基于单片机的节水型净水机设计制作

武韩笑 任有志 鹿有杰 于瑞阳

摘 要： 为解决复合型净水机排放废水造成的水资源浪费、滤芯表面杂质沉积造成的净水效果差等问题，设计了节水型净水系统专用的控制系统，包括单片机硬件电路和软件开发流程。单片机硬件电路的设计主要有逻辑电路、扩展输入输出接口、掉电检测、共享中断等，软件开发使用C语言，软硬件结合可以让节水型净水系统相关器件协调控制。运行结果表明，所设计的净水系统可实现制取纯水、回收废水、冲洗滤芯等功能，并且运转正常。节水型净水系统实现了节约用水、延长滤芯使用寿命的设计目标，可为用户节省使用成本，使回收的废水得到合理利用，还可为净水机产业的绿色发展提供设计参考。

关键词： 机电一体化技术;净水机;单片机;节水;废水回收利用;滤芯

中图分类号： TP273   文献标识码：  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，家用復合型净水机较多使用RO反渗透滤芯。净水机按管路设计可划分为渐紧式净水机和自洁式净水机2类：渐紧式净水机的滤芯设计前松后紧，一般以五级滤芯依次首尾相连，截留物沉积于滤芯内部，需要定期人工拆洗或频繁更换滤芯以确保机器正常运作;自洁式净水机增加了一条洗涤水通路，在自行清洁过程中产生的大量废水被排走  [1] 。

为减少频繁更换滤芯带来的麻烦以及采用RO反渗透技术时产生的大量废水，设计了节水型净水系统。

1 净水机结构设计

现有的复合型净水机常需将使用RO反渗透膜时产生的废水排走，长期使用使得RO反渗透膜表面杂质堆积，影响净水效果  [2-3] 。为减少用户使用成本并合理分配家庭水资源，需对家庭用水作综合处理。节水型净水系统使用五级滤芯，图1为节水型净水系统结构图，其中第1，2，3级滤芯为预处理滤芯，分别为高分子纤维滤芯、颗粒活性炭滤芯、超滤膜。精细过滤滤芯为RO反渗透滤芯，后处理滤芯为活性炭滤芯，自来水经过过滤精度低的滤芯到过滤精度高的滤芯后可达直饮标准，制取的纯净水供用户直接饮用。

只经过预处理滤芯过滤后的水从粗过滤排水口流出，通过管道连接用户水管，供用户洗菜、烧水、做饭、洗漱等水质要求不高的地方使用。设置有冲洗支路，涉及第2流量计、冲洗电磁阀、 比例阀，将比例阀废效比设置为3∶1，打开冲洗电磁阀，水经泵增压后高速冲洗RO反渗透膜，除去其表面残留的杂质，延长了使用寿命。在冲洗支路的比例阀末端设置废水箱，将制取纯水产生的废水、冲洗滤芯产生的废水收集起来。因废水已经过预处理，其清洁度仍然可满足日常生活中非饮用生活用水的要求。将废水箱放置在高处，利用高位产生的水压，使废水通过管道自流入用户马桶、洗衣机、水管等处，方便用户废水再利用。节水型净水系统在制取纯水的同时将废水回收再利用，节约了水资源，可以定期冲洗滤芯，避免了频繁更换滤芯，将不同级别的过滤水供用户按需使用，将家庭用水合理化。

2 单片机硬件电路设计

将STC89C52单片机作为控制核心，为节水型净水系统设计了专用控制系统，集净水机所需功能于一体，包括单片机最小工作系统、电源、逻辑电路、连接净水机器件的输入和输出接口、掉电检测电路、共享中断电路、1602液晶显示等。

2.1 逻辑电路

为防止后续改进净水系统时单片机接口不够用，以外部扩展地址方式对单片机接口进行扩展。单片机P0口用作低8位地址线和数据传输线，P2口的低5位用作高5位地址线，确定一个地址便可选通74LS138译码芯片，P2口高3位用作74LS138译码芯片的地址输入端，即74LS138译码芯片工作时，可将地址端的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出  [4] ，结合单片机/WR和/RD引脚，完成扩展输入接口数据的读入和扩展输出接口数据的写出，图2为逻辑电路原理图。

2.2 扩展输入与输出接口

逻辑电路的S3引脚连接扩展输入接口用的74LS373锁存器/OE引脚，锁存器LE引脚接高电平，只要/OE引脚为低电平，锁存器输出端就会呈现输入端状态，将锁存器输入端数据通过P0口传送至单片机  [5] ，图3为扩展输入接口电路图。扩展输入接口锁存器的输入端D0—D7连接光耦隔离电路，对系统的输入进行保护，增强电路的稳定性、抗干扰性  [6] 。从光耦隔离电路出来后连接净水机的低压开关、高压开关、低液位传感器、高液位传感器、液晶屏右翻按键、液晶屏左翻按键、强制冲洗按键、计数归零按键。

逻辑电路的S1引脚连接1602液晶屏的使能引脚，选通即可工作。逻辑电路的S2引脚连接扩展输出接口用的74LS373锁存器LE引脚，锁存器/OE引脚一直接地，只要LE引脚从低电平变高电平，锁存器输出端就会呈现输入端状态，将P0口数据送到锁存器输出端Q0—Q3，然后经74LS04芯片、光耦隔离电路、继电器驱动电路后输出给与之相连的净水机的进水电磁阀、冲洗电磁阀、增压泵、低液位电磁阀。

