洗手液与水混合雾化洗手的节水控制方法

杨明杰 彭京京 林舒颖

摘要：高效的节水控制，是缓解水资源压力的重要措施，而日常洗手是节约水资源不可忽视的重要环节，有必要采用节水控制技术，提高水的利用率，减少水资源浪费。为此，提出了一种使用洗手液与水的混合液进行雾化洗手的节水控制方法，由微控制器检测红外感应和触摸感应传感器的信号，进而控制雾化水龙头分别工作在使用洗手液与水的混合液进行雾化的清洁模式，或是切换到清水雾化的冲洗模式。由于采用了高速雾化的出水方式，不仅做到全方位、快速地清洁手掌，而且节约了水资源，因而提高了用水效率。遵照科学洗手七步法进行的节水效果测试表明：相较普通水龙头，采用的雾化节水控制方法可以达到90.7%的节水率，节省洗手液40%，缩短12.5%的洗手时间，自动化程度高，具有良好的用户体验。

关键词：洗手;节水;雾化;控制

中图分类号：TP29文献标志码：A文章编号：1009-9492（2021）11-0223-04

A Water Saving Control Method for Hand Washing Using Atomized Mixtures of Sanitizer and Water

Yang Mingjie，Peng Jingjing ，Lin Shuying

（Minnan University of Science and Technology， Quanzhou， Fujian 362700， China）

Abstract： Efficient water-saving control is an important measure to alleviate the pressure of water resources. Daily hand washing is animportant part of saving water resources， so it is necessary to use water-saving control technology to improve the utilization rate of water andreduce the waste of water resources. For this reason， a water-saving control method for hand washing using atomized mixtures of hand sanitizerand water was proposed. The micro-controller detected the signals of infrared sensor and touch sensor， and then controlled the atomizationfaucet to work in the cleaning mode using atomized mixtures of hand sanitizer and water， or switched to the washing mode using atomized water.Due to the use of high-speed atomization effluent way， not only to achieve all-round， fast cleaning， but also save water resources， thusimproving the efficiency of water use. According to the seven step method of scientific hand washing， the water-saving effect test shows that theatomization water-saving control method compared with ordinary faucets can achieve 90.7% water-saving rate， save 40% hand sanitizer，shorten 12.5% hand washing time， obtain high degree of automation， and has a good user experience.

Key words： hand washing; water saving; atomization; controlling

0 引言

糧食安全、人类健康、城乡住宅、能源生产、工业发展、经济增长和生态系统，都依赖于水，特别是淡水资源。全球用水量在过去100年里增长了6倍，并继续以每年约1%的速度增长。2019年8月6日，美国世界资源研究所发布警告称，目前全球有四分之一的人口面临危险的水资源短缺情况，到2025年将有多达35亿人面临缺水。2020年8月，联合国教科文组织（UNESCO）发表的《基于水资源与气候变化的2020年全球水资源发展报告》提到，当前气候变化越演越烈，加重了全球水资源危机，尤其影响一些发展中国家。我国面临的水资源压力属于中高水平，近年来，节约用水，已成为水资源管理工作的重点。《国务院关于实行最严格水资源管理制度的意见》，明确要求从三个方面对水资源进行更严格的管理，即“三条红线”，其中一条是加强用水效率控制[1-2]。

日常洗手是每个人生活中的重要卫生习惯，如何在洗手时节约用水，提高用水效率，是节约水资源不可忽视的重要环节[3]。为此，在公共卫生间大多醒目地贴着节约用水的标语，以此提倡全民节约用水，及时关闭水龙头。然而，单靠个人的自觉行为还不够，有必要采用节水控制技术，提供可靠保障。目前，大多采用红外感应水龙头，在红外传感器感应到手掌靠近水龙头时，驱动电磁阀出水，手掌离开水龙头时关水，解决了及时关闭水龙头避免水资源浪费的问题[4]，但在提高用水效率上没有明显作用;另一种是感应水龙头加节流阀的方法，使出水量变小实现节水，一定程度上提高了水的利用率，但是，为了确保清洗干净，在小水量的情况下需要等待更长的时间，给用户洗手产生不好的体验[4-6]。

