張 屹，劉成恒，胡 盤(pán)，徐 寧

(常州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 城市軌道交通學(xué)院， 江蘇 常州 213164)

0 引言

隨著現(xiàn)在地震洪險(xiǎn)、部隊(duì)野訓(xùn)、牧民游牧等情況增多，戶(hù)外用水安全的問(wèn)題得到越來(lái)越多的關(guān)注，市面上相繼誕生多款戶(hù)外凈水設(shè)備，這些設(shè)備為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)行的自動(dòng)控制需要借助現(xiàn)在發(fā)展迅速的數(shù)字電子技術(shù)，數(shù)字電子技術(shù)已經(jīng)普及到我們的生活、工作、科研、等各個(gè)領(lǐng)域中[1]。而這些凈水設(shè)備，大多數(shù)都是簡(jiǎn)單的啟動(dòng)潛水泵注水進(jìn)入凈水組件中，完成凈水工作。這些設(shè)備操作復(fù)雜，用著極其不方便，而且在對(duì)凈水處理中流量的高低并不能實(shí)時(shí)的檢測(cè)和控制，即使有些能實(shí)時(shí)監(jiān)控，但是卻不能根據(jù)流量大小實(shí)時(shí)的控制水泵運(yùn)行狀況，如果發(fā)生水泵吸水口堵塞和水流量過(guò)大的情況下，極易造成水泵電機(jī)的燒壞和對(duì)凈水組件的破壞。而現(xiàn)在運(yùn)用單片機(jī)為核心的控制技術(shù)，經(jīng)流量傳感器實(shí)時(shí)反饋的流量信號(hào)，對(duì)潛水泵實(shí)時(shí)的做出調(diào)控可以有效的解決這些問(wèn)題，而且可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)凈水過(guò)程的全自動(dòng)化，使得凈水車(chē)工作運(yùn)行穩(wěn)定，操作方便，而且可以提高凈水的效率。同時(shí)也因控制潛水泵不全時(shí)全功率運(yùn)行，降低了功耗，防止流量過(guò)大凈水效果不達(dá)標(biāo)的缺陷，也提高了凈水設(shè)備組件的使用壽命，對(duì)凈水車(chē)的安全穩(wěn)定工作有很大的意義。

1 凈水車(chē)的結(jié)構(gòu)與水處理工藝

車(chē)體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括如下幾個(gè)方面：1)車(chē)體的底盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證車(chē)子在工作時(shí)的穩(wěn)定性；2)車(chē)體的外框，要保證其內(nèi)部具有一定的保溫性能且質(zhì)量不能太重；3)水處理系統(tǒng)工藝，根據(jù)設(shè)計(jì)的水處理工藝圖，合理的排布管道的來(lái)連接，保證其工作效率盡可能的高。如圖1為車(chē)體的整體結(jié)構(gòu)圖。

圖1 整體結(jié)構(gòu)圖

為了實(shí)現(xiàn)凈水功能并且要處理效率高、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、水凈化質(zhì)量高等，就要把這些凈水設(shè)備根據(jù)其特定的作用功能來(lái)組裝、配合起來(lái)使用。根據(jù)設(shè)計(jì)我們?cè)O(shè)計(jì)如下凈水的工藝流程，具體凈水工藝原理如圖2所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體控制方案

因 SCT8系列單片機(jī)具有超強(qiáng)抗干擾、超低價(jià)、高可靠、高速、低功耗等優(yōu)點(diǎn)[2-3]，所以?xún)羲?chē)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選用的是STC8A8K64A12單片機(jī)為主控制核心，液位傳感器、流量傳感器為單片機(jī)提供信號(hào)信息支持，并由單片機(jī)在數(shù)據(jù)處理之后發(fā)送執(zhí)行指令給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，供其完成相應(yīng)工作，觸摸屏(人機(jī)交互)可顯示各種參數(shù)實(shí)時(shí)信息并可通過(guò)觸摸屏給單片機(jī)發(fā)送指令，以便用于手動(dòng)調(diào)試或者檢查故障。在系統(tǒng)出現(xiàn)不正常情況后，可以發(fā)出聲光報(bào)警，緊急停止系統(tǒng)運(yùn)行。其總體方案設(shè)計(jì)框架如圖3所示。

