一套家庭综合节水装置的设计研究

吴峥强

Design and research of a comprehensive household water saving device

（Mechanical and Electrical Engineering Department）

【摘要】将研制一套家庭综合节水装置，将生活中使用过的相对干净的洗菜、洗衣等用水进行回收并净化处理，使之用于厕所冲洗、家庭清洁、花草浇灌等。综合节水系统的集成化设计，使其能在家庭环境中具有安装和使用的可行性。将家庭使用过的相对干净的水再回收利用，提高了水资源的利用效率。

【关键词】家庭 节水 回收 装置

【Abstract】The development of a comprehensive water-saving device， recycling washing dishes， washing water， and purification， to be used for flushing toilets， household cleaning， watering flowers and so on. The integrated design of comprehensive water saving system， the installation and use are convenient. The device family used water recycling， improve the utilization efficiency of water resources.

【Keywords】Family Water saving Recovery Device

1 引 言

我国是水资源相对十分匮乏的国家，以广州为例，地处多雨的珠江三角洲的广州，印象中雨水充沛，年均降雨量约1800毫米。而在用水量上，目前广州市平均每人每天用水量达350升，为全国之最。在现有供水条件下，有报告指出，2020年广州市供需水在97%保证率下可供水量为55.2亿立方米，缺水7.0亿立方米；在90%保证率下可供水量为56.4亿立方米，缺水5.8亿立方米。可见，广州的缺水形势十分严峻，而中国北方的城市缺水形势则是极为严重了。另外，庞大的人口规模，这使得家庭节水问题日益得以重视。家庭生活中，洗衣机用水、洗浴用水和洗菜用水相当大比例可以收回再利用。本文研究的目标为开发出一套家庭综合节水系统，将家庭可回收用水进行回收储存并净化处理，使之用于厕所冲洗、家庭清洁、花草浇灌等，这将大大节约家庭用水量。

2总体方案设计

本装置设计的基本思路是将家庭生活用水通过检测，自动筛选是否需要回收，将相对洁净的已使用过的水回收进入处理系统，使这一部分水体得到再次利用。自动筛选系统判断相对洁净的水体，这样可以降低污水处理难度，简化污水处理装置。

本装置运作总流程设计如图1所示：

3 节水装置的设计制作

1） 准备过程

分析控制策略、水循环的通路，筛选主要制成模型的主要功能，除去非必要功能，整理出所需要的硬件材料、控制开发工具等。

设计蓄水箱2个（1主1从），包含以下组件：

①抽水泵1个（简化自动清洗功能需要的泵）；

②51单片机组成的控制模块；

③电磁阀门2个（简化自动清洗功能）；

④浑浊度检测装置

⑤过滤装置；

⑥辅助元件：如胶管等。

2）制作51控制模块

① 处理芯片的选择

根据控制流程所需采集的信号，输出的控制信号，以及逻辑运算的复杂程度。选用STC89C52RC单片机做控制芯片，该单片机拥有32个I/O口，两路定时器中断，两路外部中断，8K的ROM，256B的RAM。接12M晶振有良好的运行速度，满足系统的需要。

②AD信号采集芯片的选择

系统所采集的水位、浑浊度均为模拟量，需要进行模数转换才能用单片机进行逻辑运算。模型需要的模拟量共3路，选用飞利浦的8位精度AD芯片PCF8591，该芯片有4路模数转换通道，1路数模转换通道，系统任意选用3路模数转换通道即可，且转换精度也够用。

③系统设定值存储芯片

系统设计为可变水箱，可调参数系统，采用自动检测设定值，并且设定值可更换，符合方便、人性化的原则。Atmel公司的AT24C02能够存储255个8位数，满足系统设计需要。

④显示部分

系统要显示的内容并不多，所以选用很普通的LCD1602点阵液晶显示即可满足。该液晶可显示两行共32个字符，支持英语、数字及符号显示。

⑤继电器模块

单片机的工作电压为5v，且负载能力差，通过继电器控制12v的抽水泵和电磁阀门的工作。继电器与单片机之间用光电隔离，提高单片机的负载能力，同时也减少继电器对单片机的干扰。

⑥电源选择

系统需要5v和12v的电压，5v的电压由12v的电源适配器经调压板获得，5v为单片机等单片机外围元件供电以及压力传感器、浑浊度传感装置供电，12v为抽水泵和电磁阀门的供电，系统采用双电源设计，小电流与大电流分离供电，减少对单片机控制系统的干扰，提高系统可靠性。

