利用ATmega16实现沉淀池泥浆自动回收
2017-11-04张涛
张 涛
(吉林化工学院 航空工程学院，吉林 吉林 132022)
利用ATmega16实现沉淀池泥浆自动回收
张 涛
(吉林化工学院 航空工程学院，吉林 吉林 132022)
在炼钢等工业生产中会产生大量烟尘，经除尘系统处理后，沉淀含铁的泥浆需再次回收。为了使沉淀池内泥浆在一定深度时自行回收，结合唐钢泥浆处理过程开发了超声波检测自动回收系统。利用Atmega16单片机和超声波穿透性强的特点，检测超生波回波并计算发射和接收到回波的时间差，由此判断泥浆厚度是否到达排放的位置，从而给操作人员提示或自动控制电机回收。此检测方法避免了过早排放泥浆或泥浆堆积的情况，解决了定时排放泥浆的不准确性。
液体超声波传感器； 沉淀池泥浆； AVR单片机
0 引 言
在众多的工业生产中，如石油处理、炼钢炼铁、污水处理等，都需要对沉淀的泥浆进行处理，有的泥浆需要回收再利用，有的泥浆需要环保处理后再排放。因此,回收泥浆成为工业生产中必不可少的一项工作。炼钢过程中生成的碳与吹氧发生反应，生成CO，随炉气排出，这部分炉气称为转炉煤气[1]。转炉煤气经过洗涤器进行除尘和降温，通过脱水器排出，即为转炉除尘废水。转炉除尘废水污泥含铁达70%，有很高的利用价值，因此需要进行污泥的脱水与回收。目前国内多采用定时法获得泥浆，在沉淀池处理过程中可获得大量可利用的澄清水。当沉淀池内的泥浆积累到一定高度，表层的漂浮物和杂质就会对澄清水的纯度产生一定的影响，所以需要控制池内泥浆积累的深度并及时抽走。目前国内回收泥浆的方法通常为定时回收，但由于沉淀的不确定性，往往会造成过早排放或泥浆堆积的现象。为解决这一问题，本文根据超声波传播特点设计了此泥浆回收系统。此系统利用水下超声波传感器，可较精确检测出泥浆厚度和是否达到排放位置，可更加有效地回收泥浆和水资源。
1 检测原理
超声波是频率高于人的听觉上限(约为20 kHz)的声波[2]。超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波由换能晶片在电压的激励下发生振动产生，频率高、绕射现象小、方向性好，能够成为射线而定向传播[3]。超声波在液体和固体中比在空气中穿透能力更强，液体中可穿透距离为几十m。超声波还可在碰到杂质或阻挡会产生显著反射形成回波[4]。
目前，也有利用超声波的泥浆检测设备，原理是将超声波传感器置于沉淀池水面上方1 m处左右，超声波自上而下发射，并在发送完毕后检测回波，由于超声波接触液面时将反射部分超声波；另一部分折射进入泥浆，穿过水层遇到泥浆后会形成二次反射。而且此种超声波传感器适于在空气中工作，在水中工作能量损失的很大，所以回波接收效果不理想，容易造成误操作。
超声波在物质中传播存在衰减，传播的距离越远，能量衰减越大，所以发送和接收两个超声波探头之间的距离d不可过远，一般为20～50 cm。检测示意图如图1、2所示。
图1 沉淀池内超声波传感器结构图
基于上述原因，利用水下液体超声波传感器进行检测成为减小能量损失避免误操作的有效方法。其工作原理如下：
v=fλ,t=L/v
式中:v为水中传播速度；f为传播频率；λ为超声波波长；L为传播距离；t为传播时间。
图2 超声波传感器安装示意图
根据同等距离条件下，超声波在水和泥浆中传播时间不同，可判断泥浆是否到达排放位置或排放过程中是否到达终止排放位置。
由于超声波传感器需要安放在液体中，故需选用防水型传感器。传感器工作频率较空气传感器工作频率有所不同，空气中超声波传感器工作频率大多为40 kHz，在本系统中则选用1 MHz的液体传感器，以便于提高检测精度和延长超声波传播距离。
2 系统实现
2.1系统硬件
控制系统硬件包括超声波发送/接收电路、单片机程序处理电路、电源电路、串行接口电路、JTAG接口电路、液晶接口电路、LED提示与报警电路。
超声波发送/接收电路由1 MHz超声波传感器TCF1M-21T/R1、单片机Atmega16、超声波处理芯片CX20106构成。TCF1M-21T/R1为液体超声波传感器，可在液体中长期工作，实物图如图3所示。单片机Atmega16具有内部晶振，通过编程可产生1 MHz震荡波，再经超声波传感器发送，从而构成超声波发送电路。另一侧的超声波传感器接收到超声波后经CX20106处理电路放大、整形，并将信息传递给单片机Atmega16，构成了超声波接收电路，具体器件连接电路见图4。
图3 超声波传感器TCF1M-21T/R1
图4 超声波接收处理电路
单片机程序处理电路是指以单片机Atmega16为核心器件，其他外围电路与之连接关系的电路，一旦检测泥浆到达排放位置，单片机发出指令控制电机自行排放，排放结束后可控制电机终止排放(由于电路图幅面有限，并没有画出控制电机电路),具体情况参考图5、图6。