其工作流程是：在系統(tǒng)通電后，啟動(dòng)凈水車(chē)開(kāi)始按鈕，液位傳感器首先要采集凈水車(chē)水箱中液位狀況，當(dāng)液位處于高液位以下時(shí)，液位傳感器發(fā)送低液位信號(hào)，經(jīng)過(guò)I/V、A/D轉(zhuǎn)換器將采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳送入單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)計(jì)算分析后判斷是否要為水箱補(bǔ)水，在計(jì)算后要補(bǔ)水時(shí)啟動(dòng)潛水泵、并打開(kāi)凈水管道中的電磁閥開(kāi)始制水工作，凈化完成的水流向儲(chǔ)水箱。在制水的過(guò)程中，管道中的流量傳感器啟動(dòng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控水的流量大小，并實(shí)時(shí)傳送數(shù)據(jù)給單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)判斷是否在預(yù)設(shè)的安全范圍內(nèi)，如果數(shù)值正常則繼續(xù)工作，否則將報(bào)警并判斷其故障，如果是流量值超過(guò)500 L/H，則給潛水泵將頻降速，使其處于安全范圍內(nèi)工作，如果是數(shù)值小于50 L/H，則停止工作，人工去檢查是否因?yàn)闈撍帽凰?、垃圾堵塞，并處理故障。在水箱水位高?5 cm時(shí)，則提示用戶(hù)無(wú)須補(bǔ)水，同時(shí)啟動(dòng)生活用水水泵，為用戶(hù)提供水源。

2.2 部分硬件電路的設(shè)計(jì)

2.2.1 液位模塊

在液位測(cè)量中有各式各樣的測(cè)量方法，比如，浮標(biāo)測(cè)量法、三段式測(cè)量法、超聲波反射法、電容式液位測(cè)量法、電阻應(yīng)力片的壓力感應(yīng)法等等，而采用壓力式傳感器和單片機(jī)相結(jié)合的方法可以大大的提高測(cè)試精度、可靠性和穩(wěn)定性，方便對(duì)整個(gè)采集過(guò)程及其控制過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化[4]。壓力式傳感器的測(cè)量原理如圖4所示。

當(dāng)水箱上面透氣時(shí)，其測(cè)量基準(zhǔn)面上的壓力的計(jì)算數(shù)學(xué)模型如下：

P=ρgh=ρg(h1+h2)

(1)

式中，P為測(cè)量基準(zhǔn)面的壓力；ρ為液體密度；g為重力加速度，取9.8 N/kg；h為液面到測(cè)量基準(zhǔn)面的高度；h1為高液位和低液位高度差；h2為低液位與測(cè)量基準(zhǔn)面的高度差。

根據(jù)實(shí)際需求我們需要測(cè)量h的高度，由公式可知，基準(zhǔn)面的壓力與高液位h成正比，知道得到壓力數(shù)值就可以計(jì)算出液位的高度。設(shè)計(jì)在液位高于65 cm時(shí)為單片機(jī)提供報(bào)警信號(hào)。其設(shè)計(jì)液位電路如圖5所示。

2.2.2 流量模塊

凈水車(chē)在工作的時(shí)候，需要根據(jù)流量的大小控制潛水泵運(yùn)行速率，實(shí)現(xiàn)在流量高于500 L/H時(shí)降頻，以保證凈水設(shè)備的安全運(yùn)行，流量在低于50 L/H時(shí)停止工作，檢查潛水泵是否堵塞或者其他安全隱患。為了保證在制水是能夠得到準(zhǔn)確的流量數(shù)值，我們選用渦街流量計(jì)，這種流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠不易損壞，而且測(cè)量精度高、壓力損失小特別適合用在凈水車(chē)進(jìn)水口測(cè)量進(jìn)水流量[5]，渦街流量計(jì)的工作原理是在液體流經(jīng)渦街流量計(jì)時(shí)，由于在流量計(jì)內(nèi)部裝有一個(gè)漩渦發(fā)生器，當(dāng)液體流經(jīng)漩渦發(fā)生器時(shí)，兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生交替漩渦，漩渦不斷產(chǎn)生和分離，在漩渦發(fā)生體下游便形成了兩列漩渦，其產(chǎn)生的漩渦頻率和流量是成正比的關(guān)系[6]。液體的流速和發(fā)生體的寬度直接影響漩渦的頻率[7-8]。其數(shù)學(xué)公式為：

