专利名称：嵌入式污水处理控制器的制作方法
嵌入式污水处理控制器技术领域：
本发明属于自动控制技术领域，特别涉及一种嵌入式污水处理控制器。背景技术：
随着社会经济的发展，特别是化工、轻工等行业的发展，产生的污水 越来越多，加剧环境的污染。因此，为了降低这些行业对环境的污染，各个企业投入了大量 资金购入污水处理设备。依据污水的成分不同，污水处理的工艺不同，目前有化学处理方 法、物理化学方法、生物处理方法等。但是，无论采用哪一种方法，整个处理过程都以自动处 理为主，这就需要污水处理设备具有自动处理功能，即污水处理设备中的自动控制系统。
对污水处理设备中的自动控制系统的设计，目前主要采用机械式及可编程控制器 (PLC)的控制系统。机械式的污水控制系统如专利97196751. 2 (废水控制系统)公开了一 种废水控制系统，利用水位感测装置探测水的液位，达到控制进水阀及出水阀的开启。控制 简单，只能探测液位一个参数，并且对进水阀及出水阀的开闭时间不能设定。设计中一旦液 位确定，不能修改。 专利200810126770. 5 (污水处理控制设备和方法及污水处理系统)公开了一种污 水处理控制系统，利用多个测量单元，分别检测水的成分，结合多个验证单元，通过比例积 分微分(PID)控制，实现对废水的处理。该控制器主要采用PID控制单元进行控制，控制算 法单一，过程比较繁琐，稳定性差，且不具有与人交互的接口 。 污水处理设备的控制系统还有采用可编程控制器(PLC) 。 PLC具有可编程性，即根
据工艺，参数可以设定，模拟量、数字量的参数都可以设定。但是PLC可配置性差，因为PLC
都是模块化的，很难找到一块PLC全部满足一种污水处理控制需要，因此需要多块PLC，成
本增加。单一PLC是不能构成污水控制系统的，它需要与其他部件如继电器、数据采集单元
等一起构成控制系统，而且由PLC构成的污水控制系统体积比较大，功耗高。
发明内容本发明目的是克服现有技术存在的上述不足，提供一种集可编程、可
配置、低功耗、数据采集等功能于一体的嵌入式污水处理控制器。 本发明提供的嵌入式污水处理控制器包括 8位微控制器AW60 :用于进行核心计算与控制； 温度采集单元通过微控制器AW60内部集成的AD转换接口与微控制器AW60连 接，用于采集污水处理设备中的反应池中温度信号； 压力采集单元通过微控制器AW60内部集成的AD转换接口与微控制器AW60连 接，用于采集污水处理设备中的出水口压力信号； 流量采集单元通过微控制器AW60内部集成的输入捕捉接口与微控制器AW60连 接，用于采集污水处理设备中的出水口、进水口等水的流量信号； 液位采集单元通过微控制器AW60内部集成的输入捕捉接口与微控制器AW60连 接，用于采集污水处理设备中的反应池、原水池等液位信号； 继电器输出单元通过微控制器AW60内部集成的基本输入/输出口 10与微控制 器AW60连接，用于控制污水处理设备中的各个电机； 键盘输入单元通过微控制器AW60内部集成的键盘中断接口与微控制器AW60连接，用于控制各个电机的启停及设定工作方式等； 时钟单元通过微控制器AW60内部集成的1IC接口与微控制器AW60连接，用于设 定控制污水处理系统时钟； LCD显示器通过微控制器AW60内部集成的SPI接口与微控制器AW60连接，用于 显示污水处理系统的状态及参数； 串口单元通过微控制器AW60内部集成的SCI接口与微控制器AW60连接，用于与 PC机进行通信。 以上所述的控制器共包括两路温度采集单元，三路压力采集单元，四路流量采集 单元，八路液位采集单元，和八路继电器输出单元。 微控制器AW60是最新的8位微控制器，内部集成有普通10 口 、串口 SCI 、 IIC接口 、 SPI接口、定时器、键盘中断、AD转换接口等。