基于单片机的净水器废水利用系统设计与仿真

王传孝，李玉刚，栾晓健

（曲阜师范大学 工学院，日照276826）

随着经济的发展，人们的生活品质不断提高，对于饮用水的水质要求也在不断提高，目前，中国各大城市的城市用水质量参差不一，大部分需要净水器过滤之后才能符合人们的饮用标准。在这样的背景下，净水器产业得以迅速发展，净水器已逐渐成为人们生活必需品。

净水器是指对水质进行深度过滤和净化的水处理设备，主要利用膜过滤技术，市场上普遍采用的净水器大致可分为超滤膜净水器和反渗透膜净水器，这两种净水器都需要对内部的反渗透膜进行冲洗，从而产生大量的冲洗废水，这些废水是经过前三级过滤后，去除了很大部分杂质的水，然而冲洗滤膜产生的废水往往流进了下水道[1]。众所周知，我国的淡水资源人均占有量少，非常匮乏。据研究显示，这部分废水除不适宜饮用外，作为家庭清洁用水完全没问题。

1 方案设计

净水器按管路设计可分为渐紧式净水器和自洁式净水器两大类，自洁式净水器机内设计两条通道，应用分质流通原理，绝大部分污物被直接截留在第一级滤芯的原水侧，进不到机器内部，并让这部分的水流通起来形成洗涤通路，达到流水不腐，污物在洗涤龙头的开启瞬间随时自行排出[2]。渗透过膜的净化水则由另一个通道形成洁净水通路，从而达到分质供水的目的。

本方案针对自洁式净水器废水浪费问题，通过废水储水箱收集净水器产生的废水，由单片机控制系统分配废水满足家庭清洁用水需求，并且通过液晶显示器显示水位以及报警信息。具体工艺控制流程如图1所示。

图1 控制流程Fig.1 Control flow chart

该方案的主要流程为废水储水箱收集净水器产生的废水，位于废水储水箱顶部的超声波水位监测装置收集水位信息并将水位信息传输给单片机，并由显示器显示水位信息。单片机内部预设有最高与最低水位预警。本方案初始以规格为60 L，高度为60 cm 的废水储水箱为研究和控制对象，分别预设水箱最低与最高预警水位。当超声波测距仪测得废水储水箱水位过高或过低时，LCD1602 显示器显示“error”信息，蜂鸣器报警。水位过低时，单片机控制继电器打开自来水管道电磁阀，使用自来水满足家庭清洁用水。水位过高时，多出的废水通过废水箱泄流管道排进下水道。当废水储水箱内水位处于最低预设水位与最高预设水位之间时，LCD1602 显示器显示水量信息。位于家庭清洁用水端的水压传感器监测用水端水压，若水压突降说明家庭需要使用清洁用水。水压传感器监测的水压突降模拟信号经过模数转换器转换为单片机可以接收的数字信号，单片机接收到水压突降信号后依据内部程序控制继电器运行水泵，使用废水储水箱内废水满足家庭清洁用水。

2 系统主要功能和框架设计

现在的净水器废水利用普遍为人工简单收集，再将废水用于冲厕、拖地等场景，自动化程度低，也不能很好地让用户获得水量浪费和储存情况，只具备基础的循环利用功能。

本系统使用单片机作为智能控制中心，超声波测距装置收集废水水箱水位信息，水压传感器收集用水端用水信息，利用单片机实现信息收集、响应、控制。废水水箱收集自洁式净水器使用过程中产生的废水，并在自来水管道加装继电器驱动的电磁水阀，废水不足时使用自来水满足家庭用水需求，通过智能控制中心根据需求合理利用废水满足家庭用水需求，在解决净水器废水难以利用问题的同时，实现了较高的自动化和精确控制。

本控制系统由6 个单元组成，如图2所示，分别为单片机控制单元，废水水位采集单元，数模转换单元，液晶显示单元以及报警单元。通过这6 个单元的协同配合实现了废水水量实时监测，废水水量充足时自动使用废水，废水水量过少时报警并且自动使用自来水，废水水量过多时报警并且自动溢流，以及LCD 显示器实时显示水位或错误信息等功能。

图2 系统框图Fig.2 System block diagram

3 系统硬件设计

系统硬件包括单片机最小系统（即单片机、电源电路、复位电路以及时钟电路），用水端水压监测模块，废水水量信息监测模块，显示模块，驱动模块以及报警单元等[3]。

3.1 单片机最小系统

单片机最小系统以STC89C52 为核心，由电源电路，复位电路以及晶振时钟电路三部分共同构成[4]，单片机最小系统如图3所示。系统可以通过内部初始化程序进行复位，也可以通过按键进行复位操作，复位电阻R=10 kΩ，外部时钟晶振的振荡频率为12 MHz，震荡电容C1=C2=20 pF，系统电源为5 V。

图3 单片机最小系统Fig.3 Minimum system of single chip microcomputer

系统采用低功耗、高性能的STC89C52 单片机微控制器。其使用经典的MCS-51 内核，拥有灵巧的8位CPU 和在系统可编程Flash，8 k 字节Flash，512字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4 KB EEPROM，MAX810 复位电路，3 个16 位定时器/计数器，4 个外部中断，一个7 向量4 级中断结构，一个全双工串行口，片内振荡器和时钟电路，其最小应用系统由单片机，晶振电路和复位电路构成[5]。

