高校学生公寓自动节水控制装置

孙志扬　何庆　柴华伟　徐国祥　陈月亮

摘 要：本装置通过管道连接顶层与各楼层的用水单元，辅以微电子技术，实现废水与雨水收集、存储，再用于楼层卫生间等需大量用水的场合，从而实现废水再利用及节水的目标。装置使用管道将废水（或雨水）按楼层高低自上往下逐层传递，达到对废水（或雨水）资源的最大化利用；使用单片机控制实现对管道通与断的自动化管理，通过传感器信号的检测与传递让管道上的电磁阀在需要时自动打开，对卫生间进行供水或补水操作。

关键词：废水利用；管道；单片机

中图分类号：X703.1 文献标识码：A 文章编号：2095-7394（2017）02-0024-04

水是生命之源，在全国约670个城市中，一半以上存在着不同程度的缺水现象。在大学校园中，每天都有大量的用水需求，不少水资源被使用后白白的流掉，造成了用水浪费。

南方多降雨，高校校园面积较大，如果能够将雨水等水资源集中起来，处理后将其再使用（如用于冲刷卫生间等），就能实现绿色环保的目的。在国外已经有不少地区开始进行废水回收与再利用，而在我国一些大城市也已经开始尝试。

因此，从废水（或雨水）收集、再利用两个方面进行考虑，高校学生公寓自动节水控制装置将能够较好弥补水源利用方面存在的缺陷。

1 废水再利用装置简介

本装置由管道系统与电子设备组成。[1-2]管道系统由废水（雨水）收集管道、溢水管道、自来水补水管道、用水管道、储水箱组成，废水或雨水通过废水（雨水）收集管道，经过滤装置流到储水箱，用水管道在储水箱底部，在需要时储水箱中的水可以供给相应的用水单元使用；如果水量不足，可以通过自来水补水管道实现补水。溢水管道在水箱上部，如果雨水水量过大，可以通过溢水管道外流。电子设备由单片机，传感器，电磁阀组成。在储水箱中安有液位传感器，用来检测水箱中水位，判断是否需要补水；在用水单元上装有传感器用来检测是否有人正在使用卫生间，通过单片机控制对应的电磁阀通与断，从而判断是否需要用水。[3]

2 设计特点及装置功能

2.1 设计特点

（1）补水方式多样化。对储水箱补水，本设计采用的补水方式是依靠废水来实现补水功能；此外还有雨水补水、自來水补水等多种方式，保证在节约用水的同时不会因为储水箱的水量不足而出现断水的情况。

（2）功能控制自动化。通过单片机、传感器等，当传感器采集到水量不满的信号时，则会自动补水；采集到有人在使用卫生的信号时，则会自动供水。

（3）机电一体化。高校学生公寓自动节水控制装置通过使用单片机与传感器等来达到用水信息或信号时，控制自来水补水管道与用水管道的通与断，实现管道与电子信号的有机控制。

2.2 装置功能

（1）水源收集功能。在装置过程之中，可以通过废水收集管道，雨水收集管道对生活中易被忽略的水资源进行收集。

（2）自动补水功能。为了防止废水（或雨水）储水总量不够，在装置中安置了传感器与自来水补水管道，当在需要用水时检测到储水箱中水量不足时，将会打开自来水补水管道的电磁阀进行自动补水。

（3）自动放水功能。为了方便用水场合的管理，提升清洁度，本装置中安装了红外传感器与电磁阀，当检测到有人使用完卫生间需要放水冲刷时，电磁阀将会自动开启，自动放水。

3 装置系统方案设计

3.1 收集装置

在楼层的偏上部，设管道将雨水、盥洗室废水等直接通入装置顶部，如图1中的通道2， 通道3。将该装置安置在楼层室内，通过建立多条管道，引导废水从原本的地点转移到此装置之中，此外，对自然降水也进行收集，如果水流过大，那么将多余的水通过其他渠道进行排出到下一个楼层的装置之中，如图1之中的通道8。在汇集于装置之后，已收集水源通过安装在装置下方的管道通路将水流到需要使用这些水源的地方。

3.2 过滤装置

在如图1中所示的管道中，装入过滤装置1，从而对管道之内的污渍进行排除过滤，确保废水之中没有大块的杂质，提高废水的使用范围；同时，也可以防止污渍造成水管的堵塞，产生不必要的麻烦。本设计将过滤装置安装于2、3号通道的底部，从而对通过2、3号通道流入本装置的废水进行有效的过滤。

