水体高效充氧控制装置

文长沙市第十五中学 徐丹蕾 中南大学第一附属中学 杨清源

传统的水体溶解氧过程中，人们大多凭经验判断，手动控制充氧设备，不仅成本高且劳动强度大。为了实现黑臭水体充氧装置智能高效运行，我们采用水质传感器作为信号采集前端，通过微处理器获取传感器的信号，对水体溶氧量、水质状况进行监控。

当水体溶氧量低、水质富营养化或达不到水产养殖标准时，该方法还能及时充氧以改善水质并恢复水体自净能力。

一、结构设计

水体高效充氧控制装置由电源模块、传感器信号数据采集模块、CPU控制模块、液晶显示模块、声光报警模块、继电器驱动控制模块等组成，工作流程如图1所示。

图1 水体高效充氧控制程序流程图

1.控制模块

控制模块有手动和自动两种模式。以单片机为核心，传感器模块将收集的数据处理后发至ECU，ECU经过计算、分析、判断后，向继电器驱动模块发出相应的指令，继电器产生相应的动作，使充氧设备和光伏水泵开启或关闭。采集模块的数据和机构执行情况通过显示模块实时显示。

为了设计灵活易用的控制机构，我们选择了集成度高、速度快、功耗低的主控板Arduino M0 Pro。

2.数据采集模块与传感器

采用DFR0233传感器数据采集模块（RS485输出），该模块能被广泛应用在智能控制领域，可兼容时下最流行的物联网设计。

（1）水体浊度仪与溶氧仪

浊度仪传感器内部是一个红外线对管，光线在水中的透过量取决于水的污浊程度。溶解氧传感器用于测量水中的溶解氧含量，本装置采用YG2000 HI型溶解氧传感器。

图2 浊度仪

图3 溶解氧传感器与Arduino连接

（2）温度计与气压计

DS18B20数字化温度传感器用于检测环境温度和水体温度，它能直接将环境温度转换成数字信号串行输出，传给单片机。

（3）继电器驱动电路模块设计

单片机发出的控制指令通过1个光电耦合器驱动固态继电器KM，固态继电器控制充氧设备等执行机构的开、闭，电路如图4。

图4 继电器驱动电路原理

智能控制器是基于水体充氧所需溶解氧范围而设计的。溶解度易受温度、pH值、大气压力影响，所以我们以水温、pH值、大气压力作为辅助指标，利用已写入单片机的程序得到此时的最佳溶解氧值，并与监测所得的溶解氧值比较。

控制模块通过继电器自动控制光伏水泵、空压机、肺束旋转机构、电磁阀等充氧设备的启、停，有利于实现水体充氧效率的最大化。

二、调试样机

将装置连接好后，打开电源，在加速、减速或停止时，装置均能正常工作。接着，我们又进行了水体富营养化临界点测试。

设定装置自动运行的条件为水体溶氧量≤3mg/L或水体浊度≥2.6NTU（固体悬浮物浓度≥20ppm）。

把溶氧仪传感器置于盛有200ml低氧水（用维生素C除去水中溶氧）的烧杯中，设置启动与停止充氧机构的溶氧量数值，即3mg/L≤DO≤7.5mg/L。开启装置，当溶氧仪读数小于3mg/L时，装置能自动运行。

换一个盛有自来水的烧杯后再接通电源，空压机和肺束装置能按照程序周期性地工作：变速运行9min，停止1min并排出氮气，再继续循环工作，直到溶氧仪读数大于7.5mg/L，自动停止运行。

准备两个烧杯，分别倒入清水、富营养化的污水各200ml，把浊度仪置于盛有清水的烧杯后开启，光伏水泵不工作；将浊度仪置于盛有富营养化污水的烧杯，浊度仪读数为2.6NTU（即20mg/L）时，装置能自动启动，底层污水变清时自动停止。

实验表明，水体富营养化动态抑制装置能在手动或自动状态下正常运行，初步达到了智能控制和高效充氧的设计目的。（指导老师：蒋银生 段家铁）