污水處理控制系統設計

摘要：本文對污水處理控制系統進行了設計與研究，利用AT89C51單片機設計出了一種水位穩定及溫度超限報警的控制系統裝置，初步實現了系統的硬件選型、各硬件之間連接的原理圖、設計了硬件工作的程序流程圖以及相應的控制程序。

關鍵詞：污水處理；控制系統；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控制系統在國內已經得到廣泛的應用。PLC控制污水的動態循環的系統主要由上位監控機、模擬顯示屏以及PLC控制箱組成。上位監控機與PLC之間通過通信電纜連接，PLC將采集到的反應器內的液位、進出水流量、曝氣量以及溫度等參數通過通信電纜將其參數傳送給上位監控機，上位監控機利用如圖1所示的MCGS組態圖對采集到數據進行監控和管理，操作人員可以通過計算機對抽水泵、各種控制閥、鼓風機等進行遠程控制，在組態環境下可以保留一定時間的數據，形成變化曲線，如圖2所示：

盡管PLC已經廣泛用于污水循環控制的控制系統中，但存在的不足地方在于其硬件成本比較高。而單片機具有體積小、價格低、穩定可靠、應用可靠等特點，因此采用單片機控制技術能有效的實現污水循環控制。本文以ATMEL公司生產的AT89C51單片機為核心設計在理論上設計出一種比較簡單的污水光催化處理裝置的動態循環控制系統，初步完成了該控制系統的部分硬件電路設計和軟件總體框架設計。

2.污水處理系統硬件設計

2.1電源模塊

電源模塊主要是把日常用電220V交流電壓轉變成提供單片機及溫度傳感器工作的+5V直流電壓，電源模塊不需設計，只需根據選定的型號購買即可。

2.2氙燈附近空氣溫度監測報警控制電路

氙燈在發光時，附近的空氣溫度升高，溫度過高一方面會使得氙燈的使用壽命降低，另外一方面也會影響反應的結果。因此，需要對氙燈附近的空氣溫度進行監測。目前，利用單片機進行溫度監測的典型電路的硬件組成如圖3所示。

本文選用了美國DALLAS公司生產的單總線數字溫度傳感器DS18B20，該傳感器結構功能的最大特點是[1-2]：集模數轉換為一體，可以將采集到的溫度信號直接轉換成數字信號輸出供單片機接收處理，同單片機的接口不需要其它的接口電路，硬件電路比較簡單，而且還可以進行溫度高低限的設置，并具有報警功能，當溫度高于設定的溫度值時，蜂鳴報警器發出報警聲。AT89C51單片機與DS18B20和蜂鳴器的報警電路的硬件接線如圖4所示。

DS18B20有三個引腳，VCC與單片機的40引腳一起接+5V直流電源，GND和單片機的20引腳一起接地，數據輸入輸出接口DQ與單片機17引腳RD相接，并且經上拉電阻R1與+5V直流電源相接，其中上拉電阻的作用是使DQ信號線在空閑時經上拉電阻自動嵌位在高電平，并且可以起到限流作用[3-5]。

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

單片機在RD口接收從DS18B20傳送的監測實際溫度的數值，與單片機設置的溫度上限做比較，如溫度超過上限，在P1.7口輸出一個低電平信號，驅使三極管開關電路導通，加在蜂鳴器上的電壓為其工作電壓+5V，蜂鳴器發出報警聲音。蜂鳴器發出報警聲音后，手動調整風扇至上一檔位及冷凝水管道的閥門的開度，直到溫度低于報警上限，報警消失。

2.3水位穩定控制電路

AT89C51單片機控制反應容器中的水位的硬件線路如圖5所示。

在上水位M點、下水位N點以及容器底部的容器內壁上分別用玻璃膠貼上三片金屬片，其中Q點金屬片經導線與+5V電源連接，M點與N點的金屬片經導線及電阻與地線相連，在本裝置中下水位N點設置在插槽框頂部10mm～20mm范圍內比較理想，m及n點分別與單片機的P2.0和P2.1接口相連[6]。

