利用ATmega16實現沉淀池泥漿自動回收

張 濤

(吉林化工學院 航空工程學院，吉林 吉林 132022)

利用ATmega16實現沉淀池泥漿自動回收

張 濤

(吉林化工學院 航空工程學院，吉林 吉林 132022)

在煉鋼等工業生產中會產生大量煙塵，經除塵系統處理后，沉淀含鐵的泥漿需再次回收。為了使沉淀池內泥漿在一定深度時自行回收，結合唐鋼泥漿處理過程開發了超聲波檢測自動回收系統。利用Atmega16單片機和超聲波穿透性強的特點，檢測超生波回波并計算發射和接收到回波的時間差，由此判斷泥漿厚度是否到達排放的位置，從而給操作人員提示或自動控制電機回收。此檢測方法避免了過早排放泥漿或泥漿堆積的情況，解決了定時排放泥漿的不準確性。

液體超聲波傳感器； 沉淀池泥漿； AVR單片機

0 引 言

在眾多的工業生產中，如石油處理、煉鋼煉鐵、污水處理等，都需要對沉淀的泥漿進行處理，有的泥漿需要回收再利用，有的泥漿需要環保處理后再排放。因此,回收泥漿成為工業生產中必不可少的一項工作。煉鋼過程中生成的碳與吹氧發生反應，生成CO，隨爐氣排出，這部分爐氣稱為轉爐煤氣[1]。轉爐煤氣經過洗滌器進行除塵和降溫，通過脫水器排出，即為轉爐除塵廢水。轉爐除塵廢水污泥含鐵達70%，有很高的利用價值，因此需要進行污泥的脫水與回收。目前國內多采用定時法獲得泥漿，在沉淀池處理過程中可獲得大量可利用的澄清水。當沉淀池內的泥漿積累到一定高度，表層的漂浮物和雜質就會對澄清水的純度產生一定的影響，所以需要控制池內泥漿積累的深度并及時抽走。目前國內回收泥漿的方法通常為定時回收，但由于沉淀的不確定性，往往會造成過早排放或泥漿堆積的現象。為解決這一問題，本文根據超聲波傳播特點設計了此泥漿回收系統。此系統利用水下超聲波傳感器，可較精確檢測出泥漿厚度和是否達到排放位置，可更加有效地回收泥漿和水資源。

1 檢測原理

超聲波是頻率高于人的聽覺上限(約為20 kHz)的聲波[2]。超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波由換能晶片在電壓的激勵下發生振動產生，頻率高、繞射現象小、方向性好，能夠成為射線而定向傳播[3]。超聲波在液體和固體中比在空氣中穿透能力更強，液體中可穿透距離為幾十m。超聲波還可在碰到雜質或阻擋會產生顯著反射形成回波[4]。

目前，也有利用超聲波的泥漿檢測設備，原理是將超聲波傳感器置于沉淀池水面上方1 m處左右，超聲波自上而下發射，并在發送完畢后檢測回波，由于超聲波接觸液面時將反射部分超聲波；另一部分折射進入泥漿，穿過水層遇到泥漿后會形成二次反射。而且此種超聲波傳感器適于在空氣中工作，在水中工作能量損失的很大，所以回波接收效果不理想，容易造成誤操作。

超聲波在物質中傳播存在衰減，傳播的距離越遠，能量衰減越大，所以發送和接收兩個超聲波探頭之間的距離d不可過遠，一般為20～50 cm。檢測示意圖如圖1、2所示。

圖1 沉淀池內超聲波傳感器結構圖

基于上述原因，利用水下液體超聲波傳感器進行檢測成為減小能量損失避免誤操作的有效方法。其工作原理如下：

v=fλ,t=L/v

式中:v為水中傳播速度；f為傳播頻率；λ為超聲波波長；L為傳播距離；t為傳播時間。

圖2 超聲波傳感器安裝示意圖

根據同等距離條件下，超聲波在水和泥漿中傳播時間不同，可判斷泥漿是否到達排放位置或排放過程中是否到達終止排放位置。

由于超聲波傳感器需要安放在液體中，故需選用防水型傳感器。傳感器工作頻率較空氣傳感器工作頻率有所不同，空氣中超聲波傳感器工作頻率大多為40 kHz，在本系統中則選用1 MHz的液體傳感器，以便于提高檢測精度和延長超聲波傳播距離。

2 系統實現

2.1系統硬件

控制系統硬件包括超聲波發送/接收電路、單片機程序處理電路、電源電路、串行接口電路、JTAG接口電路、液晶接口電路、LED提示與報警電路。

超聲波發送/接收電路由1 MHz超聲波傳感器TCF1M-21T/R1、單片機Atmega16、超聲波處理芯片CX20106構成。TCF1M-21T/R1為液體超聲波傳感器，可在液體中長期工作，實物圖如圖3所示。單片機Atmega16具有內部晶振，通過編程可產生1 MHz震蕩波，再經超聲波傳感器發送，從而構成超聲波發送電路。另一側的超聲波傳感器接收到超聲波后經CX20106處理電路放大、整形，并將信息傳遞給單片機Atmega16，構成了超聲波接收電路，具體器件連接電路見圖4。

