模糊感应自动冲厕节水装置设计说明书(最后)

1、模糊感应自动冲厕节水装置设计说明书设计者：肖力，蔡溢斌，赵相记，陈根生，曾俊鹏（井冈山大学工学院，吉安343009）作品内容简介根据我们的调查，在学校、厂矿、医院、部队和机关单位等大量普通公厕沟漕式冲厕装置，特别是安装使用了虹吸式水箱冲厕装置的公厕，不管有人没人在使用，冲水装置都会定时的放水冲厕，全天候二十四小时不间断的工作，水资源浪费非常严重。为此我们设计了一种节水型自动冲厕装置，通过对普通公厕沟漕式虹吸水箱进行创新制作，使之具有可以模糊感应，自动冲厕，达到节约水资源的效果。制作本作品主要的部件有自制单片机控制芯片、电磁吸铁、红外对射器、浮球阀、杠杆机构、扭力弹簧、沟漕式虹吸水箱、铁架子、对

2、射安装立杆、口径分别为15mm 的pp-r管和40mm的pvc-u管、木板、皮膜及相应密封配件，还有铜芯线和四芯线。本装置基本工作情况是：设置一个完整工作的时间段，分脉冲计数时段和模糊脉冲时段。通过红外对射器感应来得到脉冲，单片机芯片把得到的脉冲数累加，并根据累加的脉冲数加以判断上厕所的人数，然后就自动安排好冲厕时刻和冲厕次数。在冲厕时刻到来时，单片机芯片控制电磁吸铁使其通电工作，使杠杆一端下拉从而翘起另一端把皮膜打开，令水箱里的水全部放干，接着电磁吸铁断电，起复位作用的扭力弹簧使电磁吸铁的衔铁复位以便下次工作的使用。在完成一个时间段后单片机芯片把得到的脉冲数清零复位，等待下一个脉冲开始新的感

3、应时间段。本作品能实现自动冲厕，简单实用，更能有效的节约水资源，保护水资源。联系人：肖力；联系电话13879654482；EMAIL：269922375。1 研制背景及意义我们知道，随着我国经济的飞跃发展，人民的生活水平都大大的提高了，从我们身边我们都已经感觉得到了越来越美好的生活，但是我们却因此付出了很大的代价，自然资源的大量消耗使用已经让我们感到了资源的匮乏。比如，水资源的大量使用已经让我们感觉到了由于缺水而带来的很多问题，水资源浪费依然很严重。中国是一个干旱缺水严重的国家。淡水资源总量为28000亿立方米，占全球水资源的6%，居世界第四位，但人均只有2200立方

4、米，仅为世界平均水平的1/4、美国的1/5，在世界上名列121位，是全球13个人均水资源最贫乏的国家之一。目前，全国地下淡水天然资源多年平均为8800多亿立方米，约占全国水资源总量的1/3。全国约有7000多万人仍在饮用不符合饮用标准的地下水。20年来，全国地下水开采量平均以每年25亿立方米的速度增加。地下水占总供水量的比例已从1980年的14.0%增长到2000年的19 .8%。全国有400多个城市开采利用地下水，在城市用水总量中，地下水占30%。不合理开采地下水诱发了诸多环境问题：全国约有一半城市市区的地下水污染比较严重，水质下降，还呈现出由点向面、由城市向农村扩展的趋势；已诱发46个城市

5、发生地面沉降、海水入侵等，全国还形成区域地下水降落漏斗100多个，面积达15万平方千米。全国约有1/3以上工业废水和9/10以上生活污水未经处理就排入河湖， 使得全国90%的城市水环境恶化，加剧了可利用水资源的不足。默认“先污染后治理”的落后观点，致使大量水资源毫无意义的被浪费了。看着这些可怕的数据，我们也感到心疼，因为我们国家处于水资源的危急时刻，而且浪费的现象无时无刻不在我们身边发生，我们要珍惜水资源，保护水资源，节约水资源。谈到节水，人们首先会想到厕所，因为厕所在整个生活用水中所占比例最大。生活领域的用水主要有：饮用、冲便、淋浴、洗漱四个部分，其中饮用水仅占20%左右，而冲便、淋浴、洗漱

