一套家庭綜合節水裝置的設計研究

吳崢強

Design and research of a comprehensive household water saving device

（Mechanical and Electrical Engineering Department）

【摘要】將研制一套家庭綜合節水裝置，將生活中使用過的相對干凈的洗菜、洗衣等用水進行回收并凈化處理，使之用于廁所沖洗、家庭清潔、花草澆灌等。綜合節水系統的集成化設計，使其能在家庭環境中具有安裝和使用的可行性。將家庭使用過的相對干凈的水再回收利用，提高了水資源的利用效率。

【關鍵詞】家庭 節水 回收 裝置

【Abstract】The development of a comprehensive water-saving device， recycling washing dishes， washing water， and purification， to be used for flushing toilets， household cleaning， watering flowers and so on. The integrated design of comprehensive water saving system， the installation and use are convenient. The device family used water recycling， improve the utilization efficiency of water resources.

【Keywords】Family Water saving Recovery Device

1 引 言

我國是水資源相對十分匱乏的國家，以廣州為例，地處多雨的珠江三角洲的廣州，印象中雨水充沛，年均降雨量約1800毫米。而在用水量上，目前廣州市平均每人每天用水量達350升，為全國之最。在現有供水條件下，有報告指出，2020年廣州市供需水在97%保證率下可供水量為55.2億立方米，缺水7.0億立方米；在90%保證率下可供水量為56.4億立方米，缺水5.8億立方米?？梢?，廣州的缺水形勢十分嚴峻，而中國北方的城市缺水形勢則是極為嚴重了。另外，龐大的人口規模，這使得家庭節水問題日益得以重視。家庭生活中，洗衣機用水、洗浴用水和洗菜用水相當大比例可以收回再利用。本文研究的目標為開發出一套家庭綜合節水系統，將家庭可回收用水進行回收儲存并凈化處理，使之用于廁所沖洗、家庭清潔、花草澆灌等，這將大大節約家庭用水量。

2總體方案設計

本裝置設計的基本思路是將家庭生活用水通過檢測，自動篩選是否需要回收，將相對潔凈的已使用過的水回收進入處理系統，使這一部分水體得到再次利用。自動篩選系統判斷相對潔凈的水體，這樣可以降低污水處理難度，簡化污水處理裝置。

本裝置運作總流程設計如圖1所示：

3 節水裝置的設計制作

1） 準備過程

分析控制策略、水循環的通路，篩選主要制成模型的主要功能，除去非必要功能，整理出所需要的硬件材料、控制開發工具等。

設計蓄水箱2個（1主1從），包含以下組件：

①抽水泵1個（簡化自動清洗功能需要的泵）；

②51單片機組成的控制模塊；

③電磁閥門2個（簡化自動清洗功能）；

④渾濁度檢測裝置

⑤過濾裝置；

⑥輔助元件：如膠管等。

2）制作51控制模塊

① 處理芯片的選擇

根據控制流程所需采集的信號，輸出的控制信號，以及邏輯運算的復雜程度。選用STC89C52RC單片機做控制芯片，該單片機擁有32個I/O口，兩路定時器中斷，兩路外部中斷，8K的ROM，256B的RAM。接12M晶振有良好的運行速度，滿足系統的需要。

②AD信號采集芯片的選擇

系統所采集的水位、渾濁度均為模擬量，需要進行模數轉換才能用單片機進行邏輯運算。模型需要的模擬量共3路，選用飛利浦的8位精度AD芯片PCF8591，該芯片有4路模數轉換通道，1路數模轉換通道，系統任意選用3路模數轉換通道即可，且轉換精度也夠用。

③系統設定值存儲芯片

系統設計為可變水箱，可調參數系統，采用自動檢測設定值，并且設定值可更換，符合方便、人性化的原則。Atmel公司的AT24C02能夠存儲255個8位數，滿足系統設計需要。

④顯示部分

系統要顯示的內容并不多，所以選用很普通的LCD1602點陣液晶顯示即可滿足。該液晶可顯示兩行共32個字符，支持英語、數字及符號顯示。

⑤繼電器模塊

單片機的工作電壓為5v，且負載能力差，通過繼電器控制12v的抽水泵和電磁閥門的工作。繼電器與單片機之間用光電隔離，提高單片機的負載能力，同時也減少繼電器對單片機的干擾。

