摘要：我国人口众多，人均水资源严重不足，仅为世界平均水平的1/4左右。为实现家庭区域的卫生间节水，设计了一套基于51单片机的智能化生活废水循环利用系统，集成了液位传感器、浑浊度传感器、电机驱动的水泵、继电器驱动的电磁阀和LCD显示屏等模块，实现了水位自动控制、水流自动供应等功能。该系统以AT89C52RC芯片为控制核心，液位传感器采用Water Sensor传感器，浑浊度传感器采用奥松浊度传感器（AZDM01），通过AD转换模块与单片机进行信息传递，LCD1602液晶显示屏显示结果。对控制系统进行仿真，结果表明其能够自动控制水箱储水量和浑浊度，根据各传感器传达的数据对马桶水箱进行两种方式供水，并利用LCD液晶显示屏进行相关信息的显示。该系统为家庭区域提供了一种节能、节水、智能化的循环利用系统解决方案。

　　关键词：循环利用系统；节水；单片机

　　0引言

　　水资源作为地球上最宝贵的自然资源之一，对于人类生存、经济发展以及生态环境有着不可替代的作用。随着全球人口的持续增长和经济的快速发展，对水资源的需求不断增加，节约用水、水的循环利用已成为当今节约型社会的重要课题。面对着水资源短缺、水源污染、水资源消耗量等诸多问题，需要改进水资源的使用方法，倡议日常节约水资源的消耗，已实现水资源的可持续性利用[1]。重视再生回用水资源，减少浪费[2]。现有家庭废水处理系统存在智能化低[3-4]、回收效率低[5]、操作复杂等问题[6]，需引入先进的节水措施。

　　节水措施一般包括：从源头上优化供水管理以减少不必要的浪费；广泛应用节水型器具以提高用水效率；积极实施水资源的循环回用，形成闭环系统。戴文宇[7]设计了节水夹来控制供水管道或设备的流量或关闭时间实现节约用水。郭世旭等[8]设计了一种家庭智能高效节水器，结构上更加精巧安装方便，可以高效地控制水的通断。曹行等[9]提出了以基于HX711的重力传感器以及Zigbee模块为核心器件的自动节水方案，当储水的重量达到一定数值后，Zigbee协调器模块与Zigbee终端进行通信从而控制继电器的开闭。兰建军等[10]设计了一种可自行发电的感应式节水器，利用微型水轮机和发电机回收管道中的水流动能进行发电，为感应式节水器供电。罗钛龙等[11]设计了一种无线遥控节水灌溉自动控制器，采用NRF24L01构成无线通信收发模块，设计结构上增加了LED指示灯功能，可通过观察LED的状态来识别远程控制的工作状态。郭宏[12]研制了一种新型节水器，该节水器融合了红外测控、电子技术以及机械设计的技术，做到了光、机、电的有机结合。傅强根[13]提出积极进行中水回用，提高水资源利用率的措施。黄帅等[14]提出了一种家庭生活废水循环利用节水器，解决了传统的节水器难以对废水进行再利用，废水净化不完全的问题。何佳蔓[15]等收集家庭淘米、洗菜、洗水果、洗锅碗和洗脸、刷牙等过程中会产生的大量废水，将厨、卫生活废水经过净化处理后，排入坐便器，达到二次利用和节约用水的目的。叶晓林等[16]对生化装置污水的水质条件及各生产单元的用水量等数据进行分析，初步确认了适合回用至循环冷却水系统的煤化工生化装置污水，得到转换一循和二循的补水比例的优化回用方案，实现了污水回用背景下的循环水系统高浓缩倍数（大于或等于5）运行，提升了污水回用率。

