鐘光林　廣東省機械高級技工學校

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基于單片機的游池水處理系統(tǒng)的電控模塊設(shè)計

鐘光林廣東省機械高級技工學校

【文章摘要】

基于單片機設(shè)計一款具備按鍵輸入、直接驅(qū)動交流接觸器線圈并有小型液晶面板顯示的控制模塊，實現(xiàn)傳統(tǒng)按鈕啟停控制方式缺乏的靈活性和遠程控制。本文主要介紹電控模塊硬件系統(tǒng)的設(shè)計，輸入信號的處理，輸出軟件、硬件驅(qū)動的方案。

【關(guān)鍵詞】

水處理;單片機;電控改造;控制模塊;交流接觸器

0　背景

目前游泳池水處理系統(tǒng)的電氣設(shè)備采用的是傳統(tǒng)啟停按鈕控制的方式，對各用電設(shè)備泵、電機等進行分立的老式控制的電路。在電控過程中產(chǎn)生以下不足之處：一、傳統(tǒng)控制方式對每一路設(shè)備都需要配備一套啟停的電氣材料，當設(shè)備越多，所用的材料也成套相應(yīng)增加；二、相對分散的控制線路，存在線路多，制作時間長；三、控制不靈活，缺乏遠程控制的能力。針對以上問題，設(shè)計一款具有低成本、高集成等優(yōu)勢的電控模塊，滿足在不同天氣、不同營業(yè)段所需的最佳泳池經(jīng)濟效果，更加符合無人值守，全天候運行的工作環(huán)境。

圖1　泳池水處理工藝流程圖

圖2　系統(tǒng)控制框圖

1　系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

1.1游泳池水處理系統(tǒng)

泳池水處理系統(tǒng)包括：一、水循環(huán)過濾系統(tǒng)：由循環(huán)水泵（6臺，每4小時切換工作），毛發(fā)過濾器，過濾砂缸（3組）組成。二、由消毒劑加投（計量泵）、稀鹽酸加投（計量泵）、混凝劑加投（計量泵）組成的水質(zhì)檢測及消毒系統(tǒng)。三、水加熱系統(tǒng)：管加熱器、溫度儀和伺服控制器組成。四：設(shè)備開關(guān)及故障信息、浮球類液面等開關(guān)量。

該泳池水處理工藝過程中，需獲取開關(guān)量輸入信號18點和輸出信號16點，模擬量輸入信號5個量和輸出信號1個量，是涉及多組開關(guān)量、模擬量，多種自動檢測儀，伺服控制器的。相對的傳統(tǒng)啟停按鈕控制方式，設(shè)計單片機為核心的電控模塊則有優(yōu)越的控制優(yōu)勢。

1.2電控模塊系統(tǒng)設(shè)計

1.2.1硬件系統(tǒng)設(shè)計

硬件設(shè)計方案：在系統(tǒng)設(shè)計的過程充分考慮性價比，選用價格低、微功耗、性能穩(wěn)定的元器件。系統(tǒng)配置為：宏晶STC12C5604AD，帶8*8健的智能控制芯片HD7279A，LCD5110液晶顯示器,輸入輸出控制芯片TM1637，地址鎖存器74LS373DW，光電耦合器件TLP521-1，PNP型三極管，穩(wěn)壓管等電子元器件。

其中，單片機作為主要控制器，用戶可通過帶8*8鍵的智能控制芯片設(shè)定或編程工作狀態(tài)的參數(shù)，在液晶顯示器上顯示其工作范圍及狀態(tài)。經(jīng)壓力、溫度、濁度等儀器和現(xiàn)場開關(guān)量的信息采集，由驅(qū)動專用控制芯片輸入到單片機分析處理，輸出信號到鎖存器，由放大電路驅(qū)動繼電器來控制管加熱器、平衡水箱、循環(huán)清洗、過濾沙缸等電機和各種計量泵的動作。

