CN103216658B - 一种家用超低功耗停水自闭阀门装置 - Google Patents

Abstract

一种家用超低功耗停水自闭阀门装置，由电动阀、水压开关和控制器组成。工作时，自来水压力正常，按下控制器启动按钮，电动阀开启，维持供水；自来水管道停水时，压力开关动作，控制器关闭电动阀，停止供水，输出报警指示信号；自来水管道中途来水，压力正常后，只有重新按下控制器启动按钮才能恢复供水，可以防止突然来水后的跑水现象，达到节水目的。

Description

一种家用超低功耗停水自闭阀门装置

技术领域

本发明是一种家用超低功耗停水自闭阀门装置，涉及一种电池供电停水自动关闭阀门装置，具体涉及家用自来水管道停水时可自动关闭水路并提供报警指示的一种自闭阀门装置。 

背景技术

日常生活中停水不少见，停水中忘记关闭水龙头即离家或睡觉休息也时有发生，轻则浪费水资源，情况严重时还会造成屋内漫水，殃及邻居。 

电动或电磁式自闭水阀装置，需要考虑的核心问题是供电电源的可靠性及采用电池供电时如何保证有较长的待机时间。 

专利号为200320115361.8的实用新型专利“停水报警保护器”采用市电交流220V供电，安全性与可靠性差，市电停电时不能实现报警与保护功能。 

专利号分别为97211457.2号的实用新型专利“自来水报警器”、92210078.0号的实用新型专利“水龙头跑水自动预警电子装置”、201020002742.5号的实用新型专利“停水未关自动报警式水龙头或家内用水总闸阀”都采用电池供电，可靠性高，但控制装置功耗大，待机工作时间短，且都只能完成停水报警功能，不能实现自动闭阀。 

发明内容

为解决现有电动或电磁式自闭水阀供电可靠性的问题，有必要提供一种采用电池供电，且正常工作时间足够长的停水检测及阀门自闭控制装置。 

一种家用超低功耗停水自闭阀门装置，包括水压开关、电动阀和控制器。自来水压力变化情况由水压开关检测并送至控制器，控制器根据自来水压力的变化判断是否停水，如果判断出已经停水，控制器通过电动阀驱动电路控制电动阀关闭，同时驱动LED发出报警信号。电动阀关闭后，只有在水压恢复正常时按下控制器上的启动按钮开关才能重新开启阀门。 

在所述装置中，采用2节普通碱性电池供电。 

在所述装置中，停水与否通过安装在阀门前面的自来水水压开关检测判断，自来水供水正常，水压高于设定值，水压开关断开；自来水停水，水压低于设定值，水压开关闭合。 

在所述装置中，电动阀驱动电路采用程控电源供电，只有在开启或者关闭电动阀门的过程中，电动阀、电动阀驱动电路及其程控电源才消耗电量，在阀门维持关闭状态或者维持开启状态时，电动阀、电动阀驱动电路及其程控电源都不消耗电量。 

在所述装置中，控制器的单片机选择具有低功耗工作模式的MSP430单片机，单片机待机时工作在低功耗模式，定时器定时时间到产生的中断请求信号将单片机唤醒至工作模式，任务处理完毕单片机再次进入低功耗待机状态。 

在所述装置中，停水时，LED通过间歇发光的方式进行停水报警指示，LED发光采用窄脉冲电流驱动。不报警时，LED及其报警驱动电路不消耗电量。 

在所述装置的控制器中，设有手动开关，当手动开关打向开启位置时，强制开启电动阀门；当手动开关打向关闭位置时，强制关闭电动阀门；当手动开关打在中间断开位置时，控制器工作在自动状态。 

在所述装置的控制器中，启动按钮开关信号、水压开关信号、手动开关信号由逻辑电平转换电路转换成逻辑电平送至单片机，逻辑电平转换电路采用程控电源供电，在查询开关状态的时候，相应的程控电源供电，开关逻辑电平转换电路消耗电量；不查询开关状态的时候，相应的程控电源不供电，开关逻辑电平转换电路不消耗电量。 

