一種智能化控制的新型公廁節水系統

萬功興 李成 彭亞洲

摘要：針對現有便槽式公廁排水系統存在的用水浪費情況，本研究設計出一種智能化控制的新型公廁節水系統，能夠有效解決現有排水系統在控制方面的問題，科學控制排水時間，節約水資源。該系統采用AT89C51單片機為核心控制器，設計重力感應裝置、排水電路等模塊，通過鍍鋅鐵板直接感應廢物重量，從而調節閥門開放時間決定排水量，從而合理控制排出水量，在確保廢物在被完全沖走的基礎上，還可以在水槽區域實現自動精準排水。

關鍵詞：公廁節水；AT89C51單片機；重力感應；鍍鋅鐵板

公共廁所是現代公用建筑中不可或缺的必備設施，也是城市居民生活中的基礎設施，其衛生情況會直接影響公共環境。在進行保潔工作時，除了人工清理，其余主要靠定時排水沖洗。

目前，許多工廠、學校、醫院、集體宿舍以及各類公共場合的洗手間大多都采用定時沖水的傳統設計。而根據調查數據顯示，在出水管定時排出的水中，傳統的通槽式公廁浪費了約65%的水資源。這說明，為了定時排出水箱中的水，加壓器幾乎需要全天不間斷地運行，耗損水量占整個建筑用水量的80%以上，不僅浪費了我國水資源，還在某種程度上加重了部分地區的水資源緊缺。

為了解決上述技術層面存在的問題，緩解許多地區水資源短缺的現狀，本研究提供了一種智能化控制的新型公廁節水裝置，結構簡單、成本低廉而且節能環保，值得推廣。

一、總體方案設計

針對傳統公廁的水資源大量浪費問題，該系統采用AT89C51單片機作為核心控制器，并通過重力感應裝置、系統電源、繼電器等模塊，借助鍍鋅鐵板直接感應廢物的重量，并在此基礎上利用智能算法，根據不同的時間段進行智能化的修改，從而設定不同的排水量，旨在調節電磁閥的開放時間，對公廁的水槽區域實現自動且精確的智能化排水。系統總圖如圖1所示。

二、系統模塊分析

本文設計的新型公廁節水系統主要包括核心控制裝置、重力感應裝置、電源裝置與繼電器模塊等。

當排泄物與壓力板接觸時，壓力板在壓力作用下向下運動，工作電路箱產生電路電流。AT89C51核心控制器通過控制繼電器模塊，開啟相應的電磁閥，并產生水流，水流將壓力板上的排泄物沖走，最終實現有效沖水。當排泄物被沖走、壓力板感受不到重量時，可以通過支撐彈簧進行復位，使繼電器得以斷開，進而使電磁水閥斷電，聯動閥芯與閥座扣緊，最終水流通道關閉，水箱停止排水，系統等待下一次工作。

本研究提出的控制系統采用智能算法設計，可根據人流量的不同及相應的特點事先設定不同的排水量，借助控制電磁閥的開度，實現精準排水的效果，這不但可以節約水資源，還能自動、精確地沖刷溝槽區域，確保公廁衛生。

（一）系統硬件設計

系統硬件部分主要由AT89C51單片機、壓力傳感器模塊、電源模塊、繼電器模塊等部分組成。

1.AT89C51單片機系統模塊

控制系統的核心處理器為AT89C51單片機，這是一種功耗較低、性能較高的微控制器，具有外圍電路簡單、硬件設計方便、無方向寄存器等優點。

其中，引腳XTAL1和XTAL2分別對應著片內振蕩器的高增益反向放大器的輸入與輸出端，此放大器與作為反饋元件的片外石英晶體可以巧妙構成一個自激振蕩器。它通過連接石英晶體和電容式Cl和C2構成的并聯諧振電路，與放大器的反饋回路連接在一起。此系統選取電容的值為24PF。

其中，此單片機也需要通過復位，使CPU和系統各部分在啟動時處于確定的初始狀態，進而從初始狀態開始工作。本文設計的上電復位電路是通過對24PF的電解電容進行充放電實現的。