圖3 總體方案設(shè)計(jì)框架圖

圖4 液位示意圖

圖5 液位電路圖

(2)

(3)

因此，在根據(jù)公式(3)公式中的渦流頻率求出流體速度后，再根據(jù)公式(2)就可以求出液體的流量q：

q=VA

(4)

式中，q為液體的流量，單位為m3/s；A為漩渦發(fā)生體的截面積，單位為m2。

1)定時(shí)器獲取脈沖頻率：

通過(guò)STC單片機(jī)的定時(shí)器T0對(duì)流量計(jì)輸出的脈沖的采集，來(lái)測(cè)量脈沖寬度或者頻率。其工作過(guò)程簡(jiǎn)單的說(shuō)就是通過(guò)檢測(cè)定時(shí)器上的邊沿信號(hào)，將定時(shí)器的輸入捕獲功能采集到的上升沿或者下降沿跳變信號(hào)自動(dòng)的保存到定時(shí)器的寄存器中，定時(shí)器完成一次捕獲過(guò)程[9]。數(shù)學(xué)模型如下：

fck=Tclk/(PSC+1)

(5)

Tout=(ARR+1)(PSC+1)/Tclk6 (6)

式中，fck為計(jì)數(shù)頻率值，單位Hz;Tclk為定時(shí)器時(shí)鐘頻率，單位Hz；PSC為預(yù)分頻系數(shù)，無(wú)量綱，本次設(shè)計(jì)值為84；Tout為定時(shí)器溢出時(shí)間，單位s;ARR為自動(dòng)重裝載值，無(wú)量綱，本次設(shè)計(jì)值OXFFFFFFFF。

(7)

式中，Tcap為捕獲一次電脈沖的周期s；Vcnt為定時(shí)器計(jì)較值；n為定時(shí)器溢出次數(shù)。

根據(jù)凈水車(chē)的實(shí)際需求，選擇了華海測(cè)控公司的Foctur DN15的流量計(jì)。這種流量計(jì)測(cè)量精確度高、運(yùn)行穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量范圍也滿(mǎn)足凈水車(chē)測(cè)流量的實(shí)際需求，而且價(jià)格實(shí)惠，并有良好的重復(fù)性，短期重復(fù)性可達(dá)0.05%～0.2%，完全滿(mǎn)足我們使用要求。

2)光電耦合器的選擇:

由于渦街流量計(jì)輸出的是模擬信號(hào)，我們的可移動(dòng)凈水車(chē)又是在戶(hù)外工作，環(huán)境變化大、干擾多，對(duì)信號(hào)造成干擾，導(dǎo)致測(cè)量不精準(zhǔn)，系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，因此我們需要選用光電耦合器來(lái)解決這些問(wèn)題。通過(guò)對(duì)光電耦合器的性能分析我們選用型號(hào)為T(mén)LP521-1的光電耦合器。它將分離出來(lái)的脈沖信號(hào)傳入到STC8單片機(jī)的定時(shí)器T0，(P3.4)引腳上，TLP521-1芯片的工作過(guò)程：當(dāng)輸入的電信號(hào)時(shí)，內(nèi)部的發(fā)光二極管發(fā)出一定波長(zhǎng)的光，在被光探測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步放大后輸出，可以有效的消除外界的干擾。