总线频率达到20腿z以上，具有功耗低，接口 丰富，工作稳定等特点。 其中所述的温度采集单元的电路组成包括放大器TL062-1、线性电源转换器 TL7660-1 、电位器T1PM、温度传感器接口 TlJl、温度采集单元电阻一 温度采集单元电阻 十以及温度采集单元电容一，温度采集单元电容二 ；线性电源转换器TL7660-1的2端与 4端之间连接温度采集单元电容一，TL7660-1的3端接地，TL7660-1的8端接电源VCC， TL7660-1的5端一路通过温度采集单元电容二接地，TL7660-1的5端另一路输出_5V电 压并与放大器TL062-1的4端相连；放大器TL062-1的8端接电源VCC， TL062-1的7端和 2端之间连接温度采集单元电阻二， TL062-1的7端和6端之间连接温度采集单元电阻三， TL062-1的6端同时通过温度采集单元电阻四接地，TL062-1的5端通过温度采集单元电阻 五与电位器T1PM的2端相连，TL062-1的3端通过温度采集单元电阻十与温度传感器接口 T1J1的3端相连，TL062-1的2端与1端之间连接温度采集单元电阻一，同时TL062-1的1 端将放大后的温度信号输出到微控制器AW60的PTD3端；电位器T1PM的2端经串联的温度 采集单元电阻六和温度采集单元电阻八接地，电位器T1PM的3端与温度传感器接口 T1J1 的2端相连；温度传感器接口 T1J1的3端经串联的温度采集单元电阻九和温度采集单元电 阻七接电源VCC，串联的温度采集单元电阻九和温度采集单元电阻七的中间结点同时与串 联的温度采集单元电阻六和温度采集单元电阻八的中间结点连接在一起，温度传感器接口 T1J1的1端接地。 所述的液位采集单元的电路组成包括光电隔离器L0—U1、液位采集单元电阻一 和液位采集单元电阻二及液位接口 L0_J1 ;液位接口 L0_J1的1端接+24V电源，L0—J1的2 端与光电隔离器L0_U1的1端相连；光电隔离器L0_U1的2端通过液位采集单元电阻二接 地，L0_U1的3端直接与地相连，L0_U1的4端通过液位采集单元电阻一接电源，L0_U1的4 端同时将液位信号输出到微控制器AW60的PTE3端。 所述的继电器输出单元的电路组成包括光电隔离器4N25_0 、三极管Re 1 ayO_ Q1 、 二极管Re 1 ayO_D 1 、继电器Re 1 ayO_l 、继电器输出单元电阻一 ，继电器输出单元电阻二 ， 继电器输出单元电阻三以及输出接口 4N25_J0 ;输出接口 4N25_J0的1端直接与继电器 RelayO_l的1端相连，4N25_J0的2端直接与继电器RelayO_l的3端相连；继电器RelayO_l 的5端通过正向二极管Relay(U)l与继电器RelayOJ的4端相连，RelayO_l的4端同时接 电源POWER，继电器RelayO_l的5端同时连接三极管RelayO_Ql的集电极，三极管RelayO_
5Ql的基极通过继电器输出单元电阻三与光电隔离器4N25_0的4端相连，三极管RelayO_Ql 的发射极直接接地；光电隔离器4N25J)的5端通过继电器输出单元电阻二与电源P0WER相 连，4N25J)的2端直接接地，4N25J)的1端通过继电器输出单元电阻一与微控制器AW60的 PTAO端相连。 本发明的优点和积极效果 本发明提供的嵌入式污水处理控制器实现了两路温度采集、三路压力采集、八路 液位采集及四路流量采集，进而实现了对输出的控制，及继电器的开启与闭合；充分利用了 具有精简指令集的AW60微处理器的内部资源，如1IC、SPI、SCI等接口分别连接时钟模块、 LCD及串口单元，简化电路设计，提高了系统的稳定性、可靠性。通过软件设置相应的参数， 达到可配置性，使该控制器适合不同的污水处理控制的需要。简洁的外围电路实现了控制 器的人机交互接口 ，为操作者提供了友好的操作界面。
