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，實現(xiàn)機(jī)器的自動控制。LCD屏實時顯示當(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)器實現(xiàn)實時保護(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?；谶@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，同時又因為雙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)。因為當(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，以主程序為核心，設(shè)計了各功能模塊子程序，使大量的功能在子程序中實現(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。