一种智能节能型多功能水龙头的设计

王书洋++杨冠鲁

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.25.102

摘 要：水是生命之源，地球上的淡水资源越来越贫乏，而且分布不均，特别是随着社会的发展，人们对淡水的需求越来越大，因此应该大力提倡节约用水，实现可持续发展。本文设计的水龙头系统具有红外控制功能，靠近水龙头时自动打开放水，离开时水龙头自动关闭，使用方便，且可以防止因未能及时关闭水龙头而造成的水资源流失，并避免各种传染类疾病的传播与扩散。系统同时具备语音播报功能以及发电功能，电能储存于蓄电池中，可供语音芯片、红外传感器和光纤灯使用，并在水龙头的使用期间，播放一些公益广告，来增强人们的节水意识，具有很强的实用性。

关键词：红外控制 水龙头发电 电能储存 语音播报

中图分类号：TU212.9 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）09（a）-0102-02

我国是一个水资源非常短缺的国家，虽然地域辽阔，但是受到多种气候类型的影响，导致水资源分布不均、生态系统失衡，引发了淡水资源的危机。我国淡水资源总量虽然占全球淡水资源的总量的6%，但是人均水资源量却远不及世界平均水平，水资源短缺、水质恶化及生态环境恶化等问题日益尖锐[1]。目前市面上使用的水龙头常出现关不严或者忘记关水等浪费现象，节水效果并不明显。主要原因是水龙头自身的构造缺陷和人们节水意识的低下造成了水资源的流失。这些小小的浪费看似不起眼，但是每年造成的水资源浪费则达成百上千吨，造成巨大的水资源浪费。

因此需要加强节约用水的力度，寻求可持续发展。为此设计红外线自动控制水龙头，从日常生活中减少水资源的浪费，并且在使用过程中，通过水轮机发电，电能经处理之后储存于蓄电池中，可供光纤灯和语音芯片等负载使用，并且在人们使用水龙头时播放一些公益广告来提醒人们节约用水。

1 系统设计方案

1.1 系统概述

系统主要由红外传感部分、发电储电部分以及用电部分构成，系统工作框图如图1所示。

水龙头红外线传感器接收感应信号，单片机处理并发出指令，控制电磁阀开启，水龙头打开防水，同时水流流过水轮机发电，电能经稳压模块和充电保护模块处理之后，储存于蓄电池中，可供负载使用。

1.2 红外传感器部分

本文使用52单片机控制光电传感器，红外线水龙头控制电路由变压器、红外发射电路、红外接收电路、电磁阀控制电路以及灵敏度调节电路组成。电路由220V交流电供电，经变压器从次级输出12V直流电供电磁水阀作业，红外线发射接收管以及电磁水阀控制电路。继电器由单片机供5V电压。该电路由红外线发射接收管采集外界信号，当信号发生改变时，首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后用光电元件将光信号转换成电信号[2]。电信号输入到电磁阀控制电路中，电磁水阀控制电路根据输入信号的变化，控制电磁阀的开启与关闭。

1.3 发电储电部分

发电机使用F50-12V的水轮机，直流12V稳压输出，可以给蓄电池充电以及供光纤灯和系统工作等。

储能部分的设计为水轮机输出端经过LM2596稳压模块输出一个稳定的直流电压，然后通过LM7805充电保护模块使直流电压稳定在蓄电池的充电电压范围之内，这样可以保证蓄电池不会因为过充而损坏，保障了充电的安全。储存在蓄电池中的电能可以供光纤灯、语音芯片灯等负载使用。因为水龙头的使用时间短，故通过水轮机的流量有限，所以发电量有限，蓄电池已完全适用，无需采用更大功率的储能装置。

2 用电部分设计

2.1 光纤灯部分

光纤灯选用通体光纤材料，并使用高亮LED外露灯作为光源。光源的发光组件采用高亮LED半导体芯片，并使用特殊工艺以及先进的设计制作而成。其特殊的生产工艺，使其具有发光字容易安装、节能省电、降低成本、高亮度和色彩夺目等优点[3]。在水龙头的使用过程中，水轮机发出的电能可供光纤灯工作，起到照明的作用，节约资源。

2.2 语音芯片部分

ISD1700系列是Nuvotom公司推出的新款语音芯片，使用方便灵活且功能强大，因此本文采用ISD1760作为语音输出。ISD1760优点在于其内置的多信息管理系统功能强大；独立和SPI两种操作模式使用方便，而且带有可定制的语音操作指示音符[4]。

该芯片具有如下特点：（1）可录、放音10万次，有两种控制方式；（2）可处理多达255段以上信息；（3）多种采样率多种录放时间；（4）音质好、电压范围宽、应用灵活。

本文根据芯片的采样频率录音时间表以及技术手册查得ISD1760的最佳采样频率为8kHz，录音范围为40～120s。为了提醒人们节约用水，提高人们的环保意识，在人们使用水龙头的时候播放一些节约用水的公益广告。

3 效益分析

本文设计的水龙头具有红外感应功能，可以在人们离去的时候自动关闭水龙头，节约水资源，弥补了一般水龙头因人们的疏忽未能及时关闭而造成的水资源浪费，方便卫生，适用于高校、食堂等人流量较大的地方，防止了疾病的传播。在水龙头的使用过程中通过水轮机发电，电能供给光纤灯工作，实现照明功能，水龙头还具有语音播报功能，播放一些节约用水的公益广告，可提高人们的环保意识，所产生的经济、社会和环境效益十分诱人。

4 结语

随着社会经济的快速发展，城市化人口的激增，生活用水量也不断的增加，用水和供水之间的矛盾日益激化，水资源因为人们的浪费不断减少。水龙头作为居民城市用水的重要环节，由于自身的構造缺陷以及人们的使用不当导致水资源的浪费。针对这一问题，本文设计红外感应水龙头，当有人使用的时候自动放水，当人们离开的时候自动关闭，避免了因人们疏忽忘关水龙头而带来的水资源浪费，并且在水龙头的使用过程中，水流经水轮机进行发电并储存，电能可供系统和光纤灯使用，光纤灯起到照明的作用，语音芯片播放一些节约用水的公益广告，可以增强人们的节水环保意识。该水头龙方便、安全、卫生，可以广泛应用于高校、酒店、食堂等人流量多的公共场所，预防传染病的传播，具有广阔的应用前景。

参考文献

[1] SHADEED S，LANGE J.Rainwater harvesting to alleviate water scarcity in dry conditions：a case study in Faria Catchment，Palestine[J].Water Science and Engineering，2010，3（2）：132-143.

[2] 李明，徐向东.传感器故障检测的Poweu神经网络方法[J].热能动力工程，2002，17（1）：73-75.

[3] 李林.LED照明光学系统的研究与设计[D].西安：中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所），2012.

[4] 邓坚，熊廷瑞，全书海.基于ISD1760的智能电梯语音报站系统[J].中国水利，2009，9（2）：120-121.endprint