一种新型节水自动冲厕装置的设计

王 骐，王 佳，王青萍，王怀兴

（湖北第二师范学院物理与电子信息学院，湖北 武汉 430205）

自动冲厕装置目前使用最广泛的是红外感应自动冲厕装置，传统的红外传感冲厕装置采用红外脉冲幅度测量进行测距感应。其工作机制是单片机利用定时开关周期性检测传感器采集到的测距数据，以此判断是否有人进入及是否冲水等。它还可以在设定的时间周期内自动冲水，以防第一次冲厕失败。有些红外冲厕装置也能对单次冲水时间进行设置从而达到节水的目的。

传统的红外传感自动冲厕装置虽然智能化程度比较高，但它设计复杂、不够节水且成本较高。本文设计的一种基于力敏传感器、测量放大电路和定时开关控制的新型节水自动冲厕装置，很好地克服了红外传感自动冲厕装置的上述不足，在成本、环保和人性化等方面具有一定优势。

1 新型节水自动冲厕装置的工作原理

与传统红外感应自动冲厕装置相比，新型节水自动冲厕装置无需用到单片机，控制装置主要为一个定时开关，因而其结构要比红外感应冲厕装置简单，成本更低，易于生产和安装。这种新型节水自动冲厕装置示意图如图1所示，工作原理如下：

1）当凹形受压板上有粪便时，传感器受压感应，将粪便重力信号转变为电信号；

2）电信号经直流放大电路放大到继电器的吸合电流，使继电器闭合，此时定时开关开始启动运转；

3）家用电源经整流器整流后变为低压直流，通过定时开关与电磁水阀连接，定时开关使电磁水阀周期性开闭从而实现周期性检测和冲厕功能。即当检测到粪便后开始第一个周期的冲水，当第一次冲水停止后若检测到便池还未冲干净便进行第二个周期的冲水，如此反复直到冲干净为止；

4）每次冲水后都会有一定的停滞时间用于感应便槽是否冲干净，及等待冲厕的水排流干净以防止误将水作为感应对象。当感应到便槽已冲干净后力敏传感器不再受压，此时无明显电流流经放大电路使继电器断开，定时开关停止运转，从而使电磁水阀与电源断开，冲厕工作停止；

5）若便池内的脏物重量太轻无法感应到或蓄电池没电时，可使用手动开关进行人工冲厕。

图1 新型节水自动冲厕装置工作原理示意图Fig.1 Schematic diagram of a new automatic water-saving toilet-flushing device

定泛pei定时开关为此装置的主要控制中心，装置用的定时开关是机械式定时开关[1]。小电机经减速调速器减速后带动轮盘转动，轮盘上阴影部分为金属导体，空白部分为绝缘体，在轮盘周围紧贴有两片铜刷，经导线分别连接电源和电磁水阀。轮盘转动时，铜刷便可实现周期性接通和断开，从而实现周期性冲水。通过减速调速器还可对轮盘转速进行手动调节，当增大轮盘转速时就会减小单次冲水时间和冲水周期，反之便会延长冲水时间和冲水周期。很明显，冲水时间和冲水周期越短节水能力就越强，但也不是越短越好，因为如果冲水时间和周期太短，不但无法及时将粪便冲干净，而且因为冲水周期太短，便槽内的水可能尚有残余，从而导致被再次检测到，使装置不停地冲洗厕所。

2 内部结构及理论分析

2.1 蹲便器的组成与设计

蹲便器的组成包括陶瓷便槽，凹形受压板，支撑弹簧，调节弹簧等。1）陶瓷便槽：与普通的蹲便器相似，由于在便槽上加了一层凹形受压板，故对便槽底层的材料不做要求，甚至可以用水泥代替陶瓷；2）凹形受压板：受压板与粪便直接接触，因此其制作材料必须为陶瓷或不锈钢等光滑防粘材料；3）支撑弹簧：用于支撑受压板，因为可能会接触到水，故需用不锈钢材料制作或进行镀膜防锈；4）调节弹簧：主要用于防止支撑弹簧的机械疲劳。当支撑弹簧由于机械疲劳而弹力减损时，可调整调节弹簧，以弥补减损的弹力，否则会导致应变片传感器因为一直受压产生感应而产生误操作。

