一种基于STC单片机的反渗透净水机控制系统

靳晓波

(山西机电职业技术学院，山西 长治 046011)

0 引言

随着人们健康意识的提高，净水机进入居民生活并开始普及。面对竞争激烈的市场，部分品牌改变销售模式(免费安装、付费使用)。新销售机制对净水机的控制系统提出新的要求，不但要求其具备基本的净水器控制功能，而且还要具备计时、计费、充值、多工作模式等功能。

本文介绍了一种多工作模式净水机控制系统，采用STC15F2K32S2单片机作为控制器，用RFID作为充值的信息交换模块，使用TJC3224T024液晶屏作为显示模块，用高精度的流量计作为计费的统计模块。

1 反渗透净水机

反渗透净水机分为带压力桶式和无压力桶式，区别是在出水端有无压力桶。两种构造相比：有压力桶出水量大、但受材质影响可能会出现二次污染；无压力桶式机器出水量较小、制水时频繁的启停会损害机电元件的寿命。带压力桶式净水机又可分为有压力泵式和无压力泵式两类，有压力泵式工作时会有噪声、增加了故障几率、对过滤膜的寿命有影响；无泵式对自来水的压力有要求、废水比较高、价格较高。目前市场上主流产品为有增压泵的压力桶式净水机，本文介绍的系统适用于这种模式。

2 净水机的制水控制原理

净水机的制水是通过控制电磁阀、增压泵及废水比冲洗阀来完成。其原理如下：当外部水压正常、储水桶中的水量不足时，开始制水，若储水量达到要求时，停止制水；制水过程中，根据废水比的设置，通过冲洗电磁阀对废水进行排放；当外部水压不足时，无论系统处于何种状态，都应立即关闭增压泵和进水电磁阀，进而防止系统空运行、保护滤芯。

3 系统硬件设计

通过分析系统要求，将系统硬件分为电源模块、控制器模块、显示模块、流量检测模块、水压检测模块、RFID模块、制水控制模块、时间模块，系统结构框图如图1所示。

图1 净水机控制系统结构框图

(1) 显示器：目前系统中采用的显示器有数码管显示器、液晶显示器两种类型。数码管显示器电路结构简单、价格便宜，但显示内容受限；液晶显示器电路复杂、价格较高，但显示内容不受限制，可以做到彩色显示。综合考虑，本系统采用TFT液晶显示器TJC3224，该显示器支持Windows字库、串口和SD卡下载，采用串口通信，控制方式方便快捷。

(2) 水压检测模块：主要用于检测进水侧的水压和出水侧的水压。当进水侧停水或水压不足时，检测模块输出相应的信号，使系统停止工作，保护系统元件不受损坏；当进水侧水压正常时，检测模块输出相应的信号，系统正常工作。当出水端的水压高于设定值时，检测模块输出相应的信号，使系统停止制水；当出水端的水压低于设定值时，检测模块输出信号，使系统开始制水。

(3) RFID模块：根据系统要求，系统能够改变工作模式并具有充值功能，所以在系统中采用具有标准化、技术比较成熟的RFID通信技术。RFID是通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据，具有速度快、体积小、形状多样化、抗污染能力和耐久性、重复使用、穿透性、安全可靠等特点。本系统设计采用RC522读写器，具有串口通信功能，方便控制和程序设计。

(4) 时间模块：根据系统设计要求，本系统具有计时工作模式，为了精确计时，本设计采用PCF8563实时时钟模块，采用I2C总线接口，具有低功耗、精度高等特点。为了防止系统掉电后时间复位，电路接入备用电池，PCF8563时钟模块电路原理图如图2所示。

图2 PCF8563时钟模块原理图

(5) 控制器：基于系统的设计要求和电路的工作连接要求，要求控制器具有2个串口，具有存储器功能，本系统采用STC15F2K32S2型单片机。该控制器除了拥有2组高速异步串行通信端口和EEPROM功能外，内部还集成了高精度R/C时钟，可以省掉外部晶振和复位电路，简化硬件电路，具有高速、高可靠、低功耗、抗干扰力强等特点。

(6) 驱动电路：系统输出控制的元件为电磁阀和增压泵，功率都比较大，设计为通过三极管驱动电磁阀，通过输出继电器控制增压泵。

(7) 电源模块：本系统电路中所有元件的工作电压均为5 V，为了保证系统的正常工作，电源模块采用简单的LM7805电路，电路原理图如图3所示。在图3中，输入电压为DC24V，不能直接连接LM7805，为保证电路正常工作，在输入端串联电阻(三个3 W、100 Ω的电阻并联)进行分压。

图3 电源模块原理图

4 程序设计

4.1 主程序

系统程序包括初始化程序、余额计算显示程序、数据存储程序、冲洗程序、制水程序、读卡操作程序等。主程序是系统的工作程序，主程序流程如图4所示。

图4 主程序流程图

4.2 余额计算程序

(1) 日期计算：系统的计时工作模式需要对日期进行计算，通过读取时间模块中的日期和系统中存储的起始时间进行计算。计算公式为：

ts=(ny-oy)×365+td[nm-1]+nd-td[om-1]-od-ly.

其中：ts为时间差；oy、om、od分别为起始时间的年、月、日；ny、nm、nd分别为当前时间的年、月、日；td[]表示月份的天数之和；ly为日期年份中的闰年个数。

(2) 流量计算：流量的计算是通过流量计来检测，流量计的转子转动一周输出一个脉冲信号，计算公式为：

L=ΔL·n.

其中：L为流量；ΔL为转子转动一周的单位流量；n为脉冲个数。

(3) 金额计算：

其中：S2为剩余金额；S为总金额；S1为已用金额；ΔS为单位流量金额。

4.3 制水程序

当系统检测到储水量不足时，进行制水操作，流程为：当供水水压不足时，停止工作；当供水水压正常时，开始制水，制水时间超过1 h后对滤芯进行冲洗。制水程序流程图如图5所示。

图5 制水程序流程图

4.4 读卡操作程序

读卡操作程序主要实现工作模式改变、充值等功能，包括数据读取、验证、功能判断、数据处理和存储，读卡操作程序流程如图6所示。

图6 读卡操作程序流程图

4.5 冲洗程序

当下面三种情况出现任何一种时需要对滤芯冲洗，每次冲洗5s。三种情况分别为在系统上电后、系统检测到供水水压不足在水压恢复之后、制水时间超过1h。

5 结束语

基于上述工作原理制作的控制系统，经过长期的工程测试，系统工作稳定、可靠；能够按照设定模式正常工作，可在4种工作模式(计时间、计金额、计流量、卡计费)间进行切换；可以精确地计算并显示日期、流量和金额。