基于单片机的节水型净水机设计研究

张 召

（鲁中中等专业学校，山东邹平 256200）

0 引言

家用复合型净水机采取RO 反渗透滤芯，净水机管路设计分为渐紧式及自洁式两种。第一种结构在设计过程中，利用前松后紧的滤芯设计方法，将各级滤芯首尾连接，将过滤过程中的垃圾截取，在堆积一定量垃圾后人工拆除等方式更换滤芯，保证净水机处于稳定运行状态。第二种自洁式净水机在使用过程中会带走大量废水，为避免频繁更换滤芯，还需采取RO 反渗透技术处理废水。两种净水机结构各有优劣势，需对净水机结构进行深入探究。

1 净水机结构研究

常见的复合型净水机使用RO 反渗透膜处理废水，但反复利用反渗透膜处理废水会导致其表面堆积很多的垃圾，水质处理结果逐渐变差。为有效控制成本，合理对家庭水资源进行管理，需对家庭用水进行研究。节水型净水系统采取五级滤芯，包括预处理滤芯及高分子碳纤维滤芯等。精细过滤滤芯是RO 反渗透滤芯，后处理滤芯是活性炭滤芯，水进入过滤系统后，能将其中的杂质清理，达到人们饮用标准。自来水在过滤后自排水口流出，连接用户水管后，为用户提供洗菜及做饭的水源，这种区域往往对水质要求不高。在净水机设计过程中，将目光放在冲洗支路上，其中关系到比例阀及冲洗电磁阀等结构，在设置比例阀时，可以将其设定为3∶1，电磁阀在开启后，水泵增压后对RO 反渗透膜进行冲洗，杂质在清理后，有利于达到延长反渗透膜使用寿命的结果。

支路设计过程，要关注比例阀下的废水箱，设置废水箱的目标是将处理后的废水融入废水箱，满足人们日常清洁要求，在摆放废水箱后，在高位水压处理下，将废水箱中的废水在管道中排入洗衣机或者马桶，实现水资源的重复利用。在设计节水型净水机过程中，提取纯水是重要环节，在提取纯水时将废水处理，达到节水目标，能及时清理滤芯，避免用户在使用一段时间后更换滤芯，废水及纯水各有用途，能合理化使用家庭水资源。

2 单片机电路设计过程

在研究过程中，将STC89C52 单片机作为控制器核心，节能型净水机具有控制系统，最小工作系统中包括电源、逻辑电路及净水机连接器件等。

2.1 逻辑电路设计

在设计过程中分析净水机系统结构中单片机接口问题，一旦接口量不足，需及时拓展接口，单片机P0 数据传输过程与低8 位地址线相连，P2 接口则是分别与低5 位及高5 位电路连接，找到对应的地址后，插入74LS138 译码芯片。该芯片与P2 接口高3 位输入端连接，芯片在实际运行过程中，其结构可以将编码输入及输出，结合单片机WR 及RD 引脚，完成数据收录及数据读取、接口数据控制，并形成完善的逻辑电路原理图。

2.2 拓展输入、输出接口

逻辑电路S3 引脚连接拓展接口后，与OE 引脚及74LS373锁存器形成完整链路，锁存器LE 引脚在连接高电平后，OE 引脚维持低电平情况锁存器在输出电力过程中保持稳定状态，锁存器数据单位在P0 口进入单片机。拓展输入接口锁存器输入端自D0 过度到D7，建立光耦隔离电路，有利于保护系统，增强电路的抗干扰能力。光耦隔离电路在分离后，净水机的开关作出反应，控制高压开关及低液位传感器等相关内容。逻辑电路引脚连接液晶屏幕后，屏幕会出现菜单及相关内容。逻辑电路S2 与74LS373 锁存器引脚连接，锁存器OE 能进入接地状态，而LE引脚则是转变为高电平。在运行过程中锁存器保持稳定的电压输出，P0 口数据传输到锁存器输出端，即Q0—Q3，经过74LS04芯片及继电器驱动电路后，连接进水电磁阀，可增加泵送能力。PNP 三极管电流设置后，能持续驱动继电器。PNP 三极管在接电后，将三根线圈通电，能完成触点融合。若触点不会出现任何动作，对进水阀、增压泵等进行断电控制。单片机对输入接口拓展后，向拓展输出接口传输信号，完成净水机各项工作。

2.3 停电线路检测

净水机在运行过程中若发生突然停电，没有任何准备的情况下，可能发生数据丢失，对此，还需在停电时检测到数据，及时将数据保存，等到连接电路后，将保存的数据重新上传到系统中。在设计中，停电线路中的数据会保留在单片机EEPROM 中（图1）。

