王乐　康勇　常帅帅　柯希爱

摘   要：当前社会背景下，人们对定时排水阀的需求较大。基于这个目标，本文设计了一款符合大众需求的产品—定时排水阀。该产品通过定时器控制电磁阀的开闭，可以满足人们日常生活中对水流通断时间控制的需求。定时排水阀由蓄电池提供能源，太阳能充电装置为蓄电池补充能源，来驱动整个装置运行。YYT-2S 时钟继电器模块作为控制部件与电磁阀连接，在设定好的时间段内接通电路，使电磁阀正常工作。

关键词：定时排水阀;单片机;新能源;YYT-2S时钟继电器

1    项目研究的目的及意义

项目研究目的：（1）解决自动排水以及补水的问题。（2）在一些水资源匮乏的地区，实现有计划地定时排水。（3）在日常生活中，解决鱼缸换水等问题。

产品意义：本研究可实现定时排水功能，解放劳动力。

2    市场现状及发展趋势前景

市面上有许多的定时排水阀，但大多数是需要通过铺设线路或人力每天操作，较为麻烦。我们设计采用光伏发电技术来为整体装置提供能源，无需铺设线路，无需交流供电，可以节约资源。再加上时间控制器通过感应当初设定的一定数值，来实现定时功能，减少麻烦，减轻不必要的浪费，只需要定期检查即可。本产品可以实现自动排水，通过简单的组合就能达到预期目的，并且价格低廉，大多数人都能接受。根据数据报告显示，2006～2014年，水阀市场规模呈上涨趋势。由2006年的440.63 亿美元上涨到623.33 亿美元。未来几年，全球阀门市场规模复合平均增长率达 6.5%，预计到2019年全球阀门市场的规模将达到854.75 亿美元。自 1998 年以来国内阀门产量增长迅速，由不足50 万t增长到 2014 年的1 000 多万t，其中 2015 年仅 1～10 月份便实现产量 802.77 万t，平均增长率高达 20.73%。由数据报告可看出，水阀市场的前景较为乐观，属于上涨趋势[1]。

3    整体设计方案

3.1  整体框架

本项目主要由太阳能电池板、太阳能电池板控制器、蓄电池、YYT-2S 时钟继电器模块、中间继电器、电磁阀及一些导线组成，核心为YYT-2S 时钟继电器模块（见图1）。

3.2  基本原理

利用单片机技术在规定时间内控制电流的通断，并将电流信号传输给电磁阀，来实现定时排水功能。

3.3  各模块介绍

3.3.1  太阳能电池板

当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收;光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了跃迁，成为自由电子在P-N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率[2]。

3.3.2  太阳能电池板控制器

经过光线照射后发生光电效应产生的电流是具有波动性的。因此，我们必须把电流先送入太阳能控制器，采用一系列专用芯片电路对其进行数字化调节，确保电池和负载的运行安全和使用寿命。

3.3.3  蓄电池

采用两个12 V 5ah的蓄电池串联，达到工作所需的24 V直流电;在充电时，电能转化为化学能，放电时化学能又转化为电能。

3.3.4  时间控制器

利用单片机技术，在电路板上接入高精度时钟芯片PCF8563，为整个装置提供稳定的时间信号。模块内置电池，断电也可走时。

3.3.5  中间继电器

控制电路与工作电路分工作原理：当时间控制器将电信号传输到继电器上时，继电器内衔铁压动触点弹片，使触点接通到常开端。这样便可接通电源与电磁阀，电磁阀开始正常工作[3]。

4    预定计划完成情况

新型定时排水阀主要分为三大模块，分别为能源供给模块、定时器模块、流体控制模块。能源供给模块由太阳能电池板、太阳能控制器、蓄电池组成。通过多次计算，本设计最终决定采用DC 24V为整个装置的工作电压，利用太阳能控制器将太阳能电池板发出的不稳定的电流转变为稳定的电流，储存到蓄电池中，由蓄电池为定时器和电磁阀提供能量。定时器模块用的是YYT-2S 时钟继电器模块。该模块利用单片机技术，在电路板上接入高精度时钟芯片PCF8563，为整个装置提供稳定的时间信号。模块内置纽扣电池，断电也可走时[4]。流体控制模块由中间继电器和电磁阀组成。该继电器主要是将单片机的通断信号传输给电磁阀，通过继电器内的衔铁接通或断开触点控制电路實现“通”“断”控制电磁阀工作;发电磁阀采用的是直动式电磁阀，通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开;断电时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭，实现流体控制功能[5]。将以上三大模块结合起来就构成了“新型定时排水阀”。

5    部件组装

5.1  太阳能电池板的接线

如图2所示，太阳能电池板装置背面有两个接线口。将正极、负极导线连接到接线柱上，太阳能电池板便连接完成。

5.2  蓄电池的连接

将两个12 V的蓄电池串联即可。

5.3  太阳能电池板控制器的连接

在太阳能电池板控制器下方有3组接线口，从左往右依次是太阳能电池板接线口、蓄电池接线口、负载接线口。将太阳能电池板上接出的两根导线按正负极连接到太阳能电池板控制器上的太阳能电池板接线口; 将蓄电池上接出的两根导线按正负极连接到太阳能电池板控制器上的蓄电池接线口。负载接线口用于连接中间继电器。

