污水處理控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：本文對(duì)污水處理控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與研究，利用AT89C51單片機(jī)設(shè)計(jì)出了一種水位穩(wěn)定及溫度超限報(bào)警的控制系統(tǒng)裝置，初步實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的硬件選型、各硬件之間連接的原理圖、設(shè)計(jì)了硬件工作的程序流程圖以及相應(yīng)的控制程序。

關(guān)鍵詞：污水處理；控制系統(tǒng)；控制程序

Abstract：In this paper，a control system for wastewater treatment was researched and designed，a control system that employed a microchip AT89C51 was designed and made to make alarm whenever the water flow reached to a stable state or its temperature was beyond a limit.Furthermore，the hardware selections，the hardware connection between the schematic diagrams were completed，and the flow chart of the operation programs between the hardware and partial control procedures were also realized.

Key words：Wastewater treatment；Control System；Control program

1.引言

目前，污水處理的PLC控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。PLC控制污水的動(dòng)態(tài)循環(huán)的系統(tǒng)主要由上位監(jiān)控機(jī)、模擬顯示屏以及PLC控制箱組成。上位監(jiān)控機(jī)與PLC之間通過(guò)通信電纜連接，PLC將采集到的反應(yīng)器內(nèi)的液位、進(jìn)出水流量、曝氣量以及溫度等參數(shù)通過(guò)通信電纜將其參數(shù)傳送給上位監(jiān)控機(jī)，上位監(jiān)控機(jī)利用如圖1所示的MCGS組態(tài)圖對(duì)采集到數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控和管理，操作人員可以通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)抽水泵、各種控制閥、鼓風(fēng)機(jī)等進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，在組態(tài)環(huán)境下可以保留一定時(shí)間的數(shù)據(jù)，形成變化曲線，如圖2所示：

盡管PLC已經(jīng)廣泛用于污水循環(huán)控制的控制系統(tǒng)中，但存在的不足地方在于其硬件成本比較高。而單片機(jī)具有體積小、價(jià)格低、穩(wěn)定可靠、應(yīng)用可靠等特點(diǎn)，因此采用單片機(jī)控制技術(shù)能有效的實(shí)現(xiàn)污水循環(huán)控制。本文以ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C51單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)在理論上設(shè)計(jì)出一種比較簡(jiǎn)單的污水光催化處理裝置的動(dòng)態(tài)循環(huán)控制系統(tǒng)，初步完成了該控制系統(tǒng)的部分硬件電路設(shè)計(jì)和軟件總體框架設(shè)計(jì)。

2.污水處理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1電源模塊

電源模塊主要是把日常用電220V交流電壓轉(zhuǎn)變成提供單片機(jī)及溫度傳感器工作的+5V直流電壓，電源模塊不需設(shè)計(jì)，只需根據(jù)選定的型號(hào)購(gòu)買即可。

2.2氙燈附近空氣溫度監(jiān)測(cè)報(bào)警控制電路

氙燈在發(fā)光時(shí)，附近的空氣溫度升高，溫度過(guò)高一方面會(huì)使得氙燈的使用壽命降低，另外一方面也會(huì)影響反應(yīng)的結(jié)果。因此，需要對(duì)氙燈附近的空氣溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。目前，利用單片機(jī)進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)的典型電路的硬件組成如圖3所示。

本文選用了美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，該傳感器結(jié)構(gòu)功能的最大特點(diǎn)是[1-2]：集模數(shù)轉(zhuǎn)換為一體，可以將采集到的溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出供單片機(jī)接收處理，同單片機(jī)的接口不需要其它的接口電路，硬件電路比較簡(jiǎn)單，而且還可以進(jìn)行溫度高低限的設(shè)置，并具有報(bào)警功能，當(dāng)溫度高于設(shè)定的溫度值時(shí)，蜂鳴報(bào)警器發(fā)出報(bào)警聲。AT89C51單片機(jī)與DS18B20和蜂鳴器的報(bào)警電路的硬件接線如圖4所示。

