污水处理自控系统.doc

摘 要 环境保护是关系到可持续发展的一个重要问题 我国的现代化建设必须吸取国外工业化过程的 教训 在发展经济的同时 注意环境保护 我国的环境污染问题十分突出 特别是水源污染 对环 境危害巨大 当富含氮磷的污水直接排入河流后 会严重污染水源 危害健康 同时排放污水的单 位也会严重的处罚 为此而背上沉重的负担 这些都促使我们开发一种中小规模的污水处理设备来 净化污水 使其达到排放标准 此文是介绍污水处理控制系统的设计 自控系统是整个污水处理设备的核心部分 在它的控制 下 设备不断检测污水的参数 并执行相应的处理流程 由于系统工作于室外 工作环境恶劣 且 需要全天不间断工作 就要系统有较强的抗干扰能力和可靠性 这是自控系统设计的重点也是难点 文章中讨论了常见的干扰来源以及相应克服措施 在系统设计时 我们尽可能地采用这些方法 以达到满意的效果 关键词 污水处理 自动控制系统 抗干扰 ABSTRACT Environmental protection is an important bearing on sustainable development issues China s modernization must learn the lessons from abroad industrialization in economic development attention to environmental protection China s environmental problems are very prominent especially water pollution tremendous harm to the environment When the rich Danlin sewage directly into the river water will be serious pollution and health hazards At the same time the unit will discharge sewage serious punishment thus putting a heavy burden These prompt us to develop a small scale sewage treatment facilities to purify sewage to meet emission standards This book is introduced by the robotic system of sewage treatment equipment design production Robotic system is the core of the entire sewage treatment equipment Under its control testing equipment and effluent parameters and the implementation of the corresponding processing flow As in the outdoor system poor working environment and the need for full uninterrupted work We have a strong anti interference capability and system reliability This is also the focus of robotic systems design problems The article discusses common interference sources and the corresponding measures to overcome In system design we use these methods as much as possible to achieve satisfactory results Keywords Sewage automatic control systems anti interference 目 录 摘 要 1 ABSTRACT 2 第一章 绪论 3 1 1 课题提出及意义 3 1 2 国内外发展现状 4 1 3 课题研究内容及实施方案 6 第二章 系统设计 6 2 1 污水处理简介 6 2 2 控制系统硬件总体结构 7 2 3 硬件设计 8 2 4 软件设计 13 第三章 系统干扰问题及其措施 22 3 1 干扰来源以硬件措施 22 3 2 软件抗干扰措施 26 第四章 系统调试 29 4 1 功能调试 29 4 2 故障处理调试 31 第五章 结论 31 参考文献 31 致谢 33 第一章 绪论 1 1 课题提出及意义 水污染是世界各国的严重问题 我国在近十余年内 国民生产总值翻了两番 但对环境的压力 也是严重的 经调查 我国不仅缺水 人均占有量仅为世界人均量的 1 4 而且 重要河流和湖 泊的污染情况也很严重和普遍的 据 1995 年公布的资料 重要河流中仅有不到 1 3 河段可以符合 我国规定的可作为饮用水水源的标准 而大城市附近的水域有 90 以上受到严重污染 缺水和水源 污染已成为影响我国经济持续发展的重要因素 因此 1996 年国务院召开的全国环保工作会议做出 了决定 凡人口 500 万以上的城市 都要建立城市污水处理厂 而且规定排污水应收排污费 工业发达国家 美国 德国 日本 澳大利亚等城市的污水的处理基本上普及 平均一万多人 口就有座城市污水处理厂 城市生活污水及大部分工业污水中都会有氮磷 平均每人每天排泄物中 含氮 16 克 磷 3 克 洗涤剂来源的磷每人每天约 2 克 焦化厂的炼焦废水 化肥厂 石化厂 晴 纶厂 酿酒厂 皮革厂 制药厂等的废水中含有大量氮 