5.4  时间控制器连接

如图2所示，在时间控制器下方有5的接线口，从左往右，依次是装置电源正极、装置电源负极、微型继电器常开端、微型继电器公共端和微型继电器常闭端。

装置电源正极连接到蓄电池正极接线端;装置电源负极连接到蓄电池负极接线端;微型继电器常开端连接到中间继电器线圈电源A1“14”（中间继电器接线端编号）接线端;微型继电器公共端连接到蓄电池正极接线端;微型继电器常闭端不连接导线。

5.5  中间继电器模块连接

如图2所示，使用的中间继电器是正泰JZX-22F 2Z继电器，该装置上共有8个接线端，从左往右，从上至下分别是常闭点“4”、常闭点“1”、常开点“8”、常开点“5”、公共端“12”、公共端“9”、线圈电源A1“14”、线圈电源A2“13”。

常闭点“4”和常闭点“1”不连接导线;常开点“8”连接到电磁阀上正极接线端，常开点“5”连接到电磁阀上负极接线端;公共端“12”连接到太阳能电池板控制器的正极负载接线口;公共端“9”连接到太阳能电池板控制器的负极负载接线口;线圈电源A1“14”连接到时间控制器微型继电器常开端;线圈电源A2“13”连接到蓄电池负极接线端。

5.6  电磁阀连接

如图2所示，电磁阀上共有两个接线端，分别为电磁阀正极接线端、电磁阀负极接线端。

电磁阀正极接线端连接到中间继电器上的常开点“8”; 电磁阀负极接线端连接到中间继电器上的常开点“5”。

6    装置测试

6.1  整体装置的测试

将装置放置于户外阳光充足的地方，固定好装置，（排除其他因素影响），接好电源线，查看设备在未接电源的情况下，能否有屏显。定好所需要的时间，参考北京时间，利用手机计时来核定装置控制电流通断的准确性。

6.2  各个模块测试

6.2.1  太阳能板测试

将太阳能板放置于太阳光下，串联上电流表，并联一个电压表，再外接一个负载，使其构成回路，看电流表和电压表表数，如果有变化，则太阳能供电装置正常。

6.2.2  太阳能板控制器测试

从6.2.1中我们看到电流表和电压表数值不稳定，把太阳能板控制器接到太阳能板上，如果发现电流表和电压表趋于一个稳定值，那么太阳能控制板可以正常使用。

6.2.3  蓄电池测试

将蓄电池接到一负载上，如果负载正常工作，则蓄电池正常，如果不能工作，另换蓄电池。

6.2.4  定时器模块测试

将规定电压电流数值范围内的蓄电池接到定时器上，设置多组时间数组，用手机定时。如果和手机定时同步，则定时器模块误差范围小，影响不大;反之，和手机定时不同步，则需要更换其他定时器模块。

6.2.5  中间继电器测试

将继电器接到通路状态的电路中，继电器内衔铁压动触点弹片，使触点接通到常闭端（听到继电器跳到的声音），说明继电器没有问题。把继电器连到整个装置中（太阳能—蓄电池—定时控制器—中间继电器—电磁阀），单片机传输给它的电流信号控制里面衔铁的触点，接通常开触点电磁阀不工作，接通常闭触点电磁阀工作，则中间继电器正常运行。

6.2.6  电磁阀的测试

将电磁阀进水口接到水管处，电磁阀出水口没有水流出，则电磁阀的封闭性能好。外接蓄电池给电磁阀通电，出水口有水喷出，并电磁阀有响声，则电磁阀正常工作，无损坏。

以上所有测试都没有问题后，将所有部件组装到一起，再进行最后的外观设计，设备组装就完成了。

7    结语

经过本设计项目，我们解决了自动排水的问题，实现了自动排水，价格便宜实惠，操作简单。我国还处于发展阶段，该设备市场前景很好。不足之处就是，长时间见不到太阳可能导致蓄电池电量耗尽，影响正常工作，在一周左右见不到太阳时，可更换一个充满的蓄电池来解决这个问题。

[参考文献]

[1]2017年中國排水阀门行业发展状况[DB/OL].（2017-04-17）[2019-01-23].http：//www.chyxx.com/industry/201704/514359.html.

[2]太阳光发电协会.太阳能光伏发电系统的设计与施工[M].北京：科学出版社，2013.

[3]继电器工作原理[DB/OL].（2018-06-09）[2019-01-23].https：//baike.baidu.com/item.

[4]佚名.PCF8563时钟芯片[DB/OL].（2018-07-20）[2019-01-23].https：//baike.baidu.com/item/pcf8563/9535254？fr=aladdin.

[5]佚名.直动式电磁阀 [DB/OL]. （2018-07-20）[2019-01-23].https：//baike.baidu.com/item.