创新思维一种全自动高效节水马桶的设计方案探究

重庆交通大学第四届物理综合设计与科技创新竞赛论文1一种智能高效节水马桶的设计方案探究江东勃陈际宇高攀.指导老师：邓成荣（重庆交通大学港口航道与海岸工程400074，E-mail:[e-mail]）摘要：目前中国以及全世界水资源现状令人堪忧。本产品是集传感器技术、自动控制技术于一体的新一代、高科技智能化全自动高效节水马桶。通过传感器、电机、单片机、水流控制阀等装置智能感知秽物数量及强度，通过单片机的分析综合自动调节出水量及出水时间出水强度。达到智能开启马桶盖及自动调节出水的目的。关键词：传感器智能节水马桶水流控制阀引言一、背景：1.1中国目前水资源状况调查据水利部统计，全国669座城市中有400座供水不足，110座严重缺水；在32个百万人口以上的特大城市中，有30个长期受缺水困扰。在46个重点城市中，45.6%水质较差，14个沿海开放城市中有9个严重缺水。北京、天津、青岛、大连等城市缺水最为严重.国家经贸委提出节水总体目标：至2015年，年总用水量控制在7000亿立方米以下，约占水资源总量2.8亿立方米的1／4，符合国际用水标准。考虑我国水资源时空分布的极不均匀性，不宜高于上述比例。全国形成稳定的、符合我国国情和国际惯例的现代化用水结构，第一产业用水占52％左右，第二产业为18％左右，生活用水15％左右，城市人工生态用水15％左右。1.2中国目前主要市售马桶类型简介市场现存马桶的种类及特性分析名称优势劣势冲落式马桶主要技术环节：通过重力作用形成强力水流(一般为直线进水管)将秽物冲下座便器的冲洗方式。优势：秽物可正在冲洗瞬间被快速冲出，洗净效果佳，且管路不易梗塞。冲落式马桶应用水流的冲力来排出污物，为使从便圈周围的分水孔落下的水力加大，一般池壁要求较陡;且存水池面积较小以使水力集中。其缺陷是冲水噪声大，同时由于水封面积小，易发生积垢。而强力水流虽然达到冲洗效果但水耗较多重庆交通大学第四届物理综合设计与科技创新竞赛论文2虹吸式马桶主要技术环节：使贮水箱的水冲洗马桶/座便器的秽物至排污管道(一般称为存水弯道)后形成的虹吸现象，将污物排走。优势：水箱与坐便器构成一整体，一般情况下冲洗效果较为理想。每次用水量都一样，没有灵活用水余地；另外由于不借水力冲走污物，所以池壁坡度较缓，池底也扩展了存水面积，对周围环境有一定影响。射虹吸式马桶主要技术环节：搁射虹吸式马桶的结构特性是虹吸式便器的基础上增设一个搁射附道，搁射口对于准排污管道入口的中心，搁射口径一般为20毫米。水箱供来的水经过水圈时，局部由分水孔流出清洗池壁后落入池内，局部经过搁射附道由搁射口射出。优势：是虹吸式马桶的改良型，防臭、防溅效果佳。搁射虹吸式马桶正在想象上，一切仅为理论可能。并未开始实施。漩涡虹吸式马桶主要技术环节：应用冲洗水从池底排污孔的侧上方喷出形成漩涡，随着水位的增高充溢排污管道，当便池内水面与便器排污口形成水位差时，虹吸形成，污物随之排出。漩涡虹吸式马桶的结构与其他虹吸式马桶基本相似，只要供水管道设于便池下部，并通入池底，这种马桶最大的优点就是应用了漩涡和虹吸两种做用，漩涡使其周围的水面发作强大的向心力，使上面的液体和污物快速地被卷入漩涡，又随虹吸的生成而排走。优势：排污进程快速完整，防臭、防污效果佳，噪声小。由于每次出水量一定，所以其对于水量的控制极差，不免造成浪费。二、产品创意介绍2、1产品描述本产品是集传感器技术、自动控制技术于一体的新一代、高科技智能化全自动高效节水马桶。该马桶的盖子与目前流行的卷帘门类似，通过机械传动装置、感应装置与脚踏部位相连，脚踏处采用浮动式（类似电脑键盘）。马桶底部也安装灵敏度较高的压力传感器，该传感器与水流控制阀相连，水流控制阀亦非常灵敏。当脚踩上时，脚踏处由于受力下压传感器产生信号，信号传至马达，马达启动将卷帘门拉开。同理，当人离开时，马桶盖会自动封和。当排泄物落下时，马桶底部所受压力突然变大（由动量定理，Ft=mv,t→0，F→∞），几乎在排泄物落下的同时压力传感器产生信号，信号随即通过导线传至水流控制阀，阀门开启水即流出。由于传感器与水流控制阀均非常灵敏，在水流下的稍后瞬间水即流出，避免了引排泄物停留时间过长产生粘滞阻力而浪费水。因此只需要极少量的水即可将排泄物冲走。此外，由于水流时间经过精确控制，从而提高水的利用率，最大限度的高效节水。重庆交通大学第四届物理综合设计与科技创新竞赛论文22、2产品性能指标分析产品尺寸长×宽×高（单位：cm）68.0×39.0×28.4重量（单位：Kg）22.6灵敏度传感器①（脚踏处）≥3.0Kg／mc2传感器②（马桶底部）≥0.5Kg／cm2反应时间卷帘门（马达）1.0s水流控制阀0.4s节水性能下水管道直径8cm储水量2.5L单次用水量1.0L单次节水量1.0L节水百分率100﹪功率开启或关闭时0.8w不用时（待机时）0.1w用电规格额定电压220V额定频率50Hz耗电量0.78千瓦／月注：①产品尺寸为暂定规格，批量生产前会以市场为主导，依据市场情况做相应改变②传感器灵敏度是依据多数情况而定（如：正常人体重60～80Kg,单鞋与地面接触面积10cm2,排泄物截面积4~5cm2，长10cm,密度约1.0g／cm3）③储水量多于单次用水量的原因：增大水压，提高水的利用效率④节水率是相对目前市场上广泛使用的马桶单次用水量约2.0L而得⑤耗电量是依据每天使用两次，每次约十五分钟而记2、3产品原理电路图重庆交通大学第四届物理综合设计与科技创新竞赛论文22、4产品结构简图本马桶的结构图如上图所示，控制箱内的零件为变压器、单片机等重要部件。是整个机器的心脏、控制系统。三产品主要零部件介绍3、1传感器介绍变压器，稳压器压力传感器①M压力传感器②电动机水流控制阀指示灯①指示灯②②电源压力传感器水流控制阀控制箱重庆交通大学第四届物理综合设计与科技创新竞赛论文3（1）压力传感器压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。