高校學生公寓自動節水控制裝置

孫志揚　何慶　柴華偉　徐國祥　陳月亮

摘 要：本裝置通過管道連接頂層與各樓層的用水單元，輔以微電子技術，實現廢水與雨水收集、存儲，再用于樓層衛生間等需大量用水的場合，從而實現廢水再利用及節水的目標。裝置使用管道將廢水（或雨水）按樓層高低自上往下逐層傳遞，達到對廢水（或雨水）資源的最大化利用；使用單片機控制實現對管道通與斷的自動化管理，通過傳感器信號的檢測與傳遞讓管道上的電磁閥在需要時自動打開，對衛生間進行供水或補水操作。

關鍵詞：廢水利用；管道；單片機

中圖分類號：X703.1 文獻標識碼：A 文章編號：2095-7394（2017）02-0024-04

水是生命之源，在全國約670個城市中，一半以上存在著不同程度的缺水現象。在大學校園中，每天都有大量的用水需求，不少水資源被使用后白白的流掉，造成了用水浪費。

南方多降雨，高校校園面積較大，如果能夠將雨水等水資源集中起來，處理后將其再使用（如用于沖刷衛生間等），就能實現綠色環保的目的。在國外已經有不少地區開始進行廢水回收與再利用，而在我國一些大城市也已經開始嘗試。

因此，從廢水（或雨水）收集、再利用兩個方面進行考慮，高校學生公寓自動節水控制裝置將能夠較好彌補水源利用方面存在的缺陷。

1 廢水再利用裝置簡介

本裝置由管道系統與電子設備組成。[1-2]管道系統由廢水（雨水）收集管道、溢水管道、自來水補水管道、用水管道、儲水箱組成，廢水或雨水通過廢水（雨水）收集管道，經過濾裝置流到儲水箱，用水管道在儲水箱底部，在需要時儲水箱中的水可以供給相應的用水單元使用；如果水量不足，可以通過自來水補水管道實現補水。溢水管道在水箱上部，如果雨水水量過大，可以通過溢水管道外流。電子設備由單片機，傳感器，電磁閥組成。在儲水箱中安有液位傳感器，用來檢測水箱中水位，判斷是否需要補水；在用水單元上裝有傳感器用來檢測是否有人正在使用衛生間，通過單片機控制對應的電磁閥通與斷，從而判斷是否需要用水。[3]

2 設計特點及裝置功能

2.1 設計特點

（1）補水方式多樣化。對儲水箱補水，本設計采用的補水方式是依靠廢水來實現補水功能；此外還有雨水補水、自來水補水等多種方式，保證在節約用水的同時不會因為儲水箱的水量不足而出現斷水的情況。

（2）功能控制自動化。通過單片機、傳感器等，當傳感器采集到水量不滿的信號時，則會自動補水；采集到有人在使用衛生的信號時，則會自動供水。

（3）機電一體化。高校學生公寓自動節水控制裝置通過使用單片機與傳感器等來達到用水信息或信號時，控制自來水補水管道與用水管道的通與斷，實現管道與電子信號的有機控制。

2.2 裝置功能

（1）水源收集功能。在裝置過程之中，可以通過廢水收集管道，雨水收集管道對生活中易被忽略的水資源進行收集。

（2）自動補水功能。為了防止廢水（或雨水）儲水總量不夠，在裝置中安置了傳感器與自來水補水管道，當在需要用水時檢測到儲水箱中水量不足時，將會打開自來水補水管道的電磁閥進行自動補水。

（3）自動放水功能。為了方便用水場合的管理，提升清潔度，本裝置中安裝了紅外傳感器與電磁閥，當檢測到有人使用完衛生間需要放水沖刷時，電磁閥將會自動開啟，自動放水。

3 裝置系統方案設計

3.1 收集裝置

在樓層的偏上部，設管道將雨水、盥洗室廢水等直接通入裝置頂部，如圖1中的通道2， 通道3。將該裝置安置在樓層室內，通過建立多條管道，引導廢水從原本的地點轉移到此裝置之中，此外，對自然降水也進行收集，如果水流過大，那么將多余的水通過其他渠道進行排出到下一個樓層的裝置之中，如圖1之中的通道8。在匯集于裝置之后，已收集水源通過安裝在裝置下方的管道通路將水流到需要使用這些水源的地方。

3.2 過濾裝置

在如圖1中所示的管道中，裝入過濾裝置1，從而對管道之內的污漬進行排除過濾，確保廢水之中沒有大塊的雜質，提高廢水的使用范圍；同時，也可以防止污漬造成水管的堵塞，產生不必要的麻煩。本設計將過濾裝置安裝于2、3號通道的底部，從而對通過2、3號通道流入本裝置的廢水進行有效的過濾。

