基于單片機(jī)的多方智能自清式水道疏通儀設(shè)計(jì)

方誠(chéng)信，蔣龍?jiān)?，朱景操，洪佳?/p>

（安徽三聯(lián)學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

0 引言

隨著時(shí)代的進(jìn)步以及科技的發(fā)展，人民的生活水平越發(fā)提高，城市現(xiàn)代化建設(shè)成為現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的主流趨勢(shì)。在城市現(xiàn)代化發(fā)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(shè)的主要內(nèi)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(lèi)政策的出現(xiàn)，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(wèi)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?jiān)斐傻亩氯?。這種堵塞情況一般是由于管道內(nèi)壁結(jié)垢，管道內(nèi)壁嚴(yán)重結(jié)垢造成下水道不通暢。衛(wèi)生間水道堵塞常見(jiàn)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(dāng)物體較大時(shí)由于水流無(wú)法將其帶走會(huì)產(chǎn)生堵塞。一般情況，地漏堵塞是雜物的長(zhǎng)時(shí)間積累，且地漏不像馬桶等水道具有強(qiáng)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(huì)導(dǎo)致室內(nèi)積水等問(wèn)題［2］。

2 多方智能家用水道疏通儀的結(jié)構(gòu)分析

在進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的研究分析后，本文設(shè)計(jì)的多方智能家用水道疏通儀初步的外觀模型是一個(gè)類(lèi)似于馬桶塞的外觀，同時(shí)在頭部做了一個(gè)自動(dòng)控制端，用于控制整個(gè)疏通儀本體的活動(dòng)。

與控制端頭相連接的是一個(gè)多功能拉桿。拉桿的上部是一個(gè)可進(jìn)出外殼的長(zhǎng)桿，下部呈 “工” 字形，整個(gè) “工” 字形都在外殼內(nèi)部。在這個(gè) “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(shí)，內(nèi)部空氣流失。拉桿的底部會(huì)有一個(gè)開(kāi)口，在清理需要?dú)鈮航鉀Q的堵塞問(wèn)題時(shí)，開(kāi)口會(huì)緊緊閉合，這部分結(jié)構(gòu)也是用于馬桶水道疏通的最為重要的部分。對(duì)于細(xì)小水管道以及便捷的考慮，在 “工” 字內(nèi)部安裝一整個(gè)細(xì)小的鐵絲鉤，其中鉤頭部位是可伸縮的物理模型，一個(gè)鉤頭前端由三個(gè)鉤子組成。當(dāng)不處理細(xì)小管道，用不上鐵絲的時(shí)候，它會(huì)收縮在拉桿內(nèi)部，同時(shí)拉桿的底部開(kāi)口也會(huì)閉合；當(dāng)需要用到鐵絲時(shí)，則開(kāi)口便會(huì)打開(kāi)，防止造成氣壓差。為了防止鐵絲長(zhǎng)時(shí)間使用后出現(xiàn)問(wèn)題，本研究使用不銹鋼絲作為原材料。上述為整個(gè)疏通儀的中部結(jié)構(gòu)，在外部會(huì)用塑料外殼來(lái)包裝這些結(jié)構(gòu)。一方面，塑料較輕方便拿放，另一方面，塑料容易清洗且不會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間泡在水中產(chǎn)生問(wèn)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(gè)圓拱形的塑膠，其上端有一個(gè)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(shí)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(jié)構(gòu)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?？刹鹦兜脑O(shè)計(jì)也是為了不影響其疏通別的管道，拆卸下來(lái)的橡膠頭可自行清洗放在清潔樁內(nèi)。

疏通儀設(shè)計(jì)了一個(gè)清潔樁，清潔樁是由一個(gè)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(huì)自動(dòng)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(huì)自行流出，同時(shí)可按動(dòng)清潔證上的按鈕進(jìn)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(dòng)牙刷的內(nèi)部控制方法以及流程類(lèi)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(nèi)部活塞上下運(yùn)動(dòng)。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(qiáng)行推入管道，在橡膠頭被壓平時(shí)迅速往回拔起，造成真空狀態(tài)，使下水管道中的堵塞物松動(dòng)或分散開(kāi)。多方智能家用水道疏通儀的智能控制端是用來(lái)控制驅(qū)動(dòng)內(nèi)部拉桿的 “工” 字形活塞上下運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生氣壓差來(lái)疏通管道。 “工” 字活塞上裝有電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，上端控制頭安裝單片機(jī)控制電路，利用單片機(jī)來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速?gòu)亩刂?“工” 字活塞的轉(zhuǎn)速，使活塞能夠高速轉(zhuǎn)動(dòng)，一方面節(jié)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(shè)計(jì)

