基于單片機的地膜污水處理自動控制系統(tǒng)設計*

蔡文武，韓俊輝，排日再·艾尼，陸俊杰，徐立軍

（新疆工程學院控制工程學院，烏魯木齊830023）

1 引 言

近年來地膜的白色污染問題逐漸受到重視。在對四川農村地膜使用情況進行調查時發(fā)現(xiàn)，農村用戶種植莊稼時用到的地膜基本上是零回收，大多數(shù)農村用戶家的地膜使用壽命在1～2 年，少數(shù)農村用戶家的地膜使用壽命超過2 年，并且大多數(shù)用戶在用完地膜之后采取直接丟棄或者焚燒的方式，只有少數(shù)用戶選擇賣給地膜回收廠進行回收利用。由此可見，地膜的回收率非常低。

被丟棄的地膜在土壤中難以降解，不僅阻礙了農作物的生長，而且會造成嚴重的“白色污染”[1]；另外，被焚燒的地膜在燃燒時會產生有毒氣體，例如甲苯，這種物質被人體吸入時，少量會引發(fā)嘔吐等癥狀，大量會導致失明；其它顆粒物會飄散在大氣中，對空氣造成很大污染，嚴重影響人們的身體健康[2]。

國家規(guī)定地膜必須強制性回收處理，其處理方式通常為經(jīng)過清洗后進行融化再造粒，從而用來生產塑料制品。目前，一些地膜回收和污水處理企業(yè)都是采取人工直接清洗、清洗后的污水直接排放的方式。這樣的處理方式，不僅成本高，生產率低，并且排出的污水質量不符合國家標準，仍會造成嚴重的環(huán)境污染。

針對上述情況，項目組設計了一套基于單片機的清洗回收地膜、污水處理自動控制系統(tǒng)，能有效地解決地膜污水排放質量不達標的問題，并且具有生產效率高、成本低、控制及時、可靠性高、節(jié)能等特點。

2 設計目標

研究地膜回收及其污水處理自動控制系統(tǒng)最根本的目標就是使排出的污水質量達到國家相關排放標準[3]。在實際污水處理過程中，除了考慮生產率以及操作成本之外，主要還需要考慮系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和安全性。

可靠性：當系統(tǒng)某個部分出現(xiàn)故障或者受到干擾時，系統(tǒng)需要有檢測和排除故障，以及確保系統(tǒng)不會受到干擾的能力；

穩(wěn)定性：當水箱液位超過設定值或者傳感器檢測到的數(shù)據(jù)不正常時，單片機需要立即做出反應，控制輸出調整至正常值；

安全性：用精準的傳感器進行測量,將測得的數(shù)值送至數(shù)據(jù)采集站進行分析，判斷設備的運行狀態(tài),根據(jù)分析結果來選擇正確的數(shù)據(jù),做出正確的動作,從而保證安全性。

3 污水處理流程與組態(tài)監(jiān)控

3.1 自動控制系統(tǒng)體系結構

本控制系統(tǒng)采用的設備有51 單片機、變頻器、液位計、渾濁度測試儀、pH 檢測儀、電機等。另外，本系統(tǒng)采用的基本控制結構是分級遞階控制，即采用縱向分層、橫向分散的綜合控制系統(tǒng)。主要分為現(xiàn)場級、過程控制級、操作管理級、信息管理級[4]。系統(tǒng)結構如圖1 所示。

圖1 自動控制系統(tǒng)結構圖

3.2 污水處理工藝過程

地膜處理過程必須先用攪拌器將廢棄地膜撕爛并攪拌清洗。由單片機控制攪拌器的啟動/停止。清洗后的污水由于殘留大量農藥，以及大量的淤泥，所以先由單片機控制污水提升泵將污水提升到曝氣反應池，并在提升過程中對反應池的液位進行檢測。單片機會根據(jù)液位的高低來調整污水提升泵的速度，進行更快更準確的控制。

污水提升完畢之后，在曝氣池里加入具有活性的微生物。單片機通過控制曝氣機，持續(xù)向曝氣池里通入空氣，利用活性污泥的生物凝聚、吸附和氧化作用，加快活性微生物分解廢水中有機污染物的速度，生物固體隨后會從已處理的廢水中分離。在曝氣過程中，加入了pH 值檢測環(huán)節(jié)，單片機會根據(jù)檢測到的pH 值來調整曝氣機的曝氣速度，以保證微生物的活性。

微生物分解完成后，污水將進入沉淀池。混合液中懸浮的活性污泥和其他固體物質在這里沉淀下來與水分離，等沉淀完成后，單片機控制水泵將上層水抽取出來，并靠傳感器對其質量進行檢測，如果質量不達標，將進入二次沉淀，如果達標則單片機會控制水泵，將排出的水抽取出來，再次用來清洗新一批廢舊地膜，就此基本上實現(xiàn)了零排放的目標[5]。

單片機控制水泵將上層清水排出后，使沉淀物與池底的污泥經(jīng)過刮泥機的處理，再控制排泥機將污泥排出。

整個污水處理的工藝流程如圖2 所示。

圖2 污水處理的工藝流程

3.3 MCGS組態(tài)界面

為了更加直觀地了解整個污水處理過程，以及實時管理和監(jiān)控整個工藝過程，可以將整個污水處理過程用MCGS 組態(tài)軟件做成組態(tài)界面，步驟如下：

