張 屹，劉成恒，胡 盤，徐 寧

(常州大學機械工程學院 城市軌道交通學院， 江蘇 常州 213164)

0 引言

隨著現(xiàn)在地震洪險、部隊野訓、牧民游牧等情況增多，戶外用水安全的問題得到越來越多的關注，市面上相繼誕生多款戶外凈水設備，這些設備為了實現(xiàn)運行的自動控制需要借助現(xiàn)在發(fā)展迅速的數(shù)字電子技術，數(shù)字電子技術已經(jīng)普及到我們的生活、工作、科研、等各個領域中[1]。而這些凈水設備，大多數(shù)都是簡單的啟動潛水泵注水進入凈水組件中，完成凈水工作。這些設備操作復雜，用著極其不方便，而且在對凈水處理中流量的高低并不能實時的檢測和控制，即使有些能實時監(jiān)控，但是卻不能根據(jù)流量大小實時的控制水泵運行狀況，如果發(fā)生水泵吸水口堵塞和水流量過大的情況下，極易造成水泵電機的燒壞和對凈水組件的破壞。而現(xiàn)在運用單片機為核心的控制技術，經(jīng)流量傳感器實時反饋的流量信號，對潛水泵實時的做出調控可以有效的解決這些問題，而且可以實現(xiàn)整個凈水過程的全自動化，使得凈水車工作運行穩(wěn)定，操作方便，而且可以提高凈水的效率。同時也因控制潛水泵不全時全功率運行，降低了功耗，防止流量過大凈水效果不達標的缺陷，也提高了凈水設備組件的使用壽命，對凈水車的安全穩(wěn)定工作有很大的意義。

1 凈水車的結構與水處理工藝

車體的結構設計主要包括如下幾個方面：1)車體的底盤結構設計，保證車子在工作時的穩(wěn)定性；2)車體的外框，要保證其內(nèi)部具有一定的保溫性能且質量不能太重；3)水處理系統(tǒng)工藝，根據(jù)設計的水處理工藝圖，合理的排布管道的來連接，保證其工作效率盡可能的高。如圖1為車體的整體結構圖。

圖1 整體結構圖

為了實現(xiàn)凈水功能并且要處理效率高、系統(tǒng)運行穩(wěn)定、水凈化質量高等，就要把這些凈水設備根據(jù)其特定的作用功能來組裝、配合起來使用。根據(jù)設計我們設計如下凈水的工藝流程，具體凈水工藝原理如圖2所示。

2 硬件設計

2.1 系統(tǒng)總體控制方案

因 SCT8系列單片機具有超強抗干擾、超低價、高可靠、高速、低功耗等優(yōu)點[2-3]，所以凈水車控制系統(tǒng)的設計選用的是STC8A8K64A12單片機為主控制核心，液位傳感器、流量傳感器為單片機提供信號信息支持，并由單片機在數(shù)據(jù)處理之后發(fā)送執(zhí)行指令給執(zhí)行機構，供其完成相應工作，觸摸屏(人機交互)可顯示各種參數(shù)實時信息并可通過觸摸屏給單片機發(fā)送指令，以便用于手動調試或者檢查故障。在系統(tǒng)出現(xiàn)不正常情況后，可以發(fā)出聲光報警，緊急停止系統(tǒng)運行。其總體方案設計框架如圖3所示。

其工作流程是：在系統(tǒng)通電后，啟動凈水車開始按鈕，液位傳感器首先要采集凈水車水箱中液位狀況，當液位處于高液位以下時，液位傳感器發(fā)送低液位信號，經(jīng)過I/V、A/D轉換器將采集的模擬信號轉化為數(shù)字信號傳送入單片機，經(jīng)單片機計算分析后判斷是否要為水箱補水，在計算后要補水時啟動潛水泵、并打開凈水管道中的電磁閥開始制水工作，凈化完成的水流向儲水箱。在制水的過程中，管道中的流量傳感器啟動，實時監(jiān)控水的流量大小，并實時傳送數(shù)據(jù)給單片機，經(jīng)單片機判斷是否在預設的安全范圍內(nèi)，如果數(shù)值正常則繼續(xù)工作，否則將報警并判斷其故障，如果是流量值超過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，人工去檢查是否因為潛水泵被水草、垃圾堵塞，并處理故障。在水箱水位高于65 cm時，則提示用戶無須補水，同時啟動生活用水水泵，為用戶提供水源。

