基于單片機的家庭廢水智能循環系統

馬晗旭， 劉忠富

（大連民族大學 信息與通信工程學院， 遼寧 大連116600）

0 引 言

目前全國多數城市地下水受到一定程度的點狀和面狀污染，且有逐年加重的趨勢，日趨嚴重的水污染不僅降低了水體的使用功能，進一步加劇了水資源短缺的矛盾。 每個家庭或者個人都應將節水當作分內之事，家庭廢水的回收利用是很重要的節水手段。 本設計是生活廢水二次利用裝置的控制系統，這一系統地完成有利于推進節水技術的推廣。

1 系統總體方案設計

本系統以STM32F103 單片機為核心，控制電路由語音控制模塊、水質監測傳感器、水位控制器以及電磁閥等電器元件組成。 廚房污水通過單片機由語音開關控制電磁閥的開閉，由“人工選擇機構”決定“含油污”和“無油污”的廢水進行處理。 含油污廢水處理是在無油污處理部分過濾的基礎上，通過4分箱，加入氯化鈉，利用破乳的原理，再經過海綿或者吸油布的吸附，去除90%的油污，進入右側的水里，從而與洗浴污水、洗衣污水混合，經過細過濾，通過抽水泵送入集水箱，根據水質監測傳感器和液位傳感器控制電磁閥的開閉，使水進入到馬桶集水箱，進行再利用［1］。 系統總體框圖如圖1 所示。

圖1 系統總體設計框圖Fig.1 System overall design diagram

本系統模型設計如圖2 所示。 整套系統由2 個100 W 電動機水泵、1 個置于衛生間水槽以下的處理箱、1 個設置于天花板以上的儲水箱構成。 處理箱和儲水箱均由防銹能力較強的鋅鐵皮制成［2］。處理箱內部由固定隔板和活性炭層將其分為2 部分，左側的液面高于右側的液面。 含油污廢水在無油污處理的基礎上，通過4 分箱。 處理箱4 分箱是由4 個分離杠組成，第一個是油水混合進口杠，第二個是第一分油杠，第三個是第二分油杠，第四個是第三分油杠，又叫出水杠。 油水分離是通過物理學當中油的密度比水小，易漂浮在水中的性質制作而成。

圖2 系統模型設計圖Fig.2 System model design

2 系統硬件設計

系統控制電路由語音控制模塊、水質監測傳感器、水位控制器以及電磁閥等電器元件組成。

（1）微控制器電路。 數據采集與控制系統中所采用的微控制器為STM32F103C8T6。 該單片機為STM32 系列單片機增強型的32 位單片機，時鐘頻率可達72MHz，具有64KB 的SRAM 和256KB 的Flash存儲器， 具備處理視頻數據的能力。STM82F103C8T6 最小系統電路如圖3 所示。

（2）語音控制電路。 本設計采用語音識別芯片LD3320，該芯片采用ASR 技術，提供了一種脫離按鍵、鍵盤、鼠標、觸摸屏等GUI 操作方式及基于語音的用戶界面VUI，使得用戶操作更簡單、快速和自然。 只需把識別的關鍵詞語以字符串的形式傳送進芯片，即可以在下次識別中立即生效。 如：說出一級指令“智能控制”，然后再說出二級指令“打開水閥”，就可以通過語音控制水閥的開關。 LD3320 語音識別模塊如圖4 所示。

圖3 STM32F103C8T6 最小系統電路圖Fig.3 Stm32f103c8t6 minimum system circuit diagram

圖4 LD3320 語音識別模塊原理圖Fig.4 Schematic diagram of ld3320 speech recognition module

（3）檢測傳感器電路。 水質檢測傳感器的工作原理：傳感器內部是一個IR958 與PT958 封裝的紅外線對管，當光線穿過一定量的水時，光線的透過量取決于該水的污濁程度，水越污濁，透過的光就越少。 光接收端把透過的光強度轉換為對應的電流大小，透過的光多，電流大，反之透過的光少，電流小。通過測量接收端電流的大小，就可以計算出水的污濁程度。

（4）液位傳感器電路。 液位傳感器能將被測點水位參量實時地轉變為相應電量信號的儀器，其工作原理為：容器內的水位傳感器，將感受到的水位信號傳送到控制器，控制器內的計算機將實測的水位信號與設定信號進行比較，得出偏差，然后根據偏差的性質，向給水電動閥發出”開／關”的指令，保證容器達到設定水位。

（5）電磁閥驅動電路。 電磁閥是用來控制流體的自動化基礎元件，用于控制液壓流動方向。 分步直動式電磁閥是一種直動和先導式相結合的原理，當入口與出口沒有壓差時，通電后，電磁力直接把先導小閥和主閥關閉件依次向上提起，閥門打開。 當入口與出口達到啟動壓差時，通電后，電磁力先打開先導小閥，主閥下壓力上升，上腔壓力下降，從而利用彈簧力或介質壓力推動關閉件，向下移動，使閥門關閉［3］。

3 系統軟件設計

系統軟件主要功能：系統初始化，電壓、電流模擬量采集和數據運算，開關量輸出控制等［4］。 系統運行首先進行初始化，然后對外界的數據進行采集，采集回來的數據與單片機中預先編制程序時存入的數據進行比較，根據比較的結果跳轉到相應的子程序進行處理［5］。 程序流程如圖5 所示。

4 功能測試

根據模擬實驗提供數據見表1。

表1 模擬實驗居民污水排放量Tab.1 Sewage discharge of simulated experimental residents

圖5 軟件設計流程圖Fig.5 Software design flow chart

由于本次實驗不考慮廁所水以及其它用水，因此每人每天的排水為： Q ＝75.3＋62.7＋3.5＋39.8 ＝181.3 L。 假設1 個普通家庭以3 個人考慮，則日排水總量為：Q總＝3Q ＝543.9 L。 根據此系統進行試驗，一共排除未被利用的廢水100.5L，利用效率為81.5%，家庭污水的真實凈化利用量為443.4 L。

5 結束語

本項目的研究利用了活性炭層過濾顆粒雜質，利用海綿吸附油污，采用1 只100 W 交流電機及繼電器控制電路實現自動控制，降低能源消耗，并合理利用廚房中水槽下及天花板上的空間，在一定程度上解決了現有技術的缺陷。 該系統適用于任何家庭中有二次利用價值的廢水，其創新性主要在于實現自動或手動2 種控制方式，采用多層過濾，且過濾用的隔板、活性炭層都可以反復使用，定期清洗或者更換，具有一定的推廣價值。