基于單片機的凈水器廢水利用系統設計與仿真

王傳孝，李玉剛，欒曉健

（曲阜師范大學 工學院，日照276826）

隨著經濟的發展，人們的生活品質不斷提高，對于飲用水的水質要求也在不斷提高，目前，中國各大城市的城市用水質量參差不一，大部分需要凈水器過濾之后才能符合人們的飲用標準。在這樣的背景下，凈水器產業得以迅速發展，凈水器已逐漸成為人們生活必需品。

凈水器是指對水質進行深度過濾和凈化的水處理設備，主要利用膜過濾技術，市場上普遍采用的凈水器大致可分為超濾膜凈水器和反滲透膜凈水器，這兩種凈水器都需要對內部的反滲透膜進行沖洗，從而產生大量的沖洗廢水，這些廢水是經過前三級過濾后，去除了很大部分雜質的水，然而沖洗濾膜產生的廢水往往流進了下水道[1]。眾所周知，我國的淡水資源人均占有量少，非常匱乏。據研究顯示，這部分廢水除不適宜飲用外，作為家庭清潔用水完全沒問題。

1 方案設計

凈水器按管路設計可分為漸緊式凈水器和自潔式凈水器兩大類，自潔式凈水器機內設計兩條通道，應用分質流通原理，絕大部分污物被直接截留在第一級濾芯的原水側，進不到機器內部，并讓這部分的水流通起來形成洗滌通路，達到流水不腐，污物在洗滌龍頭的開啟瞬間隨時自行排出[2]。滲透過膜的凈化水則由另一個通道形成潔凈水通路，從而達到分質供水的目的。

本方案針對自潔式凈水器廢水浪費問題，通過廢水儲水箱收集凈水器產生的廢水，由單片機控制系統分配廢水滿足家庭清潔用水需求，并且通過液晶顯示器顯示水位以及報警信息。具體工藝控制流程如圖1所示。

圖1 控制流程Fig.1 Control flow chart

該方案的主要流程為廢水儲水箱收集凈水器產生的廢水，位于廢水儲水箱頂部的超聲波水位監測裝置收集水位信息并將水位信息傳輸給單片機，并由顯示器顯示水位信息。單片機內部預設有最高與最低水位預警。本方案初始以規格為60 L，高度為60 cm 的廢水儲水箱為研究和控制對象，分別預設水箱最低與最高預警水位。當超聲波測距儀測得廢水儲水箱水位過高或過低時，LCD1602 顯示器顯示“error”信息，蜂鳴器報警。水位過低時，單片機控制繼電器打開自來水管道電磁閥，使用自來水滿足家庭清潔用水。水位過高時，多出的廢水通過廢水箱泄流管道排進下水道。當廢水儲水箱內水位處于最低預設水位與最高預設水位之間時，LCD1602 顯示器顯示水量信息。位于家庭清潔用水端的水壓傳感器監測用水端水壓，若水壓突降說明家庭需要使用清潔用水。水壓傳感器監測的水壓突降模擬信號經過模數轉換器轉換為單片機可以接收的數字信號，單片機接收到水壓突降信號后依據內部程序控制繼電器運行水泵，使用廢水儲水箱內廢水滿足家庭清潔用水。

2 系統主要功能和框架設計

現在的凈水器廢水利用普遍為人工簡單收集，再將廢水用于沖廁、拖地等場景，自動化程度低，也不能很好地讓用戶獲得水量浪費和儲存情況，只具備基礎的循環利用功能。

本系統使用單片機作為智能控制中心，超聲波測距裝置收集廢水水箱水位信息，水壓傳感器收集用水端用水信息，利用單片機實現信息收集、響應、控制。廢水水箱收集自潔式凈水器使用過程中產生的廢水，并在自來水管道加裝繼電器驅動的電磁水閥，廢水不足時使用自來水滿足家庭用水需求，通過智能控制中心根據需求合理利用廢水滿足家庭用水需求，在解決凈水器廢水難以利用問題的同時，實現了較高的自動化和精確控制。

本控制系統由6 個單元組成，如圖2所示，分別為單片機控制單元，廢水水位采集單元，數模轉換單元，液晶顯示單元以及報警單元。通過這6 個單元的協同配合實現了廢水水量實時監測，廢水水量充足時自動使用廢水，廢水水量過少時報警并且自動使用自來水，廢水水量過多時報警并且自動溢流，以及LCD 顯示器實時顯示水位或錯誤信息等功能。

圖2 系統框圖Fig.2 System block diagram

3 系統硬件設計

系統硬件包括單片機最小系統（即單片機、電源電路、復位電路以及時鐘電路），用水端水壓監測模塊，廢水水量信息監測模塊，顯示模塊，驅動模塊以及報警單元等[3]。

3.1 單片機最小系統

單片機最小系統以STC89C52 為核心，由電源電路，復位電路以及晶振時鐘電路三部分共同構成[4]，單片機最小系統如圖3所示。系統可以通過內部初始化程序進行復位，也可以通過按鍵進行復位操作，復位電阻R=10 kΩ，外部時鐘晶振的振蕩頻率為12 MHz，震蕩電容C1=C2=20 pF，系統電源為5 V。

圖3 單片機最小系統Fig.3 Minimum system of single chip microcomputer

系統采用低功耗、高性能的STC89C52 單片機微控制器。其使用經典的MCS-51 內核，擁有靈巧的8位CPU 和在系統可編程Flash，8 k 字節Flash，512字節RAM，32 位I/O 口線，看門狗定時器，內置4 KB EEPROM，MAX810 復位電路，3 個16 位定時器/計數器，4 個外部中斷，一個7 向量4 級中斷結構，一個全雙工串行口，片內振蕩器和時鐘電路，其最小應用系統由單片機，晶振電路和復位電路構成[5]。

