低功耗水管漏水自动报警与关断系统的设计

张锐佳

摘 要：我国是缺水国家，水资源十分宝贵。而日常生活中，水管漏水，以及由于人为的疏忽、设备故障等原因，水管阀门没有及时关闭，导致水资源浪费的情况时有发生。为避免水资源的大量浪费，笔者利用单片机控制技术，设计了“低功耗水管漏水自动报警与关断系统”。本系统能自动检测抽水马桶、洗水盆等水网阀门是否长时间未关断，并进行声音、灯光报警，提醒人员处理。若长时间无人处理，可以通过电磁阀自动切断进水，避免造成水资源的大量浪费。

关键词：漏水；阀门未关断；声光报警；自动关断；水资源浪费；环保

中图分类号：TU761.1 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）11-0084-02

Abstract： Our country is short of water， so water resources are very precious. But in daily life， the water pipe leakage， and because of human negligence， equipment failure and other reasons and water valve did not shut in time， leading to the waste of water resources from time to time. In order to avoid a large amount of waste of water resources， the author designed an automatic alarm and shutdown system for water leakage in low power consumption water pipes using single-chip microcomputer control technology. The system can automatically detect whether the valve of water net such as flush toilet， washing basin and other water net valves are not closed for a long time， and sound and light alarm to remind personnel to handle. If there is no one to deal with for a long time， we can automatically cut off the influent through the solenoid valve， to avoid causing a large amount of waste of water resources.

Keywords： leakage； valve not shut off； acousto-optic alarm； automatic shutdown； waste of water resources； environmental protection

1 应用背景

在国际上，地球表面70%是水，但人类可以利用的淡水资源只占其中的1%。在无锡举行的全球人居环境论坛上，来自国际水协会、联合国环境署的专家和相关企业代表一同发出警告：水危机，将成为人类本世纪面临的最大挑战之一。在国内，我国是缺水国家，人均淡水资源占有率仅有2300立方米，仅为世界平均水平的四分之一，是全球13個人均水资源最贫乏的国家之一。全国城市缺水总量为60亿立方米。全国六百多座城市中，已有四百多个城市存在供水不足问题，其中严重的缺水城市达110个。因此，国家十分重视水资源的保护和循环利用，鼓励发展循环经济、支持可持续发展、重视绿色环保产业发展。党的十八大把生态文明建设放在更加突出的位置，纳入中国特色社会主义事业五位一体的总体布局。这些都涉及到节约水资源、加大利用程度的诉求。不管是在全世界范围，还是国内，水资源都是十分宝贵的。但即使如此，在日常生活中，水管漏水，以及由于人为的疏忽、设备故障等原因，水管阀门没有及时关闭，导致水资源浪费的情况时有发生：（1）卫生间自动冲水装置因为机械故障（浮球卡住等原因），进水阀门不能自动关闭，导致生活用水白白浪费！（2）拧开水龙头装水，有事走开后一直忘记关水（特别是老人家），水满后溢出浪费！（3）停水前拧开水龙头，来水前没有关闭，导致水漫金山！

2 设计方案

2.1 功能设计

鉴于以上原因，为避免水资源的大量浪费，笔者利用所学的单片机技术，设计了“低功耗水管漏水自动报警与关断系统”，实现以下的功能：（1）当水管漏水或者阀门因为故障、人为等原因没有及时关闭时，系统检测到长时间的水流流动，自动通过LED闪烁与声音报警，提醒人员及时查看，关断阀门。（2）人员收到装置的声光报警后，手动关闭水阀，报警自动解除。（3）如长时间未有人处理报警，系统将接通12V安全电压控制的电磁阀，自动关断水，并持续间断报警。此后人员跟进处理，手动关闭水阀后，须按下系统“恢复”键，电磁阀断开，恢复正常供水。

2.2 结构设计

系统总体结构如图1所示。根据设计功能，笔者在生活中原有的阀门/进水管（图1中虚线框所示）的基础上，拓展增加本系统硬件（图1中实线框部分），以实现总体功能。

2.3 主要元件简介

（1）水流发电机。系统采用微型水流发电机接入水网网路中，检测水流大小。水流发电机输出交流电压0.1～10V，电流10～300mA，额定转速3000转。发电机是低速无阻型，效率高速98%。水流发电机输出为交流电压，需经过二极管整流、电容滤波后转换为较平滑的直流电后再输出给单片机进行水流大小与持续时间的检测。