2.2 电路设计及理论分析

电路组成包括传感器、测量放大电路、继电器、手动开关、定时开关、电磁水阀、蓄电池、整流器。

1）传感器

此装置比较适合使用应变片力敏传感器，其优点是结构简单、重量轻、体积小、温度适应能力强、精度高、频率特性响应较好、价格低廉等。如图2所示，传感器主要由两片相同的应变片R1，R2，形变片和顶杆组成。两片应变片分别粘贴在形变片上下两侧，当顶杆受压时就会导致形变片发生弹性形变使应变片R1受到拉伸力，应变片R2受到挤压力，从而使其阻值发生改变[2]。

2）测量放大电路

测量放大电路由传感器测量电路和直流放大电路组成。

图2 应变片传感器结构示意图Fig.2 Schematic diagram of strain gauge sensors

①传感器测量电路[3]：在使用应变片测量应变时，必须用适当的办法测量其电阻值的微小变化。为此，一般是把应变片接入某种电路，让其电阻值的变化对电路进行某种控制，使电路输出一个能模拟该电阻值变化的信号，然后，只要对这个电信号进行相应的处理就行了。常规电测法使用的电阻应变仪的输入回路叫做应变电桥，它是以应变片作为其部分或全部桥臂的四臂电桥。它能把应变片电阻值的微小变化转化成输出电压的变化。应变片在电桥中的接法有3种[4-5]：a.半桥单臂式接法；b.半桥双臂式接法；c.全桥式接法。

半桥双臂式和全桥式接法（也称半桥、全桥差动电路）的灵敏度高且具有温度补偿功能，在应变片的安装上也与应变片传感器的结构相适应，故测量电路选择半桥双臂式或全桥式电路更为合适。两种电路原理相同，唯一区别是全桥式电路比双臂式电路的电压灵敏度大一倍，故这里且只介绍半桥双臂式电路。半桥双臂式接法是将两个工作片接入电桥的两个相邻桥臂，另两个桥臂接固定电阻，两个工作片同时互为温度补偿片。半桥双臂电桥的接法和计算公式如下。

如果桥臂电阻R1和邻边桥臂电阻R2都由应变片替代，且使一个应变片受拉，另一个受压，这种接法成为半桥差动式工作电路。其接法如图3所示。

当电桥开路时，不平衡电桥输出的电压为：

图3 半桥差动式电桥电路Fig.3 Half-bridge differential bridge circuit

UO与ΔR1/R1成线性关系，差动电桥无非线性误差。电压灵敏度S=E/2，比使用单只应变片提高一倍。

②直流放大电路：在交流放大电路中，输入的交流信号是通过耦合电容叠加到输入端的静态工作电压和电流上的，叠加后的输入电压和电流是含有交流成分的直流信号，使工作点随输入信号的变化而变化，输出是放大后的变化的直流信号，通过输出耦合电容分离出交流成分。而直流放大电路不能有耦合电容，因为电容不能通过直流信号。对于一个单管放大电路来说，它有静态工作点，但静态工作点不能为零，因此它虽然可以放大直流，但它的输入和输出都叠加了静态工作电压和电流，因此放大不是线性的。

如果用两个完全相同的单管放大电路，用这两个放大电路的两个输入端作为一个信号的输入，两个输出端作为这个信号放大后的输出，那么这两个放大器的静态工作点就可以抵消，当输入为零时输出也是零，当输入直流电压时，输出则是放大后的直流电压。这种直流放大器，实际上就是差动放大电路。差动直流放大电路具有抑制零点漂移的能力，故装置选择差动直流放大电路[6-8]，如图4所示。通常把幅度相等，相位相反的一对输入信号，称为差模信号。当Ui1=Ui2差模输入时，两面三极管集电极输出分别为：UC1=UC2=-KUi2。所以差模放大倍数为：

由于差动电路的双端输入电压、双端输出电压均比单管共射放大电路增加一倍，所以差模放大倍数与单管共射电路的放大倍数相同。为提高抑制零漂能力，应使共模放大倍数越小越好，差模放大倍数越大越好，一般根据共模抑制比C=Kud/Kuc作为评价差动放大电路性能好坏的重要指标。另外，装置还可采用交流放大器对信号进行放大处理，应变片电桥电路采用交流电供电，组成交流电桥。其优点是零点漂移现象小，抗干扰能力强。