3.2 信息檢測模塊

3.2.1 HC-SRF04 超聲波傳感器

本設計采用HC-SRF04 超聲波傳感器用來檢測廢水儲水箱中水位信息，該傳感器采用I/O 口TERIG觸發測距，模塊自動發送8 個40 kHz 的方波，自動檢測是否有信號返回，有信號返回，通過I/O 口ECHO 輸出一個高電平，高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間，其測試距離為2 cm～400 cm。測試距離=（高電平時間×聲速（340 m/s））/2。仿真電路中直接使用HC-SRF04 測量儲水箱中水位變化。

3.2.2 MPX4115 壓力傳感器

本設計采用MPX4115 壓力傳感器用來檢測用水端水壓信息，該傳感器由壓力敏感元件和信號處理單元組成，當水壓發生變化時傳感器上電阻值發生變化，經由轉換電路轉換成電壓量模擬信號，并將此信號輸送至數模轉換器轉換為單片機可識別的數字信號以便單片機進行運算判別。

3.3 數模轉換模塊

由于壓力傳感器采集的水管壓力信息為模擬量，經轉換電路后輸出的電壓信號也為模擬量。ADC0832 是一種8 位分辨率，最高分辨率為256 級的雙通道A/D 轉換芯片。因此選用ADC0832 模數轉換器將模擬量轉換為單片機能夠識別的數字量。

3.4 顯示模塊

為了實時顯示廢水量以及水管水壓，提示使用者是否使用錯誤，選用LCD1602 液晶顯示器顯示水位高度及水壓大小。系統運行過程中第一行實時顯示水位高度，當水位低于或高于設定水位時，顯示“error”提示使用者錯誤信息，第二行實時顯示水壓信息。液晶顯示器的8 位數據端D1-D7 與加上拉電阻的單片機P0 口相連，RS、R/W、E 端分別與單片機的P2.4、P2.5、P2.6 相連。

3.5 驅動模塊

本設計有兩部分使用了繼電器，一為繼電器水泵模塊，二為繼電器電磁閥模塊[6]。繼電器水泵模塊由單片機P2.2 口發出控制信號進行控制，當P2.2輸出為0，則NPN 型三極管導通，繼電器得電，常開觸點吸合，水泵回路導通，進行廢水供給工作。當P2.2 輸出為1，則NPN 型三極管關斷，繼電器失電，常開觸點復位，水泵回路斷開，停止廢水供給工作。繼電器電磁閥模塊由單片機P2.7 口發出控制信號進行控制，原理同繼電器水泵模塊相似。

3.6 其他輔助單元

除上述六部分外，系統還設置有燈光指示以及蜂鳴器報警單元。

4 系統軟件設計

系統流程如圖4所示。系統上電后，首先進行初始化，手動選擇儲水箱規格，單片機內部程序依據選擇的儲水箱規格自動確定臨界最高以及最低預設水位，超聲波測距裝置采集廢水水箱中廢水水量信息，并將水量信息傳輸給單片機，單片機內部程序判斷當前水位信息與預設水位的大小關系，如果小于預設值，蜂鳴器發出警報，同時繼電器驅動電磁閥打開自來水通道，使用自來水滿足用水需求；如果大于預設值，蜂鳴器發出警報，同時多余廢水通過溢流管道排出，溢流管道設置于廢水儲水箱上部，用于排出多余廢水[7]。如果廢水量處于預設水位范圍內，則系統持續采集用水端水壓信息，經AD模數轉換器轉換后傳輸給單片機，單片機內部程序判斷用水端用水需求，如果水壓突降，系統控制繼電器驅動水泵進行供水，如果水壓為突升，則系統關閉繼電器，水泵停止供水[8]。

圖4 系統流程Fig.4 System flow chart

5 Proteus 仿真調試

選用Protues 仿真軟件完成家庭廢水利用系統的軟件調試，系統仿真中使用電機代替水泵，利用二極管的亮滅代替電磁閥的開關[9]。內部程序中設置了30 L，60 L，90 L 3 種水箱規格，以按鍵A，B，C分別代替3 種水箱規格。用戶根據使用的水箱規格通過按鍵進行選擇，系統內部程序已為不同規格的水箱設置了不同的最高預設水位以及最低預設水位，以規格為60 L 的水箱為例，最高預設水位設置為57 cm，最低預設水位設置為3 cm。按照設計方案搭建仿真模型，如圖5所示。

圖5 家庭廢水利用系統Fig.5 Household wastewater utilization system

模型搭建完畢以后，在單片機內部添加程序，打開仿真開關，手動選擇按鍵B，開始進行調試。

仿真實驗結果表明，該系統可以實現廢水量在預設廢水儲量之間時系統自動完成廢水分配利用，高于或低于設定廢水儲量時，系統自動報警并顯示錯誤信息，在實際中有一定的應用價值。

6 結語

凈水器廢水利用系統的設計思路來源于家庭凈水器廢水的處理問題，因此本設計的主要功能是合理利用凈水器廢水，除此之外，可以根據家庭用水情況不同，選擇不同的廢水儲水箱規格，實時的顯示水箱水量信息以及錯誤信息，還可以根據水量信息使用自來水滿足清潔用水需求，不僅節約了水資源，起到節約能源的作用，而且自動化程度較高，避免了使用人工來處理凈水器廢水的問題。