機(jī)械結(jié)構(gòu)式智能節(jié)水馬桶研究

朱 燃，陳 杰，吳繼濤

（四川理工學(xué)院，四川自貢643000）

在科技飛速發(fā)展的今天，智能化和環(huán)保節(jié)能成為了首要發(fā)展的方向，同時(shí)智能衛(wèi)浴的發(fā)展也讓越來越多的家庭選擇馬桶來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的衛(wèi)浴工具。而現(xiàn)今的馬桶采用的直沖和虹吸兩種方式進(jìn)行排污都將消耗大量的生活用水，平均每次用水量在6～8L[1]，而中國作為一個(gè)水資源缺乏的國家，這將會(huì)是一個(gè)急待優(yōu)化的一個(gè)問題。傳統(tǒng)馬桶在使用過程中往往會(huì)出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，而且使用者往往難以解決這個(gè)問題，需要專業(yè)的人士才能解決。同時(shí)傳統(tǒng)的馬桶不具有智能感應(yīng)與反饋功能，智能化程度較低。針對(duì)以上問題，本文提出了一種新型機(jī)械結(jié)構(gòu)馬桶，將極大地降低馬桶的用水量，解決馬桶的堵塞問題，提高馬桶的智能化程度。

1 馬桶的現(xiàn)狀分析

傳統(tǒng)馬桶在使用上存在以下問題：

（1）馬桶每次的沖水量無法控制，取決于儲(chǔ)水箱的儲(chǔ)水量；

（2）虹吸式或直沖式馬桶每次都會(huì)消耗6～8L水，用水量大；

（3）目前的節(jié)水馬桶主要有普通節(jié)水馬桶、氣壓節(jié)水馬桶、無水箱節(jié)水馬桶三類，但是節(jié)水效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)還不夠；

（4）馬桶的智能化程度較低，無法自動(dòng)開關(guān)馬桶蓋、自動(dòng)控制用水量以及馬桶實(shí)時(shí)工作情況的信息反饋等。

2 智能機(jī)械馬桶的設(shè)計(jì)方案

智能機(jī)械馬桶（如圖1）采用雙搖桿機(jī)構(gòu)[2]作為物體轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)，將污物進(jìn)行轉(zhuǎn)移排除；碗形容器作為污物的容器與雙搖桿結(jié)構(gòu)鏈接，由雙搖桿帶動(dòng)容器實(shí)現(xiàn)傾覆與復(fù)位動(dòng)作；在傾覆動(dòng)作完成后，清洗裝置利用絲桿導(dǎo)軌裝置將毛刷伸出，再由電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)供水系統(tǒng)工作，將水由毛刷內(nèi)部小孔噴出，實(shí)現(xiàn)容器的沖洗工作。

圖1 智能機(jī)械馬桶結(jié)構(gòu)圖

3 雙搖桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)計(jì)算

如圖2所示為雙搖桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。具體運(yùn)算動(dòng)計(jì)算如下：

圖2 雙搖桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)速為n，絲桿導(dǎo)程為L(zhǎng)，雙搖桿傾角為α，碗形容器傾角為β，電機(jī)工作時(shí)間為t，滑塊距鉸鏈中心距離為S1，雙搖桿長(zhǎng)度為S2，兩鉸鏈中心間距為P1，碗形容器支撐點(diǎn)距離為P2.

其中：

根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：

t=2 s，S1=83 mm，S2=200 mm，P1=80 mm，P2=80 mm，L=2 mm.

可求得當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)n=35 r/min，α=57°；β=95°.

4 智能機(jī)械馬桶的工作原理

4.1 電磁閥與手動(dòng)排水閥

正常如廁后，根據(jù)馬桶前端的距離感應(yīng)器采集的信號(hào)反饋給單片機(jī)發(fā)出指令控制馬桶蓋的自動(dòng)關(guān)閉以及電磁閥的開啟，電磁閥開啟相應(yīng)設(shè)定的時(shí)間后自動(dòng)關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)沖刷過程。如遇到異常情況電磁閥無法開啟的時(shí)候，也可通過馬桶后端外置的手動(dòng)排水閥進(jìn)行手動(dòng)沖洗。

4.2 雙搖桿機(jī)構(gòu)

雙搖桿機(jī)構(gòu)利用絲桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)，絲桿電機(jī)在接受到單片機(jī)發(fā)出的指令后控制絲桿旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)雙搖桿上的滑塊滑動(dòng)，使雙搖桿和碗形容器完成傾覆工作，實(shí)現(xiàn)污物的轉(zhuǎn)移。

4.3 絲桿導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)

絲桿導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)由絲桿導(dǎo)軌、絲桿電機(jī)以及旋轉(zhuǎn)電機(jī)箱組成。絲桿電機(jī)在收到單片機(jī)發(fā)出的指令后由驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)絲桿電機(jī)按照程序進(jìn)行正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)電機(jī)箱在絲桿導(dǎo)軌上相應(yīng)地前進(jìn)與后退，實(shí)現(xiàn)毛刷與碗形容器的前后反復(fù)刷洗。

4.4 旋轉(zhuǎn)電機(jī)

