杨金磊基于单片机的自来水加氯控制系统的软件设计.docx
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杨金磊基于单片机的自来水加氯控制系统的软件设计
理工学院
本科生毕业设计（论文）
学院（系）：
电子与电气工程系
专业：
电子信息工程
学生：
杨金磊
指导教师：
牛军（副教授）
完成日期2011年5月
理工学院本科生毕业设计（论文）
基于单片机的自来水加氯控制系统的软件设计
SoftwareDesignofControlSysteminwaterChlorinatingBasedonSinglechip
学院（系）：
电子与电气工程系
专业：
电子信息工程
学生姓名：
杨金磊
学号：
94107041
指导教师（职称）：
牛军（副教授）
评阅教师：
完成日期：
理工学院
InstituteofTechnology
基于单片机的自来水加氯控制系统的软件设计
电子信息工程杨金磊
[摘要]本文设计了一种以AT89C52单片机为核心的自来水加氯控制系统。
该系统可以根据用户设定的上下限值、流量值和输出反馈值，通过对电磁泵的控制来实现自来水加氯和加药的闭环反馈控制。
在加氯控制的同时，系统还可以实时显示和修改当前的各控制参数。
本文简述了自来水加氯控制的主体流程和氯的消毒原理;论述了自来水加氯
控制系统的总体方案设计思想，该系统的主体结构是由RS-485总线连接的主从控制器;同时设计了系统的硬件结构，包括系统人机交互界面模块、数据采集模块、数据输出控制模块、远程通讯模块、数据存储和看门狗模块等;论述了系统的软件设计思想和流程;建立了相应的数学模型，并对系统的调试过程进行了分析。
通过简单实验，证明所设计的自来水加氯控制系统能够完成对自来水加氯的
科学控制，具有一定的现实意义和可行性。
[关键词]自动控制;自来水加氯;单片机;AT89C52
SoftwareDesignofControlSysteminwaterChlorinatingBasedonSinglechip
ElectronicInformationEngineeringSpecialtyYANGJin-lei
Abstract:
Inthisarticle,onekindofchlorinatingcontrolsystembeplansedtodesignwhichisbasedonAT89C52.Thesystemisbasedontheupperandlowerlimits,flowvalueandtheoutputvalueofthefeedbackwhichsetbytheusers.Itwasthroughpumptocontroltherealizationofchlorinatedtapwaterandprocessingthedrug.thesystemcandisplayreal-timeandrevisionofthecurrentcontrolparameters.Theparameterscanbedisplayedandrevisedforthecurrentcontrolsystembyused.
Firstlythisarticleintroducesthemainprocessesofthecontrolofthewater
Chlorinationandtheprinciplesofchlorinedisinfection.Secondintroducedtotheoverallystemdesignforthecontrolofthewaterchlorination.Themastercontrollerandtheslavecontrolleristhemainstructureofthesystem,whichconnectionbytheRS-485bus.Thirdthearticleintroducedthestructureofthehardware.Thehardwareincludeofmachineinterfacemodule,dataacquisitionmodules,dataoutputcontrolmodule,long-rangecommunicationmodule,datastoragecomponents,thewatchdog
module,andsoon.Thenintroducedthedesignofsoftware.Finally,introduced
debuggingofthesystem.
Accordingtothesimpleexperiment,thedesignofthecontrolsystemforwaterchlorinationhasthechlorinationgeneralrequisitionindrugcontrolrequirements.Itisnotonlyhavesomescience,butalsohaveacertainrelevanceandfeasibility.