⑥電源選擇

系統需要5v和12v的電壓，5v的電壓由12v的電源適配器經調壓板獲得，5v為單片機等單片機外圍元件供電以及壓力傳感器、渾濁度傳感裝置供電，12v為抽水泵和電磁閥門的供電，系統采用雙電源設計，小電流與大電流分離供電，減少對單片機控制系統的干擾，提高系統可靠性。

⑦外殼選擇安裝

提高系統的美觀性和抗干擾能力，為系統安裝一個外殼，接線口，通過排針和接線端子引出，方便接線和調試。

3）制作渾濁度檢測裝置

①設計原理

工作原理：當光線穿過一定量的水時，光線的穿透量取決于該水中的懸浮顆粒物的含量；當含量增加時，穿透水樣的光線隨之減少，濁度測量透過的光線量來計算水的濁度。

利用發光二極管和光電三極管對特定波長的折射作用，來測量臟水的不透光度或者其他物質的濃度。

②選用的材料

紅外光的發光二極管作為信號源，紅外光接收管作為接收信號，配上適當阻值的電阻元件。

③設計電路

設計的控制電路如圖2所示。

3）過濾裝置

①過濾裝置原理圖如圖3所示：

②過濾工作描述

污水從均布的進水口進入外殼與內殼間的間隙，淹沒進水口，形成密閉，出水口連接抽水機的進水口，抽水機工作，利用抽水機的自吸，在過濾器內外殼間形成負壓，水進入裝有過濾介質的內殼，被迫通過介質進入出水口，水中的雜物被分離。同時，出水口前有一隔網，隔離過濾介質，防止管道或抽水泵的堵塞。

③缺點和不足

過濾器正常工作要求到達一定的水位（淹沒進水口），工作時，需要配備具有一定自吸能力的抽水泵。

4節水裝置的運作

本裝置的運作流程，見圖4所示。

系統設置為四個模塊： ①污水選擇處理模塊；②抽水機動作控制模塊；③紫外線裝置控制模塊；④干凈水補給控制模塊。

通過實驗預設定：①水位傳感器Y1的最大值為V1、最小值為Vm1 ；②水位傳感器Y3的最大值為V2、最小值為Vm2、其中任意值為VH2 ；③水體渾濁度檢測的臨界值為H；④水流量計L2的最小值為L。

演示模型的運作如下：

①污水控制：水位傳感器Y1實時監測到水壓到達預設值時，電磁閥門F1加電開啟一段時間，以保證實時渾濁度檢測裝置內部的被檢測的水是新注入的水，保證檢測的準確性；完成放水動作后，關閉F1，加電運行檢測裝置H1監測水質情況，若檢測通過，則加電開啟F2、L1，此時H1檢測裝置進行實時監測，一旦監測到水質改變為不通過，立即關閉F2、L1和開啟F1；若L1中監測不到數據，則說明水流已消失，此時可關閉閥門和流量計，并對流量計的數據清零，恢復Y2待機狀態。

②抽水機控制：實時監測水位傳感器Y3的數據，若所測數據低于設定值VH2且Y2所測得數據未低于設定值Vm1，則加電開啟抽水機B1和流量計L2，若Y 2所測的數據大于V1且Y3所測得數據未小于VH2，則加電開啟B1和L2，若Y3所測得數據低于Vm2且Y2所測得數據大于Vm1，則加電開啟B1和L1。

③紫外線控制；若抽水機B1處于開啟狀態且流量計L2所測得數據大于或等于設定值L，則開啟紫外線裝置X1，X1的開啟時間由L2的實時所測數據換算而得。

④干凈水補給控制：若水位傳感器Y3所測的數據低于設定值Vm2，則加電開啟電磁閥門F3，檢測B1是否開啟，若B1處于未開啟狀態，則開啟F3至Y3實時所測的數據到達設定值VH2后關閉F3；若B1處于開啟狀態，則開啟F3至Y3實時所測的數據至設定值V2后關閉F3。注：若未特殊說明，則B：抽水泵、F：閥門、Y：壓力傳感器、L：紫外燈。

5 結語

本裝置針對匱乏的水資源，立足于家庭生活本身，提出了一套家庭節水設計方案。針對“節流”這一環節，通過安裝家庭節水系統，收集處理家庭污染程度較低的水，使之多一次循環利用，因此可大幅提高家庭用水的利用率，綜合測算能提升30%以上的利用率，這對城市的可持續發展提供了巨大的水資源保障空間，具有極大的環境價值和經濟價值。

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