CN202159260U - 一种液流式电容脱盐自动控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种液流式电容脱盐自动控制装置，其包括电源模块、主控系统、至少一个从控系统、CAN总线；其中，所述电源模块分别与所述主控系统、从控系统连接，所述主控系统和从控系统分别与所述CAN总线连接。本实用新型克服了现有技术低成本与高效率无法共存的问题，实现了高可扩展性、高精准度、高可靠性的自动控制装置。

Description

一种液流式电容脱盐自动控制装置

技术领域

本实用新型属于水处理检测领域，具体地涉及一种液流式电容脱盐自动控制装置。 

背景技术

目前，大部分液流式脱盐设备都不能实现无人值守与处理流程自动化。虽然目前处理装置的改良较多，但是与其配套的个性化、多功能自动控制模块却存在极大缺口。尽管有些设备附带有此类相关装置，但无论成本、可扩展性，还是控制效率、算法准确性等方面都存在不足。 

主流采用的解决方案是可编程控制逻辑器PLC与51系列的嵌入式控制器。其中PLC虽然具有高可靠性、高稳定性、速度快等优点，但考虑到它的高成本、体系结构封闭（可扩展性差）、编程语言局限性大等缺点，用PLC来进行自动化控制不免会造成技术资源的浪费。另一种智能器件中经常采用的是51系列的嵌入式控制器，因其设置和使用相对简单，价格低廉等原因倍受嵌入式研发人员青睐。但是由于其内部采用复杂指令CISC（Complex Instrument Set Computer）体系结构，不仅导致CPU利用效率低，而且运行速度变缓慢。再者，51系列单片机片内资源稀少，明显无法适应现代高速运行的嵌入式系统的需要。 

名称为“智能电导电阻率监控仪”的实用新型专利（专利号03231848.0）提供了一种智能电导电阻率监控装置，其箱体外有两个电导率探头，一个电阻率探头，箱体内设有测量、模数转换、单片机控制、数模转换、电流输出、继电器组件、显示器和电源电路。该专利使用键盘输入，而本实用新型用的是触控式LCD输入方式，更符合用户的使用习惯。该专利对数据的处理仅是通过采集上千次的数据，并取平均值。本实用新型中的检测算法，可以对采集到的数据进行合理性判定，如果非正常就自动将其丢弃，重新采样所需参数，在后期数据处理上也考虑到了数据波动性的因素。该专利使用的是51系列单片机，但其运行速度缓慢，片内资源稀少，且可扩展性差。针对上述装置的缺陷，本实用新型采用32位高性能单片机和8位低功耗单片机相结合，不仅很大提高了CPU的利用率，而且可根据用户的需求随意对本实用新型进行功能扩展。 

现有技术中有一种用MCS-51系列单片机构成的电厂化学水处理智能控制器, 该控制器采用了PID参数自整定的方法。其采用了51系列单片机，它虽然价格便宜，但是无论是微处理器性能还是处理效率，都和本实用新型采用的32位单片机无法相比拟的。单片机片内利用RAM来存储数据，但其实 RAM内存容量十分有限。本实用新型加入了外插式非易失存储介质。该智能控制器主要是借助串口进行数据通信，而本实用新型采用CAN总线设计，大大降低系统的硬件复杂度性，同时提高了可靠性。 

现有技术中还有一种以单片机AT80C51 为核心的锅炉水处理控制装置，实现了以C语言为编程基础监控锅炉水处理安全高效地自动运行。其仅是通过水位检测器,自动检测存储软化水容器的水位高低来控制系统的通断。本实用新型的检测传感器可进行多样扩展，而且鉴于8位低功耗微处理器的强控制能力，可以根据接收到的指令，同时对多个器件进行控制。 

现有技术中还有以89C2051 单片机为控制核心，让水处理设备自动的对源水( 河水或自来水) 进行过滤和杀菌处理。该微机控制器采用24C01 EEPROM作为存储电路，但是24C01是128字节CMOS，存储容量仅为128 字节。串行接口为I2CBUS 接口, 擦写循环次数为105 次, 数据保存时间为100 a。而本实用新型将根据用户需要将大容量SD卡连入电路中，可以实现大量数据的存储，以备送入高性能单片机中进行分析处理。 

现有技术中还有一种基于MCS-51系列单片机的全自动工业水处理器，用于加入化学药剂进行工业水处理的设备中，以实现除垢、阻锈、缓蚀等功能。该设备没有设置预计反应参数，故无形中增加了微处理器的运算负荷。而本实用新型加入了可供用户自行编辑的反应预估值，，可以使水处理过程更符合实际原水状态，并且更加高效。 

