基于單片機(jī)的農(nóng)村污水處理控制器設(shè)計(jì)

摘 要為了適應(yīng)多樣化的農(nóng)村污水控制工藝，提高農(nóng)村污水出水水質(zhì)，需要設(shè)計(jì)可靠性高，數(shù)據(jù)上傳的控制器。農(nóng)村污水處理控制器的設(shè)計(jì)，先根據(jù)工藝控制要求和現(xiàn)場的使用環(huán)境來實(shí)現(xiàn)可靠的硬件電路，然后，按軟件分層設(shè)計(jì)思想，把單片機(jī)軟件分為三層結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件的可靠控制，同時(shí)，通過GPRS技術(shù)，把現(xiàn)場數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)中心。這樣，有效提高了正常的出水天數(shù)。

【關(guān)鍵詞】分層設(shè)計(jì) 單片機(jī) 可靠性

1 前言

目前，農(nóng)村污水大多數(shù)是通過污水處理終端設(shè)備進(jìn)行就地分散處理。處理的工藝多，有人工濕地工藝、A?O工藝、凈化槽工藝等，相應(yīng)的控制方式也不一樣?？刂七^于簡單和控制器故障會(huì)直接影響動(dòng)力設(shè)備，如水泵的使用壽命，以及正常的出水水質(zhì)。運(yùn)維數(shù)據(jù)中心建設(shè)后，控制器還需要對現(xiàn)場的主要數(shù)據(jù)，包括流量數(shù)據(jù)，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)等，通過GPRS技術(shù)，上傳到數(shù)據(jù)中心。為此，根據(jù)控制器的使用環(huán)境和控制工藝的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)單片機(jī)控制器，來滿足可靠性的控制工藝和數(shù)據(jù)上傳的要求，有效提高了正常的出水天數(shù)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件總體結(jié)構(gòu)

硬件主要由單片機(jī)、3路隔離485電路、1路隔離232電路、FLASH電路、DC-DC電路、RTC時(shí)鐘電路、6路繼電器輸出電路（DO）、10路數(shù)字輸入電路（DI）和6路模擬量輸入電路（AI）等組成。硬件總體結(jié)構(gòu)如圖1。

2.2 DC-DC電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，對直流電源的可靠性設(shè)計(jì)非常重要。系統(tǒng)中主要用到+24V和+5V電源。+24V電源采用明偉開關(guān)電源NES-50-24。單片機(jī)對電源要求高，采用LM2596-5.0構(gòu)成的DC-DC電路，由+24V變?yōu)?5V，外圍元器件少，轉(zhuǎn)換效率高，電路發(fā)熱少，適合室外高溫環(huán)境下工作。

2.3 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單片機(jī)最小系統(tǒng)由單片機(jī)內(nèi)部集成資源、程序下載電路和系統(tǒng)時(shí)鐘電路組成。單片機(jī)采用STC15W4K32S4，包含32K的程序空間和4K的SRAM，26K的EEPROM，62個(gè)I/O口，集成MAX810復(fù)位電路，4個(gè)獨(dú)立的全雙工串口，集成硬件看門狗，10位高速8路ADC，支持ISP和USB下載，內(nèi)置高精度R/C時(shí)鐘。單片機(jī)具有2.5V到5.5V的寬電壓以及高抗干擾等優(yōu)點(diǎn)。STC15W4K32S4單片機(jī)抗干擾性強(qiáng)，可以滿足工業(yè)環(huán)境下工作。單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖2。

一般情況下，C5和C6兩個(gè)電容的值相等，滿足0.5的反饋系數(shù)。但由于實(shí)際PCB，線路分部電容的存在，以及抗干擾的需要，可以適當(dāng)減小C6的容量，經(jīng)試驗(yàn)，電路中C5采用30P，C6調(diào)整為12P。

ISP和USB接口電路由R1，R2，D3，D4組成。單片機(jī)采用5V供電，D3和D4穩(wěn)壓管可以保護(hù)USB接口。Y1晶振采用24M，給USB下載提供時(shí)鐘。

