一种温差式智能节水水龙头设计

一种温差式智能节水水龙头设计

王铎1郑立康1杨帅鑫2马世中3钟泽鑫1

（1.华北理工大学机械工程学院河北省唐山市063210；2.华北理工大学信息工程学院河北省唐山市063210；3.华北理工大学电气工程学院河北省唐山市063210）

摘要：针对现有水龙头因结构或人为等因素造成的水资源浪费问题，设计了一种温差式智能水龙头，本产品可以在无需额外供电的前期下，基于塞贝克效应利用水管内外温差自发电，并实现多模式智能感应供水，在节电节水的同时满足不同情况的用水需求.

关键词：温差发电；多节水模式；智能感应出水；漏水自检报警

1引言

随着水价逐步提高，居民家庭生活用水节约意识大大增强，但对公共场所的水资源浪费现象却普遍缺乏责任感，对看见的水资源浪费现象比较淡漠、缺乏责任意识。因此，目前在公共厕所的洗手间以及宾馆饭店卫生间等公共场所仍存在着不同程度的浪费水现象。为提高水资源的保护以及合理利用水资源，减少水资源的浪费，我们设计了一种温差式智能节水水龙头。

2设计方案

2.1方案构想

为减少水资源与电源的浪费，弥补和完善当前水龙头的缺点和不足，增强水龙头的功能性，我们设想建立一个可以准确反应水龙头控制系统的状态空间模型；同时以温差发电技术、单片机为核心，构建水龙头控制系统，并完成测试；最后运用3d建模等方法制作出水龙头实物模型。

2.2结构设计及工作原理

2.2.1整体结构设计

本产品提供了一种温差式节水水龙头，包括：水龙头出水口、水龙头壳体、红外感应器、指示灯、声音传感器、温差发电片、单片机、蓄电池、升压模块、电磁阀，其特征为：水龙头出水口入水端与水龙头壳体出水端相连，红外感应器安装于水龙头出水口侧表面，另一红外感应器安装于水龙头壳体表面，指示灯安装于水龙头壳体表面，声音传感器安装于水龙头壳体内壁，温差发电片嵌入在水龙头壳体侧面，水龙头壳体下部安装有单片机，单片机与红外感应器、指示灯、声音传感器、蓄电池、电磁阀连接，温差发电片与升压模块连接，升压模块与蓄电池连接。

出水口结构设计：水龙头出水口整体图与爆炸图，水龙头出水口包括：轴、垫片、垫圈、泡沫滤网、上端固定环、扇形遮挡片、扇形花洒片、下端固定环、内置隔水环、旋转外壳；扇形遮挡片通过轴与多个扇形花洒片相连，扇形遮挡片与最上层扇形花洒片之间通过键连动；多个扇形花洒片之间通过键连动，最下层的一个扇形花洒片固定在下端固定环，其余扇形花洒片下级随上级转动，并可以绕轴沿下端固定环的内壁轨道旋转；泡沫滤网通过轴与扇形遮挡片上部相连，泡沫滤网通过垫圈固定在上端固定环上；旋转外壳套于内置隔水环外部，旋转外壳内壁与扇形遮挡片连接，扇形遮挡片随旋转外壳旋转；下端固定环上端与上端固定环下端连接，下端固定环套在内置隔水环内部。

通过旋转水龙头外壳，带动扇形遮挡片转动，实现扇形遮挡片与扇形花洒片的上下级连动，来调整水流出的形态；当六片扇形片重合在一起时，水流为泡沫形态，转动一定角度，水流变为泡沫和花洒两种形态，当扇形片转动一周，水流为花洒形态。

2.2.2系统工作流程

（1）当水管内外有温差时温差发电片产生电压，温差发电片产生的电压通过升压稳压模块[9]为蓄电池充电；蓄电池通过7805将6V电压降低至5V给单片机供电。

（2）当红外感器感应到障碍物时，将传输信号给单片机，再根据当前供水模式供水。

（3）声音传感器感应到声音强度超过设定值，将信号传输给单片机，单片机在确认电磁阀没有工作后触发报警装置。

2.2.3用户使用流程

用户在使用该水龙头时可根据不同需求调整水龙头出水模式，当用户想要洗手时，可直接将手伸至底部红外感应器处，水龙头自动出水3s供用户洗手，当用户想要洗衣服时，可先将水龙头出水口外壳旋转120°，将要洗衣服的盆或桶放在接水处使底部红外感应器感应到遮挡物，同时去遮挡出水口侧部红外感应器实现洗衣模式出水，当侧部红外感应器再次感应到障碍物时停止出水；当用户想要长时间接水时，可先将水龙头出水口外壳旋转240°，并遮挡水口侧部红外感应器实现接水模式出水，当侧部红外感应器再次感应到障碍物时停止出水。提示灯会根据不同模式显示不同颜色供用户了解当前为哪种出水模式。

