基于水流蓄能的智能水龍頭設(shè)計(jì)

周巧儀 丁柳云 陳佳雨

摘 ?要：水流蓄能智能水龍頭采用在水管中加裝微型水力發(fā)電機(jī)的方式，利用水龍頭放水時(shí)的水流推動(dòng)渦輪高速旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)導(dǎo)體切割磁場(chǎng)產(chǎn)生電能，并將獲得的電能通過(guò)鋰電池儲(chǔ)存起來(lái)，為智能水龍頭工作提供電源;智能出水設(shè)計(jì)，采用自感應(yīng)的方式判斷出水和止水，節(jié)約用水的同時(shí)避免洗手時(shí)開(kāi)關(guān)水龍頭導(dǎo)致二次污染;設(shè)置了手動(dòng)開(kāi)啟按鈕，確保水龍頭失電情況下還能照常出水，能源得以循環(huán)利用，解決了感應(yīng)水龍頭的供電問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：水流蓄能;水力發(fā)電;智能;水龍頭;節(jié)能

中圖分類(lèi)號(hào)：TU824 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2019）13-0046-02

Abstract： The water flow storage intelligent faucet adopts the method of installing a micro hydraulic generator in the water pipe， and uses the water flow of the faucet to push the turbine to rotate at a high speed， thereby driving the conductor to cut the magnetic field to generate electric energy. The obtained electric energy is stored through lithium battery to provide power supply for intelligent faucet work， intelligent effluent design， self-sensing method is used to judge effluent and water stop， save water and avoid secondary pollution caused by turning on and off faucet when washing hands. The manual opening button is set to ensure that the water can be discharged as usual when the faucet loses power， the energy can be recycled， and the power supply problem of the induction faucet is solved.

Keywords： water flow energy storage; hydropower; intelligence; faucet; energy saving

21世紀(jì)是節(jié)約型社會(huì)，節(jié)約能源的必要性早已被人們所重視。傳統(tǒng)的水龍頭的使用是需要手動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)的，很容易造成水資源的浪費(fèi)，加之在公共場(chǎng)所使用時(shí)，傳統(tǒng)水龍頭的開(kāi)關(guān)很容易引起二次污染，不利于公共場(chǎng)所的衛(wèi)生和疾病防控。紅外感應(yīng)自動(dòng)水龍頭是一項(xiàng)包含在建筑節(jié)能這個(gè)大概念中的科技產(chǎn)品，發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)有經(jīng)驗(yàn)表明，建筑能耗總量約占社會(huì)總能耗的三分之一，最終將超越工業(yè)、交通等其它行業(yè)居于社會(huì)能源消耗的首位。[1]目前市場(chǎng)上的紅外感應(yīng)水龍頭可以智能控制水流的開(kāi)和關(guān)，很大程度的起到節(jié)水的目的，也解決了公共場(chǎng)所因開(kāi)關(guān)水龍頭所導(dǎo)致的二次污染問(wèn)題[2]。但大多數(shù)品牌的感應(yīng)水龍頭工作時(shí)，主要依靠干電池或交流電提供電能。當(dāng)干電池需要更換或者交流供電停電時(shí)，感應(yīng)龍頭就無(wú)法正常使用了，給維護(hù)帶來(lái)一定的困難。

為了解決這些矛盾，本項(xiàng)目組設(shè)計(jì)了一種水流蓄能智能水龍頭。該項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)在于巧妙地運(yùn)用智能水龍頭開(kāi)啟時(shí)的水流來(lái)進(jìn)行發(fā)電并存儲(chǔ)起來(lái)，再供應(yīng)給紅外感應(yīng)裝置和電磁控制裝置作為電源輸入，提高了能源利用率。

1 工作原理

系統(tǒng)主要由紅外感應(yīng)模塊、電磁閥水龍頭以及發(fā)電蓄能模塊構(gòu)成，系統(tǒng)工作框圖如圖1所示。紅外感應(yīng)模塊接收感應(yīng)信號(hào)，微處理器處理并發(fā)出指令，控制電磁閥開(kāi)啟，水龍頭打開(kāi)閥門(mén)放水，水流推動(dòng)水輪轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)使鐵線圈做切割磁感線運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生隨時(shí)間作正弦變化的動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓模塊輸出穩(wěn)定的直流電能并儲(chǔ)存在蓄電池中。設(shè)置一個(gè)手動(dòng)開(kāi)啟按鈕，確保水龍頭失電情況下還能照常出水。當(dāng)有人進(jìn)入感應(yīng)范圍時(shí)，專用傳感器探測(cè)到人體紅外光譜的變化，自動(dòng)接通水龍頭，人不離開(kāi)感應(yīng)范圍，將持續(xù)接通，人離開(kāi)后，延時(shí)自動(dòng)關(guān)閉水龍頭。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 紅外感應(yīng)模塊

紅外感應(yīng)模塊控制電路由紅外發(fā)射電路、紅外接收電路以及信號(hào)放大與處理電路組成。該電路由紅外線發(fā)射接收管采集外界信號(hào)，當(dāng)信號(hào)發(fā)生改變時(shí)，首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后用光電元件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。[3]平時(shí)信號(hào)輸出高電平，通過(guò)發(fā)射出一定頻率的紅外線，當(dāng)有物體進(jìn)入感應(yīng)范圍（2-30cm）時(shí)，物體反射紅外線，接受電路接收到反射回來(lái)的紅外線并進(jìn)行放大等處理后，信號(hào)線輸出低電平。模塊附設(shè)信號(hào)指示燈，當(dāng)有物體進(jìn)入感應(yīng)范圍時(shí)，信號(hào)指示燈亮。

