基于单片机的地膜污水处理自动控制系统设计*

蔡文武，韩俊辉，排日再·艾尼，陆俊杰，徐立军

（新疆工程学院控制工程学院，乌鲁木齐830023）

1 引 言

近年来地膜的白色污染问题逐渐受到重视。在对四川农村地膜使用情况进行调查时发现，农村用户种植庄稼时用到的地膜基本上是零回收，大多数农村用户家的地膜使用寿命在1～2 年，少数农村用户家的地膜使用寿命超过2 年，并且大多数用户在用完地膜之后采取直接丢弃或者焚烧的方式，只有少数用户选择卖给地膜回收厂进行回收利用。由此可见，地膜的回收率非常低。

被丢弃的地膜在土壤中难以降解，不仅阻碍了农作物的生长，而且会造成严重的“白色污染”[1]；另外，被焚烧的地膜在燃烧时会产生有毒气体，例如甲苯，这种物质被人体吸入时，少量会引发呕吐等症状，大量会导致失明；其它颗粒物会飘散在大气中，对空气造成很大污染，严重影响人们的身体健康[2]。

国家规定地膜必须强制性回收处理，其处理方式通常为经过清洗后进行融化再造粒，从而用来生产塑料制品。目前，一些地膜回收和污水处理企业都是采取人工直接清洗、清洗后的污水直接排放的方式。这样的处理方式，不仅成本高，生产率低，并且排出的污水质量不符合国家标准，仍会造成严重的环境污染。

针对上述情况，项目组设计了一套基于单片机的清洗回收地膜、污水处理自动控制系统，能有效地解决地膜污水排放质量不达标的问题，并且具有生产效率高、成本低、控制及时、可靠性高、节能等特点。

2 设计目标

研究地膜回收及其污水处理自动控制系统最根本的目标就是使排出的污水质量达到国家相关排放标准[3]。在实际污水处理过程中，除了考虑生产率以及操作成本之外，主要还需要考虑系统的可靠性、稳定性和安全性。

可靠性：当系统某个部分出现故障或者受到干扰时，系统需要有检测和排除故障，以及确保系统不会受到干扰的能力；

稳定性：当水箱液位超过设定值或者传感器检测到的数据不正常时，单片机需要立即做出反应，控制输出调整至正常值；

安全性：用精准的传感器进行测量,将测得的数值送至数据采集站进行分析，判断设备的运行状态,根据分析结果来选择正确的数据,做出正确的动作,从而保证安全性。

3 污水处理流程与组态监控

3.1 自动控制系统体系结构

本控制系统采用的设备有51 单片机、变频器、液位计、浑浊度测试仪、pH 检测仪、电机等。另外，本系统采用的基本控制结构是分级递阶控制，即采用纵向分层、横向分散的综合控制系统。主要分为现场级、过程控制级、操作管理级、信息管理级[4]。系统结构如图1 所示。

图1 自动控制系统结构图

3.2 污水处理工艺过程

地膜处理过程必须先用搅拌器将废弃地膜撕烂并搅拌清洗。由单片机控制搅拌器的启动/停止。清洗后的污水由于残留大量农药，以及大量的淤泥，所以先由单片机控制污水提升泵将污水提升到曝气反应池，并在提升过程中对反应池的液位进行检测。单片机会根据液位的高低来调整污水提升泵的速度，进行更快更准确的控制。

污水提升完毕之后，在曝气池里加入具有活性的微生物。单片机通过控制曝气机，持续向曝气池里通入空气，利用活性污泥的生物凝聚、吸附和氧化作用，加快活性微生物分解废水中有机污染物的速度，生物固体随后会从已处理的废水中分离。在曝气过程中，加入了pH 值检测环节，单片机会根据检测到的pH 值来调整曝气机的曝气速度，以保证微生物的活性。

微生物分解完成后，污水将进入沉淀池。混合液中悬浮的活性污泥和其他固体物质在这里沉淀下来与水分离，等沉淀完成后，单片机控制水泵将上层水抽取出来，并靠传感器对其质量进行检测，如果质量不达标，将进入二次沉淀，如果达标则单片机会控制水泵，将排出的水抽取出来，再次用来清洗新一批废旧地膜，就此基本上实现了零排放的目标[5]。