2.2 部分硬件電路的設計

2.2.1 液位模塊

在液位測量中有各式各樣的測量方法，比如，浮標測量法、三段式測量法、超聲波反射法、電容式液位測量法、電阻應力片的壓力感應法等等，而采用壓力式傳感器和單片機相結合的方法可以大大的提高測試精度、可靠性和穩(wěn)定性，方便對整個采集過程及其控制過程實現(xiàn)自動化[4]。壓力式傳感器的測量原理如圖4所示。

當水箱上面透氣時，其測量基準面上的壓力的計算數(shù)學模型如下：

P=ρgh=ρg(h1+h2)

(1)

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

根據(jù)實際需求我們需要測量h的高度，由公式可知，基準面的壓力與高液位h成正比，知道得到壓力數(shù)值就可以計算出液位的高度。設計在液位高于65 cm時為單片機提供報警信號。其設計液位電路如圖5所示。

2.2.2 流量模塊

凈水車在工作的時候，需要根據(jù)流量的大小控制潛水泵運行速率，實現(xiàn)在流量高于500 L/H時降頻，以保證凈水設備的安全運行，流量在低于50 L/H時停止工作，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確的流量數(shù)值，我們選用渦街流量計，這種流量計結構簡單，性能可靠不易損壞，而且測量精度高、壓力損失小特別適合用在凈水車進水口測量進水流量[5]，渦街流量計的工作原理是在液體流經(jīng)渦街流量計時，由于在流量計內(nèi)部裝有一個漩渦發(fā)生器，當液體流經(jīng)漩渦發(fā)生器時，兩側會產(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)學公式為：

圖3 總體方案設計框架圖

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)定時器獲取脈沖頻率：

通過STC單片機的定時器T0對流量計輸出的脈沖的采集，來測量脈沖寬度或者頻率。其工作過程簡單的說就是通過檢測定時器上的邊沿信號，將定時器的輸入捕獲功能采集到的上升沿或者下降沿跳變信號自動的保存到定時器的寄存器中，定時器完成一次捕獲過程[9]。數(shù)學模型如下：

fck=Tclk/(PSC+1)

(5)

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

式中，fck為計數(shù)頻率值，單位Hz;Tclk為定時器時鐘頻率，單位Hz；PSC為預分頻系數(shù)，無量綱，本次設計值為84；Tout為定時器溢出時間，單位s;ARR為自動重裝載值，無量綱，本次設計值OXFFFFFFFF。

(7)

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

根據(jù)凈水車的實際需求，選擇了華海測控公司的Foctur DN15的流量計。這種流量計測量精確度高、運行穩(wěn)定、結構簡單，測量范圍也滿足凈水車測流量的實際需求，而且價格實惠，并有良好的重復性，短期重復性可達0.05%～0.2%，完全滿足我們使用要求。

2)光電耦合器的選擇:

由于渦街流量計輸出的是模擬信號，我們的可移動凈水車又是在戶外工作，環(huán)境變化大、干擾多，對信號造成干擾，導致測量不精準，系統(tǒng)運行不穩(wěn)定，因此我們需要選用光電耦合器來解決這些問題。通過對光電耦合器的性能分析我們選用型號為TLP521-1的光電耦合器。它將分離出來的脈沖信號傳入到STC8單片機的定時器T0，(P3.4)引腳上，TLP521-1芯片的工作過程：當輸入的電信號時，內(nèi)部的發(fā)光二極管發(fā)出一定波長的光，在被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進一步放大后輸出，可以有效的消除外界的干擾。

3)流量控制電路設計：

為了保證凈水車在工作的時候能夠測到精確的流量，需要設計測量流量的硬件電路，線路鏈接如圖6所示。

圖6 流量測試電路設計圖

2.2.3 上機位通信接口設計

凈水車在工作時，不光需要單片機實時的發(fā)送流量、壓力、水質等各種數(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之間的通信。

1) RS485通信的簡介：

RS485總線有兩根組成，為半雙工串行通信方式，傳輸速率快距離遠，經(jīng)常使用在點對點網(wǎng)絡中，支持線性，總線型，但不能是星型[10]。RS485采用差分信號，扛共模干擾優(yōu)勢明顯，特別適合用于野外或者工業(yè)環(huán)境復雜，干擾多的地方，因凈水車長時間都是在野外工作，所以選用這種通訊方式最為合理。RS485要與單片機的UART串口連接起來，需要一個轉化器，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作為一個半雙工收發(fā)器，數(shù)據(jù)傳送快，運行功率低，同時還擁有低功耗關斷模式[11-13]。

