低功耗水管漏水自動報警與關斷系統的設計

張銳佳

摘 要：我國是缺水國家，水資源十分寶貴。而日常生活中，水管漏水，以及由于人為的疏忽、設備故障等原因，水管閥門沒有及時關閉，導致水資源浪費的情況時有發生。為避免水資源的大量浪費，筆者利用單片機控制技術，設計了“低功耗水管漏水自動報警與關斷系統”。本系統能自動檢測抽水馬桶、洗水盆等水網閥門是否長時間未關斷，并進行聲音、燈光報警，提醒人員處理。若長時間無人處理，可以通過電磁閥自動切斷進水，避免造成水資源的大量浪費。

關鍵詞：漏水；閥門未關斷；聲光報警；自動關斷；水資源浪費；環保

中圖分類號：TU761.1 文獻標志碼：A 文章編號：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 應用背景

在國際上，地球表面70%是水，但人類可以利用的淡水資源只占其中的1%。在無錫舉行的全球人居環境論壇上，來自國際水協會、聯合國環境署的專家和相關企業代表一同發出警告：水危機，將成為人類本世紀面臨的最大挑戰之一。在國內，我國是缺水國家，人均淡水資源占有率僅有2300立方米，僅為世界平均水平的四分之一，是全球13個人均水資源最貧乏的國家之一。全國城市缺水總量為60億立方米。全國六百多座城市中，已有四百多個城市存在供水不足問題，其中嚴重的缺水城市達110個。因此，國家十分重視水資源的保護和循環利用，鼓勵發展循環經濟、支持可持續發展、重視綠色環保產業發展。黨的十八大把生態文明建設放在更加突出的位置，納入中國特色社會主義事業五位一體的總體布局。這些都涉及到節約水資源、加大利用程度的訴求。不管是在全世界范圍，還是國內，水資源都是十分寶貴的。但即使如此，在日常生活中，水管漏水，以及由于人為的疏忽、設備故障等原因，水管閥門沒有及時關閉，導致水資源浪費的情況時有發生：（1）衛生間自動沖水裝置因為機械故障（浮球卡住等原因），進水閥門不能自動關閉，導致生活用水白白浪費！（2）擰開水龍頭裝水，有事走開后一直忘記關水（特別是老人家），水滿后溢出浪費！（3）停水前擰開水龍頭，來水前沒有關閉，導致水漫金山！

2 設計方案

2.1 功能設計

鑒于以上原因，為避免水資源的大量浪費，筆者利用所學的單片機技術，設計了“低功耗水管漏水自動報警與關斷系統”，實現以下的功能：（1）當水管漏水或者閥門因為故障、人為等原因沒有及時關閉時，系統檢測到長時間的水流流動，自動通過LED閃爍與聲音報警，提醒人員及時查看，關斷閥門。（2）人員收到裝置的聲光報警后，手動關閉水閥，報警自動解除。（3）如長時間未有人處理報警，系統將接通12V安全電壓控制的電磁閥，自動關斷水，并持續間斷報警。此后人員跟進處理，手動關閉水閥后，須按下系統“恢復”鍵，電磁閥斷開，恢復正常供水。

2.2 結構設計

系統總體結構如圖1所示。根據設計功能，筆者在生活中原有的閥門/進水管（圖1中虛線框所示）的基礎上，拓展增加本系統硬件（圖1中實線框部分），以實現總體功能。

2.3 主要元件簡介

（1）水流發電機。系統采用微型水流發電機接入水網網路中，檢測水流大小。水流發電機輸出交流電壓0.1～10V，電流10～300mA，額定轉速3000轉。發電機是低速無阻型，效率高速98%。水流發電機輸出為交流電壓，需經過二極管整流、電容濾波后轉換為較平滑的直流電后再輸出給單片機進行水流大小與持續時間的檢測。

