基于單片機的節水型凈水機設計制作

武韓笑 任有志 鹿有杰 于瑞陽

摘 要： 為解決復合型凈水機排放廢水造成的水資源浪費、濾芯表面雜質沉積造成的凈水效果差等問題，設計了節水型凈水系統專用的控制系統，包括單片機硬件電路和軟件開發流程。單片機硬件電路的設計主要有邏輯電路、擴展輸入輸出接口、掉電檢測、共享中斷等，軟件開發使用C語言，軟硬件結合可以讓節水型凈水系統相關器件協調控制。運行結果表明，所設計的凈水系統可實現制取純水、回收廢水、沖洗濾芯等功能，并且運轉正常。節水型凈水系統實現了節約用水、延長濾芯使用壽命的設計目標，可為用戶節省使用成本，使回收的廢水得到合理利用，還可為凈水機產業的綠色發展提供設計參考。

關鍵詞： 機電一體化技術;凈水機;單片機;節水;廢水回收利用;濾芯

中圖分類號： TP273? ?文獻標識碼：? 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，家用復合型凈水機較多使用RO反滲透濾芯。凈水機按管路設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反滲透技術時產生的大量廢水，設計了節水型凈水系統。

1 凈水機結構設計

現有的復合型凈水機常需將使用RO反滲透膜時產生的廢水排走，長期使用使得RO反滲透膜表面雜質堆積，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。節水型凈水系統使用五級濾芯，圖1為節水型凈水系統結構圖，其中第1，2，3級濾芯為預處理濾芯，分別為高分子纖維濾芯、顆粒活性炭濾芯、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，自來水經過過濾精度低的濾芯到過濾精度高的濾芯后可達直飲標準，制取的純凈水供用戶直接飲用。

只經過預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、洗漱等水質要求不高的地方使用。設置有沖洗支路，涉及第2流量計、沖洗電磁閥、 比例閥，將比例閥廢效比設置為3∶1，打開沖洗電磁閥，水經泵增壓后高速沖洗RO反滲透膜，除去其表面殘留的雜質，延長了使用壽命。在沖洗支路的比例閥末端設置廢水箱，將制取純水產生的廢水、沖洗濾芯產生的廢水收集起來。因廢水已經過預處理，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。節水型凈水系統在制取純水的同時將廢水回收再利用，節約了水資源，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 單片機硬件電路設計

將STC89C52單片機作為控制核心，為節水型凈水系統設計了專用控制系統，集凈水機所需功能于一體，包括單片機最小工作系統、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

為防止后續改進凈水系統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位地址線和數據傳輸線，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的輸出端以低電平譯出? [4] ，結合單片機/WR和/RD引腳，完成擴展輸入接口數據的讀入和擴展輸出接口數據的寫出，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輸入端狀態，將鎖存器輸入端數據通過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，對系統的輸入進行保護，增強電路的穩定性、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、高壓開關、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輸入端狀態，將P0口數據送到鎖存器輸出端Q0—Q3，然后經74LS04芯片、光耦隔離電路、繼電器驅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動。

當PNP三極管被導通，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，向擴展輸出接口發送相應的控制信號，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，所以需要在掉電時被及時檢測到，并將數據保存下來，待上電后恢復數據? [8] 。所設計的掉電檢測電路在掉電時將數據保存到單片機內部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，并利用單向導電性保證儲能電容CT1放電時不回流到 V? CC 系統電源? [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端均可穩定輸出5 V直流電壓，即 V? DD 。在系統掉電時，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的中斷，并有足夠的時間保存數據。MAX813是專門的掉電檢測芯片? [12] ，當 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，向單片機內部EEPROM保存數據。當電源恢復正常時，取消掉電工作方式，復位單片機，使凈水機重新工作，恢復數據。

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觸發器，帶清零功能，作用是減短外部中斷觸發的中斷響應時間，避免丟失其余的中斷響應，造成計數不準確。/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8路中有1路為低電平，就可引發單片機外部中斷1響應，在中斷1服務程序中查詢單片機P1^2和P1^3引腳即可知道哪個流量計引起的中斷，進而執行相關運算。