本实用新型克服了现有技术低成本与高效率无法共存的问题，提出了一种液流式电容脱盐自动控制装置，实现可靠、高速、低成本的自动化控制，有效解决液流式脱盐设备人工运行成本高的问题。本实用新型应用广泛，可用于各种液流式脱盐设备的检测与控制、化工机械用水的后期处理、硬水软化、海水淡化等众多领域。 

实用新型内容

本实用新型提出了一种液流式电容脱盐自动控制装置，其包括电源模块、主控系统、至少一个从控系统、CAN总线；其中，所述电源模块分别与所述主控系统、从控系统连接，所述主控系统和从控系统分别与所述CAN总线连接。 

其中，所述电源模块包括电源、变压器、桥式整流电路、正极三端稳压器、低压差电压调节芯片和负极三端稳压器，其中： 

所述电源与所述变压器和桥式整流电路连接，产生20V的直流电压；

所述20V的直流电压与所述正极三端稳压器连接产生15V、12V和5V的直流稳压；

所述20V的直流电压与所述负极三端稳压器连接产生-15V、-12V和-5V的直流稳压；

所述5V直流稳压与所述低压差电压调节芯片连接产生3.3V的正向电压。

其中，所述主控系统包括32位高性能单片机、触控式LCD显示屏和SD卡存储器；其中，所述触控式LCD显示屏和SD卡存储器连接在所述32位高性能单片机上。 

其中，所述从控系统包括8位低功耗单片机、传感器信号放大电路、电磁阀门电路和程控电源电路；所述传感器信号放大电路、电磁阀门电路和程控电源电路连接在所述8位低功耗单片机上。 

其中，所述传感器信号放大电路中，包括传感器和与其连接的仪用放大器A1。 

其中，所述电磁阀门电路中，在I/O端口上连接三极管Q1，在吸合线圈L1两端并联设置二极管D1。 

其中，所述程控电源电路中，在8位D/A转换器输出端连接设置电压跟随器N1，所述程控电源电路中采用电磁继电器R2和R3构成H桥。 

本实用新型能配合各种液流式设备，无需用户实时监控，能够根据设定指令实现自动化控制。这点有利于各种液流式设备的产业化、集成化和智能化。该装置能够自动搜集采集到的设备状态数据，由该实用新型内设的优化算法，有效的判定系统状态切换结点，达到控制设备运行状态的目的，能够满足各种液流式设备对智能控制的多方需求。 

在本实用新型的单片机内部集成有一套集实用性、人性化、科学性于一体的检测算法。算法能根据使用者输入的预设值，对特定时间结点进行粗略定位，而且还能在估算的时间段内，通过将实际测得的参数和经验值进行比较，达到对状态转折点的精确检测。此外，该算法具有自动对异常数据进行鉴别和丢弃处理的能力。 

预设值包括预估时间和参数预计变化量。通过设定以上预设值，可大大降低了微处理器的运算负荷，同时提高数据处理的有效性。考虑到装置吸附能力随实验的进行会有不同程度的衰减，所以需要根据实际情况不断进行修正。故在本套检测算法的实现程序中可通过自行调用加入多个修正函数进行相应调整。 

本实用新型的系统由一个稳定的电源模块向主控系统和从控系统供电。主控、从控芯片通过CAN总线传输数据。该系统电源部分使用220V/50Hz市电输入，通过变压器以及桥式整流电路，产生一个20V左右的直流电压。再分别经过正极三端稳压器对应产生15V、12V和5V的直流稳压，经过负极三端稳压器对应产生-15V、-12V和-5V的直流稳压。低压差电压调节芯片负责将5V的稳定电压转换成3.3V的正向电压。本实用新型选择的单片机都具有CAN硬件接口，该接口大大降低系统硬件复杂度，同时提高了可靠性。通过CAN总线收发器接口连接芯片的对应接口到双绞线上，以实现CAN总线通信。 

上述所说的本实用新型主控系统可采用Harvard结构的32位高性能单片机。其主控芯片主频较高，适合数据处理运算。主控芯片通过CAN总线收集从控芯片发送的数据，并存储到SD卡中，再配合设计好的检测算法，当探测到系统状态达到满足时间节点的条件时，通过总线发送相关指令。SD卡通过使用SPI模式与主控芯片相连接，最高通信速度可达18Mb/s，该速度能够胜任各种液流式水处理系统的应用需求。用户可通过显示屏观察系统的状态，同时可由触控的方式，进行相应设置操作。 

