一种智能化控制的新型公厕节水系统

万功兴 李成 彭亚洲

摘要：针对现有便槽式公厕排水系统存在的用水浪费情况，本研究设计出一种智能化控制的新型公厕节水系统，能够有效解决现有排水系统在控制方面的问题，科学控制排水时间，节约水资源。该系统采用AT89C51单片机为核心控制器，设计重力感应装置、排水电路等模块，通过镀锌铁板直接感应废物重量，从而调节阀门开放时间决定排水量，从而合理控制排出水量，在确保废物在被完全冲走的基础上，还可以在水槽区域实现自动精准排水。

关键词：公厕节水；AT89C51单片机；重力感应；镀锌铁板

公共厕所是现代公用建筑中不可或缺的必备设施，也是城市居民生活中的基础设施，其卫生情况会直接影响公共环境。在进行保洁工作时，除了人工清理，其余主要靠定时排水冲洗。

目前，许多工厂、学校、医院、集体宿舍以及各类公共场合的洗手间大多都采用定时冲水的传统设计。而根据调查数据显示，在出水管定时排出的水中，传统的通槽式公厕浪费了约65%的水资源。这说明，为了定时排出水箱中的水，加压器几乎需要全天不间断地运行，耗损水量占整个建筑用水量的80%以上，不仅浪费了我国水资源，还在某种程度上加重了部分地区的水资源紧缺。

为了解决上述技术层面存在的问题，缓解许多地区水资源短缺的现状，本研究提供了一种智能化控制的新型公厕节水装置，结构简单、成本低廉而且节能环保，值得推广。

一、总体方案设计

针对传统公厕的水资源大量浪费问题，该系统采用AT89C51单片机作为核心控制器，并通过重力感应装置、系统电源、继电器等模块，借助镀锌铁板直接感应废物的重量，并在此基础上利用智能算法，根据不同的时间段进行智能化的修改，从而设定不同的排水量，旨在调节电磁阀的开放时间，对公厕的水槽区域实现自动且精确的智能化排水。系统总图如图1所示。

二、系统模块分析

本文设计的新型公厕节水系统主要包括核心控制装置、重力感应装置、电源装置与继电器模块等。

当排泄物与压力板接触时，压力板在压力作用下向下运动，工作电路箱产生电路电流。AT89C51核心控制器通过控制继电器模块，开启相应的电磁阀，并产生水流，水流将压力板上的排泄物冲走，最终实现有效冲水。当排泄物被冲走、压力板感受不到重量时，可以通过支撑弹簧进行复位，使继电器得以断开，进而使电磁水阀断电，联动阀芯与阀座扣紧，最终水流通道关闭，水箱停止排水，系统等待下一次工作。

本研究提出的控制系统采用智能算法设计，可根据人流量的不同及相应的特点事先设定不同的排水量，借助控制电磁阀的开度，实现精准排水的效果，这不但可以节约水资源，还能自动、精确地冲刷沟槽区域，确保公厕卫生。

（一）系统硬件设计

系统硬件部分主要由AT89C51单片机、压力传感器模块、电源模块、继电器模块等部分组成。

1.AT89C51单片机系统模块

控制系统的核心处理器为AT89C51单片机，这是一种功耗较低、性能较高的微控制器，具有外围电路简单、硬件设计方便、无方向寄存器等优点。

其中，引脚XTAL1和XTAL2分别对应着片内振荡器的高增益反向放大器的输入与输出端，此放大器与作为反馈元件的片外石英晶体可以巧妙构成一个自激振荡器。它通过连接石英晶体和电容式Cl和C2构成的并联谐振电路，与放大器的反馈回路连接在一起。此系统选取电容的值为24PF。

其中，此单片机也需要通过复位，使CPU和系统各部分在启动时处于确定的初始状态，进而从初始状态开始工作。本文设计的上电复位电路是通过对24PF的电解电容进行充放电实现的。

2.压力传感器模块

此压力传感器包括复位弹簧、压力应变片、外壳和顶杆等部件。压力板与水槽的下底板通过复位弹簧得以连接，而壳体位于压力板与水槽的下底板之间，壳体通过支撑弹簧与水槽的下地板固定连接，压力应变片与壳体固定连接，顶杆的上端与压力板的下表面相固定连接，顶杆的下端通过壳体顶部与压力应变片相接触。具体装置如图2所示。

