污水处理控制系统设计

摘要：本文对污水处理控制系统进行了设计与研究，利用AT89C51单片机设计出了一种水位稳定及温度超限报警的控制系统装置，初步实现了系统的硬件选型、各硬件之间连接的原理图、设计了硬件工作的程序流程图以及相应的控制程序。

关键词：污水处理；控制系统；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，污水处理的PLC控制系统在国内已经得到广泛的应用。PLC控制污水的动态循环的系统主要由上位监控机、模拟显示屏以及PLC控制箱组成。上位监控机与PLC之间通过通信电缆连接，PLC将采集到的反应器内的液位、进出水流量、曝气量以及温度等参数通过通信电缆将其参数传送给上位监控机，上位监控机利用如图1所示的MCGS组态图对采集到数据进行监控和管理，操作人员可以通过计算机对抽水泵、各种控制阀、鼓风机等进行远程控制，在组态环境下可以保留一定时间的数据，形成变化曲线，如图2所示：

尽管PLC已经广泛用于污水循环控制的控制系统中，但存在的不足地方在于其硬件成本比较高。而单片机具有体积小、价格低、稳定可靠、应用可靠等特点，因此采用单片机控制技术能有效的实现污水循环控制。本文以ATMEL公司生产的AT89C51单片机为核心设计在理论上设计出一种比较简单的污水光催化处理装置的动态循环控制系统，初步完成了该控制系统的部分硬件电路设计和软件总体框架设计。

2.污水处理系统硬件设计

2.1电源模块

电源模块主要是把日常用电220V交流电压转变成提供单片机及温度传感器工作的+5V直流电压，电源模块不需设计，只需根据选定的型号购买即可。

2.2氙灯附近空气温度监测报警控制电路

氙灯在发光时，附近的空气温度升高，温度过高一方面会使得氙灯的使用寿命降低，另外一方面也会影响反应的结果。因此，需要对氙灯附近的空气温度进行监测。目前，利用单片机进行温度监测的典型电路的硬件组成如图3所示。

本文选用了美国DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器DS18B20，该传感器结构功能的最大特点是[1-2]：集模数转换为一体，可以将采集到的温度信号直接转换成数字信号输出供单片机接收处理，同单片机的接口不需要其它的接口电路，硬件电路比较简单，而且还可以进行温度高低限的设置，并具有報警功能，当温度高于设定的温度值时，蜂鸣报警器发出报警声。AT89C51单片机与DS18B20和蜂鸣器的报警电路的硬件接线如图4所示。

DS18B20有三个引脚，VCC与单片机的40引脚一起接+5V直流电源，GND和单片机的20引脚一起接地，数据输入输出接口DQ与单片机17引脚RD相接，并且经上拉电阻R1与+5V直流电源相接，其中上拉电阻的作用是使DQ信号线在空闲时经上拉电阻自动嵌位在高电平，并且可以起到限流作用[3-5]。

选用的蜂鸣器的型号是ZHEB1295-05O-2.3-7.6-R，工作电压为+5V，其报警控制电路采用了三极管开关电路。

单片机在RD口接收从DS18B20传送的监测实际温度的数值，与单片机设置的温度上限做比较，如温度超过上限，在P1.7口输出一个低电平信号，驱使三极管开关电路导通，加在蜂鸣器上的电压为其工作电压+5V，蜂鸣器发出报警声音。蜂鸣器发出报警声音后，手动调整风扇至上一档位及冷凝水管道的阀门的开度，直到温度低于报警上限，报警消失。

2.3水位稳定控制电路

AT89C51单片机控制反应容器中的水位的硬件线路如图5所示。

在上水位M点、下水位N点以及容器底部的容器内壁上分别用玻璃胶贴上三片金属片，其中Q点金属片经导线与+5V电源连接，M点与N点的金属片经导线及电阻与地线相连，在本装置中下水位N点设置在插槽框顶部10mm～20mm范围内比较理想，m及n点分别与单片机的P2.0和P2.1接口相连[6]。

在进行水位稳定控制的过程中，主要是利用单片机对外部电路的进出水电磁阀以及循环水泵的开关控制，由于循环水泵等外部装置的工作电压都是日常用电交流220V，为防止外界强电对单片机应用系统的正常工作产生影响，在单片机的输出通道必须采取强弱电电气隔离措施，继电器具有性能可靠，使用方便等突出优点而被广泛采用，单片机控制继电器输出接口原理如图6所示。

