洗手液與水混合霧化洗手的節(jié)水控制方法

楊明杰 彭京京 林舒穎

摘要：高效的節(jié)水控制，是緩解水資源壓力的重要措施，而日常洗手是節(jié)約水資源不可忽視的重要環(huán)節(jié)，有必要采用節(jié)水控制技術(shù)，提高水的利用率，減少水資源浪費。為此，提出了一種使用洗手液與水的混合液進行霧化洗手的節(jié)水控制方法，由微控制器檢測紅外感應(yīng)和觸摸感應(yīng)傳感器的信號，進而控制霧化水龍頭分別工作在使用洗手液與水的混合液進行霧化的清潔模式，或是切換到清水霧化的沖洗模式。由于采用了高速霧化的出水方式，不僅做到全方位、快速地清潔手掌，而且節(jié)約了水資源，因而提高了用水效率。遵照科學(xué)洗手七步法進行的節(jié)水效果測試表明：相較普通水龍頭，采用的霧化節(jié)水控制方法可以達(dá)到90.7%的節(jié)水率，節(jié)省洗手液40%，縮短12.5%的洗手時間，自動化程度高，具有良好的用戶體驗。

關(guān)鍵詞：洗手;節(jié)水;霧化;控制

中圖分類號：TP29文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1009-9492（2021）11-0223-04

A Water Saving Control Method for Hand Washing Using Atomized Mixtures of Sanitizer and Water

Yang Mingjie，Peng Jingjing ，Lin Shuying

（Minnan University of Science and Technology， Quanzhou， Fujian 362700， China）

Abstract： Efficient water-saving control is an important measure to alleviate the pressure of water resources. Daily hand washing is animportant part of saving water resources， so it is necessary to use water-saving control technology to improve the utilization rate of water andreduce the waste of water resources. For this reason， a water-saving control method for hand washing using atomized mixtures of hand sanitizerand water was proposed. The micro-controller detected the signals of infrared sensor and touch sensor， and then controlled the atomizationfaucet to work in the cleaning mode using atomized mixtures of hand sanitizer and water， or switched to the washing mode using atomized water.Due to the use of high-speed atomization effluent way， not only to achieve all-round， fast cleaning， but also save water resources， thusimproving the efficiency of water use. According to the seven step method of scientific hand washing， the water-saving effect test shows that theatomization water-saving control method compared with ordinary faucets can achieve 90.7% water-saving rate， save 40% hand sanitizer，shorten 12.5% hand washing time， obtain high degree of automation， and has a good user experience.

Key words： hand washing; water saving; atomization; controlling

0 引言

糧食安全、人類健康、城鄉(xiāng)住宅、能源生產(chǎn)、工業(yè)發(fā)展、經(jīng)濟增長和生態(tài)系統(tǒng)，都依賴于水，特別是淡水資源。全球用水量在過去100年里增長了6倍，并繼續(xù)以每年約1%的速度增長。2019年8月6日，美國世界資源研究所發(fā)布警告稱，目前全球有四分之一的人口面臨危險的水資源短缺情況，到2025年將有多達(dá)35億人面臨缺水。2020年8月，聯(lián)合國教科文組織（UNESCO）發(fā)表的《基于水資源與氣候變化的2020年全球水資源發(fā)展報告》提到，當(dāng)前氣候變化越演越烈，加重了全球水資源危機，尤其影響一些發(fā)展中國家。我國面臨的水資源壓力屬于中高水平，近年來，節(jié)約用水，已成為水資源管理工作的重點。《國務(wù)院關(guān)于實行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見》，明確要求從三個方面對水資源進行更嚴(yán)格的管理，即“三條紅線”，其中一條是加強用水效率控制[1-2]。

日常洗手是每個人生活中的重要衛(wèi)生習(xí)慣，如何在洗手時節(jié)約用水，提高用水效率，是節(jié)約水資源不可忽視的重要環(huán)節(jié)[3]。為此，在公共衛(wèi)生間大多醒目地貼著節(jié)約用水的標(biāo)語，以此提倡全民節(jié)約用水，及時關(guān)閉水龍頭。然而，單靠個人的自覺行為還不夠，有必要采用節(jié)水控制技術(shù)，提供可靠保障。目前，大多采用紅外感應(yīng)水龍頭，在紅外傳感器感應(yīng)到手掌靠近水龍頭時，驅(qū)動電磁閥出水，手掌離開水龍頭時關(guān)水，解決了及時關(guān)閉水龍頭避免水資源浪費的問題[4]，但在提高用水效率上沒有明顯作用;另一種是感應(yīng)水龍頭加節(jié)流閥的方法，使出水量變小實現(xiàn)節(jié)水，一定程度上提高了水的利用率，但是，為了確保清洗干凈，在小水量的情況下需要等待更長的時間，給用戶洗手產(chǎn)生不好的體驗[4-6]。

