基于單片機的節水型凈水機設計研究

張 召

（魯中中等專業學校，山東鄒平 256200）

0 引言

家用復合型凈水機采取RO 反滲透濾芯，凈水機管路設計分為漸緊式及自潔式兩種。第一種結構在設計過程中，利用前松后緊的濾芯設計方法，將各級濾芯首尾連接，將過濾過程中的垃圾截取，在堆積一定量垃圾后人工拆除等方式更換濾芯，保證凈水機處于穩定運行狀態。第二種自潔式凈水機在使用過程中會帶走大量廢水，為避免頻繁更換濾芯，還需采取RO 反滲透技術處理廢水。兩種凈水機結構各有優劣勢，需對凈水機結構進行深入探究。

1 凈水機結構研究

常見的復合型凈水機使用RO 反滲透膜處理廢水，但反復利用反滲透膜處理廢水會導致其表面堆積很多的垃圾，水質處理結果逐漸變差。為有效控制成本，合理對家庭水資源進行管理，需對家庭用水進行研究。節水型凈水系統采取五級濾芯，包括預處理濾芯及高分子碳纖維濾芯等。精細過濾濾芯是RO 反滲透濾芯，后處理濾芯是活性炭濾芯，水進入過濾系統后，能將其中的雜質清理，達到人們飲用標準。自來水在過濾后自排水口流出，連接用戶水管后，為用戶提供洗菜及做飯的水源，這種區域往往對水質要求不高。在凈水機設計過程中，將目光放在沖洗支路上，其中關系到比例閥及沖洗電磁閥等結構，在設置比例閥時，可以將其設定為3∶1，電磁閥在開啟后，水泵增壓后對RO 反滲透膜進行沖洗，雜質在清理后，有利于達到延長反滲透膜使用壽命的結果。

支路設計過程，要關注比例閥下的廢水箱，設置廢水箱的目標是將處理后的廢水融入廢水箱，滿足人們日常清潔要求，在擺放廢水箱后，在高位水壓處理下，將廢水箱中的廢水在管道中排入洗衣機或者馬桶，實現水資源的重復利用。在設計節水型凈水機過程中，提取純水是重要環節，在提取純水時將廢水處理，達到節水目標，能及時清理濾芯，避免用戶在使用一段時間后更換濾芯，廢水及純水各有用途，能合理化使用家庭水資源。

2 單片機電路設計過程

在研究過程中，將STC89C52 單片機作為控制器核心，節能型凈水機具有控制系統，最小工作系統中包括電源、邏輯電路及凈水機連接器件等。

2.1 邏輯電路設計

在設計過程中分析凈水機系統結構中單片機接口問題，一旦接口量不足，需及時拓展接口，單片機P0 數據傳輸過程與低8 位地址線相連，P2 接口則是分別與低5 位及高5 位電路連接，找到對應的地址后，插入74LS138 譯碼芯片。該芯片與P2 接口高3 位輸入端連接，芯片在實際運行過程中，其結構可以將編碼輸入及輸出，結合單片機WR 及RD 引腳，完成數據收錄及數據讀取、接口數據控制，并形成完善的邏輯電路原理圖。

2.2 拓展輸入、輸出接口

邏輯電路S3 引腳連接拓展接口后，與OE 引腳及74LS373鎖存器形成完整鏈路，鎖存器LE 引腳在連接高電平后，OE 引腳維持低電平情況鎖存器在輸出電力過程中保持穩定狀態，鎖存器數據單位在P0 口進入單片機。拓展輸入接口鎖存器輸入端自D0 過度到D7，建立光耦隔離電路，有利于保護系統，增強電路的抗干擾能力。光耦隔離電路在分離后，凈水機的開關作出反應，控制高壓開關及低液位傳感器等相關內容。邏輯電路引腳連接液晶屏幕后，屏幕會出現菜單及相關內容。邏輯電路S2 與74LS373 鎖存器引腳連接，鎖存器OE 能進入接地狀態，而LE引腳則是轉變為高電平。在運行過程中鎖存器保持穩定的電壓輸出，P0 口數據傳輸到鎖存器輸出端，即Q0—Q3，經過74LS04芯片及繼電器驅動電路后，連接進水電磁閥，可增加泵送能力。PNP 三極管電流設置后，能持續驅動繼電器。PNP 三極管在接電后，將三根線圈通電，能完成觸點融合。若觸點不會出現任何動作，對進水閥、增壓泵等進行斷電控制。單片機對輸入接口拓展后，向拓展輸出接口傳輸信號，完成凈水機各項工作。

2.3 停電線路檢測

凈水機在運行過程中若發生突然停電，沒有任何準備的情況下，可能發生數據丟失，對此，還需在停電時檢測到數據，及時將數據保存，等到連接電路后，將保存的數據重新上傳到系統中。在設計中，停電線路中的數據會保留在單片機EEPROM 中（圖1）。