图1是本发明的嵌入式污水处理控制器原理框图； 图2是微控制器AW60的最小系统参考电路原理连接图； 图3是温度数据采集单元模块的参考电路原理 连接图； 图4是压力数据采集单元模块的参考电路原理连接图； 图5是流量数据采集单元模块的参考电路原理连接图； 图6是液位数据采集单元模块的参考电路原理连接图； 图7是继电器输出单元模块的参考电路原理连接图； 图8是键盘单元模块的参考电路原理连接图； 图9是时钟单元模块的参考电路原理连接图； 图10是LCD显示单元模块的参考电路原理连接图； 图11是串行单元模块的参考电路原理连接图。
具体实施方式
实施例1 : 如图1所示，本发明提供的嵌入式污水处理控制器包括8位微控制器AW60模块 1，通过微控制器AW60内部集成的AD转换接口连接的两路温度采集单元2和三路压力采集 单元3，通过微控制器AW60内部集成的输入捕捉接口连接的四路流量采集单元4和八路液 位采集单元5，通过微控制器AW60内部集成的基本输入/输出口 IO连接的八路继电器输出 单元6 ，通过微控制器AW60内部集成的键盘中断接口连接的键盘输入7 ，通过微控制器AW60 内部集成的IIC接口连接的时钟单元8，通过微控制器AW60内部集成的SPI接口连接的LCD 显示9和通过微控制器AW60内部集成的SCI接口连接串行接口单元10。
其中 1、微控制器AW60模块1具体连接电路见图2。晶振Y1为微控制器AW60提供4MHz 的时钟，通过微控制器AW60内部的锁相环电路(PLL)将主时钟提高到20腿z ;写入接口 BDC 能够将编写的控制程序写入到微控制器AW60中，以便微控制器AW60运行对其他模块进行 控制；复位按键S 1主要是复位微控制器AW60，使微控制器AW60恢复初态。
2、图3为1路温度采集单元2。这两路温度采集单元的电路完全相同。温度信 号(由Pt100获取) 一般比较弱，通过TL062-1放大器对其放大，放大后的信号从图3的 TempSgl的1端输入到微控制器AW60中的PTD3端，以便利用微控制器AW60集成的AD转换 接口将放大后的模拟信号转化为数字信号。TL7660-1为TL062-1放大器提供工作电压。
该单元的具体电路组成包括放大器TL062-1、线性电源转换器TL7660-1、电位器 T1PM、温度传感器接口 T1J1、温度采集单元电阻一T1R1 温度采集单元电阻十T1R10以及 温度采集单元电容一T1C1，温度采集单元电容二T1C2 ;线性电源转换器TL7660-1的2端 与4端之间连接温度采集单元电容一，TL7660-1的3端接地，TL7660-1的8端接电源VCC， TL7660-1的5端一路通过温度采集单元电容二接地，TL7660-1的5端另一路输出_5V电 压并与放大器TL062-1的4端相连；放大器TL062-1的8端接电源VCC， TL062-1的7端和 2端之间连接温度采集单元电阻二， TL062-1的7端和6端之间连接温度采集单元电阻三， TL062-1的6端同时通过温度采集单元电阻四T1R4接地，TL062-1的5端通过温度采集单元 电阻五与电位器T1PM的2端相连，TL062-1的3端通过温度采集单元电阻十与温度传感器 接口 T1J1的3端相连，TL062-1的2端与1端之间连接温度采集单元电阻一，同时TL062-1 的1端将放大后的温度信号输出到微控制器AW60的PTD3端；电位器T1PM的2端经串联的 温度采集单元电阻六和温度采集单元电阻八T1R8接地，电位器T1PM的3端与温度传感器 接口 T1J1的2端相连；温度传感器接口 T1J1的3端经串联的温度采集单元电阻九和温度 采集单元电阻七接电源VCC，串联的温度采集单元电阻九和温度采集单元电阻七的中间结 点同时与串联的温度采集单元电阻六和温度采集单元电阻八的中间结点连接在 一起，温度 传感器接口 T1J1的l端接地。 