基于單片機的節(jié)水型凈水機設(shè)計制作

武韓笑 任有志 鹿有杰 于瑞陽

摘 要： 為解決復(fù)合型凈水機排放廢水造成的水資源浪費、濾芯表面雜質(zhì)沉積造成的凈水效果差等問題，設(shè)計了節(jié)水型凈水系統(tǒng)專用的控制系統(tǒng)，包括單片機硬件電路和軟件開發(fā)流程。單片機硬件電路的設(shè)計主要有邏輯電路、擴展輸入輸出接口、掉電檢測、共享中斷等，軟件開發(fā)使用C語言，軟硬件結(jié)合可以讓節(jié)水型凈水系統(tǒng)相關(guān)器件協(xié)調(diào)控制。運行結(jié)果表明，所設(shè)計的凈水系統(tǒng)可實現(xiàn)制取純水、回收廢水、沖洗濾芯等功能，并且運轉(zhuǎn)正常。節(jié)水型凈水系統(tǒng)實現(xiàn)了節(jié)約用水、延長濾芯使用壽命的設(shè)計目標(biāo)，可為用戶節(jié)省使用成本，使回收的廢水得到合理利用，還可為凈水機產(chǎn)業(yè)的綠色發(fā)展提供設(shè)計參考。

關(guān)鍵詞： 機電一體化技術(shù);凈水機;單片機;節(jié)水;廢水回收利用;濾芯

中圖分類號： TP273? ?文獻標(biāo)識碼：? A

doi：? 10.7535/hbgykj.2020yx06011

Design and manufacture of water-saving water purifier

based on single chip microcomputer

WU Hanxiao， REN Youzhi， LU Youjie， YU Ruiyang

（School of Mechanical Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018，China）

Abstract：

In order to solve the waste of water resources caused by the waste water discharged from the composite water purifier and the poor effect of water purification caused by impurities deposition on the surface of filter element， etc， a dedicated? water? purification control system for water-saving was designed， including hardware circuit and software development process of single chip microcomputer. Logic circuit， extended input and output interface， power down detection， shared interrupt were included in the hardware circuit design of single chip microcomputer. C language was used in the software development part. The related devices of water-saving water purification system were controlled correspondly by the combination of software and hardware. The operation results show that the functions of pure water preparation， waste water recovery and filter element flushing can be implemented by the designed water purification system， and the system works well. The water-saving water purification system acheives the design goal of saving water and prolonging the service life of filter element， which can save the cost for users and use the recycled wastewater reasonably and can also provide a reference for the design of green development of water purifier industry.

Keywords：

electromechanical integration technology;water purifier; single chip microcomputer; water-saving;

reclamation of waste water; filter element

目前，家用復(fù)合型凈水機較多使用RO反滲透濾芯。凈水機按管路設(shè)計可劃分為漸緊式凈水機和自潔式凈水機2類：漸緊式凈水機的濾芯設(shè)計前松后緊，一般以五級濾芯依次首尾相連，截留物沉積于濾芯內(nèi)部，需要定期人工拆洗或頻繁更換濾芯以確保機器正常運作;自潔式凈水機增加了一條洗滌水通路，在自行清潔過程中產(chǎn)生的大量廢水被排走? [1] 。

為減少頻繁更換濾芯帶來的麻煩以及采用RO反滲透技術(shù)時產(chǎn)生的大量廢水，設(shè)計了節(jié)水型凈水系統(tǒng)。

1 凈水機結(jié)構(gòu)設(shè)計

現(xiàn)有的復(fù)合型凈水機常需將使用RO反滲透膜時產(chǎn)生的廢水排走，長期使用使得RO反滲透膜表面雜質(zhì)堆積，影響凈水效果? [2-3] 。為減少用戶使用成本并合理分配家庭水資源，需對家庭用水作綜合處理。節(jié)水型凈水系統(tǒng)使用五級濾芯，圖1為節(jié)水型凈水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，其中第1，2，3級濾芯為預(yù)處理濾芯，分別為高分子纖維濾芯、顆?；钚蕴繛V芯、超濾膜。精細過濾濾芯為RO反滲透濾芯，后處理濾芯為活性炭濾芯，自來水經(jīng)過過濾精度低的濾芯到過濾精度高的濾芯后可達直飲標(biāo)準(zhǔn)，制取的純凈水供用戶直接飲用。

只經(jīng)過預(yù)處理濾芯過濾后的水從粗過濾排水口流出，通過管道連接用戶水管，供用戶洗菜、燒水、做飯、洗漱等水質(zhì)要求不高的地方使用。設(shè)置有沖洗支路，涉及第2流量計、沖洗電磁閥、 比例閥，將比例閥廢效比設(shè)置為3∶1，打開沖洗電磁閥，水經(jīng)泵增壓后高速沖洗RO反滲透膜，除去其表面殘留的雜質(zhì)，延長了使用壽命。在沖洗支路的比例閥末端設(shè)置廢水箱，將制取純水產(chǎn)生的廢水、沖洗濾芯產(chǎn)生的廢水收集起來。因廢水已經(jīng)過預(yù)處理，其清潔度仍然可滿足日常生活中非飲用生活用水的要求。將廢水箱放置在高處，利用高位產(chǎn)生的水壓，使廢水通過管道自流入用戶馬桶、洗衣機、水管等處，方便用戶廢水再利用。節(jié)水型凈水系統(tǒng)在制取純水的同時將廢水回收再利用，節(jié)約了水資源，可以定期沖洗濾芯，避免了頻繁更換濾芯，將不同級別的過濾水供用戶按需使用，將家庭用水合理化。

