本发明涉及智能节水领域，更具体地说，本发明涉及一种自发电感应水阀控制器及方法，主要针对于公共厕所小便池安装使用的水阀控制系统。
背景技术：
随着目前感应开关水阀装置的出现以及推广，在公共场合内，如写字楼、教学楼、商业大厦等，人们正在逐步摆脱手动控制水龙头或小便池的限制，通过感应水阀控制达到节水、卫生的目的。其中，红外感应开关在社会生产生活中普遍使用，对社会的发展和进步发挥着举足轻重的作用，已成为现代社会不可或缺的重要产品。近年来，红外感应开关在自来水系统中得到了广泛应用，对实现节约用水、建设节水型社会发挥着至关重要的作用，尤其对于公共场所，能够切实有效节省大量水资源。
目前，已在市场上应用的水阀控制器种类繁多，功能也多种多样，主要可以分为以下几类：电源改善类，传统的感应水阀控制器的电源有220v的交流供电或者四节五号电池供电，或者两者结合使用，中国专利：200910038279.1的“一种自来水发电节水混水龙头”则是利用射流器在增加水流流速、利用水能发电的同时，其产生的吸力还能实现在自来水中添加洗手液、甚至关闭水阀的功能；功能改善类，因应用环境不同，一些感应水阀也会有些许改变，中国专利：201410761452.1的“自动开关的安全感应节水阀”以及中国专利：zl201420782493.4的“一种自动开关的节水感应节水阀”，针对于列车的颠簸环境增强了其实用性；服务改善类，设计再如何完美的水阀控制器，也避免不了出故障的时候，对此人们也有一些设计改善，中国专利：201610888503.6的“用于自来水管道的电磁阀门及红外感应控制系统”，采用了自动、手动双模式的方法解决这一问题，中国专利：zl201520109197.2的“一种感应出水装置的节水系统”，则给系统加入一个无线监控管理中心，使故障能第一时间得到解决。
总体来说，这些新型的水阀设计在完善了他们所追求的功能的同时，又附加了一些不容忽视的问题：电源改善类的无法做到有效的控制或者电源的安全性；功能改善类以及服务改善类则是增加了系统的复杂程度，相应成本不低，不适合大范围普及。
技术实现要素：
本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种自发电感应水阀控制器，为了充分利用水阀出水的动能，将其转化为电能为系统供能，并利用单片机智能化控制出水时间，达到节能减排的目的。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种自发电感应水阀控制器，包括:
水管发电机，其设置在进水管中，所述水管发电机下游的所述进水管上设置有一脉冲电磁阀，所述脉冲电磁阀两端并联一手动水阀，所述水管发电机的输出端设置有一电压采集单元；
充放电保护模块，其输入端连接在所述水管发电机的输出端；
电池，其连接在所述充放电保护模块的输出端；
传感器模块，其电源端与所述充放电保护模块的输出端连接，所述传感器模块设置在出水管出口设备上；
控制器，其电源端连接所述充放电保护模块的输出端，所述控制器的第一输入端连接所述电压采集单元的输出端，所述控制器的第二输入端连接所述传感器模块的输出端；以及
驱动模块，其输入端与所述控制器输出端连接，所述驱动模块的输出端与所述脉冲电磁阀控制端连接。
优选的，所述充放电保护模块为tp4056充电与保护一体板。
优选的，所述电池为锂电池，所述电池两端并联一超级电容。
优选的，所述传感器模块为红外传感器模块。
优选的，所述控制器中设置有一计时模块。
优选的，所述驱动模块包括：第一三极管q1、第二三极管q2、第三三极管q3、第四三极管q4、第五三极管q5、第六三极管q6、第七三极管q7、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5、第六电阻r6、第七电阻r7、第一电容c3、第二电容c2和第三电容c4；第一三极管q1的发射极与第二三极管q2的发射极连接作为驱动模块的输入端口a，第一三极管q1的集电极与第三三极管q3的集电极连接作为驱动模块的输出端口d，第一三极管q1的基极与第二电阻r2的第一端连接，第二三极管q2的集电极与第四三极管q4的集电极连接作为驱动模块的输出端口f，第二三极管q2的基极与第三电阻r3的第一端连接，第三三极管q3的发射极与第四三极管q4的发射极连接作为驱动模块的输入端口c，第三三极管q3的基极与第四电阻r4的第一端连接，第四三极管q4的基极与第五电阻r5的第一端连接，第五三极管q5的集电极与第二电阻r2的第二端连接，第五三极管q5的发射极与第五电阻