圖1 停電線路檢測原理

從圖1 中能觀察到，Vcc 為5 V，是系統總電源，未停電情況下，需要為元器件提供電力支持，可采用二極管，與常規管路相比，該管路電壓小，在電容CT1 電力充足情況下不會發生電壓過低問題，并與單項導電裝置共同為CT1 儲存電力，避免在放電時電流回流到Vcc 系統電源。CT1 在設置過程中，選擇5.5 μF電容，并做好電流限制措施，可將其中的電浪涌消除。CT2 及CT3 能達到濾波效果，EJG2 是常見的二極管，該管路能保護電容。LTI 電感、CT4、CT5 能在電流升壓后進入GND 端。在升壓過程中V-放出0.9～5 V 電流，5 V、GND 端均能夠穩定輸出電流，獲得直流電壓VDD。系統突然停電的情況下，儲存電容CT1 將電力維持在0.9 V，VDD是單片機及MAX813 芯片的常規供電電壓，有利于確保單片機將接收的電力阻斷，有足夠的時間保存數據。MAX813 是一種檢測是否停電的芯片，一旦凈水機系統發生停電反應后，會發生PF1 引腳電力降低，并縮減到1.25 V 以下。PF0 引腳處于低電平狀態，PF-及單片機INX0 引腳電路連接，中斷0 便是最高優先級，停電后能中斷其他進程，通過外部中斷0，將子程序數據保存。電源恢復供電情情況下，單片機繼續工作，保持穩定運行。

2.4 共享中斷電路

流量計與單片機輸入端連接后，STC89C52 單片機中的2 個外部輸入端中斷，停電檢測電路使用1 個中斷，若想繼續使用流量計，還需進一步拓展。使用硬件請求及軟件方法設計共享中斷線路。流量計連接后，進入光耦隔離電路，連接74LS76 芯片，其作為雙JK 觸發器，具有清零能力，工作任務便是減短外部中斷響應時間，以免出現中斷響應情況，導致計數不夠準確。Q1 端與74LS30 芯片、P1-2 引腳連接后，形成P1-3 引腳。74LS30、74LS04 芯片能構建8 個輸入門，8 路中其中1 路處于低電平狀態，單片機外部電路便會中斷，中斷服務程序可查詢單片機P1-2 及P1-3，明確是哪個流量計發生的中斷，從而及時處理問題。

3 程序合理控制

C 語言程序在編制過程中，C 語言腳本納入單片機系統，實現凈水洗功能的管理及控制。程序中具有防程序死循環的“喂狗”程序，一旦發生停電，可及時中斷各項運行功能，并刷新屏幕定時器，在連接電路后，將定時器初始化即可。1602 液晶屏幕讀寫根據相關的時序，及時初始化液晶屏。在單片機內部EEPROM 信息讀取過程中，斷電后數據也能繼續儲存，在程序的主界面，可控制各項程序，1602 液晶屏中子程序在第一頁不斷更新，其他頁面在刷新數據后，可按下翻頁按鍵。在拓展輸入及輸出接口中，可控制制水及沖洗等程序。在提取純水過程中，高、低壓開關均處于閉合狀態，進水閥及水泵在工作中，自來水進入各個濾芯，經過過濾的純水在純水口出現。此時的高壓開關閉合，壓力桶注滿純水，需及時停止提煉純水。沖洗濾芯過程中，低壓開關維持在閉合狀態，高壓開關持續開啟，廢水箱中的水位明顯低于液位傳感器，此時開啟進水閥及水泵、沖洗閥，在高速沖洗反滲透膜過程中，系統可以將廢水分流進入廢水箱，用戶也能收集到大量的廢水。

廢水箱中設置傳感器，可分別設置3 個，為高位傳感器、中位傳感器及低位傳感器。通過傳感器，用戶能觀察水位，一旦進入高水位，用戶需要及時清理廢水，避免廢水注滿或者溢出，傳感器也能及時提醒用戶排除廢水，但出于高液位的情況較少。節能型凈水機在研究過程中，廢水箱的有效設置是其中的重點，在處于低水位情況下還需及時開啟電磁閥，便于用戶在廢水箱水位較低時使用。

4 結束語

節水型凈水機在研究過程中，關注其中的硬件及軟件系統。在設計過程中，有利于改變市面常見凈水機無法處理廢水的問題，也能讓家庭水資源合理使用，避免發生浪費水資源問題，也能控制家庭生活成本。拓展外部地址方式設計控制電路及拓展輸入輸出接口，停電檢測電路觀測到低電壓情況下，將數據納入單片機內部EEPROM，并采取共享斷電模式，完成制取純水及沖洗濾芯功能，本次整體設計相對成功，未來還需研究小型化方向問題。