3、图4为1路压力采集单元3。这三路压力采集单元的电路完全相同。压力信号 通过压力传感器获得， 一般为4 20mA，经过电阻PrRO后转化为电压，该电压从PressSgl 的1端输入到微控制器AW60中的PTDO，以便利用微控制器AW60集成的AD转换接口将该信 号转化为数字信号。电容PrCO为滤波作用。 4、图5为1路流量采集单元4。这四路流量采集模块电路完全相同。流量信号通 过霍尔流量计获得，为数字信号，该数字信号从FluxSgll端输入到微控制器AW60中的PTD6 端，利用微控制器AW60集成的输入捕捉功能，获取流量信息。电容FluCO为滤波作用。
5、图6为1路液位采集单元5。这八路液位采集模块电路完全相同。液位信号通 过液位传感器获得，为数字信号，带有谐波信号。为了避免谐波信号对微控制器AW60的影 响，通过光电隔离L0_U1将其隔离，使系统更稳定。 其具体电路组成包括光电隔离器L0—U1、液位采集单元电阻一 L0_R1和液位采集 单元电阻二 L0_R2及液位接口 L0_J1 ;液位接口 L0_J1的1端接+24V电源，L0_J1的2端 与光电隔离器L0—U1的1端相连；光电隔离器L0—U1的2端通过液位采集单元电阻二接地， L0_U1的3端直接与地相连，L0—U1的4端通过液位采集单元电阻一接电源VCC，L0_U1的4 端同时将液位信号输出到微控制器AW60的PTE3端。 6、图7为1路继电器输出单元6。这八路继电器输出模块电路完全相同。继电器 输出模块通过4N25_J0接口与交流泵或直流泵或电磁阀连接；这些外接设备可能带来噪音 信号，为了避免这些信号对对微控制器AW60的影响，通过光电隔离4N25J)将其隔离，使系 统更稳定，使系统更具有通用性。
具体电路组成包括光电隔离器4N25J)、三极管RelayO—Ql、二极管Relay(U)l、继 电器RelayOj、继电器输出单元电阻一 RelayO_Rl，继电器输出单元电阻二 Relay0—R2，继 电器输出单元电阻三RelayO_R3以及输出接口 4N25_J0 ;输出接口 4N25_J0的1端直接与 继电器RelayO_l的1端相连，4N25—J0的2端直接与继电器RelayO_l的3端相连；继电器 RelayO_l的5端通过正向二极管RelayO_Dl与继电器RelayO_l的4端相连，RelayO_l的 4端同时接电源POWER,继电器RelayO_l的5端同时连接三极管RelayO_Ql的集电极，三极 管RelayO—Ql的基极通过继电器输出单元电阻三与光电隔离器4N25_0的4端相连，三极管 RelayO_Ql的发射极直接接地；光电隔离器4N25_0的5端通过继电器输出单元电阻二与电 源POWER相连，4N25J)的2端直接接地，4N25J)的1端通过继电器输出单元电阻一与微控 制器AW60的PTAO端相连。 7、键盘输入单元7具体连接电路见图8。这里的键盘为4X4键盘，即4行4列。键 盘的4行信号分别从Rowl、 Row2、 Row3、 Row4端输入到AW60的PTBO、 PTB1、 PTB2、 PTB3端； 键盘的4列信号分别从Coll、 Co12、 Co13、 Co14端输入到AW60的PTB4、 PTB5、 PTB6、 PTB7 端；通过行列扫描获得键值，然后在控制程序中对不同的键值赋予不同的含义，达到设定参 数或控制设备的作用。 