2) RS485硬件電路圖：

選用技術成熟的RS485總線作為通訊方式離不開一套穩(wěn)定的硬件結構，硬件電路圖設計如圖7所示，RXD3_485與單片機P5.5引腳相連，TXD3_485與單片機P5.1引腳相連，485_CS與單片機P3.6引腳相連，該信號用來控制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

本次設計我們選用的是MCGS公司生產(chǎn)的型號為TPC7062KS的觸摸組態(tài)屏，本款產(chǎn)品基于Windows平臺，串口通信，指令豐富，開發(fā)簡單。并支持電容式觸摸、語音播放等功能，可自定義圖形數(shù)據(jù)庫，靈活設計頁面，運行穩(wěn)定、可靠等優(yōu)點，可完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，前端數(shù)據(jù)處理與控制。實體如圖8所示。

圖7 RS485硬件電路圖

圖8 觸摸屏實體圖

2.2.5 報警模塊

控制系統(tǒng)在運行離不開報警系統(tǒng)的設計，在系統(tǒng)出現(xiàn)問題時報警系統(tǒng)能及時的挽回損失。本次設計報警采用燈光加蜂鳴器的報警裝置，當檢測到流量處于極低或者超出設定的閾值啟動報警信號，報警電路如圖9。當P1.4為低電平時，紅色發(fā)光二極管通電啟動，同時P1.6為高電平，蜂鳴器發(fā)出鳴叫。

圖9 報警電路

3 軟件的設計

圖10 程序設計流程圖

根據(jù)可移動凈水車控制系統(tǒng)的需求，程序控制流程圖如圖10所示。程序采用C語言進行設計，主要包括液位判斷模塊、流量判斷模塊、RS485通訊模塊、觸摸屏模塊和報警模塊。系統(tǒng)通電啟動后，首先程序初始化，然后檢測系統(tǒng)的各個參數(shù)狀態(tài)，同時水箱中的液位計給單片機傳送液位狀態(tài)的信號，如果液位處于高液位，說明水箱中不需要補水，可啟動生活供水泵為用戶供水，如果檢測到水箱中液位處于低液位狀態(tài)，則啟動潛水泵工作，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做數(shù)據(jù)處理，把處理后的流量數(shù)值實時顯示在觸摸屏中以便觀察，同時單片機判斷流量是否超限，超限則輸出報警信號并降低潛水泵功率，待流量數(shù)值正常后，系統(tǒng)持續(xù)工作，等到液位到達高液位時則啟動飲用水水泵。

表1 三處水源測試結果

4 實驗結果與分析

為仿真凈水車真實運行的狀態(tài)，我們需要設置三處水源對系統(tǒng)進行測試，三處水源要求為：水源1處水質清質，無明顯顆粒物；水源2處水質一般，清晰可見水質混濁；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。其測試數(shù)據(jù)及結果如表1所示。

由表中數(shù)據(jù)分析：當在水源1處時，液位處于10 cm時，凈水車正常工作，由于水質較為清澈，所以在水經(jīng)過凈水設備時阻力很小造成了流量過大，會導致凈水的效果不好，所以單片機會控制水泵的工作頻率，降低出水流量，來保證水質的良好，在液位到達最高液位65 cm時，泵停止了工作。當在水源2處時，做同樣的測試，發(fā)現(xiàn)在流量無超載無極低的情況下，泵正常工作，凈水車工作穩(wěn)定，在高液位時自動停止運行。流量由高到低緩慢減小的原因是凈水設備隨著時間的推移會發(fā)生一定的微堵塞情況，并不是水泵降頻所導致的只要后期清洗一下凈水設備就可恢復正常。水源3處，由于水草雜多，導致水泵工作沒有多久就造成堵塞，流量急劇下降，當?shù)陀谖覀兂绦蛟O定值時，系統(tǒng)發(fā)出報警，水泵停止工作。

由數(shù)據(jù)分析結果可知，凈水車這套基于STC8系列單片機開發(fā)的控制系統(tǒng)是可行的，足以保證凈水車在工作時穩(wěn)定安全的運行，為用戶提供完美的體驗。

5 結束語

本文闡述了以STC8A8K64A12單片機為核心的凈水車控制系統(tǒng)的設計，通過對液位狀態(tài)、流量高低的判斷，智能的控制凈水過程，相較于其他凈水產(chǎn)品，本次設計的控制系統(tǒng)可以有效的提高凈水的效率，提高凈水的質量，也對凈水車本身的穩(wěn)定運行提供了安全保障。但是也有許多待完善之處，比如開發(fā)一套水質采集系統(tǒng)，實時的為國家水質局提供各地的水質狀況，便于統(tǒng)計和研究各地水質情況，希望以后可以得到改進。