　　Ali等[17]采用了调查和描述性研究设计，从街区的污水处理区共230户家庭收集了用水模式和节水装置的数据，得出建议低收入家庭使用节水设备，并制定水管理策略，如节水管道装置、雨水收集和废水再利用的建议。Englart等[18]分析了两种不同的住宅用水量计算模型方法，提出了一种新的水龙头分类（水龙头和混合器），在此分类的基础上，确定了使用不同水效率比的水龙头所产生的节水效果。Silva等[19]选择了8个社区，并估算了它们在2015年和2035年的人口，然后计算人均用水量、使用常规卫生设备和使用节水设备所消耗的水量，得到节约水量。结果表明，仅采用节水设备，就可以节约40%的用水量。

　　由此可见，节水系统的设计和开发在水资源合理运用方面具有非常重要的意义。本文基于家庭用水系统特点，分析了家庭用水节水系统结构，结合控制技术、传感技术，实时监测废水质量和流量[20]，设计了一种适于家庭的智能化节水系统。

　　1工作原理

　　如图1所示，系统主要由节水箱、马桶水箱、管路、传感器和控制系统等组成。节水箱内置浑浊度传感器和液位传感器，箱体底部排水口安装排污阀。来自盥洗台的废水经过滤装置流入节水箱。马桶水箱在相应位置安装有液位传感器、电磁换向阀和水泵。进入节水箱的废水经浑浊度传感器检测为浑浊污水或3号液位传感器检测到水位过高时，控制排污阀排出污水。若检测结果显示废水较为干净，则自动暂停排污阀的工作，转而将水安全的收集并储存下来，以备后续利用或进一步处理。当马桶水箱被检测到处于低水位状态，而节水箱的水位处于中水位时，控制系统会自动开启水泵，将节水箱中的水抽取并注入马桶水箱，以此解决冲水后马桶水箱水量不足的问题。若节水箱的水量降至中水位以下，系统将开启电磁换向阀，直接接通自来水管，为马桶水箱进行供水，保持正常使用。

　　2系统总体设计

　　循环利用控制系统结构如图2所示。系统采用AT89C52单片机作为控制中枢。设计多层次的硬件架构，系统软件采用模块化设计思路。

　　根据图2可知，系统使用液位浑浊度传感器采集数据，并输入到单片机以控制驱动模块各电路的运行。预期实现的功能如下。

　　（1）自动控制水箱储水量和浑浊度。通过按键模块来进行传感器阈值的调节，传感器通过检测数据并于预设的阈值进行比较，来判断液位是否已经到达或超过传感器所在位置，并在满足浑浊度阈值设定的要求前提下，进行后续的组件驱动。

　　（2）根据各传感器传达的数据对马桶水箱进行两种方式供水。中水供给：当节水箱内储存的中水水量充足时，开启水泵，利用节水箱收集起来的净化后的中水进行供给。自来水供给：当节水箱内储水量不足以支持至少一次马桶冲洗时，开启电磁换向阀，切换供给管路，使自来水直接接入马桶水箱，确保正常生活不受影响。

　　（3）利用LCD液晶显示屏进行相关信息的显示，告知客户当前马桶水箱水位，节水箱水位和浑浊度等信息。

　　（4）系统的硬件电路主要由液位检测模块、浑浊度检测模块、按键模块、显示模块、驱动模块等组成。系统软件程序的设计主要包括单片机内部程序的设计和驱动程序开发。

　　系统集成了液位传感器和浑浊度传感器，这些传感器输出模拟信号以分别监测液位和浑浊度。同时，系统还提供了按键控制功能，允许用户调整或设置这些传感器的阈值信号。输出主要是LCD1602液晶显示屏，液位显示；以及水泵电机电路及电磁换向阀指示信号。模拟量信号输入不能被单片机直接识别，通过ADC0809模数转换器转换成数字量信号后被单片机识别。而按键等信号直接和单片机相连。水泵电机、排污阀和电磁换向阀等关键组件则通过继电器模块接收控制信号，自动触发对应组件的启动和关闭操作。单片机通过其内部寄存器接收并处理来自液位传感器和浑浊度传感器的信号，随后驱动显示模块，以直观的方式展示当前的水位和浑浊度信息。

