張 濤

(吉林化工學(xué)院 航空工程學(xué)院，吉林 吉林 132022)

利用ATmega16實(shí)現(xiàn)沉淀池泥漿自動(dòng)回收

張 濤

(吉林化工學(xué)院 航空工程學(xué)院，吉林 吉林 132022)

在煉鋼等工業(yè)生產(chǎn)中會(huì)產(chǎn)生大量煙塵，經(jīng)除塵系統(tǒng)處理后，沉淀含鐵的泥漿需再次回收。為了使沉淀池內(nèi)泥漿在一定深度時(shí)自行回收，結(jié)合唐鋼泥漿處理過(guò)程開(kāi)發(fā)了超聲波檢測(cè)自動(dòng)回收系統(tǒng)。利用Atmega16單片機(jī)和超聲波穿透性強(qiáng)的特點(diǎn)，檢測(cè)超生波回波并計(jì)算發(fā)射和接收到回波的時(shí)間差，由此判斷泥漿厚度是否到達(dá)排放的位置，從而給操作人員提示或自動(dòng)控制電機(jī)回收。此檢測(cè)方法避免了過(guò)早排放泥漿或泥漿堆積的情況，解決了定時(shí)排放泥漿的不準(zhǔn)確性。

液體超聲波傳感器； 沉淀池泥漿； AVR單片機(jī)

0 引 言

在眾多的工業(yè)生產(chǎn)中，如石油處理、煉鋼煉鐵、污水處理等，都需要對(duì)沉淀的泥漿進(jìn)行處理，有的泥漿需要回收再利用，有的泥漿需要環(huán)保處理后再排放。因此,回收泥漿成為工業(yè)生產(chǎn)中必不可少的一項(xiàng)工作。煉鋼過(guò)程中生成的碳與吹氧發(fā)生反應(yīng)，生成CO，隨爐氣排出，這部分爐氣稱(chēng)為轉(zhuǎn)爐煤氣[1]。轉(zhuǎn)爐煤氣經(jīng)過(guò)洗滌器進(jìn)行除塵和降溫，通過(guò)脫水器排出，即為轉(zhuǎn)爐除塵廢水。轉(zhuǎn)爐除塵廢水污泥含鐵達(dá)70%，有很高的利用價(jià)值，因此需要進(jìn)行污泥的脫水與回收。目前國(guó)內(nèi)多采用定時(shí)法獲得泥漿，在沉淀池處理過(guò)程中可獲得大量可利用的澄清水。當(dāng)沉淀池內(nèi)的泥漿積累到一定高度，表層的漂浮物和雜質(zhì)就會(huì)對(duì)澄清水的純度產(chǎn)生一定的影響，所以需要控制池內(nèi)泥漿積累的深度并及時(shí)抽走。目前國(guó)內(nèi)回收泥漿的方法通常為定時(shí)回收，但由于沉淀的不確定性，往往會(huì)造成過(guò)早排放或泥漿堆積的現(xiàn)象。為解決這一問(wèn)題，本文根據(jù)超聲波傳播特點(diǎn)設(shè)計(jì)了此泥漿回收系統(tǒng)。此系統(tǒng)利用水下超聲波傳感器，可較精確檢測(cè)出泥漿厚度和是否達(dá)到排放位置，可更加有效地回收泥漿和水資源。

1 檢測(cè)原理

超聲波是頻率高于人的聽(tīng)覺(jué)上限(約為20 kHz)的聲波[2]。超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生，頻率高、繞射現(xiàn)象小、方向性好，能夠成為射線(xiàn)而定向傳播[3]。超聲波在液體和固體中比在空氣中穿透能力更強(qiáng)，液體中可穿透距離為幾十m。超聲波還可在碰到雜質(zhì)或阻擋會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成回波[4]。

目前，也有利用超聲波的泥漿檢測(cè)設(shè)備，原理是將超聲波傳感器置于沉淀池水面上方1 m處左右，超聲波自上而下發(fā)射，并在發(fā)送完畢后檢測(cè)回波，由于超聲波接觸液面時(shí)將反射部分超聲波；另一部分折射進(jìn)入泥漿，穿過(guò)水層遇到泥漿后會(huì)形成二次反射。而且此種超聲波傳感器適于在空氣中工作，在水中工作能量損失的很大，所以回波接收效果不理想，容易造成誤操作。

超聲波在物質(zhì)中傳播存在衰減，傳播的距離越遠(yuǎn)，能量衰減越大，所以發(fā)送和接收兩個(gè)超聲波探頭之間的距離d不可過(guò)遠(yuǎn)，一般為20～50 cm。檢測(cè)示意圖如圖1、2所示。