第一步，通過組態(tài)軟件工具將需要用到的器材選擇并擺放出來，例如：電機、水池、傳感器、開關、指示燈、管道等。將這些擺放在合適位置，然后根據(jù)實際情況進行注釋，如圖3 所示。

圖3 MCGS畫面布置

第二步，在實時數(shù)據(jù)庫里新建所需要的數(shù)據(jù)，并對其數(shù)據(jù)名稱、數(shù)據(jù)類型、注釋等進行設置，如圖4 所示。

圖4 新建數(shù)據(jù)變量

第三步，將用戶窗口中的圖形對象與實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對象建立相關性連接，并設置相應的動畫屬性，進行動畫連接[6]。其中包括電機、水池、傳感器、開關、指示燈、管道等都需要進行動畫連接。部分連接情況如圖5～圖7 所示。

圖5 按鈕和指示燈動畫連接

圖6 反應池的動畫連接

圖7 管道動畫連接

第四步，編寫腳本程序，使整個組態(tài)畫面成為一體。部分腳本如圖8 所示。

圖8 腳本編寫

4 硬件電路設計

單片機的外圍硬件電路主要包括三大部分：按鍵檢測電路、單片機輸出控制繼電器電路、無線模塊電路。

(1) 按鍵檢測電路

按鍵檢測電路接在單片機的P0 口，用于檢測用戶在操作臺發(fā)出的操作。當檢測到操作指令時，單片機根據(jù)程序員編寫的控制程序，做出相應的動作，如圖9 所示。

圖9 按鍵檢測電路

(2) 繼電器電路

單片機的電源為5V，而需要單片機控制的電氣設備的電源皆為220V，要實現(xiàn)弱電控制強電，中間就需要有繼電器電路[7]。繼電器電路接收來自單片機的控制信號，控制電氣設備電源的通斷，從而完成電氣設備的控制。繼電器電路如圖10 所示。

圖10 繼電器電路

(3) 無線模塊電路

無線模塊電路用于實現(xiàn)單片機與無線設備之間的通訊。在遠程控制模式時，無線模塊電路接收無線信號，再將信號傳遞給單片機。無線模塊電路如圖11 所示。

圖11 無線模塊電路

5 程序設計

由于整個自動控制系統(tǒng)必須要靠軟件才能實現(xiàn)，所以在程序方面的設計必須全面且準確，必須考慮到設備的運行狀態(tài)、水質檢測反饋、工作模式、監(jiān)控等問題。

首先，進入兩種工作模式的選擇：自動控制模式和手動控制模式[8]。進入自動控制模式時，單片機按照程序設計好的順序分別控制電機運作，其順序是先啟動污水提升泵，在此過程中，液位計檢測液位的高低，將檢測到的數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機，單片機再將數(shù)據(jù)進行比較，之后通過變頻器控制污水提升泵的提升速度；污水提升完成后，單片機則控制曝氣機運作，且單片機將pH 檢測儀檢測到的數(shù)據(jù)進行比較，然后調整曝氣速率，以保持微生物的活性；曝氣完成后，單片機控制刮泥機將上層溶液與下層淤泥分離，且單片機利用渾濁度測試儀檢測到的數(shù)據(jù)進行反復控制，以保證水中的沉淀物全部沉淀完；最后，單片機控制排泥機將淤泥（沉淀物）排出。

進入手動控制模式時，用戶可自由進行控制，沒有控制順序可言。在此控制過程中，液位計、pH 檢測儀、渾濁度測試儀等的運作都是必不可少的，用戶必須得根據(jù)這些檢測儀的數(shù)據(jù)和設備實際情況進行控制，才能保證排出的污水符合要求的指標。

單片機在執(zhí)行上述所有控制的任意時刻，必須時刻檢測模式的切換，使用戶可以隨時切換工作模式。

另外，控制系統(tǒng)通過上位機，對設備的運行進行實時監(jiān)控，并將所有檢測數(shù)據(jù)記錄下來，使用戶在PC 端可以查看數(shù)據(jù)并進行統(tǒng)計。

具體軟件設計思路及流程如圖12 所示。部分程序段如圖13 所示。

圖12 程序設計流程圖

圖13 部分程序段

6 結束語

本控制系統(tǒng)在控制過程中加入了多個檢測環(huán)節(jié)，使得每個環(huán)節(jié)的控制更加精準，更加迅速，更加自動化。相比傳統(tǒng)的污水處理方式而言，本控制系統(tǒng)節(jié)省了大量的人力和資源，進而降低了處理成本；由于自動控制系統(tǒng)每個環(huán)節(jié)的控制都很嚴格，檢測儀表都非常精確，進而保證了排污質量；最終處理完的污水可再次用來清洗地膜，實現(xiàn)了資源的循環(huán)利用。該控制系統(tǒng)不僅適用于地膜污水處理，對于其它工業(yè)污水處理領域，也具有一定的推廣價值。