图5 泥浆排放框图
图6 泥浆自动排放系统实物图
电源电路具有与外部变压器的接口、接通指示灯，并具备开关，即使与外部变压器相连也可通过开关控制电路板是否工作。
串行接口电路是从单片机引出的串行预留接口，其主要目的是将单片机计算好的超声波传递时间发送给PC机，使得在PC机上有直观的显示。
JTAG接口电路是单片机Atmega16程序仿真时所用的接口。
液晶接口电路是由单片机控制，通过其引脚将要显示的信息传送给nokia5110液晶显示模块，显示当前系统的工作状态，如检测中、排放开始、排放中、排放结束等。
LED提示与报警电路也是工作状态显示的一种形式，LED灯和报警电路的蜂鸣器便于工作人员远距离观察当前系统工作状态。
硬件部分可参考实验实物图，如图7所示。
2.2系统软件
软件运行环境：Windows XP操作系统，编程软件AVR Studio 4。 软件功能包括生成1 MHz脉冲波形、超声波回波计时、显示当前状态、控制继电器打开泥浆排放设备。其中，超声波计时和显示程序比较重要。
生成1 MHz脉冲波形：理论上Atmega16有1 MHz的内部晶振，但是实际效果往往达不到理论值。因此利用外部晶振，通过定时计数器生成1 MHz脉冲波，发送给超声波传感器。另一传感器接收回波，单片机通过计算发送接收时间差来判断泥浆高度。
图7 泥浆排放检测电路
超声波计时源程序如下：
void Uart_Init(void)
{
UCSRA = 0x00; /*设置倍速*/
UCSRB = 0x18; /*允许单片机接收和发送*/
UCSRC = 0x86; /*设置8位数据传递*/
UBRRH = 0x00;
UBRRL =77; /*9600*/}/*设置数据为发送，查询方式*/
void Uart_Transmit(unsigned char i)
{
while (!(UCSRA & (1< UDR = i; /* 发送数据*/ } unsigned char Uart_Receive( void ) { while (!(UCSRA & (1< return UDR; /* 获取并返回数据*/ } 程序内通过串口输出显示，以便观测超声波回波时间。 通过液晶显示，可直接观测当前泥浆位置情况，如到达排放位置，可自动控制排放或手动控制排放。 控制程序流程如图8所示。 图8 单片机控制程序流图 超声波传感器发送接收头距离定为L=20 cm左右，水温27 ℃(由于钢厂沉淀池内为转炉除尘废水，常年温度基本恒定在27～28 ℃，传感器置于水下，故外界温度对超声波传播速度的影响较小),经测试，在水中计时值为00001101，超声波的在水中传播时间t=13 μs，超声波在水中的传播速度v=L/t=1 538 m/s，泥浆中计时值为00010011，超声波的在泥浆中传播时间t=19 μs，超声波在泥浆中的传播速度v=1 052 m/s。具体情况见表1。 表1 水和泥浆中超声波测量值表 根据测量值表进行误差分析,如图9所示。 图9 测量值误差分析图 根据表1和图9分析，超声波在水中传播速度较快，能量损失小；泥浆密度大，超声波在泥浆中能量损失较大，从而影响其传递速度。测量中由于存在悬浮物干扰，水或泥浆的流动，从而造成测量值的数据波动。从误差分析图中可知，个别情况下会出现尖峰波动，但不影响整体测量的准确性。 工作人员可通过3种方式观察沉淀池泥浆变化情况，一通过串口发送PC机显示;二通过不同颜色高亮发光二极管显示;三通过液晶屏幕显示。 当计时值超出00010011(即19 μs)，PC机给出指令，控制继电器打开泥浆排放设备，系统将自动排放沉淀池泥浆。 该系统于2012年4月通过实验室试验，次月进入现场测试数据，通过目前试验结果分析，沉淀池基本可以在无人工操作的情况下实现自动排放泥浆。 该系统根据超声波在水和泥浆传播速度不同，计算超声波在固定距离下传播的时间，并通过接收时间长短判断泥浆的累积程度，当达到排放泥浆位置时自动排泥，排放结束后自行停止。减少了沉淀池排泥前工作人员的巡视、开启和关闭众多排泥设备的繁琐工作，基本上避免了工作人员在恶劣环境中操作、维护设备等困难。 [1] 王筱留.钢铁冶金学(炼铁部分)[M].北京:冶金工业出版社，1994：132-165. [2] 宋文绪. 传感器与检测技术[M]. 北京：高等教育出版社，2004：21-24. [3] 俞志根. 传感器与检测技术[M]. 北京：科学出版社，2010：86-87. [4] 宋雪臣. 传感器与检测技术[M]. 北京：人民邮电出版社，2009：32-33. [5] 康华光. 电子技术基础(模拟部分)[M]. 北京：高等教育出版社，2004：44-48. [6] 刘凤然. 基于单片机的超声波测距系统[J]. 