3.3 废水分配装置

若有大量的废水（或雨水）进入本装置内，当废水（或雨水）溢出，可直接通过溢出管道8流入下楼层装置内，依次直至最下一层。当最下层水箱满时，则通过溢出口自动排入下水道。当下雨天雨量过大导致顶层雨水收集管道3无法及时排水时，可以通过安装在楼层室外的通道13将多余的雨水向外排出，如图2所示。此装置内部有连接的自来水管道5，当装置内的水位下降到一定程度，通过液位传感器，触发单片机控制电磁阀7使自来水自动通过进水口进入该装置进行补水，直到传感器发出信号则会自动停止补水。集水箱内的水若需要使用，可以打开集水箱下部的电磁阀9，通过管道10使水流到相应地点进行使用。

4 自动控制方案

该装置通过C语言实现对单片机进行编程控制。在本装置中使用AT89S51单片机，由于其内部容量对本项目可以足够，因此不需要再添加扩展程序存储器。

该类型单片机共有40个引脚，其中的标号为P1、P2、P3、P4口各由8个引脚组成，本装置选用P1口中的P1^0 引脚、P1^1引脚、 P1^2引脚、 P1^3引脚（单片机芯片缺口向上左侧从上至下第1～4号针脚）进行编程使用。通过单片机的P1^0引脚、P1^1引脚作为输入端，检测各传感器传输的信号；使用单片机的P1^2引脚、P1^3引脚作为输出端配合中间继电器控制各电磁阀进行工作，单片机的连接方式如图3所示。

单片机所用电源接5V直流电源。单片机时钟电路引脚XTAL1与XTAL2与频率为11.0592MHz的晶振连接提供脉冲信号，红外传感器信号线通过三极管放大信号之后接于P1^0 引脚，液位传感器信号端接于P1^1引脚，P1^2引脚、P1^3引脚经电阻后与三极管与中间继电器相连，中间继电器的得失电控制电磁阀通断。

在程序编程过程之中，主要使用while语句结构，实现循环检测，通过程序while（P1^0==1）判断是否有人在使用楼层卫生间、程序while（P1^2==1）判断储水箱是否满水。当P1^0==1，经过短暂延时排除误碰传感器等情况之后，若仍然为P1^0==1，则判断为有人在使用楼层卫生间，程序进入水箱水位检测环节之后开始等待，当变为P1^0==0，即电压出现下降则表明有人在使用卫生间，那么输出P1^3=1：当P1^3口处于高电平时，继电器KA2驱动电磁阀打开，开始进行用水冲洗工作，当P1^2==1即水箱水不满时，则控制相应输出P1^2=1：当 P1^2口处于高电平，继电器KA1得电驱动电磁阀打开，开始进行自来水对水箱的补水工作；当P1^2==0即水箱已经满水，则控制相应输出P1^2=1使继电器KA1失电，驱动电磁阀闭合断水，单个周期控制顺序如图4所示。

5 结语

高校学生公寓自动节水控制装置采用了管道与控制系统相结合的方式，通过机械装置，实现废水（或雨水）的过滤、收集、再分配给各楼层用水单元再利用；通过电子控制装置，经电磁阀的通与断来实现水箱的自动补水功能，自动为用水场合提供再生水源等功能，从而达到了对废水（或雨水）进行自动分配及再使用的目的。通过此装置，可有效缓解高校学生公寓中水资源浪费严重的现象，并能提升高校卫生间等用水场合的清洁度。

参考文献：

[1] 张迎新，王盛军，何立民，等.单片机初级教程——单片机基础[M].北京：北京航空航天大学出版社，2015.

[2] 李广弟，朱月秀，冷祖祁.单片机基础 [M].3版.北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[3] 李亚峰，班福忱，蒋白懿.高层建筑给水排水工程 [M].2版.北京：化学工业出版社，2016.

Automatic Water Saving Control Device for University Student Apartment

SUN Zhi-yang，HE Qing，CHAI Hua-wei，XU Guo-xiang，CHEN Yue-liang

（School of Mechanical Engineering， Jiangsu University of Technology， Changzhou， 213001，China）

Abstract： The device is connected with the top and water unit of each floor through the pipeline， with microelectronics technology， the wastewater and rainwater are implemented to collection， storage， and require a lot of water for toilet floor occasions， in order to achieve the wastewater reuse and water saving target. The wastewater （or rainwater） is transferred according to floor level from the top down layer by layer by the pipeline， to maximize use of resources. It is realized that the use of single-chip microcomputer to control the pipeline connection and disconnection， that is automation management. Through the detection of sensor signals the electromagnetic valves on the pipeline are opened automatically when needed. Water is supplied or made up to the toilet

Key words： waste water utilization； pipeline； single chip microcomputer

責任编辑 祁秀春