基于單片機的農村污水處理控制器設計

摘 要為了適應多樣化的農村污水控制工藝，提高農村污水出水水質，需要設計可靠性高，數(shù)據上傳的控制器。農村污水處理控制器的設計，先根據工藝控制要求和現(xiàn)場的使用環(huán)境來實現(xiàn)可靠的硬件電路，然后，按軟件分層設計思想，把單片機軟件分為三層結構，實現(xiàn)應用軟件的可靠控制，同時，通過GPRS技術，把現(xiàn)場數(shù)據上傳到數(shù)據中心。這樣，有效提高了正常的出水天數(shù)。

【關鍵詞】分層設計 單片機 可靠性

1 前言

目前，農村污水大多數(shù)是通過污水處理終端設備進行就地分散處理。處理的工藝多，有人工濕地工藝、A?O工藝、凈化槽工藝等，相應的控制方式也不一樣。控制過于簡單和控制器故障會直接影響動力設備，如水泵的使用壽命，以及正常的出水水質。運維數(shù)據中心建設后，控制器還需要對現(xiàn)場的主要數(shù)據，包括流量數(shù)據，設備運行狀態(tài)數(shù)據等，通過GPRS技術，上傳到數(shù)據中心。為此，根據控制器的使用環(huán)境和控制工藝的特點，設計單片機控制器，來滿足可靠性的控制工藝和數(shù)據上傳的要求，有效提高了正常的出水天數(shù)。

2 硬件設計

2.1 硬件總體結構

硬件主要由單片機、3路隔離485電路、1路隔離232電路、FLASH電路、DC-DC電路、RTC時鐘電路、6路繼電器輸出電路（DO）、10路數(shù)字輸入電路（DI）和6路模擬量輸入電路（AI）等組成。硬件總體結構如圖1。

2.2 DC-DC電路設計

系統(tǒng)的可靠運行，對直流電源的可靠性設計非常重要。系統(tǒng)中主要用到+24V和+5V電源。+24V電源采用明偉開關電源NES-50-24。單片機對電源要求高，采用LM2596-5.0構成的DC-DC電路，由+24V變?yōu)?5V，外圍元器件少，轉換效率高，電路發(fā)熱少，適合室外高溫環(huán)境下工作。

2.3 單片機最小系統(tǒng)設計

單片機最小系統(tǒng)由單片機內部集成資源、程序下載電路和系統(tǒng)時鐘電路組成。單片機采用STC15W4K32S4，包含32K的程序空間和4K的SRAM，26K的EEPROM，62個I/O口，集成MAX810復位電路，4個獨立的全雙工串口，集成硬件看門狗，10位高速8路ADC，支持ISP和USB下載，內置高精度R/C時鐘。單片機具有2.5V到5.5V的寬電壓以及高抗干擾等優(yōu)點。STC15W4K32S4單片機抗干擾性強，可以滿足工業(yè)環(huán)境下工作。單片機最小系統(tǒng)如圖2。

一般情況下，C5和C6兩個電容的值相等，滿足0.5的反饋系數(shù)。但由于實際PCB，線路分部電容的存在，以及抗干擾的需要，可以適當減小C6的容量，經試驗，電路中C5采用30P，C6調整為12P。

ISP和USB接口電路由R1，R2，D3，D4組成。單片機采用5V供電，D3和D4穩(wěn)壓管可以保護USB接口。Y1晶振采用24M，給USB下載提供時鐘。

2.4 RS232接口設計

在農村GPRS信號已經普及，通過GPRS DTU模塊，可以把單片機采集到的數(shù)據發(fā)送到數(shù)據中心。由于單片機與GPRS模塊之間的距離在5米以內，只要在單片機端設計RS232接口，就可以實現(xiàn)GPRS 模塊和單片機之間的數(shù)據透傳。單片機和水泵、風機的接觸器放在同一個電控箱，火花和浪涌干擾大，工作環(huán)境惡劣，為此，RS232接口采用ADI公司具有2.5KV完全隔離的RS232收發(fā)器ADM3251E，體積小，可靠性高，適合工業(yè)環(huán)境下工作。

