家庭自動循環(huán)節(jié)水系統(tǒng)的設(shè)計

趙忠厚，趙 輝，劉俊清

(沈陽工程學(xué)院 自動化學(xué)院，遼寧 沈陽110136)

1 節(jié)水的必要性

水資源作為人類社會的基礎(chǔ)性自然資源和戰(zhàn)略性經(jīng)濟資源，是不可替代的一種重要資源。它與環(huán)境、人口及生產(chǎn)生活密切相關(guān)。因此，水資源問題已成為舉世矚目的重要問題之一。據(jù)有關(guān)資料報道顯示，我國是一個干旱缺水嚴重的國家。淡水資源總量為28 000億m3，占全球水資源的6%。僅次于巴西、俄羅斯和加拿大，居世界第四位，但人均只有2 200 m3，僅為世界平均水平的四分之一、美國的五分之一，是全球13個人均水資源最貧乏的國家之一。

沈陽屬北溫帶氣候，受季風(fēng)影響較大，雨熱同期，降雨年內(nèi)、年季變化大，水資源時空分布不均勻。降雨量的2/3集中在7、8月份，并多以暴雨形式降落。不利于雨水的滲儲、保留。其水資源利用現(xiàn)狀如下。

沈陽市年平均水資源量大約為323 000萬m3，人均水資源占有量約448 m3，只有全國人均水平的20%左右，屬于水資源短缺地區(qū)。水資源時空分布不均，年際變化大，特別是遇到連續(xù)干旱的年份的出現(xiàn)，會加劇水資源的供需矛盾。隨著東北老工業(yè)基地振興的進程加快，沈陽市用水量將會快速增長，用水保證率及水質(zhì)要求將會更高，生態(tài)用水標準也相應(yīng)提高，農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生活用水及水資源利用有效率低等諸多問題也將越發(fā)突出。雖然，水資源如此短缺，但至今人們還沒有真正認識到水資源缺乏的嚴重性。

據(jù)有關(guān)部門網(wǎng)上調(diào)查得知，在現(xiàn)實生活中，大多數(shù)人的節(jié)水意識淡薄，常在無意中浪費大量的水資源，如一些常見的用水不良習(xí)慣：洗臉刷牙時任水流淌；洗澡涂肥皂時不關(guān)淋浴噴頭；用過多的水沖洗汽車；洗衣服時只用自來水沖洗；在解凍海鮮等凍品時通常使用自來水解凍；常用自動洗衣機洗少量的衣物等等。

從以上種種浪費水的現(xiàn)象不難看出，大多數(shù)人們在家里并沒有很強的節(jié)約用水意識，如果連家庭用水都沒有辦法做到節(jié)約，那不用說在公共場所了。之所以有嚴重的浪費水的情況出現(xiàn)，是因為大多數(shù)人都沒有節(jié)約用水的概念，認為節(jié)水很麻煩，使生活不方便。還有少部分人是因為不差錢，水費對他們來說是低廉的，并不能形成對“節(jié)約用水”的認真關(guān)注和重視。

2 解決方案

保護水源，節(jié)約用水十分必要，為此，設(shè)計了一套“家庭節(jié)水自動循環(huán)系統(tǒng)”。下面將做詳細介紹。

當前，每個家庭都是將日常生活中洗漱、洗衣等用水流入下水道，變成了不可再用的污水，沒有二次處理的可能，水資源被白白浪費掉。據(jù)了解，現(xiàn)今并沒有利用水的二次利用來進行節(jié)水的方法。本系統(tǒng)是將家庭每天洗漱、洗衣等生活用水(可再用的廢水)收集在儲水箱中，用來沖洗便池，達到節(jié)約用水的目的。

本系統(tǒng)自動控制儲水、進水、沖水等過程循環(huán)進行，其中關(guān)鍵技術(shù)在于如何自動對各個關(guān)鍵點水位的判斷、控制及相應(yīng)的操作。控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

本系統(tǒng)包括信號采集處理、對應(yīng)控制及執(zhí)行動作部分等。水位傳感器探頭1、2、3分別安裝在儲水箱內(nèi)和沖水箱內(nèi)的適當位置。將各自檢測采集到的“水位情況”信號，經(jīng)過分別處理后送至“系統(tǒng)控制”部分?！翱刂撇糠帧笔盏叫盘柡?，進行判斷確認，發(fā)出不同的“控制信號”給“執(zhí)行部件”，進而實施不同的功能操作。

圖1 家庭節(jié)水自動循環(huán)控制系統(tǒng)

其中，F(xiàn)M1為洗臉盆下水閥門，關(guān)閉時(橫向)，可將使用過的水流入儲水箱，打開時(縱向)，使用過的水流入下水道；FM2為原進水管閥門，關(guān)閉時(縱向)可以阻止原進水管的水進入沖水箱，而用儲水箱中的水，打開時(橫向)，原進水管的水進入沖水箱，恢復(fù)原來運行狀態(tài)；K1為啟動水泵控制開關(guān)(+12V)。

3 系統(tǒng)供電電源

電子設(shè)備中一般都需要用直流電源來供電，所用的直流電源，通常是由電網(wǎng)提供的交流電經(jīng)過整流、濾波和穩(wěn)壓后得到的。特別是在電子線路和自動化控制裝置中，對所用的直流電源要求更高，除了要求能夠輸出不同電路所需要的電壓和電流以外，還應(yīng)做到直流電壓平滑、脈動成分小、輸出電壓的幅值穩(wěn)定，即當電網(wǎng)電壓或負載電流波動時能保持輸出基本穩(wěn)定，交流電變換成直流電時的轉(zhuǎn)換效率高。為了得到合適的直流電，目前廣泛采用各種半導(dǎo)體直流電源。