圖3 超聲波傳感器TCF1M-21T/R1

圖4 超聲波接收處理電路

單片機程序處理電路是指以單片機Atmega16為核心器件，其他外圍電路與之連接關系的電路，一旦檢測泥漿到達排放位置，單片機發出指令控制電機自行排放，排放結束后可控制電機終止排放(由于電路圖幅面有限，并沒有畫出控制電機電路),具體情況參考圖5、圖6。

圖5 泥漿排放框圖

圖6 泥漿自動排放系統實物圖

電源電路具有與外部變壓器的接口、接通指示燈，并具備開關，即使與外部變壓器相連也可通過開關控制電路板是否工作。

串行接口電路是從單片機引出的串行預留接口，其主要目的是將單片機計算好的超聲波傳遞時間發送給PC機，使得在PC機上有直觀的顯示。

JTAG接口電路是單片機Atmega16程序仿真時所用的接口。

液晶接口電路是由單片機控制，通過其引腳將要顯示的信息傳送給nokia5110液晶顯示模塊，顯示當前系統的工作狀態，如檢測中、排放開始、排放中、排放結束等。

LED提示與報警電路也是工作狀態顯示的一種形式，LED燈和報警電路的蜂鳴器便于工作人員遠距離觀察當前系統工作狀態。

硬件部分可參考實驗實物圖，如圖7所示。

2.2系統軟件

軟件運行環境：Windows XP操作系統，編程軟件AVR Studio 4。 軟件功能包括生成1 MHz脈沖波形、超聲波回波計時、顯示當前狀態、控制繼電器打開泥漿排放設備。其中，超聲波計時和顯示程序比較重要。

生成1 MHz脈沖波形：理論上Atmega16有1 MHz的內部晶振，但是實際效果往往達不到理論值。因此利用外部晶振，通過定時計數器生成1 MHz脈沖波，發送給超聲波傳感器。另一傳感器接收回波，單片機通過計算發送接收時間差來判斷泥漿高度。

圖7 泥漿排放檢測電路

超聲波計時源程序如下：

void Uart_Init(void)

{

UCSRA = 0x00; /*設置倍速*/

UCSRB = 0x18; /*允許單片機接收和發送*/

UCSRC = 0x86; /*設置8位數據傳遞*/

UBRRH = 0x00;

UBRRL =77; /*9600*/}/*設置數據為發送，查詢方式*/

void Uart_Transmit(unsigned char i)

{

while (!(UCSRA & (1<

UDR = i; /* 發送數據*/

}

unsigned char Uart_Receive( void )

{

while (!(UCSRA & (1<

return UDR; /* 獲取并返回數據*/

}

程序內通過串口輸出顯示，以便觀測超聲波回波時間。

通過液晶顯示，可直接觀測當前泥漿位置情況，如到達排放位置，可自動控制排放或手動控制排放。

控制程序流程如圖8所示。

圖8 單片機控制程序流圖

3 效 果

超聲波傳感器發送接收頭距離定為L=20 cm左右，水溫27 ℃(由于鋼廠沉淀池內為轉爐除塵廢水，常年溫度基本恒定在27～28 ℃，傳感器置于水下，故外界溫度對超聲波傳播速度的影響較小),經測試，在水中計時值為00001101，超聲波的在水中傳播時間t=13 μs，超聲波在水中的傳播速度v=L/t=1 538 m/s，泥漿中計時值為00010011，超聲波的在泥漿中傳播時間t=19 μs，超聲波在泥漿中的傳播速度v=1 052 m/s。具體情況見表1。

表1 水和泥漿中超聲波測量值表

根據測量值表進行誤差分析,如圖9所示。

圖9 測量值誤差分析圖

根據表1和圖9分析，超聲波在水中傳播速度較快，能量損失小；泥漿密度大，超聲波在泥漿中能量損失較大，從而影響其傳遞速度。測量中由于存在懸浮物干擾，水或泥漿的流動，從而造成測量值的數據波動。從誤差分析圖中可知，個別情況下會出現尖峰波動，但不影響整體測量的準確性。

工作人員可通過3種方式觀察沉淀池泥漿變化情況，一通過串口發送PC機顯示;二通過不同顏色高亮發光二極管顯示;三通過液晶屏幕顯示。

當計時值超出00010011(即19 μs)，PC機給出指令，控制繼電器打開泥漿排放設備，系統將自動排放沉淀池泥漿。

4 結 語

該系統于2012年4月通過實驗室試驗，次月進入現場測試數據，通過目前試驗結果分析，沉淀池基本可以在無人工操作的情況下實現自動排放泥漿。

該系統根據超聲波在水和泥漿傳播速度不同，計算超聲波在固定距離下傳播的時間，并通過接收時間長短判斷泥漿的累積程度，當達到排放泥漿位置時自動排泥，排放結束后自行停止。減少了沉淀池排泥前工作人員的巡視、開啟和關閉眾多排泥設備的繁瑣工作，基本上避免了工作人員在惡劣環境中操作、維護設備等困難。

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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

河北省自然科學基金項目(E2010000932)

張 濤(1979-),男,吉林吉林人,講師, 現主要從事通信、自動控制領域的研究。Tel.:15144304586; E-mail: ruler97521@163.com