6、约占整个生活用水的80%左右.。在公共厕所的多种冲洗方式中，又以沟槽式厕所耗水量最大，人们称之为“水老虎”。传统的沟槽式虹吸水箱冲测装置，由水箱箱体、进水管、虹吸管、排水管组成。进水管处于常开状态，一天二十四小时不停地往水箱内注水。 当水箱里的水位高于虹吸管倒U型弯的顶部时，虹吸管产生虹吸现象，水箱内的水从虹吸管排水管排出，完成一次放水冲厕清洗。 由于进水管一天二十四小时不停地往水箱内注水，因此，厕所的耗水量就等于进水管每天的流量。 如果试图通过阀门减少进水量来延长两次冲洗的间隔时间，就会形成这样一种现象：当进水管的进水量小到一定程度时，就会产生溢流现象，无法形成虹吸。如果是一个标称15毫米的

7、进水管,在0.25Mp压力下，1/2开态时，每小时的流量为2.78吨，每天24小时的流量可达66.72吨。虽然，因管道的压力有所不同，水管阀门开启的大小有差异，各地水价高低不等，以上计算会有所出入，但即使按以上数值的一半计算，沟槽公厕的耗水量也依然惊人。如果一个单位有十几个几十个这样的厕所，再加上水价不断上涨的今天，无疑是一个非常沉重的负担。目前全国沟槽式公厕使用非常普遍，其中99.以上采用了全自动冲水箱（即沟槽式虹吸水箱），长流水现象使得水资源浪费非常严重。不到1的沟槽式公厕使用了具有控制功能的电子节水设备，但这类节水设备的智能化程度低，现场实时监测能力弱，易造成误冲厕、漏冲厕；同时这类节水

8、设备片面追求节水率，忽视了环境卫生。由此，想到我们学校大部分宿舍和办公楼的公厕也是采用沟槽式虹吸水箱冲厕装置。由于它原理简单，价格便宜，长久耐用，不容易坏而被广泛使用于公厕中，但是这样水资源浪费相当严重，忽略了对水资源的保护。鉴于此，我们想借此次机械创新大赛的机会，响应北京奥运会“绿色奥运”的号召，决定制作一个可以通过感应自动冲厕的节水型装置“模糊感应自动冲厕节水装置”，来代替“水老虎”，上演“武松打虎”的经典好戏，减轻浪费。装置如下图所示：2 主要功能和性能指标制作本作品主要的部件有自制单片机控制芯片、电磁吸铁、红外对射器、浮球阀、杠杆机构、扭力弹簧、沟漕式虹吸水箱、铁架子、对射安装立杆、口

9、径分别为15mm和40mm的pvc-u管、木板、皮膜及相应密封配件，还有铜芯线和四芯线。能够实现功能的主要部件是自制芯片、电磁吸铁、红外对射、浮球阀、杠杆和扭力弹簧。红外对射有两个部分，一个是信号发射器，另一个是信号接收器。用接在控制芯片的两根四芯线分别连接发射器和接收器，并使发射器和接收器都在同一高度上可以对射，只要有人在发射管和接收管中间挡住了信号的正常发射接收，则会产生脉冲信号。所以红外对射主要功能是通过感应得到脉冲，并把脉冲信号传送给控制芯片。电磁吸铁采用的是拉动式牵引电磁铁，分为衔铁和线圈底座两部分，最大行程为25mm。电磁吸铁的功能主要是在通电后，把衔铁向下吸同时把杠杆一端也往下拉

10、，使另一端往上翘通过绳子把底部的皮膜拉起，最后使水流出。然后，电磁吸铁断电，安装在杠杆中的扭力弹簧把衔铁复位。单片机控制芯片主要是处理红外对射器感应得到的脉冲并给予计数，通过这些脉冲数判断上厕使用人数，并作出冲厕时刻和冲厕次数的判断，然后在冲厕时刻到来是控制电磁吸铁通电工作，使之通电一定的时间后再断电。下图分别是实现各个部件功能的瞬间过程图，从得到感应脉冲到芯片工作计时、电磁吸铁等待通电，再到电磁吸铁通电工作、皮膜被拉起，最后到出水管冲水，一步接着一步慢慢实现各自的功能，然后把它们组合起来就是感应到冲厕的完整过程图，完成的是一个完整的工作时段。在实现了我们作品的各个功能之后，再看看我们作品针对

11、节水这方面的一些指标，我们与传统的虹吸水箱相比较。一个传统虹吸水箱沟槽式冲厕装置，全天候冲水不管有没有人用都会不停的往水箱里注水，差不多每10分钟就放水一次，而每天有75%以上的时间都是在白白的浪费水。根据虹吸管的高度，每次冲水的体积大概为箱体的80%，则计算出以下数据，如表1所示。 表1：传统虹吸水箱水量浪费数据表箱体大小（长*宽*高）：0.55*0.40*0.55=0.121立方米每次冲水量：0.121*80%=0.0968t一天的总冲水量：144*0.0968=13.94t冲厕次数：60*24/10=144次一天要浪费的冲水量：13.94*75%=10.5t一个月要浪费的冲水量：30*1