食品加工 发酵 产品加工 化肥工业 洗涤剂 金属抛光等废水中含有大量的磷 农田中施用的氮 磷肥料 一部分被植物吸收外 其于 随雨水流入河道 家畜家禽的废弃物和排泄物含有大量磷 氮也都进入水体 上述氮 磷污水物进 入水体中 造成水体富营养化问题 增加了给水处理成本 另原态氮会造成水体黑臭 化合态氮对 人及生物有种种毒害作用 为此 对污水处理已普遍要求脱氮除磷 中小城镇以及工厂 宾馆等单位的污水处理 由于污水的排放量不大 没有必要集中到大的污 水处理 而且对于这些单位来说处理的目的是允许被排放 所以一种中小规模的污水处理系统更能 给适应他们的需要 在此问中涉及到的污水处理系统主要就针对氮 磷处理的中小规模的箱体式系 统 经系统处理后的排放水质 达到排放标准 可以排入敏感水源以及作为非饮用水的其他用途 改革开放以来 随着经济建设的高速发展 人们普遍重视对环境的保护和治理 国人环保意识 普遍增强 在污水处理工艺和技术方面 国内企业做出了积极的努力 取得了喜人的成就 只是由 于起步较晚 在污水处理设备的自动化方面与发达国家相比还存在较大的差距 因此 加强在污水 处理设备自动化方面的研究无疑具有极其重要的意义 1 2 国内外发展现状 1 2 1 国内发展现状 近年来 随着水环境污染的加剧和人们对水的质量日益增长的要求 城市污水处理厂的建设 日益受到重视 国家甚至把城市污水厂建设作为拉动国民经济增长的重要手段 九五期间开工建设 的城市污水厂 200 个 总投资数百亿元 这表明了我国治理污水 改善环境的决心很大 由于水的 净化处理过程愈来愈复杂 操作控制愈来愈严格 手动操作难以达到要求 迫切需要相适应的自动 控制系统来保证污水处理过程的稳定 可靠运行和优良的出水水质 同时降低电耗 药耗和人工成 本 以实现污水处理的持续和经济运行 目前国内建成的绝大部分大型城市污水处理厂采用了引进 的先进工艺和设备 具有很高的自动化程度 为我国污水处理厂成功地应用自动化技术提供了范例 也使计算机控制系统在污水处理过程中所发挥的重要作用得到了普遍重视 但引进设备的高昂代价 和维护费用对国内污水处理厂的建设形成阻碍 面对国内污水处理厂的不断建设和污水处理工艺的 快速发展 开发和设计符合我国国情的污水处理厂计算机控制系统已势在必行 据有关资料表明 全国 532 条河流有 436 条受到不同程度的污染 虽然全国大江大河干的水 质状况基本良好 但流经城镇的河段污染较重 统计的 131 条流经城市的河流中 严重污染的有 26 条 重度污染的有 1 条 中度污染的 28 条 其中符合 I 类标准的 9 条 符合 类标准的 4 条 符合 类标准的 46 条 属于 V 类标准的 72 条 当前我国饮用水资源符合或基本符合饮用水标 准的只占约 30 在以地下水为饮用水源的城市中 77 8 受到不同程度的污染 在全国 666 座城 市中 缺水城市就达 333 座 其中严重缺水 108 座 我国每天缺水 1600 万立方米 缺水造成了生 态环境的严重恶化 水污染又加剧了水资源的供求矛盾 目前 我国每年废水排放量约 800 亿立方 米 预计 2000 年将达到 1428 亿立方米 其中 80 是城市污水 大部分未经处理直接排入水体 造成水源 特别是地表水污染 因此 大力提倡节约用水和建设城市污水处理工程是我国目前控制 水污染的必然措施 1 2 2 国外污水处理厂自动控制系统的研究现状 国外发达国家由于经济发展较早 水资源不足和污染的问题也较早得到重视 现在一些发达国 家经过数十年的努力 城市污水处理率达到 80 90 以上 城市水污染大大缓解 水体水质明显改 善 同时 各污水处理厂的工艺和技术水平也得到较大提高 以美国为例 美国水法规定到 1977 年城市污水处理厂都要求达到二级处理出水水质 既连续 30 天的处理出水水质 BOD5 与 SS 的平均 浓度均应小于 30mg L BOD5 S 去处率大于 85 实际上 至 1982 年 全美 64 的河流以达到使用水 质的目标和要求 有关资料表明 1980 年美国共建有污水处理厂 15251 座 其中二级以上的处理厂 10546 座 占总数的 69 2 城市污水处理厂人口普及率 71 1990 年达 22260 座 预计到 2000 年 将达到 92 欧洲一些国家的城市污水处理厂普及率则更高 目前为止 瑞典建有近 2000 座城市 污水处理厂 95 的居民生活污水都经过二级处理 另外 5 的居民生活污水也都有自己的一些处理 方式 也能达到满意的出水标准 因此 可以说 瑞典目前的生活污水已经是 100 处理后排放 BOD 和总磷污染负荷大大降低 BOD 和总磷去除率已达 90 以上 河流的污染水平全部达到 40 年代 的污染水平 随着城市污水处理厂的大规模兴建 污水处理工艺的不断完善和复杂化 国外污水处 理厂自动控制水平也迅速提高 特别是近二十年间 计算机和网络控制技术的快速发展使污水处理 厂的自动控制水平也相应地发生了本质变化 1 3 课题研究内容及实施方案 此课题的研究目的在于解决工业污水中污染负荷高 技术难度大的高浓度有机废水处理问题 开发适合多类废水 多种规模 不同处理工艺的多元模块化组合式系列设备 实现水处理设备标准 化 系列化 从而提高集约化程度 并且对硬件 软件两方面可能产生的系统干扰提出了相应一些 应对措施 本课题主要采用单片机 单片机为 ATMEL 公司的 89C52 以及 XICOR 公司的 X25645 芯片核心 整个系统分三个部分放置 本地控制器单独放在一个铁箱中与电器驱动部分开 以达到最好的隔离 效果 远程控制机放置在机房中 实施远端控制 第二章 系统设计 2 1 污水处理简介 在计算机控制系统设计中要求具有功能齐备 投资小 适用性强 调整灵活等优点 并且要求 和浮选工艺相适应 为污水厂经济运行提供条件 污水处理厂的工艺特点要求控制系统必须能够兼 顾流程和单元控制 单元控制是计算机控制系统的基础 