控制電路采用的是基于51單片機(jī)的PWM調(diào)速系統(tǒng)，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(gè)系統(tǒng)執(zhí)行的基礎(chǔ)，主要為軟件提供程序運(yùn)行的平臺(tái)。硬件電路主要包括：核心元件單片機(jī)、時(shí)鐘電路、輸入電路、復(fù)位電路、驅(qū)動(dòng)電路幾部分。輸入電路為按鍵電路，通過(guò)按鍵電路輸入不同的速度基準(zhǔn)值控制速度的變化。根據(jù)PWM調(diào)速的基本原理，以直流電機(jī)電樞上電壓的占空比來(lái)改變平均電壓的大小，控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的平滑調(diào)速。軟件部分是對(duì)硬件端口所體現(xiàn)的信號(hào)，加以采集、分析、處理，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的有效控制。

3.2 控制思路

直流電機(jī)的電流、轉(zhuǎn)速、電壓之間的關(guān)系如下面式(1）所示：

其中：n為直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；U為電機(jī)端電壓；ΔUs為電刷壓降；Ia為電樞電流；Ra為電機(jī)電樞繞組電阻；Ce為電機(jī)常數(shù)；Φ為電機(jī)氣隙主磁通。

通過(guò)上面式子可以看出，想要改變直流電機(jī)轉(zhuǎn)速n的值，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的速度調(diào)節(jié)主要可以通過(guò)以下方式：(1）調(diào)節(jié)電機(jī)端電壓U的大小、改變電機(jī)電樞繞組電阻阻值Ra以及改變電機(jī)主磁通Φ的大小。調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的端電壓主要是在允許的電壓范圍內(nèi)降低電機(jī)的電樞電壓，使電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速下降，這種方法本質(zhì)上屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。(2）改變直流電機(jī)主磁通調(diào)速的方法是利用降低磁通Φ的值進(jìn)行速度調(diào)節(jié)的方法。這種方法本質(zhì)上屬于弱磁恒功率調(diào)速，根據(jù)式(1），當(dāng)主磁通Φ的值降低時(shí)，能使電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)上調(diào)。這類(lèi)調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是所需直流電源容量較小，但缺點(diǎn)是響應(yīng)速度比較慢。(3）改變電機(jī)電樞繞組電阻則是在電機(jī)電樞回路上串聯(lián)一個(gè)電阻，從而實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速。這種調(diào)速方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但因?yàn)橥饧与娮钑?huì)使得調(diào)速電阻也會(huì)消耗大量電能。目前，在直流電機(jī)智能調(diào)速系統(tǒng)中，多數(shù)采用第一種調(diào)速方式，本文亦采用此方法實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的速度控制。

當(dāng)負(fù)載保持一定時(shí)，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速與所施加的電壓成正比，而直流電機(jī)調(diào)速的最常見(jiàn)方法是施加一個(gè)PWM(脈寬調(diào)制）方波，其占空比對(duì)應(yīng)于所需速度。電機(jī)起到一個(gè)低通濾波器作用，將PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換為有效直流電平［5］。

PWM又稱(chēng)為 “開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置” ，是通過(guò)控制固定電壓的直流電源開(kāi)關(guān)頻率，從而改變負(fù)載兩端的電壓，進(jìn)而達(dá)到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。在PWM驅(qū)動(dòng)控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個(gè)固定的頻率來(lái)接通和斷開(kāi)電源，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi) “接通” 和 “斷開(kāi)” 時(shí)間的長(zhǎng)短。通過(guò)改變直流電機(jī)電樞上電壓的 “占空比” 來(lái)改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

3.3 單片機(jī)控制電路的實(shí)現(xiàn)

本文是利用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)PWM信號(hào)的控制。51系列典型產(chǎn)品89C51具有兩個(gè)定時(shí)器TO和T1，通過(guò)設(shè)定定時(shí)器初值和工作方式，可以實(shí)現(xiàn)89C5Il的任意輸出口輸出不同占空比的脈沖波形。由于PWM信號(hào)實(shí)現(xiàn)的核心是單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器，而不同單片機(jī)的定時(shí)器具有不同的特點(diǎn)，即使是同一臺(tái)單片機(jī)由于選用的晶振不同，選擇的定時(shí)器工作方式不同，其定時(shí)器的定時(shí)初值與定時(shí)時(shí)間的關(guān)系也不同。因此，必須明確定時(shí)器的定時(shí)初值與定時(shí)時(shí)間的關(guān)系。這樣可以通過(guò)設(shè)定不同的定時(shí)初值，改變占空比，進(jìn)而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的［6］。

4 結(jié)語(yǔ)

在家庭生活中，排水管道的順暢程度直接關(guān)系著居民的正常生活，如果家中出現(xiàn)了排水管道堵塞，不僅會(huì)影響自身的日常生活，還可能會(huì)對(duì)整個(gè)小區(qū)的排水系統(tǒng)產(chǎn)生影響。本文針對(duì)下水道經(jīng)常出現(xiàn)的情況進(jìn)行調(diào)研，并設(shè)計(jì)一款智能的多方自清式水道疏通儀，利用單片機(jī)及PWM調(diào)速原理實(shí)現(xiàn)對(duì)活塞的上下控制，達(dá)到智能清潔的目的。