在進行水位穩定控制的過程中，主要是利用單片機對外部電路的進出水電磁閥以及循環水泵的開關控制，由于循環水泵等外部裝置的工作電壓都是日常用電交流220V，為防止外界強電對單片機應用系統的正常工作產生影響，在單片機的輸出通道必須采取強弱電電氣隔離措施，繼電器具有性能可靠，使用方便等突出優點而被廣泛采用，單片機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的額定電壓為+5V，當單片機的P1口的某一位輸出一個低電平時，三極管的開關電路導通，繼電器線圈得電，外部電路開關觸點閉合，外部負載通電工作；反之當單片機的P1口的某一位輸出一個高電平時，三極管的開關電路斷開，繼電器線圈失電，外部電路開關觸點斷開，外部負載斷電。由于在繼電器線圈失電的瞬時，將產生較高的反向電動勢，很容易擊穿三極管，因此為了保護三極管不被擊穿，與繼電器線圈并聯了一個續流二極管VD，當流過繼電器線圈中的電流消失時，線圈產生的反向感應電動勢通過續流二極管和線圈構成的回路做功而消耗掉，從而保護了電路中其它元件的安全。endprint

AT89C51的P1口各點位控制的各外部負載開關的對應關系如表1所示：

2.4控制系統總硬件電路

單片機應用系統電路還包括：

（1）時鐘電路。用于單片機工作時所必需的時鐘控制信號。

（2）復位電路。用于進入系統的正常初始化以及程序運行出錯或操作錯誤使系統處于死鎖狀態時使系統進行重啟。

實現污水動態循環的控制系統總硬件電路如圖7所示：

3.控制系統軟件設計

在動態循環污水的控制系統設計中，在各零部件布局及連接完成后，最后也是最重要的一個步驟就是，控制系統的軟件設計，也就是單片機控制系統的程序的設計。前述已經把控制系統從功能上了分成了溫度監測、水位穩定等幾個相對獨立的部分，因此在對其進行軟件設計時可以實行模塊化、子程序化，這樣既便于調試、鏈接，又便于移植和修改。

3.1溫度控制軟件設計

單片機與DS18B20組成的溫度監測系統，雖然電路比較簡單，但是DS18B20在工作時有嚴格的時序關系，它與單片機之間的通訊是分時序完成的，單片機對其控制都是遵循兩者之間的通訊協議進行的，DS18B20的工作流程如圖8所示[3]。

圖8 DS18B20工作流程圖

DS18B20內置有高低溫觸發器，分別存放高低溫報警溫度值，在該控制系統中，可以把氙燈的正常工作時的溫度上限設置在高溫觸發器中，當單片機讀取的實際溫度值高于傳感器高溫觸發器的設定值時，開始響應單片機的報警命令，產生報警信號[7]。

3.2水位控制軟件設計

污水循環處理裝置中的控制水位與循環水泵的過程如下：

（1）水位在設定的最低水位N點下方時：P2.0=0，P2.1=0，此時循環水泵向容器中供水，即P1.0=0。

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

（3）水位超高設定的最高水位M點上方時：P2.0=1，P2.1=1，此時循環水泵停止向容器中供水。

在對水位進行控制的過程中，還要對電動機、空壓機、氙燈及進出水電磁閥進行開關控制。

4.結束語

本文主要運用AT89C51單片機的相關知識，設計出了一種能夠實現動態循環污水光催化處理裝置中的水位穩定及溫度超限報警的控制系統，初步實現系統的硬件選型和各硬件之間連接的原理圖，設計了各硬件工作的程序流程圖以及相應的控制程序。

參考文獻：

[1] F.R.Riedijk，J.H.Huijsing.An integrated absolute temperature sensoy ithsigmadelta A-D conuersion[J].Sensor and Actuators，1992，A34（3）：249.

[2] Ronald Cook.Smart Infrared Temperature Sensors：Making Sense of the New Generation[J].Sensors，2000（2）：21-31.

[3] 吳永春.單總線數字溫度傳感器DS18B20及其在單片機系統的應用[J].三明高等專科學校學報，2004，21（2）：33-36.

[4] 王青.溫度傳感器DS18B20和51單片機的接口及應用[J].元器件應用，2006（7）：41-43.

[5] 徐瑋.51單片機綜合學習系統--DS18B20溫度實驗篇[J].電子制作，2008（5）：28-30.

[6] 王琰.基于MCS-51單片機的洗衣機控制系統設計[J].自動化與儀器儀表，2008（4）：37-38.

[7] 明德剛.DS18B20在單片機溫控系統中的應用[J].貴州大學學報，2006，23（1）：106-110.

基金項目：湖北省教育廳科學技術研究項目《污水處理及循環使用控制系統設計研究》（項目編號：B2014148）的階段性研究成果。

作者簡介：桂偉（1980-），男，武漢商學院機電工程與汽車服務學院副教授。主要研究方向：機電一體化技術。endprint