基于CAN總線的電子垃圾無(wú)害處理監(jiān)控系統(tǒng)

電子垃圾主要是指人們?cè)谌粘Ｉ钪刑蕴驁?bào)廢的電視機(jī)、電冰箱、洗衣機(jī)、空調(diào)器、個(gè)人電腦、手機(jī)、游戲機(jī)、收音機(jī)、錄音機(jī)等各種家用電器及電子類產(chǎn)品。隨著信息科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，電子類產(chǎn)品的更新?lián)Q代年限在不斷縮短，被淘汰的電器、電子產(chǎn)品數(shù)量也在不斷大幅增長(zhǎng)，形成了大量“電子垃圾”。“電子垃圾時(shí)代”的到來(lái)意味著處理電子垃圾處理問(wèn)題將成為城市環(huán)境治理的最大難題。“電子垃圾”處理不當(dāng)危害極其嚴(yán)重，特別是電視、電腦、手機(jī)、音響等電子產(chǎn)品，含鉛、鎘、水銀、六元鉻、聚氯乙烯塑料、溴化阻燃劑等大量有毒有害物質(zhì)[1]。這些有毒有害的物質(zhì)對(duì)環(huán)境、土壤的破壞難以估量。從這個(gè)意義上說(shuō)，電子垃圾處理是事關(guān)國(guó)家可持續(xù)發(fā)展的重大問(wèn)題。
但是，電子垃圾處理是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，不僅處理工序復(fù)雜，而且需要專門技術(shù)。將計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)引入電子垃圾處理過(guò)程，實(shí)時(shí)監(jiān)控各道工序運(yùn)行情況和技術(shù)參數(shù)，不僅能大大提高電子垃圾處理過(guò)程的工作效率，還能提高電子垃圾資源化和無(wú)害化的處理程度。
目前電子垃圾無(wú)害化處理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)品種繁多，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)各異，但其現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)電路和上位機(jī)的通訊大多采用RS-485，這就使整個(gè)系統(tǒng)抗干擾能力差，實(shí)時(shí)性和糾錯(cuò)能力不強(qiáng)，增加節(jié)點(diǎn)困難，當(dāng)某一通信節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，還會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)[2]。因此為了提高電子垃圾無(wú)害化處理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性，擴(kuò)大其監(jiān)測(cè)的功能，我們提出了基于CAN總線的電子垃圾無(wú)害處理監(jiān)控系統(tǒng)。

圖1電子垃圾無(wú)害化處理分選工序流程圖
1電子垃圾無(wú)害化處理流程
電子垃圾無(wú)害化處理和電子垃圾中的資源回收方法有很多種，其工藝流程各異。就回收貴金屬的方法來(lái)說(shuō)，就有化學(xué)法、物理法和生物技術(shù)法[3]。化學(xué)法又可分為:火法冶金、濕法冶金、電解法提取、硫酸法、硫尿法等工藝技術(shù)。物理法主要有手工分類、機(jī)械破碎、空氣分選和磁性吸附等多種方法。化學(xué)方法一直是廣泛應(yīng)用于提取電子廢棄物中金、銀等貴金屬的成熟方法，物理方法通常是作為輔助手段和化學(xué)方法一起用的。生物技術(shù)實(shí)質(zhì)是利用細(xì)菌浸取電子垃圾中的貴金屬，目前仍處于研究中。
本文采用的是化學(xué)和物理綜合法，第一道工序就是三次分選：首先電子垃圾要按照用途類別經(jīng)過(guò)手工進(jìn)行第一次分選，將其分為電視機(jī)類、洗衣機(jī)類、電冰箱類、微波爐類、電腦類、通訊類等，以便于工人手工拆卸；然后經(jīng)過(guò)手工拆卸后進(jìn)行第二次分選，將其分為電線和金屬接插件、塑料、線路板及其他廢料，電線和金屬接插件可以直接冶煉回收，塑料可以按照熱塑性塑料和熱固性塑料分別進(jìn)行再生利用或改性利用；第三次分選是將線路板和電子元件等廢料按照所含的金屬類別進(jìn)行分類，即將其分為含貴金屬?gòu)U料（金、銀、鉑、鈀、銠、銥、鋨和釕）和含賤金屬?gòu)U料（銅、鋁、鉛、鋅、錫、鎘）。電子垃圾資源化和無(wú)害化處理分選工序流程如圖1所示。分選工序完成后，就要按照化學(xué)方法經(jīng)過(guò)一定的工藝流程進(jìn)行金屬的回收、廢液和廢氣的處理及廢渣的深埋。為節(jié)省篇幅僅給出從電子垃圾中提出貴重金屬“金”的工藝流程圖，如圖2所示。