12、0.5=315t一年要浪费的冲水量：315*12=3780t浪费水费（1吨/元）：一年3780元相比，我们的作品能模糊感应，自动冲厕，根据节水装置安装的场所不同，冲水的繁忙时段也有所不同，现在我们用下面两个不同场所的节约情况来大致了解我们作品所能达到的节约程度：1. 安装在学校宿舍里，因为学生上课，冲厕频繁时段通常是早上06:00至08:00、中午12:00至14:00、晚上17:00至23:00，期间总共有10个小时。我们可以简单以上面的时间段计算，计算为一天最多所能够连续冲厕工作的累计时间总长有10个小时，最少的情况下也需要冲厕2个小时，则平均每天的累加冲厕时间有6个小时。在同等箱体大小和

13、同等冲水量的情况下，可以设置冲厕周期为每8分钟一次，与传统虹吸水箱相比提前2分钟，则计算出以下数据，如下列表2所示。2. 安装在办公楼里，因为办公时间通常是早上的08:00至12:00和下午的14:00至18:00，若有加班则增加时段是晚上的20:00至22:00，期间总共有10个小时。同上计算原理，一天连续冲厕的累加时间长度最长有10个小时，最短的也有4个小时，则平均一天有7个小时的冲厕时间。冲水量和冲厕周期都设置相同，计算出的数据如下列表2所示。3. 安装在公厕里，因为使用公厕是为了方便大家，一般允许使用的时间段是早上06:00至晚上24:00，期间有18个小时。计算得最长的连续冲厕时间有

14、18个小时，考虑到公厕使用的人数多，最少的也需要6个小时，则平均是11个小时，计算出的数据如下表表2所示。表2：节约水资源情况表在学校宿舍里在办公楼里在公厕里每次冲水量：0.0968t0.0968t0.0968t平均冲厕时间累加长度：每天6小时每天7小时每天11小时平均冲厕次数：6*60/8=45次7*60/8=53次11*60/8=83次 每天平均冲水量：0.0968*45=4.356t0.0968*53=5.13t0.0968*83=8.03t平均节约（以上）：100%-4.356/13.94=63.6%100%-5.13/13.94=63.2%100%-8.03/13.94=42.4%一

15、天平均节约用水：13.94*63.6%=8.87t13.94*63.2%=8.81t13.94*42.4%=5.92t一年节约：12*30*8.87=3189t12*30*8.81=3172t12*30*5.92=2132t节约水费（1吨/元计算）：一年3189元一年3172元一年2132元节约度：3189/3780=84.4%3172/3780=83.9%2132/3780=56.4%由上表可以看的出，使用我们的产品会带来很高的节水效益，综合以上三者的节约度，使用的节约度平均为74.9%，这说明我们作品的性能很好，可以节约大量的水资源，有效的保护水资源，防止不必要的水资源浪费。3 设计方案3

16、.1 电磁阀控制 电磁阀控制方案其实很简单，把电磁阀设置在水箱冲厕出水口，在感应器感应后达到放水时刻，单片机程序芯片控制电磁阀在预定时刻打开放水冲厕，然后在通电放水10s至12s后关闭阀门，就可以达到效果。电磁阀有很多分类，有直动式电磁阀，分布直动式电磁阀和先导式电磁阀。 根据我们使用电磁阀的要求，只要使用直动式电磁阀就可以了。但存在不好因素，这个电磁阀控制方案是不可行的。 我们水箱的进水管口径是15mm，而冲厕放水管口径达到75mm，经过市场调查还有网上资料显示，我们要使用的电磁阀要安装在口径75mm的出水管上，公称通径75mm的电磁阀体积很大、重量大、价格贵、安装不便，而且不符合我们的设计

17、要求。 故而不选取此类控制方案。3.2 电磁吸铁控制针对公厕使用的沟槽式虹吸水箱，由水箱箱体、进水管、虹吸管、排水管组成。进水管处于常开状态，一天二十四小时不停地往水箱内注水。 当水箱里的水位高于虹吸管倒U型弯的顶部时，虹吸管产生虹吸现象，水箱内的水从虹吸管排水管排出，完成一次放水冲厕清洗。除了可以定时自动放水的虹吸水箱外，还有平常家用比较常见的冲便器，它们大都是采用手动的，都带有一个杠杆，手一拉就把杠杆另一端的皮膜拉起来，水就冲下来。综合考虑，可以简单有效的利用这个杠杆，使之与我们要选用的电磁吸铁配合使用，并在单片机控制下可以实现自动冲厕的功能。选取电磁吸铁的过程中，也有许多要求需要考虑的。