旋轉(zhuǎn)電機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)，將輸出軸與減速齒輪1鏈接，減速齒輪2與毛刷的旋轉(zhuǎn)軸固定，實(shí)現(xiàn)將步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)力傳遞給毛刷的旋轉(zhuǎn)軸，同時(shí)利用減速齒輪將轉(zhuǎn)速降低到合適的速度。工作時(shí)控制器控制步進(jìn)電機(jī)反復(fù)地正反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)毛刷實(shí)現(xiàn)毛刷的反復(fù)刷洗，保證碗形容器的刷洗效果。

4.5 毛刷及噴水孔

毛刷采用空心軸的結(jié)構(gòu)，并在刷頭一端加工數(shù)個(gè)噴水小孔，尾端的空心軸部分與毛刷旋轉(zhuǎn)軸連接，沖洗用水通過旋轉(zhuǎn)軸和毛刷的空心部分進(jìn)入毛刷內(nèi)部后再通過毛刷上的噴水孔噴出，實(shí)現(xiàn)了沖洗與刷洗相結(jié)合[5]。

5 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)（如圖3）的輸入由距離傳感器、絲桿導(dǎo)軌行程開關(guān)信號(hào)以及電機(jī)反饋信號(hào)等組成，單片機(jī)通過設(shè)定的程序?qū)Σ杉降男盘?hào)做出相應(yīng)的指令，實(shí)現(xiàn)馬桶的智能化控制。步進(jìn)電機(jī)控制部分采用TB6600型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器能提供32細(xì)分，半自動(dòng)電流鎖定功能，輸入端為共陽單脈沖接口。因此，在控制步進(jìn)電機(jī)時(shí)，只需用單片機(jī)給驅(qū)動(dòng)器的PUL接口輸入一定頻率（控制電機(jī)速度）和一定數(shù)量（控制電機(jī)步數(shù)）的脈沖即可。驅(qū)動(dòng)器的DIR接口能控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)。這樣一來，當(dāng)觸發(fā)清洗功能時(shí)，單片機(jī)便能按預(yù)定程序，控制步進(jìn)電機(jī)，進(jìn)而控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成指定的功能。狀態(tài)顯示燈根據(jù)馬桶當(dāng)前工作狀態(tài)確定顯示顏色，讓使用者能夠根據(jù)顯示燈的顏色判斷馬桶當(dāng)前是否工作或者出現(xiàn)異常情況與故障等。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

6 智能機(jī)械馬桶整體分析

6.1 用水量

本研究的計(jì)算公式[6]定義如下：

V1=Q × t1，V2=Q × t2，V=(V1× N+V2)/(N+1)

其中，V1為單次小便沖水量（普通馬桶和節(jié)水馬桶直接讀取相關(guān)值）；Q為馬桶流速；t2為單次小便沖水時(shí)間；V2為單次污物沖水量（普通馬桶和節(jié)水馬桶直接讀取相關(guān)值）；t2為平均單次污物沖水時(shí)間；V為平均單次用水量；N為人體平均每日排尿次數(shù)。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)及資料調(diào)查，Q=0.3 L/s，t1=0.7 s，t2=13 s，N=5 可求得：

普通馬桶：V1=6 L，V2=8 L，V=6.4 L

節(jié)水馬桶：V1=4 L，V2=8 L，V=4.3 L

智能機(jī)械馬桶：V1=2 L，V2=4 L，V=2.3 L

6.2 耗電量

智能機(jī)械馬桶采用了智能化控制，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)、單片機(jī)的工作和顯示燈都需要電力驅(qū)動(dòng)。對(duì)于耗電量的計(jì)算公式[7]定義如下：

P1=U2× I2× t2，P4=U4× I4× t4，P=P1+P2+P3×3+P4×2+P5

其中，P1為絲桿導(dǎo)軌裝置功率；P2為單片機(jī)工作功率；P3為單個(gè)顯示燈額定功率；P4為步進(jìn)電機(jī)額定功率；P5為電磁閥額定功率；P為總功率；t2為絲桿導(dǎo)軌每小時(shí)工作時(shí)間；t4為步進(jìn)電機(jī)每小時(shí)工作時(shí)間。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)及資料調(diào)查，由P1=6 W，P2=0.18 W，P3=2.6 W，P4=4 W，P5=6 W計(jì)算求得：

P=16.5 W

表1 馬桶各參數(shù)分析

6.3 智能化程度

智能機(jī)械馬桶采用了單片機(jī)控制系統(tǒng)，通過傳感器的信號(hào)采集使馬桶更加智能化，自動(dòng)開啟關(guān)閉馬桶蓋、自動(dòng)控制沖水過程以及自動(dòng)清洗容器等都使馬桶變得更加自動(dòng)化。

7 結(jié)束語

智能機(jī)械馬桶通過機(jī)械機(jī)構(gòu)與單片機(jī)控制相結(jié)合，將傳統(tǒng)的沖洗方式替換成更加節(jié)水的刷洗方式，使馬桶變得節(jié)水與智能化。

智能機(jī)械馬桶相對(duì)于傳統(tǒng)馬桶所具有的優(yōu)勢(shì)如下：

1）將平均每次用水量[8]降低到2.3 L，極大地減少了用水量。

2）利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)控制與信息反饋，將馬桶的運(yùn)行情況實(shí)時(shí)地反映給使用者，使馬桶變得智能化。

3）采用了雙搖桿機(jī)械結(jié)構(gòu)，讓馬桶避免了傳統(tǒng)馬桶所出現(xiàn)的堵塞問題。

4）智能機(jī)械馬桶采用機(jī)械機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)功能，便于馬桶的后期維護(hù)與維修。

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