低功耗水管漏水自動報警與關(guān)斷系統(tǒng)的設(shè)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(shè)備故障等原因，水管閥門沒有及時關(guān)閉，導(dǎo)致水資源浪費(fèi)的情況時有發(fā)生。為避免水資源的大量浪費(fèi)，筆者利用單片機(jī)控制技術(shù)，設(shè)計了“低功耗水管漏水自動報警與關(guān)斷系統(tǒng)”。本系統(tǒng)能自動檢測抽水馬桶、洗水盆等水網(wǎng)閥門是否長時間未關(guān)斷，并進(jìn)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(jìn)水，避免造成水資源的大量浪費(fèi)。

關(guān)鍵詞：漏水；閥門未關(guān)斷；聲光報警；自動關(guān)斷；水資源浪費(fèi)；環(huán)保

中圖分類號：TU761.1 文獻(xiàn)標(biāo)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(yīng)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(huán)境論壇上，來自國際水協(xié)會、聯(lián)合國環(huán)境署的專家和相關(guān)企業(yè)代表一同發(fā)出警告：水危機(jī)，將成為人類本世紀(jì)面臨的最大挑戰(zhàn)之一。在國內(nèi)，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(yán)重的缺水城市達(dá)110個。因此，國家十分重視水資源的保護(hù)和循環(huán)利用，鼓勵發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、支持可持續(xù)發(fā)展、重視綠色環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展。黨的十八大把生態(tài)文明建設(shè)放在更加突出的位置，納入中國特色社會主義事業(yè)五位一體的總體布局。這些都涉及到節(jié)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(nèi)，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(shè)備故障等原因，水管閥門沒有及時關(guān)閉，導(dǎo)致水資源浪費(fèi)的情況時有發(fā)生：（1）衛(wèi)生間自動沖水裝置因為機(jī)械故障（浮球卡住等原因），進(jìn)水閥門不能自動關(guān)閉，導(dǎo)致生活用水白白浪費(fèi)?。?）擰開水龍頭裝水，有事走開后一直忘記關(guān)水（特別是老人家），水滿后溢出浪費(fèi)?。?）停水前擰開水龍頭，來水前沒有關(guān)閉，導(dǎo)致水漫金山！

2 設(shè)計方案

2.1 功能設(shè)計

鑒于以上原因，為避免水資源的大量浪費(fèi)，筆者利用所學(xué)的單片機(jī)技術(shù)，設(shè)計了“低功耗水管漏水自動報警與關(guān)斷系統(tǒng)”，實現(xiàn)以下的功能：（1）當(dāng)水管漏水或者閥門因為故障、人為等原因沒有及時關(guān)閉時，系統(tǒng)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(guān)斷閥門。（2）人員收到裝置的聲光報警后，手動關(guān)閉水閥，報警自動解除。（3）如長時間未有人處理報警，系統(tǒng)將接通12V安全電壓控制的電磁閥，自動關(guān)斷水，并持續(xù)間斷報警。此后人員跟進(jìn)處理，手動關(guān)閉水閥后，須按下系統(tǒng)“恢復(fù)”鍵，電磁閥斷開，恢復(fù)正常供水。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)設(shè)計功能，筆者在生活中原有的閥門/進(jìn)水管（圖1中虛線框所示）的基礎(chǔ)上，拓展增加本系統(tǒng)硬件（圖1中實線框部分），以實現(xiàn)總體功能。

2.3 主要元件簡介

（1）水流發(fā)電機(jī)。系統(tǒng)采用微型水流發(fā)電機(jī)接入水網(wǎng)網(wǎng)路中，檢測水流大小。水流發(fā)電機(jī)輸出交流電壓0.1～10V，電流10～300mA，額定轉(zhuǎn)速3000轉(zhuǎn)。發(fā)電機(jī)是低速無阻型，效率高速98%。水流發(fā)電機(jī)輸出為交流電壓，需經(jīng)過二極管整流、電容濾波后轉(zhuǎn)換為較平滑的直流電后再輸出給單片機(jī)進(jìn)行水流大小與持續(xù)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(tǒng)通過電磁閥自動切斷水流。為良好兼容家庭水網(wǎng)，保證用水安全，電磁閥參數(shù)選擇如下：