18、首先，因为市场上卖的电磁吸铁都是标准件，规格、最大行程、吸力、重量、线圈数、衔铁重量以及额定工作电压都已经是标准化了，而且大部分是用于工业生产中，很少用于生活用品中的；其次，使用的吸铁要安装固定在箱体箱壁上，这使得向下作用的衔铁会离杠杆支承点很近，这使得向下作用的吸力要远大于手动的拉力，所需拉力是有要求的；最后，衔铁向下作用的行程也有要求的，通过杠杆作用使杠杆连接皮膜的另一端可以翘起很大的距离，保证这一翘起的距离可以把皮膜拉起到一定位置，达到放水的目的。为了能够满足这些要求，综合考虑后确定选用：初使力为30N、最大行程为25mm、工作电压为220v、衔铁重量为0.45kg、拉动式的牵引电磁铁。

19、市场上有最小初使力为15N的电磁吸铁，15N的力就能满足工作，但是它的行程太小，最大行程只有10mm，无法满足要求，所以选用30N的牵引电磁铁，它的最大行程为25mm满足要求。通过计算，在安装固定好电磁铁后测量得到，衔铁的作用点距离杠杆的支承点的距离为40mm，连接拉绳的一端距离支承点有170mm，则根据相似三角形原理计算出，连接拉绳的一端可以被翘起运动的最大距离为25*170/40=106.25mm，这个满足我们的要求。在解决衔铁复位的问题上，起初想直接在杠杆的另一端配合使用拉力弹簧，根据衔铁的重量适当选择相应系数的拉力弹簧，然后把拉力弹簧安装在箱体底部就可以简单的达到目的。但是这样就会是拉

20、力弹簧在工作时长期浸泡于水中，影响弹簧寿命。最后选用两个扭力弹簧，对称安装在支承点以同一根轴栓连接，既简单又可以算得上美观，重要的是可以实现衔铁复位的功又不影响弹簧的寿命。4 理论设计计算一般的水箱进水管都是用15mm至25mm口径的pvc-u型塑料水管，而且采用一般的浮球阀作为进水控制端，水位达到预定高度后就停止进水。但是因为水压和流速的不同，而且浮球阀也有不同的规格，水要添满到预定高度的时间也不同。根据下面的流量表（表3），还有我们的实际测量，我们作品的实际水箱体积50*30*50=0.075立方米，到预定高度要添水0.075*80%=0.06t，我们选用的为：1/2的开放量、0.1Mpa

21、的压力、15mm的管径，最后测得添满水到预定高度要用掉180s。因为我们设计的程序是从开始感应得到第一个脉冲就开始计时为第1s，若感应脉冲数少的时候设定第600s冲一次；若感应脉冲数多则使冲水时间缩短为在第360s或第420s多冲一次，在第600s还要冲一次。所以添满水达到预定高度的时间要短，要在4min以内，再根据下面的流量表和各地不同的因素选择开放量。 出水管的管径为40mm，打开阀门把水箱里的水完全放完只要10s-12s就可以了，所以在设计时，我们设置了单片机芯片控制电磁铁的通电时间为11s，然后断电就可以把箱体里的水放干，就能够有足够的水冲洗。表3：水管实测流量表开放量压力Mpa管径流

22、量 （单位：立方米/小时）15mm20mm25mm40mm50mm100mm1/40.251.152.28410.620.6900.10.641.452.79.512.620.6半开0.252.784.025.617.724.496.40.11.742.573.412.514.523.23/40.253.034.285.718.224.1980.11.892.763.9112.513.824全开0.253.044.365.81925.298.60.11.892.813.612.614.624.6 因为选用的是牵引电磁铁，不可复位。衔铁重量为0.45kg，通过杠杆作用，当被吸下去后不可复位就会导

23、致放水阀门合不上，故而在杠杆的另一端使用弹簧配件使衔铁可以复位，使之在电磁铁的最大行程25mm之内；衔铁的重力为4.5N，衔铁作用点离杠杆支承点有30mm，接拉绳的一端离杠杆支承点有155mm。如果使用拉力弹簧，则作用点可选不同的位置，若选最末端位置作为拉力弹簧作用点，则可以使拉力最小；杠杆两端的比例为155/30，则弹簧的最大拉伸长度为25*155/30=129mm。所以只要选取弹簧系数大于4.5/0.129=34.9N/m的拉力弹簧，就可以满足把衔铁拉回原来位置。但是因为使用拉力弹簧就需把弹簧安装在箱体底部，使得弹簧长在使用过程中期浸于水中，影响拉力弹簧的寿命，所以不可选取拉力弹簧。最终选

