基于單片機(jī)的節(jié)水型凈水機(jī)設(shè)計(jì)研究

張 召

（魯中中等專業(yè)學(xué)校，山東鄒平 256200）

0 引言

家用復(fù)合型凈水機(jī)采取RO 反滲透濾芯，凈水機(jī)管路設(shè)計(jì)分為漸緊式及自潔式兩種。第一種結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)過程中，利用前松后緊的濾芯設(shè)計(jì)方法，將各級(jí)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(jī)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。第二種自潔式凈水機(jī)在使用過程中會(huì)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(shù)處理廢水。兩種凈水機(jī)結(jié)構(gòu)各有優(yōu)劣勢(shì)，需對(duì)凈水機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入探究。

1 凈水機(jī)結(jié)構(gòu)研究

常見的復(fù)合型凈水機(jī)使用RO 反滲透膜處理廢水，但反復(fù)利用反滲透膜處理廢水會(huì)導(dǎo)致其表面堆積很多的垃圾，水質(zhì)處理結(jié)果逐漸變差。為有效控制成本，合理對(duì)家庭水資源進(jìn)行管理，需對(duì)家庭用水進(jìn)行研究。節(jié)水型凈水系統(tǒng)采取五級(jí)濾芯，包括預(yù)處理濾芯及高分子碳纖維濾芯等。精細(xì)過濾濾芯是RO 反滲透濾芯，后處理濾芯是活性炭濾芯，水進(jìn)入過濾系統(tǒng)后，能將其中的雜質(zhì)清理，達(dá)到人們飲用標(biāo)準(zhǔn)。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(qū)域往往對(duì)水質(zhì)要求不高。在凈水機(jī)設(shè)計(jì)過程中，將目光放在沖洗支路上，其中關(guān)系到比例閥及沖洗電磁閥等結(jié)構(gòu)，在設(shè)置比例閥時(shí)，可以將其設(shè)定為3∶1，電磁閥在開啟后，水泵增壓后對(duì)RO 反滲透膜進(jìn)行沖洗，雜質(zhì)在清理后，有利于達(dá)到延長反滲透膜使用壽命的結(jié)果。

支路設(shè)計(jì)過程，要關(guān)注比例閥下的廢水箱，設(shè)置廢水箱的目標(biāo)是將處理后的廢水融入廢水箱，滿足人們?nèi)粘Ｇ鍧嵰螅跀[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(jī)或者馬桶，實(shí)現(xiàn)水資源的重復(fù)利用。在設(shè)計(jì)節(jié)水型凈水機(jī)過程中，提取純水是重要環(huán)節(jié)，在提取純水時(shí)將廢水處理，達(dá)到節(jié)水目標(biāo)，能及時(shí)清理濾芯，避免用戶在使用一段時(shí)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(jī)電路設(shè)計(jì)過程

在研究過程中，將STC89C52 單片機(jī)作為控制器核心，節(jié)能型凈水機(jī)具有控制系統(tǒng)，最小工作系統(tǒng)中包括電源、邏輯電路及凈水機(jī)連接器件等。

2.1 邏輯電路設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)過程中分析凈水機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中單片機(jī)接口問題，一旦接口量不足，需及時(shí)拓展接口，單片機(jī)P0 數(shù)據(jù)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(duì)應(yīng)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(shí)際運(yùn)行過程中，其結(jié)構(gòu)可以將編碼輸入及輸出，結(jié)合單片機(jī)WR 及RD 引腳，完成數(shù)據(jù)收錄及數(shù)據(jù)讀取、接口數(shù)據(jù)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(wěn)定狀態(tài)，鎖存器數(shù)據(jù)單位在P0 口進(jìn)入單片機(jī)。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(hù)系統(tǒng)，增強(qiáng)電路的抗干擾能力。光耦隔離電路在分離后，凈水機(jī)的開關(guān)作出反應(yīng)，控制高壓開關(guān)及低液位傳感器等相關(guān)內(nèi)容。邏輯電路引腳連接液晶屏幕后，屏幕會(huì)出現(xiàn)菜單及相關(guān)內(nèi)容。邏輯電路S2 與74LS373 鎖存器引腳連接，鎖存器OE 能進(jìn)入接地狀態(tài)，而LE引腳則是轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖?。在運(yùn)行過程中鎖存器保持穩(wěn)定的電壓輸出，P0 口數(shù)據(jù)傳輸?shù)芥i存器輸出端，即Q0—Q3，經(jīng)過74LS04芯片及繼電器驅(qū)動(dòng)電路后，連接進(jìn)水電磁閥，可增加泵送能力。PNP 三極管電流設(shè)置后，能持續(xù)驅(qū)動(dòng)繼電器。PNP 三極管在接電后，將三根線圈通電，能完成觸點(diǎn)融合。若觸點(diǎn)不會(huì)出現(xiàn)任何動(dòng)作，對(duì)進(jìn)水閥、增壓泵等進(jìn)行斷電控制。單片機(jī)對(duì)輸入接口拓展后，向拓展輸出接口傳輸信號(hào)，完成凈水機(jī)各項(xiàng)工作。

2.3 停電線路檢測(cè)

凈水機(jī)在運(yùn)行過程中若發(fā)生突然停電，沒有任何準(zhǔn)備的情況下，可能發(fā)生數(shù)據(jù)丟失，對(duì)此，還需在停電時(shí)檢測(cè)到數(shù)據(jù)，及時(shí)將數(shù)據(jù)保存，等到連接電路后，將保存的數(shù)據(jù)重新上傳到系統(tǒng)中。在設(shè)計(jì)中，停電線路中的數(shù)據(jù)會(huì)保留在單片機(jī)EEPROM 中（圖1）。

