可控温节水淋浴器的设计

鞠金达，张婷婷，马万云，赵春飞，朱安阳，关祥毅

摘 要：设计了一种可以控制温度同时可以节水的淋浴器装置。使用该装置可以较好的解决淋浴过程中，手动调节水温时温度未达到需求温度而浪费水与出水温度不稳定的问题、滞留在水管中的冷水未被充分利用或浪费的问题等，达到控温节水的目的。

关键词：淋浴器；节水控温

0 前言

目前，宾馆、家庭以及公共浴室中广泛使用的是机械式混水阀，其类型有冷热水手调式、单把开关调温式等几种。虽然外形设计多种多样、美观大方，但是洗浴者对水温的调节都是依靠机械式混水阀对热水管道与冷水管道阀门的开启比例来实现的。其操作过程往往需要操作者通过肢体（如手）触觉进行测量来反映混合后水温是否合适，使用多有不便，并且容易导致混水阀门的使用寿命缩短。在淋浴器使用过程中，宾馆及浴池经常出现洗澡人忘记关闭阀门，造成水资源浪费的情况。因此长期以来在使用淋浴器时存在浪费水的现象。

1 装置的组成及工作原理

1.1 装置的组成

本装置主要是由51单片机、温度传感器、红外感应开关、液晶显示器、步进电机、电磁阀、双联混水阀、浮球开关、水箱等零部件组成[1]。

1.2 工作原理

可控温节水淋浴器的工作原理如图1所示。

（1）打开出水口，当人体处于红外感应开关范围时，热水管与冷水管中的水通过双联混水阀流向温度传感器，由温度传感器检测水的温度，由液晶显示器显示水温，并传给单片机温度高低的信号，单片机处理温度信号。

（2）当水温未能达到设定温度范围时，电磁阀2打开，电磁阀1关闭，使水流到冷水箱中；当温度达到设定温度范围时，电磁阀1打开，电磁阀关闭，水从淋浴头中流出[2]。

（3）当温度高于设置温度时，51单片机根据温度信号控制步进电机，使热水阀的开度减小，控制步进电机使冷水阀的开度增大，控制冷热水比例，直到温度达到设定温度范围为止。

（4）当冷水箱的水位浮球阀打开时。证明冷水箱的水位足够高，由单片机控制电磁阀关闭；同时在重力的作用下，冷水箱中的冷水通过单向阀流进冷水管，达到节约冷水的目的。

（5）冷水回流进冷水管以后，在通过23步骤调节水温达到所设定温度范围，从淋浴头流出。

（6）冷水箱浮球开关关闭时，说明冷水水位过低，电磁阀回到正常模式，重复23步骤调节水温，达到设定温度范围时流出。

1.2.1红外感应原理

接通电源后，控制器会向前方发射具有编码的红外线光波，这种光波碰到人（物）体后，会反射回来并被控制器中的接收管感知，经控制器中的微型电脑判断后立即向电磁阀喷头部分发出开阀命令，随即淋浴喷头部分的电磁阀打开，喷头出水。人体离开控制器一定距离后，反射光波减弱，接收管接收不到反射光波，微型电脑判断后立即向淋浴喷头部分发出关阀命令，电磁阀就会自动关闭，水流停止。也就是说当人体进入有效感应范围后，控制器自动发出信号，令电磁阀或电动阀的开关打开，自动进行放水，人离开后，控制器自动发出信号，令电磁阀或电动阀的开关关闭，停止流水。杜绝了洗浴中打肥皂、搓澡时离开不关阀门长流水的现象，节水效果显著。

1.2.2步进电机原理

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

1.2.3单向阀原理

单向阀有直通式和直角式两种。直通式单向阀用螺纹连接安装在管路上。直角式单向阀有螺纹连接、板式连接和法兰连接三种形式。液控单向阀也称闭锁阀或保压阀，它与单向阀相同，用以防止油液反向流动。但在液压回路中需要油流反向流动时又可利用控制油压，打开单向阀，使油流在两个方向都可流动。液控单向阀采用锥形阀芯，因此密封性能好。在要求封闭油路时，可用此阀作为油路的单向锁紧而起保压作用。液控单向阀控制油的泄漏方式有内泄式和外泄式两种。在油流反向出口无背压的油路中可用内泄式；否则需用外泄式，以降低控制油压力，本装置选用液控单向阀。

1.2.4浮球阀原理

使球体无支撑轴，球体被两阀座夹持其中呈“浮动”状态，它在管道上主要用于切断、分配和改变介质流动方向。浮动球阀主要有阀座密封设计、可靠的倒密封阀封杆、防火静电功能、自动泄压和锁定装置等结构特点。

浮动球阀适用于：化工、石油、天然气、冶金等行业及含硫化氢介质、杂质多、腐蚀严重的天然气长输管线。

2 国内淋浴器现状

我国的淋浴器企业大部分是民营企业和乡镇企业，品牌意识淡漠。行业发展初期，民营企业对市场信息灵敏、反应快，取得了快速发展。但发展至今，已经发展到了一个平台，累积已久的诸多问题与瓶颈制约了企业的进一步发展壮大。现在的行业状况，无论是从规模实力、营销网络、资源配置，还是经营理念和规范运作等方面，都远不能适应行业的发展需要。由于淋浴器制造进入门槛低，又缺乏核心技术，只能挤在窄窄的同质化的最终产品轨道上作低层次竞争，加上缺少差异化的营销手段，更鲜有双赢或多赢的竞争理念。所以，行业内很快就形成了愈演愈烈的低质价格战，其结果是强牌不强，杂牌极多[3]。

由于我国人民的生活水平和消费习惯，长期以来对于淋浴器的消费是处在较低水平的。近年来，人们生活节奏加快，生活水平得到逐步提高，对淋浴的要求逐渐提高，这促进了我国淋浴器行业销售收入的增长，2011年我国淋浴器行业国内销售收入达到157.61亿元，较2010年增长40.49%。

近年来我国自主品牌市场占有率有逐渐提高的趋势，但是总体上来看，目前我国淋浴器产品市场品牌主要以外资的中高端产品为主，市场占有率较国内品牌占有率高，如：2011年摩恩、汉斯格雅等品牌在我国淋浴器市场的占有率分别达到了11.2%和10.4%。

3 结论

可控温节水淋浴器装置解决了以往淋浴器管道存水与水温忽冷忽热的问题，具有自动控温的特点，既能节约水资源又能提高淋浴器的使用效率。

该装置用液晶显示屏显示水温，能够实现自动控制水温。消费者可以根据自己淋浴需要的温度调节水温，并且操作简单，容易控制，提高了淋浴器的实用性能，具有良好的应用价值。

参考文献：

[1] 陆培文.阀门选用手册[M].北京：机械工业出版社，2009.

[2] 郭天祥.51单片机C语言教程[M].北京：电子工业出版社，2008.147-167，342-349.

[3] 淋浴器行业发展分析.中国报告大厅，2013-01-18.endprint