基于單片機的多方智能自清式水道疏通儀設計

方誠信，蔣龍云，朱景操，洪佳林

（安徽三聯學院 電子電氣工程學院，安徽 合肥 230601）

0 引言

隨著時代的進步以及科技的發展，人民的生活水平越發提高，城市現代化建設成為現代社會發展的主流趨勢。在城市現代化發展洪流之中，家庭房屋成為其重要組成部分之一。房屋建筑、裝修成為城市化建設的主要內容，房屋排水管道的通暢性是保障城市居民正常生活的重要因素。隨著城市家庭人口的增加及垃圾分類政策的出現，一些餐廚垃圾和生活排泄垃圾極大地影響了家庭水管道的通暢，因此，需要快捷便利的水道疏通方法［1］。

1 家庭常用水道堵塞的原因分析

家庭常用水道主要包括廚房水管道、衛生間水道以及地漏。造成廚房堵塞的主要原因是油垢堵塞或飯菜殘渣造成的堵塞。這種堵塞情況一般是由于管道內壁結垢，管道內壁嚴重結垢造成下水道不通暢。衛生間水道堵塞常見情況即馬桶水道的堵塞，這種情況堵塞一般是由于馬桶下水道較小，當物體較大時由于水流無法將其帶走會產生堵塞。一般情況，地漏堵塞是雜物的長時間積累，且地漏不像馬桶等水道具有強力的水流可以將很多雜物沖走，所以也是比較容易堵塞的水道，如果不好好處理地漏堵塞將會導致室內積水等問題［2］。

2 多方智能家用水道疏通儀的結構分析

在進行了長時間的研究分析后，本文設計的多方智能家用水道疏通儀初步的外觀模型是一個類似于馬桶塞的外觀，同時在頭部做了一個自動控制端，用于控制整個疏通儀本體的活動。

與控制端頭相連接的是一個多功能拉桿。拉桿的上部是一個可進出外殼的長桿，下部呈 “工” 字形，整個 “工” 字形都在外殼內部。在這個 “工” 的四角用皮套包裹，減小與外殼的摩擦力，做到密閉緊貼，防止在拉伸或收縮拉桿時，內部空氣流失。拉桿的底部會有一個開口，在清理需要氣壓解決的堵塞問題時，開口會緊緊閉合，這部分結構也是用于馬桶水道疏通的最為重要的部分。對于細小水管道以及便捷的考慮，在 “工” 字內部安裝一整個細小的鐵絲鉤，其中鉤頭部位是可伸縮的物理模型，一個鉤頭前端由三個鉤子組成。當不處理細小管道，用不上鐵絲的時候，它會收縮在拉桿內部，同時拉桿的底部開口也會閉合；當需要用到鐵絲時，則開口便會打開，防止造成氣壓差。為了防止鐵絲長時間使用后出現問題，本研究使用不銹鋼絲作為原材料。上述為整個疏通儀的中部結構，在外部會用塑料外殼來包裝這些結構。一方面，塑料較輕方便拿放，另一方面，塑料容易清洗且不會因為長時間泡在水中產生問題。

疏通儀的下面部分也是全體唯一的可拆卸的部分，采用與馬桶塞極為相似的模型，一個圓拱形的塑膠，其上端有一個卡口可與疏通儀的外殼卡在一起牢牢卡死，防止在使用的時候脫落。橡膠型的材料做成可以使下端隨意彎曲成各種模樣，這有利于上端的氣壓結構與橡膠頭配合，可以很輕易利用氣壓差將堵塞物吸出從而疏通管道。可拆卸的設計也是為了不影響其疏通別的管道，拆卸下來的橡膠頭可自行清洗放在清潔樁內。

疏通儀設計了一個清潔樁，清潔樁是由一個大約3 L的水槽以及紫外線裝置組成。在使用完疏通儀之后不需要自行清洗，直接將疏通儀插入清潔樁，清潔樁則會自動情洗。清洗完成之后，只需要將清潔樁的水槽更換清水，洗完的廢水會自行流出，同時可按動清潔證上的按鈕進行紫外線照射消毒。

