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
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
高、抗干扰能力强、能连续稳定运行。
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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
+ @" R% P' i4 K8 E8 m- t% S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
) b  A* G6 x; [( O' P8 q等，并且其副产物少，不生成三氯甲烷等卤化物。加之其杀菌
! ^! {% `6 K: b! e2 z9 N- |效果基本不受PH值与氨的影响，具有持久的抑菌效果，是国
; T3 `' t6 t$ A& _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
* Y; n: Y! z: z& @1 s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
2 Z; u$ R$ W: m6 ?控制系统。本文所介绍的以AVR单片机为核心的二氧化氯控
8 F% X0 h' R8 b! v, H$ X7 }  p( U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
6 I0 u3 s9 u2 T化氯的自动化系统。
ATMEGAl6是一款高性能、低功耗的8位AVR单片机，
# L# R% o/ f1 j, T1 }" ^' o具有先进的RISC结构，8路10位ADC；16K字节的系统内
7 v2 m3 P1 m! Z) ^% I可编程Flash；512字节的EEPROM[2]。我们设计的以AVR
: u$ m% k1 |6 e9 G; |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
6 o' x( T6 `0 ?5 w% N% w1 x* _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
9 Q6 Y+ g& i, Z" R1．1 系统控制要求及软硬件设计思路

- c1 Y3 z4 I( ?7 u" P+ q, a# n" q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
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
% L6 x; f, z0 t氯含量控制。根据功能实现的要求，设计了以ATmegal6单
片机为处理核心的硬件系统。对于恒温控制部分，由AD590
4 X; Y; {) k" u1 ], _' A+ c! f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
3 Y! ]8 L! t) d5 _& g0 _PID调节算法[31计算出该时刻的值，经光电隔离和功率放大
* D. y9 c* J& _1 V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
4 }3 k5 |: B9 D+ s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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1．2系统硬件结构
根据以上设计思路，采用的硬件结构如下：
/ j/ Q( j6 e* j* U# O9 }(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
2 H. }1 q9 Z/ S# g5 p8 {& y压等。数字量只是一些开关量，开关闭合后，TP521的发光管
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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.
开发的8路10位SPI接口的A/D转化器，和单片机连接仅需
- I) h, A/ e  c: ?  G- K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
/ j% h& M4 Y) v6 v8 V. b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
2 p2 I7 }4 m5 U3 K6 @! ^/ c9 B有限公司的带中文字库图形液晶显示模块。LCM12864ZK中
" E' @$ o+ M" J3 C& P3 s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
并行8位/4位串行3线/2线)，可实现汉字、ASCII 码、点阵
* P8 G; Y$ a! D图形的同屏显示。
(4)数字量输出:数字量输出包括继电器的开关输出和控
+ B) T6 v7 z9 \8 ]& Q9 C$ L& ]0 m. 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
( {% x/ K0 w4 |7 h+ ~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,
+ }: q2 I; B7 n/ R6 g. q, A+ X在这种场合继电器不能满足要求，通过试验证实:直接用
; A6 l' A) t6 r+ {TP521可以驱动计量泵工作，但是接线要求区分正负极性。
) ~# K% ?5 {# H( r5 p% [(5)模拟量输出:反应罐内的温度一般要求恒定在78C,
0 D2 z$ J. Z( q必须要有一-个温度控制系统。传感器采用AD590,该器件为
! U- q+ b5 h5 l8 i3 v半导体温度传感器，0C时输出为273 μA，每升高1C电流增
2 F, R' C! v0 Y加1 μA，在一50~150C之间都可以保持读数的线性，完全符
$ |  C$ [7 w& ^! |9 c6 ~合控制的需要。

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