王傳孝，李玉剛，欒曉健

（曲阜師范大學(xué) 工學(xué)院，日照276826）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的生活品質(zhì)不斷提高，對于飲用水的水質(zhì)要求也在不斷提高，目前，中國各大城市的城市用水質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)。在這樣的背景下，凈水器產(chǎn)業(yè)得以迅速發(fā)展，凈水器已逐漸成為人們生活必需品。

凈水器是指對水質(zhì)進(jìn)行深度過濾和凈化的水處理設(shè)備，主要利用膜過濾技術(shù)，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(nèi)部的反滲透膜進(jìn)行沖洗，從而產(chǎn)生大量的沖洗廢水，這些廢水是經(jīng)過前三級過濾后，去除了很大部分雜質(zhì)的水，然而沖洗濾膜產(chǎn)生的廢水往往流進(jìn)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(jù)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(shè)計

凈水器按管路設(shè)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(jī)內(nèi)設(shè)計兩條通道，應(yīng)用分質(zhì)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(cè)，進(jìn)不到機(jī)器內(nèi)部，并讓這部分的水流通起來形成洗滌通路，達(dá)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(dá)到分質(zhì)供水的目的。

本方案針對自潔式凈水器廢水浪費(fèi)問題，通過廢水儲水箱收集凈水器產(chǎn)生的廢水，由單片機(jī)控制系統(tǒng)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(chǎn)生的廢水，位于廢水儲水箱頂部的超聲波水位監(jiān)測裝置收集水位信息并將水位信息傳輸給單片機(jī)，并由顯示器顯示水位信息。單片機(jī)內(nèi)部預(yù)設(shè)有最高與最低水位預(yù)警。本方案初始以規(guī)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(yù)設(shè)水箱最低與最高預(yù)警水位。當(dāng)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(jī)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(jìn)下水道。當(dāng)廢水儲水箱內(nèi)水位處于最低預(yù)設(shè)水位與最高預(yù)設(shè)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(jiān)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(jiān)測的水壓突降模擬信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可以接收的數(shù)字信號，單片機(jī)接收到水壓突降信號后依據(jù)內(nèi)部程序控制繼電器運(yùn)行水泵，使用廢水儲水箱內(nèi)廢水滿足家庭清潔用水。

2 系統(tǒng)主要功能和框架設(shè)計

現(xiàn)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(fèi)和儲存情況，只具備基礎(chǔ)的循環(huán)利用功能。

本系統(tǒng)使用單片機(jī)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(jī)實(shí)現(xiàn)信息收集、響應(yīng)、控制。廢水水箱收集自潔式凈水器使用過程中產(chǎn)生的廢水，并在自來水管道加裝繼電器驅(qū)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(jù)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(shí)現(xiàn)了較高的自動化和精確控制。

本控制系統(tǒng)由6 個單元組成，如圖2所示，分別為單片機(jī)控制單元，廢水水位采集單元，數(shù)模轉(zhuǎn)換單元，液晶顯示單元以及報警單元。通過這6 個單元的協(xié)同配合實(shí)現(xiàn)了廢水水量實(shí)時監(jiān)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(shí)時顯示水位或錯誤信息等功能。

圖2 系統(tǒng)框圖Fig.2 System block diagram

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

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

3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)以STC89C52 為核心，由電源電路，復(fù)位電路以及晶振時鐘電路三部分共同構(gòu)成[4]，單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖3所示。系統(tǒng)可以通過內(nèi)部初始化程序進(jìn)行復(fù)位，也可以通過按鍵進(jìn)行復(fù)位操作，復(fù)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(tǒng)電源為5 V。

圖3 單片機(jī)最小系統(tǒng)Fig.3 Minimum system of single chip microcomputer

系統(tǒng)采用低功耗、高性能的STC89C52 單片機(jī)微控制器。其使用經(jīng)典的MCS-51 內(nèi)核，擁有靈巧的8位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，8 k 字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32 位I/O 口線，看門狗定時器，內(nèi)置4 KB EEPROM，MAX810 復(fù)位電路，3 個16 位定時器/計數(shù)器，4 個外部中斷，一個7 向量4 級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行口，片內(nèi)振蕩器和時鐘電路，其最小應(yīng)用系統(tǒng)由單片機(jī)，晶振電路和復(fù)位電路構(gòu)成[5]。

3.2 信息檢測模塊

3.2.1 HC-SRF04 超聲波傳感器

本設(shè)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(fā)測距，模塊自動發(fā)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(xù)的時間就是超聲波從發(fā)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(shè)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(dāng)水壓發(fā)生變化時傳感器上電阻值發(fā)生變化，經(jīng)由轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓量模擬信號，并將此信號輸送至數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可識別的數(shù)字信號以便單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算判別。