本发明的有益效果是，① 自来水管停水后自动关闭总阀并发出报警指示信号，自来水管恢复来水后，需要按下启动按钮才能恢复供水；② 功耗超低，采用电池供电，可以保证长时间安全可靠工作；③ 具有手动控制功能，可以代替家庭供水系统中的总水阀。 

附图说明

图1是一种家用超低功耗停水自闭阀门装置实施例系统结构框图。 

图2是一种家用超低功耗停水自闭阀门装置实施例控制原理框图。 

图3是一种家用超低功耗停水自闭阀门装置实施例电路原理图。 

图4是一种家用超低功耗停水自闭阀门装置实施例主程序流程图。 

图5是一种家用超低功耗停水自闭阀门装置实施例定时器中断程序流程图。 

图6是一种家用超低功耗停水自闭阀门装置实施例阀门关闭/维持关闭子程序流程图。 

图7是一种家用超低功耗停水自闭阀门装置实施例阀门开启/维持开启子程序流程图。 

图8是一种家用超低功耗停水自闭阀门装置实施例LED报警子程序流程图。 

具体实施方式

下面将结合说明书附图对本发明具体实施方式作具体说明。 

见图1，本发明由电动阀3、水压开关2和控制器1组成。 

图2是一种家用超低功耗停水自闭阀门装置实施例控制原理框图。 

控制器1的控制核心是单片机4，水压开关2、启动按钮开关5、手动开关6的机械开关信号经逻辑电平转换电路8转换成逻辑电平后，送至单片机4的IN1输入接口；单片机4通过输出接口OUT4输出控制信号，经由电动阀驱动电路10，控制电动阀3的开、关；单片机4通过输出接口OUT3输出LED报警控制信号，控制LED报警驱动电路12发出报警信号；电源13为碱性电池供电单元，用于向所述装置提供工作电源VDD。 

为降低功耗，单片机4采用活动模式与低功耗模式交替的间歇方式工作，活动模式下完成必要的工作后，单片机4进入低功耗模式；低功耗模式下，单片机4内部定时器定时时间到，唤醒单片机4进入活动模式。 

为降低功耗，单片机4外围的逻辑电平转换电路8、电动阀驱动电路10采用程控电源供电。单片机4通过输出接口OUT1控制逻辑电平转换电路8的程控电源7，只有在单片机4活动模式下，查询输入接口IN1逻辑电平信号期间，程控电源7才向逻辑电平转换电路8提供+V1电源；单片机4通过输出接口OUT2控制电动阀驱动电路10的程控电源9，只有在开启阀门或者是关闭阀门的过程中，程控电源9才向电动阀驱动电路10提供+V2电源。 

为降低功耗，单片机4采用窄脉冲电流驱动LED11发光，由OUT3输出频率介于20Hz～100Hz之间的PWM1脉冲信号来实现。 

为降低功耗，LED11采用间歇发光的方式报警，报警时，20Hz～100Hz之间的PWM窄脉冲电流驱动信号经过周期在1～10s之间的间歇周期信号调制后，再从单片机4的OUT3输出，LED间歇发光过程的调制由软件实现。 

图3是一种家用超低功耗停水自闭阀门装置实施例电路原理图。 

在本实施方式中，电源13由电池BT25和滤波电容C24组成，电池BT25选择2节10Ω放电电量为2000mAh的5号碱性电池，其输出VDD的电压范围是3.0V～1.8V，滤波电容C24为47μF电解电容。 

在本实施方式中，单片机4采用低功耗的MSP430系列单片机，具体型号选择MSP430G2553，电源电压范围是1.8V～3.6V，其电源输入端VCC、VSS直接接至电源13的VDD+、VDD-端。下表为图2与图3中单片机4输入/输出接口名称对照表。 

单片机4的ACLK由频率32768Hz的晶体XT19产生，CPU工作频率设定为1MHz，活动模式下，单片机4电源电流400μA；LPM3低功耗模式下，单片机4电源电流0.9μA。在LPM3低功耗模式下，单片机4内部定时器定时125ms，定时时间到唤醒单片机4进入活动模式，活动模式耗时不到1ms，在完成数据采集、控制输出等任务后，再次进入LPM3低功耗模式，周而复始。单片机4的平均工作电流 

