摘  要： 介紹了一種自動凈水機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計，提供了溫度控制,、開關(guān)量輸出,、數(shù)據(jù)保存、水位檢測等關(guān)鍵部件的設(shè)計思路及方案,，給出了相應(yīng)的硬件電路和軟件流程,，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器的自動運(yùn)行。通過對樣機(jī)的測試,，證明系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,，凈化后的水符合國家飲用水標(biāo)準(zhǔn)。
關(guān)鍵詞： 飲用水,；可控硅整流器,；自動凈水機(jī)

    水是人類生命的源泉，人們對飲用水質(zhì)的要求及相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)在不斷提高,。但由于工業(yè)廢水和生活污水等水體排放量的不斷增加,，致使水源污染日益加劇,。人類經(jīng)歷了由最初的簡單的沉淀凈水到傳統(tǒng)的煮沸處理，發(fā)展到現(xiàn)在的深度凈化飲用水,。解決飲用水污染問題有兩條途徑：一是通過保護(hù)飲用水水源,，選用優(yōu)質(zhì)飲用水水源；二是強(qiáng)化飲用水處理工藝,。在發(fā)達(dá)國家飲用水凈化處理工藝已經(jīng)很成熟且凈水機(jī)的使用也相當(dāng)普及,，但在我國，這種凈水機(jī)目前仍不為大眾消費(fèi)者所熟悉,。所以設(shè)計功能完善,、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的智能凈水機(jī)具有積極的社會意義。
1 控制系統(tǒng)的構(gòu)成與工作原理
    圖1為凈水機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖,。凈水機(jī)主要由控制主板,、增壓泵、溫度傳感器,、壓縮機(jī),、電熱絲、水位檢測板,、LCD顯示屏,、紫外燈管等裝置組成。機(jī)器可通過手動開機(jī)和定時自動開機(jī),?？刂破鞲鶕?jù)用戶設(shè)定的參數(shù)控制各裝置的工作，實(shí)現(xiàn)機(jī)器的自動控制,。LCD屏實(shí)時顯示當(dāng)前工作狀態(tài),，用戶可通過按鍵修改和查看已設(shè)定的參數(shù)，在參數(shù)被修改后,，系統(tǒng)會更新并保存修改的參數(shù),。在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，控制器根據(jù)各傳感器的信號狀態(tài)判斷各部件是否有故障發(fā)生,，當(dāng)有故障發(fā)生時立即對機(jī)器實(shí)現(xiàn)實(shí)時保護(hù),，同時LCD屏顯示相應(yīng)故障代碼，以便維護(hù)人員有針對性地進(jìn)行維修,。

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計
2.1 溫度控制
    功能完善的凈水機(jī)不但能夠起到凈化水的作用,，而且還能夠根據(jù)消費(fèi)者的需求對水進(jìn)行精確的加熱，以滿足消費(fèi)者的需求,。當(dāng)水經(jīng)過直飲水機(jī)深度的科學(xué)處理時,，溫度控制的精度很重要。基于這個特點(diǎn),，本文提出了如下溫度控制方案：測溫元件采用不銹鋼管負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻溫度傳感器,，溫度的檢測電路如圖2所示。當(dāng)溫度變化時,，熱敏電阻值會隨著溫度的升高而減小,。為了使測量的溫度盡可能準(zhǔn)，可選擇在經(jīng)常工作的溫度區(qū)間,，采用電阻值變化大的熱敏電阻,，上拉電阻取測量溫度的中點(diǎn)溫度時熱敏電阻的阻值。這樣就能把變化的電阻值轉(zhuǎn)變成電壓值,，經(jīng)過濾波后,，送單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換后得到相應(yīng)的溫度值,。

    加熱裝置的電路控制如圖3所示,。ICE_CON連接到數(shù)字?jǐn)U展口上，ICE_SYS連接到加熱裝置,。

    溫度執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由光隔控制可控硅的通與斷來控制加熱電源的通與斷,。用可控硅代替繼電器等機(jī)械開關(guān)，可使控制具有靈敏,、可靠,、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1]。數(shù)字信號經(jīng)過開關(guān)量擴(kuò)展電路后,，送光電耦合器MOC3043,，由MOC3043控制可控硅的控制極。通過光電耦合器與可控硅的結(jié)合,，能夠有效地把微控系統(tǒng)與交流220 V隔離,，同時又因?yàn)殡p向可控硅采用過零觸發(fā)的方式(這是一種理想的觸發(fā)工作方式)，并使正弦波以完整的形式加到負(fù)載上,，既有利于保護(hù)元器件的安全使用和負(fù)載的工作穩(wěn)定性,，又不會對電網(wǎng)造成污染，減少了對其他設(shè)備的干擾[2],。MOC3043是具有內(nèi)部過零檢測器的光電耦合可控硅驅(qū)動器,，用它驅(qū)動可控硅具有簡單可靠的優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)楫?dāng)輸入端導(dǎo)通時,，輸出端并不馬上導(dǎo)通,，只有電源電壓過零時才會導(dǎo)通，這樣負(fù)載輸出端輸出的就是完整的正弦波[3],。
2.2 開關(guān)量輸出
    由于控制系統(tǒng)的輸出比較多,，在該控制系統(tǒng)中，主要的輸出有：增壓泵、2個紫外燈,、阻返器,、臭氧發(fā)生器、4個進(jìn)水電磁閥,、制熱裝置等,。如果用單片機(jī)端口一對一地輸出控制，則輸出端口的資源相當(dāng)緊張,。因此,，本控制系統(tǒng)采用移位/鎖存器CD4094BE結(jié)合高壓高電流達(dá)林頓管陣列ULN2803A進(jìn)行端口擴(kuò)展。開關(guān)量輸出擴(kuò)展電路如圖4所示,。