单片机控制水泵将上层清水排出后，使沉淀物与池底的污泥经过刮泥机的处理，再控制排泥机将污泥排出。

整个污水处理的工艺流程如图2 所示。

图2 污水处理的工艺流程

3.3 MCGS组态界面

为了更加直观地了解整个污水处理过程，以及实时管理和监控整个工艺过程，可以将整个污水处理过程用MCGS 组态软件做成组态界面，步骤如下：

第一步，通过组态软件工具将需要用到的器材选择并摆放出来，例如：电机、水池、传感器、开关、指示灯、管道等。将这些摆放在合适位置，然后根据实际情况进行注释，如图3 所示。

图3 MCGS画面布置

第二步，在实时数据库里新建所需要的数据，并对其数据名称、数据类型、注释等进行设置，如图4 所示。

图4 新建数据变量

第三步，将用户窗口中的图形对象与实时数据库中的数据对象建立相关性连接，并设置相应的动画属性，进行动画连接[6]。其中包括电机、水池、传感器、开关、指示灯、管道等都需要进行动画连接。部分连接情况如图5～图7 所示。

图5 按钮和指示灯动画连接

图6 反应池的动画连接

图7 管道动画连接

第四步，编写脚本程序，使整个组态画面成为一体。部分脚本如图8 所示。

图8 脚本编写

4 硬件电路设计

单片机的外围硬件电路主要包括三大部分：按键检测电路、单片机输出控制继电器电路、无线模块电路。

(1) 按键检测电路

按键检测电路接在单片机的P0 口，用于检测用户在操作台发出的操作。当检测到操作指令时，单片机根据程序员编写的控制程序，做出相应的动作，如图9 所示。

图9 按键检测电路

(2) 继电器电路

单片机的电源为5V，而需要单片机控制的电气设备的电源皆为220V，要实现弱电控制强电，中间就需要有继电器电路[7]。继电器电路接收来自单片机的控制信号，控制电气设备电源的通断，从而完成电气设备的控制。继电器电路如图10 所示。

图10 继电器电路

(3) 无线模块电路

无线模块电路用于实现单片机与无线设备之间的通讯。在远程控制模式时，无线模块电路接收无线信号，再将信号传递给单片机。无线模块电路如图11 所示。

图11 无线模块电路

5 程序设计

由于整个自动控制系统必须要靠软件才能实现，所以在程序方面的设计必须全面且准确，必须考虑到设备的运行状态、水质检测反馈、工作模式、监控等问题。

首先，进入两种工作模式的选择：自动控制模式和手动控制模式[8]。进入自动控制模式时，单片机按照程序设计好的顺序分别控制电机运作，其顺序是先启动污水提升泵，在此过程中，液位计检测液位的高低，将检测到的数据发送给单片机，单片机再将数据进行比较，之后通过变频器控制污水提升泵的提升速度；污水提升完成后，单片机则控制曝气机运作，且单片机将pH 检测仪检测到的数据进行比较，然后调整曝气速率，以保持微生物的活性；曝气完成后，单片机控制刮泥机将上层溶液与下层淤泥分离，且单片机利用浑浊度测试仪检测到的数据进行反复控制，以保证水中的沉淀物全部沉淀完；最后，单片机控制排泥机将淤泥（沉淀物）排出。

进入手动控制模式时，用户可自由进行控制，没有控制顺序可言。在此控制过程中，液位计、pH 检测仪、浑浊度测试仪等的运作都是必不可少的，用户必须得根据这些检测仪的数据和设备实际情况进行控制，才能保证排出的污水符合要求的指标。

单片机在执行上述所有控制的任意时刻，必须时刻检测模式的切换，使用户可以随时切换工作模式。

另外，控制系统通过上位机，对设备的运行进行实时监控，并将所有检测数据记录下来，使用户在PC 端可以查看数据并进行统计。

具体软件设计思路及流程如图12 所示。部分程序段如图13 所示。

图12 程序设计流程图

图13 部分程序段

6 结束语

本控制系统在控制过程中加入了多个检测环节，使得每个环节的控制更加精准，更加迅速，更加自动化。相比传统的污水处理方式而言，本控制系统节省了大量的人力和资源，进而降低了处理成本；由于自动控制系统每个环节的控制都很严格，检测仪表都非常精确，进而保证了排污质量；最终处理完的污水可再次用来清洗地膜，实现了资源的循环利用。该控制系统不仅适用于地膜污水处理，对于其它工业污水处理领域，也具有一定的推广价值。