　　3硬件电路设计

　　控制系统的硬件电路主要有检测模块、按键模块、显示模块、驱动模块等。

　　3.1检测模块

　　液位、浑浊度检测模块电路图如图3所示。该模块的功能是采集数据，构成核心是传感器。为实现自动控制水箱储水量和浑浊度功能，系统需实时收集并处理包括水箱内部水储存量（如水位高度）、水质浑浊度是否超过预设安全阈值等在内的关键信息数据。

　　控制系统旨在精确监测循环利用系统中节水箱的上中位置以及马桶水箱的上下位置的水位情况，并同时执行节水箱的浑浊度检测任务，采用Water Sensor液位传感器和AZDM01浑浊度传感器。系统集成了4个液位传感器和1个浑浊度传感器。液位传感器、浑浊度传感器的输出均为模拟信号，需要经过AD转换器的模数转换，输送给单片机的就是可读取的数字量信号。

　　选用高速、高精、低耗、低廉的单通道逐次逼近式ADC0809模数转换芯片。ADC0809模数转换芯片配备了8路模拟量输入端，这一特点使其在连接本检测模块中的5个传感器时显得尤为优越。相比于仅提供4路输入端的AD转换器，ADC0809不仅能够轻松满足当前传感器的数量需求，还预留了额外的输入通道，为未来可能的扩展或备用提供了便利。因此，ADC0809芯片是本检测模块中一个更加贴合实际需求且具备前瞻性的选择。浑浊度传感器AZDM01与AT89C52单片机通信，读出浑浊度值，再将数据通过串行口传给主机；水位检测采用液位传感器，它通过暴露的平行导线来测量其水滴/水量的多少从而判断水位，它自带水量到模拟量的转换，输出的模拟量经ADC转换器转换成数字信号后直接被单片机采集读取，从而达到水位读取效果。

　　3.2按键模块

　　根据功能要求，按键模块被设计为具备增加或减少阈值的功能，以便灵活调节水箱储水量及浑浊度监控标准。在家庭中，水箱储水量与每日用水量相匹配，以确保家庭成员在一天中的任何时刻都能享受充足的冲水体验，避免因长时间贮存造成水质下降、异味产生以及可能引发的室内空气质量问题。

　　图4所示的按键模块包含了3个可控制按键，每个按键直接与P3口的一个管脚连接，采用单键方式进行键盘扫描。按键K1用来调节阈值的增加。按键K2用来调节阈值的减小。按键K3用于进行模式转换，以便在LCD液晶显示屏上选择性显示液位传感器或浑浊度传感器的阈值，并返回初始显示界面操作，令显示屏显示最初的4个液位传感器水位和一个浑浊度传感器的浑浊度信息。

　　3.3显示模块

　　控制系统显示的参数较多，所以采用LCD1602显示屏。LCD1602采用液晶显示技术，具有快速响应速度、对比度高、背光良好可视性的优点。在该显示屏上具体显示节水箱内水位、浑浊度和马桶水箱水位。LCD1602能够清晰地显示数字与字符，方便用户的使用。显示屏与单片机接线图如图5所示。

　　3.4驱动模块

　　为使系统安全、稳定，采用了12 V水泵电磁阀5 V继电器。单片机通常不能直接驱动电机，由于继电器线圈需要流过较大的电流（如50 mA）才能使其吸合，一般的单片机电源引脚直接提供的电流可能不足以驱动继电器，设计采用了三极管来驱动继电器，进而控制电机启停。电机驱动电路如图6所示，其中，三极管采用PNP型，P20给低电平令发射极和集电极导通，高电平截止。电路导通铁芯被磁化，吸引衔铁并带动簧片，使动触点和静触点闭合，控制电机转动。二极管D1反向续流，为三极管由导通转向关断时为继电器线圈中的提供泄放通路，并将其电压箝位在+5 V上。同样，电磁换向阀和排污阀的电路跟电机是一致的。