3)流量控制電路設(shè)計(jì)：

為了保證凈水車(chē)在工作的時(shí)候能夠測(cè)到精確的流量，需要設(shè)計(jì)測(cè)量流量的硬件電路，線(xiàn)路鏈接如圖6所示。

圖6 流量測(cè)試電路設(shè)計(jì)圖

2.2.3 上機(jī)位通信接口設(shè)計(jì)

凈水車(chē)在工作時(shí)，不光需要單片機(jī)實(shí)時(shí)的發(fā)送流量、壓力、水質(zhì)等各種數(shù)據(jù)給顯示屏顯示，還要有觸摸顯示屏控制水處理中各種電器元件的啟停，因此，我們采用常用的RS485通信連通顯示屏和單片機(jī)之間的通信。

1) RS485通信的簡(jiǎn)介：

RS485總線(xiàn)有兩根組成，為半雙工串行通信方式，傳輸速率快距離遠(yuǎn)，經(jīng)常使用在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中，支持線(xiàn)性，總線(xiàn)型，但不能是星型[10]。RS485采用差分信號(hào)，扛共模干擾優(yōu)勢(shì)明顯，特別適合用于野外或者工業(yè)環(huán)境復(fù)雜，干擾多的地方，因凈水車(chē)長(zhǎng)時(shí)間都是在野外工作，所以選用這種通訊方式最為合理。RS485要與單片機(jī)的UART串口連接起來(lái)，需要一個(gè)轉(zhuǎn)化器，并且使用完全相同的異步串行通信協(xié)議。這里我們選用芯片SP3485作為數(shù)據(jù)收發(fā)器。SP3485作為一個(gè)半雙工收發(fā)器，數(shù)據(jù)傳送快，運(yùn)行功率低，同時(shí)還擁有低功耗關(guān)斷模式[11-13]。

2) RS485硬件電路圖：

選用技術(shù)成熟的RS485總線(xiàn)作為通訊方式離不開(kāi)一套穩(wěn)定的硬件結(jié)構(gòu)，硬件電路圖設(shè)計(jì)如圖7所示，RXD3_485與單片機(jī)P5.5引腳相連，TXD3_485與單片機(jī)P5.1引腳相連，485_CS與單片機(jī)P3.6引腳相連，該信號(hào)用來(lái)控制SP2485的工作模式，其工作模式是高電平為發(fā)送模式，低電平為接受模式。

2.2.4 觸摸屏模塊

本次設(shè)計(jì)我們選用的是MCGS公司生產(chǎn)的型號(hào)為T(mén)PC7062KS的觸摸組態(tài)屏，本款產(chǎn)品基于Windows平臺(tái)，串口通信，指令豐富，開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單。并支持電容式觸摸、語(yǔ)音播放等功能，可自定義圖形數(shù)據(jù)庫(kù)，靈活設(shè)計(jì)頁(yè)面，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠等優(yōu)點(diǎn)，可完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，前端數(shù)據(jù)處理與控制。實(shí)體如圖8所示。

圖7 RS485硬件電路圖

圖8 觸摸屏實(shí)體圖

2.2.5 報(bào)警模塊

控制系統(tǒng)在運(yùn)行離不開(kāi)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)報(bào)警系統(tǒng)能及時(shí)的挽回?fù)p失。本次設(shè)計(jì)報(bào)警采用燈光加蜂鳴器的報(bào)警裝置，當(dāng)檢測(cè)到流量處于極低或者超出設(shè)定的閾值啟動(dòng)報(bào)警信號(hào)，報(bào)警電路如圖9。當(dāng)P1.4為低電平時(shí)，紅色發(fā)光二極管通電啟動(dòng)，同時(shí)P1.6為高電平，蜂鳴器發(fā)出鳴叫。

圖9 報(bào)警電路

3 軟件的設(shè)計(jì)