DS18B20有三個(gè)引腳，VCC與單片機(jī)的40引腳一起接+5V直流電源，GND和單片機(jī)的20引腳一起接地，數(shù)據(jù)輸入輸出接口DQ與單片機(jī)17引腳RD相接，并且經(jīng)上拉電阻R1與+5V直流電源相接，其中上拉電阻的作用是使DQ信號(hào)線在空閑時(shí)經(jīng)上拉電阻自動(dòng)嵌位在高電平，并且可以起到限流作用[3-5]。

選用的蜂鳴器的型號(hào)是ZHEB1295-05O-2.3-7.6-R，工作電壓為+5V，其報(bào)警控制電路采用了三極管開關(guān)電路。

單片機(jī)在RD口接收從DS18B20傳送的監(jiān)測(cè)實(shí)際溫度的數(shù)值，與單片機(jī)設(shè)置的溫度上限做比較，如溫度超過(guò)上限，在P1.7口輸出一個(gè)低電平信號(hào)，驅(qū)使三極管開關(guān)電路導(dǎo)通，加在蜂鳴器上的電壓為其工作電壓+5V，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲音。蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲音后，手動(dòng)調(diào)整風(fēng)扇至上一檔位及冷凝水管道的閥門的開度，直到溫度低于報(bào)警上限，報(bào)警消失。

2.3水位穩(wěn)定控制電路

AT89C51單片機(jī)控制反應(yīng)容器中的水位的硬件線路如圖5所示。

在上水位M點(diǎn)、下水位N點(diǎn)以及容器底部的容器內(nèi)壁上分別用玻璃膠貼上三片金屬片，其中Q點(diǎn)金屬片經(jīng)導(dǎo)線與+5V電源連接，M點(diǎn)與N點(diǎn)的金屬片經(jīng)導(dǎo)線及電阻與地線相連，在本裝置中下水位N點(diǎn)設(shè)置在插槽框頂部10mm～20mm范圍內(nèi)比較理想，m及n點(diǎn)分別與單片機(jī)的P2.0和P2.1接口相連[6]。

在進(jìn)行水位穩(wěn)定控制的過(guò)程中，主要是利用單片機(jī)對(duì)外部電路的進(jìn)出水電磁閥以及循環(huán)水泵的開關(guān)控制，由于循環(huán)水泵等外部裝置的工作電壓都是日常用電交流220V，為防止外界強(qiáng)電對(duì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的正常工作產(chǎn)生影響，在單片機(jī)的輸出通道必須采取強(qiáng)弱電電氣隔離措施，繼電器具有性能可靠，使用方便等突出優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用，單片機(jī)控制繼電器輸出接口原理如圖6所示。

選用的繼電器線圈的正常工作時(shí)的額定電壓為+5V，當(dāng)單片機(jī)的P1口的某一位輸出一個(gè)低電平時(shí)，三極管的開關(guān)電路導(dǎo)通，繼電器線圈得電，外部電路開關(guān)觸點(diǎn)閉合，外部負(fù)載通電工作；反之當(dāng)單片機(jī)的P1口的某一位輸出一個(gè)高電平時(shí)，三極管的開關(guān)電路斷開，繼電器線圈失電，外部電路開關(guān)觸點(diǎn)斷開，外部負(fù)載斷電。由于在繼電器線圈失電的瞬時(shí)，將產(chǎn)生較高的反向電動(dòng)勢(shì)，很容易擊穿三極管，因此為了保護(hù)三極管不被擊穿，與繼電器線圈并聯(lián)了一個(gè)續(xù)流二極管VD，當(dāng)流過(guò)繼電器線圈中的電流消失時(shí)，線圈產(chǎn)生的反向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)通過(guò)續(xù)流二極管和線圈構(gòu)成的回路做功而消耗掉，從而保護(hù)了電路中其它元件的安全。endprint

