基于单片机的农村污水处理控制器设计

工作。

2.3 单片机最小系统设计

单片机最小系统由单片机内部集成资源、程序下载电路和系统时钟电路组成。单片机采用STC15W4K32S4，包含32K的程序空间和4K的SRAM，26K的EEPROM，62个I/O口，集成MAX810复位电路，4个独立的全双工串口，集成硬件看门狗，10位高速8路ADC，支持ISP和USB下载，内置高精度R/C时钟。单片机具有2.5V到5.5V的宽电压以及高抗干扰等优点。STC15W4K32S4单片机抗干扰性强，可以满足工业环境下工作。单片机最小系统如图2。

一般情况下，C5和C6两个电容的值相等，满足0.5的反馈系数。但由于实际PCB，线路分部电容的存在，以及抗干扰的需要，可以适当减小C6的容量，经试验，电路中C5采用30P，C6调整为12P。

ISP和USB接口电路由R1，R2，D3，D4组成。单片机采用5V供电，D3和D4稳压管可以保护USB接口。Y1晶振采用24M，给USB下载提供时钟。

2.4 RS232接口设计

在农村GPRS信号已经普及，通过GPRS DTU模块，可以把单片机采集到的数据发送到数据中心。由于单片机与GPRS模块之间的距离在5米以内，只要在单片机端设计RS232接口，就可以实现GPRS 模块和单片机之间的数据透传。单片机和水泵、风机的接触器放在同一个电控箱，火花和浪涌干扰大，工作环境恶劣，为此，RS232接口采用ADI公司具有2.5KV完全隔离的RS232收发器ADM3251E，体积小，可靠性高，适合工业环境下工作。

2.5 485接口设计

在农村生活污水处理中，一般在污水进水口和出水口安装电磁流量计或超声波流量计。单片机通过485接口，按仪表提供的通信协议，对进出水的累计流量和瞬时流量进行采集，然后对数据处理后，通过GPRS，把数据及时上传到服务器。流量计离单片机的实际距离往往大于15米，并且流量计上带有RS485接口。单片机读取瞬时流量和累计流量，需要设计RS485接口。考虑到单片机的工作环境，RS485接口芯片采用ADI公司具有2.5KV完全隔离的RS485收发器ADM2587E，体积小，可靠性高，±15 kV ESD保护，适合工业环境下工作。电路采用成熟的，典型电路，集成隔离电源和信号隔离于芯片内，可靠性高。485接口电路如图3。

单片机上电时，电源还没达到稳定，系统还处于上电复位状态，P2.0默认为弱上拉，485总线处于发送状态，总线就会被占用，此时，总线被占用影响其他节点的通信。利用R5下拉电阻，使上电过程中，P2.0的电平强制拉到低电平，485总线处于接收状态，不影响总线上其他节点通信数据的传输，等电源稳定后，P2.0设为推挽输出，可以控制485总线的接收和发送状态，保证485总线上只有一个节点可以处于发送状态。ADM2587E总线具有±15 kV ESD保护，为了适应农村多雷电的环境，减弱总线上串入的浪涌电压，在总线上加上D5，D6，D7 双向瞬变二极管保护。

2.6 开关量采集电路设计

农村污水处理工艺中，主要要采集開关量信号包括液位信号、故障信号、设备运行信号等。信号采用24V传输，抗干扰强，传输距离远。电路设有信号指示灯，检修和调试方便。开关信号通过光耦TIL521，变为5V或0V信号，由单片机的P0.0口读取。

3 软件设计

3.1 软件总体结构设计

系统软件采用分层软件设计结构。如图4。包括应用层程序、数据处理层程序和硬件驱动层程序。

应用层程序按不同的农村污水处理工艺对控制的要求，编制不同的控制应用程序，通过数据处理层，间接控制和读取硬件驱动层程序，达到操作硬件资源的目的。软件系统采用前后台系统 。

3.2 应用层程序设计

应用层程序流程如图5，程序开始后先对单片机内部RAM和硬件资源寄存器初始化，以及对实时时钟，GPRS模块等硬件资源初始化。然后，通过调用数据处理层的动力设备数据处理程序 、实时时钟数据处理程序、流量计数据处理程序、Flash数据处理程序、GPRS数据处理程序、定时数据处理程序和自动控制程序，达到控制、数据存取、数据上传等目的。

