水厂二氧化氯控制系统的设计

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( f  X# l3 u7 v; t. Q: c& i7 c4 H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
) H- P$ ?% c1 Y* |7 f: {* d! ~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
$ G' {- R/ O% e% @; M' ]' P/ ?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
高、抗干扰能力强、能连续稳定运行。

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
% X1 f! b" ^) ?$ z' D. @* O9 g剂，具有广谱、高效、快速的消毒效果，对大肠杆菌、葡萄球
* h) `4 k. V$ \* p" Z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
3 u% E, o' b" ^效果基本不受PH值与氨的影响，具有持久的抑菌效果，是国
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
# L) [& `* l  n( `9 N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
% \9 X$ V* K# Q. q& |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。
5 k( T, [" h" d3 n# m1 b* r1 FATMEGAl6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
可编程Flash；512字节的EEPROM[2]。我们设计的以AVR
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。
, I9 l3 P4 {( f& t' \; e1 G: F% J. t- y+ a1 系统结构与硬件设计
* ]$ k8 F. r2 A7 J4 q* B1 S' q1．1 系统控制要求及软硬件设计思路

  J  U6 K9 _/ R/ g. l- m制备二氧化氯的常用方法之一是氯酸钠和盐酸反应生成，
. U. l+ N6 E# r  l. I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
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
; U5 q8 }/ a; r2 z: k6 v! P氯含量控制。根据功能实现的要求，设计了以ATmegal6单
8 ~2 V5 C+ W  F, k, F- b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
机的A／D端，转换后与给定的温度进行比较，按仿人智能
PID调节算法[31计算出该时刻的值，经光电隔离和功率放大
- g) v2 \9 c& c1 t% F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
8 j5 ?( u$ ?1 ]( B! w& l& N4 k氯量的控制，由余氯传感器采集信号经处理后，由AVR单片
' w- q) }2 ?$ M9 ^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
! i% D( C9 O" L5 e$ ]& g9 c# `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
. B& q( i$ J/ C- F9 d$ a余氯量保持在允许范围内。系统的整个框图如图1所示。

1．2系统硬件结构
根据以上设计思路，采用的硬件结构如下：
% L" o: m4 H0 J* f/ g' t. G(1)数字量采集：数字量采集由单片机的I／O口完成，主
0 a2 \$ r- _; H. O要检测反应罐的工作环境，比如：反应罐的水位，自来水的水
压等。数字量只是一些开关量，开关闭合后，TP521的发光管
$ E+ v8 _# o! t& Q3 ]5 X5 H" g) Q/ b
+ a6 U' q; f3 E3 J" z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
( L3 V) b( c; ?6 q* P, p* ?应罐内的工作情况。
2 k" \4 r' @/ }6 S, N# \- \2 j8 i(2)模拟量采集:本系统采用的MAX192是Maxim公司.
' v# H) m+ ?8 }. x/ g, S开发的8路10位SPI接口的A/D转化器，和单片机连接仅需
& S% u+ x1 g1 H' x% `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
6 N" Y" B7 t) F- h3 @拟量输人进行了光电隔离。
% G" Y9 u+ w9 x; s(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
文液晶显示模块的液晶屏幕为128* 64，可显示四行，每行可
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
- s" I; F2 @, D! w, X并行8位/4位串行3线/2线)，可实现汉字、ASCII 码、点阵
& U. A! A/ l- O$ V) [! g6 a: I  Q图形的同屏显示。
6 e" r* ?2 N# n( _" m(4)数字量输出:数字量输出包括继电器的开关输出和控
. 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
电源和外部电磁阀。单片机通过光隔把信号输出给ULN2803
! _+ k0 I, O+ X) c$ N" O) K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,
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。
3 z. a  N; v- E0 w8 @(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
* {# g5 e9 j8 h& `8 \9 w半导体温度传感器，0C时输出为273 μA，每升高1C电流增
! [, ?% P4 R) q( D2 i7 s加1 μA，在一50~150C之间都可以保持读数的线性，完全符
3 F. |( x6 w3 e8 \7 J% i" ~, i- q合控制的需要。
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