Keywords:
automation,chlorinatingsystem,singlechipmicrocomputer,AT89C52
1.引言
1.1选题背景及国内外发展现状
水是地球万物的生命之源，是人类赖以生存的基本物质。
但是，对传染病学
和细菌学的研究证明，水也是传播疾病的重要媒介物。
水质决定着人的体质，所
以自来水的消毒处理成为大规模供水系统中最基本最重要的工艺，是保证用户安
全用水必不可少的措施之一。
早在1903年，人们就开始用氯来消毒饮用水，到现在已有l00年的历史，国内外至今仍广泛应用氯进行自来水的消毒处理。
应用氯消毒的优点主要有:
杀火细菌效果好，能够破坏细菌的酶系统，使水中的致病菌和寄生虫卵死亡;可以改善水的感官性状，具有火藻、除臭、除味的能力;投加氯的设备简单，初期投资和运行费用均比较低;氯的来源广泛，价格低廉;具有余氯的持续作用，可以防
止水在输送过程中被二次污染。
但是，在50年代末，人们发现有机氯含量高会使动物中毒而死，1974年，Rock和Bella:
等人从氯化后的高色度水中检测出二氯甲烷，并确认其致癌性，随后Symons等人对美国80个主要城市的各种不同水源的原水及经过不同流程处理的自来水进行全面调查，发现以地面水为水源，经过实行预氯化的自来水中，普遍存在着较高浓度的氯仿、一溟二氯甲烷、二溟一氯甲烷和溟仿。
Kransne:
等人在1986年对美国35个主要水厂中氯化消毒副产物进行了较全面、详细的调查，发现氯化产物中二卤甲烷所占比例最大，卤代有机酸次之，此外，还检测出卤代乙睛、卤代酮及氯酚等各种难挥发的有机卤代物，在我国24个大中城市的饮用水普查中也普遍检测出了氯仿和其它卤仿。
近10年来，国内外对饮用水与肿瘤的关系进行了大量调研，并已经确认二卤甲烷为致癌物质。
世界上许多国家对生活饮用水中二卤甲烷的最高浓度作出了规定。
我国在生活饮用水水质标准中规定了氯仿的含量不超过60ug/1，四氯化碳的含量不超过3ug/l。
由于加氯量直接关系到水中致癌物质的产生，所以自来水氯化消毒过程中投
氯量的选择是一个很重要的问题，必须控制适量并能及时调整。
加氯过多，虽然
能够维持水中有较高浓度的余氯，有利于消毒火菌，但会使氯与水中能够产生卤
代有机物的前驱物质反应几率增加，严重危害居民的健康状态。
同时，投氯量过
多还可使水有氯臭，饮用者会产生不快的感觉。
而投氯量不足的时候，则达不到消毒火菌所需的效果。
因此，投氯量应根据实际需要视水质情况而定，并经常调整，同时还要作好计量工作。
但是由于常规的加氯、加药工艺过程缺乏定量的科学依据，仅靠肉眼观测和
经验来进行判定，在原水水量、水质变化较大的情况下配药浓度和药量往往与实
际情况严重不符，不是混合不够充分，不能满足出厂余氯要求，就是使用的投氯
量过多，产生超标的卤代有机物。
鉴于我国的实际情况，当前以及今后一段时间内，饮用水的消毒仍然是以加
氯消毒为主，所以分析饮用水中氯化消毒工艺，优化和提高自来水加氯控制系统
性能是非常必要的。
1.2主要研究内容
本课题拟以ATMEL公司生产的AT89C52单片机为核心，同时结合传感器技
术，设计一套以处理后水的余氯值和浊度值为主要控制对象的适合各类自来水厂
和污水处理厂的水处理智能控制系统。
本课题研究设计的控制系统主要特点是:
（1）采用单片机控制设计，实现初始值设定、自动加氯、自动加药、余氯值
和浊度值的检测状态显示、掉电保护和数据存储、主从控制器通讯等功能。
大大
提高智能化控制的能力，降低了人力的付出。