为此，本文提出了一种洗手液与水混合雾化洗手的节水控制方法，利用高速雾化的出水方式，不仅能全方位、快速地清洁手掌，而且最大程度节约用水，提高用水效率。此外，采用微控制器，并结合红外感应传感器和触摸感应传感器识别用户的意图，控制雾化水龙头分别工作在洗手液与水混合雾化的清洁模式，或者快速切换到清水雾化的冲洗模式。使洗手过程更加人性化、自动化，不仅保证了洗手的洁净效果，最大程度提高了用水效率，同时也高效地使用了洗手液。

1 控制器结构和节水控制原理

在水龙头的基座上，嵌有洗手液与水混合雾化洗手的节水控制器，结构如图1所示，包括：装在水龙头出水口的雾化喷头[8-12];由红外发射和红外接收构成的手掌靠近红外感应器;与水龙头金属部分相连接的电容式触摸感应器;基于文丘里管原理用于将自来水和洗手 Fig.1 Structure of water saving controller液混合的水射器[13];用于启闭自来水水路的电磁阀;用于抽取洗手液的吸泵;用于采集红外感应器和触摸感应器的信号并驱动电磁阀和吸泵工作的 PIC 单片机控制板;此外，还有供电电源线和装有洗手液的容器。

节水控制原理如图2所示。当手掌靠近水龙头时，发射的红外光被部分反射到红外接收器，转换成的电压波动信号经过信号调理电路进行放大和整形，由 PIC单片机的输入引脚读取，作为手掌靠近的红外感应信号。此外，当手掌触摸到水龙头的金属部分，则与之连接的电容式触摸感应电路将产生高电平送给 PIC 单片机识别，作为需要使用洗手液的清洁模式的指令，否则默认处于清水冲洗模式。在清洁模式下，PIC单片机通过两路驱动电路，分别控制电磁阀开通自来水，吸泵运行抽取洗手液，利用自来水的自身压力，在水射器的混合作用下，将洗手液与水混合后从雾化喷头喷出对手掌清洁去污一定时间后关闭。在冲洗模式下，PIC单片机只驱动电磁阀开通自来水，通过雾化喷头喷出水雾对手掌冲洗一定时间后关闭。此外，由低压隔离电源为节水控制器供电。

2 电路设计原理

由红外发射和红外接收构成的手掌靠近红外感应电路和信号调理电路如图3所示。电阻 R1与红外发射管 IR 串联，发射恒定的红外光;电阻 R2与红外接收管 PT 串联，构成红外接收与光电转换电路，经过滤波电容 C2和交流耦合电容 C1，得到反映手掌靠近引起的红外光反射脉动信号，再经过由 R3、R4、T1组成的放大电路放大信号幅度，最后再通过交流耦合电容 C3得到供 PIC单片机的输入引脚能够识别的红外感应脉动信号[14]。

由单通道微功耗触控专用芯片 TTP223-BA6和感应电极构成的电容式触摸感应电路如图4所示。TOG 引脚和 AHLB 引脚都直接接地，使触控芯片工作在高电平有效的直接模式，当引脚 IN 检测到感应电极有感应信号时， CMOS推挽输出的引脚 Q将输出一个高电平脉冲信号，供 PIC单片机的输入引脚识别。

PIC单片机外部接口电路如图5所示。PIC单片机实时扫描并正确识别来自图3的红外感应信号和来自图4的触摸感应信号;通过Out_Valve引脚，经由 R5和三极管 T2构成的驱动电路控制水龙头电磁阀开启;通过Out_Pump引脚，经由 R6和三极管T3构成的驱动电路控制洗手液吸泵抽取洗手液。