2 單片機硬件電路設(shè)計

將STC89C52單片機作為控制核心，為節(jié)水型凈水系統(tǒng)設(shè)計了專用控制系統(tǒng)，集凈水機所需功能于一體，包括單片機最小工作系統(tǒng)、電源、邏輯電路、連接凈水機器件的輸入和輸出接口、掉電檢測電路、共享中斷電路、1602液晶顯示等。

2.1 邏輯電路

為防止后續(xù)改進凈水系統(tǒng)時單片機接口不夠用，以外部擴展地址方式對單片機接口進行擴展。單片機P0口用作低8位地址線和數(shù)據(jù)傳輸線，P2口的低5位用作高5位地址線，確定一個地址便可選通74LS138譯碼芯片，P2口高3位用作74LS138譯碼芯片的地址輸入端，即74LS138譯碼芯片工作時，可將地址端的二進制編碼在一個對應(yīng)的輸出端以低電平譯出? [4] ，結(jié)合單片機/WR和/RD引腳，完成擴展輸入接口數(shù)據(jù)的讀入和擴展輸出接口數(shù)據(jù)的寫出，圖2為邏輯電路原理圖。

2.2 擴展輸入與輸出接口

邏輯電路的S3引腳連接擴展輸入接口用的74LS373鎖存器/OE引腳，鎖存器LE引腳接高電平，只要/OE引腳為低電平，鎖存器輸出端就會呈現(xiàn)輸入端狀態(tài)，將鎖存器輸入端數(shù)據(jù)通過P0口傳送至單片機? [5] ，圖3為擴展輸入接口電路圖。擴展輸入接口鎖存器的輸入端D0—D7連接光耦隔離電路，對系統(tǒng)的輸入進行保護，增強電路的穩(wěn)定性、抗干擾性? [6] 。從光耦隔離電路出來后連接凈水機的低壓開關(guān)、高壓開關(guān)、低液位傳感器、高液位傳感器、液晶屏右翻按鍵、液晶屏左翻按鍵、強制沖洗按鍵、計數(shù)歸零按鍵。

邏輯電路的S1引腳連接1602液晶屏的使能引腳，選通即可工作。邏輯電路的S2引腳連接擴展輸出接口用的74LS373鎖存器LE引腳，鎖存器/OE引腳一直接地，只要LE引腳從低電平變高電平，鎖存器輸出端就會呈現(xiàn)輸入端狀態(tài)，將P0口數(shù)據(jù)送到鎖存器輸出端Q0—Q3，然后經(jīng)74LS04芯片、光耦隔離電路、繼電器驅(qū)動電路后輸出給與之相連的凈水機的進水電磁閥、沖洗電磁閥、增壓泵、低液位電磁閥。

采用PNP型三極管的電流放大特性對繼電器進行驅(qū)動。

當(dāng)PNP三極管被導(dǎo)通，繼電器的線圈就會有電流通過，觸點吸合，反之，觸點不動作，進而控制進水電磁閥、沖洗電磁閥、增壓泵、低液位電磁閥通斷? [7] ，圖4是擴展輸出接口電路圖。單片機通過擴展輸入接口收到的信號，向擴展輸出接口發(fā)送相應(yīng)的控制信號，完成凈水機的一系列工作。

2.3 掉電檢測電路

凈水機正常工作時突然停電，在無任何防備的情況下，將會丟失流量計的累計脈沖數(shù)，所以需要在掉電時被及時檢測到，并將數(shù)據(jù)保存下來，待上電后恢復(fù)數(shù)據(jù)? [8] 。所設(shè)計的掉電檢測電路在掉電時將數(shù)據(jù)保存到單片機內(nèi)部EEPROM中，圖5是掉電檢測電路原理圖。

如圖5中所示， V? CC 為5 V，是系統(tǒng)總電源，不掉電時，給電路板所有用電器件供電。采用肖特基二極管，因其較普通二極管所鉗去的電壓小，保證電容CT1充滿電后電壓不至于過低，并利用單向?qū)щ娦员ＷC儲能電容CT1放電時不回流到 V? CC 系統(tǒng)電源? [9-10] 。CT1選5.5 V法拉電容，RES1為限流電阻，消除電容CT1的上電浪涌。CT2與CT3共同起到濾波作用。EJG2是阻尼二極管，保護法拉電容? [11] 。