為此，本文提出了一種洗手液與水混合霧化洗手的節(jié)水控制方法，利用高速霧化的出水方式，不僅能全方位、快速地清潔手掌，而且最大程度節(jié)約用水，提高用水效率。此外，采用微控制器，并結(jié)合紅外感應(yīng)傳感器和觸摸感應(yīng)傳感器識別用戶的意圖，控制霧化水龍頭分別工作在洗手液與水混合霧化的清潔模式，或者快速切換到清水霧化的沖洗模式。使洗手過程更加人性化、自動化，不僅保證了洗手的潔凈效果，最大程度提高了用水效率，同時也高效地使用了洗手液。

1 控制器結(jié)構(gòu)和節(jié)水控制原理

在水龍頭的基座上，嵌有洗手液與水混合霧化洗手的節(jié)水控制器，結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括：裝在水龍頭出水口的霧化噴頭[8-12];由紅外發(fā)射和紅外接收構(gòu)成的手掌靠近紅外感應(yīng)器;與水龍頭金屬部分相連接的電容式觸摸感應(yīng)器;基于文丘里管原理用于將自來水和洗手 Fig.1 Structure of water saving controller液混合的水射器[13];用于啟閉自來水水路的電磁閥;用于抽取洗手液的吸泵;用于采集紅外感應(yīng)器和觸摸感應(yīng)器的信號并驅(qū)動電磁閥和吸泵工作的 PIC 單片機控制板;此外，還有供電電源線和裝有洗手液的容器。

節(jié)水控制原理如圖2所示。當(dāng)手掌靠近水龍頭時，發(fā)射的紅外光被部分反射到紅外接收器，轉(zhuǎn)換成的電壓波動信號經(jīng)過信號調(diào)理電路進行放大和整形，由 PIC單片機的輸入引腳讀取，作為手掌靠近的紅外感應(yīng)信號。此外，當(dāng)手掌觸摸到水龍頭的金屬部分，則與之連接的電容式觸摸感應(yīng)電路將產(chǎn)生高電平送給 PIC 單片機識別，作為需要使用洗手液的清潔模式的指令，否則默認(rèn)處于清水沖洗模式。在清潔模式下，PIC單片機通過兩路驅(qū)動電路，分別控制電磁閥開通自來水，吸泵運行抽取洗手液，利用自來水的自身壓力，在水射器的混合作用下，將洗手液與水混合后從霧化噴頭噴出對手掌清潔去污一定時間后關(guān)閉。在沖洗模式下，PIC單片機只驅(qū)動電磁閥開通自來水，通過霧化噴頭噴出水霧對手掌沖洗一定時間后關(guān)閉。此外，由低壓隔離電源為節(jié)水控制器供電。

2 電路設(shè)計原理

由紅外發(fā)射和紅外接收構(gòu)成的手掌靠近紅外感應(yīng)電路和信號調(diào)理電路如圖3所示。電阻 R1與紅外發(fā)射管 IR 串聯(lián)，發(fā)射恒定的紅外光;電阻 R2與紅外接收管 PT 串聯(lián)，構(gòu)成紅外接收與光電轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)過濾波電容 C2和交流耦合電容 C1，得到反映手掌靠近引起的紅外光反射脈動信號，再經(jīng)過由 R3、R4、T1組成的放大電路放大信號幅度，最后再通過交流耦合電容 C3得到供 PIC單片機的輸入引腳能夠識別的紅外感應(yīng)脈動信號[14]。

由單通道微功耗觸控專用芯片 TTP223-BA6和感應(yīng)電極構(gòu)成的電容式觸摸感應(yīng)電路如圖4所示。TOG 引腳和 AHLB 引腳都直接接地，使觸控芯片工作在高電平有效的直接模式，當(dāng)引腳 IN 檢測到感應(yīng)電極有感應(yīng)信號時， CMOS推挽輸出的引腳 Q將輸出一個高電平脈沖信號，供 PIC單片機的輸入引腳識別。

PIC單片機外部接口電路如圖5所示。PIC單片機實時掃描并正確識別來自圖3的紅外感應(yīng)信號和來自圖4的觸摸感應(yīng)信號;通過Out_Valve引腳，經(jīng)由 R5和三極管 T2構(gòu)成的驅(qū)動電路控制水龍頭電磁閥開啟;通過Out_Pump引腳，經(jīng)由 R6和三極管T3構(gòu)成的驅(qū)動電路控制洗手液吸泵抽取洗手液。