。

手动开关6的开启端与关闭端分别连接至单片机4的输入接口P1.6、P1.5。手动开关6处于中间的断开位置时，单片机4的P1.6、P1.5经上拉电阻R16、R17分别接至电源+V1，输入高电平信号，所述装置工作于自动模式；手动开关6连接至开启位置时，P1.6输入低电平，单片机4无条件保持电动阀3处于开启状态；手动开关6连接至关闭位置时，P1.5输入低电平，单片机4无条件保持电动阀3处于关闭状态。在本实施方式中，手动开关6选择KN11-103型单刀双掷三位（ON-OFF-ON）钮子开关。 

水压开关2连接至单片机4的输入接口P1.4，自来水压力正常时，水压开关2断开，P1.4经上拉电阻R18接至电源+V1，输入高电平；自来水压力低于设定值时，水压开关2闭合，P1.4输入低电平。在本实施方式中，水压开关2选择型号为PM-001-A-G18-NC的压力开关，压力设定范围0.01～0.1MPa。 

启动按钮开关5连接至单片机4的输入接口P1.7，P1.7经上拉电阻R15接至电源+V1。所述装置工作在自动模式下，电动阀3处于关闭状态时，在自来水压力正常，水压开关2断开的情况下，按下启动按钮开关5，单片机4才会向电动阀3发出开启信号，开启阀门。在本实施方式中，启动按钮开关5选择LA128AY-11型小型按钮。 

上拉电阻R15、R16、R17、R18经启动按钮开关5、手动开关6、水压开关2接地，组成逻辑电平转换电路8，向该电路供电的程控电源7由单片机4的输出接口P2.4控制。由于逻辑电平转换电路8作为负载时很小，程控电源（7）直接可以用单片机（4）的输出控制接口P2.4代替，单片机4在查询开关状态的时候，控制P2.4输出高电平，程控电源7开启，P2.4输出的高电平电压值直接作为程控电源7的开启输出电压+V1向逻辑电平转换电路8供电，此时逻辑电平转换电路8消耗电量；其余时间单片机4控制P2.4输出低电平，程控电源7关闭，P2.4输出的低电平电压值直接作为程控电源7的关闭输出电压，逻辑电平转换电路8此时不消耗电量。在本实施方式中，上拉电阻R15、R16、R17、R18的阻值均为100kΩ，单片机4对开关状态查询的间隔周期为125ms，完成一次所有开关状态的查询耗时小于10μs，所有开关中最多只能同时有3个开关闭合接地，此时逻辑电平转换电路8消耗的最大平均电流为 

，

该电路的平均工作电流很小，其消耗的电量可以忽略不计。

LED报警驱动电路12为恒流源电路，由三极管T20、电阻R21、电位器R22、稳压管D23组成，接至单片机4的输出接口P2.1，P2.1输出高电平，LED11发光。当电源13的输出电压在3.0V和1.8V之间变化时，恒流源电路保持流过LED11的电流基本不变，LED11选择正向压降1.4V的黄色发光二极管，三极管T20型号为SS9013，稳压管D23 型号为BZX55C0V8，稳压值0.8V，电阻R21阻值为5.1kΩ，电位器R22阻值为47Ω，调试时，调节电位器R22，使LED11上流过5mA电流。 

自来水停水后，LED11采用间歇发光的方式报警，间歇周期为1～10s，在本实施方式中，报警时LED11的间歇发光周期为2s，其中发光时间0.5s，熄灭时间1.5s；窄脉冲驱动电流峰值5mA，占空比20%（PWM脉冲频率32Hz，占空比80%），报警时，LED11的平均工作电流为 

