李文聯(lián)，付述龍, ，李金鵬，邱倩文，張 賽

?

基于STC12C5A60S2的VOC采樣罐清洗系統(tǒng)設計

李文聯(lián)1，付述龍1, 2，李金鵬2，邱倩文2，張 賽2

(1. 湖北文理學院 物理與電子工程學院，湖北 襄陽 441053；2. 武漢工程大學 電氣信息學院，湖北 武漢 430205)

近年來，揮發(fā)性有機化合物(VOC)的污染是繼 PM2.5、SO2、NOx和氟利昂后成為世界各國關注的又一焦點. 現(xiàn)在國內外監(jiān)測VOC的方法普遍固定，都是將VOC采樣罐放在環(huán)保局、學校、各地環(huán)境監(jiān)測站，進行常年定時監(jiān)測，采樣罐每次使用完畢需要及時進行徹底清洗，所以設計VOC清洗系統(tǒng)是有必要的. 文章設計的VOC采樣罐清洗系統(tǒng)是基于STC12C5A60S2單片機的，控制器以工業(yè)液晶顯示屏方式顯示溫度值、壓力值、清洗狀態(tài)、清洗時間、清洗次數(shù)，有加熱器、溫度傳感器、壓力傳感器對溫度、壓力進行實時采樣，用戶可通過按鍵自行設定系統(tǒng)參數(shù). 通過搭建實驗平臺，液晶顯示屏實時顯示各項參數(shù)，表明采樣罐清洗系統(tǒng)是穩(wěn)定可靠的.

環(huán)境監(jiān)測；VOC采樣罐；真空泵；STC單片機

近年來，揮發(fā)性有機化合物(Volatile Organic Compounds，以下簡稱VOC)的污染是繼 PM2.5、SO2、NOx和氟利昂后成為世界各國關注的又一焦點[1]. 我國對VOC監(jiān)測和控制研究起步、發(fā)展時間短、技術比較落后，相關產(chǎn)品更是一個空白[2]，因此開發(fā)產(chǎn)品、改進和提高技術至關重要. 現(xiàn)在國內外監(jiān)測VOC的方法普遍固定，都是將VOC采樣罐放在環(huán)保局、學校、各地環(huán)境監(jiān)測站、進行常年定時監(jiān)測，當采樣罐每次使用完，需要及時對采樣罐進行徹底清洗，所以設計VOC清洗系統(tǒng)是有必要的.

本文設計了一種基于STC12C5A60S2單片機的VOC采樣罐清洗系統(tǒng)，它可以將溫度、壓力傳感器采集到的溫度、壓力信號轉換為電信號，并送到微處理芯片中進行信號處理，控制電磁閥的通斷和繼電器的開合，并通過工業(yè)液晶顯示屏LCD對罐內溫度、壓力實時顯示. 并可以手動或自動設定清洗次數(shù)、清洗時間，充、抽氣時間，PID算法應用在該系統(tǒng)中，比較精準的把溫度、壓力控制在設定值附近.

1 VOC采樣罐清洗系統(tǒng)的功能與技術指標

采樣罐清洗系統(tǒng)根據(jù)功能需求，設計開發(fā)時需要滿足技術指標為：系統(tǒng)總容量可以是12個6L采樣罐，或24個3.2L采樣罐，或72個850ml采樣罐；采樣罐烘箱運行環(huán)境溫度~±120℃；采樣罐壓力值要求在-20mmHg以內；溫度控制精度±0.5℃；壓力控制精度在±1%F.S. 真空度為20mtorr.

圖1 VOC采樣罐清洗系統(tǒng)總體框圖

2 VOC采樣罐清洗系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能

VOC采樣罐清洗系統(tǒng)主要實現(xiàn)功能：對溫度、壓力信號的采集、信號實時處理和顯示、數(shù)據(jù)存儲、液晶顯示、控制電磁閥和繼電器的動作. 系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示. 系統(tǒng)主要包括以下幾個部分：溫度采集部分、壓力采集部分、電源部分、時鐘部分、存儲部分、液晶顯示部分、電平轉換部分、電磁閥和繼電器部分. 首先通過溫度傳感器和壓力傳感器將采集到的信號送到MCU中進行處理，電源模塊電路中的各個部分供電，串口液晶顯示屏實時顯示采樣罐的溫度、壓力值；抽、充氣狀態(tài)；清洗次數(shù)等參數(shù). 最后控制電磁閥的開合以及繼電器的通斷，進而控制閥體和泵的動作.

