水厂二氧化氯控制系统的设计

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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
5 V; ^0 x: }8 Q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
" I7 ?6 Y6 L* n. d" o高、抗干扰能力强、能连续稳定运行。

5 m! [* p7 w7 Q' ~) W2 v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
. R! u1 G2 v3 }3 ?0 D5 p: n$ q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
7 S5 r- j3 [6 }- z/ Z+ m% c5 d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
2 b5 U$ R, ]4 i! h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
' e" Z( K& ^8 w; U6 \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
: p* r, }- v" a) L/ `& m. H用，必须研制一种能自动、安全、适量生产二氧化氯消毒剂的
2 c9 |2 a; z; W4 H( R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
0 ?9 V% a# [* {$ H+ r化氯的自动化系统。
( g: l3 X$ ~6 q/ a& |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
% k1 r3 F' s( Z3 O) [/ D可编程Flash；512字节的EEPROM[2]。我们设计的以AVR
. c! f4 x0 C6 d/ F& S' W" B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、
4 v7 |+ Q" \7 g5 L2 f" d5 t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。
1 系统结构与硬件设计
2 b5 U$ w7 B1 D2 S1 k3 m* ]1．1 系统控制要求及软硬件设计思路

' K% f/ ^1 t$ Y2 P1 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 X. ~* w1 }; O; D: ?. G) w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
氯含量控制。根据功能实现的要求，设计了以ATmegal6单
$ j" Q4 U% ?1 ?- |7 F# `片机为处理核心的硬件系统。对于恒温控制部分，由AD590
( ^2 O; H9 \& P  U1 C8 s半导体温度传感器采集回来的信号经放大后，送人AVR单片
/ x8 W# m' e# J5 @机的A／D端，转换后与给定的温度进行比较，按仿人智能
; m% m0 k' ?* h( O' pPID调节算法[31计算出该时刻的值，经光电隔离和功率放大
2 H$ J& v/ ?/ P; C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
3 ^9 C4 J" C0 b! s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
9 {/ h8 n; f1 a- u. q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
余氯量保持在允许范围内。系统的整个框图如图1所示。
8 _, f; t# {) r8 B- Z
* l; d: f; b; B% F, c1．2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
, U: B* Z7 z( ^9 U1 p* R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
应罐内的工作情况。
(2)模拟量采集:本系统采用的MAX192是Maxim公司.
9 l+ P1 y  r( q& v- A# r0 Z开发的8路10位SPI接口的A/D转化器，和单片机连接仅需
4 ^4 D; b% ?/ A4 z6 P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
8 ^  _+ Q7 X2 i7 o拟量输人进行了光电隔离。
" T8 s+ G1 W. L, v4 T; I+ m; c(3)液晶显示器:液晶显示器采用北京青云创新科技发展
7 o, M6 j% L' G& I! c2 {, n有限公司的带中文字库图形液晶显示模块。LCM12864ZK中
% z* Y! Q% x# a2 P" Z文液晶显示模块的液晶屏幕为128* 64，可显示四行，每行可
& z4 }& X" v( @1 q) r, n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
( R, S- P. q5 O* Y$ q7 ~并行8位/4位串行3线/2线)，可实现汉字、ASCII 码、点阵
3 m1 Z" z9 L& N- g7 F$ N6 B5 k* {! [图形的同屏显示。
$ q8 L; K% R8 I0 s( r(4)数字量输出:数字量输出包括继电器的开关输出和控
6 ~  a% R  G; {6 N; Y. 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
% x6 j7 U% b" u. I1 g  l0 a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,
在这种场合继电器不能满足要求，通过试验证实:直接用
' f: o& f2 h, p) HTP521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
半导体温度传感器，0C时输出为273 μA，每升高1C电流增
加1 μA，在一50~150C之间都可以保持读数的线性，完全符
2 b8 Q( h/ F5 b  O, A6 T合控制的需要。
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