3 程序控制流程

使用Keil編寫C語言程序，燒錄到單片機內部，實現凈水器件協調控制。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? [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屏幕進行初始化設置。上電讀取內部EEPROM內容，使掉電時保存的數據繼續進行相關運算。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頁數據不斷更新，其他頁的數據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、高壓開關閉合，進水閥、泵工作，自來水依次經過各級濾芯后從純水口流出? [15] 。高壓開關斷開則壓力桶水滿，停止制取純水。RO反滲透濾芯沖洗過程為低壓開關閉合、高壓開關斷開，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，經泵增壓的水高速沖洗RO反滲透膜，產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 語

本文敘述了節水型凈水系統的設計制作過程，包括凈水機結構、控制系統硬件電路、軟件開發流程。為節水型凈水系統設計的專用控制系統，解決了傳統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計了控制系統邏輯電路、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據寫入單片機內部EEPROM中，采用硬件請求和軟件查詢的方法共享中斷電路，實現了制取純水、沖洗濾芯、廢水回收等功能。

設計的節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。

參考文獻/References：

[1]? 張玥，張曼，張娜，等.純凈水對健康影響的定性循證研究[J].中國食物與營養，2020，26（4）：9-13.

ZHANG Yue， ZHANG Man， ZHANG Na， et al. A qualitative evidence-based study on health effects of purified water[J].? Food and Nutrition in China， 2020，26 （4）： 9-13.

[2]? 王文峰. RO排放濃水回用分析[J].資源節約與環保，2019（6）： 23.

[3]? 章思遠.一種反滲透濃水的處理工藝在純水制備中的應用[J].集成電路應用，2018，35（7）：60-62.

ZHANG Siyuan. Study on concentrate treatment technology in the preparation of pure water[J]. Application of IC， 2018， 35 （7）： 60-62.

[4]? 姚婧.智能多功能凈水器的硬件設計[J].企業技術開發， 2014，33（29）：1-2.

[5]? 郭天祥.51單片機C語言教程——入門、提高、開發、拓展全攻略[M].北京：電子工業出版社，2009.

[6]? 余朋清.基于光耦隔離驅動的家用電器待機及放電電路[J].電子技術，2020， 49（1）： 78-79.

YU Pengqing. A type of isolated driving standby and discharge circuit for appliances based optocoupler[J]. Electronic Technology， 2020，49（1）：78-79.

[7]? 靳曉波.一種基于STC單片機的反滲透凈水機控制系統[J].機械工程與自動化，2018（6）：185-186.

JIN Xiaobo. A control system of reverse osmosis water purifier based on STC single-chip microcomputer[J]. Mechanical Engineering & Automation， 2018 （6）： 185-186.

[8]? 高希棟.一種智能電能表掉電檢測模塊的電路設計[J].機電信息，2018（15）：141.

[9]? TANDOEV A G， MNATSAKANOV T T， YURKOV S N. S-shaped I-V characteristics of high-power schottky diodes at high current densities[J]. Semiconductors， 2020，54（5）：567-574.

[10]? 何婷婷，李少甫，NAHID-AL M，等. 肖特基二極管太赫茲混頻器研究進展[J].傳感器與微系統，2020，39（5）：4-6.

HE Tingting， LI Shaofu， NAHID-AL M， et al. Research progress on Schottky diode terahertz mixers[J]. Transducer and Microsystem Technologies， 2020，39 （5）：4-6.

[11]? EGOROV I， POLOSKOV A， REMNEV G.Computation of the impedance of a vacuum electron diode with emission current delay[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research，2019，921：68-70.

[12]? 饒勇剛.采用MAX813L芯片對復位電路可靠性提高的討論[J].咸寧學院學報，2008，28（6）：48-51.

RAO Yonggang. Adopt MAX813L to improve the reliability of reset circuit[J]. Journal of? Xianning University， 2008，28 （6）： 48-51.

[13]? 塵源，姜培剛，李曉陽，等.8051單片機擴展外部中斷源的設計方法[J].工業控制計算機，2012，25（3）：93-95.

CHEN Yuan， JIANG Peigang， LI Xiaoyang， et al. Design of expanding external interrupt sources for 8051 SCM[J]. Industrial Control Computer， 2012，25（3）： 93-95.

[14]? 竇群.C51單片機看門狗程序優化設計[J].中國新技術新產品，2013（14）：4-5.

[15]? 鄭光熙.基于單片機的便攜反滲透凈水系統[J].廣東石油化工學院學報，2015， 25（4）： 56-59.