　　4系统软件设计

　　系统工作流程如图7所示。控制系统是以AT89C52 RC单片机为核心设计的，单片机完成系统数据输入，输出控制信号，采集液位和浑浊度以及实时显示等功能。其软件程序部分的整体工作流程是通过单片机在运行系统软件主程序的控制指令，对水箱内当前所处的情况进行判断，来调用采集模块子程序、自动控制模块子程序来实现马桶水箱水位、节水箱水位和浑浊度的数据采集，两种供水方式的切换等功能。

　　（1）程序初始化，初始化系统变量和参数，然后启动ADC0809模数转换器读取液位传感器和浑浊度传感器采集的数据，进行采样。

　　（2）节水箱中的3号液位感应器或浑浊度感应器的显示值超过了阈值，打开节水箱下方的排污阀。

　　（3）2号液位传感器显示水位低时对4号液位传感器水位进行判断。

　　（4）4号液位传感器水位高时启动水泵从节水箱往马桶水箱供水，当1号液位传感器显示水位过高，关闭电磁换向阀和水泵；4号液位传感器水位低时开启电磁换向阀，接通自来水管，对马桶水箱供水，1号液位传感器显示水位过高，关闭电磁换向阀和水泵。

　　5系统仿真测试与调试

　　系统硬件与软件全部设计完毕之后以Keil u Vision5为编程环境对编写的程序进行HEX格式的转换，然后烧录在单片机上，采用Proteus8.15仿真软件对各模块进行仿真。对系统的运行效率和稳定性进行了观测，并对各模块做了优化和调整，最终观测到了系统的总体运行状态，从而达到了缩短时间、节水的效果。液位阈值设定为80，浑浊度阈值设为40。

　　5.1排水仿真

　　排污阀工作如图8所示。由图可知3号液位传感器检测节水箱液位为82，超过阈值，开启排污阀排水。

　　5.2供水仿真

　　5.2.1节水箱供水

　　电机工作如图9所示。由图可知2号液位传感器感应液位71，低于阈值，马桶水箱水量不足。4号液位传感器水位82，高于阈值，节水箱水量充足，开启水泵供水。

　　5.2.2自来水管供水

　　换向电磁阀工作如图10所示。由图可知2号液位传感器感应液位77，低于阈值，马桶水箱水量不足。4号液位传感器水位77，也低于阈值，节水箱水量不足，开启电磁换向阀切换成自来水管供水。

　　5.3系统调试

　　设计的智能化生活废水循环利用控制系统已完成实物模型的设计，调试包括硬件调试和软件调试。硬件调试主要是系统通电运行程序后，根据具体的现象，不断调整硬件电路的设计；软件调试主要是在编程的过程中，合理地调配、使用单片机内部资源，根据单片机运行程序后显示的现象，不断地调整参数的设置、程序的设计。最终将设计合理的程序烧录到单片机中，实现目标功能。

　　经测试，系统能准确地检测马桶使用情况，正确地开启、关闭电机以及电磁阀实现马桶水箱供水控制，在设定的条件下启动不同的供水来源，在LCD显示屏上正确显示系统的各种参数。智能化生活废水循环利用系统的控制功能符合要求。

　　6结束语

　　本文设计了智能化生活废水循环利用系统，通过浑浊度传感器和液位传感器实时监测废水收集量及水质，根据预设条件自动控制回收和利用过程。C51单片机系统工作稳定，实时性强，可以更快接收传输的信息，并显示出来，保障了用户的体验感，提高了用户的节水意识，节约水资源的使用，有效提高了废水循环利用率。从硬件和软件两个方面进行设计，在硬件设计的过程中选用液位传感器、浑浊度传感器、按键模块、LCD1602显示屏、AD转换模块、水泵和电磁阀等组件，并进行了相应的软件程序设计以实现系统的智能化控制。

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