3）继电器

图4 差动放大电路Fig.4 Differential amplifier circuit

继电器是一种当输入量（激励量）的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的元件。它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种自动开关，在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

4）手动开关

即需手动接通的开关，这里使用基于555芯片的延时开关，其电路图如图5所示，工作过程如下：

①触发前：触发端V1为高电平，2号比较器也输出高电平，此时输出端VO为低电平，放电管导通，VC1为 0；②触发时：当幅度低于VCC的窄脉冲触发信号加在触发器时，比较器输出低电平，锁存器置1，放电管关闭，输出端VO输出高电平，电源通过电阻向电容C充电，VC1电压指数增加，暂稳态开始。经过一个小的时间延迟，V1的触发信号消失，触发端变为高电平；③暂稳态结束时：VC1达到VCC，比较器 1输出低电平，输出端输出低电平，放电管导通，电容C通过放电管放电，当VC1电压低于VCC时，比较器1输出高电平，恢复触发前的状态；④输出脉冲宽度：电容电压VC1从0增加到VCC需要的时间TW=1.1RC。通过调节电阻值R或电容值C便可调节延时时间TW。

图5 延时开关电路示意图Fig.5 Schematic diagram of delay switch circuit

当按一下触发开关后，输出端的继电器吸合，电源与电磁水阀接通水阀打开冲水；过了延时时间后继电器自动断开，电源与电磁水阀也断开水阀关闭停止冲水，触发波形图如图6所示。

图6 延时开关触发波形图Fig.6 Schematic diagram of delay switch trigger waveform

5）定时开关

定时开关主要由小电机、减速调速器、轮盘、铜刷等组成。这里只介绍减速调速器的结构原理。小电机由减速行星齿轮减速后经履带和活动齿轮带动锥形调速齿轮，锥形齿轮经长形齿轮带动轮盘。活动齿轮在弹簧的作用下与锥形齿轮紧紧啮合，它可以以行星齿轮为轴心、以中心履带为半径作圆弧运动，使得锥形齿轮能够上下运动。当锥形齿轮向上运动时，轮盘转速增加，反之轮盘转速下降。减速调速器就是通过这些齿轮组来实现电机减速和调速的。

6）电磁水阀

为普通冲厕的电磁水阀，通直流电，长闭式二位二通，即仅当通电时才打开阀门，只有开和关两种状态。

7）整流器

普通整流器，用于将电源整流为低压直流电的电子器件。

8）蓄电池

一般的可充电蓄电池，电池电压要大于或等于放大电路和定时开关的额定电压，小于其最大工作电压，蓄电池主要作为后备电源，如果要节省成本也可以不使用。

3 结束语

该装置已经在实验室进行了仿真模拟实验[7]，效果良好。与传统的红外传感自动冲厕装置相比，此装置主要有以下优点：

1）成本更低；2）结构更简单。无需单片机等复杂电子元件和软件设计；3）具有更强的节水功能。仅在如厕时进行冲厕工作，可调节单次冲水量至最佳水平，从而使节水能力达到最大；4）能及时冲洗便池防止臭味发散。装置能够实现即时检测，当检测到粪便就会立刻开始冲水，大大减少了臭味发散的时间。而红外传感冲厕装置需在设定时间或在人离开后才能进行冲水，从而会因臭味发散使如厕者感到不适；5）体积小，易于安装，无需入墙安装；6）在安装蓄电池的情况下，停电时也能正常工作。

在装置的实现过程中可能遇到的问题主要有2个：1）应变片传感器灵敏度的把握问题。在整个装置的实现过程中，传感器的灵敏度问题是个很重要的问题。要准确的把握传感器的灵敏度，就必须要进行实验测试才能够找到一个合适的灵敏度值。2）电路的干扰问题。解决电路干扰问题的可行方法是应变片电桥电路用交流电供电，组成交流电桥，采用交流载波放大器对信号进行放大处理。其优点是灵敏度高、稳定性好、外界干扰小、电源影响小和造价低等。但也存在工作频率上限较低、长导线对分布电容影响大等缺点。另一个方法是在直流电桥的输入电压接稳压器以减轻电源不稳定对电路造成的影响。

因此，装置的正常运行还需要根据具体的试验测试来选择最佳方案。

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