8、时钟单元8具体连接电路见图9。系统时钟是由芯片IIC_U0(PCF8563)提供，芯 片IIC_U0能够提供年月日时分秒，而且采用IIC接口 ，时钟及数据信号分别从SCL、 SDA端 输入到微控制器AW60中的PTCO、 PTC1。通过设定芯片IIC_U0内部时钟，达到修改或读取 AW60内部的时钟。通过1IC接口与微控制器AW60交换信息。 9、LCD显示单元具体连接电路见图10。 LCD采用LCD12864R。 LCD12864R带汉字显 示，且能够显示4行8列。通过SPI串行接口与微控制器AW60相连，具体是LCD的片选信 号从LCD_CS端输入到AW60的PTC4端；LCD的串并选择信号从LCD_PSB端输入到AW60的 PTC6 ;LCD的时钟信号从LCD_CLK端输入到AW60的PTE7 ;LCD的数据信号从LCD_SID端输 入到PTE6。显示参数设置信息及系统运行过程中的状态信息。因为能够显示汉字，显示界 面非常直观简洁。 10、串口单元具体连接电路见图10。微控制器AW60发送的TTL电平信号从PTC3 端输入到SEND端，然后由MAX232将其转化为232电平；同样，接收进来的232电平转化为 TTL电平从RECEIVE端输入到AW60中的PTC5端。通过该模块可以与PC机相连，实现计算 机控制以及计算机分析等。
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权利要求
一种嵌入式污水处理控制器，其特征在于该控制器包括8位微控制器AW60用于进行核心计算与控制；温度采集单元通过微控制器AW60内部集成的AD转换接口与微控制器AW60连接，用于采集污水处理设备中的反应池中温度信号；压力采集单元通过微控制器AW60内部集成的AD转换接口与微控制器AW60连接，用于采集污水处理设备中的出水口压力信号；流量采集单元通过微控制器AW60内部集成的输入捕捉接口与微控制器AW60连接，用于采集污水处理设备中的出水口、进水口水的流量信号；液位采集单元通过微控制器AW60内部集成的输入捕捉接口与微控制器AW60连接，用于采集污水处理设备中反应池、原水池的液位信号；继电器输出单元通过微控制器AW60内部集成的基本输入/输出口IO与微控制器AW60连接，用于控制污水处理设备中的各个电机；键盘输入单元通过微控制器AW60内部集成的键盘中断接口与微控制器AW60连接，用于控制各个电机的启停及设定工作方式；时钟单元通过微控制器AW60内部集成的IIC接口与微控制器AW60连接，用于设定控制污水处理系统时钟；LCD显示器通过微控制器AW60内部集成的SPI接口与微控制器AW60连接，用于显示污水处理系统的状态及参数；串口单元通过微控制器AW60内部集成的SCI接口与微控制器AW60连接，用于与PC机进行通信。
2. 根据权利要求1所述的嵌入式污水处理控制器，其特征在于所述的控制器包括两路温度采集单元，三路压力采集单元，四路流量采集单元，八路液位采集单元和八路继电器输出单元。
3. 根据权利要求1所述的嵌入式污水处理控制器，其特征在于所述的温度采集单元的电路组成包括放大器TL062-1、线性电源转换器TL7660-1、电位器T1PM、温度传感器接口 T1J1、温度采集单元电阻一 温度采集单元电阻十以及温度采集单元电容一，温度采集单元电容二 ；线性电源转换器TL7660-1的2端与4端之间连接温度采集单元电容一，TL7660-1的3端接地，TL7660-1的8端接电源VCC， TL7660-1的5端一路通过温度采集单元电容二接地，TL7660-1的5端另一路输出-5V电压并与放大器TL062-1的4端相连；放大器TL062-1的8端接电源VCC，TL062-1的7端和2端之间连接温度采集单元电阻二，TL062-1的7端和6端之间连接温度采集单元电阻三，TL062-1的6端同时通过温度采集单元电阻四接地，TL062-1的5端通过温度采集单元电阻五与电位器T1PM的2端相连，TL062-1的3端通过温度采集单元电阻十与温度传感器接口 