马桶水流报警器

施南宇 吴凡 李晗瑞

选题背景

受人口增长、环境污染以及气候变化等因素影响，全球水资源短缺压力不断增大。据统计，过去20年间，全球人均淡水供给量减少20%以上。面对水资源短缺的挑战，不少国家都尝试改善水资源的管理。提高水资源综合管理策略和技术，成为解决水资源危机的重中之重。

缓解水资源短缺的有效途径可以总结为“开源节流”。作为个人或者家庭，该如何节约水资源呢？通过对日常生活的观察，为了杜绝水资源浪费的情况，达到节约水资源的目的，我们发明了“马桶水流报警器”这个装置，通过浮子开关对马桶水箱中的水进行监测，以便使用者及时了解马桶是否存在漏水现象。

试验过程

2022年7月，我家发生了一件奇怪的事情，当月水费比之前多交了很多。注意到这一情况，我受父母的委托，化身“小侦探”，开始在家中“查案”。我怀疑的对象从洗浴用水、厨房用水到洗衣机用水。可是我调查后发现，这些用水较上个月并没有明显的增多。通过排查，我发现是马桶在漏水。这一结果让全家人都感到吃惊：没想到仅是不易察觉的马桶漏水，就能浪费如此多的水资源。于是，我又变身“小科学家”，想着能不能设计一个监测装置，以便马桶漏水时能及时发出警报，提醒我们多加注意，尽快进行维修。

我家的马桶漏水的原因是水箱中一直上水，于是我便想利用浮子开关判断马桶水箱的水运行状态是否正常。浮子开关可以监测水位。将浮子开关放在水箱中，浮球在一定范围内上下浮动。开机时，绿色指示灯亮，表明系统运行正常。如果马桶工作正常，水箱将开始注水，水位上涨，浮子开关正常运行，电路关闭。如果马桶无法正常工作，则水箱不会充满，也不会关闭电路。25秒后，红色LED灯亮起，蜂鸣器启动发出警报。当水正常充满水箱时装置自动重置。一旦马桶被调整并且水箱开始正确填充，电路就会关闭并重置。根据这一思路，我们设计出了结构图、流程图和原理图。

为了能实现设计思路，我们通过上网查询资料、向家长和老师请教等方式，最终确定了合适的材料。以下是装配马桶水流警报器的材料。

材料包括外观搭建材料和电子电路材料。

外观搭建材料以3D打印件为主，使用3D打印设备打印出报警器的外壳。

在老师和爸爸的指导下，我们买来了一些能实现功能的电子元器件，例如蜂鸣器、电容器、电阻、浮子开关、LED灯。

浮子开关的设计。通常在密封的非磁性金属管或工程塑胶管内根据需要设置一点或多点磁簧开关，再将带有内置磁性系统的浮球固定在本体管内磁簧开关相应位置上，使浮球在一定范围内上下浮动，利用浮球内的磁性系统透过本体管去触发磁簧开关的闭合或断开，产生开关动作，达到控制液位的目的。

蜂鸣器的选择。我们选择的蜂鸣器带有DFRobot新版模拟声音传感器，其外形更精美，设计也更为人性化。同时，这款产品还兼容3.3V和5V两种供电，适应Arduino新一代主控器DUE。在小板上的端口边上有一个大写的D，标明这是数字传感器。模块上有一个喇叭小标识，标明这是一个发声的装置。小板上带有高品质接头，能够经受反复插拔，保证接触牢固、良好。

所使用的工具包括3D打印机、电烙铁、剥线钳、热熔胶枪等。

整个装置的装配过程如下：连接电路，把555定时器、电容、电阻连接在面包板上；连接浮子开关、蜂鸣器和面包板，保持跳线短而整齐；连接LED灯，正极连接正极，负极连接负极；3D打印的外壳由盒子、盖子和挂架组成，挂架固定在盒子凸起的圆形上；把浮子开关放在马桶的水箱里，报警器放在水箱旁边。

通过实际测试，马桶水流报警器达到设计要求。

马桶水流报警器安装在家中，可以实现两项功能。第一项，马桶水箱中的浮子实时监测水位，当水位下降时，电路通电；开机时，绿色指示灯亮，表明系统运行正常，水箱将开始注水，电路将关闭。第二项，如果马桶无法正常工作，则水箱不会填充以关闭电路。25 秒后，红色 LED灯亮起，蜂鸣器启动。

整个装置所用配件易于购买，装配起来也能完全达到设计要求，只是外壳为3D打印件，如果投入实际商业生产，则需要对外壳的生产方式进行调整。