基于ATmega16L的凈水機控制系統的設計

鄧誼柏，徐 勇，蘇志輝，王 義

(湖南大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410082)

水是人類生命的源泉，人們對飲用水質的要求及相應的標準在不斷提高。但由于工業廢水和生活污水等水體排放量的不斷增加，致使水源污染日益加劇。人類經歷了由最初的簡單的沉淀凈水到傳統的煮沸處理，發展到現在的深度凈化飲用水。解決飲用水污染問題有兩條途徑：一是通過保護飲用水水源，選用優質飲用水水源；二是強化飲用水處理工藝。在發達國家飲用水凈化處理工藝已經很成熟且凈水機的使用也相當普及，但在我國，這種凈水機目前仍不為大眾消費者所熟悉。所以設計功能完善、經濟實用的智能凈水機具有積極的社會意義。

1 控制系統的構成與工作原理

圖1為凈水機控制系統的結構框圖。凈水機主要由控制主板、增壓泵、溫度傳感器、壓縮機、電熱絲、水位檢測板、LCD顯示屏、紫外燈管等裝置組成。機器可通過手動開機和定時自動開機。控制器根據用戶設定的參數控制各裝置的工作，實現機器的自動控制。LCD屏實時顯示當前工作狀態，用戶可通過按鍵修改和查看已設定的參數，在參數被修改后，系統會更新并保存修改的參數。在機器運轉的過程中，控制器根據各傳感器的信號狀態判斷各部件是否有故障發生，當有故障發生時立即對機器實現實時保護，同時LCD屏顯示相應故障代碼，以便維護人員有針對性地進行維修。

圖1 控制系統結構框圖

2 控制系統的硬件設計

2.1 溫度控制

功能完善的凈水機不但能夠起到凈化水的作用，而且還能夠根據消費者的需求對水進行精確的加熱，以滿足消費者的需求。當水經過直飲水機深度的科學處理時，溫度控制的精度很重要。基于這個特點，本文提出了如下溫度控制方案：測溫元件采用不銹鋼管負溫度系數熱敏電阻溫度傳感器，溫度的檢測電路如圖2所示。當溫度變化時，熱敏電阻值會隨著溫度的升高而減小。為了使測量的溫度盡可能準，可選擇在經常工作的溫度區間，采用電阻值變化大的熱敏電阻，上拉電阻取測量溫度的中點溫度時熱敏電阻的阻值。這樣就能把變化的電阻值轉變成電壓值，經過濾波后，送單片機內部的A/D轉換器進行轉換后得到相應的溫度值。

圖2 溫度檢測電路

加熱裝置的電路控制如圖3所示。ICE_CON連接到數字擴展口上，ICE_SYS連接到加熱裝置。

圖3 溫度控制電路

溫度執行機構主要由光隔控制可控硅的通與斷來控制加熱電源的通與斷。用可控硅代替繼電器等機械開關，可使控制具有靈敏、可靠、抗干擾能力強等優點[1]。數字信號經過開關量擴展電路后，送光電耦合器MOC3043，由MOC3043控制可控硅的控制極。通過光電耦合器與可控硅的結合，能夠有效地把微控系統與交流220 V隔離，同時又因為雙向可控硅采用過零觸發的方式(這是一種理想的觸發工作方式)，并使正弦波以完整的形式加到負載上，既有利于保護元器件的安全使用和負載的工作穩定性，又不會對電網造成污染，減少了對其他設備的干擾[2]。MOC3043是具有內部過零檢測器的光電耦合可控硅驅動器，用它驅動可控硅具有簡單可靠的優點。因為當輸入端導通時，輸出端并不馬上導通，只有電源電壓過零時才會導通，這樣負載輸出端輸出的就是完整的正弦波[3]。