圖1 停電線路檢測(cè)原理

從圖1 中能觀察到，Vcc 為5 V，是系統(tǒng)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(guī)管路相比，該管路電壓小，在電容CT1 電力充足情況下不會(huì)發(fā)生電壓過低問題，并與單項(xiàng)導(dǎo)電裝置共同為CT1 儲(chǔ)存電力，避免在放電時(shí)電流回流到Vcc 系統(tǒng)電源。CT1 在設(shè)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(dá)到濾波效果，EJG2 是常見的二極管，該管路能保護(hù)電容。LTI 電感、CT4、CT5 能在電流升壓后進(jìn)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(wěn)定輸出電流，獲得直流電壓VDD。系統(tǒng)突然停電的情況下，儲(chǔ)存電容CT1 將電力維持在0.9 V，VDD是單片機(jī)及MAX813 芯片的常規(guī)供電電壓，有利于確保單片機(jī)將接收的電力阻斷，有足夠的時(shí)間保存數(shù)據(jù)。MAX813 是一種檢測(cè)是否停電的芯片，一旦凈水機(jī)系統(tǒng)發(fā)生停電反應(yīng)后，會(huì)發(fā)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(tài)，PF-及單片機(jī)INX0 引腳電路連接，中斷0 便是最高優(yōu)先級(jí)，停電后能中斷其他進(jìn)程，通過外部中斷0，將子程序數(shù)據(jù)保存。電源恢復(fù)供電情情況下，單片機(jī)繼續(xù)工作，保持穩(wěn)定運(yùn)行。

2.4 共享中斷電路

流量計(jì)與單片機(jī)輸入端連接后，STC89C52 單片機(jī)中的2 個(gè)外部輸入端中斷，停電檢測(cè)電路使用1 個(gè)中斷，若想繼續(xù)使用流量計(jì)，還需進(jìn)一步拓展。使用硬件請(qǐng)求及軟件方法設(shè)計(jì)共享中斷線路。流量計(jì)連接后，進(jìn)入光耦隔離電路，連接74LS76 芯片，其作為雙JK 觸發(fā)器，具有清零能力，工作任務(wù)便是減短外部中斷響應(yīng)時(shí)間，以免出現(xiàn)中斷響應(yīng)情況，導(dǎo)致計(jì)數(shù)不夠準(zhǔn)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(gòu)建8 個(gè)輸入門，8 路中其中1 路處于低電平狀態(tài)，單片機(jī)外部電路便會(huì)中斷，中斷服務(wù)程序可查詢單片機(jī)P1-2 及P1-3，明確是哪個(gè)流量計(jì)發(fā)生的中斷，從而及時(shí)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(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)凈水洗功能的管理及控制。程序中具有防程序死循環(huán)的“喂狗”程序，一旦發(fā)生停電，可及時(shí)中斷各項(xiàng)運(yùn)行功能，并刷新屏幕定時(shí)器，在連接電路后，將定時(shí)器初始化即可。1602 液晶屏幕讀寫根據(jù)相關(guān)的時(shí)序，及時(shí)初始化液晶屏。在單片機(jī)內(nèi)部EEPROM 信息讀取過程中，斷電后數(shù)據(jù)也能繼續(xù)儲(chǔ)存，在程序的主界面，可控制各項(xiàng)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(shù)據(jù)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(guān)均處于閉合狀態(tài)，進(jìn)水閥及水泵在工作中，自來水進(jìn)入各個(gè)濾芯，經(jīng)過過濾的純水在純水口出現(xiàn)。此時(shí)的高壓開關(guān)閉合，壓力桶注滿純水，需及時(shí)停止提煉純水。沖洗濾芯過程中，低壓開關(guān)維持在閉合狀態(tài)，高壓開關(guān)持續(xù)開啟，廢水箱中的水位明顯低于液位傳感器，此時(shí)開啟進(jìn)水閥及水泵、沖洗閥，在高速?zèng)_洗反滲透膜過程中，系統(tǒng)可以將廢水分流進(jìn)入廢水箱，用戶也能收集到大量的廢水。

廢水箱中設(shè)置傳感器，可分別設(shè)置3 個(gè)，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(jìn)入高水位，用戶需要及時(shí)清理廢水，避免廢水注滿或者溢出，傳感器也能及時(shí)提醒用戶排除廢水，但出于高液位的情況較少。節(jié)能型凈水機(jī)在研究過程中，廢水箱的有效設(shè)置是其中的重點(diǎn)，在處于低水位情況下還需及時(shí)開啟電磁閥，便于用戶在廢水箱水位較低時(shí)使用。

4 結(jié)束語

節(jié)水型凈水機(jī)在研究過程中，關(guān)注其中的硬件及軟件系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)過程中，有利于改變市面常見凈水機(jī)無法處理廢水的問題，也能讓家庭水資源合理使用，避免發(fā)生浪費(fèi)水資源問題，也能控制家庭生活成本。拓展外部地址方式設(shè)計(jì)控制電路及拓展輸入輸出接口，停電檢測(cè)電路觀測(cè)到低電壓情況下，將數(shù)據(jù)納入單片機(jī)內(nèi)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(shè)計(jì)相對(duì)成功，未來還需研究小型化方向問題。