圖2硝酸-王水濕法回收金的工藝流程
2監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理
要提高電子垃圾中的資源回收率，減少電子垃圾回收過(guò)程中對(duì)環(huán)境的二次污染就要對(duì)電子垃圾回收的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)各工序的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確保回收過(guò)程的科學(xué)化、無(wú)害化。
基于CAN總線的電子垃圾無(wú)害化處理監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。整個(gè)系統(tǒng)由上位管理機(jī)、CAN控制驅(qū)動(dòng)器、微控制器和現(xiàn)場(chǎng)傳感器構(gòu)成。采用CAN協(xié)議完成上位機(jī)和下位機(jī)的數(shù)據(jù)通信。一個(gè)上位機(jī)理論上可接110多個(gè)下位機(jī)，即一臺(tái)計(jì)算機(jī)可以監(jiān)控110多道工序。
上位機(jī)由PC計(jì)算機(jī)、監(jiān)控軟件和CAN總線適配卡等構(gòu)成。上位機(jī)位于中央監(jiān)控室，它的任務(wù)是向下位機(jī)發(fā)送命令、接收下位機(jī)送來(lái)的數(shù)據(jù)、并對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、分類、綜合，從而得出各道工序的運(yùn)行狀態(tài)報(bào)告，供工作人員查詢。當(dāng)發(fā)現(xiàn)某道工序技術(shù)參數(shù)異常時(shí)，上位機(jī)能及時(shí)報(bào)警，并打印有關(guān)參數(shù)。

下位機(jī)由微處理器、CAN控制驅(qū)動(dòng)器和傳感器等構(gòu)成。下位機(jī)位于工作現(xiàn)場(chǎng)，它在上位機(jī)的控制下，能對(duì)溫度、PH值等監(jiān)測(cè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并能對(duì)檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理后，傳送到上位機(jī)。由于篇幅所限，文中僅對(duì)下位機(jī)軟硬件系統(tǒng)進(jìn)行討論。
3下位機(jī)硬件電路結(jié)構(gòu)
基于CAN總線的下位機(jī)硬件系統(tǒng)電路如圖4所示。下位機(jī)的硬件主要由現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集電路、微控制器核心電路、鍵盤電路、顯示電路和CAN控制驅(qū)動(dòng)電路組成。每個(gè)下位機(jī)都作為CAN總線上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，都以微處理器為核心，完成各自的數(shù)據(jù)采集和控制功能。

圖4下位機(jī)電路原理圖
3.1微控制器核心電路
微控制器采用Cygnal公司生產(chǎn)的C8051F206單片機(jī)，這款單片機(jī)是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片（SOC），具有與8051指令集完全兼容的CIP-51內(nèi)核。在一個(gè)芯片內(nèi)集成了構(gòu)成一個(gè)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集或控制系統(tǒng)所需的ADC、DAC、SPI、WDT和定時(shí)/計(jì)數(shù)等模塊，使系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化。它的所有I/O管腳都可以作為模擬輸入腳，即它具有32路模擬輸入。圖2僅使用了其中的5路模擬輸入。
C8051F206單片機(jī)通過(guò)CAN總線接收上位機(jī)發(fā)來(lái)的命令，并根據(jù)命令自動(dòng)實(shí)時(shí)采集變壓器的有關(guān)參數(shù)，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理后，再通過(guò)CAN總線傳送到上位機(jī)。
3.2數(shù)據(jù)采集電路和顯示電路
數(shù)據(jù)采集電路主要由傳感器、取樣電路、整形放大電路和電平調(diào)理電路組成。各路傳感器測(cè)出的信號(hào)一般比較小，不能直接送A/D轉(zhuǎn)換器，都要經(jīng)過(guò)整形放大和電平調(diào)理后才能送到C8051F206內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器。
顯示電路和微控制器的連接采用I2C總線，由于C8051F206單片機(jī)內(nèi)部沒(méi)有集成I2C總線模塊，故采用軟件模擬的方法實(shí)現(xiàn)I2C通訊。顯示驅(qū)動(dòng)器采用具有I2C總線的器件SAA1064，可動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)4位8段LED顯示器。它內(nèi)部具有顯存和自動(dòng)刷新功能，可免去微控制器的頻繁刷新任務(wù)，騰出大量時(shí)間去做其他事情。
鍵盤電路由PCF8574構(gòu)成，鍵盤電路和微控制器的連接也采用I2C總線，通過(guò)CPU中斷的方法獲得按鍵代碼。
3.3CAN總線接口電路
CAN是現(xiàn)場(chǎng)總線中唯一被批準(zhǔn)為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線。其信號(hào)傳輸介質(zhì)為雙絞線。通信速率最高可達(dá)1Mbps/40m，直接傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)10Km/5Kbps。安裝在每一道工序上的下位機(jī)構(gòu)成CAN總線上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。CAN協(xié)議采用CRC檢驗(yàn)并可提供相應(yīng)的錯(cuò)誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。當(dāng)節(jié)點(diǎn)嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)，具有自動(dòng)關(guān)閉的功能，以切斷該節(jié)點(diǎn)和總線的聯(lián)系，使總線上的其它節(jié)點(diǎn)及其通信不受影響。
圖4中的CAN控制驅(qū)動(dòng)模塊由CAN控制器SJA1000、光耦6N137模塊和CAN驅(qū)動(dòng)器82C250構(gòu)成。SJA1000負(fù)責(zé)與微控制器進(jìn)行狀態(tài)、控制和命令等信息交換，并承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)通信任務(wù)；82C250為CAN控制器和總線接口，提供對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送和對(duì)CAN控制器的差動(dòng)接收功能。光耦6N137起隔離作用。