是实现系统优化控制的条件 因此有必要 对污水处理厂重要环节的单元控制方法进行研究和开发 根据某污水处理厂工艺特点 在某污水处 理厂工程实施过程中 我们对主要处理单元的控制方法进行了相应的分析和研究 以下是针对相应 污水处理所需的硬件 软件要求 2 2 控制系统硬件总体结构 下图所示为控制系统的硬件结构图 图 2 1 控制系统的硬件结构框图 具体介绍如下 1 单片机为 ATMEL 公司的 89C52 它虽然价格便宜 却提供了作为中小规模控制器所需的 硬件资源 8K 的 EEPROM 程序存储器 256BYTE 的 RAM 两个外部中断输入 两个定时器 一个全双工串口 三个通用 I O 并口 它完全自控系统的流程控制 用户界面控制 异常报警以及远程通讯 2 时钟芯片为 DALLAS 公司的 DS1302 它为控制器的流程提供时间基准 由一个 3 6 伏的 电池作后备电源 3 XICOR 公司的 X25645 芯片是一块功能较强的芯片 它同时能提供电源检测 看门狗 非 易失存储器的功能 在电源故障或控制器程序跑飞时自动输出复位信号 而控制器的各种数据也都 存在芯片区 4 LCD 液晶显示器为 240 64 点阵显示器 作为控制器显示界面 控制器的键盘有四个控 键 它们是 上 下 确定 功能 键 5 开关信号为污水的液面传感器指示 在进不和排水过程中 要检测水位的变化 以免进 水过多或排水过量 6 固体继电器受控制信号控制来驱动电器动作 7 电器的运作情况通过隔离传感器返回控制系统 8 水质传感器包括酸碱度传感器的溶解氧传感器 9 AD 公司的 ADM202E 为控制器的远程控制提供标准的 RS232 串行通讯渠道 整个系统分三个部分放置 本地控制器单独放在一个铁箱中与电器驱动部分开 以达到最好的 隔离效果 远程控制机放置在机房中 实施远端控制 2 3 硬件设计 针对本课题的特定情况 结合前面讨论的抗干扰措施 在设计上采取了一系列的方法 详述如 下 2 3 1 元件的选择 由于控制系统工作于室外 环境变化比较大 因此在元件的选择上要有一些考虑 首先要采用工业级的元件 其次在元件参数上要保留一定的冗余 例如 控制器的电源是控制器正常工作的首要保证 它应有很宽的工作温度范围 又如 电器 的驱动和隔离由固体继电器完成 由于它驱动的电机等电器工作电流存在一定范围的变化 特别在 启动是会有较大的电流冲击 因此固体继电器驱动电流选为电机正常工作电流的两部以上 第三选用工作方式可靠的器件 通用芯片一般都有串行接口和并行接口两种 在对方向速度要求不高的情况下 选用串行接口 方式不但连接简单 而且由于串行接口的操作时序比并行方式更为严格 所以抗干扰的能力更强 本设计中存储器 时钟芯片和 A D 变换芯片时 都采用了 SPI 接口的芯片 另外选择锁存芯片时最 好使用电平有效的芯片 这样在操作时可避免偶然的干拢 2 3 2 系统监测 当电源出现故障时或单片机由于某种原因跑飞时 整个控制系统会出现混乱 看门狗电路是修 正错误的良好方法 XICOR 公司的 X25645 芯片 它集成了一个看门狗电路的工作愿望 低电压检 测复位电路以及 8KBYTE 的 EEPROM 用它可完成系统监测 X25645 和单片机的连接如图 2 2 所示 图 2 2 看门狗芯片与单片机的连接图 图 2 3 为看门狗的复位时序 X25645 中有一个定时器 可以定时产生时钟中断 产生中断的 时限 TWDO 由内部状态寄存器的两个 bit 位决定分别可设置为 1 6S 600ms 300ms 时限监视或 监视功能无效 正常情况下单片机控程序中插入将 CS 信号置低的指令 因此单片机会在一定时 期内将 CS 信号置低 当 CPU 工作异常时 不能正常执行程序流程时就不会置低 CS 当 CS 脚在 TWDO 时间内未出现下降沿 则定时器产生中断 RESET 管脚会输出长度为 TRST 的复位信号 同时看门狗电路自身也复位 图 2 3 看门狗的复位时序 X25645 还是一个电源监视模块 当电源低于门限电压 Vtrip 时 RESET 脚会保持复位状态 当电源恢复正常后 复位信号撤消 值得注意的是因为单片机要求复位信号保持两个机器周期 这 样如果我们单纯使用 RC 上电复位电路可能会出现复位不可靠的情况 而 X25645 复位信号会持续一 段时间 Tupres 以保证 CPU 可靠复位 图 2 4 工作电源与复位输出的关系图 2 3 3 闭环检测 因为动力电器是比较容易出现问题的部分 而它又是控制实现的关键 因此有必要对其进行检 测 设计中使用隔离传感器监测电器的工作电流 并通过 A D 反馈回控制器 隔离传感器是 30A 10Ma 的无源电流传感器 当工作电流小于或大于正常工作电流时 说明电器工作异常 控制 器报警并停止动作 2 3 4 控制系统与外界的隔离 控制器开关电源带有两组独立输出 5 伏供控制器使用 12 伏供光耦外端的电路使用 电源输 入与输出 两组电源输出之间 电源同外壳之间都有 1 5 千伏的绝缘强度 对于开关信号通路 为防止强信号馈入 使用光耦的开关来隔离 对于输出驱动信号除光耦隔离外 再使用固体继电器实施二次隔离 对于模拟信号通道 使用线性光耦隔离 如图 3 5 为线性光耦的内部结构和外部电路 图 2 5 线性光耦的内部结构和外部电路 图中上方的二级管为发光二极管 下方为两只光敏二极管 它们的电流转换比分别为 K1 和 K2 K1 K2 1 为达到输入输出电压的线性 左边的光敏二极管为运放提供反馈控制信号 公式如下 K1 K2 1 K3 K2 K1 Vi Va Va Vb 有负反馈 Vb 1P1 R1 Vo 1P2 R2 Vo K3 R2 R1 Vi 值得注意的是由于电流转换比只有 1 左右 因此在选择 R1 R3 的阻值得要满足 1P1 IF 大约 为 1 这样电路才能工作在有效范围内 对于远程通讯接口 使用 AD 公司的 ADM202E 