。

自来水供水正常且电动阀3阀门开启，或者是所述装置工作在手动状态下时，LED11停止报警。 

在本实施方式中，向电动阀驱动电路10的供电的程控电源9为升压型DC/DC稳压电源，由电阻R27、三极管T28、稳压型直流电压转换器DC/DC26、电感L29、电阻R30、电阻R31、电容C32组成。程控电源9由单片机4的输出接口P2.3控制，P2.3输出低电平时，三极管T28饱和导通，直流电压转换器DC/DC26得到输入电压并正常工作，程控电源9向电动阀驱动电路10提供直流电源，+V2电压为+5V；P2.3输出高电平时，三极管T28截止，直流电压转换器DC/DC26无输入电压，不工作，程控电源9被关闭，其向电动阀驱动电路10提供的直流电源+V2电压为0V。在本实施方式程控电源9的电路中，电阻R27阻值为470Ω，三极管T28为高β值的SS9012，稳压型直流电压转换器DC/DC26为效率可达到94%的TP3602，电感L29为22μH，电阻R30和R31的阻值分别为1.5MΩ和500kΩ，电容C32为22μF，肖特基二极管D33型号为MBR0520L。 

在本实施方式中，电动阀3选用CWX-15N型电动球阀，采用CR02三线控制方式配线，电动阀驱动电路10由电阻R37、三极管T34、二极管D35、继电器KA36组成，单片机4通过输出接口P2.2向电动阀驱动电路10输出开启或关闭电动阀3信号。所述装置在维持电动阀3阀门状态不变的时候，单片机4控制输出接口P2.3输出高电平，P2.2输出低电平，三极管T28和T34均截止，程控电源9被关闭，程控电源9、电动阀驱动电路10均不消耗电量；关闭阀门时，单片机4控制P2.3输出低电平，程控电源9输出+5V电压，P2.2输出低电平，三极管T34截止，继电器KA36线圈失电，KA36常闭触头闭合，电动阀3的GR端得到+5V电压，其阀门开始关闭，5s后阀门关闭到位，电动阀3内部自动断电，此时单片机4控制输出接口P2.3输出高电平，阀门关闭过程结束；开启阀门时，单片机4控制P2.3输出低电平，程控电源9输出+5V电压，P2.2输出高电平，三极管T34饱和导通，继电器KA36线圈得电，KA36常开触头闭合，电动阀3的RD端得到+5V电压，其阀门开始开启，5s后阀门开启到位，电动阀3内部自动断电，此时单片机4控制输出接口P2.3输出高电平，P2.2输出低电平，阀门开启过程结束。 

电动阀驱动电路10的电路中，电阻R37阻值为1kΩ，三极管T34型号为SS9013，二极管D35型号为1N4148，继电器KA36选择松下TQ2-5V继电器，线圈电流28.1mA，电动阀3开启或者关闭时的工作电流为80mA，电动阀3和继电器KA36开启关闭一次的平均工作电流为94.05mA，耗时10s。电源13输出的电压范围是3.0V～1.8V，程控电源9中直流电压转换器DC/DC26的输入电压需要减去三极管T28的饱和电压降落0.3V，其范围是2.7V～1.5V，平均电压为2.1V；开启关闭电动阀3时，直流电压转换器DC/DC26的输出电压为5V，效率为94%，电动阀3 开启关闭一次时，换算到电源13的平均工作电流为 

。

电源13输出的平均工作电压是2.4V，考虑到电阻R27、R37的基极驱动电流，电动阀3 开启关闭一次时，换算到电源13的总平均工作电流为 

。

电动阀3开关一次消耗的电量为 

。

要保证所述装置正常工作，电源13的输出电压需要大于1.8V，放电电量为2000mAh的5号碱性电池BT25能够提供的截止工作电压为0.9V×2=1.8V，其2000mAh的放电电量全部为有效工作电量。单片机4可以连续工作的时间按年计算为 

年。

或者开关电动阀3阀门的次数为 

次。

或者驱动LED11连续报警时间的小时数为 

小时。

假设平均3天停水一次，每次停水报警10小时，则 

天，

在遇到频繁停水并长时间报警的情况下，2节放电电量为2000mAh的5号碱性电池可以维持所述装置正常工作1729天。 

图4是一种家用超低功耗停水自闭阀门装置实施例主程序流程图。单片机4复位后，首先进行的初始化包括内部时钟配置、I/O口设置、定时器设置、堆栈设置等任务，然后关闭电动阀3阀门，开放单片机4片内定时器TA0的125ms定时中断，进入LPM3低功耗模式。该主程序只在复位后被执行一次。