动力设备数据结构包括水泵、风机、空压机、减速电机、电缆浮球开关、浮子开关、故障信号、开门信号、手自动信号、运行信号等。应用程序通过调用数据处理层的动力设备数据处理程序，读取或写入动力设备数据结构。动力设备数据可供自动控制程序使用，也可给GPRS数据数据处理程序使用。

实时时钟数据结构包括年、月、日、时、分、秒等。流量计数据结构包括累计流量和瞬时流量。自动控制程序数据结构主要包括控制的步骤、定时等。

GPRS数据处理程序主要完成对动力设备、流量和实时时钟等数据的封装，并向GPRS DTU模块发送AT指令，把数据发送到运维数据中心，同時也接收来自运维数据中心的指令，以及向运维数据中心定时发送心跳包。

3.3 数据处理层程序设计

数据处理层主要实现通信数据内容的截取、数据头和校验的增加，数据格式转换、数据结构赋值，数值的计算等操作。

数据处理层主要由动力设备数据处理程序 、实时时钟数据处理程序、流量计数据处理程序、Flash数据处理程序、GPRS数据处理程序、定时数据处理程序等组成。

动力设备数据处理程序对简单的DI和DO信号，直接或取反进行动力设备数据结构赋值，但浮子DI信号，在水与浮子刚接触的几秒到几十秒时间内易抖动，所以要根据现场使用情况，在软件上调整浮子延时接通时间，经过延时处理后，才能赋值给动力设备信号变量。动力设备数据处理程序对于AI值，需要对4-20mA电流值对应的1-5电压值，经过计算后，得出有意义的值，如市电电压，水泵的电流值，再赋值给动力设备模拟量数据结构，供应用层调用。

单片机采集流量方式，往往采用485接口采集。这种方式比采用4-20MA接口采集方式更精确。下面是单片机对流量计采集瞬时流量或累计流量的数据处理流程，其中采集瞬时流量流程如图6。

单片机先给指定地址的流量计发地址和命令，然后等待接收超时后，对校验正确后的数据串，按流量计提供的第三方协议截取数据串中的流量数据内容，经计算得出瞬时流量，再赋值给动力设备流量数据结构，供应用层调用。单片机采集累计流量和采集瞬时流量的流程一样，只是发送的命令码为01。

3.4 硬件驱动层程序设计

硬件驱动层，包括DI驱动程序、DO驱动程序、AI驱动程序、IIC驱动程序、SPI驱动程序、UART驱动程序、T0中断驱动程序。硬件驱动层程序主是对单片机内部寄存器的操作。

DI驱动程序对应的硬件是单片机的输入口，读取来自光耦的0或5V信号，经延时的去抖处理，放入数组变量中。数组变量可供数据处理层的动力设备数据处理程序读取。

DO驱动程序对应的硬件是单片机的输出口，控制继电器和LED信号灯。DO驱动程序读取来自动力设备数据处理层处理好的数据，通过判断0和非0，对单片机输出口置0或置1。

AI驱动程序对应单片机的AD输入口，采集1-5V的电压，并把原始值存入到指定数组中，供动力设备数据处理程序进一步处理层，转换成有意义的数据。

IIC驱动程序对应单片机的普通I/O口，通过I/O口模拟IIC时序，读取SD3088时钟芯片数据，向上对应数据处理层的实时时钟数据处理程序。

SPI驱动程序通过单片机的SPI主动模式，读取和写入W25Q64BV数据存储芯片内的Flash数据。

UART驱动程序对应单片机的4个全双工串口，可以与流量计，GPRS模块通信。

4 结论

根据农村污水处理工艺、现场的使用环境、预留数据上传功能的要求，本文通过基于STC15W4K32S4单片机，实现了可靠的硬件接口电路和三层软件。通过在污水处理项目上的应用，硬件电路和分层软件设计方式，以及使用GPRS数据上传功能，使系统的硬件故障率低，排除故障时间短，控制可靠，有效提高了正常的出水天数。

参考文献

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[3]张明，刘志宏，方伟奇.嵌入式软硬件系统的可靠性设计[J].电子产品可靠性与环境试验，2010，28（05）：45-49.

[4]冯地明.状态机在嵌入式前后台系统中的应用[J].单片机与嵌入式系统应用，2008（11）：25-28.

作者简介

徐益武（1979-），男，浙江省宁波市人。硕士学位。工程师，主要从事基于单片机的软硬件开发。

作者 单位

浙江德安科技股份有限公司 浙江省宁波市 315812

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