芯片 它是 RS 232 标准接口芯片 自身就带有土 15 千伏的 ESD 保护 通过以上措施 使控制器与外界实现了电隔离 2 3 5 防浪涌电压 本控制器有 16 路模拟输入通道 模拟通道需采用线性光耦隔离 如 16 路同时加入光耦 一则 成本不合算 二则由于并行接入多的光耦会增加耦合电容值 反而降低信号能道的隔离性 所以信 号先经多路转换 再进行隔离 这样多路转换 输入放大电路就直接和信号接触 未受任何保护 设计中采用在每路信号线上并接瞬变电压掏二极管 TVP TRANSIENT VOLTAGE SUPPRESSOR 的方 式这些电路实施保护 TVP 的外形与普通二极管无异 但却能 吸收 高达数千瓦的浪涌功率 它具有体积小 功率 大 响应快 无噪声 价格低等诸多优点 TVP 的工作很可靠 即使长期承受重复性大脉冲的高能 量冲击 也不会出现所谓的 老化 问题 试验证明 TVP 安全工作于 10000 次脉冲后 其最大允 许脉冲功率仍为原值的 80 以上 2 3 6 温度补偿 由于控制器工作于室外 所以必须考虑温度变化对系统的影响 其中水质传感器对温度变化较 敏感 使用带温度被偿的酸碱度和溶解氧传感器可克服这一问题 2 3 7 掉电保护 目前流程的设计是按时钟严格执行 因此在掉电保护方面 只对时钟芯片提供后备电源 后备 电源为 3 6 伏的可充电电池 当电源正常时 电路给电池充电 当停电时由电池为时钟芯片供电 而时钟芯片会自动判断电源脚和备用电源脚的电压值 以电压高的一个电源作为其电源输入 其电 路如图 2 6 图 2 6 备用电源电路 2 3 8 按键电路及按键消料 无论是按键或键盘都是利用机械触点的合 断作用 一个电压信号通过机械触点的闭合 断开 过程 其波形如图 2 7 所示 图 2 7 按键的动作示意图 由于机械触点的弹性作用 在闭合及断开瞬间均有抖动过程 会出现一系列负脉中 抖动时间 长短 与开关的机械特性有关 一般为 5 10ms 按键的稳定闭合期 由操作人员的按键动作所确定 一般为十分之几秒至几秒时间 为了保 CPU 对键的一次闭合 仅仅 做一次键输入处理 必须去除抖动影响 通常去抖动影响的措施有硬 软件两种 硬件方式是用按键与触发器或单稳态电路构成去抖动 电路 采用软件除去抖动影响的方法是检测到有键按下时 执行一个 10ms 的延时程序后再确认该键 电平是否仍保持闭合状态电平 如保持闭合状态电平则确认为真正键按下状态 从而消除了抖动影 响 最后进行键值扫描 键盘电路如下 图 2 8 按键电路原理图 2 4 软件设计 本地控制器的程序固化在 89C52 的 8K 程序存储器中 可独立地按固化的流程工作 远程控制 微机为普通的微机 程序运行在 WINDOWS2000 下 可对本地控制器的工作进行监测 记录数据以及 修改一些工作参数 2 4 1 用户界面 2 4 1 1 本地控制器界面 本地控制器的显示信息全部都显示在 240 64 点阵液晶屏幕上 为简化操作只用简单的语句来 表示信息 液晶显示器背光在按键按下后会自动打开 在最后一个按键按下 10 秒后熄灭 图 2 9 密码输入界面 进入功能选择时 控制器会提示输入密码 密码由 16 位 左 右 键组成 密码输入正确 后 进入功能选择菜单 此时用 左 右 键可改变菜单选项或设置值 用 确定 键确定输入 图 2 10 本地控制器的功能选择界面 再次按下 功能 键 或 10 秒中之内无按键 控制器退回到工作界面 本地控制器的工作界 面如图 2 11 液晶显示器显示酸碱度和溶解氧值 工作模式当前步骤以及剩余时间 图 2 11 本地控制器的工作界面 图 2 12 本地控制器的报警 当控制器检查出来故障时 会用蜂鸣器报警 并将出故障的情况简要地显示在屏幕上 2 4 2 软件结构 2 4 2 1 本地控制器软件结构与功能 1 编程语言的选择 设计中选用 ATMEL 公司的 89C52 单片机作为控制器 它属于 51 系列单片机 与 INTEL 公司的 8051 兼容 8051 系列单片机应用相当广泛 编程容易其控制功能也足以满足普通控制器要求 加 上 ATMEL 公司的系列单片机内置的程序存储器使的程序修改更加容易 保密性好 指令读取不占用 口资源 因而是理想的控制器芯片 为了提高开发效率 避免用汇编语言程序的烦琐 我们使用单片机 C 语言来开发 C 语言是一 种结构程序设计语言 它支持当前程序设计中广泛采用的由顶向下结构程序设计技术 此外 C 语 言程序具有完善的模块程序结构 从而为软件开发中采用模块化程序设计方法提供了有力的保障 用 C 语言进行 8051 单片机程序设计是单片机开发与应用的必然趋势 单片机程序设计以 C 语言为 主 汇编语言为辅 汇编语言只在必要时才使用 当然 在实际使用 C 语言编程时 也可考虑一些变通问题 如在木控制器的程序设计中 对模 拟信号进行 AD 采集时 得到的是整数值 而在显示器上显示时须转换为实际值 它是一个带一位 小数的实数值 本来在 C 器会加入大约 2K 字节的实数计算库函数到程序中 89C52 只有 8K 字节的 程序存储空间 这显然是不可取的 而如果采用取整和取余的方式计算 虽然过程复杂一点 却避 免了加入过多的库函数 2 控制器程序流程 控制器的工作流程由主流程和三个中断组成 主流程循环执行 检查各种工作状态 并执行相 应的动作 中断处理程序则接受和处理各种中断信号 中断优先级从高到低为定时中断 键盘中断 串口中断 流程图见图 2 13 图 2 13 本地控制器流程 a 定时中断 定时中断为 50ms 定时器 产生定时中断时 中断程序首选复位定时计数器 同时更新秒 10 秒 1 分钟计数存储单元作为主程序流程控制参考 b 键盘中断 键盘中断由外部中断 0 INTO 外部中断 1 INT1 组成 设置为下降沿信号触发 四个按键 按两行两列接线 两根列线接在 89C52 的 P1 口上 置为低电平 两根行线接在 