基于STC12C5A60S2的VOC采样罐清洗系统设计

李文联，付述龙, ，李金鹏，邱倩文，张 赛



基于STC12C5A60S2的VOC采样罐清洗系统设计

李文联1，付述龙1, 2，李金鹏2，邱倩文2，张 赛2

(1. 湖北文理学院 物理与电子工程学院，湖北 襄阳 441053；2. 武汉工程大学 电气信息学院，湖北 武汉 430205)

近年来，挥发性有机化合物(VOC)的污染是继 PM2.5、SO2、NOx和氟利昂后成为世界各国关注的又一焦点. 现在国内外监测VOC的方法普遍固定，都是将VOC采样罐放在环保局、学校、各地环境监测站，进行常年定时监测，采样罐每次使用完毕需要及时进行彻底清洗，所以设计VOC清洗系统是有必要的. 文章设计的VOC采样罐清洗系统是基于STC12C5A60S2单片机的，控制器以工业液晶显示屏方式显示温度值、压力值、清洗状态、清洗时间、清洗次数，有加热器、温度传感器、压力传感器对温度、压力进行实时采样，用户可通过按键自行设定系统参数. 通过搭建实验平台，液晶显示屏实时显示各项参数，表明采样罐清洗系统是稳定可靠的.

环境监测；VOC采样罐；真空泵；STC单片机

近年来，挥发性有机化合物(Volatile Organic Compounds，以下简称VOC)的污染是继 PM2.5、SO2、NOx和氟利昂后成为世界各国关注的又一焦点[1]. 我国对VOC监测和控制研究起步、发展时间短、技术比较落后，相关产品更是一个空白[2]，因此开发产品、改进和提高技术至关重要. 现在国内外监测VOC的方法普遍固定，都是将VOC采样罐放在环保局、学校、各地环境监测站、进行常年定时监测，当采样罐每次使用完，需要及时对采样罐进行彻底清洗，所以设计VOC清洗系统是有必要的.

本文设计了一种基于STC12C5A60S2单片机的VOC采样罐清洗系统，它可以将温度、压力传感器采集到的温度、压力信号转换为电信号，并送到微处理芯片中进行信号处理，控制电磁阀的通断和继电器的开合，并通过工业液晶显示屏LCD对罐内温度、压力实时显示. 并可以手动或自动设定清洗次数、清洗时间，充、抽气时间，PID算法应用在该系统中，比较精准的把温度、压力控制在设定值附近.

1 VOC采样罐清洗系统的功能与技术指标

采样罐清洗系统根据功能需求，设计开发时需要满足技术指标为：系统总容量可以是12个6L采样罐，或24个3.2L采样罐，或72个850ml采样罐；采样罐烘箱运行环境温度~±120℃；采样罐压力值要求在-20mmHg以内；温度控制精度±0.5℃；压力控制精度在±1%F.S. 真空度为20mtorr.

图1 VOC采样罐清洗系统总体框图

2 VOC采样罐清洗系统需要实现的功能

VOC采样罐清洗系统主要实现功能：对温度、压力信号的采集、信号实时处理和显示、数据存储、液晶显示、控制电磁阀和继电器的动作. 系统的总体框图如图1所示. 系统主要包括以下几个部分：温度采集部分、压力采集部分、电源部分、时钟部分、存储部分、液晶显示部分、电平转换部分、电磁阀和继电器部分. 首先通过温度传感器和压力传感器将采集到的信号送到MCU中进行处理，电源模块电路中的各个部分供电，串口液晶显示屏实时显示采样罐的温度、压力值；抽、充气状态；清洗次数等参数. 最后控制电磁阀的开合以及继电器的通断，进而控制阀体和泵的动作.

3 VOC采样罐清洗系统硬件设计

整个系统硬件包含以下几个部分：单片机控制部分、电源控制部分、温度压力采集部分、程序存储器扩展部分、电磁阀控制部分、继电器控制部分、液晶显示部分等. 系统的核心是单片机.

温度传感器用PT100温度传感器测量温度以及SMC压力传感器测量压力[3]. 温度、压力传感器实时采集罐内的温度、压力值送到MCU中进行处理，并在液晶显示屏实时显示，控制器部分主要以STC12C5A60S2单片机作为核心控制芯片，对数据进行实时处理，控制各个部分的动作；时钟电路部分选择的是 DS1302ZN 芯片，为电路提供稳定的时钟信号；EE2PROM 选择的是X5325芯片，它作为片外的程序存储器，扩展了程序存储器空间. 电平转换模块选择的是MAX232EEWE芯片，可以把输入的电平转换为+5V和+3.3V，送入到电路中各个部分中，工业液晶显示屏选择的是迪文科技公司的串口工业液晶显示屏，实时显示罐内温度、压力以及清洗次数、清洗时间，充、抽气时间等参数. 电磁阀接口电路如图2所示，继电器接口电路如图3所示.

图2 电磁阀接口电路

图3 继电器接口电路

图4 VOC采样罐清洗系统硬件设计图

电源部分选择的是WD3-5WA1、WD3-6WE2E7、KW2-E3；第一个电源模块为主控芯片STC12C5A60S2、时钟DS1302ZN、电平转换芯片MAX232EEWE、EE2PROM芯片X5325提供+5V工作电压. 第二个电源模块为PT100温度传感器、SMC压力传感器提供12V的工作电压. 第三个电源模块为液晶显示屏、固态继电器提供12V的工作电压. 外围电路包括电磁阀电路，10K电阻起限流作用，通过光耦实现电气隔离，用MOS管Q14IRF540的开合控制电磁阀的通断. 继电器选择的是SSR-380D40固态继电器.继电器的通断继而控制泵的动作. VOC采样罐清洗系统硬件设计图如图4所示.