图5是一种家用超低功耗停水自闭阀门装置实施例定时器中断程序流程图，该TA0中断程序每隔125ms执行一次。程序首先读入各开关的逻辑电平状态，在读入逻辑电平状态之前，需要开放程控电源7，读入逻辑电平状态之后，再关闭程控电源7。所述装置是否工作在自动状态由读入的手动开关6的逻辑电平判别，在手动状态时，关闭LED报警信号，并根据手动开关6的逻辑电平进一步判断是手动关闭状态还是手动开启状态，如果是手动关闭状态，则复位启动标志、执行阀门关闭/维持关闭子程序；如果是手动开启状态，则置位启动标志、执行阀门开启/维持开启子程序。 

所述装置工作在自动状态时，程序根据读入的水压开关2逻辑电平状态判断当前是否停水，如果已经停水，程序执行LED报警子程序进行停水报警，复位启动标志，然后执行阀门关闭/维持关闭子程序；如果没有停水，关闭LED报警信号，在启动标志已经置位或者是启动按钮开关5被按下时，执行阀门开启/维持开启子程序，否则执行阀门关闭/维持关闭子程序。由于对启动按钮开关5的状态每隔125ms才查询一次，因此，在启动电动阀3开启阀门时，按下启动按钮开关5按钮的时间不能短于125ms。流程图中的启动标志是单片机4存储器中的一个存储位，用于记忆该次中断程序执行时对电动阀3实行的操作，发生停水或者是在手动关闭状态将复位启动标志，水压正常时按下启动按钮开关5或者是在手动开启状态则置位启动标志。 

定时器中断程序调用执行阀门关闭/维持关闭子程序或者是阀门开启/维持开启子程序后，单片机4重新进入LPM3低功耗模式，125ms后，定时器TA0的下一次中断将再次唤醒单片机4，该中断程序也将再一次被执行，周而复始。 

图6是一种家用超低功耗停水自闭阀门装置实施例阀门关闭/维持关闭子程序流程图，程序功能为关闭阀门，或者是保持阀门处在关闭状态。 

电动阀3的当前状态共有4种：维持关闭状态、正在关闭状态、维持开启状态、正在开启状态，每一种状态需要保持的时间都远大于定时中断程序重复执行的间隔周期125ms，为保证电动阀3阀门状态与定时中断程序之间的逻辑关系正常，程序中用状态码1～4来分别记忆电动阀3阀门的当前状态，他们是维持关闭状态（1）、正在关闭状态（2）、维持开启状态（3）、正在开启状态（4）。在阀门关闭/维持关闭子程序中，如果阀门当前是维持关闭状态（1）则程序直接返回；不是维持关闭状态（1），也不是正在关闭状态（2），则需要开始关闭阀门，程序分别执行开启程控电源9、输出关闭阀门驱动信号、开始阀门关闭过程定时、置当前状态为正在关闭状态（2）后返回；正在关闭状态（2）中的关闭过程计时采用对125ms中断次数计数实现，计数满40次、关闭过程持续5s后，程序关闭程控电源9、停止输出关闭阀门驱动信号、置当前状态为维持关闭状态（1）后返回，计数不满40次则直接返回。主程序中的关闭电动阀3阀门任务只需要复位启动标志、置当前状态为维持开启状态（3）即可，第一次执行定时器中断程序时，会自动启动阀门关闭过程。 

图7是一种家用超低功耗停水自闭阀门装置实施例阀门开启/维持开启子程序流程图，程序功能为开启阀门，或者是保持阀门处在开启状态。 

如果阀门当前是维持开启状态（3）则程序直接返回；不是维持开启状态（3），也不是正在开启状态（4），则需要开始开启阀门，程序分别执行开启程控电源9、输出开启阀门驱动信号、开始阀门开启过程定时、置当前状态为正在开启状态（4）后返回；正在开启状态（4）中的开启过程计时同样采用对125ms中断次数计数实现，计数满40次、开启过程持续5s后，程序关闭程控电源9、停止输出开启阀门驱动信号、置当前状态为维持开启状态（3）后返回，计数不满40次则直接返回。 

