基于单片机的游池水处理系统的电控模块设计

钟光林　广东省机械高级技工学校



基于单片机的游池水处理系统的电控模块设计

钟光林广东省机械高级技工学校

【文章摘要】

基于单片机设计一款具备按键输入、直接驱动交流接触器线圈并有小型液晶面板显示的控制模块，实现传统按钮启停控制方式缺乏的灵活性和远程控制。本文主要介绍电控模块硬件系统的设计，输入信号的处理，输出软件、硬件驱动的方案。

【关键词】

水处理;单片机;电控改造;控制模块;交流接触器

0　背景

目前游泳池水处理系统的电气设备采用的是传统启停按钮控制的方式，对各用电设备泵、电机等进行分立的老式控制的电路。在电控过程中产生以下不足之处：一、传统控制方式对每一路设备都需要配备一套启停的电气材料，当设备越多，所用的材料也成套相应增加；二、相对分散的控制线路，存在线路多，制作时间长；三、控制不灵活，缺乏远程控制的能力。针对以上问题，设计一款具有低成本、高集成等优势的电控模块，满足在不同天气、不同营业段所需的最佳泳池经济效果，更加符合无人值守，全天候运行的工作环境。

图1　泳池水处理工艺流程图

图2　系统控制框图

1　系统软硬件设计

1.1游泳池水处理系统

泳池水处理系统包括：一、水循环过滤系统：由循环水泵（6台，每4小时切换工作），毛发过滤器，过滤砂缸（3组）组成。二、由消毒剂加投（计量泵）、稀盐酸加投（计量泵）、混凝剂加投（计量泵）组成的水质检测及消毒系统。三、水加热系统：管加热器、温度仪和伺服控制器组成。四：设备开关及故障信息、浮球类液面等开关量。

该泳池水处理工艺过程中，需获取开关量输入信号18点和输出信号16点，模拟量输入信号5个量和输出信号1个量，是涉及多组开关量、模拟量，多种自动检测仪，伺服控制器的。相对的传统启停按钮控制方式，设计单片机为核心的电控模块则有优越的控制优势。

1.2电控模块系统设计

1.2.1硬件系统设计

硬件设计方案：在系统设计的过程充分考虑性价比，选用价格低、微功耗、性能稳定的元器件。系统配置为：宏晶STC12C5604AD，带8*8健的智能控制芯片HD7279A，LCD5110液晶显示器,输入输出控制芯片TM1637，地址锁存器74LS373DW，光电耦合器件TLP521-1，PNP型三极管，稳压管等电子元器件。

其中，单片机作为主要控制器，用户可通过带8*8键的智能控制芯片设定或编程工作状态的参数，在液晶显示器上显示其工作范围及状态。经压力、温度、浊度等仪器和现场开关量的信息采集，由驱动专用控制芯片输入到单片机分析处理，输出信号到锁存器，由放大电路驱动继电器来控制管加热器、平衡水箱、循环清洗、过滤沙缸等电机和各种计量泵的动作。

1.2.2输入信号模块的处理

水质检测及消毒系统和水加热系统是通过检测仪器传送而来的模拟量检测信号，分析比较用户设定的水质标准、温度的控制量，从而输出驱动执行机构。例如水加热系统是利用温度仪采集到游泳池中当前水温，用户可通过按键设定一个温度范围（标准游泳池水温为25°C到28°C之间），将池水温度数据与所设置温度定值进行比较。当水温低于设置温度，该系统控制加热系统对游泳池内水进行加热。温度到达设置值内，加热停止，当水温高于设置温度，该系统控制加热系统停止加热。现就以温度仪为例，分析说明模拟量的输入信号的处理方法：

该系统的模拟量变送器输出标准电信号范围是4~20mA电流，需要对输入电流进行A/ D转换，将其转换为单片机内部的信号标准值6400~32000。设模拟量的标准电信号是A，A/D转换后的相应数值为D，由于是线性关系，函数关系A＝f（D）可以表示为数学方程：

A＝（D－D0）×（Am－A0）/（Dm－D0）＋A0。

根据该方程式，可以方便地根据D值计算出A值。将该方程式逆变换，得出函数关系D ＝f（A）可以表示为数学方程：

D＝（A－A0）×（Dm－D0）/（Am－A0）＋D0。

经A/D转换后，我们得到的数值是6400~32000，即A0＝4，Am＝20，D0 ＝6400，Dm＝32000，代入公式，得出：

A＝（D－6400）×（20－4）/（32000－6400）＋4（1）

温度仪的0℃~60℃与电流4~20mA相对应，设置最低温度为25°C为T，根据公式（1）和比例图关系，得出刻度值为12800，模拟电信号是6400×16/25600＋4＝8mA。最后通过单片机进行处理，通过LCD5110液晶显示以串行口数据显示实时水温直接显示温度值T。

1.2.3输出驱动的软件及硬件设计

软件实现部分采用模块参数化设计，建立底层控制专用函数，项目设计师只需在KEIL软件环境下进行简单的操作，即可完成不同系统的设计任务。以TM1637输出控制为例，建立TM1637_out.h，应用中只需添加#include ，所有初始化工作将由底层函数自动完成，而不需要设计师重新设计即可对TM1637通过参数的形式实现各种操作，所有输出内容只需调用TM1637_out.h中驱动函数。

在继电器驱动模块中，当锁存器三态允许控制端 OE 为低电平时，Q0～Q7为正常逻辑状态时，锁存状态。使用TLP521-1型的可控制光电耦合器件进行电路之间的信号传输，通过PNP型三极管放大电路来放大输入电流进行直接驱动DC5V继电器KA1,由KA1控制接触器线圈的工作。

图3　温度刻例度值换算比例图

图4　继电器驱动模块

2　结论

本文介绍了传统的电控模块难于实现的功能进行重新设计，此基于单片机电控模块经调试能满足所需的要求，可计算机或无线遥感进行远程控制，一款74LS373DW可同时驱动多达8个线圈，实现了高集成。而且模块价格低廉，远远比一套分立式的启停控制电路便宜，大大节省了成本的投入，获得用户一致好评。

[1]聂典，李北雁，聂梦晨，宿潇鹏..Multisim 12仿真设计[M].北京：电子工业出版社，2014.

[2]郭天祥.51单片机C语言教程-入门、提高、开发、拓展全攻略[M].北京：电子工业出版社，2012.

[3]谭浩强.C程序设计[M].北京：清华大学出版社，1991.

[4]宏晶科技.STC Microcontroller Handbook，2007.

【参考文献】