（2）人机操作界面采用液晶、LED指示显示，按键设置;操作设置实现多级
菜单显示的方法。
操作简单、方便，极具人性化特点。
（3）设训一了主控制器和从控制器的通讯端口，两个控制器之间通过RS-485总线实现远程数据的传输和管理。
（4）产品整体设计具有技术的通用性，贴近实际的应用，易十推广和大规模
生产。
根据系统要求和拟完成的功能特点，本课题研究的主要内容有:
（1）总体设计:
首先按照系统的应用场合，工作环境，控制对象等确定合理
的设训一方案，权衡利弊，仔细划分软件部分和硬件部分各自应完成的功能，形成系统的研究模型。
（2>硬件设计:
由于现在市场上各种芯片种类繁多而不断在推陈出新，因此必须按照系统要求，根据“性价比最高”原则，选择既适合十本系统，又运行可靠的芯片和兀器件，从而设计出最合理的硬件电路，并用PROTEL电路设计软件画出正确的电路图，然后在单片机开发装置的面包板上搭出实验电路，通过实验随时对电路图进行修改，最终调试无误后，再制成印制电路板。
（3）软件设计:
利用模块化的程序设计方法，把系统应用程序按照整体功能
划分为若干相对独立的程序模块，绘出程序流程图，各个模块单独进行设计，利
用单片机C语言编程。
（4）系统的调试与运行:
在单片机开发装置上，用调试软件对程序进行调试，
查错和修改。
然后把调好的程序联成一个完整的系统程序，再进行联机调试，在
线仿真，最后组装样机，脱机运行，通过试运行对系统进行检测，以验证系统的
功能。
2.1水处理常规生产工艺
普通水厂的常规净水工艺过程为:
取水一混凝一沉淀一过滤一消毒一输水其
具体过程如图2.1所示
图1自来水厂常规生产过程
图2.1自来水厂常规生产过程
取水泵站从地下和江河湖泊取得生产用的原水，同时用取水处的格栅筛除原
水中的漂浮杂物。
在配水井对原水进行前加氯和加药，该过程又成为混凝。
一般来说水中含有的杂质可分为两大类:
一类是不溶解而是混悬在水中的，称为浑浊物或悬浊物;另一类是溶解在水中肉眼看不见的，称为溶解物。
水中含有这些杂质，除了少数溶解在水中对人体有益的矿物盐类以外，大都是些不合乎饮用卫生要求的污染物，应该加以去除。
普通自来水处理过程中去除水中胶体和其他微小悬浮物质的方法主要有两种途径。
一种是在水中加入一些药剂（主要的药剂称混凝剂），让细小颗粒互相吸附
结成较大的颗粒，从水中沉淀出来，这叫做混凝沉淀法，其中加药结成大颗粒的
过程叫做混凝，也称凝聚。
这种方法一般可以把水的浑浊度降低到25℃以下。
目前混凝剂多为铝盐和铁盐，如三氯化铁、硫酸亚铁、氯化硫酸亚铁等。
一般通过化验室烧杯搅拌试验确定投加率与经验投加相结合的方式，人工操作投加，它不但可以除去水中三卤甲烷母体物质和各种浑浊物或悬浊物，防止致癌物质产生，同时可以调整原水的PH值。
水中悬浮物沉降的速度与其颗粒人小、密度有关，水温也有一定关系。
沉淀法一般只能去除20-100u以上的颗粒，但是胶体颗粒一般不能用沉淀法去除。
另一种方法是在水中加入混凝剂后，使这些细小的颗粒直接吸附在一些相对
巨大的颗粒（如砂子）表面而去除掉，这就是过滤的方法。
过滤往往设在混凝沉
淀的后面。
过滤可以把水的浑浊度降低到生活饮用水的标准，即在50C以下。
目前比较常用的是砂层过滤。
其基本原理是用筛滤去除大十滤层孔隙的悬浮物，随着过滤的进行，截留杂质增多滤层孔隙愈来愈小，使微小的颗粒物和微生物也被截留下来。
过滤后不仅水质浑浊度可以接近于0,而且能起很好地去除细菌、嗅味以及色度的作用。