r5的第二端连接，第五三极管q5的基极与第六电阻r6的第一端连接，第六三极管q6的集电极与第三电阻r3的第二端连接，第六三极管q6的发射极与第四电阻r4的第二端连接，第六三极管q6的基极与第七电阻r7的第一端连接，第七三极管q7的集电极与第六电阻r6的第二端连接，第七三极管q7的发射极与驱动模块输入端口c连接，第七三极管q7的基极与第七电阻r7的第二端连接作为驱动模块的输入端口b，第一电阻r1的第一端与驱动模块输入端口a连接，第一电阻r1的第二端与第七三极管q7的集电极连接，第一电容c3的第一端与第五三极管q5的基极连接，第一电容c3的第二端与驱动模块输入端口c连接，第二电容c2的第一端与驱动模块输出端口d连接，第二电容c2的第二端与驱动模块输出端口f连接，第三电容c4的第一端与第六三极管q6的基极连接，第三电容c4的第二端与驱动模块输入端口c连接。
优选的，所述控制器有三个输出引脚，其中第一输出引脚连接输入端口a，第二输出引脚连接输入端口b，第三输出引脚连接输入端口c，第一输出引脚和第三输出引脚提供驱动模块的工作电压，所述输出端口d、输出端口f与所述脉冲电磁阀的驱动信号输入端连接，第二输出引脚输出一控制所述脉冲电磁阀上电极反转的控制信号。
一种自发电感应水阀控制方法，包括以下步骤：
步骤一、当传感器模块被触发时，传感器模块产生第一触发信号，并传送至控制器中，控制器接收到所述第一触发信号后，从休眠状态中唤醒；
步骤二、当传感器模块结束被触发时，传感器模块产生第二触发信号，并传送至控制器中，计时模块计算第一触发信号到第二触发信号之间的持续时间t；
步骤三、当传感器模块结束被触发时，控制脉冲电磁阀开启，水管发电机运转发电，通过充放电保护模块为电池、传感器模块、控制器以及驱动模块供电；
步骤四、采集水管发电机输出电压值x并传送至控制器中，控制器根据电压值x和持续时间t设定一延时时间a，控制脉冲电磁阀的开启持续时间为a，其中，a与x成反比，a与t成正比。
步骤五、控制器重新进入休眠状态，等待下次触发启动。
优选的，所述步骤三中，若检测到持续时间t不足五秒时，则直接进入步骤五。
优选的，所述步骤四中，所述控制器中设定一数据库，所述数据库中储存有a与x、t的对应关系表，将控制器采集到的x、t值导入到所述数据库中进行自动查找，得到延时时间a。
本发明至少包括以下有益效果：
1、充分利用水阀出水的动能，将其转化为电能为系统所用，减小系统能耗；
2、控制器根据感应时间和水压自动调整出水流量，在不影响冲洗效果的前提下，减少了出水量，达到了节水目的。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图；
图2为本发明水阀驱动模块电路图；
图3为本发明控制方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
如图1-2所示，一种自发电感应水阀控制器，包括:水管发电机、锂电池充放电模块、红外传感器模块、控制器、脉冲电池阀及其驱动模块。
水管发电机1设置在进水管中，进水管中的水流经水管发电机1时，水流动能带动水流经水管发电机1发电，本实施例中，采用的微型水管发电机。所述水管发电机1下游的所述进水管上设置有一脉冲电磁阀8，所述脉冲电磁阀8两端并联一手动水阀9，所述水管发电机1的输出端设置有一电压采集单元，用于采集水管发电机1的输出电压值。
充放电保护模块2输入端连接在所述水管发电机1的输出端，本实施例中，所述充放电保护模块2采用的是tp4056充电与保护一体板，电池5连接在所述充放电保护模块2的输出端，通过充放电保护模块2为电池5充电，本实施例中，电池为锂电池，所述电池5两端并联一超级电容6。
传感器模块3电源端与所述充放电保护模块2的输出端连接，所述传感器模块3采用的为热释电红外传感器模块，水管发电机1发出的电能通过充放电保护模块2直接为传感器模块3供电，或者通过电池5为传感器模块3供电，所述传感器模块3设置在出水管出口设备上，本实施例中，传感器模块3设置在小便池上端，用于感应是否有人使用小便池。
控制器4的电源端连接所述充放电保护模块2的输出端，水管发电机1发出的电能通过充放电保护模块2直接为控制器4供电，或者通过电池5为控制器4供电，本实施例中，控制器4采用的是单片机。
所述控制器4的第一输入端连接所述电压采集单元的输出端，接收水管发电机1的输出电压值，所述控制器4的第二输入端连接所述传感器模块3的输出端，接收传感器模块3的感应信号。
控制器4中设置有一计时模块，用于计算传感器模块3感应到人进入感应区域到离开感应区域的时间。
