| 河南师范大学数学与信息科学学院 摘要：针对当前市场上的红外感应水龙头存在的流水浪费现象，利用数学建模思想以及仿真实验，设计出一种新的对感应水龙头 出水方式的控制策略。通过对于不同规格电磁阀的组合，以实现对于水流速度的控制。 关键词：感应水龙头；数学建模；仿真实验 地球上的淡水资源有限，尤其是我国，人均可利用淡水量不 到世界平均数的四分之一。节约用水便成为全民关注的焦点。许 多城市为了节能，纷纷采取提高水价方式来抑制能源消费。因此 节水洁具成为众多目光关注的焦点。几乎所有的卫浴洁具都把节 水作为最大的卖点，同时以往出现在公共场所的感应式水龙头也 开始走进家庭，因为这样可以最大限度的节约白流水的现象。但 是，自动感应式水龙头的推广也并不能完全避免“白滴水”现象， 例如当手离开水龙头的感应范围之后，因为延迟的存在，水龙头 仍然会有一到两秒的流水，因此通过对人们洗手时不同步骤所需 时间进行调查并建模分析，以期望通过对出水环节进行优化处理 是该行业的一个主要研究方向，此研究方向亦是当今部分学者所 极力关注的焦点，现我们试图运用数学建模理论以及控制理论设 计出更加节约的新型的水龙头。我们的目的是利用不同规格电磁 阀的组合实现控制出水速度及减小出水量致l，并使之在不同组 合情况下满足总出水量L 较小。 研究的内容主要有以下几点： 1.对建立节水优化模型的研究 基于调查所得到的数据，以及通过多次对不同水流速、水流 量、水流时间和不同电磁阀的组合的实验，建立合理的理论模型， 以选择最合适的数据，从而建立相应的节水优化模型。 2.对出水速度以及出水量最优化控制的研究 电磁阀是红外感应水龙头工作的重要元件，当手处在红外感 应范围内是，电磁阀接收到单片机的指令进行开启。而电磁阀只 能进行开启或关闭，并不能控制开启的程度，因此将两个电磁阀 并联，通过控制开启数量以实现对速度的控制。通过对不同规格 的电磁阀进行搭配，以研究出如何控制能排出要求的出水量。 3.对出水时间合理化控制的研究 通过数学建模，对统计得到的数据进行分析，以得到在不同 情况下的出水时间以及水流变化的具体时刻。研究编程的相关知 识以及单片机的原理，并编写出相应的程序，来实现通过对电磁 阀开启时间的控制从而达到对出水时间的控制。 4.对出水时间及速度进行仿真实验的研究 在对（2）、（3）的内容进行研究的基础上，根据前期数据 的分析结果编写出单片机对电磁阀的控制程序，然后根据输入的 不同时间在单片机学习开发系统上不断进行模拟实验，比较不同 的执行结果，并对出水速度及时间进行合理的调整，利用计算机 进行仿真实验以期对程序以及流水速度及时间进行优化。 基于此研究内容设计的实验步骤如下： 1.收集调查数据，通过数学建模得出一般人洗手所需要的时 间： 情况一：湿手时间（T1s），使用洗手液（T2s），再次使用 水龙头到结束（T3s） 情况二：不使用洗手液只洗手（ts） 在T1 时刻控制电磁阀调节出水量至l，使减小； （A）若之后手仍在感应范围内在默认为情况二，出水量调节 回默认出水量，之后在t-2 时刻改变出水量为L，手离开感应区 出水停止 （B）若手离开感应范围，则默认为情况一，在T1 时刻停止 出水，T2 时刻再次出水，出水量为默认出水量，在T3 -2 时刻改 变出水量为l，手离开感应区出水停止。 2.将两个不同规格的电磁阀进行组合，改变电磁阀的不同组 合来比较用水流量，L 表示从洗手开始到结束全过程所用水量，l 表示减小水量后的流量。取不同情况下L 最小，l 最合适的搭配 组合为最优组合。 3.根据实验，详细编写单片机的控制程序。我们关于此项目 的可行性进行了以下的分析，从该项目背景背景来看，目前已经 存在的红外感应水龙头节水有效地防止了“白滴水”现象，可是 仍有一些不足，比如由于水流过急、水流量过大造成水的浪费. 本课题正是基于此现象，构想出一种可控制水流量、水流速的更 加节约水资源的感应水龙头。 从技术可行性分析来看，红外感应技术可行性：当今红外感 应器的应用日益广泛。它的性能稳定，真正做到了既节能又环保， 可以说是声光控产品的完美替代产品。它是通过人体辐射，能自 动快速开启水龙回头，各种灯具，防盗报警器等各种电器设备。 特别适用于中、高级宾馆，餐厅等等。方式为一次触发及连续触 发。红外感应技术的成熟对项目的研究有重大意义。 从电磁阀使用方式可行性来看，利用两个电磁阀的并联工作 形式，在单片机控制下，在洗手初期阶段，控制两个都工作；在 最后阶段，仅控制其中一个工作达到减小流速。其中，并联工作 下的两电磁阀互不影响，都收单片机控制。 从产品社会效益分析来看，这种节约型红外感应水龙头在一 次洗手控制水流速及水流量来实现更加节水目的，通过试验和数 学统计分析，一人在一次洗手时同使用普通红外感应水龙头可节 约用水量的三分之一。 总结而言，这种节约型红外感应水龙头是对目前市场上已经 使用的利用红外线反射原理制成的自动感应水龙头的进一步改 进和创新。避免了在冲洗过程中由于流水量过大及手离开时由于 反应时间的延迟所造成的流水浪费，通过红外线反射原理、控制 电磁阀数量及工作顺序、软件编程等知识的结合来实现控制水龙 头在一定时间段的出水量及流速。是普通红外感应水龙头所不及 的。如果能够实现对当前自动感应水龙头的改进，将对“节约用 水”做出又一重大贡献。 参才文献： [1]成家国.红外传感器在节能水龙头中的应用[J].科协论坛， 2011（3）：90. [2]潘正义.红外线自动水龙头控制器[C].陕西：西安交通大学 出版社，2003：46. [3]谢阮清，解月珍.电子电路基础[M].北京：人民邮电出版社， 1999：32. 作者简介： 司玉娜，女，1992年出生，籍贯：河南鹤壁，河南师范大学 2011级数学与应用数学专业在读本科生。 鲁健亚，男，1992年出生，籍贯：河南周口，河南师范大学 2011级数学与应用数学专业在读本科生。 慕红峰，男，1992年出生，籍贯：河南焦作，河南师范大学 2011级数学与应用数学专业在读本科生。 唐冲，女，1992年出生，籍贯：河南郑州，河南师范大学2011 级信息与计算科学专业在读本科生。 徐勤勤，女，1991年出生，籍贯：河南驻马店，河南师范大 学2011级信息与计算科学专业在读本科生。 |
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