2.4 RS232接口設(shè)計(jì)

在農(nóng)村GPRS信號(hào)已經(jīng)普及，通過GPRS DTU模塊，可以把單片機(jī)采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心。由于單片機(jī)與GPRS模塊之間的距離在5米以內(nèi)，只要在單片機(jī)端設(shè)計(jì)RS232接口，就可以實(shí)現(xiàn)GPRS 模塊和單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)透傳。單片機(jī)和水泵、風(fēng)機(jī)的接觸器放在同一個(gè)電控箱，火花和浪涌干擾大，工作環(huán)境惡劣，為此，RS232接口采用ADI公司具有2.5KV完全隔離的RS232收發(fā)器ADM3251E，體積小，可靠性高，適合工業(yè)環(huán)境下工作。

2.5 485接口設(shè)計(jì)

在農(nóng)村生活污水處理中，一般在污水進(jìn)水口和出水口安裝電磁流量計(jì)或超聲波流量計(jì)。單片機(jī)通過485接口，按儀表提供的通信協(xié)議，對進(jìn)出水的累計(jì)流量和瞬時(shí)流量進(jìn)行采集，然后對數(shù)據(jù)處理后，通過GPRS，把數(shù)據(jù)及時(shí)上傳到服務(wù)器。流量計(jì)離單片機(jī)的實(shí)際距離往往大于15米，并且流量計(jì)上帶有RS485接口。單片機(jī)讀取瞬時(shí)流量和累計(jì)流量，需要設(shè)計(jì)RS485接口?？紤]到單片機(jī)的工作環(huán)境，RS485接口芯片采用ADI公司具有2.5KV完全隔離的RS485收發(fā)器ADM2587E，體積小，可靠性高，±15 kV ESD保護(hù)，適合工業(yè)環(huán)境下工作。電路采用成熟的，典型電路，集成隔離電源和信號(hào)隔離于芯片內(nèi)，可靠性高。485接口電路如圖3。

單片機(jī)上電時(shí)，電源還沒達(dá)到穩(wěn)定，系統(tǒng)還處于上電復(fù)位狀態(tài)，P2.0默認(rèn)為弱上拉，485總線處于發(fā)送狀態(tài)，總線就會(huì)被占用，此時(shí)，總線被占用影響其他節(jié)點(diǎn)的通信。利用R5下拉電阻，使上電過程中，P2.0的電平強(qiáng)制拉到低電平，485總線處于接收狀態(tài)，不影響總線上其他節(jié)點(diǎn)通信數(shù)據(jù)的傳輸，等電源穩(wěn)定后，P2.0設(shè)為推挽輸出，可以控制485總線的接收和發(fā)送狀態(tài)，保證485總線上只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以處于發(fā)送狀態(tài)。ADM2587E總線具有±15 kV ESD保護(hù)，為了適應(yīng)農(nóng)村多雷電的環(huán)境，減弱總線上串入的浪涌電壓，在總線上加上D5，D6，D7 雙向瞬變二極管保護(hù)。

2.6 開關(guān)量采集電路設(shè)計(jì)

農(nóng)村污水處理工藝中，主要要采集開關(guān)量信號(hào)包括液位信號(hào)、故障信號(hào)、設(shè)備運(yùn)行信號(hào)等。信號(hào)采用24V傳輸，抗干擾強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)。電路設(shè)有信號(hào)指示燈，檢修和調(diào)試方便。開關(guān)信號(hào)通過光耦TIL521，變?yōu)?V或0V信號(hào)，由單片機(jī)的P0.0口讀取。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用分層軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。如圖4。包括應(yīng)用層程序、數(shù)據(jù)處理層程序和硬件驅(qū)動(dòng)層程序。

應(yīng)用層程序按不同的農(nóng)村污水處理工藝對控制的要求，編制不同的控制應(yīng)用程序，通過數(shù)據(jù)處理層，間接控制和讀取硬件驅(qū)動(dòng)層程序，達(dá)到操作硬件資源的目的。軟件系統(tǒng)采用前后臺(tái)系統(tǒng) 。

3.2 應(yīng)用層程序設(shè)計(jì)