T1J1的3端相连，TL062-1的2端与1端之间连接温度采集单元电阻一，同时TL062-1的1端将放大后的温度信号输出到微控制器AW60的PTD3端；电位器T1PM的2端经串联的温度采集单元电阻六和温度采集单元电阻八接地，电位器T1PM的3端与温度传感器接口 T1J1的2端相连；温度传感器接口 T1J1的3端经串联的温度采集单元电阻九和温度采集单元电阻七接电源VCC，串联的温度采集单元电阻九和温度采集单元电阻七的中间结点同时与串联的温度采集单元电阻六和温度采集单元电阻八的中间结点连接在一起，温度传感器接口 T1J1的1端接地。
4. 根据权利要求1所述的嵌入式污水处理控制器，其特征在于所述的液位采集单元的 电路组成包括光电隔离器L0—U1、液位采集单元电阻一和液位采集单元电阻二及液位接 口 L0_J1 ;液位接口 L0_J1的1端接+24V电源，L0—J1的2端与光电隔离器L0_U1的1端相 连；光电隔离器L0_U1的2端通过液位采集单元电阻二接地，L0_U1的3端直接与地相连， L0_U1的4端通过液位采集单元电阻一接电源，L0—U1的4端同时将液位信号输出到微控制 器墨O的PTE3端。
5. 根据权利要求1所述的嵌入式污水处理控制器，其特征在于所述的继电器输出单 元的电路组成包括光电隔离器4N2 5_0 、三极管Re 1 ay0_Q 1 、 二极管Re 1 ay0_D 1 、继电器 RelayOJ、继电器输出单元电阻一，继电器输出单元电阻二，继电器输出单元电阻三以及输 出接口 4N25_J0 ;输出接口 4N25_J0的1端直接与继电器RelayO_l的1端相连，4N25—J0的 2端直接与继电器RelayO_l的3端相连；继电器RelayO_l的5端通过正向二极管RelayO_ Dl与继电器RelayO_l的4端相连，RelayO_l的4端同时接电源POWER,继电器RelayO_l的 5端同时连接三极管RelayO_Ql的集电极，三极管RelayO_Ql的基极通过继电器输出单元 电阻三与光电隔离器4N25_0的4端相连，三极管RelayO_Ql的发射极直接接地；光电隔离 器4N25_0的5端通过继电器输出单元电阻二与电源POWER相连，4N25J)的2端直接接地， 4N25_0的1端通过继电器输出单元电阻一与微控制器AW60的PTAO端相连。
全文摘要
一种嵌入式污水处理控制器。该控制器包括以8位微控制器AW60为核心器件、两路温度采集单元、三路压力采集单元、八路液位采集单元、四路流量采集单元、八路继电器输出单元、键盘输入单元、时钟单元、LCD以及串口通信单元。本发明实现了对温度信号采集并放大、压力信号采集，利用AW60内部集成的AD模块将这些采集信号转化为数字量；利用AW60内部集成的输入捕捉模块，实现对八路液位信号及四路流量信号采集；充分利用AW60内部资源，使控制器整体硬件电路简单、稳定性好。该控制器具有采集精度高、处理及时等特点；另外，该控制器可以根据污水处理工艺的要求，随时修改参数，进行相应地控制，具有可配置性；并且能够与PC机相连，实现在PC机上及现场双控制。
文档编号G05B19/04GK101763046SQ20091024508
公开日2010年6月30日 申请日期2009年12月25日 优先权日2009年12月25日
发明者刘英平, 孟德军, 林志贵, 钟晴晴 申请人:天津工业大学