3.3 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊

由于壓力傳感器采集的水管壓力信息為模擬量，經(jīng)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換芯片。因此選用ADC0832 模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換為單片機(jī)能夠識別的數(shù)字量。

3.4 顯示模塊

為了實(shí)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(tǒng)運(yùn)行過程中第一行實(shí)時顯示水位高度，當(dāng)水位低于或高于設(shè)定水位時，顯示“error”提示使用者錯誤信息，第二行實(shí)時顯示水壓信息。液晶顯示器的8 位數(shù)據(jù)端D1-D7 與加上拉電阻的單片機(jī)P0 口相連，RS、R/W、E 端分別與單片機(jī)的P2.4、P2.5、P2.6 相連。

3.5 驅(qū)動模塊

本設(shè)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(jī)P2.2 口發(fā)出控制信號進(jìn)行控制，當(dāng)P2.2輸出為0，則NPN 型三極管導(dǎo)通，繼電器得電，常開觸點(diǎn)吸合，水泵回路導(dǎo)通，進(jìn)行廢水供給工作。當(dāng)P2.2 輸出為1，則NPN 型三極管關(guān)斷，繼電器失電，常開觸點(diǎn)復(fù)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(jī)P2.7 口發(fā)出控制信號進(jìn)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(tǒng)還設(shè)置有燈光指示以及蜂鳴器報警單元。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)流程如圖4所示。系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行初始化，手動選擇儲水箱規(guī)格，單片機(jī)內(nèi)部程序依據(jù)選擇的儲水箱規(guī)格自動確定臨界最高以及最低預(yù)設(shè)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(jī)，單片機(jī)內(nèi)部程序判斷當(dāng)前水位信息與預(yù)設(shè)水位的大小關(guān)系，如果小于預(yù)設(shè)值，蜂鳴器發(fā)出警報，同時繼電器驅(qū)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(yù)設(shè)值，蜂鳴器發(fā)出警報，同時多余廢水通過溢流管道排出，溢流管道設(shè)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(yù)設(shè)水位范圍內(nèi)，則系統(tǒng)持續(xù)采集用水端水壓信息，經(jīng)AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)內(nèi)部程序判斷用水端用水需求，如果水壓突降，系統(tǒng)控制繼電器驅(qū)動水泵進(jìn)行供水，如果水壓為突升，則系統(tǒng)關(guān)閉繼電器，水泵停止供水[8]。

圖4 系統(tǒng)流程Fig.4 System flow chart

5 Proteus 仿真調(diào)試

選用Protues 仿真軟件完成家庭廢水利用系統(tǒng)的軟件調(diào)試，系統(tǒng)仿真中使用電機(jī)代替水泵，利用二極管的亮滅代替電磁閥的開關(guān)[9]。內(nèi)部程序中設(shè)置了30 L，60 L，90 L 3 種水箱規(guī)格，以按鍵A，B，C分別代替3 種水箱規(guī)格。用戶根據(jù)使用的水箱規(guī)格通過按鍵進(jìn)行選擇，系統(tǒng)內(nèi)部程序已為不同規(guī)格的水箱設(shè)置了不同的最高預(yù)設(shè)水位以及最低預(yù)設(shè)水位，以規(guī)格為60 L 的水箱為例，最高預(yù)設(shè)水位設(shè)置為57 cm，最低預(yù)設(shè)水位設(shè)置為3 cm。按照設(shè)計方案搭建仿真模型，如圖5所示。

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

模型搭建完畢以后，在單片機(jī)內(nèi)部添加程序，打開仿真開關(guān)，手動選擇按鍵B，開始進(jìn)行調(diào)試。

仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)廢水量在預(yù)設(shè)廢水儲量之間時系統(tǒng)自動完成廢水分配利用，高于或低于設(shè)定廢水儲量時，系統(tǒng)自動報警并顯示錯誤信息，在實(shí)際中有一定的應(yīng)用價值。

6 結(jié)語

凈水器廢水利用系統(tǒng)的設(shè)計思路來源于家庭凈水器廢水的處理問題，因此本設(shè)計的主要功能是合理利用凈水器廢水，除此之外，可以根據(jù)家庭用水情況不同，選擇不同的廢水儲水箱規(guī)格，實(shí)時的顯示水箱水量信息以及錯誤信息，還可以根據(jù)水量信息使用自來水滿足清潔用水需求，不僅節(jié)約了水資源，起到節(jié)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。