INTO 和 INT1 的输 入上 并接上拉电阻 当有某个按键接下时外部中断产生 中断程序等待 10ms 消抖后再次检查 INT0 INT1 输入脚电平如果仍然保持为低 则是按键输入 依次置高列线判断输入电平 就可确 定是哪个按键接下了 并保存在键值存储单元中 下面是第一行的两个键按下后触发外部中断 0 的 响应程序 键值保存在 Key 中 Wait 子程序为消抖延时 由于按键扫描和按键功能执行是分 开的 中断程序首先会判断按键功能是否已执行 阻止上一按键还未处理又出现新的按键输入 Void Key Rowl intrrupt0 using3 if Key osoFF make sure the key Wait 10 delay 10ms If Rowl 0 Coll 1 Co12 0 If Row1 1 coll rowl key 0 x01 Key 0 x01 Else Coll 0 Co12 1 If Row1 1 co12 row1 key 0 x03 Key 0 x03 Coll 0 Co12 0 Delay 0 c 串口中断 本地控制器的参数都保存在片内 RAM 或片外 EEPROM 本地控制器按照这些参数执行操作 因 此远程控制器只要读取可修改这些参数 就可监视和控制本地控制器的工作 设计用两个字节为一 个命令字节 第二个字节为数据字节 中断程序接收到两个字节后就会执行相应的操作 串口中断 程序如下 void Com void interrupt 4 using 1 if Rl RI 0 Swithch InBuf Number case0 InBuf Number InBuf inCommand SBUF Break Case 1 InBuf Number 0 InBuf In Data SBUF Switch InBuf InCommand 省略 break default InBuf Number 0 if Tl Tl 0 程序中 InBuf 结构用于保存远端串口数据 第一个 SWITCH 语句用于处理串口输入 第二个 SWITCH 语句根据 InBuf Command 执行相应读写操作 d 控制器的初始化 控制器上电后配置中断 初始化控制端口 液晶显示屏 存储器等等 e 读取传感器值 控制器初始化完成后开始读取传感器值 传感器值来自 16 个模拟信号通道 为了读数的准确 程序采用中值法 每通道连续采样三次 取中间值 其中 2 个信号为酸碱度和溶解氧传感器的输入 它们是 4 20mA 电流信号 经过处理变换后 一方面酸碱度和溶解氧值会显示在液晶显示屏上 另 一方面当水源的酸碱度和溶解氧气值会显示在液晶显示屏上 另一方面当水源的酸碱度起过正常范 围时 控制器自动执行加入酸液或加入碱液 对于溶解氧 在曝气阶段出深解氧过低 控制器会打 开备用的曝气机 以增加曝气量 酸碱度和溶解氧值还定期保存 以备工作人员分析 其余的模拟信号为电器工作电流大小反馈 电机电源由于串接有限流保护器 因当当电器由于缺相 等原因电流过大时 会自动断电 而如果控制器的锁存器功固体继电器出故障时 电机也会工作混 乱 控制器只要检查当前流程京戏该工作的电器工作电流是否正常 不该工作的电器是否有误操作 就可判断是否有故障 当出现严重故障时 控制器停止工作并用峰鸣器报警 当远程控制器讯问本 地控制器时 也会收到报警信号 如果工作正常流程继续进行 f 按键处理 在无按键时 键值缺省为 FFH 当有键入时 四个键对应的键值是 01H 04H 按键处理程序主 要完成控制器功能设置 功能设置操作由两级菜单组成 其结构如表 2 1 不同的键值结合当前菜单位置 控制器可设置工作模式 修改密码 设置时间 浏览记录以及 手动控制电器动作以检查其是否正常 g 设置动作 控制器定期检查是否进入下一操作 当需重新设置动作时所有电器停止工作 3 秒 再按新动作 执行 排水和进水阶段时 控制器还将读取液位开关值 液位过高或过低时 进水或排水操作自动 停止 3 数据结构 控制器的数据大都存储在 8K 串行 EEPROM X25645 存储器中 用于保存固定数据或工作记录 表 2 1 控制器操作菜单结构 a 显示字库 显示字库存放于存储器的后 4K 字节 由于采用 16X16 点阵的汉字字库 因此可最多存储 128 个汉字字模 这对于控制器的显示来说已经足够了 出于存放在后 4K 字节 还可以投置其为只读 模式 避免被无意修改 b 显示语句 LCD 液晶显示屏全屏时可显示 4 行 X15 个汉字 显示的内容对应的字符编号按行预先存储在 EEPROM 内 便于显示 并用一组同时存在 EEPROM 内的指针向量指示其存储位置 每条记录由句子 的长度加上句子的字符组成 表 2 2 显示语句存储表 c 7 个记录 每个记录由记录时间 年 月 日 和 24 个酸碱度和溶解氧的记录 控制器是 24 小时循环 工作的 每天最多循环 8 次 所以一个记录可记录一天的情况 每个循环记录三组值 d 污水处理流程 三种工作模式都有固定的处理流程 把它按表格形式存储 工作时通过查表方式决定当前的操 作步骤 通过开始时间设置可以控制循环流程开始的时间 便于管理 见表 2 3 e 其它需保存的数据如 密码 工作模式 工作步骤等等 在对 X25645 存储区进行写操作之前 必须先写状态寄存器写使能 使其置拉 这样更避免了 误操作的可能性 表 2 3 污水处理流程表 第三章 系统干扰问题及其措施 控制系统运行在室外 且要控制大电流的电器的工作 所以控制系统的运行环境是比较恶劣的 它随时会受到各种外界因素的干扰 为预防和解决系统抗干扰问题 必须先找到干扰的来源 才能 给予相应的解决方案 自控系统包括软 硬件两部分 干扰对这两部分都会造成影响 因此抗干扰 和可靠性设计也要从软 硬件两个方面入手 3 1 干扰来源以硬件措施 3 1 1 来自电源的干扰 微机系统中最重要的 并且危害最严重的干扰来源于电源的污染 