應(yīng)用層程序流程如圖5，程序開始后先對單片機(jī)內(nèi)部RAM和硬件資源寄存器初始化，以及對實(shí)時(shí)時(shí)鐘，GPRS模塊等硬件資源初始化。然后，通過調(diào)用數(shù)據(jù)處理層的動(dòng)力設(shè)備數(shù)據(jù)處理程序 、實(shí)時(shí)時(shí)鐘數(shù)據(jù)處理程序、流量計(jì)數(shù)據(jù)處理程序、Flash數(shù)據(jù)處理程序、GPRS數(shù)據(jù)處理程序、定時(shí)數(shù)據(jù)處理程序和自動(dòng)控制程序，達(dá)到控制、數(shù)據(jù)存取、數(shù)據(jù)上傳等目的。

動(dòng)力設(shè)備數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括水泵、風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)、減速電機(jī)、電纜浮球開關(guān)、浮子開關(guān)、故障信號(hào)、開門信號(hào)、手自動(dòng)信號(hào)、運(yùn)行信號(hào)等。應(yīng)用程序通過調(diào)用數(shù)據(jù)處理層的動(dòng)力設(shè)備數(shù)據(jù)處理程序，讀取或?qū)懭雱?dòng)力設(shè)備數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。動(dòng)力設(shè)備數(shù)據(jù)可供自動(dòng)控制程序使用，也可給GPRS數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理程序使用。

實(shí)時(shí)時(shí)鐘數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括年、月、日、時(shí)、分、秒等。流量計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括累計(jì)流量和瞬時(shí)流量。自動(dòng)控制程序數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要包括控制的步驟、定時(shí)等。

GPRS數(shù)據(jù)處理程序主要完成對動(dòng)力設(shè)備、流量和實(shí)時(shí)時(shí)鐘等數(shù)據(jù)的封裝，并向GPRS DTU模塊發(fā)送AT指令，把數(shù)據(jù)發(fā)送到運(yùn)維數(shù)據(jù)中心，同時(shí)也接收來自運(yùn)維數(shù)據(jù)中心的指令，以及向運(yùn)維數(shù)據(jù)中心定時(shí)發(fā)送心跳包。

3.3 數(shù)據(jù)處理層程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理層主要實(shí)現(xiàn)通信數(shù)據(jù)內(nèi)容的截取、數(shù)據(jù)頭和校驗(yàn)的增加，數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)賦值，數(shù)值的計(jì)算等操作。

數(shù)據(jù)處理層主要由動(dòng)力設(shè)備數(shù)據(jù)處理程序 、實(shí)時(shí)時(shí)鐘數(shù)據(jù)處理程序、流量計(jì)數(shù)據(jù)處理程序、Flash數(shù)據(jù)處理程序、GPRS數(shù)據(jù)處理程序、定時(shí)數(shù)據(jù)處理程序等組成。

動(dòng)力設(shè)備數(shù)據(jù)處理程序?qū)唵蔚腄I和DO信號(hào)，直接或取反進(jìn)行動(dòng)力設(shè)備數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)賦值，但浮子DI信號(hào)，在水與浮子剛接觸的幾秒到幾十秒時(shí)間內(nèi)易抖動(dòng)，所以要根據(jù)現(xiàn)場使用情況，在軟件上調(diào)整浮子延時(shí)接通時(shí)間，經(jīng)過延時(shí)處理后，才能賦值給動(dòng)力設(shè)備信號(hào)變量。動(dòng)力設(shè)備數(shù)據(jù)處理程序?qū)τ贏I值，需要對4-20mA電流值對應(yīng)的1-5電壓值，經(jīng)過計(jì)算后，得出有意義的值，如市電電壓，水泵的電流值，再賦值給動(dòng)力設(shè)備模擬量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，供應(yīng)用層調(diào)用。

單片機(jī)采集流量方式，往往采用485接口采集。這種方式比采用4-20MA接口采集方式更精確。下面是單片機(jī)對流量計(jì)采集瞬時(shí)流量或累計(jì)流量的數(shù)據(jù)處理流程，其中采集瞬時(shí)流量流程如圖6。