AT89C51的P1口各點(diǎn)位控制的各外部負(fù)載開關(guān)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示：

2.4控制系統(tǒng)總硬件電路

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)電路還包括：

（1）時(shí)鐘電路。用于單片機(jī)工作時(shí)所必需的時(shí)鐘控制信號(hào)。

（2）復(fù)位電路。用于進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化以及程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)使系統(tǒng)進(jìn)行重啟。

實(shí)現(xiàn)污水動(dòng)態(tài)循環(huán)的控制系統(tǒng)總硬件電路如圖7所示：

3.控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在動(dòng)態(tài)循環(huán)污水的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，在各零部件布局及連接完成后，最后也是最重要的一個(gè)步驟就是，控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，也就是單片機(jī)控制系統(tǒng)的程序的設(shè)計(jì)。前述已經(jīng)把控制系統(tǒng)從功能上了分成了溫度監(jiān)測(cè)、水位穩(wěn)定等幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分，因此在對(duì)其進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)可以實(shí)行模塊化、子程序化，這樣既便于調(diào)試、鏈接，又便于移植和修改。

3.1溫度控制軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)與DS18B20組成的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，雖然電路比較簡(jiǎn)單，但是DS18B20在工作時(shí)有嚴(yán)格的時(shí)序關(guān)系，它與單片機(jī)之間的通訊是分時(shí)序完成的，單片機(jī)對(duì)其控制都是遵循兩者之間的通訊協(xié)議進(jìn)行的，DS18B20的工作流程如圖8所示[3]。

圖8 DS18B20工作流程圖

DS18B20內(nèi)置有高低溫觸發(fā)器，分別存放高低溫報(bào)警溫度值，在該控制系統(tǒng)中，可以把氙燈的正常工作時(shí)的溫度上限設(shè)置在高溫觸發(fā)器中，當(dāng)單片機(jī)讀取的實(shí)際溫度值高于傳感器高溫觸發(fā)器的設(shè)定值時(shí)，開始響應(yīng)單片機(jī)的報(bào)警命令，產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)[7]。

3.2水位控制軟件設(shè)計(jì)

污水循環(huán)處理裝置中的控制水位與循環(huán)水泵的過(guò)程如下：

（1）水位在設(shè)定的最低水位N點(diǎn)下方時(shí)：P2.0=0，P2.1=0，此時(shí)循環(huán)水泵向容器中供水，即P1.0=0。

（2）水位在設(shè)定的最低最高水位之間時(shí)：P2.0=0，P2.1=1，此時(shí)循環(huán)水泵維持在原狀態(tài)工作。

（3）水位超高設(shè)定的最高水位M點(diǎn)上方時(shí)：P2.0=1，P2.1=1，此時(shí)循環(huán)水泵停止向容器中供水。

在對(duì)水位進(jìn)行控制的過(guò)程中，還要對(duì)電動(dòng)機(jī)、空壓機(jī)、氙燈及進(jìn)出水電磁閥進(jìn)行開關(guān)控制。

4.結(jié)束語(yǔ)

本文主要運(yùn)用AT89C51單片機(jī)的相關(guān)知識(shí)，設(shè)計(jì)出了一種能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)循環(huán)污水光催化處理裝置中的水位穩(wěn)定及溫度超限報(bào)警的控制系統(tǒng)，初步實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的硬件選型和各硬件之間連接的原理圖，設(shè)計(jì)了各硬件工作的程序流程圖以及相應(yīng)的控制程序。

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基金項(xiàng)目：湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目《污水處理及循環(huán)使用控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究》（項(xiàng)目編號(hào)：B2014148）的階段性研究成果。

作者簡(jiǎn)介：桂偉（1980-），男，武漢商學(xué)院機(jī)電工程與汽車服務(wù)學(xué)院副教授。主要研究方向：機(jī)電一體化技術(shù)。endprint