（2）常開電磁閥。在長時間無人切斷水流的情況，系統通過電磁閥自動切斷水流。為良好兼容家庭水網，保證用水安全，電磁閥參數選擇如下：

控制形式：常開電磁閥。通電關閉，切斷進水；不通電（包括停電等）一直開著，確保水路正常運行。

螺紋口徑：2W-15K 4分，DN15。兼容家庭水網。

流量口徑：16mm。兼容家庭水網。

耐壓：0-0.8MPA ，0-8KG公斤。適用于住宅供水（國家規定住宅的供水壓力不得超過0.35MPa）。

流體溫度：-10℃-100℃。適合住宅供水。

密封材質：NBR橡膠，具有良好的耐低溫性能，耐化學穩定性好，有良好的耐水性、氣密性，適用于水路密封，安全環保。

控制電源：DC12V，18W。采用DC12V安全電壓，確保用水安全。

安裝方式：閥體上面有指示水流方向，反過來裝不能使用，出水口水會倒流也會導致不能使用。

接線方式：接線盒拆開，把線接進左右二個螺絲孔。

（3）DC12V電源。考慮用水場所潮濕的環境等因素，電磁閥供電電源采用防水殼包裝，參數為DC12V，3A。本電源為普通型開關電源，保護性能好，穩定性優越，帶負載能力好，帶輸入、輸出過壓保護、短路保護，以確保用電安全。

（4）控制電路。本系統處理器采用STC12C5202AD單片機是宏晶科技生產的單時鐘/機器周期（1T）的單片機，是高速/高可靠/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機。采用16腳封裝，體積小巧，且具有6路高精度ADC，能滿足本系統的對水流大小進行檢測的要求。內部集成高精度R/C時鐘，5MHz～35MHz寬范圍可設置，可徹底省掉外部昂貴的晶振，進一步簡化了電路設計，符合系統體積小巧，具有ADC檢測、安全可靠等控制要求。STC12C5202AD單片機支持掉電喚醒，可通過程序設計使單片機長時間工作睡眠模式，定時間歇工作，進一步降低電路功耗，節能環保。

當單片機檢測到水流長時間未關斷時，啟動蜂鳴器與LED斷續聲光報警，提醒人員進行處理。當長時間無人處理報警時，單片機通過繼電器啟動電磁閥電源，使常開電磁閥通電，切斷水流。電路設計上，為確保可靠關斷，提高系統穩定性，對繼電器線圈并接續流二極管進行保護。本系統采用水流發電機監測水流大小與持續時間。由于水流發電機輸出為交流電壓，故水流發電機輸出需經過二極管整流、電容濾波后轉換為較平滑的直流電后再輸出給單片機的進行AD轉換，以實現水流大小與持續時間的檢測。本系統采用的STC12C系列單片機ADC支持中斷方式響應。但考慮到AD轉換的時間并不長，而水流流動時間可能會持續存在，沒有必要長時間進行ADC中斷，以免造成單片機資源的浪費，導致單片機功耗增加，電池壽命降低。故程序設計上，本系統采用查詢方式進行水流大小的ADC檢測。單片機大部分時間處于休眠狀態，定時喚醒，并在喚醒的短時間內采用查詢方式進行ADC采樣。對采樣到數據采用平均值濾波的形式，降低水流波動的干擾，提高水流檢測的可靠性。

3 系統制作

經過硬件制作與軟件編程及結構組裝，最終制作完成本系統。經過試驗，能達到各項預期設計功能。可方便地安裝在抽水馬桶進水管處、洗手盆水龍頭與凈水器進水管處等生活常見的進水管與角閥處。

4 系統亮點

（1）實用性：生活中水管出現漏水、閥門因機械故障或人為等原因沒有及時關斷情況時有發生，本系統能避免由此引起的水資源浪費與財產損失。（2）安裝方便：適合家庭20mm水管，無須改動墻內水管管道。其中12V電源與單片機控制電路大小約為普通香煙盒大小，占地小。整套設備，可方便地安裝在抽水馬桶、洗水盆、飲水機進水管與角閥的連接處。（3）成本低：制作成本約為67元。若無需電磁閥自動關斷功能，則成本僅需17元。（4）功耗低：系統采用一節3節5號干電池供電，單片機大部分時間處在休眠狀態，總體功耗極低。更換一次電池，可以使用一年時間。（5）安全：檢測與報警部分采用3節5號干電池供電，而電磁閥采用直流12V電壓供電，均為安全電壓范圍，確保用水安全。且12V電源本身帶負載能力好，帶輸入、輸出過壓保護、短路保護，穩定性優越，以進一步確保用電安全。

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