2.2 開關量輸出

由于控制系統的輸出比較多，在該控制系統中，主要的輸出有：增壓泵、2個紫外燈、阻返器、臭氧發生器、4個進水電磁閥、制熱裝置等。如果用單片機端口一對一地輸出控制，則輸出端口的資源相當緊張。因此，本控制系統采用移位/鎖存器CD4094BE結合高壓高電流達林頓管陣列ULN2803A進行端口擴展。開關量輸出擴展電路如圖4所示。

圖4 開關量輸出擴展電路

開關量輸出經過擴展后，由于外部負載為電磁閥感性負載，所以選用高壓高電流達林頓管陣列ULN2803A直接驅動負載，同時增加了D5～D9作為續流二極管。續流二極管均為并聯且在線圈的兩端，當線圈通過電流時，會在其兩端產生感應電動勢。當電流消失時，其感應電動勢會對ULN2803A產生反向電壓。當反向電壓高于ULN2803A反向擊穿電壓時，會造成ULN2803A損壞。但由于續流二極管并聯在線圈兩端，當流過線圈中的電流消失時，線圈產生的感應電動勢通過二極管和線圈構成的回路做功而消耗掉了，從而保護了ULN2803A的安全。

2.3 數據保存

由于不同的用戶設定的參數不一樣，這些參數在沒有修改前要永久保存，在系統中要求保存的參數有：定時開/關機的時間、定時開/關制熱的時間、水溫度設定值。這些參數可以通過外擴鐵電存儲器來保存，但將會增加控制系統成本。由于ATMEGA16L自身帶有512 B的EEPROM，擦寫次數達100 000次。考慮到這些參數不會頻繁地被修改，所以用單片機內部的EEPROM就能夠滿足參數保存的要求。同時在程序設計中盡量減少了對EEPROM進行讀寫R的次數，只在上電時對EEPROM進行讀，參數改變時對EEPROM進行寫，按每天總共讀寫10次計算，可以使用27年。

2.4 水位檢測裝及控制方案

水位的檢測是通過在水箱中豎直安裝一根中空管(里面分別裝有高/低水位干簧管)，中空管外面套有一個浮動的磁環裝置，與水位同時升降。當磁環和相應干簧管在同一高度時，干簧管閉合，單片機檢測到信號后，執行相應控制。如檢測到低水位信號時，單片機輸出啟動凈化水的信號，打開進水閥門，同時為了避免由于硬件誤檢測帶來誤控制，在啟動凈化水的同時會啟動制水時間，在規定時間內沒有達到高水位信號時，LCD屏則顯示機器故障或者提示停水了，機器自動停機；當檢測到高水位信號時，關制水，啟動殺菌消毒裝置對新制的水進行處理。

3 控制系統軟件設計

凈水機的軟件設計采用模塊化設計思想，以主程序為核心，設計了各功能模塊子程序，使大量的功能在子程序中實現，簡化了軟件設計結構。子程序模塊主要包括：定時處理子程序、系統故障檢測處理子程序、溫度處理子程序、鍵盤管理子程序、數據存儲子程序、顯示子程序等。所有程序采用基于ICCAVR編譯器，用C語言編寫。系統主程序流程圖如圖5所示。

以ATmega16L單片機為核心的控制系統凈水機成本低、抗干擾能力強、運行穩定可靠。殺菌消毒過程使用臭氧、紫外線殺菌消毒兩種方法。通過對經凈水機處理水的水質進行檢測，可以滿足GB19298-2003、生活飲用水衛生標準GB5749-2006的要求。目前該凈水器已為企業帶來了巨大的經濟效益。

圖5 主程序流程圖

[1]劉亞利，譚振華，高世偉，等.單片機在溫度控制系統中的應用[J].微計算機信息，2005(11-2):1-2.

[2]馬江濤.單片機溫度控制系統的設計及實現[J].計算機測量與控制，2004，14(12)：1219-1221.

[3]石東海，扈嘯，周旭升.單片機數據通信技術入門到精通[M].西安:西安電子科技大學出版社，2002.