它可以改善水的感官性质，直接过滤可去除浑浊度90%，对除铁锰也有一定效果，去除微生物效果则不佳，慢砂滤去除微生物效果则很好。
最后就是加氯消毒。
由十过滤后不能消除很多致病菌，所以还需要杀菌消毒，
一般的杀菌消毒采用氯消毒法，其具体原理将在后面的章节进行介绍。
2.2加氯控制原理
在整个水厂的净水工艺中加氯环节是最为重要的环节，一般水厂采用最多的
加氯方法为两点加氯法，即整个加氯由前加氯CSCH）与后加氯CPCH）两部分组
成。
前加氯主要采用原水流量配比加氯方法，具体如图2.2所示。
图2.2自来水前加氯控制简图
它的主要是杀火水中的微生物、细菌、氧化有机物及延长加氯消毒的接触时
间，同时可起到助凝、助滤的作用。
它的控制原理是加氯控制器根据原水流量的
变化以及设定的投加率自动调节加氯量。
滤后加氯采用复合环加氯方式即根据出厂水余氯反馈控制方式，具体如图2.3所示。
图2.3自来水后加氯控制简图
它的主要是补充第一次原水加氯（前加氯）后的余氯不足，保证余氯量达到
规定指标。
后加氯方式的控制原理为:
加氯控制器根据原水流量以及投氯后取样
水中余氯值和设定的余氯值，采用PID控制规则，输出一个量来控制加氯控制系统的投加装置，形成一个闭环控制，使余氯值向设定值逼近，确保出厂水余氯指标的稳定达标。
2.3氯的灭菌原理
氯化消毒法，杀菌能力的大小决定十有效氯（或称活性氯）的含量（有效氯
的含量是指氯的化合物与过量盐酸作用后产生的氯量）。
在含氯化合物中只有分
子团价数大于-1的氯才是有效氯。
如漂白粉Ca（CLO）CL中CLO-分子团的氯
是+1价的，有杀菌力，而其中CL-是-1价的，无杀菌能力，漂白粉或氯加入
水中后，起水解作用。
其反应式见式
（1）和式
（2）
2Ca（CLO）CL+2H2O=CaCL2+Ca（OH）2+2HCLO
（1）
CL2+H20=HCLO+HCL
（2）
所产生的次氯酸在水中能发生离解而生成次氯酸根，其反应式见式（3）。
HCLO=H++CLO-（3）
次氯酸与次氯酸根，都具有杀菌能力。
目前认为氯的杀菌作用主要是上述两种物
质的作用，但次氯酸根比次氯酸的杀菌能力弱的多。
氯化消毒的生物学作用的本质至今未获得最后解决，多数学者研究认为，氯
的杀菌作用，在于其溶于水后迅速水解成的次氯酸。
由十次氯酸分子体积小，不
带电荷，有强烈扩散入细菌膜的能力，渗入细菌细胞内，改变了细胞的物理化学
状态，抑制细菌体内的酶（主要破坏磷酸丙酮去氢酶等）使细菌细胞的糖代谢障碍
而造成细菌死亡。
同时，由十它是一种强氧化剂，容易损坏细菌的细胞膜，使内部的蛋白质、RNA,DNA等物质释出，并影响多种酶系统，从而使细菌死亡。
氯对病毒的作用，在十对核酸的致死性损害。
2.4加氯过程中的折点
一般来说，消毒时水中加氯量分为两部分，即需氯量和余氯。
需氯量是指用
十杀死细菌、氧化有机物和还原性物质等消耗的部分。
余氯量是指完全反应后水
中残留的HCLO和CLO-等部分。
若水中不含细菌、有机物和还原性物质时，则需氯量为零，加氯量等十余氯
量，目前余氯全部为游离性余氯。
这种情况实际是理想情况，在实际生产中基本不存在。
若水中受到有机物污染，但基本没有氮类化合物或游离氨，而仅仅是细菌、
金属离子及其它有机物时，则会产生需氯量。
此时才会产生游离性余氯。
当水源受到的污染较轻时只有投加量大于需氯量时加氯消毒就属此种情况。
若水中含有无机氮（包括氨、业硝酸盐、硝酸盐），加氯量与余氯的关系就是我们常说的“折点加氯”关系。
当源水污染严重时，加氯点选在折点后，能够取得较好的消毒效果，但此时的加氯量较大。
