新型红外感应加压冲厕式智能节水马桶研究

周诗豪

（南京农业大学 工学院，江苏 南京 210031）

新型红外感应加压冲厕式智能节水马桶研究

周诗豪

（南京农业大学 工学院，江苏 南京 210031）

根据传统马桶存在的冲厕时间不定、冲厕不干净、冲厕用水严重浪费等问题，文章设计了一种基于红外感应的加压冲厕式智能节水马桶。该智能马桶的主要组成部分包括：马桶、水箱、加压水泵、电磁阀、固定架、喷洗装置、感应模块和控制模块。感应模块由红外对管模块、光敏传感器模块组成；控制模块以STM32为控制中心，接收感应模块的信号，并输出信号控制继电器开关，达到控制电磁阀和水泵的效果。

红外感应；加压冲厕；节水；智能；马桶

1　研制背景及意义

在我国部分城市，水资源短缺也是一个人们必须面临的问题。我国人均水资源占有量仅为世界平均水平的25%，而水消耗量却十分巨大。有调查数据显示，卫生间用水量占家庭用水的60%～70%左右，其中冲水马桶成为用水大户，占生活用水量的1/3以上，减少马桶冲水量对节约日常用水至关重要。通过大量调查发现，目前市面上的节水马桶有3类：普通节水马桶、气压节水马桶、无水箱节水马桶。

2　设计方案

智能节水马桶的工作步骤：首先，通过人手遮蔽光敏电阻传感器时间的长短来判断是冲大便（遮蔽时间小于2秒）还是冲小便（遮蔽时间超过2秒，冲厕时间由遮蔽时间决定）；然后，马桶底部和马桶盖上分别安装有5对红外对管，利用红外对管的遮光模式和入光模式，检测是否存在粪便，检测信号输入STM32控制板进行冲厕控制；在蓄水箱与马桶之间连接有电磁阀和加压水泵，并用STM32控制板控制冲厕时间和水量，达到节约水量和增压冲厕的效果；最后，利用马桶上增设的喷洒式洗臀装置清洗臀部，减少纸巾擦拭使用量、使用户感到卫生舒适。

2.1 电器控制

本作品考虑综合考虑到节电和控制性能后采用STM32作为控制芯片，STM32处理器的内核是ARM公司为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM CortexTM-M3内核。引脚丰富方便功能拓展。系统的电路控制如图1所示。

2.2 机械部分

图1　单片机连接电路

机械部分设计如图2所示，水箱、电磁阀和增压泵之间通过软管连接，增压泵的出水口分别接有注水口和喷头的水管；红外对管分别固定在马桶下底部和马桶盖的上面，并且保持上下红外对管直线相对。

设计时考虑的主要问题：通过在马桶下底部和马桶盖上分别打孔，然后将红外对管安装在孔中，注意孔与红外对管的配合问题以及下部的红外对管表面要用透明凝胶固定，防止水分渗透。

图2　马桶机械部分设计

3　理论设计计算

3.1 用水量

本研究的计算公式定义如下：V1=Q×t1；V2=Q×t2；V= （V1×N+V2）/（N+1）。

其中，V1：单次小便冲水量（普通马桶和节水马桶直接读取相关数值）；Q：马桶流速；t1：单次小便冲水时间；V2：单次污物冲水量（普通马桶和节水马桶直接读取相关数值）；t2：平均单次污物冲水时间；V：平均单次用水量；N：人体平均每日排尿次数。

经实验统计及资料调查，Q=0.3L/s，t1=7s，t2=13s，N=5可求得：

普通马桶：V1=4L，V2=6L，V=26L

节水马桶：V1=2.7L，V2=5L，V=19.5L

智能节水马桶V1=2.1L，V2=3.9L，V=14.4L

3.2 耗电量

本研究的计算公式定义如下：

P2=U2×I2；P4=U4×I4；P=P1+P2+ P3×5 +P4+ P5× （t1×N+t2）/3600

其中，P1：光敏传感器功率；P2：单片机空载功率；U2：单片机工作电压；I2：单片机工作电流；P3：单个红外对管功率；P4：电磁阀功；U4：电磁阀工作电压；I4：电磁阀工作电流；P5：水泵功率；P：平均功率。

经实验统计及资料调查，由P1=0.1W，U2=5V，I2=36mA，P3=0.1W，U4=12V，I4=500mA，P5=100W，可求得：

P2=0.18W；P4=6W；P=7.61W

4　性能分析

通过对大量卫生间内的马桶及市面上常见的节水马桶进行分析以及对实物的数据统计（见表1），可知普通马桶冲洗时一次性将水排出，水流仅受重力影响流下，平均单次用水约为5L；市场上常见的节水马桶改进了水箱的大小，最小单次出水2.7L，按键有液压装置，流速有所提升。

智能节水马桶设计实物如图3所示。该智能节水马桶采用了电磁阀、水泵、红外对管进行自动冲洗，并采用人体感应装置，使整套系统在无人时处于断电状态，保证了系统的低耗。

表1　各种马桶参数比较

图3　马桶制作实物

5　创新点及应用

5.1 创新点

（1）智能冲水，可根据污物的冲除情况控制用水量的多少。（2）使用水泵增加流速，瞬间水量大，在耗电量极小的情况下减少大量用水。（3）操作和控制简便，使用方便，尤其对身体残疾和行动不便的人。

5.2 应用

随着城市化的迅猛发展，马桶逐渐成为现代化家庭生活中不可分割的一部分。在住宅区、商场、办公区等场所的卫生间内，马桶是必不可少的。传统马桶在节能方面需要实施改进，因此，本产品具有极大的潜在市场和应用前景。

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Research on the New Infrared Induction Pressure Type Intelligent Water-saving Toilet

Zhou Shihao
（Engineering Institute of Nanjing Agricultural University， Nanjing 210031， China）

According to the problems that traditional toilet flushing time is indefinite， flushing is not clean， flushing water is seriously wasted， this paper designed an intelligent water-saving toilet flushing pressure based on infrared sensor. The main component of the intelligent toilet includes： toilet， water tank， pressurized water pump， solenoid valve， a fixed frame， spray cleaning device， induction module and control module. Induction module consists of infrared module， photosensitive sensor module， the pipe； control module based on STM32 control center， receives the induction module of signal， and outputs signal control relay switch to achieve the effect of control if solenoid valves and pumps.

infrared sensor； pressure flushing； water saving； intelligent； toilet

周诗豪（1994— ），男，湖北荆州。