2.2.4温差发电系统设计

当安装在水管壁内外的温差发电片冷热面有温差时，温差发电片产生电压，温差发电片产生的电压通过升压稳压模块为蓄电池充电；蓄电池通过7805将6V电压降低至5V给单片机供电。

2.2.5龙头智能红外感应

本项目采用双重红外感应装置[13-14]，在水龙头的侧表面与水龙头壳体表面均设有红外感应装置，通过这两个红外感应装置以及旋转水龙头外壳实现对出水的控制和对出水模式的控制。

当人体的手放在水龙头的红外线区域内，红外线发射管发出的红外线由于人体手的摭挡反射到红外线接收管，通过集成线路内的微电脑处理后的信号发送给脉冲电磁阀，电磁阀接受信号后按指定的指令打开阀芯来控制水龙头出水；当人体的手离开红外线感应范围，电磁阀[12]没有接受到信号，电磁阀阀芯则通过内部的弹簧进行复位来控制水龙头的关水。

2.2.6漏水自检系统设计

本产品配有漏水自检功能]，利用水龙头管道内部的声音传感器来检测是否漏水，声音传感器工作时，通过声音震动，测得该处声音强度，同时反馈信号给单片机，单片机判断电磁阀是否工作，如果没有工作，则触发报警装置。该过程一直循环进行。当检测到漏水时，指示灯会变红提示使用者进行报修。

系统设计如图所示：

3节水量分析

每当有1个人洗手时，就节省了0.5L水（22.14%的洗手用水）。我国生活污水处理率为85%，相当于每次节省了0.425L的生活污水处理费，向海洋的污水排放减少了0.025L。假如每人每天洗手4次，则每年可以节省620.5L水，可减少36.5L污水排向海洋。

对于传统手触式水龙头，当水龙没有拧好或者损坏时就会漏水，平均4分钟可以漏水30mL，一天也就是10.8L，通过这种感应式水龙头中漏水自检系统可以大大降低由于水龙头没拧好或者损坏造成的水资源浪费，一年大概可以节省3942L水。

通过对出水口的设计，可以大大减少人们生活用水量，初步估计，用932.5mL水洗手足以，相较于手触式水龙头的2258mL用水量，后者的用水量足以支持前者2个人，那么每年节省的水资源更是一笔不小的财富。

4结论

本产品可以在无需额外供电的前期下，基于塞贝克效应利用水管内外温差自发电，对温差产生的电能进行储存与释放，进一步利用此电能来节约用水，在节约了电能与水资源的同时，实现多模式智能感应供水，具有较高的独立性和泛用性，适用于住宅、学生宿舍、餐厅、商场等配有供水设备的场所，在节电节水的同时满足不同情况的用水需求；设有漏水自检报警系统，提醒使用者及时检修，减少了漏水造成的水资源浪费；操作简便，使用寿命长，又由于本品的经济可行性较强，对空间的占有量不大，在节水的前提下满足多情况用水需求，且结构简单、造价低廉。

参考文献：

[1]刘海燕.用于人体热量回收的表链式柔性温差发电器设计与制造[D].浙江大学，2016.

[2]张峰.温差发电技术的研究进展及现状[J].通信电源技术，2016，33（06）：176+194.

[3]赵建云，朱冬生，周泽广，王长宏，陈宏.温差发电技术的研究进展及现状[J].电源技术，2010，34（03）：310-313.

[4]柳长昕.半导体温差发电系统实验研究及其应用[D].大连理工大学，2013.

[5]何元金，陈宏，陈默轩.温差发电———种新型绿色的能源技术[J].工科物理，2000，（02）：36-41+25.