图8是一种家用超低功耗停水自闭阀门装置实施例LED报警子程序流程图。模16计数器用于实现LED间歇发光过程的调制，模16计数器每执行一次加1，相当于对中断定时时间125ms计数加1，计满16次的时间为2s；模16计数器的值在0～3之间点亮LED，在4～15之间熄灭LED。点亮LED时，由单片机4中的定时器TA1从LED报警信号输出接口输出频率32Hz、占空比20%的PWM脉冲；熄灭LED时，关闭LED报警信号。 

Claims (10)

1.一种家用超低功耗停水自闭阀门装置，包括一个水压开关(2)、电动阀(3)和控制器(1)，自来水压力变化情况由压力开关(2)检测并送至控制器(1)，自来水停水后，控制器(1)控制电动阀(3)关闭，同时驱动控制器(1)中的LED(11)发出报警信号，电动阀关闭后，只有在水压恢复正常时，按下控制器(1)上的启动按钮开关(5)才能重新开启电动阀(3)，其特征是，包括：

A、控制器(1)由电源(13)、单片机(4)、启动按钮开关(5)、手动开关(6)、逻辑电平转换电路(8)、电动阀驱动电路(10)、LED报警驱动电路(12)、LED(11)和第一程控电源(7)、第二程控电源(9)组成，单片机(4)具有低功耗工作模式；

B、水压开关(2)、启动按钮开关(5)、手动开关(6)的机械开关信号经逻辑电平转换电路(8)转换成逻辑电平后，送至单片机(4)的输入接口，只有在单片机(4)需要查询逻辑电平信号期间，才控制第一程控电源(7)向逻辑电平转换电路(8)供电；

C、单片机(4)输出的控制信号，经由电动阀驱动电路(10)，控制电动阀(3)的开启或关闭，只有在开启电动阀(3)阀门或者是关闭电动阀(3)阀门的过程中，单片机(4)才控制第二程控电源(9)向电动阀驱动电路(10)供电。

2.如权利要求1所述的一种家用超低功耗停水自闭阀门装置，其特征在于：所述电源(13)由2节碱性电池和滤波电容组成。

3.如权利要求1所述的一种家用超低功耗停水自闭阀门装置，其特征在于：所述单片机(4)间歇工作在低功耗模式与活动模式之间。

4.如权利要求1所述的一种家用超低功耗停水自闭阀门装置，其特征在于：所述单片机(4)间歇工作在低功耗模式与活动模式之间；所述单片机(4)为MSP430G2553。

5.如权利要求1所述的一种家用超低功耗停水自闭阀门装置，其特征在于：所述向逻辑电平转换电路(8)供电的第一程控电源(7)直接用单片机(4)的相应输出控制接口代替，输出的控制接口高电平信号电压作为第一程控电源(7)的开启输出电压，输出的控制接口低电平信号电压作为第一程控电源(7)的关闭输出电压。

6.如权利要求1所述的一种家用超低功耗停水自闭阀门装置，其特征在于：所述LED报警驱动电路(12)为恒流源电路。

7.如权利要求1所述的一种家用超低功耗停水自闭阀门装置，其特征在于：所述LED(11)采用间歇发光的方式进行报警指示。

8.如权利要求1所述的一种家用超低功耗停水自闭阀门装置，其特征在于：所述LED(11)采用间歇发光的方式进行报警指示；LED(11)发光时，由频率范围在20Hz～100Hz的窄脉冲电流驱动。

9.如权利要求1所述的一种家用超低功耗停水自闭阀门装置，其特征在于：所述向电动阀驱动电路(10)供电的第二程控电源(9)为升压型DC/DC稳压电源。

10.如权利要求1所述的一种家用超低功耗停水自闭阀门装置，其特征在于：所述手动开关(6)为单刀双掷三位钮子开关，开关置于开启位置时，电动阀(3)处于开启状态，置于关闭位置时，电动阀(3)处于关闭状态。