圖5下位機(jī)監(jiān)控程序流程圖

圖6CAN初始化程序流程圖
4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件由上位機(jī)主程序和下位監(jiān)控程序構(gòu)成。上位機(jī)主程序用VB語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)成人機(jī)交互界面。上位機(jī)軟件由主程序、設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)、故障參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)和故障專家診斷軟件構(gòu)成。它的主要功能是處理下位機(jī)傳來(lái)的各節(jié)點(diǎn)工作參數(shù)，分析各節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)。
下位機(jī)軟件由下位機(jī)監(jiān)控程序、CAN通信子程序、數(shù)據(jù)采集子程序、鍵盤中斷服務(wù)程序和顯示子程序等構(gòu)成。其中下位機(jī)監(jiān)控程序主要進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，調(diào)用子程序，實(shí)時(shí)檢測(cè)下位機(jī)的工作狀況，處理和保存采集的數(shù)據(jù)，供上位機(jī)查詢，并送顯示器顯示，下位機(jī)監(jiān)控程序流程圖如圖5所示。CAN接收和發(fā)送的通信方式采用查詢方式。在啟動(dòng)CAN前，要對(duì)CAN初始化，設(shè)置CAN通信的參數(shù)，CAN初始化的流程圖如圖6所示。CAN在接收和發(fā)送數(shù)據(jù)前，都要分別檢查接收緩沖區(qū)或發(fā)送緩沖區(qū)是否有數(shù)據(jù)，只有等緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)移出后才能接收或發(fā)送。
5結(jié)論
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)在于：將工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線引入到電子垃圾無(wú)害化處理系統(tǒng)中，克服了傳統(tǒng)的串行通信控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性不強(qiáng)，通信可靠性差的問(wèn)題。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)具有穩(wěn)定可靠、測(cè)量精度高、一致性好、信號(hào)線長(zhǎng)短不會(huì)影響其性能等優(yōu)點(diǎn)，上下位機(jī)通信采用CAN總線通信方式，提高了系統(tǒng)內(nèi)部的速率和實(shí)時(shí)性，降低了誤碼傳送的概率。提高了電子垃圾無(wú)害化處理效率和資源化程度，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：
[1]姜賓延，吳彩斌.電子垃圾的危害及其機(jī)械處理技術(shù)現(xiàn)狀[J].再生資源研究2005，3：23~26.
[2]來(lái)清民.基于CAN總線的多功能大型糧倉(cāng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].微機(jī)算計(jì)信息.2005，7：51~52.
[3]魏金秀，汪永輝，李登新.國(guó)內(nèi)外電子廢棄物現(xiàn)狀及其資源化技術(shù)[J].東華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2005，31(3)：134~128
[4]余濟(jì)臨.基于CAN總線的數(shù)字化溫度測(cè)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[J].電子技術(shù)，2004，8：17~19.
[5]來(lái)清民曲賀梅，基于CAN總線的三維步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)[J]，微機(jī)算計(jì)信息.2005，7-2：40~42.
河南省科技廳2005科技攻關(guān)項(xiàng)目：項(xiàng)目編號(hào)：0524440036
來(lái)清民（1960-）河南靈寶人，畢業(yè)于河南大學(xué)物理系，現(xiàn)任河南教育學(xué)院物理系電子教研室副教授，從事工業(yè)CAN總線控制研究和教學(xué)。
聯(lián)系方式：鄭州市緯五路21號(hào)河南教育學(xué)院物理系，郵政編碼：450014 
lqm1111@sina.com
孫亞兵(1967-)河南夏邑人，1987年鄭州大學(xué)電子系畢業(yè)，現(xiàn)任河南教育學(xué)院物理系電子教研室講師，多年從事電子技術(shù)及自動(dòng)化教學(xué)與研究。
聯(lián)系方式：鄭州市緯五路21號(hào)河南教育學(xué)院物理系