靳曉波

(山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 長(zhǎng)治 046011)

0 引言

隨著人們健康意識(shí)的提高，凈水機(jī)進(jìn)入居民生活并開始普及。面對(duì)競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)，部分品牌改變銷售模式(免費(fèi)安裝、付費(fèi)使用)。新銷售機(jī)制對(duì)凈水機(jī)的控制系統(tǒng)提出新的要求，不但要求其具備基本的凈水器控制功能，而且還要具備計(jì)時(shí)、計(jì)費(fèi)、充值、多工作模式等功能。

本文介紹了一種多工作模式凈水機(jī)控制系統(tǒng)，采用STC15F2K32S2單片機(jī)作為控制器，用RFID作為充值的信息交換模塊，使用TJC3224T024液晶屏作為顯示模塊，用高精度的流量計(jì)作為計(jì)費(fèi)的統(tǒng)計(jì)模塊。

1 反滲透凈水機(jī)

反滲透凈水機(jī)分為帶壓力桶式和無壓力桶式，區(qū)別是在出水端有無壓力桶。兩種構(gòu)造相比：有壓力桶出水量大、但受材質(zhì)影響可能會(huì)出現(xiàn)二次污染；無壓力桶式機(jī)器出水量較小、制水時(shí)頻繁的啟停會(huì)損害機(jī)電元件的壽命。帶壓力桶式凈水機(jī)又可分為有壓力泵式和無壓力泵式兩類，有壓力泵式工作時(shí)會(huì)有噪聲、增加了故障幾率、對(duì)過濾膜的壽命有影響；無泵式對(duì)自來水的壓力有要求、廢水比較高、價(jià)格較高。目前市場(chǎng)上主流產(chǎn)品為有增壓泵的壓力桶式凈水機(jī)，本文介紹的系統(tǒng)適用于這種模式。

2 凈水機(jī)的制水控制原理

凈水機(jī)的制水是通過控制電磁閥、增壓泵及廢水比沖洗閥來完成。其原理如下：當(dāng)外部水壓正常、儲(chǔ)水桶中的水量不足時(shí)，開始制水，若儲(chǔ)水量達(dá)到要求時(shí)，停止制水；制水過程中，根據(jù)廢水比的設(shè)置，通過沖洗電磁閥對(duì)廢水進(jìn)行排放；當(dāng)外部水壓不足時(shí)，無論系統(tǒng)處于何種狀態(tài)，都應(yīng)立即關(guān)閉增壓泵和進(jìn)水電磁閥，進(jìn)而防止系統(tǒng)空運(yùn)行、保護(hù)濾芯。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

通過分析系統(tǒng)要求，將系統(tǒng)硬件分為電源模塊、控制器模塊、顯示模塊、流量檢測(cè)模塊、水壓檢測(cè)模塊、RFID模塊、制水控制模塊、時(shí)間模塊，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 凈水機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

(1) 顯示器：目前系統(tǒng)中采用的顯示器有數(shù)碼管顯示器、液晶顯示器兩種類型。數(shù)碼管顯示器電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，但顯示內(nèi)容受限；液晶顯示器電路復(fù)雜、價(jià)格較高，但顯示內(nèi)容不受限制，可以做到彩色顯示。綜合考慮，本系統(tǒng)采用TFT液晶顯示器TJC3224，該顯示器支持Windows字庫、串口和SD卡下載，采用串口通信，控制方式方便快捷。

(2) 水壓檢測(cè)模塊：主要用于檢測(cè)進(jìn)水側(cè)的水壓和出水側(cè)的水壓。當(dāng)進(jìn)水側(cè)停水或水壓不足時(shí)，檢測(cè)模塊輸出相應(yīng)的信號(hào)，使系統(tǒng)停止工作，保護(hù)系統(tǒng)元件不受損壞；當(dāng)進(jìn)水側(cè)水壓正常時(shí)，檢測(cè)模塊輸出相應(yīng)的信號(hào)，系統(tǒng)正常工作。當(dāng)出水端的水壓高于設(shè)定值時(shí)，檢測(cè)模塊輸出相應(yīng)的信號(hào)，使系統(tǒng)停止制水；當(dāng)出水端的水壓低于設(shè)定值時(shí)，檢測(cè)模塊輸出信號(hào)，使系統(tǒng)開始制水。

(3) RFID模塊：根據(jù)系統(tǒng)要求，系統(tǒng)能夠改變工作模式并具有充值功能，所以在系統(tǒng)中采用具有標(biāo)準(zhǔn)化、技術(shù)比較成熟的RFID通信技術(shù)。RFID是通過無線電信號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，具有速度快、體積小、形狀多樣化、抗污染能力和耐久性、重復(fù)使用、穿透性、安全可靠等特點(diǎn)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用RC522讀寫器，具有串口通信功能，方便控制和程序設(shè)計(jì)。