4 VOC采样罐清洗系统软件设计

软件设计包括软件的结构设计，数据设计，接口设计和过程设计. 软件设计包括主函数设计，串口程序设计，AD程序设计，同步串行外围SPI接口以及LCD界面人机交互程序设计等[5]. 目的是使采样罐不断重复抽真空和充气流程，通常重复3次，使得罐内压力达到20mtorr. 则认为采样罐清洗完成(采样罐结构如图5所示). 其流程如下：

采样罐抽真空流程：1)先让采样罐保持在24.7psi压力再打开电磁阀4再安全阀4放空(到采样罐内压力约为14.7psi、与环境空气压力相近)再关闭电磁阀4再初级泵抽气到2psi，高、初级泵共同抽气到50mTorr并显示)，完成抽真空程序；2)用一个真空泵，从采样罐放空到环境压力抽到压力表显示-30inHg(-760mmHg)很快，此时仅仅是抽管路的真空，然后mTorr压力表开始降压，泵开始冒气，这时开始抽采样罐内的气，按3次抽真空操作才能从1000mTorr到50mTorr一下(从1000到200到100到50以下mTorr)，大约10min，然后开始充N2；3)所有电磁阀全部关闭，泵将采样罐压力从14.7psi压力抽到50mTorr一下；4)打开电磁阀1，重新启动加湿充气流程；5)先抽气再充气循环3次，基本可以完成清洗；如果采样罐污染较重，可以增加循环次数；6)当安装两个真空泵时，先启动初级真空泵，抽气采样罐压力到2psi，然后高级真空泵启动，两个泵共同将采样罐内压力抽到50mTorr以下.

图5 采样罐结构图

采样罐充气流程：1)N2钢瓶出口压力30psi；2)压力设定阀10psi，设定好后不改变(控制采样罐的充气最大压力)；3)电磁阀1后面的1psi安全阀1是控制进入加湿器的气体压力为1psi；4)加湿器出口气路上的安全阀2是有侧孔的安全阀，压力大于1psi，气体会从侧孔排出；5)N2然后一直进入采样罐，压力最大10psi，因为钢瓶后面的压力设定阀的压力是10psi；6)加湿时，由于受到1psi安全阀压力的限制，采样罐内实际压力只有15.7psi；关闭电磁阀1，打开电磁阀2，用干N2继续充气，才能使采样罐的实际压力达到24.7psi，完成充气程序；7)当采样罐前气路中压力大于20psi时，20psi安全阀3打开排气降压.

实时监控显示界面程序主要实时显示温度、压力的采集信息和时间信息，并与 E2PROM 芯片中设定的初值进行比较，实现语音报警功能.开始阶段温度、压力传感器把采集到的温度、压力信息送入MCU中处理，并在LCD上实时显示.在液晶屏的设置中需要和按键4相配合，短按键可以让语音报警解除；长按键就可以擦除E2PROM 芯片X5325中的数据. 其中实测温度与实测压力都会实时的与设定的限值进行比较，温度与压力过高或过低都会提示报警，整个过程都在不断刷新并实时显示在LCD上.

5 结论

本系统通过搭建实验平台，液晶显示屏实时显示各项参数，验证了采样罐清洗系统的稳定性、可靠性，取得了较好的效果：1)此系统将各个模块集成到一起，集成度高，控制效果良好，并用无油真空泵代替油泵，抽速大；2)开发过程中，提高了仪器的控制精度，温度控制精度达到±0.5℃，压力精度达到±1%F.S.；3)此系统采用自动控制系统对采样罐进行自动清洗比手动清洗效率高，节省了人力成本；4)经测量对采样罐的VOC的清洗效率达到99%，采样罐的真空度达到20mtorr，达到了清洗的目的.

[1] 李 洁. VOC废气处理的技术进展[C]//中国环境保护优秀论文集. 2005, 3(2): 63-66.

[2] 王丽燕, 王爱杰, 任南琪, 等. 有机废气(VOC)生物处理研究现状与发展趋势[J]. 哈尔滨工业大学学报, 2004(6): 732-735.

[3] 张国华. 挥发性有机物控制技术现状与发展趋势[J]. 当代石油石化, 1994(5): 40-44.

[4] 李志松, 蔡复礼. 工业废水处理装置中的废气治理技术[J]. 环境科学研究, 1998(2): 53-57.

[5] 周玉昆. 挥发性有机化合物的污染控制技术[J]. 化工环保, 1993(4): 199-202.

Design and Research of VOC Canister Cleaning System

LI Wenlian1, FU Shulong1, 2, LI Jinpeng2, QIU Qianwen2, ZHANG Sai2

(1. College of Physics and Electronic Engineering, Hubei University of Arts and Science, Xiangyang 441053, China; 2. College of Electronic and Information Engineering, Wuhan Institute of Technology, Wuhan430205, China)

Much attention is paid to the pollution of volatile organic compounds (VOC) in recent years. It is necessary to rinse the sampling kits thoroughly. Based on SCM STC12C5A60S2 , it designs a cleaning system for VOC canister. The controller displays temperature, pressure, cleaning status, cleaning time, cleaning times on the LCD. There are heaters, temperature sensors, pressure sensors for real-time sampling, and the user can set parameters the by pressing a button. It shows that this system is stable and reliable.

Environmental monitoring; VOC canister; Vacuum pump; STC SCM

2014-03-19

李文联(1956— ), 男, 湖北襄阳人, 湖北文理学院物理与电子工程学院教授, 武汉工程大学兼职硕士生导师, 主要研究方向: 电子技术与计算机应用;付述龙(1988— ), 男, 湖北黄石人, 湖北文理学院与武汉工程大学联合培养硕士研究生.

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2095-4476(2014)08-0019-04

(责任编辑：饶 超)