3PIC单片机的软件设计流程

对手掌靠近红外感应信号和触摸感应信号进行实验测试，分析各种工作模式下水龙头电磁阀和洗手液吸泵的启停控制，可以得到工作模式真值表，如表1所示。红外感应信号 S_IR 等于0表示 PIC单片机没有检测到红外感应信号，等于1表示检测到有效的红外感应信号，说明此时有手掌靠近水龙头;触摸感应信号 S_CAP等于0表示 PIC单片机没有收到触摸感应信号，等于1表示检测到有效的触摸感应信号，说明此时有手掌触摸了水龙头金属部分;水龙头电磁阀工作状态 valve等于0表示电磁阀关闭，等于1表示电磁阀开启;洗手液吸泵工作状态 pump等于0表示吸泵停止，等于1表示吸泵启动。由此可以得到，当 S_IR=1，且 S_CAP=0时，说明有手掌靠近水龙头，但没有触摸水龙头金属部分，此时处于冲洗模式，输出控制状态为 valve=1，电磁阀开启，且 pump=0，吸泵停止，即自来水雾化喷出冲洗手掌;当 S_IR=1，且 S_CAP=1时，说明有手掌靠近水龙头，且触摸了水龙头金属部分，此时处于清洁模式，输出控制状态 valve=1，电磁阀开启，且 pump=1，吸泵启动，即洗手液与水混合雾化喷出对手掌清洁去污。

根据工作模式真值表，编写 PIC单片机的 C语言程序，实现对感应信号的识别和对执行机构的控制，程序设计流程如图6所示。程序开始执行时，先初始化 PIC 单片机的红外接收引脚和触摸感应引脚为输入功能、水龙头电磁阀和洗手液吸泵控制信号为输出引脚，且初始化为关闭和停止状态;此后，开始读取并判别红外感应脉冲信号，如果信号 S_IR=1有效，说明此时有手掌靠近水龙头，则进一步检测 S_CAP 信号，否则进入关闭模式，关闭电磁阀和吸泵，并重新检测;在 S_IR=1有效的情况下，若进一步检测到 S_CAP=1有效，说明此时有手掌触摸水龙头金属部分，则进入清洁模式，开启电磁阀和吸泵，否则进入冲洗模式，开启电磁阀而关闭吸泵;此外，在清洗模式和冲洗模式时，均设置延时，保持工作时间为5 s。

4 节水效果测试

为了检验提出的洗手液与水混合雾化洗手的节水控制效果，参照科学七步洗手法[15]，“内、外、夹、弓、大、立、腕”的洗手步骤，分别在普通水龙头和雾化节水控制器两种条件下洗手，记录洗手液的用量，耗水量、洗手时间。根据国家标准《建筑给水排水设计规范》 GB50015-2003的規定[16]，所处的额定管路压力为0.3 MPa ，选用洗脸盆龙头的额定流量为0.15 L/s ，选用雾化喷头的额定流量约为0.014 L/s，

用普通水龙头洗手时，先在水龙头下把手腕、手掌、手指充分淋湿5 s ，然后双手抹上洗手液5 s ，搓洗双手的手心、手背、手指、指尖、指甲和手腕20 s ，其次在水龙头下将双手彻底冲洗干净，大约10 s 。相比之下，用雾化节水控制洗手时，手掌先触摸水龙头金属部分，此时，雾化喷头将洗手液与水的混合液喷淋在手腕、手掌、手指5 s ，然后同样全面搓洗双手20 s ，最后手掌靠近红外感应器，雾化喷头喷出清水将双手彻底冲洗干净，大约10 s 。普通水龙头和雾化节水控制效果对比如表2所示。

按照科学的洗手步骤，采用雾化节水控制方法，耗水量约是使用普通水龍头的9.3%，节水率达到90.7%，洗手液节省了40%，并且缩短了12.5%的洗手时间。

5 结束语

上述节水效果测试表明：遵照相同的科学洗手七步法，且达到相同洗手效果的前提下，采用洗手液与水混合雾化洗手的节水控制器洗手，与使用普通水龙头相比，可以达到90.7%的节水率，同时可以节省洗手液40%。该节水控制器通过红外感应传感器和触摸感应传感器识别洗手意图，控制雾化水龙头分别工作在洗手液与水混合雾化的清洁模式，或是快速切换到清水雾化的冲洗模式。不仅使洗手过程更加人性化、自动化，而且能全方位、快速地清洁手掌，保证了洗手的洁净效果;既最大程度节约了用水，提高了用水效率，又能够节省洗手液。

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第一作者简介：杨明杰（1983-），男，福建晋江人，硕士，讲师，研究领域为自动化控制技术。（编辑：王智圣）