(4) 時(shí)間模塊：根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)具有計(jì)時(shí)工作模式，為了精確計(jì)時(shí)，本設(shè)計(jì)采用PCF8563實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊，采用I2C總線接口，具有低功耗、精度高等特點(diǎn)。為了防止系統(tǒng)掉電后時(shí)間復(fù)位，電路接入備用電池，PCF8563時(shí)鐘模塊電路原理圖如圖2所示。

圖2 PCF8563時(shí)鐘模塊原理圖

(5) 控制器：基于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和電路的工作連接要求，要求控制器具有2個(gè)串口，具有存儲(chǔ)器功能，本系統(tǒng)采用STC15F2K32S2型單片機(jī)。該控制器除了擁有2組高速異步串行通信端口和EEPROM功能外，內(nèi)部還集成了高精度R/C時(shí)鐘，可以省掉外部晶振和復(fù)位電路，簡(jiǎn)化硬件電路，具有高速、高可靠、低功耗、抗干擾力強(qiáng)等特點(diǎn)。

(6) 驅(qū)動(dòng)電路：系統(tǒng)輸出控制的元件為電磁閥和增壓泵，功率都比較大，設(shè)計(jì)為通過三極管驅(qū)動(dòng)電磁閥，通過輸出繼電器控制增壓泵。

(7) 電源模塊：本系統(tǒng)電路中所有元件的工作電壓均為5 V，為了保證系統(tǒng)的正常工作，電源模塊采用簡(jiǎn)單的LM7805電路，電路原理圖如圖3所示。在圖3中，輸入電壓為DC24V，不能直接連接LM7805，為保證電路正常工作，在輸入端串聯(lián)電阻(三個(gè)3 W、100 Ω的電阻并聯(lián))進(jìn)行分壓。

圖3 電源模塊原理圖

4 程序設(shè)計(jì)

4.1 主程序

系統(tǒng)程序包括初始化程序、余額計(jì)算顯示程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序、沖洗程序、制水程序、讀卡操作程序等。主程序是系統(tǒng)的工作程序，主程序流程如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

4.2 余額計(jì)算程序

(1) 日期計(jì)算：系統(tǒng)的計(jì)時(shí)工作模式需要對(duì)日期進(jìn)行計(jì)算，通過讀取時(shí)間模塊中的日期和系統(tǒng)中存儲(chǔ)的起始時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算公式為：

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

其中：ts為時(shí)間差；oy、om、od分別為起始時(shí)間的年、月、日；ny、nm、nd分別為當(dāng)前時(shí)間的年、月、日；td[]表示月份的天數(shù)之和；ly為日期年份中的閏年個(gè)數(shù)。

(2) 流量計(jì)算：流量的計(jì)算是通過流量計(jì)來檢測(cè)，流量計(jì)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一周輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，計(jì)算公式為：

L=ΔL·n.

其中：L為流量；ΔL為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一周的單位流量；n為脈沖個(gè)數(shù)。

(3) 金額計(jì)算：

其中：S2為剩余金額；S為總金額；S1為已用金額；ΔS為單位流量金額。

4.3 制水程序

當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到儲(chǔ)水量不足時(shí)，進(jìn)行制水操作，流程為：當(dāng)供水水壓不足時(shí)，停止工作；當(dāng)供水水壓正常時(shí)，開始制水，制水時(shí)間超過1 h后對(duì)濾芯進(jìn)行沖洗。制水程序流程圖如圖5所示。

圖5 制水程序流程圖

4.4 讀卡操作程序

讀卡操作程序主要實(shí)現(xiàn)工作模式改變、充值等功能，包括數(shù)據(jù)讀取、驗(yàn)證、功能判斷、數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)，讀卡操作程序流程如圖6所示。

圖6 讀卡操作程序流程圖

4.5 沖洗程序

當(dāng)下面三種情況出現(xiàn)任何一種時(shí)需要對(duì)濾芯沖洗，每次沖洗5s。三種情況分別為在系統(tǒng)上電后、系統(tǒng)檢測(cè)到供水水壓不足在水壓恢復(fù)之后、制水時(shí)間超過1h。

5 結(jié)束語

基于上述工作原理制作的控制系統(tǒng)，經(jīng)過長(zhǎng)期的工程測(cè)試，系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠；能夠按照設(shè)定模式正常工作，可在4種工作模式(計(jì)時(shí)間、計(jì)金額、計(jì)流量、卡計(jì)費(fèi))間進(jìn)行切換；可以精確地計(jì)算并顯示日期、流量和金額。