随着大工业迅速发展 电源 污染问题日趋严重 开关的通断 火花干扰 电焊 大电机的启动等 在工业环境中是常见的 这 些来自电源的干扰都会破坏系统的政策允许 要安全抑制来自交流电源的干扰是十分困难的 干扰 的频带很难定量化 交流电源及负荷的阻抗很难实测 电源滤波器的特性和实际的干扰频带也往往 有差异 而在实际使用中 几乎所有的控制系统都由交流电源供电 因此 必须采取措施克服来自 电源的干扰 如果把电源电压变化持续时间定为 t 那么根据 t 的大小可以把电源干扰分为 1 过压 欠压 停电 t 1s 2 浪涌 下陷 降出 1s t 10ms 3 尖峰电压 t 为微妙量级 4 射频干扰 t 为毫微妙量级 5 其他 半周内的停电或过欠压 过压 欠压 停点的危害是显而易见的 解决的方法是使用各种稳压器 电源调节器 对付暂 短时间的停电则配置不间断电源 UPS 浪涌与下陷是电压的快变化 如果幅度过大也会毁坏系统 即使变化不大 10 15 虽然 直接使用不一定会毁坏系统 但如果电源系统中接有反应迟缓的磁饱和或电子交流稳压器 往往会 在这些变化点附近产生振荡 使得电压忽高忽低 如果有连续几个 30 40 的电源变化 而使得 系统无法工作 解决的办法是使用快速响应的交流电源电压器 尖峰电压持续时间很短 一般不会毁坏系统 但对微机系统正常运行危害很大 回造成逻辑功 能紊乱 甚至冲坏原程序 解决方法是使用具有噪声一直能力的交流电源调节器 参数稳压器或超 隔离变压器 射频干扰对微机系统影响不大 一般加接 节低通滤波器即可解决 在条件允许的情况下 可为控制系统提供专用发电装置来获得清洁电源 或者直接接入照明线 供电 对于稳压低电源的选取 现在越来越多采用开关电源 这与开关电源和普通电影不同的工作 方式所带来的性能上的改进有关 开关电源的方框图如下 当尖脉冲干扰串入电源时 首先受到抗 干扰滤波器的衰减 经整流后直流滤波 这对尖脉冲有一定的抑制作用 但由于电解电容的感抗分 量在高频时较为明显 所以仍有相当的干扰串入振荡级 开关电源的振荡频率在几百 KHZ 其后 的滤波以高频滤波为主 对尖峰有良好的抑制作用 电源的波动由反馈电路抑制 因此开关电源对 来自电源干扰的抑制能力较强 图 3 1 开关电源原理框图 但同时开关电源自身由于由高频振荡电路的存在 又可能会在电源输出上产生高频干扰 电路 的其它因素也会引入电源干扰 在支流电源回路中 负载的变化会引起电源噪声 例如在数字电路 中 当电路从一个状态转换为另一种状态时 就会在电源线上产生一个很大的尖锋电流 形成瞬变 的噪声电压 所以在电路设计时同样要考虑电源的稳定问题 利用电容 电感等储能元件可以抑制 因负载变化而产生的噪声 通常也把之中作用称之为滤波或去耦 电源线的入端 大的集成快的电 源引脚端都需并连两个电容 这样可以较好的滤出电源干扰 3 1 2 接地不良引入的干扰 接地问题往往是比较复杂的 因为接地不良的表现形式常常难以掌握 干扰信号很容易通过地 线串到系统内部 3 1 2 1 接地种类 系统有两种接地 一种是为人身或设备安全目的 而把设备的外壳接地 这种接地称之为外壳 接地或安全接地 另外一种接地是为电路工作提供一个公共的电位参考点 这种接地称为工作接地 1 外壳接地是真正的接地 要实实在在地与大地连接 以使漏到机壳上的电荷能及时泄放 到地球上去 这样才能确保人身和设备的安全 外壳接地的接地电阻应当尽可能的低 因此在材料 及施工方面均有一定的要求 外壳接地是十分重要的 但实际上往往又为人们所忽视 2 工作接地 工作接地是为电路工作需要而进行的 在许多情况下 工作地不与设备外壳相连 因此工作地 的零电位参考点相对地球的大地是浮空的 所以也把工作地称为 悬浮地 3 1 3 来自信号通道的干扰 为达到数据采集或实时控制的目的 开关输入 输出 模拟量输入 输出是必不可少的 在工 业现场 如果被控制对象是一个强干扰源 如可控硅 电焊机等 控制系统可能根本无法正常工 作 因此 在设计系统时 要对信号通道实行良好抗干扰措施 才能保证系统的稳定运行 1 信号线用双芯互绞屏蔽电缆 以减少空间交变电磁场的影响 为了经济起见 开关量的 输入 输出线可只使用双绞线 2 用光耦隔离 光电隔离的目的是割断两个电路的点联系 使之相互独立 从而也就割断了噪声从一个电路进 入另一个电路的通路 光电隔离是通过光电耦合器实现的 光电耦合器是把一个发光二极管 例如 砷化嫁发光二极管 和一个光敏三极管封装在一个外壳里的期间 输入信号使发光二极管发光 起 光线又使光敏三极管产生电信号输出 从而既完成了信号的传递又实现了电气上的隔离 光点耦合 的响应时间一般不超过几个微妙 使用光耦合器可同时实现隔离和电平转换两个功能 3 物理隔离 物理隔离是指对小信号低电平的隔离 其信号连线应尽量远离高电平大功率的导线 以减少噪 声和电磁场的干扰 为了实行物理隔离 即使在同一设备的内部也应该把这两类信号导线分开走线 远距离走线时 更应注意把信号电缆和功率电缆分开 并保持一定的距离 必要时还可以用钢管把 他们分别套起来 以增加屏蔽效果 3 1 4 来自空间的干扰 空间干扰主要是指电磁场在线路 导线 壳体上的辐射 吸引与调剂 干扰来自应用系统的内 部和外部 电源线是无线电波的媒介 而电网中有脉冲源工作时 它又是辐射天线 因而任意线路 导线 壳体等在空间均同时存在辐射 接收 调制 高频电源 交流电源 强点设备产生的电火花 甚至雷电 都能产生电磁波 从而成为电磁干 扰的噪声源 当距离较进时 电磁波会通过分布电容和电感耦合到信号回路而形成电磁干扰 当距 离较远时 电磁波则以辐射形式构成干扰 严格说来 连单片机使用的振荡器 也是电磁干扰的薄弱环节 这一方面是由于振荡器本身就 是一个电磁干扰源 同时也由于它又极易受其它电磁干扰的影响 破坏单皮机的正常工作 以金属板 金属网或金属盒构成的屏蔽体能有效地对付电磁波的干扰 屏蔽体以反射方式和心 音方式来削弱电磁波 