当水中只含有机氮化合物时，水的氯化反应极为复杂，将生成各种有机氯化
物。
要使余氯值稳定需要很长时间，并取决十水中有机氮的复杂程度和其浓度。
此时将不会出现上面所说的折点。
从理论上讲，为满足对出厂水余氯的要求，加
氯量和接触时间都需增大，但在实际生产中，并非完全如此，因为排入水源的有
机物经过一段时间就会转化成无机氮，从}fu消毒过程就会符合上面所述的“折点加氯”过程。
所谓的折点加氯，就是指当足够大的氯气量投加十含有氨氮的水中，会出现
各种反应，导致氨氮被分解，游离性残余氯形成。
较低的氯气投加量会产生一氯
胺和二氯胺，在曲线峰值的左侧描述成一个残余量增加的情况。
当所有的游离态
氨氮均被用十形成氯胺，曲线峰值出现。
最后随着加氯量进一步增大，氯胺不再
稳定出现分解。
氯胺的分解化学方程式如式（2-4）和式（2-5所示。
2NH2CL+HCLO→N2↑+H2O+3HC1（4）
NH2CL+NHCL2→N2↑+3HC1（5）
这就说明了在折点加氯峰值右侧曲线下降部分的情况。
当氯气投加量达到水
中氨氮浓度的8～10倍时（理论比值是7.6）到达折点，表明所有氨氮化合物均被分解，进一步增大加氯量，就会形成游离氯。
其具体曲线图如图2.4所示。
图2.4折点加氯曲线图
实际上在折点处很少出现氨氮被全部分解，在游离氯存在的情况下，某些氯
胺一定会继续存在，同样在未过折点之前也会有一定量的游离氯存在。
在峰值下
降部分会产生较多的二氯胺和二氯化氮，这二种氯胺具有讨厌的口感和怪味。
在
氯胺消毒时，加氯量要控制在第一个峰值的上升曲线部分。
即在实际加氯过程中
为了达到国家规定的出厂水水质标准，应尽可能消除不利因素的影响，根据运行
经验和出厂水余氯要求，准确地进行加氯量的调节和控制，保证消毒效果。
第3章自来水加氯控制系统的总体设计
本系统的硬件采用双CPU结构设计，主要是考虑到实际水处理厂中前加氯和加药的投加点距离后加氯的投加点较远的因素。
所以通过RS-485总线通讯方式连接2个距离较远主从控制器。
其中主控制器部分主要完成系统数据的采集、数据存储/看门狗/复位、串口通信、液晶显示和按键处理、各路输入和输出指示以及后加氯抓‘制等功能;从控制器部分主要完成前加氯和加药控制和数据通讯等功能。
3.1概述
单片微型计算机简称单片机，又称微控制器或嵌入式控制器。
它将计算机的
基本部件微型化，使之集成在一块芯片上的微机，片内含有CPU,ROM,RAM,
并行I/O口、定时计数器、中断控制、时钟系统及总线等。
它是工业控制和智能化抓‘制系统中应用最多的一种模式。
这种模式的最大特点是设计者可根据自己的实际需要开发，设计一个单片机系统，因}fU更加方便，更加灵活，成本更低。
其基本方法是在单片机的基础上扩展一些接口，如用十模拟/数字转换的A/D,D/A接口，用十人机对话的键招‘处理接口，LED和LCD接口，用十输出控制的电机接口等。
然后再开发一些应用软件就可组成完整的单片机系统。
单片机有着体积小、功耗低、功能强、性能价格比高、易十推广应用等显著
特点，在自动化装置，智能化仪器仪表，过程控制和家用电器等许多领域获得了
广泛的应用。
从国内开发应用单片机的情况来看，自80年代初起步以来，以Intel公司的MCS-48系列单片机为主导机种，率先渗入到微机控制的各个领域，取得了一定的应用成果。
80年代中期以来，随着性能更强，速度更快的MCS-51系列的加入，单片机得到了更为迅速的推广和广泛的应用。