2.壓力傳感器模塊

此壓力傳感器包括復位彈簧、壓力應變片、外殼和頂桿等部件。壓力板與水槽的下底板通過復位彈簧得以連接，而殼體位于壓力板與水槽的下底板之間，殼體通過支撐彈簧與水槽的下地板固定連接，壓力應變片與殼體固定連接，頂桿的上端與壓力板的下表面相固定連接，頂桿的下端通過殼體頂部與壓力應變片相接觸。具體裝置如圖2所示。

3.電源模塊的設計

系統電源模塊包括家用電源和蓄電池兩部分。在通電情況下，家庭電源為控制系統提供5V的電源，而變壓器、整流橋、穩壓集成模塊7805產生直流5V電源。其中lm7805為三端穩壓集成電路，該模塊電路通過變壓器將220V的電壓轉換成9V的電壓，再通過整流橋、濾波電路、穩壓電路等電路轉換為直流5V電壓。在斷電的情況下，蓄電池可以代替家用電源進行工作。

4.繼電器模塊的設計

繼電器的電路可決定相應的電磁水閥的開關。工作電路箱由測量及放大電路、整流器、繼電器和定時開關組成。其中，測量和放大電路的信號輸出端與繼電器控制端相連，進而控制繼電器的通斷。而電源經整流器、繼電器、定時開關后依次與電磁線圈相連。測量和放大電路電流將放大，使繼電器閉合，經整流器整流后由家用電源連通電路并產生電流，進而實現定時開關，并將電流傳遞到電磁水閥的電磁線圈內。

（二）智能算法設計

根據實踐經驗以及相關的知識儲備，對新型節水系統進行相應的智能算法設計，具體參數要求如下：

（1）遇到人流量較多的時間段時，系統每3min進行一次沖水。

（2）遇到人流量較少的時間段時，第一，感應質量≥1000g時，定時開關閉合，系統立即沖水；第二，0＜感應質量＜1000g時，如果t＞5min，定時開關閉合，系統立即沖水。

三、模型理論計算

水箱的工作原理為：水經進水管進入水箱，當水位高于h1時，虹吸管左側1處吸水，為保持兩側平衡使得右側管道水位始終與左側保持一致。在2處出水管口設有閥門和加壓器，當底板反饋的數據達到一定數值時，AT89C51核心控制器控制繼電器模塊開啟相應的電磁閥，閥門開啟并對水進行加壓，經過高為h3的水管水沖到底板并以此沖過各個坑位的糞便。具體過程如圖3所示。

圖中涉及到的公式說明如下：

（1）以m表示底板處實時感應到的排泄物的總質量，m1、m2、m3……mn表示各排泄物的質量，t表示所經過的時間，P表示大氣壓強，ρ表示水的密度，h表示為水箱中的水距離底板的高度，Hf表示沿程損失，Hj表示局部損失，λ表示沿程損失系數，ξ表示局部損失系數。

根據伯努利方程（2）、沿程損失公式（3）、局部損失公式（4）聯立，可求得水沖到底板時的速度大小v：

m＝m1+m2+m3+...+mn? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

P+ρv?+ρgh＝常量+Hf+Hj? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

Hf＝λ?（）?（）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

Hj＝ξ?（）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

（2）以X表示坑位的個數，μ表示水和排泄物之間的動摩擦系數。

根據非彈性碰撞公式（5）、動量定理（7）聯立，可求得表示所沖水的質量m0，底板的能量損失Ek損，水與排泄物進行完全非彈性碰撞最終達到的共同速度v1。此處假定設有1個坑位（1號坑位排泄物質量m1），當水流經過1號坑位：

m0v＝（m0+m1）v1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

Ek損＝m0v?－（m0+m1）v1?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

f1t＝m0（v－v1）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （7）

F2=μm1g+f1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （8）

2，3...X號坑位同理。

（3）通過上述兩部分的能量損失之和等于總能量損失（9），可求得水箱中的水的變化深度H：

ρgH=ΣEk損+ΣHf+ΣHj? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （9）

又因為m1、m2、m3……mn都是底板直接在感應到其重量并立即反饋給系統的，所以當m達到設置的數值時，經過上述的一系列過程以及相應的智能算法，水箱就會排出沖掉相應廢物所需的水量。