單片機(jī)先給指定地址的流量計(jì)發(fā)地址和命令，然后等待接收超時(shí)后，對校驗(yàn)正確后的數(shù)據(jù)串，按流量計(jì)提供的第三方協(xié)議截取數(shù)據(jù)串中的流量數(shù)據(jù)內(nèi)容，經(jīng)計(jì)算得出瞬時(shí)流量，再賦值給動(dòng)力設(shè)備流量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，供應(yīng)用層調(diào)用。單片機(jī)采集累計(jì)流量和采集瞬時(shí)流量的流程一樣，只是發(fā)送的命令碼為01。

3.4 硬件驅(qū)動(dòng)層程序設(shè)計(jì)

硬件驅(qū)動(dòng)層，包括DI驅(qū)動(dòng)程序、DO驅(qū)動(dòng)程序、AI驅(qū)動(dòng)程序、IIC驅(qū)動(dòng)程序、SPI驅(qū)動(dòng)程序、UART驅(qū)動(dòng)程序、T0中斷驅(qū)動(dòng)程序。硬件驅(qū)動(dòng)層程序主是對單片機(jī)內(nèi)部寄存器的操作。

DI驅(qū)動(dòng)程序?qū)?yīng)的硬件是單片機(jī)的輸入口，讀取來自光耦的0或5V信號(hào)，經(jīng)延時(shí)的去抖處理，放入數(shù)組變量中。數(shù)組變量可供數(shù)據(jù)處理層的動(dòng)力設(shè)備數(shù)據(jù)處理程序讀取。

DO驅(qū)動(dòng)程序?qū)?yīng)的硬件是單片機(jī)的輸出口，控制繼電器和LED信號(hào)燈。DO驅(qū)動(dòng)程序讀取來自動(dòng)力設(shè)備數(shù)據(jù)處理層處理好的數(shù)據(jù)，通過判斷0和非0，對單片機(jī)輸出口置0或置1。

AI驅(qū)動(dòng)程序?qū)?yīng)單片機(jī)的AD輸入口，采集1-5V的電壓，并把原始值存入到指定數(shù)組中，供動(dòng)力設(shè)備數(shù)據(jù)處理程序進(jìn)一步處理層，轉(zhuǎn)換成有意義的數(shù)據(jù)。

IIC驅(qū)動(dòng)程序?qū)?yīng)單片機(jī)的普通I/O口，通過I/O口模擬IIC時(shí)序，讀取SD3088時(shí)鐘芯片數(shù)據(jù)，向上對應(yīng)數(shù)據(jù)處理層的實(shí)時(shí)時(shí)鐘數(shù)據(jù)處理程序。

SPI驅(qū)動(dòng)程序通過單片機(jī)的SPI主動(dòng)模式，讀取和寫入W25Q64BV數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片內(nèi)的Flash數(shù)據(jù)。

UART驅(qū)動(dòng)程序?qū)?yīng)單片機(jī)的4個(gè)全雙工串口，可以與流量計(jì)，GPRS模塊通信。

4 結(jié)論

根據(jù)農(nóng)村污水處理工藝、現(xiàn)場的使用環(huán)境、預(yù)留數(shù)據(jù)上傳功能的要求，本文通過基于STC15W4K32S4單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)了可靠的硬件接口電路和三層軟件。通過在污水處理項(xiàng)目上的應(yīng)用，硬件電路和分層軟件設(shè)計(jì)方式，以及使用GPRS數(shù)據(jù)上傳功能，使系統(tǒng)的硬件故障率低，排除故障時(shí)間短，控制可靠，有效提高了正常的出水天數(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1]朱兆優(yōu)，姚永平等.單片微機(jī)原理及接口技術(shù)——基于STC15W4K32S4系列高性能8051單片機(jī)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015：7-8.

[2]涂俊杰，王妍，徐建等.基于C8051F580的雙通道RS-422通信電路設(shè)計(jì)[J].集成電路通訊，2016（04）：11-14.

[3]張明，劉志宏，方偉奇.嵌入式軟硬件系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2010，28（05）：45-49.

[4]馮地明.狀態(tài)機(jī)在嵌入式前后臺(tái)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2008（11）：25-28.

作者簡介

徐益武（1979-），男，浙江省寧波市人。碩士學(xué)位。工程師，主要從事基于單片機(jī)的軟硬件開發(fā)。

作者 單位

浙江德安科技股份有限公司 浙江省寧波市 315812