目前，尽管16位和32位已为人们熟悉和了解，但在我国目前和今后一段时间内，8位单片机仍是实际应用中的主导品种。
3.2系统总体方案与功能
该系统的控制对象为出厂水。
控制的目的是通过系统自动调节，使控制对象
满足用户对其得设定值。
设计时主要的控制参数有:
前加氯值、出厂水余氯值、
出厂水浊度值等参数。
下表3.1显示该控制系统对各项参数的处理。
表3.1系统控制参数
依据同一设计原理和方法，针对其他的环境要求，还可以进行不同参数的控
制，以达到统一的设计，提高扩展能力。
3.2.1系统的硬件结构框图
图3.1系统硬件结构框图
本系统以单片机为核心CPU，组成一个可以实现各路水质检测信号的输入及图
控制器部分和从控制器部分，具体如图3.1所示。
两部分控制器之间通过RS-485总不同。
（2>看门狗/复位模块:
同主控制器的数据存储/看门狗/复位模块，只是没有参
数的储存。
（3）远程通讯模块:
同主控制器的远程通讯模块。
3.3主要元器件的选取
3.3单片机的选取
单片机按照其基本操作处理的位数可分为:
1位机、4位机、8位机、16位机、
32位机等。
其中1位机和4位机结构简单，成本很低，但指令不丰富，b‘编程复杂，可用十简单的校制:
16位机和32位单片机集成度高，性能优越，但是其价格目前比较贵，从而限制了广泛的应用:
而8位单片机小巧灵活，指令丰富，性价比极高的优势使其产品占领目前整个单片机市场的60%以上份额，可以说8位单片机将在今后一段时间内仍是工业检测控制的主流机型。
现在世界上比较著名的单片机生产厂家有美国INTEL公司，MOTOROLA公司，TI公司，MAXIM公司，NS公司，A'I'MEL公司等。
近年来，随着美国ATMEL公司的AT89系列单片机的推出和单片机C语言的广泛应用，MCS-51单片机有了进一步的活力。
AT89系列以MCS-51为内核，兼容了MCS-51的硬件和软件，其主要优点在于:
片内的程序存贮器采用闪烁存贮技术，具有电可擦除，电可编程，目‘编程和擦除时间短C4K字节存贮器编程约3秒，擦除时间lOms），并可反复编程，数据不易挥发，Ifub‘加密功能也大大增强了，能有效的防止用户程序被复制。
同时时钟频率的提高使运算速度较以往有所加快。
产品中的20脚封装形式的机种，使其体积更小，更具应用灵活性，可方便的应用于家电产品及小型仪器仪表。
AT89系列单片机主要产品类型和特点如表3.2所示。
经综合考虑，本系统决定选用美国ATMEL公司生产的AT89C52型单片机作为
主控制器和副控制器的主芯片。
这种机型是该公司近几年推出的机型，其市场价
仅几兀/片左右，性价比极高，所以一经推出就得到了广大用户的青昧。
线方式进行远程通讯。
其中主控制器部分包括:
（1）中心控制模块:
主要以51系列单片机为核心，包括晶振，复位电路，I/O
口扩展电路等。
该模块的主要功能是将数据采集电路和按键输入电路送来的数字
信号进行运算处理，从而发出各种控制信号，并让液晶显示电路显示处理水的各种实时数据。
（2）人机交互模块:
实现系统各项功能的按键设置以及设置过程中相应液晶
LCD的显示控制，以达到良好的人机交互功能。
同时实时显示当前各项参数指标。
该模块又分成3个子模块。
1）通过液晶屏LCD实时显示参数值。
2）通过键招‘设定参数上下限。
3）通过LED管和蜂鸣器产生超限声光报警。
（3）各路信号检测的输入模块:
实现
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