传感器世界, 2001(5):29-32. [7] 马 潮. AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2007. [8] 吴晓苏. 单片机原理与接口技术[M]. 北京：人民邮电出版社，2009：21-66. [9] 田亚娟. 单片机原理及应用[D]. 大连：大连理工大学出版社，2008. [10] 梅晓云.局放检测超声波传感器电路设计与应用[D].西安:西安电子科技大学,2012. [11] 生利英. 超声波检测技术[M].北京:化学工业出版社,2014：121-124. [12] 夏纪真,黄建明.超声波探伤实战经典案例精选[M].广州: 中山大学出版社,2014. [13] 胡先龙. 衍射时差法 [14] 陈昌华.钢锭和锻件超声波探伤缺陷分析[M].合肥: 合肥工业大学出版社,2015：11-16. [15] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 石油天然气管道工程全自动超声波检测技术规范[M].北京:中国计划出版社,2013：55-58. [16] 王广君、王巍等. 传感器技术及实验[M].北京:中国地质大学出版社,2013：71-74. [17] 赵小川.传感器信息融合:MATLAB程序实现[M].北京:机械工业出版社,2014：16-36. UsingATmega16toRealizeAutomaticRecoveryofSludgeinSedimentation ZHANGTao (College of Aeronautical Engineering, Jilin University of Chemical Technology， Jilin 132022, Jilin, China) A lot of smoke will be produced in steel and other industrial production. The precipitation of iron sludge will be recycled again after treatment. In order to make a voluntary recall at a certain depth, based on real situation of Tangshan Iron and Steel Group Co., Ltd., the paper developed ultrasonic testing automatic recovery system. The recovery systems usually use a timer, the recovery depends on a specified period of time. Because of the uncertainty of the production process, the recovery is not very ideal. This proposed system uses ultrasonic wave to detect echo time difference by Atmega16 and the characteristics of strong penetrability, determine whether or not the thickness of the slurry reaches the discharge position, and then gives prompts to the operators or automatic control motor recovery. This detection method can avoid the premature discharge of sludge or sludge accumulation, solves the problem that timing emission is not accurate. In the actual test, the effect is good. liquid ultrasonic sensors; sedimentation tanks sludge; AVR MCU TB 553 A 1006-7167(2017)09-0059-04 2016-12-12 河北省自然科学基金项目(E2010000932) 张 涛(1979-),男,吉林吉林人,讲师, 现主要从事通信、自动控制领域的研究。Tel.:15144304586; E-mail: ruler97521@163.com
3 效 果
4 结 语