3PIC單片機的軟件設(shè)計流程

對手掌靠近紅外感應(yīng)信號和觸摸感應(yīng)信號進行實驗測試，分析各種工作模式下水龍頭電磁閥和洗手液吸泵的啟停控制，可以得到工作模式真值表，如表1所示。紅外感應(yīng)信號 S_IR 等于0表示 PIC單片機沒有檢測到紅外感應(yīng)信號，等于1表示檢測到有效的紅外感應(yīng)信號，說明此時有手掌靠近水龍頭;觸摸感應(yīng)信號 S_CAP等于0表示 PIC單片機沒有收到觸摸感應(yīng)信號，等于1表示檢測到有效的觸摸感應(yīng)信號，說明此時有手掌觸摸了水龍頭金屬部分;水龍頭電磁閥工作狀態(tài) valve等于0表示電磁閥關(guān)閉，等于1表示電磁閥開啟;洗手液吸泵工作狀態(tài) pump等于0表示吸泵停止，等于1表示吸泵啟動。由此可以得到，當(dāng) S_IR=1，且 S_CAP=0時，說明有手掌靠近水龍頭，但沒有觸摸水龍頭金屬部分，此時處于沖洗模式，輸出控制狀態(tài)為 valve=1，電磁閥開啟，且 pump=0，吸泵停止，即自來水霧化噴出沖洗手掌;當(dāng) S_IR=1，且 S_CAP=1時，說明有手掌靠近水龍頭，且觸摸了水龍頭金屬部分，此時處于清潔模式，輸出控制狀態(tài) valve=1，電磁閥開啟，且 pump=1，吸泵啟動，即洗手液與水混合霧化噴出對手掌清潔去污。

根據(jù)工作模式真值表，編寫 PIC單片機的 C語言程序，實現(xiàn)對感應(yīng)信號的識別和對執(zhí)行機構(gòu)的控制，程序設(shè)計流程如圖6所示。程序開始執(zhí)行時，先初始化 PIC 單片機的紅外接收引腳和觸摸感應(yīng)引腳為輸入功能、水龍頭電磁閥和洗手液吸泵控制信號為輸出引腳，且初始化為關(guān)閉和停止?fàn)顟B(tài);此后，開始讀取并判別紅外感應(yīng)脈沖信號，如果信號 S_IR=1有效，說明此時有手掌靠近水龍頭，則進一步檢測 S_CAP 信號，否則進入關(guān)閉模式，關(guān)閉電磁閥和吸泵，并重新檢測;在 S_IR=1有效的情況下，若進一步檢測到 S_CAP=1有效，說明此時有手掌觸摸水龍頭金屬部分，則進入清潔模式，開啟電磁閥和吸泵，否則進入沖洗模式，開啟電磁閥而關(guān)閉吸泵;此外，在清洗模式和沖洗模式時，均設(shè)置延時，保持工作時間為5 s。

4 節(jié)水效果測試

為了檢驗提出的洗手液與水混合霧化洗手的節(jié)水控制效果，參照科學(xué)七步洗手法[15]，“內(nèi)、外、夾、弓、大、立、腕”的洗手步驟，分別在普通水龍頭和霧化節(jié)水控制器兩種條件下洗手，記錄洗手液的用量，耗水量、洗手時間。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑給水排水設(shè)計規(guī)范》 GB50015-2003的規(guī)定[16]，所處的額定管路壓力為0.3 MPa ，選用洗臉盆龍頭的額定流量為0.15 L/s ，選用霧化噴頭的額定流量約為0.014 L/s，

用普通水龍頭洗手時，先在水龍頭下把手腕、手掌、手指充分淋濕5 s ，然后雙手抹上洗手液5 s ，搓洗雙手的手心、手背、手指、指尖、指甲和手腕20 s ，其次在水龍頭下將雙手徹底沖洗干凈，大約10 s 。相比之下，用霧化節(jié)水控制洗手時，手掌先觸摸水龍頭金屬部分，此時，霧化噴頭將洗手液與水的混合液噴淋在手腕、手掌、手指5 s ，然后同樣全面搓洗雙手20 s ，最后手掌靠近紅外感應(yīng)器，霧化噴頭噴出清水將雙手徹底沖洗干凈，大約10 s 。普通水龍頭和霧化節(jié)水控制效果對比如表2所示。

按照科學(xué)的洗手步驟，采用霧化節(jié)水控制方法，耗水量約是使用普通水龍頭的9.3%，節(jié)水率達(dá)到90.7%，洗手液節(jié)省了40%，并且縮短了12.5%的洗手時間。

5 結(jié)束語

上述節(jié)水效果測試表明：遵照相同的科學(xué)洗手七步法，且達(dá)到相同洗手效果的前提下，采用洗手液與水混合霧化洗手的節(jié)水控制器洗手，與使用普通水龍頭相比，可以達(dá)到90.7%的節(jié)水率，同時可以節(jié)省洗手液40%。該節(jié)水控制器通過紅外感應(yīng)傳感器和觸摸感應(yīng)傳感器識別洗手意圖，控制霧化水龍頭分別工作在洗手液與水混合霧化的清潔模式，或是快速切換到清水霧化的沖洗模式。不僅使洗手過程更加人性化、自動化，而且能全方位、快速地清潔手掌，保證了洗手的潔凈效果;既最大程度節(jié)約了用水，提高了用水效率，又能夠節(jié)省洗手液。

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第一作者簡介：楊明杰（1983-），男，福建晉江人，碩士，講師，研究領(lǐng)域為自動化控制技術(shù)。（編輯：王智圣）