2.5 485接口設計

在農村生活污水處理中，一般在污水進水口和出水口安裝電磁流量計或超聲波流量計。單片機通過485接口，按儀表提供的通信協(xié)議，對進出水的累計流量和瞬時流量進行采集，然后對數(shù)據處理后，通過GPRS，把數(shù)據及時上傳到服務器。流量計離單片機的實際距離往往大于15米，并且流量計上帶有RS485接口。單片機讀取瞬時流量和累計流量，需要設計RS485接口。考慮到單片機的工作環(huán)境，RS485接口芯片采用ADI公司具有2.5KV完全隔離的RS485收發(fā)器ADM2587E，體積小，可靠性高，±15 kV ESD保護，適合工業(yè)環(huán)境下工作。電路采用成熟的，典型電路，集成隔離電源和信號隔離于芯片內，可靠性高。485接口電路如圖3。

單片機上電時，電源還沒達到穩(wěn)定，系統(tǒng)還處于上電復位狀態(tài)，P2.0默認為弱上拉，485總線處于發(fā)送狀態(tài)，總線就會被占用，此時，總線被占用影響其他節(jié)點的通信。利用R5下拉電阻，使上電過程中，P2.0的電平強制拉到低電平，485總線處于接收狀態(tài)，不影響總線上其他節(jié)點通信數(shù)據的傳輸，等電源穩(wěn)定后，P2.0設為推挽輸出，可以控制485總線的接收和發(fā)送狀態(tài)，保證485總線上只有一個節(jié)點可以處于發(fā)送狀態(tài)。ADM2587E總線具有±15 kV ESD保護，為了適應農村多雷電的環(huán)境，減弱總線上串入的浪涌電壓，在總線上加上D5，D6，D7 雙向瞬變二極管保護。

2.6 開關量采集電路設計

農村污水處理工藝中，主要要采集開關量信號包括液位信號、故障信號、設備運行信號等。信號采用24V傳輸，抗干擾強，傳輸距離遠。電路設有信號指示燈，檢修和調試方便。開關信號通過光耦TIL521，變?yōu)?V或0V信號，由單片機的P0.0口讀取。

3 軟件設計

3.1 軟件總體結構設計

系統(tǒng)軟件采用分層軟件設計結構。如圖4。包括應用層程序、數(shù)據處理層程序和硬件驅動層程序。

應用層程序按不同的農村污水處理工藝對控制的要求，編制不同的控制應用程序，通過數(shù)據處理層，間接控制和讀取硬件驅動層程序，達到操作硬件資源的目的。軟件系統(tǒng)采用前后臺系統(tǒng) 。

3.2 應用層程序設計

應用層程序流程如圖5，程序開始后先對單片機內部RAM和硬件資源寄存器初始化，以及對實時時鐘，GPRS模塊等硬件資源初始化。然后，通過調用數(shù)據處理層的動力設備數(shù)據處理程序 、實時時鐘數(shù)據處理程序、流量計數(shù)據處理程序、Flash數(shù)據處理程序、GPRS數(shù)據處理程序、定時數(shù)據處理程序和自動控制程序，達到控制、數(shù)據存取、數(shù)據上傳等目的。

動力設備數(shù)據結構包括水泵、風機、空壓機、減速電機、電纜浮球開關、浮子開關、故障信號、開門信號、手自動信號、運行信號等。應用程序通過調用數(shù)據處理層的動力設備數(shù)據處理程序，讀取或寫入動力設備數(shù)據結構。動力設備數(shù)據可供自動控制程序使用，也可給GPRS數(shù)據數(shù)據處理程序使用。

實時時鐘數(shù)據結構包括年、月、日、時、分、秒等。流量計數(shù)據結構包括累計流量和瞬時流量。自動控制程序數(shù)據結構主要包括控制的步驟、定時等。

GPRS數(shù)據處理程序主要完成對動力設備、流量和實時時鐘等數(shù)據的封裝，并向GPRS DTU模塊發(fā)送AT指令，把數(shù)據發(fā)送到運維數(shù)據中心，同時也接收來自運維數(shù)據中心的指令，以及向運維數(shù)據中心定時發(fā)送心跳包。