上述所说的本实用新型从控系统可选用8位低功耗单片机作为核心，利用该单片机进行实时采样，获取传感器模块得到的数据，并将数据通过CAN总线传送至主控芯片。主控芯片发出指令时，从控芯片通过控制电磁阀门模块、程控电源模块的方式进行响应。在传感器信号放大电路部分，通过传感器电极接口将微小信号输入仪用放大器，即可获得较大的电流。通过从控芯片中的ADC通道，抽样信号被转换成数字信号。经由I/O端口输出相应电平来控制电磁继电器，实现电磁阀门的通断。由于单片机I/O端口驱动能力有限，故在电路中增加一个三极管。在吸合线圈两端增加一个二极管，用于释放电磁继电器吸合线圈在三极管截止时产生的反峰电压。程控电源电路部分采用8位D/A转换器输出电流，在输出端接上电压跟随器以得到电压输出。其后通过可调节电压稳定器输出一个稳定的电压。考虑到吸附脱附的情况下需要不同极性的电压，利用电磁继电器实现H桥，通过I/O口控制输出端无压降的电压反转。 

本实用新型涉及一种液流式电容脱盐自动控制装置，其特征在于它由32位高性能的主控芯片和通过CAN总线可大量扩展的8位从控芯片组成。在单片机内部设有一套科学的检测算法，能有效的对数据进行分析处理。主控芯片外接有存储数据功能的SD卡和供用户进行触控操作的LCD显示屏，从控芯片外接有传感器信号放大电路、控制液体走向的电磁阀门和程控电源。各种用户所需的液流检测探头与上面所述的放大电路连接。本实用新型克服了现有技术低成本与高效率无法共存的问题，实现了高可扩展性、高精准度、高可靠性的自动控制装置。 

本实用新型所具有的特色和显著优势如下：本实用新型采用了CAN总线设计，选择的单片机都具有CAN硬件接口，该接口在大大降低系统的硬件复杂度的同时，提高了可靠性。和目前应用广泛的RS485总线相比，CAN总线使网络各结点间的数据通信实时性强。而且，CAN具有完善的通信协议，大大降低了系统的开发难度，有效的缩短了开发周期。 

本实用新型具有人性化的检测算法，不仅能在很大程度上提高测量的稳定性、精准性和科学性。其内设用户自行输入的预设值能极大降低微处理器的运算负荷，同时提高数据处理的有效性。 

本实用新型结合运用32位和8位微处理器实现功能，32位单片机虽然具有高性能、高速率等特点，但是价格相对较高。故在性能要求不高的接口还是采用8位微处理器更加合适。 

本实用新型单个从控芯片可最多控制十六个测量电路，即本实用新型能一次性替代很多个传统液流式测量仪，使生产成本得到了大幅度的下降。 

本实用新型采用触控式LCD显示屏，不仅能实时显示设备内部液体流情况，且能随时改变预设值。真正意义上做到了观测明了，调节便捷，界面友好，使用方便等优点。 

附图说明

图1是本实用新型液流式电容脱盐自动控制装置的结构示意图。图1中S1表示电源模块，M1表示主控系统，P表示从控系统，CAN表示CAN总线。 

图2是本实用新型液流式电容脱盐自动控制装置的系统整体框架图。 

图3(a)是本实用新型液流式电容脱盐自动控制装置的系统电源中交直流转换电路图，图3(b)是本实用新型液流式电容脱盐自动控制装置的系统电源中多电平线性稳压电源电路图。 

图4是本实用新型液流式电容脱盐自动控制装置的CAN总线设计框图。 

图5是本实用新型液流式电容脱盐自动控制装置的STM32F103RB最小系统电路图。 

图7是本实用新型液流式电容脱盐自动控制装置的LCD触控显示屏电路框图。 

图8(a)是本实用新型液流式电容脱盐自动控制装置的LCD触控显示屏的主菜单项示意图，图8(b)是本实用新型液流式电容脱盐自动控制装置的LCD触控显示屏查看工作状态的界面示意图，图8(c) 是本实用新型液流式电容脱盐自动控制装置的LCD触控显示屏预定义模式的界面图示意图，图8 (d) 是本实用新型液流式电容脱盐自动控制装置的LCD触控显示屏模式选择的界面示意图。 