3 VOC采樣罐清洗系統(tǒng)硬件設計

整個系統(tǒng)硬件包含以下幾個部分：單片機控制部分、電源控制部分、溫度壓力采集部分、程序存儲器擴展部分、電磁閥控制部分、繼電器控制部分、液晶顯示部分等. 系統(tǒng)的核心是單片機.

溫度傳感器用PT100溫度傳感器測量溫度以及SMC壓力傳感器測量壓力[3]. 溫度、壓力傳感器實時采集罐內的溫度、壓力值送到MCU中進行處理，并在液晶顯示屏實時顯示，控制器部分主要以STC12C5A60S2單片機作為核心控制芯片，對數(shù)據(jù)進行實時處理，控制各個部分的動作；時鐘電路部分選擇的是 DS1302ZN 芯片，為電路提供穩(wěn)定的時鐘信號；EE2PROM 選擇的是X5325芯片，它作為片外的程序存儲器，擴展了程序存儲器空間. 電平轉換模塊選擇的是MAX232EEWE芯片，可以把輸入的電平轉換為+5V和+3.3V，送入到電路中各個部分中，工業(yè)液晶顯示屏選擇的是迪文科技公司的串口工業(yè)液晶顯示屏，實時顯示罐內溫度、壓力以及清洗次數(shù)、清洗時間，充、抽氣時間等參數(shù). 電磁閥接口電路如圖2所示，繼電器接口電路如圖3所示.

圖2 電磁閥接口電路

圖3 繼電器接口電路

圖4 VOC采樣罐清洗系統(tǒng)硬件設計圖

電源部分選擇的是WD3-5WA1、WD3-6WE2E7、KW2-E3；第一個電源模塊為主控芯片STC12C5A60S2、時鐘DS1302ZN、電平轉換芯片MAX232EEWE、EE2PROM芯片X5325提供+5V工作電壓. 第二個電源模塊為PT100溫度傳感器、SMC壓力傳感器提供12V的工作電壓. 第三個電源模塊為液晶顯示屏、固態(tài)繼電器提供12V的工作電壓. 外圍電路包括電磁閥電路，10K電阻起限流作用，通過光耦實現(xiàn)電氣隔離，用MOS管Q14IRF540的開合控制電磁閥的通斷. 繼電器選擇的是SSR-380D40固態(tài)繼電器.繼電器的通斷繼而控制泵的動作. VOC采樣罐清洗系統(tǒng)硬件設計圖如圖4所示.

4 VOC采樣罐清洗系統(tǒng)軟件設計

軟件設計包括軟件的結構設計，數(shù)據(jù)設計，接口設計和過程設計. 軟件設計包括主函數(shù)設計，串口程序設計，AD程序設計，同步串行外圍SPI接口以及LCD界面人機交互程序設計等[5]. 目的是使采樣罐不斷重復抽真空和充氣流程，通常重復3次，使得罐內壓力達到20mtorr. 則認為采樣罐清洗完成(采樣罐結構如圖5所示). 其流程如下：

采樣罐抽真空流程：1)先讓采樣罐保持在24.7psi壓力再打開電磁閥4再安全閥4放空(到采樣罐內壓力約為14.7psi、與環(huán)境空氣壓力相近)再關閉電磁閥4再初級泵抽氣到2psi，高、初級泵共同抽氣到50mTorr并顯示)，完成抽真空程序；2)用一個真空泵，從采樣罐放空到環(huán)境壓力抽到壓力表顯示-30inHg(-760mmHg)很快，此時僅僅是抽管路的真空，然后mTorr壓力表開始降壓，泵開始冒氣，這時開始抽采樣罐內的氣，按3次抽真空操作才能從1000mTorr到50mTorr一下(從1000到200到100到50以下mTorr)，大約10min，然后開始充N2；3)所有電磁閥全部關閉，泵將采樣罐壓力從14.7psi壓力抽到50mTorr一下；4)打開電磁閥1，重新啟動加濕充氣流程；5)先抽氣再充氣循環(huán)3次，基本可以完成清洗；如果采樣罐污染較重，可以增加循環(huán)次數(shù)；6)當安裝兩個真空泵時，先啟動初級真空泵，抽氣采樣罐壓力到2psi，然后高級真空泵啟動，兩個泵共同將采樣罐內壓力抽到50mTorr以下.

