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
% L6 V7 I* d- H' c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
& g/ D- x+ L6 I* N. g  ~/ }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
% t2 T3 k2 s5 G$ i. h& Q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
+ ]! P2 U" Z8 w1 `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
% g$ ]( U4 ^/ _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
7 V3 H5 u; _- w) o控制系统。本文所介绍的以AVR单片机为核心的二氧化氯控
0 `+ u6 c: c; D! v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。
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
可编程Flash；512字节的EEPROM[2]。我们设计的以AVR
- Z& z+ t. D8 `5 O4 y2 y9 }0 L, |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、
% B2 g) ^, H- o& Z$ ~1 b' l; A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
8 ~% X8 A* ]" ~( |3 l, C6 ^5 P1．1 系统控制要求及软硬件设计思路
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; H8 [- O4 Z  f, G% b; M2 j7 A制备二氧化氯的常用方法之一是氯酸钠和盐酸反应生成，
" c$ ^* J& Z! V' g6 D! l6 Q. [- H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
氯含量控制。根据功能实现的要求，设计了以ATmegal6单
5 b9 c: v, F& `1 a. Z+ C/ O片机为处理核心的硬件系统。对于恒温控制部分，由AD590
+ p, L- h( ^  ]. A4 U  S5 O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
! c: Y4 r8 R3 @  b3 RPID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
4 V( O  `/ ^: M% Y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
, J' Y* ]6 \% ~7 Z% \) ?1 U0 D- Q5 h余氯量保持在允许范围内。系统的整个框图如图1所示。

3 F5 c( `8 {6 w; y! `1．2系统硬件结构
" f7 p5 k% @! n7 l( O: j0 Z根据以上设计思路，采用的硬件结构如下：
4 v/ y& f' l) E6 s/ P( @& r/ i/ J(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
压等。数字量只是一些开关量，开关闭合后，TP521的发光管

4 U+ F# |8 a2 w/ P& W4 Y7 k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。
# U0 u) a+ l, [2 Q(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
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
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
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
  N+ E. {, o/ f* ]图形的同屏显示。
0 r7 g3 F/ N" c9 H/ W(4)数字量输出:数字量输出包括继电器的开关输出和控
/ A- R9 `0 v+ y3 |2 o" o. 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
# p6 m5 `, w1 ?1 O电源和外部电磁阀。单片机通过光隔把信号输出给ULN2803
9 {7 f5 O0 m5 x3 L+ ^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
$ u' k* \# x* f( o7 rTP521可以驱动计量泵工作，但是接线要求区分正负极性。
8 a8 [4 j  I2 T6 Y. B. j  A(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
% F! a$ l* D; f半导体温度传感器，0C时输出为273 μA，每升高1C电流增
( m( c# ?# f0 R8 V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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