从而形成对电磁波的屏蔽作用 对付低频电磁波干扰的最有效的方法是选用 高导磁材料做成的屏蔽体 使电磁波经屏蔽体壁的低磁阻磁路通过 而不影响屏蔽体内的电路 屏 蔽电场或辐射场时 选铜 铝 钢等导电率高的材料做屏蔽体 3 1 5 反生电势 前面所提的多是外部干扰对电路的影响 以外 在单片机的应用系统中 常使用诸如继电器 电动机 电磁阀等具有较大电感量的元件或设备 当电感回路的电流被切断时 会产生很大的反电 势而形成噪声干扰 这种噪声不但能产生电磁场干扰其它电路 甚至还可能击穿电路中晶体管之类 的器件 对于反电势干扰 可采用如下措施加以抑制 1 如果通过电感线圈的是直流电流 可在线圈两端并连二极管和稳压管 如图 3 3a 所示 稳定工作时 并连支路被二极管阻断而不起作用 当三极管 T 由导通变为截止时 在电感线圈 而端两端产生反电势 e 此电势可在并联之路中流通 因此 e 的幅值被限制在稳压管 DW 的工作范 围之内 并被很快消耗掉 从而抑制了反电势的干扰 1 如果把稳压管换为电阻 同样可以达到抑制反电势的目的 因此也使用于直流驱动线圈 的电路 在这个电路中 电阻的阻值范围可以从几欧到几十欧姆 阻值大小 反电势衰减慢 而阻 值太大又会增大反电势的幅值 2 反电势抑制电路也可由电阻和电容构成 如图 3 3b 所示 适应选择 R C 参数 也能获 得较好的耗能效果 这种电路不仅适用于交流驱动的线圈 也适用于直流驱动的线圈 3 2 软件抗干扰措施 控制系统在工业现场使用时 大量的干扰源虽不能造成硬件系统的损坏 但常常使系统不能正 常运行 致使控制失灵 造成大事故 系统的抗干扰不可能完全依靠硬件解决 因此 软件抗干扰 问题的研究愈来愈引起人们的重视 3 2 1 干扰对系统造成的故障 3 2 1 1 数据采集误差加大 干扰侵入控制系统的前向通道 叠加在信号上 致使数据采集误差加大 特别是前向通道的传 感器接口是小电压信号输入时 此现象更加严重 例如 将双积分 A D 转换器用语精密的电压测量 中 常见有工频电网电压的串模干扰 严重时 会出现干扰信号淹没被测信号的情况 要消除这种 串模干扰 从原理上说只要选取采样周期等于工频周期整数倍 工频干扰将在采样周期内自相抵消 而不影响测量结 使得工频串模干扰抑制能力为无限大 但实际测量中工频信号频率是波动的 必 须设法使采样周期与波动的工频干扰电压周期保持整数倍 要获得较好的引致效果 硬件电路十分 复杂 所以可采用软件来抑制工频干扰 3 2 1 2 控制受干扰发生变化 一般控制状态的输出多半是通过控制系统的后向通道 由于控制信号输出较大 不易直接受到 外界干扰 但是 在微机控制系统中 控制状态输出常常是依据某些条件状态的输入和条件状态的 逻辑处理结果 在这些环节中 由于干扰的侵入 都会造成条件状态偏差 失误 致使输出控制误 差加大 甚至控制失常 3 2 1 3 数据受干扰发生变化 控制系统中 由于 RAM 是可以读 写的 因此 就有可能在干扰的侵害下 RAM 中数据发生串 改 在单片机系统中 程序及表格 常常 常数皆存放在 ROM 中 虽然避免了程序指令及表格 常 数受干扰破坏 但片内 RAM 外部扩展 RAM 以及片内各种特殊功能寄存器等状态都有可能受外来干扰 而变化 根据干扰窜入渠道 受干扰的数据性质不同 系统受损坏的状况不同 有的造成数值误差 有的使控制失灵 有的改变程序状态 以后的改变某些部件 如定时器 计数器 串行口等 的工 作状态等 例如 MCS51 单片机的复位端 RESET 没有特殊抗干扰措施时 干扰侵入复位端后 虽 然不易造成系统复位 但会使单片机片内特殊功能寄存器状态变化 导致系统工作不正常 3 2 1 4 程序运行失常 在微机系统受到干扰后 造成程序计数器 PC 值的改变 破坏了程序的正常运行 而 PC 值被干 扰后的数据是随机的 因此引起程序混乱 在 PC 值的错误引导下 程序执行一系列毫无意义的指 令 最后常常进入一个毫无意义的 死循环 中 使输出严重混乱或系统失去控制 3 2 2 软件抗干扰的前提条件 软件抗干扰就是属于微机系统的自身防御行为 采用软件抗干扰的最根本的前提条件是系统中 抗干扰软件不会因干扰而损坏 在单片机应用系统中 由于程序及一些重要常数都放置在 ROM 中 这就为软件干扰创造了良好的前提条件 因此 软件抗干扰的设置前提条件概括为 1 在干扰的作用下 微机系统硬件部分不会受到任何损坏 或易损坏部分设置有监测状态 可供查询 2 程序区不会受干扰侵害 系统的程序及重要常数不会因干扰侵入而变化 对于单片机系 统 程序及表格 常数均固化在 ROM 中 这一条件自然满足 而对于一些在 RAM 中运行用户应用程 序的微机系统 无法满足这下条件 当这种系统因干扰造成运行失常时 只能在干扰过后 重新向 RAM 区调入应用程序 3 RAM 区中的重要数据不被破坏 或虽被破坏 也可以重新建立 通过重新建立的数据 系统的重新运行不会出现不可允许的状态 例如 在一些控制系统中 RAM 中的大部分内容是为了 进行分析 比较而临时寄存的 即使有一些不允许丢失的数据也只占极少部分 这些数据被破坏后 往往只引起控制系统一个短期波动 在闭环反馈环节的迅速纠正下 控制系统能很快恢复正常 这 种系统都能采用软件恢复 3 2 3 数据采集误差的软件对策 根据数据采集时干扰性质 干扰后果的不同 采取的对策也没有固定的对策模式 例如 对于 前述的工频电网电压的串模干扰 采用工频整形采样 软件自动校正工频串模干扰的误差 代替了 工频电压整形采样减法或锁相频率自动跟踪法的硬件对策 可取得良好的效果 在一般数据采集系 统中 人们常采用一些简单的数值 逻辑运算处理来达到滤波的效果 3 2 3 1 算术平均值法 对一点数据连续采样多次 计算其平均值 以其平均值作为该点采样结果 这种方法可以减少 系统的随机干扰对采集结果的影响 一般取 3 5 次平均即可 3 2 3 2 比较舍取法 