LT1電感、CT4和CT5起到對升壓電路5 V和GND端濾波的作用。升壓電路模塊 V +和V -端 輸入0.9～5 V任意直流電壓，5 V和GND端均可穩(wěn)定輸出5 V直流電壓，即 V? DD 。在系統(tǒng)掉電時，儲能電容CT1放電到0.9 V這個過程， V? DD 為單片機、MAX813芯片、手動復(fù)位電路提供正常工作的5 V電壓，保證單片機能夠接收到掉電引發(fā)的中斷，并有足夠的時間保存數(shù)據(jù)。MAX813是專門的掉電檢測芯片? [12] ，當(dāng) PF1引腳低于1.25 V時，/PF0引腳輸出低電平，/PF0與單片機INX0引腳相連，中斷0為最高優(yōu)先級，掉電時可打斷其他任何進程，進入外部中斷0的掉電保存子程序，向單片機內(nèi)部EEPROM保存數(shù)據(jù)。當(dāng)電源恢復(fù)正常時，取消掉電工作方式，復(fù)位單片機，使凈水機重新工作，恢復(fù)數(shù)據(jù)。

2.4 共享中斷電路

將流量計連接單片機外部中斷輸入端，STC89C52單片機只有2個外部中斷，掉電檢測電路已用掉1個，要想使用2個或者更多的流量計，就要進行擴展? [13] 。本文采用硬件請求和軟件查詢的方法設(shè)計出共享中斷電路。圖6為共享中斷電路原理圖。流量計首先連接進入光耦隔離電路，再連接74LS76芯片，74LS76芯片為雙JK觸發(fā)器，帶清零功能，作用是減短外部中斷觸發(fā)的中斷響應(yīng)時間，避免丟失其余的中斷響應(yīng)，造成計數(shù)不準(zhǔn)確。/Q1端連接74LS30芯片和P1^2引腳，/Q2端連接74LS30芯片和P1^3引腳。74LS30和74LS04芯片組成8輸入與門，當(dāng)8路中有1路為低電平，就可引發(fā)單片機外部中斷1響應(yīng)，在中斷1服務(wù)程序中查詢單片機P1^2和P1^3引腳即可知道哪個流量計引起的中斷，進而執(zhí)行相關(guān)運算。

3 程序控制流程

使用Keil編寫C語言程序，燒錄到單片機內(nèi)部，實現(xiàn)凈水器件協(xié)調(diào)控制。圖7所示為凈水機的主程序控制流程圖。其中“喂狗”的作用是防止程序進入死循環(huán)? [14] 。掉電檢測和流量計用到中斷，1602屏幕定時刷新用到定時器，故需中斷、定時器初始化設(shè)置。1602屏幕的讀寫操作按一定的時序進行，需將1602屏幕進行初始化設(shè)置。上電讀取內(nèi)部EEPROM內(nèi)容，使掉電時保存的數(shù)據(jù)繼續(xù)進行相關(guān)運算。進入主程序后，按鍵掃描程序可查詢用戶是否按下按鍵。“1602第1頁刷新顯示”子程序可以使第1頁數(shù)據(jù)不斷更新，其他頁的數(shù)據(jù)刷新在用戶按下翻頁鍵后顯示。擴展輸入、輸出接口子程序是凈水機的制水、沖洗、停止程序，如圖8所示。

凈水機制取純水的過程為低壓開關(guān)、高壓開關(guān)閉合，進水閥、泵工作，自來水依次經(jīng)過各級濾芯后從純水口流出? [15] 。高壓開關(guān)斷開則壓力桶水滿，停止制取純水。RO反滲透濾芯沖洗過程為低壓開關(guān)閉合、高壓開關(guān)斷開，且廢水箱中水位低于低液位傳感器時，打開進水閥、沖洗閥、泵，經(jīng)泵增壓的水高速沖洗RO反滲透膜，產(chǎn)生的廢水自動流入廢水箱，為用戶收集到廢水。廢水箱安裝有高、低2個液位傳感器，檢測廢水箱的水位，制取純水時液位高于高液位傳感器時則提醒用戶排水，但此情況極少。無論何種情況，只要廢水箱水位低于低液位傳感器時便打開電磁閥，讓用戶在廢水箱水少時使用自來水。

4 結(jié) 語

本文敘述了節(jié)水型凈水系統(tǒng)的設(shè)計制作過程，包括凈水機結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)硬件電路、軟件開發(fā)流程。為節(jié)水型凈水系統(tǒng)設(shè)計的專用控制系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)凈水機存在的水資源浪費的問題，并合理分配了家庭水資源，降低了使用成本。利用外部擴展地址方式設(shè)計了控制系統(tǒng)邏輯電路、擴展輸入輸出接口，掉電檢測電路在檢測到電壓降低時可將數(shù)據(jù)寫入單片機內(nèi)部EEPROM中，采用硬件請求和軟件查詢的方法共享中斷電路，實現(xiàn)了制取純水、沖洗濾芯、廢水回收等功能。

設(shè)計的節(jié)水型凈水機的體積較大，今后需向小型化方向作進一步的探討。

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