3 多方智能家用水道疏通儀的控制

同電動牙刷的內部控制方法以及流程類似，多方智能家用水道疏通儀的控制端頭控制疏通儀的拉桿內部活塞上下運動。碗狀橡膠頭口朝下抵住下水管道口，用力向下推壓能使空氣被強行推入管道，在橡膠頭被壓平時迅速往回拔起，造成真空狀態，使下水管道中的堵塞物松動或分散開。多方智能家用水道疏通儀的智能控制端是用來控制驅動內部拉桿的 “工” 字形活塞上下運動，產生氣壓差來疏通管道。 “工” 字活塞上裝有電機轉動裝置，上端控制頭安裝單片機控制電路，利用單片機來控制電機的轉速從而控制 “工” 字活塞的轉速，使活塞能夠高速轉動，一方面節省了人力，另一方面可以更好地疏通水道［4］。

3.1 控制電路的設計

控制電路采用的是基于51單片機的PWM調速系統，主要是由硬件和軟件兩大部分組成。硬件部分是前提，是整個系統執行的基礎，主要為軟件提供程序運行的平臺。硬件電路主要包括：核心元件單片機、時鐘電路、輸入電路、復位電路、驅動電路幾部分。輸入電路為按鍵電路，通過按鍵電路輸入不同的速度基準值控制速度的變化。根據PWM調速的基本原理，以直流電機電樞上電壓的占空比來改變平均電壓的大小，控制電動機的轉速，實現對直流電動機的平滑調速。軟件部分是對硬件端口所體現的信號，加以采集、分析、處理，最終實現對電機轉速的有效控制。

3.2 控制思路

直流電機的電流、轉速、電壓之間的關系如下面式(1）所示：

其中：n為直流電動機的轉速；U為電機端電壓；ΔUs為電刷壓降；Ia為電樞電流；Ra為電機電樞繞組電阻；Ce為電機常數；Φ為電機氣隙主磁通。

通過上面式子可以看出，想要改變直流電機轉速n的值，實現對直流電機的速度調節主要可以通過以下方式：(1）調節電機端電壓U的大小、改變電機電樞繞組電阻阻值Ra以及改變電機主磁通Φ的大小。調節直流電動機的端電壓主要是在允許的電壓范圍內降低電機的電樞電壓，使電機的額定轉速下降，這種方法本質上屬于恒轉矩調速。(2）改變直流電機主磁通調速的方法是利用降低磁通Φ的值進行速度調節的方法。這種方法本質上屬于弱磁恒功率調速，根據式(1），當主磁通Φ的值降低時，能使電機在額定轉速范圍內上調。這類調速的優點是所需直流電源容量較小，但缺點是響應速度比較慢。(3）改變電機電樞繞組電阻則是在電機電樞回路上串聯一個電阻，從而實現直流電機調速。這種調速方法實現簡單，但因為外加電阻會使得調速電阻也會消耗大量電能。目前，在直流電機智能調速系統中，多數采用第一種調速方式，本文亦采用此方法實現直流電機的速度控制。

當負載保持一定時，直流電機的轉速與所施加的電壓成正比，而直流電機調速的最常見方法是施加一個PWM(脈寬調制）方波，其占空比對應于所需速度。電機起到一個低通濾波器作用，將PWM信號轉換為有效直流電平［5］。

PWM又稱為 “開關驅動裝置” ，是通過控制固定電壓的直流電源開關頻率，從而改變負載兩端的電壓，進而達到控制要求的一種電壓調整方法。在PWM驅動控制的調整系統中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并根據需要改變一個周期內 “接通” 和 “斷開” 時間的長短。通過改變直流電機電樞上電壓的 “占空比” 來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉速。

3.3 單片機控制電路的實現

本文是利用單片機來實現對PWM信號的控制。51系列典型產品89C51具有兩個定時器TO和T1，通過設定定時器初值和工作方式，可以實現89C5Il的任意輸出口輸出不同占空比的脈沖波形。由于PWM信號實現的核心是單片機內部的定時器，而不同單片機的定時器具有不同的特點，即使是同一臺單片機由于選用的晶振不同，選擇的定時器工作方式不同，其定時器的定時初值與定時時間的關系也不同。因此，必須明確定時器的定時初值與定時時間的關系。這樣可以通過設定不同的定時初值，改變占空比，進而達到控制電機轉速的目的［6］。

4 結語

在家庭生活中，排水管道的順暢程度直接關系著居民的正常生活，如果家中出現了排水管道堵塞，不僅會影響自身的日常生活，還可能會對整個小區的排水系統產生影響。本文針對下水道經常出現的情況進行調研，并設計一款智能的多方自清式水道疏通儀，利用單片機及PWM調速原理實現對活塞的上下控制，達到智能清潔的目的。