水体高效充氧控制装置

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  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。

  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。

  (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。

  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或水體浊度≥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
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