水體高效充氧控制裝置

文長沙市第十五中學 徐丹蕾 中南大學第一附屬中學 楊清源

傳統的水體溶解氧過程中，人們大多憑經驗判斷，手動控制充氧設備，不僅成本高且勞動強度大。為了實現黑臭水體充氧裝置智能高效運行，我們采用水質傳感器作為信號采集前端，通過微處理器獲取傳感器的信號，對水體溶氧量、水質狀況進行監控。

當水體溶氧量低、水質富營養化或達不到水產養殖標準時，該方法還能及時充氧以改善水質并恢復水體自凈能力。

一、結構設計

水體高效充氧控制裝置由電源模塊、傳感器信號數據采集模塊、CPU控制模塊、液晶顯示模塊、聲光報警模塊、繼電器驅動控制模塊等組成，工作流程如圖1所示。

圖1 水體高效充氧控制程序流程圖

1.控制模塊

控制模塊有手動和自動兩種模式。以單片機為核心，傳感器模塊將收集的數據處理后發至ECU，ECU經過計算、分析、判斷后，向繼電器驅動模塊發出相應的指令，繼電器產生相應的動作，使充氧設備和光伏水泵開啟或關閉。采集模塊的數據和機構執行情況通過顯示模塊實時顯示。

為了設計靈活易用的控制機構，我們選擇了集成度高、速度快、功耗低的主控板Arduino M0 Pro。

2.數據采集模塊與傳感器

采用DFR0233傳感器數據采集模塊（RS485輸出），該模塊能被廣泛應用在智能控制領域，可兼容時下最流行的物聯網設計。

（1）水體濁度儀與溶氧儀

濁度儀傳感器內部是一個紅外線對管，光線在水中的透過量取決于水的污濁程度。溶解氧傳感器用于測量水中的溶解氧含量，本裝置采用YG2000 HI型溶解氧傳感器。

圖2 濁度儀

圖3 溶解氧傳感器與Arduino連接

（2）溫度計與氣壓計

DS18B20數字化溫度傳感器用于檢測環境溫度和水體溫度，它能直接將環境溫度轉換成數字信號串行輸出，傳給單片機。

（3）繼電器驅動電路模塊設計

單片機發出的控制指令通過1個光電耦合器驅動固態繼電器KM，固態繼電器控制充氧設備等執行機構的開、閉，電路如圖4。

圖4 繼電器驅動電路原理

智能控制器是基于水體充氧所需溶解氧范圍而設計的。溶解度易受溫度、pH值、大氣壓力影響，所以我們以水溫、pH值、大氣壓力作為輔助指標，利用已寫入單片機的程序得到此時的最佳溶解氧值，并與監測所得的溶解氧值比較。

控制模塊通過繼電器自動控制光伏水泵、空壓機、肺束旋轉機構、電磁閥等充氧設備的啟、停，有利于實現水體充氧效率的最大化。

二、調試樣機

將裝置連接好后，打開電源，在加速、減速或停止時，裝置均能正常工作。接著，我們又進行了水體富營養化臨界點測試。

設定裝置自動運行的條件為水體溶氧量≤3mg/L或水體濁度≥2.6NTU（固體懸浮物濃度≥20ppm）。

把溶氧儀傳感器置于盛有200ml低氧水（用維生素C除去水中溶氧）的燒杯中，設置啟動與停止充氧機構的溶氧量數值，即3mg/L≤DO≤7.5mg/L。開啟裝置，當溶氧儀讀數小于3mg/L時，裝置能自動運行。

換一個盛有自來水的燒杯后再接通電源，空壓機和肺束裝置能按照程序周期性地工作：變速運行9min，停止1min并排出氮氣，再繼續循環工作，直到溶氧儀讀數大于7.5mg/L，自動停止運行。

準備兩個燒杯，分別倒入清水、富營養化的污水各200ml，把濁度儀置于盛有清水的燒杯后開啟，光伏水泵不工作；將濁度儀置于盛有富營養化污水的燒杯，濁度儀讀數為2.6NTU（即20mg/L）時，裝置能自動啟動，底層污水變清時自動停止。

實驗表明，水體富營養化動態抑制裝置能在手動或自動狀態下正常運行，初步達到了智能控制和高效充氧的設計目的。（指導老師：蔣銀生 段家鐵）