圖1 沉淀池內(nèi)超聲波傳感器結(jié)構(gòu)圖

基于上述原因，利用水下液體超聲波傳感器進(jìn)行檢測(cè)成為減小能量損失避免誤操作的有效方法。其工作原理如下：

v=fλ,t=L/v

式中:v為水中傳播速度；f為傳播頻率；λ為超聲波波長(zhǎng)；L為傳播距離；t為傳播時(shí)間。

圖2 超聲波傳感器安裝示意圖

根據(jù)同等距離條件下，超聲波在水和泥漿中傳播時(shí)間不同，可判斷泥漿是否到達(dá)排放位置或排放過(guò)程中是否到達(dá)終止排放位置。

由于超聲波傳感器需要安放在液體中，故需選用防水型傳感器。傳感器工作頻率較空氣傳感器工作頻率有所不同，空氣中超聲波傳感器工作頻率大多為40 kHz，在本系統(tǒng)中則選用1 MHz的液體傳感器，以便于提高檢測(cè)精度和延長(zhǎng)超聲波傳播距離。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1系統(tǒng)硬件

控制系統(tǒng)硬件包括超聲波發(fā)送/接收電路、單片機(jī)程序處理電路、電源電路、串行接口電路、JTAG接口電路、液晶接口電路、LED提示與報(bào)警電路。

超聲波發(fā)送/接收電路由1 MHz超聲波傳感器TCF1M-21T/R1、單片機(jī)Atmega16、超聲波處理芯片CX20106構(gòu)成。TCF1M-21T/R1為液體超聲波傳感器，可在液體中長(zhǎng)期工作，實(shí)物圖如圖3所示。單片機(jī)Atmega16具有內(nèi)部晶振，通過(guò)編程可產(chǎn)生1 MHz震蕩波，再經(jīng)超聲波傳感器發(fā)送，從而構(gòu)成超聲波發(fā)送電路。另一側(cè)的超聲波傳感器接收到超聲波后經(jīng)CX20106處理電路放大、整形，并將信息傳遞給單片機(jī)Atmega16，構(gòu)成了超聲波接收電路，具體器件連接電路見(jiàn)圖4。

圖3 超聲波傳感器TCF1M-21T/R1

圖4 超聲波接收處理電路

單片機(jī)程序處理電路是指以單片機(jī)Atmega16為核心器件，其他外圍電路與之連接關(guān)系的電路，一旦檢測(cè)泥漿到達(dá)排放位置，單片機(jī)發(fā)出指令控制電機(jī)自行排放，排放結(jié)束后可控制電機(jī)終止排放(由于電路圖幅面有限，并沒(méi)有畫(huà)出控制電機(jī)電路),具體情況參考圖5、圖6。

圖5 泥漿排放框圖

圖6 泥漿自動(dòng)排放系統(tǒng)實(shí)物圖

電源電路具有與外部變壓器的接口、接通指示燈，并具備開(kāi)關(guān)，即使與外部變壓器相連也可通過(guò)開(kāi)關(guān)控制電路板是否工作。

串行接口電路是從單片機(jī)引出的串行預(yù)留接口，其主要目的是將單片機(jī)計(jì)算好的超聲波傳遞時(shí)間發(fā)送給PC機(jī)，使得在PC機(jī)上有直觀(guān)的顯示。

JTAG接口電路是單片機(jī)Atmega16程序仿真時(shí)所用的接口。

液晶接口電路是由單片機(jī)控制，通過(guò)其引腳將要顯示的信息傳送給nokia5110液晶顯示模塊，顯示當(dāng)前系統(tǒng)的工作狀態(tài)，如檢測(cè)中、排放開(kāi)始、排放中、排放結(jié)束等。

LED提示與報(bào)警電路也是工作狀態(tài)顯示的一種形式，LED燈和報(bào)警電路的蜂鳴器便于工作人員遠(yuǎn)距離觀(guān)察當(dāng)前系統(tǒng)工作狀態(tài)。

硬件部分可參考實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖，如圖7所示。

2.2系統(tǒng)軟件

軟件運(yùn)行環(huán)境：Windows XP操作系統(tǒng)，編程軟件AVR Studio 4。 軟件功能包括生成1 MHz脈沖波形、超聲波回波計(jì)時(shí)、顯示當(dāng)前狀態(tài)、控制繼電器打開(kāi)泥漿排放設(shè)備。其中，超聲波計(jì)時(shí)和顯示程序比較重要。

生成1 MHz脈沖波形：理論上Atmega16有1 MHz的內(nèi)部晶振，但是實(shí)際效果往往達(dá)不到理論值。因此利用外部晶振，通過(guò)定時(shí)計(jì)數(shù)器生成1 MHz脈沖波，發(fā)送給超聲波傳感器。另一傳感器接收回波，單片機(jī)通過(guò)計(jì)算發(fā)送接收時(shí)間差來(lái)判斷泥漿高度。

圖7 泥漿排放檢測(cè)電路

超聲波計(jì)時(shí)源程序如下：

void Uart_Init(void)

{

UCSRA = 0x00; /*設(shè)置倍速*/

UCSRB = 0x18; /*允許單片機(jī)接收和發(fā)送*/

UCSRC = 0x86; /*設(shè)置8位數(shù)據(jù)傳遞*/

UBRRH = 0x00;

UBRRL =77; /*9600*/}/*設(shè)置數(shù)據(jù)為發(fā)送，查詢(xún)方式*/

void Uart_Transmit(unsigned char i)