    開關(guān)量輸出經(jīng)過擴(kuò)展后,，由于外部負(fù)載為電磁閥感性負(fù)載，所以選用高壓高電流達(dá)林頓管陣列ULN2803A直接驅(qū)動負(fù)載,，同時增加了D5～D9作為續(xù)流二極管,。續(xù)流二極管均為并聯(lián)且在線圈的兩端，當(dāng)線圈通過電流時,，會在其兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,。當(dāng)電流消失時，其感應(yīng)電動勢會對ULN2803A產(chǎn)生反向電壓,。當(dāng)反向電壓高于ULN2803A反向擊穿電壓時,，會造成ULN2803A損壞。但由于續(xù)流二極管并聯(lián)在線圈兩端,，當(dāng)流過線圈中的電流消失時,，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢通過二極管和線圈構(gòu)成的回路做功而消耗掉了，從而保護(hù)了ULN2803A的安全,。
2.3  數(shù)據(jù)保存
    由于不同的用戶設(shè)定的參數(shù)不一樣,，這些參數(shù)在沒有修改前要永久保存，在系統(tǒng)中要求保存的參數(shù)有：定時開/關(guān)機(jī)的時間,、定時開/關(guān)制熱的時間,、水溫度設(shè)定值。這些參數(shù)可以通過外擴(kuò)鐵電存儲器來保存,，但將會增加控制系統(tǒng)成本,。由于ATMEGA16L自身帶有512 B的EEPROM，擦寫次數(shù)達(dá)100 000次,?？紤]到這些參數(shù)不會頻繁地被修改，所以用單片機(jī)內(nèi)部的EEPROM就能夠滿足參數(shù)保存的要求,。同時在程序設(shè)計中盡量減少了對EEPROM進(jìn)行讀寫R的次數(shù),，只在上電時對EEPROM進(jìn)行讀,，參數(shù)改變時對EEPROM進(jìn)行寫，按每天總共讀寫10次計算,，可以使用27年,。
2.4 水位檢測裝及控制方案
    水位的檢測是通過在水箱中豎直安裝一根中空管(里面分別裝有高/低水位干簧管)，中空管外面套有一個浮動的磁環(huán)裝置,，與水位同時升降,。當(dāng)磁環(huán)和相應(yīng)干簧管在同一高度時，干簧管閉合,，單片機(jī)檢測到信號后,，執(zhí)行相應(yīng)控制。如檢測到低水位信號時,，單片機(jī)輸出啟動凈化水的信號,，打開進(jìn)水閥門，同時為了避免由于硬件誤檢測帶來誤控制,，在啟動凈化水的同時會啟動制水時間,，在規(guī)定時間內(nèi)沒有達(dá)到高水位信號時，LCD屏則顯示機(jī)器故障或者提示停水了,，機(jī)器自動停機(jī),；當(dāng)檢測到高水位信號時,，關(guān)制水,，啟動殺菌消毒裝置對新制的水進(jìn)行處理。
3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計
    凈水機(jī)的軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計思想,，以主程序?yàn)楹诵?，設(shè)計了各功能模塊子程序，使大量的功能在子程序中實(shí)現(xiàn),，簡化了軟件設(shè)計結(jié)構(gòu),。子程序模塊主要包括：定時處理子程序、系統(tǒng)故障檢測處理子程序,、溫度處理子程序,、鍵盤管理子程序、數(shù)據(jù)存儲子程序,、顯示子程序等,。所有程序采用基于ICCAVR編譯器，用C語言編寫,。系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示,。

    以ATmega16L單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)凈水機(jī)成本低、抗干擾能力強(qiáng),、運(yùn)行穩(wěn)定可靠,。殺菌消毒過程使用臭氧、紫外線殺菌消毒兩種方法。通過對經(jīng)凈水機(jī)處理水的水質(zhì)進(jìn)行檢測,，可以滿足GB19298-2003,、生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)GB5749-2006的要求。目前該凈水器已為企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益,。
參考文獻(xiàn)
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[2] 馬江濤．單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計及實(shí)現(xiàn)[J]．計算機(jī)測量與控制，2004,，14(12)：1219-1221．
[3] 石東海,，扈嘯，周旭升.單片機(jī)數(shù)據(jù)通信技術(shù)入門到精通[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,，2002.