选用的继电器线圈的正常工作时的额定电压为+5V，当单片机的P1口的某一位输出一个低电平时，三极管的开关电路导通，继电器线圈得电，外部电路开关触点闭合，外部负载通电工作；反之当单片机的P1口的某一位输出一个高电平时，三极管的开关电路断开，继电器线圈失电，外部电路开关触点断开，外部负载断电。由于在继电器线圈失电的瞬时，将产生较高的反向电动势，很容易击穿三极管，因此为了保护三极管不被击穿，与继电器线圈并联了一个续流二极管VD，当流过继电器线圈中的电流消失时，线圈产生的反向感应电动势通过续流二极管和线圈构成的回路做功而消耗掉，从而保护了电路中其它元件的安全。endprint

AT89C51的P1口各点位控制的各外部负载开关的对应关系如表1所示：

2.4控制系统总硬件电路

单片机应用系统电路还包括：

（1）时钟电路。用于单片机工作时所必需的时钟控制信号。

（2）复位电路。用于进入系统的正常初始化以及程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时使系统进行重启。

实现污水动态循环的控制系统总硬件电路如图7所示：

3.控制系统软件设计

在动态循环污水的控制系统设计中，在各零部件布局及连接完成后，最后也是最重要的一个步骤就是，控制系统的软件设计，也就是单片机控制系统的程序的设计。前述已经把控制系统从功能上了分成了温度监测、水位稳定等几个相对独立的部分，因此在对其进行软件设计时可以实行模块化、子程序化，这样既便于调试、链接，又便于移植和修改。

3.1温度控制软件设计

单片机与DS18B20组成的温度监测系统，虽然电路比较简单，但是DS18B20在工作时有严格的时序关系，它与单片机之间的通讯是分时序完成的，单片机对其控制都是遵循两者之间的通讯协议进行的，DS18B20的工作流程如图8所示[3]。

图8 DS18B20工作流程图

DS18B20内置有高低温触发器，分别存放高低温报警温度值，在该控制系统中，可以把氙灯的正常工作时的温度上限设置在高温触发器中，当单片机读取的实际温度值高于传感器高温触发器的设定值时，开始响应单片机的报警命令，产生报警信号[7]。

3.2水位控制软件设计

污水循环处理装置中的控制水位与循环水泵的过程如下：

（1）水位在设定的最低水位N点下方时：P2.0=0，P2.1=0，此时循环水泵向容器中供水，即P1.0=0。

（2）水位在设定的最低最高水位之间时：P2.0=0，P2.1=1，此时循环水泵维持在原状态工作。

（3）水位超高设定的最高水位M点上方时：P2.0=1，P2.1=1，此时循环水泵停止向容器中供水。

在对水位进行控制的过程中，还要对电动机、空压机、氙灯及进出水电磁阀进行开关控制。

4.结束语

本文主要运用AT89C51单片机的相关知识，设计出了一种能够实现动态循环污水光催化处理装置中的水位稳定及温度超限报警的控制系统，初步实现系统的硬件选型和各硬件之间连接的原理图，设计了各硬件工作的程序流程图以及相应的控制程序。

参考文献：

[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] 吴永春.单总线数字温度传感器DS18B20及其在单片机系统的应用[J].三明高等专科学校学报，2004，21（2）：33-36.

[4] 王青.温度传感器DS18B20和51单片机的接口及应用[J].元器件应用，2006（7）：41-43.

[5] 徐玮.51单片机综合学习系统--DS18B20温度实验篇[J].电子制作，2008（5）：28-30.

[6] 王琰.基于MCS-51单片机的洗衣机控制系统设计[J].自动化与仪器仪表，2008（4）：37-38.

[7] 明德刚.DS18B20在单片机温控系统中的应用[J].贵州大学学报，2006，23（1）：106-110.

基金项目：湖北省教育廳科学技术研究项目《污水处理及循环使用控制系统设计研究》（项目编号：B2014148）的阶段性研究成果。

作者简介：桂伟（1980-），男，武汉商学院机电工程与汽车服务学院副教授。主要研究方向：机电一体化技术。endprint