（2）常开电磁阀。在长时间无人切断水流的情况，系统通过电磁阀自动切断水流。为良好兼容家庭水网，保证用水安全，电磁阀参数选择如下：

控制形式：常开电磁阀。通电关闭，切断进水；不通电（包括停电等）一直开着，确保水路正常运行。

螺纹口径：2W-15K 4分，DN15。兼容家庭水网。

流量口径：16mm。兼容家庭水网。

耐压：0-0.8MPA ，0-8KG公斤。适用于住宅供水（国家规定住宅的供水压力不得超过0.35MPa）。

流体温度：-10℃-100℃。适合住宅供水。

密封材质：NBR橡胶，具有良好的耐低温性能，耐化学稳定性好，有良好的耐水性、气密性，适用于水路密封，安全环保。

控制电源：DC12V，18W。采用DC12V安全电压，确保用水安全。

安装方式：阀体上面有指示水流方向，反过来装不能使用，出水口水会倒流也会导致不能使用。

接线方式：接线盒拆开，把线接进左右二个螺丝孔。

（3）DC12V电源。考虑用水场所潮湿的环境等因素，电磁阀供电电源采用防水壳包装，参数为DC12V，3A。本电源为普通型开关电源，保护性能好，稳定性优越，带负载能力好，带输入、输出过压保护、短路保护，以确保用电安全。

（4）控制电路。本系统处理器采用STC12C5202AD单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/高可靠/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机。采用16脚封装，体积小巧，且具有6路高精度ADC，能满足本系统的对水流大小进行检测的要求。内部集成高精度R/C时钟，5MHz～35MHz宽范围可设置，可彻底省掉外部昂贵的晶振，进一步简化了电路设计，符合系统体积小巧，具有ADC检测、安全可靠等控制要求。STC12C5202AD单片机支持掉电唤醒，可通过程序设计使单片机长时间工作睡眠模式，定时间歇工作，进一步降低电路功耗，节能环保。

当单片机检测到水流长时间未关断时，启动蜂鸣器与LED断续声光报警，提醒人员进行处理。当长时间无人处理报警时，单片机通过继电器启动电磁阀电源，使常开电磁阀通电，切断水流。电路设计上，为确保可靠关断，提高系统稳定性，对继电器线圈并接续流二极管进行保护。本系统采用水流发电机监测水流大小与持续时间。由于水流发电机输出为交流电压，故水流发电机输出需经过二极管整流、电容滤波后转换为较平滑的直流电后再输出给单片机的进行AD转换，以实现水流大小与持续时间的检测。本系统采用的STC12C系列单片机ADC支持中断方式响应。但考虑到AD转换的时间并不长，而水流流动时间可能会持续存在，没有必要长时间进行ADC中断，以免造成单片机资源的浪费，导致单片机功耗增加，电池寿命降低。故程序设计上，本系统采用查询方式进行水流大小的ADC检测。单片机大部分时间处于休眠状态，定时唤醒，并在唤醒的短时间内采用查询方式进行ADC采样。对采样到数据采用平均值滤波的形式，降低水流波动的干扰，提高水流检测的可靠性。

3 系统制作

经过硬件制作与软件编程及结构组装，最终制作完成本系统。经过试验，能达到各项预期设计功能。可方便地安装在抽水马桶进水管处、洗手盆水龙头与净水器进水管处等生活常见的进水管与角阀处。

4 系统亮点

（1）实用性：生活中水管出现漏水、阀门因机械故障或人为等原因没有及时关断情况时有发生，本系统能避免由此引起的水资源浪费与财产损失。（2）安装方便：适合家庭20mm水管，无须改动墙内水管管道。其中12V电源与单片机控制电路大小约为普通香烟盒大小，占地小。整套设备，可方便地安装在抽水马桶、洗水盆、饮水机进水管与角阀的连接处。（3）成本低：制作成本约为67元。若无需电磁阀自动关断功能，则成本仅需17元。（4）功耗低：系统采用一节3节5号干电池供电，单片机大部分时间处在休眠状态，总体功耗极低。更换一次电池，可以使用一年时间。（5）安全：检测与报警部分采用3节5号干电池供电，而电磁阀采用直流12V电压供电，均为安全电压范围，确保用水安全。且12V电源本身带负载能力好，带输入、输出过压保护、短路保护，稳定性优越，以进一步确保用电安全。

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