3.电源模块的设计

系统电源模块包括家用电源和蓄电池两部分。在通电情况下，家庭电源为控制系统提供5V的电源，而变压器、整流桥、稳压集成模块7805产生直流5V电源。其中lm7805为三端稳压集成电路，该模块电路通过变压器将220V的电压转换成9V的电压，再通过整流桥、滤波电路、稳压电路等电路转换为直流5V电压。在断电的情况下，蓄电池可以代替家用电源进行工作。

4.继电器模块的设计

继电器的电路可决定相应的电磁水阀的开关。工作电路箱由测量及放大电路、整流器、继电器和定时开关组成。其中，测量和放大电路的信号输出端与继电器控制端相连，进而控制继电器的通断。而电源经整流器、继电器、定时开关后依次与电磁线圈相连。测量和放大电路电流将放大，使继电器闭合，经整流器整流后由家用电源连通电路并产生电流，进而实现定时开关，并将电流传递到电磁水阀的电磁线圈内。

（二）智能算法设计

根据实践经验以及相关的知识储备，对新型节水系统进行相应的智能算法设计，具体参数要求如下：

（1）遇到人流量较多的时间段时，系统每3min进行一次冲水。

（2）遇到人流量较少的时间段时，第一，感应质量≥1000g时，定时开关闭合，系统立即冲水；第二，0＜感应质量＜1000g时，如果t＞5min，定时开关闭合，系统立即冲水。

三、模型理论计算

水箱的工作原理为：水经进水管进入水箱，当水位高于h1时，虹吸管左侧1处吸水，为保持两侧平衡使得右侧管道水位始终与左侧保持一致。在2处出水管口设有阀门和加压器，当底板反馈的数据达到一定数值时，AT89C51核心控制器控制继电器模块开启相应的电磁阀，阀门开启并对水进行加压，经过高为h3的水管水冲到底板并以此冲过各个坑位的粪便。具体过程如图3所示。

图中涉及到的公式说明如下：

（1）以m表示底板处实时感应到的排泄物的总质量，m1、m2、m3……mn表示各排泄物的质量，t表示所经过的时间，P表示大气压强，ρ表示水的密度，h表示为水箱中的水距离底板的高度，Hf表示沿程损失，Hj表示局部损失，λ表示沿程损失系数，ξ表示局部损失系数。

根据伯努利方程（2）、沿程损失公式（3）、局部损失公式（4）联立，可求得水冲到底板时的速度大小v：

m＝m1+m2+m3+...+mn                           （1）

P+ρv?+ρgh＝常量+Hf+Hj                     （2）

Hf＝λ?（）?（）                                  （3）

Hj＝ξ?（）                                       （4）

（2）以X表示坑位的个数，μ表示水和排泄物之间的动摩擦系数。

根据非弹性碰撞公式（5）、动量定理（7）联立，可求得表示所冲水的质量m0，底板的能量损失Ek损，水与排泄物进行完全非弹性碰撞最终达到的共同速度v1。此处假定设有1个坑位（1号坑位排泄物质量m1），当水流经过1号坑位：

m0v＝（m0+m1）v1                               （5）

Ek损＝m0v?－（m0+m1）v1?                    （6）

f1t＝m0（v－v1）                                （7）

F2=μm1g+f1                                    （8）

2，3...X号坑位同理。

（3）通过上述两部分的能量损失之和等于总能量损失（9），可求得水箱中的水的变化深度H：

ρgH=ΣEk损+ΣHf+ΣHj                              （9）

又因为m1、m2、m3……mn都是底板直接在感应到其重量并立即反馈给系统的，所以当m达到设置的数值时，经过上述的一系列过程以及相应的智能算法，水箱就会排出冲掉相应废物所需的水量。

经计算可得：

当一个坑位存在废物时，约节约67.2%的排水量；

当两个坑位存在废物时，约节约65.2%的排水量；

当三个坑位存在废物时，约节约63.2%的排水量；以此类推。

四、结语

传统沟槽式公厕的排水模式，是造成公厕水资源极大浪费的重要原因，也是加剧部分区域水资源短缺的重要因素。因此，如何自动且精准地排出冲掉相应废物所需的水量，进而直接减少水资源的浪费问题迫在眉睫。

本文通过AT89C51单片机智能地控制电磁阀的闭合，并使得适量的水冲走相应的废物，最终达到高效排水的效果。此类新型智能的公厕节水系统，适用范围较广，可应用于各种公厕环境。在同等的条件下，可节约约60%的排水量。同时，此系统不仅可确保公厕的卫生，还能产生良好的经济、环境和社会效益。

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