⑦外壳选择安装

提高系统的美观性和抗干擾能力，为系统安装一个外壳，接线口，通过排针和接线端子引出，方便接线和调试。

3）制作浑浊度检测装置

①设计原理

工作原理：当光线穿过一定量的水时，光线的穿透量取决于该水中的悬浮颗粒物的含量；当含量增加时，穿透水样的光线随之减少，浊度测量透过的光线量来计算水的浊度。

利用发光二极管和光电三极管对特定波长的折射作用，来测量脏水的不透光度或者其他物质的浓度。

②选用的材料

红外光的发光二极管作为信号源，红外光接收管作为接收信号，配上适当阻值的电阻元件。

③设计电路

设计的控制电路如图2所示。

3）过滤装置

①過滤装置原理图如图3所示：

②过滤工作描述

污水从均布的进水口进入外壳与内壳间的间隙，淹没进水口，形成密闭，出水口连接抽水机的进水口，抽水机工作，利用抽水机的自吸，在过滤器内外壳间形成负压，水进入装有过滤介质的内壳，被迫通过介质进入出水口，水中的杂物被分离。同时，出水口前有一隔网，隔离过滤介质，防止管道或抽水泵的堵塞。

③缺点和不足

过滤器正常工作要求到达一定的水位（淹没进水口），工作时，需要配备具有一定自吸能力的抽水泵。

4节水装置的运作

本装置的运作流程，见图4所示。

系统设置为四个模块： ①污水选择处理模块；②抽水机动作控制模块；③紫外线装置控制模块；④干净水补给控制模块。

通过实验预设定：①水位传感器Y1的最大值为V1、最小值为Vm1 ；②水位传感器Y3的最大值为V2、最小值为Vm2、其中任意值为VH2 ；③水体浑浊度检测的临界值为H；④水流量计L2的最小值为L。

演示模型的运作如下：

①污水控制：水位传感器Y1实时监测到水压到达预设值时，电磁阀门F1加电开启一段时间，以保证实时浑浊度检测装置内部的被检测的水是新注入的水，保证检测的准确性；完成放水动作后，关闭F1，加电运行检测装置H1监测水质情况，若检测通过，则加电开启F2、L1，此时H1检测装置进行实时监测，一旦监测到水质改变为不通过，立即关闭F2、L1和开启F1；若L1中监测不到数据，则说明水流已消失，此时可关闭阀门和流量计，并对流量计的数据清零，恢复Y2待机状态。

②抽水机控制：实时监测水位传感器Y3的数据，若所测数据低于设定值VH2且Y2所测得数据未低于设定值Vm1，则加电开启抽水机B1和流量计L2，若Y 2所测的数据大于V1且Y3所测得数据未小于VH2，则加电开启B1和L2，若Y3所测得数据低于Vm2且Y2所测得数据大于Vm1，则加电开启B1和L1。

③紫外线控制；若抽水机B1处于开启状态且流量计L2所测得数据大于或等于设定值L，则开启紫外线装置X1，X1的开启时间由L2的实时所测数据换算而得。

④干净水补给控制：若水位传感器Y3所测的数据低于设定值Vm2，则加电开启电磁阀门F3，检测B1是否开启，若B1处于未开启状态，则开启F3至Y3实时所测的数据到达设定值VH2后关闭F3；若B1处于开启状态，则开启F3至Y3实时所测的数据至设定值V2后关闭F3。注：若未特殊说明，则B：抽水泵、F：阀门、Y：压力传感器、L：紫外灯。

5 结语

本装置针对匮乏的水资源，立足于家庭生活本身，提出了一套家庭节水设计方案。针对“节流”这一环节，通过安装家庭节水系统，收集处理家庭污染程度较低的水，使之多一次循环利用，因此可大幅提高家庭用水的利用率，综合测算能提升30%以上的利用率，这对城市的可持续发展提供了巨大的水资源保障空间，具有极大的环境价值和经济价值。

参考文献：

[1]孙为民.中国水资源状况与安全分析. 水利科技与经济.2013， 19（6）：94-96

[2]张静， 余鹏翼， 刘娜. 基于广州市水资源供需平衡分析的实证研究. 生态环境， 2010， （1）：322-325

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[4]利用压力传感器实现液位控制系统的设计；《探索争鸣》.2010.07.第07期