{

while (!(UCSRA & (1<

UDR = i; /* 發(fā)送數(shù)據(jù)*/

}

unsigned char Uart_Receive( void )

{

while (!(UCSRA & (1<

return UDR; /* 獲取并返回?cái)?shù)據(jù)*/

}

程序內(nèi)通過(guò)串口輸出顯示，以便觀(guān)測(cè)超聲波回波時(shí)間。

通過(guò)液晶顯示，可直接觀(guān)測(cè)當(dāng)前泥漿位置情況，如到達(dá)排放位置，可自動(dòng)控制排放或手動(dòng)控制排放。

控制程序流程如圖8所示。

圖8 單片機(jī)控制程序流圖

3 效 果

超聲波傳感器發(fā)送接收頭距離定為L(zhǎng)=20 cm左右，水溫27 ℃(由于鋼廠(chǎng)沉淀池內(nèi)為轉(zhuǎn)爐除塵廢水，常年溫度基本恒定在27～28 ℃，傳感器置于水下，故外界溫度對(duì)超聲波傳播速度的影響較小),經(jīng)測(cè)試，在水中計(jì)時(shí)值為00001101，超聲波的在水中傳播時(shí)間t=13 μs，超聲波在水中的傳播速度v=L/t=1 538 m/s，泥漿中計(jì)時(shí)值為00010011，超聲波的在泥漿中傳播時(shí)間t=19 μs，超聲波在泥漿中的傳播速度v=1 052 m/s。具體情況見(jiàn)表1。

表1 水和泥漿中超聲波測(cè)量值表

根據(jù)測(cè)量值表進(jìn)行誤差分析,如圖9所示。

圖9 測(cè)量值誤差分析圖

根據(jù)表1和圖9分析，超聲波在水中傳播速度較快，能量損失??；泥漿密度大，超聲波在泥漿中能量損失較大，從而影響其傳遞速度。測(cè)量中由于存在懸浮物干擾，水或泥漿的流動(dòng)，從而造成測(cè)量值的數(shù)據(jù)波動(dòng)。從誤差分析圖中可知，個(gè)別情況下會(huì)出現(xiàn)尖峰波動(dòng)，但不影響整體測(cè)量的準(zhǔn)確性。

工作人員可通過(guò)3種方式觀(guān)察沉淀池泥漿變化情況，一通過(guò)串口發(fā)送PC機(jī)顯示;二通過(guò)不同顏色高亮發(fā)光二極管顯示;三通過(guò)液晶屏幕顯示。

當(dāng)計(jì)時(shí)值超出00010011(即19 μs)，PC機(jī)給出指令，控制繼電器打開(kāi)泥漿排放設(shè)備，系統(tǒng)將自動(dòng)排放沉淀池泥漿。

4 結(jié) 語(yǔ)

該系統(tǒng)于2012年4月通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，次月進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，通過(guò)目前試驗(yàn)結(jié)果分析，沉淀池基本可以在無(wú)人工操作的情況下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排放泥漿。

該系統(tǒng)根據(jù)超聲波在水和泥漿傳播速度不同，計(jì)算超聲波在固定距離下傳播的時(shí)間，并通過(guò)接收時(shí)間長(zhǎng)短判斷泥漿的累積程度，當(dāng)達(dá)到排放泥漿位置時(shí)自動(dòng)排泥，排放結(jié)束后自行停止。減少了沉淀池排泥前工作人員的巡視、開(kāi)啟和關(guān)閉眾多排泥設(shè)備的繁瑣工作，基本上避免了工作人員在惡劣環(huán)境中操作、維護(hù)設(shè)備等困難。

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UsingATmega16toRealizeAutomaticRecoveryofSludgeinSedimentation

ZHANGTao

(College of Aeronautical Engineering, Jilin University of Chemical Technology， Jilin 132022, Jilin, China)

A lot of smoke will be produced in steel and other industrial production. The precipitation of iron sludge will be recycled again after treatment. In order to make a voluntary recall at a certain depth, based on real situation of Tangshan Iron and Steel Group Co., Ltd., the paper developed ultrasonic testing automatic recovery system. The recovery systems usually use a timer, the recovery depends on a specified period of time. Because of the uncertainty of the production process, the recovery is not very ideal. This proposed system uses ultrasonic wave to detect echo time difference by Atmega16 and the characteristics of strong penetrability, determine whether or not the thickness of the slurry reaches the discharge position, and then gives prompts to the operators or automatic control motor recovery. This detection method can avoid the premature discharge of sludge or sludge accumulation, solves the problem that timing emission is not accurate. In the actual test, the effect is good.

liquid ultrasonic sensors; sedimentation tanks sludge; AVR MCU

TB 553

A

1006-7167(2017)09-0059-04

2016-12-12

河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(E2010000932)

張 濤(1979-),男,吉林吉林人,講師, 現(xiàn)主要從事通信、自動(dòng)控制領(lǐng)域的研究。Tel.:15144304586; E-mail: ruler97521@163.com