3.3 廢水分配裝置

若有大量的廢水（或雨水）進入本裝置內，當廢水（或雨水）溢出，可直接通過溢出管道8流入下樓層裝置內，依次直至最下一層。當最下層水箱滿時，則通過溢出口自動排入下水道。當下雨天雨量過大導致頂層雨水收集管道3無法及時排水時，可以通過安裝在樓層室外的通道13將多余的雨水向外排出，如圖2所示。此裝置內部有連接的自來水管道5，當裝置內的水位下降到一定程度，通過液位傳感器，觸發單片機控制電磁閥7使自來水自動通過進水口進入該裝置進行補水，直到傳感器發出信號則會自動停止補水。集水箱內的水若需要使用，可以打開集水箱下部的電磁閥9，通過管道10使水流到相應地點進行使用。

4 自動控制方案

該裝置通過C語言實現對單片機進行編程控制。在本裝置中使用AT89S51單片機，由于其內部容量對本項目可以足夠，因此不需要再添加擴展程序存儲器。

該類型單片機共有40個引腳，其中的標號為P1、P2、P3、P4口各由8個引腳組成，本裝置選用P1口中的P1^0 引腳、P1^1引腳、 P1^2引腳、 P1^3引腳（單片機芯片缺口向上左側從上至下第1～4號針腳）進行編程使用。通過單片機的P1^0引腳、P1^1引腳作為輸入端，檢測各傳感器傳輸的信號；使用單片機的P1^2引腳、P1^3引腳作為輸出端配合中間繼電器控制各電磁閥進行工作，單片機的連接方式如圖3所示。

單片機所用電源接5V直流電源。單片機時鐘電路引腳XTAL1與XTAL2與頻率為11.0592MHz的晶振連接提供脈沖信號，紅外傳感器信號線通過三極管放大信號之后接于P1^0 引腳，液位傳感器信號端接于P1^1引腳，P1^2引腳、P1^3引腳經電阻后與三極管與中間繼電器相連，中間繼電器的得失電控制電磁閥通斷。

在程序編程過程之中，主要使用while語句結構，實現循環檢測，通過程序while（P1^0==1）判斷是否有人在使用樓層衛生間、程序while（P1^2==1）判斷儲水箱是否滿水。當P1^0==1，經過短暫延時排除誤碰傳感器等情況之后，若仍然為P1^0==1，則判斷為有人在使用樓層衛生間，程序進入水箱水位檢測環節之后開始等待，當變為P1^0==0，即電壓出現下降則表明有人在使用衛生間，那么輸出P1^3=1：當P1^3口處于高電平時，繼電器KA2驅動電磁閥打開，開始進行用水沖洗工作，當P1^2==1即水箱水不滿時，則控制相應輸出P1^2=1：當 P1^2口處于高電平，繼電器KA1得電驅動電磁閥打開，開始進行自來水對水箱的補水工作；當P1^2==0即水箱已經滿水，則控制相應輸出P1^2=1使繼電器KA1失電，驅動電磁閥閉合斷水，單個周期控制順序如圖4所示。

5 結語

高校學生公寓自動節水控制裝置采用了管道與控制系統相結合的方式，通過機械裝置，實現廢水（或雨水）的過濾、收集、再分配給各樓層用水單元再利用；通過電子控制裝置，經電磁閥的通與斷來實現水箱的自動補水功能，自動為用水場合提供再生水源等功能，從而達到了對廢水（或雨水）進行自動分配及再使用的目的。通過此裝置，可有效緩解高校學生公寓中水資源浪費嚴重的現象，并能提升高校衛生間等用水場合的清潔度。

參考文獻：

[1] 張迎新，王盛軍，何立民，等.單片機初級教程——單片機基礎[M].北京：北京航空航天大學出版社，2015.

[2] 李廣弟，朱月秀，冷祖祁.單片機基礎 [M].3版.北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[3] 李亞峰，班福忱，蔣白懿.高層建筑給水排水工程 [M].2版.北京：化學工業出版社，2016.

Automatic Water Saving Control Device for University Student Apartment

SUN Zhi-yang，HE Qing，CHAI Hua-wei，XU Guo-xiang，CHEN Yue-liang

（School of Mechanical Engineering， Jiangsu University of Technology， Changzhou， 213001，China）

Abstract： The device is connected with the top and water unit of each floor through the pipeline， with microelectronics technology， the wastewater and rainwater are implemented to collection， storage， and require a lot of water for toilet floor occasions， in order to achieve the wastewater reuse and water saving target. The wastewater （or rainwater） is transferred according to floor level from the top down layer by layer by the pipeline， to maximize use of resources. It is realized that the use of single-chip microcomputer to control the pipeline connection and disconnection， that is automation management. Through the detection of sensor signals the electromagnetic valves on the pipeline are opened automatically when needed. Water is supplied or made up to the toilet

Key words： waste water utilization； pipeline； single chip microcomputer

責任編輯 祁秀春