驱动模块7的输入端与所述控制器4输出端连接，所述驱动模块7的输出端与所述脉冲电磁阀8控制端连接，用于控制脉冲电磁阀8的开、关状态。
所述驱动模块7包括：第一三极管q1、第二三极管q2、第三三极管q3、第四三极管q4、第五三极管q5、第六三极管q6、第七三极管q7、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5、第六电阻r6、第七电阻r7、第一电容c3、第二电容c2和第三电容c4；第一三极管q1的发射极与第二三极管q2的发射极连接作为驱动模块7的输入端口a，第一三极管q1的集电极与第三三极管q3的集电极连接作为驱动模块7的输出端口d，第一三极管q1的基极与第二电阻r2的第一端连接，第二三极管q2的集电极与第四三极管q4的集电极连接作为驱动模块7的输出端口f，第二三极管q2的基极与第三电阻r3的第一端连接，第三三极管q3的发射极与第四三极管q4的发射极连接作为驱动模块7的输入端口c，第三三极管q3的基极与第四电阻r4的第一端连接，第四三极管q4的基极与第五电阻r5的第一端连接，第五三极管q5的集电极与第二电阻r2的第二端连接，第五三极管q5的发射极与第五电阻r5的第二端连接，第五三极管q5的基极与第六电阻r6的第一端连接，第六三极管q6的集电极与第三电阻r3的第二端连接，第六三极管q6的发射极与第四电阻r4的第二端连接，第六三极管q6的基极与第七电阻r7的第一端连接，第七三极管q7的集电极与第六电阻r6的第二端连接，第七三极管q7的发射极与驱动模块7输入端口c连接，第七三极管q7的基极与第七电阻r7的第二端连接作为驱动模块7的输入端口b，第一电阻r1的第一端与驱动模块7输入端口a连接，第一电阻r1的第二端与第七三极管q7的集电极连接，第一电容c3的第一端与第五三极管q5的基极连接，第一电容c3的第二端与驱动模块7输入端口c连接，第二电容c2的第一端与驱动模块7输出端口d连接，第二电容c2的第二端与驱动模块7输出端口f连接，第三电容c4的第一端与第六三极管q6的基极连接，第三电容c4的第二端与驱动模块7输入端口c连接。
所述控制器4有三个输出引脚，其中第一输出引脚连接输入端口a，第二输出引脚连接输入端口b，第三输出引脚连接输入端口c，第一输出引脚和第三输出引脚提供驱动模块7的工作电压，所述输出端口d、输出端口f与所述脉冲电磁阀8的驱动信号输入端连接，为脉冲电磁阀8上电极提供一个驱动信号，第二输出引脚输出一控制所述脉冲电磁阀8上电极反转的控制信号，控制器根据水管发电机1的输出电压值和人进入传感器模块的感应区域到离开感应区域的时间来输出一控制信号，控制信号从第二输出引脚输出，驱动模块输入端口b接收到该控制信号后，控制输出端口d、输出端口f上输出信号的极性，以控制脉冲电磁阀8上电极极性进行翻转，实现对脉冲电磁阀8的开、关状态进行控制，从而对水阀的出水量进行程序自动控制。
自发电感应水阀的控制方法如下：
步骤一、当有人上厕所时，进入到传感器模块3的感应区域，传感器模块3被触发，传感器模块3产生第一触发信号，并传送至控制器4中，控制器4接收到所述第一触发信号后，从休眠状态中唤醒；
步骤二、当上完厕所离开传感器模块3的感应区域时，传感器模块3结束被触发状态，传感器模块3产生第二触发信号，并传送至控制器4中，计时模块计算第一触发信号到第二触发信号之间的持续时间t；
步骤三、当人离开传感器模块3的感应区域时，控制脉冲电磁阀8开启，水阀出水对小便池冲洗，同时水管发电机1运转发电，通过充放电保护模块2为电池5、传感器模块3、控制器4以及驱动模块7供电；此外，热释电红外传感器只能感应到范围内的运动中人体，若热释电红外传感器检测到的时间少于5秒，则忽略此次人体感应，则直接进入步骤五；
步骤四、通过电压采集单元采集水管发电机1输出电压值x并传送至控制器4中，控制器4根据电压值x和持续时间t设定一延时时间a，控制脉冲电磁阀8的开启持续时间为a，其中，a与x成反比，a与t成正比。
步骤五、控制器4重新进入休眠状态，等待下次触发启动。
具体的，在所述控制器4中设定一数据库，所述数据库中事先储存有a与x、t的对应关系表，将控制器4采集到的x、t值导入到所述数据库中进行自动查找，得到延时时间a。
