水厂二氧化氯控制系统的设计

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1 j  @+ A6 [7 _5 A2 @: D摘要：为了充分发挥二氧化氯的消毒功能，必须研制一种能自动、安全、适量生产二氧化氯消毒剂的控制系统；基此，设计了一种
8 t5 z6 l, s6 T) o以AVR单片机为核心的二氧化氯控制系统，给出了其工作原理、硬件组成和软件结构，重点介绍了该系统的控制算法；由于水净化过
程具有很长滞后时间以及不确定性，提出了以流量前馈加仿人智髓模糊的控制算法；现场应用表明，该控制系统界面友好，控制精度较
2 {8 T: F( B" d3 U高、抗干扰能力强、能连续稳定运行。
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6 g& K. f( X: M( t水处理过程中液氯对饮用水及其它工业用水进行消毒除菌
时，会产生致癌物质和其它副产品，而二氧化氯作为新型消毒
4 R5 U  H4 s& }) K, _% P剂，具有广谱、高效、快速的消毒效果，对大肠杆菌、葡萄球
菌等具有很好的杀灭作用，还可以除去水中色度、臭味、藻类
等，并且其副产物少，不生成三氯甲烷等卤化物。加之其杀菌
效果基本不受PH值与氨的影响，具有持久的抑菌效果，是国
- h4 x. x4 N5 |6 W: }4 B际上公认的氯气消毒剂最理想的替代产品[1]。但二氧化氯不稳
定的性质决定了其必须现场制备，因此要想发挥二氧化氯的作
用，必须研制一种能自动、安全、适量生产二氧化氯消毒剂的
控制系统。本文所介绍的以AVR单片机为核心的二氧化氯控
制系统就是在水处理过程中用于制备二氧化氯和自动投加二氧
化氯的自动化系统。
- _/ R/ E- F# ~% G7 F0 ^ATMEGAl6是一款高性能、低功耗的8位AVR单片机，
具有先进的RISC结构，8路10位ADC；16K字节的系统内
- q8 {% M* @# B% h可编程Flash；512字节的EEPROM[2]。我们设计的以AVR
% E) j; ~& F9 u7 \单片机为核心二氧化氯控制系统具有恒温控制、余氯量控制、
缺水检测、欠压检测、手动／自动切换以及与上位机的通信功
能，该系统界面友好，运行稳定，具有广阔的应用前景。
5 K0 `, ?1 i: K1 系统结构与硬件设计
$ }2 B9 U/ d! a9 `5 u/ K- ]7 w, D& }1．1 系统控制要求及软硬件设计思路

9 k1 W& R# L& W制备二氧化氯的常用方法之一是氯酸钠和盐酸反应生成，
原料通过计量泵加入反应罐内。系统的控制要求有二：其一是
3 s1 w* |% K6 v3 y8 }实现反应罐内恒温控制；其二是实现清水池出水口处的二氧化
; y. E# y, }9 v' }/ a1 c$ E  [氯含量控制。根据功能实现的要求，设计了以ATmegal6单
, ]0 Y# ?9 r# B4 N片机为处理核心的硬件系统。对于恒温控制部分，由AD590
半导体温度传感器采集回来的信号经放大后，送人AVR单片
6 F/ n; ?; `0 Z5 S* K机的A／D端，转换后与给定的温度进行比较，按仿人智能
$ S0 F. E) q2 YPID调节算法[31计算出该时刻的值，经光电隔离和功率放大
后，控制双向可控硅调压模块来达到恒温控制。对于出水口余
氯量的控制，由余氯传感器采集信号经处理后，由AVR单片
机采用仿人智能模糊控制加出水口流量前馈控制算法对计量泵
的频率进行调节，从而改变二氧化氯的投加量，使出水口处的
8 g& m" C& i1 [9 j余氯量保持在允许范围内。系统的整个框图如图1所示。
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1 `& g, V* n0 V0 B1．2系统硬件结构
根据以上设计思路，采用的硬件结构如下：
(1)数字量采集：数字量采集由单片机的I／O口完成，主
要检测反应罐的工作环境，比如：反应罐的水位，自来水的水
- l* ^7 b  y: B+ i: {3 u3 i压等。数字量只是一些开关量，开关闭合后，TP521的发光管

工作，光电隔离输出低电平，单片机检测这个信号即可判断反
8 P' |9 i  B. D/ H$ d应罐内的工作情况。
2 Z" T' @  R8 ~(2)模拟量采集:本系统采用的MAX192是Maxim公司.
7 ]% f7 l9 L, M! F% ]7 t; a开发的8路10位SPI接口的A/D转化器，和单片机连接仅需
$ f7 r! U8 p* A要4个I/O口。为了提高控制器的可靠性和抗干扰能力，对模
1 d. i/ I- |, ?, n. M拟量输人进行了光电隔离。
(3)液晶显示器:液晶显示器采用北京青云创新科技发展
有限公司的带中文字库图形液晶显示模块。LCM12864ZK中
6 ~+ W5 L1 o9 M* m  a0 }9 N5 l5 y文液晶显示模块的液晶屏幕为128* 64，可显示四行，每行可
4 J7 l4 M5 W! f- f显示8个汉字。与单片机等微控器的接口界面灵活(三种模式
: Z, B! s" ~* J并行8位/4位串行3线/2线)，可实现汉字、ASCII 码、点阵
图形的同屏显示。
1 ^: Z0 ~) q5 L* {8 u) d- {* U2 k(4)数字量输出:数字量输出包括继电器的开关输出和控
$ w& b: o4 f; X5 r. 制计量泵的脉冲输出。继电器输出有两路，分别控制计量泵的
) z( U# F( A/ Z* `电源和外部电磁阀。单片机通过光隔把信号输出给ULN2803
来驱动继电器。.
由于计量泵的脉冲频率比较高，一般在0~360次/min,
' P- S- g+ m% @4 M" a: o5 }在这种场合继电器不能满足要求，通过试验证实:直接用
TP521可以驱动计量泵工作，但是接线要求区分正负极性。
(5)模拟量输出:反应罐内的温度一般要求恒定在78C,
必须要有一-个温度控制系统。传感器采用AD590,该器件为
* Y2 o6 u. D9 y/ M半导体温度传感器，0C时输出为273 μA，每升高1C电流增
, O; H3 z* o# e  N# g! h/ d3 p加1 μA，在一50~150C之间都可以保持读数的线性，完全符
合控制的需要。

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