晶体是各向异性的，非晶体是各向同性的。某些晶体介质，当沿着一定方向受到机械力作用发生变形时，就产生了极化效应；当机械力撤掉之后，又会重新回到不带电的状态，也就是受到压力的时候，某些晶体可能产生出电的效应，这就是所谓的极化效应。科学家就是根据这个效应研制出了压力传感器几种常见的压力传感器为1.应变片压力传感器2.陶瓷压力传感器3.扩散硅压力传感器4.蓝宝石压力传感器5.压电压力传感器6.电流互感器本产品为水利马桶型，由于原理需要性，我们要求的压力传感器必须具有高精度，高密度的性能而纵观传感器，它具有以下特性：1、传感器的静态特性传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等。2、传感器的动态特性所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。3、传感器的线性度通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度（非线性误差）就是这个近似程度的一个性能指标。拟合直线的选取有多种方法。如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线；重庆交通大学第四届物理综合设计与科技创新竞赛论文2或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线，此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。4、传感器的灵敏度灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化△y对输入量变化△x的比值。它是输出一输入特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间显线性关系，则灵敏度S是一个常数。否则，它将随输入量的变化而变化。灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。例如，某位移传感器，在位移变化1mm时，输出电压变化为200mV，则其灵敏度应表示为200mV/mm。当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。提高灵敏度，可得到较高的测量精度。但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也往往愈差。5、传感器的分辨力分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化。当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过分辨力时，其输出才会发生变化。通常传感器在满量程范围内各点的分辨力并不相同，因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨力的指标。上述指标若用满量程的百分比表示，则称为分辨率。6、传感器的迟滞特性迟滞特性表征传感器在正向（输入量增大）和反向（输入量减小）行程间输出-一输入特性曲线不一致的程度，通常用这两条曲线之间的最大差值△MAX与满量程输出F·S的百分比表示。迟滞可由传感器内部元件存在能量的吸收造成。压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。由于节水马桶市面已经产生，而如何才能最大程度上发挥我们节水上的优势，与我们核心部件压力传感器的选择是分不开的，其次要明白相同的水箱挡位，不等于同样的节水性能。要注意，在相同节水效果的情况下，单次冲洗是否干净，这就成了选择产品的重点。性能好的水件会有好的节水效果，而且不易漏水。此外，冲洗的效果还与产品的釉面质量有直接的关系，产品釉材料好，烧制温度高，因此吸水率低，不易挂脏，自然容易冲洗干净。我们的压力传感器恰恰避免了这些，因为高精度高品质高密度的特性，非常适合我们新型节水马桶3、2变压器与稳压器重庆交通大学第四届物理综合设计与科技创新竞赛论文1当变压器一次侧施加交流电压U1，流过一次绕组的电流为I1,则该电流在铁芯中会产生交变磁通，使一次绕组和二次绕组发生电磁联系，根据电磁感应原理，交变磁通穿过这两个绕组就会感应出电动势，其大小与绕组匝数以及主磁通的最大值成正比，绕组匝数多的一侧电压高，绕组匝数少的一侧电压低，当变压器二次侧开路，即变压器空载时，一二次端电压与一二次绕组匝数成正比，变压器起到变换电压的目的。当变压器二次侧接入负载后，在电动势E2的作用下，将有二次电流通过，该电流产生的电动势，也将作用在同一铁芯上，起到反向去磁作用，但因主磁通取决于电源电压，而U1基本保持不变，故一次绕组电流必将自动增加一个分量产生磁动势F1,以抵消二次绕组电流所产生的磁动势F2,在一二次绕组电流L1、L2作用下，作用在铁芯上的总磁动势（不计空载电流I0),F1+F2=0,由于F1=I1N1,F2=I2N2,故I1N1+I2N2=0,由式可知，I1和I2同相，所以得到公式：I1/I2=N2/N1=1/K由式可知，一二次电流比与一二次电压比互为倒数，变压器一二次绕组功率基本不变，（因变压器自身损耗较其传输功率相对较小），二次绕组电流I2的大小取决于负载的需要，所以一次绕组电流I1的大小也取决于负载的需要，变压器起到了功率传递的作用。对于精度节水来说，能够做到在最大程度上稳定电压，才能确保传感器的有效发挥。3、3单片机介绍图片展示：单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、