由上所述，水管通过微型水管发电机1，微型水管发电机连接充放电保护模块2，充放电保护模块2给锂电池5充电并在锂电池5两端并联一个超级电容6，充放电保护模块的负载是红外传感器模块3；充放电保护模块的负载还并联了stc15微型单片机系统4，红外传感器的控制信号连接stc15微型单片机系统4，水管发电机发电的电压值经stc15微型单片机系统4的一个引脚输入，stc15微型单片机系统4有三个引脚输出至脉冲电磁阀驱动模块7，脉冲电磁阀驱动模块连接到脉冲电磁阀8，脉冲电磁阀8接到水管上并在两端并联一个普通手动水阀9。
其中，水管发电机1产生的电能经过充放电保护模块2给系统供电的同时，将部分电能存储于锂电池5和超级电容6中，为下次水阀开启之前提供电能；充放电保护模块2的负载并联了红外传感器模块3和stc15微型单片机系统4，为其提供工作电压；stc15微型单片机系统4有两个输入引脚，分别是红外传感器模块的控制信号、水管发电机发电的电压值信号；stc15微型单片机系统4有三个输出引脚，其中两个为脉冲电磁阀驱动模块7提供工作电压，一个提供驱动控制信号。
图3为本发明的流程图。
其中，单片机不工作时处于休眠模式；当红外传感器感应到人体靠近，传出控制信号至单片机时，单片机结束休眠并开始计时；直至红外传感器感应到人体离开，再次传出控制信号至单片机时，计时结束记为t，此时单片机发出打开水阀命令；水阀打开导致水管发电机发电，单片机则可以读取到其电压值x；将计时值t和电压值x对比现有的数据库，得到一个合适的延时时间a；单片机在延时a秒后发出关闭水阀命令；随后单片机进入休眠模式，等待下次红外传感器的控制信号。
其中，t表示人使用小便池的时间，t时间越长，则所需冲水量越多；在要求一定冲水量的情况下，电压值x越低，说明水管中水流量越小，则需要更长的延时时间a来达到所需的冲水量。
图2为本发明水阀驱动模块电路图。
其中，端口a、b、c连接单片机的输出引脚；端口d、f连接脉冲电磁阀两端。
本发明的整个工作流程：系统不工作时，单片机处于休眠模式；当红外传感器感应到人体接近时，给单片机发出控制信号，单片机解除休眠模式，并开始计时；当红外传感器感应到人体离开时，再次发出控制信号，使计时结束，同时单片机的三个输出引脚（分别对应图2的a、b、c端口）输出110，使脉冲电磁阀开启，然后输出000，停止脉冲电磁阀驱动模块的供电；单片机会根据这个计时时间t的长短，拟定一个具体出水量，在根据水管发电机发电的电压值x，判断水管中的水压，对比数据库中的x、t值，会得到一个具体的延时时间a，以达到所需冲水量的要求；单片机经过延时a后，在输出口输出100，使得脉冲电磁阀关闭，然后输出000，停止脉冲电磁阀驱动模块的供电；在脉冲电磁阀开启阶段，水管发电机会利用水能发电为系统供能，同时会有部分电能通过充放电保护模块存储在超级电容和锂电池中，为水管关闭时的系统供能。
本发明是以所选择的单片机开发板为核心，通过扩展红外传感器等外围电路设计一个感应水阀控制系统，主要实现以下功能：控制器在感应需要出水时，通过单片机对所需出水量的智能化处理，驱动超低功耗脉冲电磁阀开启，自来水流出，同时利用其动能发电并给充电电池充电，完全不需要外部能源，达到节能减排的目的。
本发明的智能化体现在所需出水量的计算，以及实际出水量的控制。出水量计算以红外传感器采集到的使用者小便时间为依据，由单片机控制，当使用者进入传感器区域时开始计时，至离开时计时完毕。针对不同的使用时间，单片机发出不同冲水量的控制信号；实际出水量的控制依据则是发电机产生的电压数值，因发电机产生的电压值会随管道中水压的大小变化，利用单片机的ad功能，可以做到当水压较大时，控制出水时间稍短，水压较小时，则控制出水时间稍长，使得实际出水量能够较精确的达到要求，避免冲水不足或者浪费水的情况。
本发明的特点是自发电，无需外接电源，为实现达到该目的的同时可以使装置长时间使用，会将充电电池两端的电压引入到单片机的ad模块，当检测到充电电池两端电压较低时，在下次出水时，会适当延长出水时间，使得发电机产生更多的电能并存储待用。同时，电路的设计以及各器件的选型均以低功耗为标准，尽可能地减少系统的能量消耗，充分做到节能减排的目的。
为了增强系统的实用性，会在脉冲电磁阀两端并联一个手动水阀开关，在因长时间没有使用导致充电电池储能不足时，手动打开水阀出水，并使发电机可以利用其动能发电并存储，下次就可以正常使用。同时也避免了装置出现故障时，小便池无法使用的情况。
由上所述，本发明的水阀控制器充分利用水阀出水的动能，将其转化为电能为系统所用，减小系统能耗；同时，控制器根据感应时间和水压自动调整出水流量，在不影响冲洗效果的前提下，减少了出水量，达到了节水目的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。