24、用扭力弹簧，因为它可以不与水直接接触，有可以直接安装杠杆的支承点上同用一根轴，两边对称使用又可以达到美观的效果。弹簧常数：以 k 表示，单位为kgf/mm，当弹簧被扭转时，每增加1°扭转角的负荷。线材之钢性模数：以E表示，其中已知的琴钢丝E=21000 ,不锈钢丝E=19400 ,磷青铜线E=11200，黄铜线E=11200。 弹簧常数公式：k=(E * d4)/(1167 * Dm * p * N * R)。其中d为线径（d=L/N），Do=OD为外径，Di=ID为内径，Dm=MD=Do-d为中径，L为长度，N为总圈数，R为负荷作用的力臂，p=3.1416。选用计算的各个数值分别是

25、L=10mm，N=8mm，Do=6mm，则计算出d=1.25mm，Di=3.5mm，Dm=4.75mm，又已知R=4.5N*0.025m=0.1125N*m=11.25N*mm，带入弹簧常数公式可得弹簧常数k的值为： k=(E * d4)/(1167 * Dm * p * N * R) =(19400 * 1.254)/(1167 * 4.75 * 3.1416 * 8 * 11.25) =30219.26kgf/mm从而可以确定可以使用的扭力弹簧，确保其安全使用，不至于使衔铁不能复位，从而使电磁吸铁不能正常工作。5 工作原理及性能分析我们使用红外对射器来感应，从而得到脉冲信号。现在设置一个时

26、间段，即设置最长的冲厕间隔时间，时间是10分钟（即600s）；如若有人上厕，通过红外对射的感应装置，得到第一个脉冲，说明这时厕所里至少有一个人在，并从这一时刻开始计时，即整个时间阶段是1s 600s，默认为一个工作周期。在达到第600s的时候，利用单片机把整个周期内感应到的脉冲数和计时都清零复位，直到下一个脉冲才重新开始计时。因为考虑到一个人上厕所的时间一般不少于6分钟，所以把整个时间段给予分段，来感应得到脉冲数和模糊控制放水，大致原理如下：根据安装使用场所的不同，在感应时段里感应得到的脉冲数也不同。设置整个时间段里能感应到的脉冲数最多可以有Max个，从得到第一个脉冲的那个时候开始计时，假设在

27、第1s 180s内，记下的感应脉冲数为n，即Maxn1；假设在第181s360s内，记下的感应脉冲数为m，即Max-1m0；在第361s600s内，虽然会感应到有脉冲，但是我们此时通过设置程序给予模糊，不予累加计数，即说明在这361s600s内不管是上厕所来还是上完厕所要出去的，感应到的脉冲就都模糊掉，只根据前面第1s360s内所感应到的脉冲数判断进厕所的模糊人数，假设有p 个，即p=n + m且Maxp1。针对第1s360s内得到的脉冲数总和n + m，而模糊判断上厕的人数p=n + m，从而制定不同的冲厕时刻和冲厕次数（假设设置的Max值为Max = 4）：当n=1时，若m=0即p=1，在

28、第600s时冲水一次； m=1即p=2，在第600s时冲水一次； m=2即p=3，在第480s时冲水一次； m=3即p=4，在第420s时冲水一次，在第600s时再冲水一次；当n=2时，若m=0即p=2，在第600s时冲水一次； m=1即p=3，在第420s时冲水一次，在第600s时再冲水一次； m=2即p=4，在第360s时冲水一次，在第600s时再冲水一次；当n=3时，若 m=0即p=3，在第420s时冲水一次，在第600s时再冲水一次； m=1即p=4，在第360s时冲水一次，在第600s时再冲水一次；当n=4时，若 m=0即p=4，在第360s时冲水一次，在第600s时再冲水一次。 第361s600s内，即使有感应得到脉冲，但是不予记数，使之不能反馈说明前面360s来上厕的人是已经出去了，还是有新的人员进入厕所；然后在第600s的时候会把前面的记数都清零复位，完成这个600s的时间周期，等待下一个新的脉冲的到来。 因为利用单片机原理制作控制芯片，设置的程序可以放心安全的实现相应的工作，一般不会出错，芯片稳定工作，性能比较好。 6