經計算可得：

當一個坑位存在廢物時，約節約67.2%的排水量；

當兩個坑位存在廢物時，約節約65.2%的排水量；

當三個坑位存在廢物時，約節約63.2%的排水量；以此類推。

四、結語

傳統溝槽式公廁的排水模式，是造成公廁水資源極大浪費的重要原因，也是加劇部分區域水資源短缺的重要因素。因此，如何自動且精準地排出沖掉相應廢物所需的水量，進而直接減少水資源的浪費問題迫在眉睫。

本文通過AT89C51單片機智能地控制電磁閥的閉合，并使得適量的水沖走相應的廢物，最終達到高效排水的效果。此類新型智能的公廁節水系統，適用范圍較廣，可應用于各種公廁環境。在同等的條件下，可節約約60%的排水量。同時，此系統不僅可確保公廁的衛生，還能產生良好的經濟、環境和社會效益。

參考文獻：

[1]唐培峰.揭陽城管：內外結合，加強公廁建設管理[N].廣東建設報，2022-10-17.

[2]孫瑩，王偉.強化公廁管理之責 扮靚城市文明之窗[N].四平日報，2022-09-23.

[3]高澤鵬，宋曉茹，陳超波，等.一種智能節水大棚噴灌控制系統的設計[J].國外電子測量技術，2019，38（09）：79-84.

[4]劉力郡.基于PLC公廁自動節水控制系統的設計[J].寧波職業技術學院學報，2016，20（06）：84-86.

[5]張春梅.干旱高寒地區節水生態廁所系統. 陜西省，定邊縣熱寶鍋爐機械制造有限責任公司，2019-09-17.

[6]鈕清海.推進廁所節水技術革命[N].中國水利報，2018-05-24.

[7]張宇，孫健濱，魏薇.濟南公共用水領域水資源浪費原因分析[J].山東水利，2019（02）：15-16.

[8]胡占陽.中國水資源貧乏與水資源浪費的矛盾分析[J].遼寧工程技術大學學報（社會科學版），2013，15（01）：74-77.

[9]石麗杰.單片機控制系統硬件設計[J].商品與質量，2011

（S5）：208+236.

[10]耿建強.20MHzCMOS工藝低功耗低相位噪聲石英晶體振蕩器設計[D].成都：電子科技大學，2005.

[11]劉德康，劉進，湯莉莉，等.基于單片機的水量監控系統設計[J].科技創新導報，2015，12（07）：53-54.

[12]黃超群，唐軍.基于LIN總線的主節點設計[J].現代機械，2011（04）：40-41.

[13]王瑞琦.基于STC89C51單片機的多功能智能小車設計[J].國外電子測量技術，2017，36（07）：103-106.

[14]田聰，蘇暢.基于51單片機的步進電機控制系統設計與實現[J].電子測試，2017（22）：5-6+19.

[15]錢鴻志，胡天立，陳智，等.一種基于STC80C51單片機的智能硬幣分揀機的設計[J].無線互聯科技，2017（09）：58-59.

[16]王騏，王佳，王青萍，等.一種新型節水自動沖廁裝置的設計[J].電子設計工程，2012，20（09）：141-144.

[17]劉宇琦，張小棟.一種小型高效節水噴灌系統的設計[J].機械與電子，2010（12）：28-31.

[18]蘇紅柱，武豪，孫宇，等.一種眼科組合臺通用電源的設計與研制[J].微型機與應用，2014，33（17）：30-32.

[19]陳康寧.基于PHM的彈用電磁繼電器貯存可靠性試驗及壽命預測方法研究[D].鎮江：江蘇科技大學，2022.

[20]李丹.虹吸管在楊溝水庫中的應用分析[J].陜西水利，2022（12）：163-165.