基于AT89C52的污水处理控制系统的设计

摘要：本文介绍了利用AT89C52型单片机，来实现多种的污水净化处理系统的自动控制，本文详细介绍了系统的硬件结构以及软件设计流程图，并且介绍了编程中的关键问题。

关键词：污水处理：数据采集；AD转换；中断控制

引言

本文设计了一种基于单片机的污水处理控制系统。该系统以AT89C52为硬件平台，针对污水的温度、PH值、透光率脉动、浊度和液位等五种较为典型的水质参数进行连续在线检测，并依据参数变化采用模糊控制策略自动调节多种净水剂的投放量，控制各个泵、阀、搅拌器的工作状态，从而实现了对多种水质参数的闭环控制。通过RS-485通信接口将数据和状态信息上传到上位机显示和存储，使系统具有良好的人机界面，用户使用简单方便。

1　基本原理

在污水处理过程中，加药反应过程是一个关键环节，由于影响加药量的因素很多，也很复杂，混凝剂的投加量不仅与处理工艺、进水浊度、pH值、流量、水质、水温等有关，还和混凝剂种类、加药地点、混合方式、混凝剂质量浓度有关。根据污水处理的工艺要求，通过改变加药量来调整絮凝澄清效果，保证气浮机流出污水的浊度在一定范围即可保证净水效果。因此，加药量的控制非常关键，太少则混凝效果不好，水中胶体未完全絮凝。太多则发生再稳定现象，不仅出水效果差，而且浪费混凝剂。根据现场污水状况和污水处理工艺特点，污水的pH值和水温基本稳定。控制系统主要根据污水流量实现控制，以气浮机的出水浊度作为反馈修正，输出信号控制加药计量泵。实现对加药量控制。根据污水的进水量O和单位污水需求混凝剂量K可以计算出加药量Ql，即QI=K×Q，单位水需求混凝剂量K可根据原水的水质、药剂的浓度等因素确定。图1为加药控制系统的结构。由于量泵加药后要经过一定时间后，才能测出污水浊度，具有很滞后性，不易实现实时控制。但可以将污水的浊度数据和流量数据传给上位机进行数据分析，制定控制参数表，在线修正单位水需求混凝剂量K，保证出水浊度符合要求的范围。

2　硬件接口设计

图2为系统的硬件结构原理图，主要包括485总线接口、模拟量I/O接口和数字量I/O接口。

2.1　485总线接口

RS-485串行总线连接，具有传输距离长、连接简单、使用灵活方便、数据传输可靠性高的特点。485总线的驱动器采用max485，它是协议控制器和物理传输线路之间的接口芯片，此器件对总线上的数据提供差动发送能力，对485控制器提供差动接收能力。在控制器和收发器之间采用高速光电耦合器6N137，提高了系统的抗干扰性能和安全性能。微处理器采用AT89C52，内部具有8K的Flash Rom，满足了程序设计要求，无需外扩程序存储器。为确保系统工作可靠，外加一片看门狗芯片X5045来防止程序“跑飞”和存储一些系统参数。

2.2　数据I/0接口

2.2.1　模拟量I/O电路

模拟量接口采用芯片TLC2543，TLC2543是Ⅱ公司的具有11个通道的12位开关电容逐次逼近串行A/D转换器，采样率为66kbit/s，采样和保持由片内采样保持电路自动完成。此多通道、小体积的TLC2543器件节省接口资源，成本低，特别适用于单片机数据采集系统的开发。由于多数的现场传感器输出是4～20mA电流信号，故系统采用Burr Brown公司的RCV420芯片进行I/V转换，RCV420是一种精密的电流，电压转换器，可靠性高，成本低，可将4～20mA的环路电流变换成0～5V的电压输出，直接输入到AD转换芯片TLC2543的相应通道即可。

模拟量输出采用MAX5102，它是MAXIX公司生产的高性能并行8位D/A转换器，具有双通道电压输出，两个通道共用一个基准电压，具有独立的片内锁存器，数据通过公共的8位输人口送到相应的数据寄存器，WR作为片选置低电平时，由控制端AO选择通道输出，每个通道的输出电压信号Vout=Vref×CODE/256。公式中，Vref为基准电压输入，CODE为输入的数字量，其范围为0-255。

模拟量输出用于控制计量泵输出流量，笔者采用的计量泵的输入控制信号是4～20mA电流。因此，需要将模拟器件输出的电压信号转换成4—20mA电流信号，故采用AD公司的电流变换器AD694。AD694是标准单路输入V/I转换芯片，供电电压为+4.5V～+36V，可为现场执行机构提供符合工业标准的4～20mA电流环路输出。输入电压信号范围根据对应管脚连接不同为0～2V或0～10V。AD694具有2V和10V的内部基准电压，可向MAX5102转换器提供2V的基准电压Vref。通过AD694将D/A转换器的0～2v电压信号转换为4～20mA电流信号，提供计量泵输入信号。

2.2.2　数字量I/O电路

数字量输入接口电路主要检测加药箱的液位信号，电路采用光电隔离器件4N25进行隔离，通过单片机的Pl口采集液位开关信号。数字量输出接口电路主要用来驱动指示灯、交流接触器和其他电气设备，输出信号用74HC573进行数据锁存，为提高输出电路的驱动能力，采用了达林顿驱动芯片ULN2004，输入和输出电路均采用直流12V供电。

3　软件结构设计

控制系统的软件设计包括485总线通信程序，加药量控制程序和数字量控制程序。图3为系统的软件流程和中断处理流程。在系统运行前要对系统进行初始化，包括通信初始化、加药量表格参数初始化。

3.1　加药量控制程序

加药量控制程序主要包括A/D转换子程序，数字滤波子程序，查表计算子程序，D/A转换子程序。根据实际污水处理工艺要求，流量信号与加药量信号基本呈线性关系，易于实现自动控制。操作人员要根据污水进水流量、出水的浊度和操作经验制定控制参数表格，在线修改线性比例，即单位污水需求混凝剂量K，这个参数由上位机监控软件设定，通过485总线传给控制系统，实现在线参数修改。

3.2　数字量控制程序

数字量输出程序用于控制现场设备的启动和停止。数字量的输入程序用于检测加药箱的液位高低。当加药箱液位处于高位时，配药过程自动停止。当加药箱液位处于低位时，自动启动配药过程，即启动配药设备(电磁阀和螺杆泵)，同时开启搅拌器，充分保证混凝剂的稀释和熟化。在系统运行前，要通过设置设备的流量保证配制溶液浓度不变。

4　结束语

在实践运行中表明，由于自主开发了符合标准的基于单片机的智能控制节点，节约了大量的资金投入，改变了传统污水处理控制方式，使得系统在现场维护、运行监控、管理、故障诊断及处理等方面都取得巨大的进步。目前该系统已成功应用与绵阳市三水厂进行污水处理，并取得良好的效果。