图9(a)是本实用新型液流式电容脱盐自动控制装置的STM8S208MB最小系统的从机系统整体结构示意图，图9(b)是本实用新型液流式电容脱盐自动控制装置的STM8S208MB最小系统的复位电路示意图，图9(c) 是本实用新型液流式电容脱盐自动控制装置的STM8S208MB最小系统的晶振电路示意图，图9 (d) 是本实用新型液流式电容脱盐自动控制装置的STM8S208MB最小系统的MCU电源示意图，图9(e)是本实用新型液流式电容脱盐自动控制装置的STM8S208MB最小系统的基准电压示意图。 

图10是本实用新型液流式电容脱盐自动控制装置的传感器信号放大电路框图。 

图11是本实用新型液流式电容脱盐自动控制装置的电磁阀门连接电路图。图11中D1表示二极管，L1表示电磁继电器，Q1表示三极管。 

图12是本实用新型液流式电容脱盐自动控制装置的程控电源控制电路图。图12中C1表示DAC芯片、N1表示放大器、O表示放大器输出端、R2、R3表示电磁继电器。   

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的保护内容不局限于以下实施例。在不背离实用新型构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本实用新型中，并且以所附的权利要求书为保护范围。 

本实用新型提出的液流式电容脱盐自动控制装置包括电源模块、主控系统、至少一个从控系统、CAN总线；其中，所述电源模块分别与所述主控系统、从控系统连接，所述主控系统和从控系统分别与所述CAN总线连接。 

其中，所述电源模块包括电源、变压器、桥式整流电路、正极三端稳压器、低压差电压调节芯片和负极三端稳压器，其中： 

所述电源与所述变压器和桥式整流电路连接，产生20V的直流电压；

所述20V的直流电压与所述正极三端稳压器连接产生15V、12V和5V的直流稳压；

所述20V的直流电压与所述负极三端稳压器连接产生-15V、-12V和-5V的直流稳压；

所述5V直流稳压与所述低压差电压调节芯片连接产生3.3V的正向电压。

其中，所述主控系统包括32位高性能单片机、触控式LCD显示屏和SD卡存储器；其中，所述触控式LCD显示屏和SD卡存储器连接在所述32位高性能单片机上。 

其中，所述从控系统包括8位低功耗单片机、传感器信号放大电路、电磁阀门电路和程控电源电路；所述传感器信号放大电路、电磁阀门电路和程控电源电路连接在所述8位低功耗单片机上。 

其中，所述传感器信号放大电路中，包括传感器和与其连接的仪用放大器A1。 

其中，所述电磁阀门电路中，在I/O端口上连接三极管Q1，在吸合线圈L1两端并联设置二极管D1。 

其中，所述程控电源电路中，在8位D/A转换器输出端连接设置电压跟随器N1，所述程控电源电路中采用电磁继电器R2和R3构成H桥。 

以下以STM32F103RB为32位高性能单片机，STM8S208MB为8位低功耗单片机进行图示说明。 

参见图1至图4，本实用新型系统整体框架是由能提供多种电源电压的电源模块S1、包括主控芯片的主控系统M1、包括从控芯片的从控系统P（当从控系统为一个以上时，分别用P1、P2、P3…表示）和CAN总线。S1负责给主控和从控系统供电，而主控、从控芯片通过CAN总线传输数据并进行信息交互。图4中1和4表示CAN总线与单片机连接端CAN_TX、CAN_RX。数据通过图4中高速CAN收发器TJA1050中的端口1对外进行输出，端口4处进行接受。 

参见图5，本实用新型液流式电容脱盐自动控制装置的主控系统主要由图5所示的STM32F103RB最小系统、图6所示的SD卡存储器、图7所示的LCD触控显示屏三大主要部分组成。图5中的M1就是这款高性能32位单片机，其通过CAN总线接收从控芯片发送来的数据，将数据存储到SD卡中，再根据M1内部预置的检测算法进行判断。当探测到系统装置达到反应转折点时，即通过CAN总线发送相关指令来进行相关操作。为了使M1正常工作，须按照图5的电路进行连接。SD存储卡和LCD触控显示屏仅需要M1的一小部分端口即可实现功能，而M1上还有很多端口可根据用户需求进行扩展利用。参见图8，图8(a)所示为主菜单项；图8(b)所示为查看装置状态的界面；图8(c)所示为预定义模式的界面；图8(d)所示为模式选择的界面。LCD屏上的主菜单有“预定义模式”、“模式选择”、“查看工作状态”、“暂停系统流程”。用户可根据需要点击相应的屏幕位置来进行方便的操作。 