采用PNP型三极管的电流放大特性对继电器进行驱动。

当PNP三极管被导通，继电器的线圈就会有电流通过，触点吸合，反之，触点不动作，进而控制进水电磁阀、冲洗电磁阀、增压泵、低液位电磁阀通断  [7] ，图4是扩展输出接口电路图。单片机通过扩展输入接口收到的信号，向扩展输出接口发送相应的控制信号，完成净水机的一系列工作。

2.3 掉电检测电路

净水机正常工作时突然停电，在无任何防备的情况下，将会丢失流量计的累计脉冲数，所以需要在掉电时被及时检测到，并将数据保存下来，待上电后恢复数据  [8] 。所设计的掉电检测电路在掉电时将数据保存到单片机内部EEPROM中，图5是掉电检测电路原理图。

如图5中所示， V  CC 为5 V，是系统总电源，不掉电时，给电路板所有用电器件供电。采用肖特基二极管，因其较普通二极管所钳去的电压小，保证电容CT1充满电后电压不至于过低，并利用单向导电性保证储能电容CT1放电时不回流到 V  CC 系统电源  [9-10] 。CT1选5.5 V法拉电容，RES1为限流电阻，消除电容CT1的上电浪涌。CT2与CT3共同起到滤波作用。EJG2是阻尼二极管，保护法拉电容  [11] 。

LT1电感、CT4和CT5起到對升压电路5 V和GND端滤波的作用。升压电路模块 V +和V -端 输入0.9～5 V任意直流电压，5 V和GND端均可稳定输出5 V直流电压，即 V  DD 。在系统掉电时，储能电容CT1放电到0.9 V这个过程， V  DD 为单片机、MAX813芯片、手动复位电路提供正常工作的5 V电压，保证单片机能够接收到掉电引发的中断，并有足够的时间保存数据。MAX813是专门的掉电检测芯片  [12] ，当 PF1引脚低于1.25 V时，/PF0引脚输出低电平，/PF0与单片机INX0引脚相连，中断0为最高优先级，掉电时可打断其他任何进程，进入外部中断0的掉电保存子程序，向单片机内部EEPROM保存数据。当电源恢复正常时，取消掉电工作方式，复位单片机，使净水机重新工作，恢复数据。

2.4 共享中断电路

将流量计连接单片机外部中断输入端，STC89C52单片机只有2个外部中断，掉电检测电路已用掉1个，要想使用2个或者更多的流量计，就要进行扩展  [13] 。本文采用硬件请求和软件查询的方法设计出共享中断电路。图6为共享中断电路原理图。流量计首先连接进入光耦隔离电路，再连接74LS76芯片，74LS76芯片为双JK触发器，带清零功能，作用是减短外部中断触发的中断响应时间，避免丢失其余的中断响应，造成计数不准确。/Q1端连接74LS30芯片和P1^2引脚，/Q2端连接74LS30芯片和P1^3引脚。74LS30和74LS04芯片组成8输入与门，当8路中有1路为低电平，就可引发单片机外部中断1响应，在中断1服务程序中查询单片机P1^2和P1^3引脚即可知道哪个流量计引起的中断，进而执行相关运算。

3 程序控制流程

使用Keil编写C语言程序，烧录到单片机内部，实现净水器件协调控制。图7所示为净水机的主程序控制流程图。其中“喂狗”的作用是防止程序进入死循环  [14] 。掉电检测和流量计用到中断，1602屏幕定时刷新用到定时器，故需中断、定时器初始化设置。1602屏幕的读写操作按一定的时序进行，需将1602屏幕进行初始化设置。上电读取内部EEPROM内容，使掉电时保存的数据继续进行相关运算。进入主程序后，按键扫描程序可查询用户是否按下按键。“1602第1页刷新显示”子程序可以使第1页数据不断更新，其他页的数据刷新在用户按下翻页键后显示。扩展输入、输出接口子程序是净水机的制水、冲洗、停止程序，如图8所示。

净水机制取纯水的过程为低压开关、高压开关闭合，进水阀、泵工作，自来水依次经过各级滤芯后从纯水口流出  [15] 。高压开关断开则压力桶水满，停止制取纯水。RO反渗透滤芯冲洗过程为低压开关闭合、高压开关断开，且废水箱中水位低于低液位传感器时，打开进水阀、冲洗阀、泵，经泵增压的水高速冲洗RO反渗透膜，产生的废水自动流入废水箱，为用户收集到废水。废水箱安装有高、低2个液位传感器，检测废水箱的水位，制取纯水时液位高于高液位传感器时则提醒用户排水，但此情况极少。无论何种情况，只要废水箱水位低于低液位传感器时便打开电磁阀，让用户在废水箱水少时使用自来水。

4 结 语

本文叙述了节水型净水系统的设计制作过程，包括净水机结构、控制系统硬件电路、软件开发流程。为节水型净水系统设计的专用控制系统，解决了传统净水机存在的水资源浪费的问题，并合理分配了家庭水资源，降低了使用成本。利用外部扩展地址方式设计了控制系统逻辑电路、扩展输入输出接口，掉电检测电路在检测到电压降低时可将数据写入单片机内部EEPROM中，采用硬件请求和软件查询的方法共享中断电路，实现了制取纯水、冲洗滤芯、废水回收等功能。

设计的节水型净水机的体积较大，今后需向小型化方向作进一步的探讨。

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