3.3 數(shù)據處理層程序設計

數(shù)據處理層主要實現(xiàn)通信數(shù)據內容的截取、數(shù)據頭和校驗的增加，數(shù)據格式轉換、數(shù)據結構賦值，數(shù)值的計算等操作。

數(shù)據處理層主要由動力設備數(shù)據處理程序 、實時時鐘數(shù)據處理程序、流量計數(shù)據處理程序、Flash數(shù)據處理程序、GPRS數(shù)據處理程序、定時數(shù)據處理程序等組成。

動力設備數(shù)據處理程序對簡單的DI和DO信號，直接或取反進行動力設備數(shù)據結構賦值，但浮子DI信號，在水與浮子剛接觸的幾秒到幾十秒時間內易抖動，所以要根據現(xiàn)場使用情況，在軟件上調整浮子延時接通時間，經過延時處理后，才能賦值給動力設備信號變量。動力設備數(shù)據處理程序對于AI值，需要對4-20mA電流值對應的1-5電壓值，經過計算后，得出有意義的值，如市電電壓，水泵的電流值，再賦值給動力設備模擬量數(shù)據結構，供應用層調用。

單片機采集流量方式，往往采用485接口采集。這種方式比采用4-20MA接口采集方式更精確。下面是單片機對流量計采集瞬時流量或累計流量的數(shù)據處理流程，其中采集瞬時流量流程如圖6。

單片機先給指定地址的流量計發(fā)地址和命令，然后等待接收超時后，對校驗正確后的數(shù)據串，按流量計提供的第三方協(xié)議截取數(shù)據串中的流量數(shù)據內容，經計算得出瞬時流量，再賦值給動力設備流量數(shù)據結構，供應用層調用。單片機采集累計流量和采集瞬時流量的流程一樣，只是發(fā)送的命令碼為01。

3.4 硬件驅動層程序設計

硬件驅動層，包括DI驅動程序、DO驅動程序、AI驅動程序、IIC驅動程序、SPI驅動程序、UART驅動程序、T0中斷驅動程序。硬件驅動層程序主是對單片機內部寄存器的操作。

DI驅動程序對應的硬件是單片機的輸入口，讀取來自光耦的0或5V信號，經延時的去抖處理，放入數(shù)組變量中。數(shù)組變量可供數(shù)據處理層的動力設備數(shù)據處理程序讀取。

DO驅動程序對應的硬件是單片機的輸出口，控制繼電器和LED信號燈。DO驅動程序讀取來自動力設備數(shù)據處理層處理好的數(shù)據，通過判斷0和非0，對單片機輸出口置0或置1。

AI驅動程序對應單片機的AD輸入口，采集1-5V的電壓，并把原始值存入到指定數(shù)組中，供動力設備數(shù)據處理程序進一步處理層，轉換成有意義的數(shù)據。

IIC驅動程序對應單片機的普通I/O口，通過I/O口模擬IIC時序，讀取SD3088時鐘芯片數(shù)據，向上對應數(shù)據處理層的實時時鐘數(shù)據處理程序。

SPI驅動程序通過單片機的SPI主動模式，讀取和寫入W25Q64BV數(shù)據存儲芯片內的Flash數(shù)據。

UART驅動程序對應單片機的4個全雙工串口，可以與流量計，GPRS模塊通信。

4 結論

根據農村污水處理工藝、現(xiàn)場的使用環(huán)境、預留數(shù)據上傳功能的要求，本文通過基于STC15W4K32S4單片機，實現(xiàn)了可靠的硬件接口電路和三層軟件。通過在污水處理項目上的應用，硬件電路和分層軟件設計方式，以及使用GPRS數(shù)據上傳功能，使系統(tǒng)的硬件故障率低，排除故障時間短，控制可靠，有效提高了正常的出水天數(shù)。

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作者簡介

徐益武（1979-），男，浙江省寧波市人。碩士學位。工程師，主要從事基于單片機的軟硬件開發(fā)。

作者 單位

浙江德安科技股份有限公司 浙江省寧波市 315812