2.2 電磁閥水龍頭

電磁閥水龍頭通過(guò)電磁閥控制電路來(lái)實(shí)現(xiàn)水龍頭的自動(dòng)開(kāi)關(guān)控制。電磁繼電器由微型水力發(fā)電機(jī)變壓器從次級(jí)輸出12V直流電供電，是利用電磁鐵來(lái)控制工作電路的一種開(kāi)關(guān)。當(dāng)紅外感應(yīng)模塊探測(cè)到有物體進(jìn)入到探測(cè)范圍時(shí)，低電平信號(hào)輸入到電磁閥控制電路中，電磁水閥控制電路控制電磁閥開(kāi)啟;反之當(dāng)物體離開(kāi)探測(cè)范圍時(shí)，高電平信號(hào)輸入到電磁閥控制電路中，電磁水閥控制電路控制電磁閥關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)水龍頭的開(kāi)閉。

2.3 發(fā)電儲(chǔ)電部分

本方案采用微型水輪發(fā)電機(jī)，直流12V穩(wěn)壓輸出，可以給蓄電池充電以及紅外感應(yīng)模塊和電磁閥水龍頭工作等。

儲(chǔ)能部分的設(shè)計(jì)為水輪機(jī)輸出端經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓模塊輸出一個(gè)穩(wěn)定的12V直流電壓，然后通過(guò)充電保護(hù)模塊使直流電壓穩(wěn)定在蓄電池的充電電壓范圍之內(nèi)，這樣可以保證蓄電池不會(huì)因?yàn)檫^(guò)充而損壞，保障了充電的安全。[4]儲(chǔ)存在蓄電池中的電能可以信號(hào)指示燈、電磁閥等負(fù)載使用。因?yàn)樗堫^的使用時(shí)間短，故通過(guò)水輪機(jī)的流量有限，所以發(fā)電量有限，鋰電池已完全適用，無(wú)需采用更大功率的儲(chǔ)能裝置?？紤]到水流蓄能智能水龍頭有可能因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間未使用而導(dǎo)致電池耗竭的情況，設(shè)置了手動(dòng)開(kāi)啟按鈕，在確保水龍頭失電情況下還能照常出水的同時(shí)，利用水流蓄能為智能水龍頭提供了下次開(kāi)啟所需的電能。

3 技術(shù)特點(diǎn)

水流蓄能智能化水龍頭是利用自來(lái)水發(fā)電的原理為智能水龍頭供電，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水龍頭開(kāi)關(guān)等的智能控制，其創(chuàng)新點(diǎn)主要有：

（1）采用在水管中加裝微型水力發(fā)電機(jī)的方式，利用水龍頭放水時(shí)的水流推動(dòng)渦輪高速旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)導(dǎo)體切割磁場(chǎng)產(chǎn)生電能，并將獲得的電能通過(guò)鋰電池儲(chǔ)存起來(lái)。

（2）智能出水設(shè)計(jì)，超小型感應(yīng)器位于出水口處，采用自感應(yīng)的方式判斷出水和止水，在使用過(guò)程中防止了忘記關(guān)水龍頭而導(dǎo)致的浪費(fèi)，同時(shí)也能夠避免洗手時(shí)開(kāi)關(guān)水龍頭導(dǎo)致二次污染，清潔衛(wèi)生。

（3）設(shè)置了手動(dòng)開(kāi)啟按鈕，考慮到水流蓄能智能水龍頭有可能因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間未使用而導(dǎo)致電池耗竭的情況，通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)在確保水龍頭失電情況下還能照常出水的同時(shí)，利用水流蓄能為智能水龍頭提供了下次開(kāi)啟所需的電能。

4 結(jié)束語(yǔ)

本方案的設(shè)計(jì)從環(huán)保與能源利用率方面著手，通過(guò)水力發(fā)電為感應(yīng)器提供電能，自產(chǎn)自用，有很高的能源利用率。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、占用空間小，并且在應(yīng)用方面非常靈活，可安裝于水龍頭、淋浴頭、自動(dòng)沖洗小便池的出水口等處，廣泛適用于高檔酒店、賓館、學(xué)校集體宿舍、飛機(jī)場(chǎng)、地鐵站、火車(chē)站、以及其他大型購(gòu)物場(chǎng)所等。隨著人們環(huán)保與節(jié)能意識(shí)地不斷增強(qiáng)，這一方案將會(huì)被人們廣泛接受與認(rèn)可，該產(chǎn)品具有較大的經(jīng)濟(jì)社會(huì)價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]寧禮佳.流量可控式紅外線感應(yīng)水龍頭控制模塊設(shè)計(jì)[J].節(jié)能技術(shù)，2013（03）.

[2]楊麗寰.感應(yīng)式自動(dòng)水龍頭的設(shè)計(jì)[J].科技展望，2016（05）.

[3]李明，徐向東.傳感器故障檢測(cè)的Poweu神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法[J].熱能動(dòng)力工程，2002（17）.

[4]王書(shū)洋，楊冠魯.一種智能節(jié)能型多功能水龍頭的設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2017（03）.