基于霍爾流量計改進小型純水機系統的設計

佟西偉

摘 要：在原有小型純水機系統上增加霍爾流量傳感器，采集純水流量信號以及排放的廢水流量信號，采用目前控制領域功耗損耗相對較低的MSP430F149型單片機處理上述流量信號，用LCD1602實時顯示當前的各個流量數據，然后通過改變廢水比，實時統計出在不同變比下純水流量與廢水流量，并找到最優值。

關鍵詞：霍爾流量傳感器 廢水比 單片機

中圖分類號：TD524 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）02（a）-0173-01

目前市面上小型純水機系統種類繁多，特別是目前小型純水機系統大多以開環為設計思路，這種設計方案缺點是出水后的廢水被大量的排放掉。此外，目前的系統中廢水比大多是固定的，這跟現場環境的變化導致的廢水比效率改變不能匹配，因而，如何通過改變廢水比來實現在不同情況下，系統仍然處于最好的出水狀態，這是整個純水機系統設計需要進一步考慮的。在當今日常生活中，流量計的使用范圍越發廣泛。工程中使用的流量計有很多種，例如電磁流量計、渦輪流量計等[1]。這些流量計的優點是精度很高，但是這些流量計采用的是高速處理芯片，成本較高，這對于家庭用小型純水機顯然是不劃算的[2]。

1 改進系統設計方案

為解決廢水排放的問題，本設計增加了廢水閉環回路，如圖1所示，從RO反滲透膜分流出來的廢水一路是經過三通作為沖洗系統的支路，另外一路是經過流量計、可調節廢水比進入自來水水管的三通，這樣可以重復利用廢水。自來水的最大進水壓力為0.18 MPa，本設計選定的增壓泵型號是三角洲EC-101-50：其進水壓力是不大于0.2 MPa，工作壓力是0.45 MPa，對于本設計來說基本符合要求。

在本系統的純水出水端和廢水出水端各安置了一個霍爾流量傳感器，用來實時記錄當前的純水和廢水的流量比例。由于本設計RO反滲透膜最大的反滲透壓是 0.8 MPa，所以在調節廢水比時，要記錄不同變比下的數據，然后做出曲線圖，找出最優值，盡量選擇一個對反滲透膜較小的進水壓力差。主要注意的是：如果膜元件的水通量過大，或回收率過高，鹽分和膠體滯留在膜表面上的可能性就越大[3]。

本設計選用的霍爾傳感器頻率與水流量的關系為：

F=40×Q（L/min）

其中：F為脈沖信號頻率，單位：Hz；

Q為水流量，單位：L/min。

2 控制電路設計

2.1 電源電路

采用變壓器將交流電220 V降壓為24 V直流電。通過LM2575芯片將24 V直流電壓降為5 V，通過LM117芯片將5 V電壓進一步降為3.3 V。其中5 V直流電壓供霍爾傳感流量計驅動電壓，3.3 V直流電壓供控制主芯片MSP430F149、LCD1602等模塊驅動。

2.2 控制芯片MSP430F149和液晶顯示

本控制電路控制芯片選用TI公司的MSP430F149，該芯片最大的優點是功耗低，能夠工作在不同的功耗模式下；能夠滿足長時間斷電存儲信息不流失。

液晶顯示選用YLF1602D顯示屏，驅動電壓是3.3 V，功耗低，市面上常見，價格較低廉，能夠同時顯示32個字符。

2.3 其他模塊設計

包括晶振和鍵盤的選定等。

3 控制分析及設計

純水和廢水通過霍爾流量傳感器分別產生脈沖信號，單片機分別接收。然后單片機分別計數。通過簡單的函數運算，得到廢水和純水的流量。最后將這兩個數據實時的傳送到1602液晶顯示屏上。

這部分的程序設計模塊包括：定時器初始化，應用層的LCD顯示程序和脈沖頻率采集程序等。

中斷部分函數：定時器A的中斷服務函數，在這里通過設置中斷讀取計數器的脈沖個數，然后計算流量。

4 數據實驗

在1602顯示器上會實時顯示接收到每個脈沖后的流量，廢水比由最大開始，每旋轉到一個位置，該位置盡可能小，下一次的旋轉量需要跟這次相同，記下當前的顯示屏上的流量數據，純水流量和廢水流量；依次旋轉廢水比，記下下一次數據。然后將所有的數據列表，用MATLAB畫出數據統計曲線，找到該曲線的拐點即為該廢水比最優選擇位置，也是當前環境下的最好的工作狀態。

5 結語

通過上述改進，純水機系統的純水出水有了更高的出水效率，特別是霍爾流量計的使用，其精度可以達到0.01 ml，這個精度對于日常生活中的流量統計已經足夠。更重要的是，通過本設計，對于任何環境下，包括在不同自來水水溫，自來水水壓等條件下，通過調節廢水比，可以找到符合該環境條件下的最好工作狀態，這種方式更加靈活，有很大的研究性和應用性。

參考文獻

[1] 梁國偉，蔡武昌.流量測量技術及儀表[M].北京：機械工業出版社，2002.

[2] 胡曉泊，翟浩.基于霍爾效應的低成本簡易流量計[J].北京：科技創新導報，2012（4）：47.

[2] 張葆宗.反滲透水處理應用技術[M].北京：中國電力出版社，2004.