控制形式：常開電磁閥。通電關(guān)閉，切斷進(jìn)水；不通電（包括停電等）一直開著，確保水路正常運(yùn)行。

螺紋口徑：2W-15K 4分，DN15。兼容家庭水網(wǎng)。

流量口徑：16mm。兼容家庭水網(wǎng)。

耐壓：0-0.8MPA ，0-8KG公斤。適用于住宅供水（國家規(guī)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(zhì)：NBR橡膠，具有良好的耐低溫性能，耐化學(xué)穩(wěn)定性好，有良好的耐水性、氣密性，適用于水路密封，安全環(huán)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(dǎo)致不能使用。

接線方式：接線盒拆開，把線接進(jìn)左右二個螺絲孔。

（3）DC12V電源?？紤]用水場所潮濕的環(huán)境等因素，電磁閥供電電源采用防水殼包裝，參數(shù)為DC12V，3A。本電源為普通型開關(guān)電源，保護(hù)性能好，穩(wěn)定性優(yōu)越，帶負(fù)載能力好，帶輸入、輸出過壓保護(hù)、短路保護(hù)，以確保用電安全。

（4）控制電路。本系統(tǒng)處理器采用STC12C5202AD單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，是高速/高可靠/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)。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(tǒng)的對水流大小進(jìn)行檢測的要求。內(nèi)部集成高精度R/C時鐘，5MHz～35MHz寬范圍可設(shè)置，可徹底省掉外部昂貴的晶振，進(jìn)一步簡化了電路設(shè)計，符合系統(tǒng)體積小巧，具有ADC檢測、安全可靠等控制要求。STC12C5202AD單片機(jī)支持掉電喚醒，可通過程序設(shè)計使單片機(jī)長時間工作睡眠模式，定時間歇工作，進(jìn)一步降低電路功耗，節(jié)能環(huán)保。

當(dāng)單片機(jī)檢測到水流長時間未關(guān)斷時，啟動蜂鳴器與LED斷續(xù)聲光報警，提醒人員進(jìn)行處理。當(dāng)長時間無人處理報警時，單片機(jī)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(shè)計上，為確?？煽筷P(guān)斷，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，對繼電器線圈并接續(xù)流二極管進(jìn)行保護(hù)。本系統(tǒng)采用水流發(fā)電機(jī)監(jiān)測水流大小與持續(xù)時間。由于水流發(fā)電機(jī)輸出為交流電壓，故水流發(fā)電機(jī)輸出需經(jīng)過二極管整流、電容濾波后轉(zhuǎn)換為較平滑的直流電后再輸出給單片機(jī)的進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，以實現(xiàn)水流大小與持續(xù)時間的檢測。本系統(tǒng)采用的STC12C系列單片機(jī)ADC支持中斷方式響應(yīng)。但考慮到AD轉(zhuǎn)換的時間并不長，而水流流動時間可能會持續(xù)存在，沒有必要長時間進(jìn)行ADC中斷，以免造成單片機(jī)資源的浪費(fèi)，導(dǎo)致單片機(jī)功耗增加，電池壽命降低。故程序設(shè)計上，本系統(tǒng)采用查詢方式進(jìn)行水流大小的ADC檢測。單片機(jī)大部分時間處于休眠狀態(tài)，定時喚醒，并在喚醒的短時間內(nèi)采用查詢方式進(jìn)行ADC采樣。對采樣到數(shù)據(jù)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(tǒng)制作

經(jīng)過硬件制作與軟件編程及結(jié)構(gòu)組裝，最終制作完成本系統(tǒng)。經(jīng)過試驗，能達(dá)到各項預(yù)期設(shè)計功能。可方便地安裝在抽水馬桶進(jìn)水管處、洗手盆水龍頭與凈水器進(jìn)水管處等生活常見的進(jìn)水管與角閥處。

4 系統(tǒng)亮點(diǎn)

（1）實用性：生活中水管出現(xiàn)漏水、閥門因機(jī)械故障或人為等原因沒有及時關(guān)斷情況時有發(fā)生，本系統(tǒng)能避免由此引起的水資源浪費(fèi)與財產(chǎn)損失。（2）安裝方便：適合家庭20mm水管，無須改動墻內(nèi)水管管道。其中12V電源與單片機(jī)控制電路大小約為普通香煙盒大小，占地小。整套設(shè)備，可方便地安裝在抽水馬桶、洗水盆、飲水機(jī)進(jìn)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(guān)斷功能，則成本僅需17元。（4）功耗低：系統(tǒng)采用一節(jié)3節(jié)5號干電池供電，單片機(jī)大部分時間處在休眠狀態(tài)，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(jié)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(fù)載能力好，帶輸入、輸出過壓保護(hù)、短路保護(hù)，穩(wěn)定性優(yōu)越，以進(jìn)一步確保用電安全。

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