过程。

图2 半导体直流电源

直流电源一般包括4个组成部分，即电源变压器、整流电路、滤波器和稳压电路。

3.1 电源变压器

电网提供的交流电一般为220V(或380V)，而各种电器设备所需要直流电压的幅值却各不相同。整流变压器就是将交流电源电压变换为符合整流需要的电压。

3.2 整流电路

将正负交替的正弦交流电压整流成单脉动电压，其中的整流元件之所以能整流，是因为它们都具有单向导电的共同特性。

3.3 滤波器

整流电路虽然可以把交流电转化为直流电，但是所得到的电压是单向脉动电压，在某些设备中，这种电压的脉动是允许的。但是，在大多数电子设备中，整流电路后都要加接滤波器，以改善输出电压的脉动程度。滤波器主要由电容、电感等储能元件组成。其作用是减小整流电压的脉动程度，输出比较平滑的直流电压，以适合负载的需要。

3.4 稳压电路

整流电路把交流电转化为单方向的脉动电压，而滤波器降低了输出电压的脉动成分。此时的电压往往会随着交流电源电压的波动和负载的变化而变化，电压的不稳定有时会引起控制装置的工作不稳定，甚至根本无法正常工作。特别是自动控制、计算装置等都要求有很稳定的直流电源供电。为了得到更加稳定的直流电源，需要在整流滤波电路的后面再加上稳压电路，当交流电源电压或负载变动时，使直流输出电压保持稳定。

稳压电路及稳压的方法有多种，但有的电路仍有不少外接元器件，还要注意共模电压的允许值和输入端的保护，使用复杂。目前，集成稳压器已广泛应用于单片集成稳压电源，它具有体积小、可靠性高、使用灵活、价格低廉等优点，被广泛应用于各种电子设备中。

如三端集成稳压器有固定输出和可调输出两种不同类型。其中固定输出集成稳压器又分为正输出(W78XX：输出正电压有 +5V、+9V、+12V、+15V等多个电压等级)和负输出(W79XX：输出负电压有 -5V、-9V、-12V、-15V等多个电压等级)两大类。三端集成稳压器的组成，如图3所示。

图3 三端集成稳压器的组成

从图可知，电路内部实际上包括了串联型直流稳压电路(调整管、放大电路、基准电压、采样电路)的各个组成部分，以及保护电路和启动电路。

供电直流电源简图如图4所示。图中，交流电220V为电网供给的民用市电，经过变压、整流、滤波、稳压等环节，最后输出的直流电源为 +5V、+12V、-12V，分别用于电子集成电路和执行部分的操作供电。

图4 供电直流电源

4 系统工作过程

开始阶段，废水储水箱无水，此时，由控制系统控制阀门Fm1关闭日常生活用水可进入储水箱，当水箱中的水达到一定量时，将控制阀门Fm2关闭。此后，仍将继续给储水箱注水，直至加满为止。如果需要冲水时，按压“冲水按钮”即可。冲水后，启动水泵QJ，用储水箱的水再给冲水箱加水，待用。若储水箱内水量足够用，则可控制自动循环进行，，从而完成“日常生活用水”的二次利用，达到节约用水的目的。

图5 家庭节水系统中的实物模拟

若有以下情况时，则需特别注意。

1)当储水箱内水满后，系统将控制 Fm1动作，使Fm1打开，生活用水可直接流入下水道。

2)当储水箱中无水时，系统将控制 Fm2动作，使Fm2打开，用原进水管上水，恢复原来运行状态。

3)如生活用水太脏，不宜储存再用，可手动强行控制打开Fm1，将污水排入下水道。

4)如有停电发生时，整个系统失去控制功能，Fm1、Fm2均处于自然打开(开通)状态，一切按原来使用方式进行。

5 结语

有专家预言，水资源短缺将成为人类21世纪面临的最为严重的资源问题之一，水危机已经是全球性的事实，继石油危机之后的下一个危机便是水危机。把水看成取之不尽、用之不竭的时代已经过去，把水当成宝贵资源的时代已经到来。面对这样的问题需要做到：①普及节水常识，提高全民节水意识，转变人们粗放型用水习惯，提倡良好的用水节水方法；②合理开发水资源，有效利用，节约控制，满足居民生活基本用水需求的同时，要保证工良好的水环境，在工农业用水和城市生活用水等方面大力提高水的利用率，

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