圖5 采樣罐結構圖

采樣罐充氣流程：1)N2鋼瓶出口壓力30psi；2)壓力設定閥10psi，設定好后不改變(控制采樣罐的充氣最大壓力)；3)電磁閥1后面的1psi安全閥1是控制進入加濕器的氣體壓力為1psi；4)加濕器出口氣路上的安全閥2是有側孔的安全閥，壓力大于1psi，氣體會從側孔排出；5)N2然后一直進入采樣罐，壓力最大10psi，因為鋼瓶后面的壓力設定閥的壓力是10psi；6)加濕時，由于受到1psi安全閥壓力的限制，采樣罐內實際壓力只有15.7psi；關閉電磁閥1，打開電磁閥2，用干N2繼續(xù)充氣，才能使采樣罐的實際壓力達到24.7psi，完成充氣程序；7)當采樣罐前氣路中壓力大于20psi時，20psi安全閥3打開排氣降壓.

實時監(jiān)控顯示界面程序主要實時顯示溫度、壓力的采集信息和時間信息，并與 E2PROM 芯片中設定的初值進行比較，實現(xiàn)語音報警功能.開始階段溫度、壓力傳感器把采集到的溫度、壓力信息送入MCU中處理，并在LCD上實時顯示.在液晶屏的設置中需要和按鍵4相配合，短按鍵可以讓語音報警解除；長按鍵就可以擦除E2PROM 芯片X5325中的數(shù)據(jù). 其中實測溫度與實測壓力都會實時的與設定的限值進行比較，溫度與壓力過高或過低都會提示報警，整個過程都在不斷刷新并實時顯示在LCD上.

5 結論

本系統(tǒng)通過搭建實驗平臺，液晶顯示屏實時顯示各項參數(shù)，驗證了采樣罐清洗系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，取得了較好的效果：1)此系統(tǒng)將各個模塊集成到一起，集成度高，控制效果良好，并用無油真空泵代替油泵，抽速大；2)開發(fā)過程中，提高了儀器的控制精度，溫度控制精度達到±0.5℃，壓力精度達到±1%F.S.；3)此系統(tǒng)采用自動控制系統(tǒng)對采樣罐進行自動清洗比手動清洗效率高，節(jié)省了人力成本；4)經(jīng)測量對采樣罐的VOC的清洗效率達到99%，采樣罐的真空度達到20mtorr，達到了清洗的目的.

[1] 李 潔. VOC廢氣處理的技術進展[C]//中國環(huán)境保護優(yōu)秀論文集. 2005, 3(2): 63-66.

[2] 王麗燕, 王愛杰, 任南琪, 等. 有機廢氣(VOC)生物處理研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 哈爾濱工業(yè)大學學報, 2004(6): 732-735.

[3] 張國華. 揮發(fā)性有機物控制技術現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 當代石油石化, 1994(5): 40-44.

[4] 李志松, 蔡復禮. 工業(yè)廢水處理裝置中的廢氣治理技術[J]. 環(huán)境科學研究, 1998(2): 53-57.

[5] 周玉昆. 揮發(fā)性有機化合物的污染控制技術[J]. 化工環(huán)保, 1993(4): 199-202.

Design and Research of VOC Canister Cleaning System

LI Wenlian1, FU Shulong1, 2, LI Jinpeng2, QIU Qianwen2, ZHANG Sai2

(1. College of Physics and Electronic Engineering, Hubei University of Arts and Science, Xiangyang 441053, China; 2. College of Electronic and Information Engineering, Wuhan Institute of Technology, Wuhan430205, China)

Much attention is paid to the pollution of volatile organic compounds (VOC) in recent years. It is necessary to rinse the sampling kits thoroughly. Based on SCM STC12C5A60S2 , it designs a cleaning system for VOC canister. The controller displays temperature, pressure, cleaning status, cleaning time, cleaning times on the LCD. There are heaters, temperature sensors, pressure sensors for real-time sampling, and the user can set parameters the by pressing a button. It shows that this system is stable and reliable.

Environmental monitoring; VOC canister; Vacuum pump; STC SCM

2014-03-19

李文聯(lián)(1956— ), 男, 湖北襄陽人, 湖北文理學院物理與電子工程學院教授, 武漢工程大學兼職碩士生導師, 主要研究方向: 電子技術與計算機應用;付述龍(1988— ), 男, 湖北黃石人, 湖北文理學院與武漢工程大學聯(lián)合培養(yǎng)碩士研究生.

TN47

A

2095-4476(2014)08-0019-04

(責任編輯：饒 超)