图1 停电线路检测原理

从图1 中能观察到，Vcc 为5 V，是系统总电源，未停电情况下，需要为元器件提供电力支持，可采用二极管，与常规管路相比，该管路电压小，在电容CT1 电力充足情况下不会发生电压过低问题，并与单项导电装置共同为CT1 储存电力，避免在放电时电流回流到Vcc 系统电源。CT1 在设置过程中，选择5.5 μF电容，并做好电流限制措施，可将其中的电浪涌消除。CT2 及CT3 能达到滤波效果，EJG2 是常见的二极管，该管路能保护电容。LTI 电感、CT4、CT5 能在电流升压后进入GND 端。在升压过程中V-放出0.9～5 V 电流，5 V、GND 端均能够稳定输出电流，获得直流电压VDD。系统突然停电的情况下，储存电容CT1 将电力维持在0.9 V，VDD是单片机及MAX813 芯片的常规供电电压，有利于确保单片机将接收的电力阻断，有足够的时间保存数据。MAX813 是一种检测是否停电的芯片，一旦净水机系统发生停电反应后，会发生PF1 引脚电力降低，并缩减到1.25 V 以下。PF0 引脚处于低电平状态，PF-及单片机INX0 引脚电路连接，中断0 便是最高优先级，停电后能中断其他进程，通过外部中断0，将子程序数据保存。电源恢复供电情情况下，单片机继续工作，保持稳定运行。

2.4 共享中断电路

流量计与单片机输入端连接后，STC89C52 单片机中的2 个外部输入端中断，停电检测电路使用1 个中断，若想继续使用流量计，还需进一步拓展。使用硬件请求及软件方法设计共享中断线路。流量计连接后，进入光耦隔离电路，连接74LS76 芯片，其作为双JK 触发器，具有清零能力，工作任务便是减短外部中断响应时间，以免出现中断响应情况，导致计数不够准确。Q1 端与74LS30 芯片、P1-2 引脚连接后，形成P1-3 引脚。74LS30、74LS04 芯片能构建8 个输入门，8 路中其中1 路处于低电平状态，单片机外部电路便会中断，中断服务程序可查询单片机P1-2 及P1-3，明确是哪个流量计发生的中断，从而及时处理问题。

3 程序合理控制

C 语言程序在编制过程中，C 语言脚本纳入单片机系统，实现净水洗功能的管理及控制。程序中具有防程序死循环的“喂狗”程序，一旦发生停电，可及时中断各项运行功能，并刷新屏幕定时器，在连接电路后，将定时器初始化即可。1602 液晶屏幕读写根据相关的时序，及时初始化液晶屏。在单片机内部EEPROM 信息读取过程中，断电后数据也能继续储存，在程序的主界面，可控制各项程序，1602 液晶屏中子程序在第一页不断更新，其他页面在刷新数据后，可按下翻页按键。在拓展输入及输出接口中，可控制制水及冲洗等程序。在提取纯水过程中，高、低压开关均处于闭合状态，进水阀及水泵在工作中，自来水进入各个滤芯，经过过滤的纯水在纯水口出现。此时的高压开关闭合，压力桶注满纯水，需及时停止提炼纯水。冲洗滤芯过程中，低压开关维持在闭合状态，高压开关持续开启，废水箱中的水位明显低于液位传感器，此时开启进水阀及水泵、冲洗阀，在高速冲洗反渗透膜过程中，系统可以将废水分流进入废水箱，用户也能收集到大量的废水。

废水箱中设置传感器，可分别设置3 个，为高位传感器、中位传感器及低位传感器。通过传感器，用户能观察水位，一旦进入高水位，用户需要及时清理废水，避免废水注满或者溢出，传感器也能及时提醒用户排除废水，但出于高液位的情况较少。节能型净水机在研究过程中，废水箱的有效设置是其中的重点，在处于低水位情况下还需及时开启电磁阀，便于用户在废水箱水位较低时使用。

4 结束语

节水型净水机在研究过程中，关注其中的硬件及软件系统。在设计过程中，有利于改变市面常见净水机无法处理废水的问题，也能让家庭水资源合理使用，避免发生浪费水资源问题，也能控制家庭生活成本。拓展外部地址方式设计控制电路及拓展输入输出接口，停电检测电路观测到低电压情况下，将数据纳入单片机内部EEPROM，并采取共享断电模式，完成制取纯水及冲洗滤芯功能，本次整体设计相对成功，未来还需研究小型化方向问题。