圖10 程序設(shè)計(jì)流程圖

根據(jù)可移動(dòng)凈水車(chē)控制系統(tǒng)的需求，程序控制流程圖如圖10所示。程序采用C語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括液位判斷模塊、流量判斷模塊、RS485通訊模塊、觸摸屏模塊和報(bào)警模塊。系統(tǒng)通電啟動(dòng)后，首先程序初始化，然后檢測(cè)系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)狀態(tài)，同時(shí)水箱中的液位計(jì)給單片機(jī)傳送液位狀態(tài)的信號(hào)，如果液位處于高液位，說(shuō)明水箱中不需要補(bǔ)水，可啟動(dòng)生活供水泵為用戶(hù)供水，如果檢測(cè)到水箱中液位處于低液位狀態(tài)，則啟動(dòng)潛水泵工作，水流經(jīng)流量傳感器，流量傳感器做數(shù)據(jù)采集，產(chǎn)生的流量電脈沖送給單片機(jī)做數(shù)據(jù)處理，把處理后的流量數(shù)值實(shí)時(shí)顯示在觸摸屏中以便觀察，同時(shí)單片機(jī)判斷流量是否超限，超限則輸出報(bào)警信號(hào)并降低潛水泵功率，待流量數(shù)值正常后，系統(tǒng)持續(xù)工作，等到液位到達(dá)高液位時(shí)則啟動(dòng)飲用水水泵。

表1 三處水源測(cè)試結(jié)果

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為仿真凈水車(chē)真實(shí)運(yùn)行的狀態(tài)，我們需要設(shè)置三處水源對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，三處水源要求為：水源1處水質(zhì)清質(zhì)，無(wú)明顯顆粒物；水源2處水質(zhì)一般，清晰可見(jiàn)水質(zhì)混濁；水源3處，水草雜多，極易造成潛水泵堵塞。凈水組件其最大能承受的水處理量500 L/h。其測(cè)試數(shù)據(jù)及結(jié)果如表1所示。

由表中數(shù)據(jù)分析：當(dāng)在水源1處時(shí)，液位處于10 cm時(shí)，凈水車(chē)正常工作，由于水質(zhì)較為清澈，所以在水經(jīng)過(guò)凈水設(shè)備時(shí)阻力很小造成了流量過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致凈水的效果不好，所以單片機(jī)會(huì)控制水泵的工作頻率，降低出水流量，來(lái)保證水質(zhì)的良好，在液位到達(dá)最高液位65 cm時(shí)，泵停止了工作。當(dāng)在水源2處時(shí)，做同樣的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在流量無(wú)超載無(wú)極低的情況下，泵正常工作，凈水車(chē)工作穩(wěn)定，在高液位時(shí)自動(dòng)停止運(yùn)行。流量由高到低緩慢減小的原因是凈水設(shè)備隨著時(shí)間的推移會(huì)發(fā)生一定的微堵塞情況，并不是水泵降頻所導(dǎo)致的只要后期清洗一下凈水設(shè)備就可恢復(fù)正常。水源3處，由于水草雜多，導(dǎo)致水泵工作沒(méi)有多久就造成堵塞，流量急劇下降，當(dāng)?shù)陀谖覀兂绦蛟O(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，水泵停止工作。

由數(shù)據(jù)分析結(jié)果可知，凈水車(chē)這套基于STC8系列單片機(jī)開(kāi)發(fā)的控制系統(tǒng)是可行的，足以保證凈水車(chē)在工作時(shí)穩(wěn)定安全的運(yùn)行，為用戶(hù)提供完美的體驗(yàn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文闡述了以STC8A8K64A12單片機(jī)為核心的凈水車(chē)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)液位狀態(tài)、流量高低的判斷，智能的控制凈水過(guò)程，相較于其他凈水產(chǎn)品，本次設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)可以有效的提高凈水的效率，提高凈水的質(zhì)量，也對(duì)凈水車(chē)本身的穩(wěn)定運(yùn)行提供了安全保障。但是也有許多待完善之處，比如開(kāi)發(fā)一套水質(zhì)采集系統(tǒng)，實(shí)時(shí)的為國(guó)家水質(zhì)局提供各地的水質(zhì)狀況，便于統(tǒng)計(jì)和研究各地水質(zhì)情況，希望以后可以得到改進(jìn)。