当控制系统测量结果的个别数据存在偏差时 为了剔除个别错误数据 可采用比较舍取法 即 对每个采样点连续采样几次 根据所采数据的变化规律 确定舍取办法来剔除偏差数据 例如 采三取而 即对每个采样点连续采样三次 取辆次相同数据为采样结果 3 2 3 3 中值法 根据干扰造成采样数据偏大或偏小的情况 对一个采样点连续采集多个信号 并对这些采样进 行比较 取中值作为该点的采样结果 3 2 4 控制状态失常的软件对策 在大量的开关量控制系统中 人们关注的问题是能否确保正常的控制状态 如果干扰 系统 会影响各种控制条件 造成控制输出失误或者直接影响输出信号造成控制失误 为了确保可以采取下述软件抗干扰措施 3 2 4 1 设置检程序 在计算机内的特定部位或某些内存单元设状态标志 在开机后 运行中不断循环测试 以保证 系统中信息存储 传输 运算的高可靠性 3 2 4 2 及时修正 设置当前输出状态寄存单元 当干扰侵入输出通道成输出状态破坏时 系统能及时查询寄存单 元的输出状态信息 及时纠正输出状态 3 2 5 程序运行失常的软件对策 系统受到干扰侵害 致使 PC 值改变 造成程序运行失常 导致程序飞出 PC 值指向操作数 将操作数作为指令码执行 PC 值超出应用程序区 将非程序区中的随机数作为指令码运行 不管 何种情况 造成程序的盲目运行 最后由偶然巧合进入死循环 数据区及工作寄存器中数据破坏 程序的盲目运行 将随机数作为指令运行的结果不可避免地 会盲目地执行一些存储器读写命令而造成其内部数据的破坏 例如 MSC51 单片机 当 PC 值超出芯 片地址范围 当系统扩展小于 64K CPU 获得虚假数据 FFH 对应地执行 MOV R7 A 指令 造成 工作寄存器 R7 内容变化 对于程序运行失常的软件对策主要是发现失常状态后及时引导系统恢复始状态 我们可以采用 如下的一些方法 1 加硬件看门狗 它是最有效的方式 通过单片机外接监控电路纠正错误 我们将在下一节详细说明它的工作 2 设置监视跟踪定时器 纯软件的方法也可实现系统监视 使用定时中断来监视呈现运行状态 定时器的定时时间稍大 于主程序正常运行一个循环的时间 而在主程序运行过程中执行一次定时器时间常数刷新操作 这 样 只要程序正常运行 定时器不会出现定时中断 而当程序失常 不能刷新定时器时间常数而导 致定时中断 利用定时中断服务程序将系统复位 3 设置软件陷阱 当 PC 失控 造成程序 乱飞 而不断进入非程序区 只要在非程序区设置拦截措施 使程序 进入陷阱 然后强使程序进入初始状态 对于 MC 系列单片机 则可利用 LJMP 0000H 和 JB bit rel 指令 在非程序区反复用 0200000020000000 H 填满 这样 不论 PC 失控后 指向那一字节 最后都能导致程序回到复位状态 也可用 020202 填满并在 0202 地址上加一条 指令 LJMP add16 这样拉截的程序将转至 add16 人口地址 第四章 系统调试 4 1 功能调试 4 1 1 电路板调试 电路板调试的重点是检查电路板在设计 制作和原器件焊接中有无差错 最常见的毛病是设计 时未考虑到的布局问题 制作中的质量问题 过孔中断 线路腐蚀不彻底等 焊接中的短路和远 件放置错误等问题 解决了这些问题后 才能放心地加电调试 4 1 2 基本功能调试 通过功能调试 实现电路的基本功能 这是电路调试中最复杂最重要的一步 所以需要注意许 多问题 首先电路的最初设计考虑会与实际的情况不一致 需要对原来的电路设计进行修改 例如 在 数字信号输入电路设计时 采用了如图 4 1 上方电路 相当于给 74244 的输入脚与电源之间接上 了一个开关 其通断电输入控制 但实际上无论有无信号输入 每次控制器读 74244 时都为全 1 测量发现无信号时 74244 的输入脚任有 2 伏左右的电压 原来 74244 有非常高的输入电阻 而光耦 输出三极管关断时的电阻值与其相当 所以分压后仍有电压输入 在 74244 的输入端并接一个几 K 的电阻后就能正常读取输入了 这虽然是一个简单的问题 在电路中却经常会遇到类似的问题 图 4 1 一个调试修改的实例 其次 调试使用的仪器也会主生一些问题 使得需要改变原来的设计 例如我们使用的单片机仿 真器 由于它使用 8051 作为控制器 程序都存放在片外 它要用 p0 p2 口作为数据地址总线 因此它 不可能完全仿真程序放在片内的 89C52 原先设计用 p0 p2 口做通用控制口的想法在使用仿真器时 就不能实现 第三要安排好调试的顺序 如本控制器中的蜂鸣器 和液晶示器可最先调试 它们调好后 可作为 其他部分调试的输出显示 使调试更容易 而看门狗电路应放在最好后调试 因为在调试的最初阶段 打开看门狗 会给调试带来一些异常情况 不必要地增加调试难度 第四应先编写测试小程序 一开始就编写完整的控制程序是不是明智的 分别成子显示器 存储 器 时钟的读写测试程序 在检验正确后 将它们改写成子程序 以便后来的程序编写 第五同其他设备联调 酸碱度传感器和溶解氧传感器的输出为 4 20mA 的电流信号表示测量值 电器工作电流隔传感器则输出 0 10mA 低电流表示 0 30A 的输入电流 由于每个传感器的输出都不 是完全一致的 A D 变换后的值也不一样 所以需要联合调试 控制器得到正确的值 第六电路脚的悬空状态对电路调试有很大的影响 特别是使用数字万用表测量电压时 由于其 输入阻抗很大 对感信号敏感 在实测中一根悬空的管脚上竟有二十多伏的电压 有时还是负的 给调试带来了许多问题因此对于未使用的器件管脚最好能接在固定电平上 这样也可以减少干扰 4 2 故障处理调试 故障处理调试主要是调试控制器在非常情况下的处理能力 为了进行故障处理的调试要先人制 造故障 以便检查控制器的工作 用一可变稳压电源作为控制器电调试电源故障时控制的动作 编写 一个测试程序 由接键触发 使程序故意进入死循环 可检测看门狗电路可否自动