3.2 信息检测模块

3.2.1 HC-SRF04 超声波传感器

本设计采用HC-SRF04 超声波传感器用来检测废水储水箱中水位信息，该传感器采用I/O 口TERIG触发测距，模块自动发送8 个40 kHz 的方波，自动检测是否有信号返回，有信号返回，通过I/O 口ECHO 输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间，其测试距离为2 cm～400 cm。测试距离=（高电平时间×声速（340 m/s））/2。仿真电路中直接使用HC-SRF04 测量储水箱中水位变化。

3.2.2 MPX4115 压力传感器

本设计采用MPX4115 压力传感器用来检测用水端水压信息，该传感器由压力敏感元件和信号处理单元组成，当水压发生变化时传感器上电阻值发生变化，经由转换电路转换成电压量模拟信号，并将此信号输送至数模转换器转换为单片机可识别的数字信号以便单片机进行运算判别。

3.3 数模转换模块

由于压力传感器采集的水管压力信息为模拟量，经转换电路后输出的电压信号也为模拟量。ADC0832 是一种8 位分辨率，最高分辨率为256 级的双通道A/D 转换芯片。因此选用ADC0832 模数转换器将模拟量转换为单片机能够识别的数字量。

3.4 显示模块

为了实时显示废水量以及水管水压，提示使用者是否使用错误，选用LCD1602 液晶显示器显示水位高度及水压大小。系统运行过程中第一行实时显示水位高度，当水位低于或高于设定水位时，显示“error”提示使用者错误信息，第二行实时显示水压信息。液晶显示器的8 位数据端D1-D7 与加上拉电阻的单片机P0 口相连，RS、R/W、E 端分别与单片机的P2.4、P2.5、P2.6 相连。

3.5 驱动模块

本设计有两部分使用了继电器，一为继电器水泵模块，二为继电器电磁阀模块[6]。继电器水泵模块由单片机P2.2 口发出控制信号进行控制，当P2.2输出为0，则NPN 型三极管导通，继电器得电，常开触点吸合，水泵回路导通，进行废水供给工作。当P2.2 输出为1，则NPN 型三极管关断，继电器失电，常开触点复位，水泵回路断开，停止废水供给工作。继电器电磁阀模块由单片机P2.7 口发出控制信号进行控制，原理同继电器水泵模块相似。

3.6 其他辅助单元

除上述六部分外，系统还设置有灯光指示以及蜂鸣器报警单元。

4 系统软件设计

系统流程如图4所示。系统上电后，首先进行初始化，手动选择储水箱规格，单片机内部程序依据选择的储水箱规格自动确定临界最高以及最低预设水位，超声波测距装置采集废水水箱中废水水量信息，并将水量信息传输给单片机，单片机内部程序判断当前水位信息与预设水位的大小关系，如果小于预设值，蜂鸣器发出警报，同时继电器驱动电磁阀打开自来水通道，使用自来水满足用水需求；如果大于预设值，蜂鸣器发出警报，同时多余废水通过溢流管道排出，溢流管道设置于废水储水箱上部，用于排出多余废水[7]。如果废水量处于预设水位范围内，则系统持续采集用水端水压信息，经AD模数转换器转换后传输给单片机，单片机内部程序判断用水端用水需求，如果水压突降，系统控制继电器驱动水泵进行供水，如果水压为突升，则系统关闭继电器，水泵停止供水[8]。

图4 系统流程Fig.4 System flow chart

5 Proteus 仿真调试

选用Protues 仿真软件完成家庭废水利用系统的软件调试，系统仿真中使用电机代替水泵，利用二极管的亮灭代替电磁阀的开关[9]。内部程序中设置了30 L，60 L，90 L 3 种水箱规格，以按键A，B，C分别代替3 种水箱规格。用户根据使用的水箱规格通过按键进行选择，系统内部程序已为不同规格的水箱设置了不同的最高预设水位以及最低预设水位，以规格为60 L 的水箱为例，最高预设水位设置为57 cm，最低预设水位设置为3 cm。按照设计方案搭建仿真模型，如图5所示。

图5 家庭废水利用系统Fig.5 Household wastewater utilization system

模型搭建完毕以后，在单片机内部添加程序，打开仿真开关，手动选择按键B，开始进行调试。

仿真实验结果表明，该系统可以实现废水量在预设废水储量之间时系统自动完成废水分配利用，高于或低于设定废水储量时，系统自动报警并显示错误信息，在实际中有一定的应用价值。

6 结语

净水器废水利用系统的设计思路来源于家庭净水器废水的处理问题，因此本设计的主要功能是合理利用净水器废水，除此之外，可以根据家庭用水情况不同，选择不同的废水储水箱规格，实时的显示水箱水量信息以及错误信息，还可以根据水量信息使用自来水满足清洁用水需求，不仅节约了水资源，起到节约能源的作用，而且自动化程度较高，避免了使用人工来处理净水器废水的问题。