圖2是半導(dǎo)體直流電源的原理方框圖，其表示的是把交流電變換為直流電的過程。

圖2 半導(dǎo)體直流電源

直流電源一般包括4個組成部分，即電源變壓器、整流電路、濾波器和穩(wěn)壓電路。

3.1 電源變壓器

電網(wǎng)提供的交流電一般為220V(或380V)，而各種電器設(shè)備所需要直流電壓的幅值卻各不相同。整流變壓器就是將交流電源電壓變換為符合整流需要的電壓。

3.2 整流電路

將正負交替的正弦交流電壓整流成單脈動電壓，其中的整流元件之所以能整流，是因為它們都具有單向?qū)щ姷墓餐匦浴?/p>

3.3 濾波器

整流電路雖然可以把交流電轉(zhuǎn)化為直流電，但是所得到的電壓是單向脈動電壓，在某些設(shè)備中，這種電壓的脈動是允許的。但是，在大多數(shù)電子設(shè)備中，整流電路后都要加接濾波器，以改善輸出電壓的脈動程度。濾波器主要由電容、電感等儲能元件組成。其作用是減小整流電壓的脈動程度，輸出比較平滑的直流電壓，以適合負載的需要。

3.4 穩(wěn)壓電路

整流電路把交流電轉(zhuǎn)化為單方向的脈動電壓，而濾波器降低了輸出電壓的脈動成分。此時的電壓往往會隨著交流電源電壓的波動和負載的變化而變化，電壓的不穩(wěn)定有時會引起控制裝置的工作不穩(wěn)定，甚至根本無法正常工作。特別是自動控制、計算裝置等都要求有很穩(wěn)定的直流電源供電。為了得到更加穩(wěn)定的直流電源，需要在整流濾波電路的后面再加上穩(wěn)壓電路，當交流電源電壓或負載變動時，使直流輸出電壓保持穩(wěn)定。

穩(wěn)壓電路及穩(wěn)壓的方法有多種，但有的電路仍有不少外接元器件，還要注意共模電壓的允許值和輸入端的保護，使用復(fù)雜。目前，集成穩(wěn)壓器已廣泛應(yīng)用于單片集成穩(wěn)壓電源，它具有體積小、可靠性高、使用靈活、價格低廉等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中。

如三端集成穩(wěn)壓器有固定輸出和可調(diào)輸出兩種不同類型。其中固定輸出集成穩(wěn)壓器又分為正輸出(W78XX：輸出正電壓有 +5V、+9V、+12V、+15V等多個電壓等級)和負輸出(W79XX：輸出負電壓有 -5V、-9V、-12V、-15V等多個電壓等級)兩大類。三端集成穩(wěn)壓器的組成，如圖3所示。

圖3 三端集成穩(wěn)壓器的組成

從圖可知，電路內(nèi)部實際上包括了串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路(調(diào)整管、放大電路、基準電壓、采樣電路)的各個組成部分，以及保護電路和啟動電路。

供電直流電源簡圖如圖4所示。圖中，交流電220V為電網(wǎng)供給的民用市電，經(jīng)過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)，最后輸出的直流電源為 +5V、+12V、-12V，分別用于電子集成電路和執(zhí)行部分的操作供電。

圖4 供電直流電源

4 系統(tǒng)工作過程

開始階段，廢水儲水箱無水，此時，由控制系統(tǒng)控制閥門Fm1關(guān)閉日常生活用水可進入儲水箱，當水箱中的水達到一定量時，將控制閥門Fm2關(guān)閉。此后，仍將繼續(xù)給儲水箱注水，直至加滿為止。如果需要沖水時，按壓“沖水按鈕”即可。沖水后，啟動水泵QJ，用儲水箱的水再給沖水箱加水，待用。若儲水箱內(nèi)水量足夠用，則可控制自動循環(huán)進行，，從而完成“日常生活用水”的二次利用，達到節(jié)約用水的目的。

圖5 家庭節(jié)水系統(tǒng)中的實物模擬

若有以下情況時，則需特別注意。

1)當儲水箱內(nèi)水滿后，系統(tǒng)將控制 Fm1動作，使Fm1打開，生活用水可直接流入下水道。

2)當儲水箱中無水時，系統(tǒng)將控制 Fm2動作，使Fm2打開，用原進水管上水，恢復(fù)原來運行狀態(tài)。

3)如生活用水太臟，不宜儲存再用，可手動強行控制打開Fm1，將污水排入下水道。

4)如有停電發(fā)生時，整個系統(tǒng)失去控制功能，F(xiàn)m1、Fm2均處于自然打開(開通)狀態(tài)，一切按原來使用方式進行。

5 結(jié)語

有專家預(yù)言，水資源短缺將成為人類21世紀面臨的最為嚴重的資源問題之一，水危機已經(jīng)是全球性的事實，繼石油危機之后的下一個危機便是水危機。把水看成取之不盡、用之不竭的時代已經(jīng)過去，把水當成寶貴資源的時代已經(jīng)到來。面對這樣的問題需要做到：①普及節(jié)水常識，提高全民節(jié)水意識，轉(zhuǎn)變?nèi)藗兇址判陀盟?xí)慣，提倡良好的用水節(jié)水方法；②合理開發(fā)水資源，有效利用，節(jié)約控制，滿足居民生活基本用水需求的同時，要保證工良好的水環(huán)境，在工農(nóng)業(yè)用水和城市生活用水等方面大力提高水的利用率，

［1］楊素行.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程［M］.北京：高等教育出版社，2005.

［2］秦曾煌，姜三勇.電工學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2008.

［3］趙保經(jīng).中國集成電路大全［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2006.

［4］喬鴻云，楊 雄，張善彪，等.智能節(jié)水系統(tǒng)的設(shè)計［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2009(28)：91-92.