1.2.2輸入信號模塊的處理

水質(zhì)檢測及消毒系統(tǒng)和水加熱系統(tǒng)是通過檢測儀器傳送而來的模擬量檢測信號，分析比較用戶設(shè)定的水質(zhì)標準、溫度的控制量，從而輸出驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)。例如水加熱系統(tǒng)是利用溫度儀采集到游泳池中當前水溫，用戶可通過按鍵設(shè)定一個溫度范圍（標準游泳池水溫為25°C到28°C之間），將池水溫度數(shù)據(jù)與所設(shè)置溫度定值進行比較。當水溫低于設(shè)置溫度，該系統(tǒng)控制加熱系統(tǒng)對游泳池內(nèi)水進行加熱。溫度到達設(shè)置值內(nèi)，加熱停止，當水溫高于設(shè)置溫度，該系統(tǒng)控制加熱系統(tǒng)停止加熱。現(xiàn)就以溫度儀為例，分析說明模擬量的輸入信號的處理方法：

該系統(tǒng)的模擬量變送器輸出標準電信號范圍是4~20mA電流，需要對輸入電流進行A/ D轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換為單片機內(nèi)部的信號標準值6400~32000。設(shè)模擬量的標準電信號是A，A/D轉(zhuǎn)換后的相應(yīng)數(shù)值為D，由于是線性關(guān)系，函數(shù)關(guān)系A(chǔ)＝f（D）可以表示為數(shù)學方程：

A＝（D－D0）×（Am－A0）/（Dm－D0）＋A0。

根據(jù)該方程式，可以方便地根據(jù)D值計算出A值。將該方程式逆變換，得出函數(shù)關(guān)系D ＝f（A）可以表示為數(shù)學方程：

D＝（A－A0）×（Dm－D0）/（Am－A0）＋D0。

經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，我們得到的數(shù)值是6400~32000，即A0＝4，Am＝20，D0 ＝6400，Dm＝32000，代入公式，得出：

A＝（D－6400）×（20－4）/（32000－6400）＋4（1）

溫度儀的0℃~60℃與電流4~20mA相對應(yīng)，設(shè)置最低溫度為25°C為T，根據(jù)公式（1）和比例圖關(guān)系，得出刻度值為12800，模擬電信號是6400×16/25600＋4＝8mA。最后通過單片機進行處理，通過LCD5110液晶顯示以串行口數(shù)據(jù)顯示實時水溫直接顯示溫度值T。

1.2.3輸出驅(qū)動的軟件及硬件設(shè)計

軟件實現(xiàn)部分采用模塊參數(shù)化設(shè)計，建立底層控制專用函數(shù)，項目設(shè)計師只需在KEIL軟件環(huán)境下進行簡單的操作，即可完成不同系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)。以TM1637輸出控制為例，建立TM1637_out.h，應(yīng)用中只需添加#include ，所有初始化工作將由底層函數(shù)自動完成，而不需要設(shè)計師重新設(shè)計即可對TM1637通過參數(shù)的形式實現(xiàn)各種操作，所有輸出內(nèi)容只需調(diào)用TM1637_out.h中驅(qū)動函數(shù)。

在繼電器驅(qū)動模塊中，當鎖存器三態(tài)允許控制端 OE 為低電平時，Q0～Q7為正常邏輯狀態(tài)時，鎖存狀態(tài)。使用TLP521-1型的可控制光電耦合器件進行電路之間的信號傳輸，通過PNP型三極管放大電路來放大輸入電流進行直接驅(qū)動DC5V繼電器KA1,由KA1控制接觸器線圈的工作。

圖3　溫度刻例度值換算比例圖

圖4　繼電器驅(qū)動模塊

2　結(jié)論

本文介紹了傳統(tǒng)的電控模塊難于實現(xiàn)的功能進行重新設(shè)計，此基于單片機電控模塊經(jīng)調(diào)試能滿足所需的要求，可計算機或無線遙感進行遠程控制，一款74LS373DW可同時驅(qū)動多達8個線圈，實現(xiàn)了高集成。而且模塊價格低廉，遠遠比一套分立式的啟?？刂齐娐繁阋耍蟠蠊?jié)省了成本的投入，獲得用戶一致好評。

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【參考文獻】