参见图9，本实用新型液流式电容脱盐自动控制装置的从控系统主要由图9所示的STM8S208MB最小系统、图10所示的传感器信号放大电路、图11所示的电磁阀门电路、图12所示的程控电源电路四大主要部分组成。STM8S208MB通过端口TX（52）将从设备中采集到的参数发送给CAN总线，并将其传入STM32F103RB中进行相关处理；通过端口RX（53）接收从CAN总线上传来的主控芯片发出的指令信号。从控芯片通过控制电磁阀门模块、程控电源模块的方式响应指令。STM8S208MB有丰富的接口，不仅可实现各种控制需要，还可以测量液体酸碱度、溶氧量、电导率等各种指标。图10所示传感器信号放大电路中，采用了仪用放大器A1对传感器接收到的微弱信号进行有效的放大，并通过端口11将信号传送到STM8S208MB中进行A/D转换，实现电导率仪的功能。参见图11所示电磁阀门连接电路图，通过I/O端口输出相应电平控制电磁继电器，实现电磁阀门的通断。由于单片机I/O端口驱动能力有限，故增加一个三极管Q1。在吸合线圈L1两端增加了一个二极管D1，用于释放电磁继电器吸合线圈在三极管截止时产生的反峰电压。当I/O接入+5V和0V时，可使电磁阀门闭合或是打开，由此可控制设备内液体流的走向。参见图12所示程控电源电路，只要用户改变DAC0808LCM中端口B1~B8的值就可以在I/O口输出相应的0~5V电压。由于8位D/A转换器输出的是电流，为了于结点O处得到电压输出，在电路中接入了电压跟随器N1。其中受控稳压器LM317的作用是稳压。因为在电吸附和脱附情况下需要不同极性的电压，故使用电磁继电器R2和R3来实现H桥，通过I/O口控制输出端实现无压降的电压反转。 

实施例1 

以高纯水生产工艺为例来说明本实用新型液流式电容脱盐自动控制装置：

在整个电容脱盐系统中，LCD触摸屏是人机交互的基础，动态显示系统中的各项参数（如盐浓度、电导率、温度等），可以通过触控的方式在屏幕上进行设置，改变相关参数。配合模块控制算法，系统就能精确判定各种时间节点。当判定已到达模块功能切换时间点时，系统分别改变I/O端口电平，使模块改变工作模式，根据具体电路控制电磁阀门，改变设备内水的流向，放出经过脱附的盐溶液。同时，系统内置的小型数控电源，可以向反应装置提供-10～+10V的直流稳压电源，确保装置电脱附、电吸附顺利进行。此外，为了保证模块控制算法的准确性，在系统传感器端接收数据的同时，会将其存放至存储介质中，以供后期模块控制参数的修正。该套系统中主控单片机负责数据计算、LCD触控屏的人机交互；从控单片机负责数据采集，I/O控制。主控与从控单片机之间通过CAN总线实现数据传输。

综上所述，本实用新型是一款功能强大、可扩展性良好、测量精确可靠的液流式电容脱盐自动控制装置。该自动控制装置能在满足用户各方需求的情况下，有效降低水处理检测的成本，必将带来巨大的经济效益和社会效益。 

Claims (7)

1.一种液流式电容脱盐自动控制装置，其特征在于，所述装置包括电源模块、主控系统、至少一个从控系统、CAN总线；其中，所述电源模块分别与所述主控系统、从控系统连接，所述主控系统和从控系统分别与所述CAN总线连接。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电源模块包括电源、变压器、桥式整流电路、正极三端稳压器、低压差电压调节芯片和负极三端稳压器，其中：

所述电源与所述变压器和桥式整流电路连接，产生20V的直流电压；

所述20V的直流电压与所述正极三端稳压器连接产生15V、12V和5V的直流稳压；

所述20V的直流电压与所述负极三端稳压器连接产生-15V、-12V和-5V的直流稳压；

所述5V直流稳压与所述低压差电压调节芯片连接产生3.3V的正向电压。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述主控系统包括32位高性能单片机、触控式LCD显示屏和SD卡存储器；其中，所述触控式LCD显示屏和SD卡存储器连接在所述32位高性能单片机上。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述从控系统包括8位低功耗单片机、传感器信号放大电路、电磁阀门电路和程控电源电路；所述传感器信号放大电路、电磁阀门电路和程控电源电路连接在所述8位低功耗单片机上。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述传感器信号放大电路中，包括传感器和与其连接的仪用放大器A1。

6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述电磁阀门电路中，在I/O端口上连接三极管Q1，在吸合线圈L1两端并联设置二极管D1。

7.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述程控电源电路中，在8位D/A转换器输出端连接设置电压跟随器N1，所述程控电源电路中采用电磁继电器R2和R3构成H桥。

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