基于CAN總線的電子垃圾無害處理監控系統

電子垃圾主要是指人們在日常生活中淘汰或報廢的電視機、電冰箱、洗衣機、空調器、個人電腦、手機、游戲機、收音機、錄音機等各種家用電器及電子類產品。隨著信息科學技術的高速發展，電子類產品的更新換代年限在不斷縮短，被淘汰的電器、電子產品數量也在不斷大幅增長，形成了大量“電子垃圾”。“電子垃圾時代”的到來意味著處理電子垃圾處理問題將成為城市環境治理的最大難題?！半娮永碧幚聿划斘：O其嚴重，特別是電視、電腦、手機、音響等電子產品，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[1]。這些有毒有害的物質對環境、土壤的破壞難以估量。從這個意義上說，電子垃圾處理是事關國家可持續發展的重大問題。
但是，電子垃圾處理是一項系統工程，不僅處理工序復雜，而且需要專門技術。將計算機監控技術引入電子垃圾處理過程，實時監控各道工序運行情況和技術參數，不僅能大大提高電子垃圾處理過程的工作效率，還能提高電子垃圾資源化和無害化的處理程度。
目前電子垃圾無害化處理監測系統品種繁多，系統結構各異，但其現場檢測電路和上位機的通訊大多采用RS-485，這就使整個系統抗干擾能力差，實時性和糾錯能力不強，增加節點困難，當某一通信節點出現故障時，還會影響整個系統[2]。因此為了提高電子垃圾無害化處理監測系統的可靠性，擴大其監測的功能，我們提出了基于CAN總線的電子垃圾無害處理監控系統。

圖1電子垃圾無害化處理分選工序流程圖
1電子垃圾無害化處理流程
電子垃圾無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說，就有化學法、物理法和生物技術法[3]?；瘜W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。物理法主要有手工分類、機械破碎、空氣分選和磁性吸附等多種方法?；瘜W方法一直是廣泛應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方法一起用的。生物技術實質是利用細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過手工進行第一次分選，將其分為電視機類、洗衣機類、電冰箱類、微波爐類、電腦類、通訊類等，以便于工人手工拆卸；然后經過手工拆卸后進行第二次分選，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行分類，即將其分為含貴金屬廢料（金、銀、鉑、鈀、銠、銥、鋨和釕）和含賤金屬廢料（銅、鋁、鉛、鋅、錫、鎘）。電子垃圾資源化和無害化處理分選工序流程如圖1所示。分選工序完成后，就要按照化學方法經過一定的工藝流程進行金屬的回收、廢液和廢氣的處理及廢渣的深埋。為節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監控系統結構原理
要提高電子垃圾中的資源回收率，減少電子垃圾回收過程中對環境的二次污染就要對電子垃圾回收的整個過程進行監控，對各工序的技術參數進行監測，確?；厥者^程的科學化、無害化。
基于CAN總線的電子垃圾無害化處理監控系統的總體結構如圖3所示。整個系統由上位管理機、CAN控制驅動器、微控制器和現場傳感器構成。采用CAN協議完成上位機和下位機的數據通信。一個上位機理論上可接110多個下位機，即一臺計算機可以監控110多道工序。
上位機由PC計算機、監控軟件和CAN總線適配卡等構成。上位機位于中央監控室，它的任務是向下位機發送命令、接收下位機送來的數據、并對其數據進行分析、分類、綜合，從而得出各道工序的運行狀態報告，供工作人員查詢。當發現某道工序技術參數異常時，上位機能及時報警，并打印有關參數。

下位機由微處理器、CAN控制驅動器和傳感器等構成。下位機位于工作現場，它在上位機的控制下，能對溫度、PH值等監測參數進行實時檢測，并能對檢測的數據進行初步處理后，傳送到上位機。由于篇幅所限，文中僅對下位機軟硬件系統進行討論。
3下位機硬件電路結構
基于CAN總線的下位機硬件系統電路如圖4所示。下位機的硬件主要由現場數據采集電路、微控制器核心電路、鍵盤電路、顯示電路和CAN控制驅動電路組成。每個下位機都作為CAN總線上的一個節點，都以微處理器為核心，完成各自的數據采集和控制功能。

圖4下位機電路原理圖
3.1微控制器核心電路
微控制器采用Cygnal公司生產的C8051F206單片機，這款單片機是完全集成的混合信號系統級芯片（SOC），具有與8051指令集完全兼容的CIP-51內核。在一個芯片內集成了構成一個單片機數據采集或控制系統所需的ADC、DAC、SPI、WDT和定時/計數等模塊，使系統的硬件設計大大簡化。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單片機通過CAN總線接收上位機發來的命令，并根據命令自動實時采集變壓器的有關參數，經過簡單處理后，再通過CAN總線傳送到上位機。
3.2數據采集電路和顯示電路
數據采集電路主要由傳感器、取樣電路、整形放大電路和電平調理電路組成。各路傳感器測出的信號一般比較小，不能直接送A/D轉換器，都要經過整形放大和電平調理后才能送到C8051F206內的A/D轉換器。
顯示電路和微控制器的連接采用I2C總線，由于C8051F206單片機內部沒有集成I2C總線模塊，故采用軟件模擬的方法實現I2C通訊。顯示驅動器采用具有I2C總線的器件SAA1064，可動態驅動4位8段LED顯示器。它內部具有顯存和自動刷新功能，可免去微控制器的頻繁刷新任務，騰出大量時間去做其他事情。
鍵盤電路由PCF8574構成，鍵盤電路和微控制器的連接也采用I2C總線，通過CPU中斷的方法獲得按鍵代碼。
3.3CAN總線接口電路
CAN是現場總線中唯一被批準為國際標準的現場總線。其信號傳輸介質為雙絞線。通信速率最高可達1Mbps/40m，直接傳輸距離最遠可達10Km/5Kbps。安裝在每一道工序上的下位機構成CAN總線上的一個節點。CAN協議采用CRC檢驗并可提供相應的錯誤處理功能，保證了數據通信的可靠性。當節點嚴重錯誤時，具有自動關閉的功能，以切斷該節點和總線的聯系，使總線上的其它節點及其通信不受影響。
圖4中的CAN控制驅動模塊由CAN控制器SJA1000、光耦6N137模塊和CAN驅動器82C250構成。SJA1000負責與微控制器進行狀態、控制和命令等信息交換，并承擔網絡通信任務；82C250為CAN控制器和總線接口，提供對總線的差動發送和對CAN控制器的差動接收功能。光耦6N137起隔離作用。

圖5下位機監控程序流程圖

圖6CAN初始化程序流程圖
4系統軟件設計
系統軟件由上位機主程序和下位監控程序構成。上位機主程序用VB語言開發，設計成人機交互界面。上位機軟件由主程序、設備數據庫、故障參數數據庫和故障專家診斷軟件構成。它的主要功能是處理下位機傳來的各節點工作參數，分析各節點工作狀態。
下位機軟件由下位機監控程序、CAN通信子程序、數據采集子程序、鍵盤中斷服務程序和顯示子程序等構成。其中下位機監控程序主要進行系統的初始化，調用子程序，實時檢測下位機的工作狀況，處理和保存采集的數據，供上位機查詢，并送顯示器顯示，下位機監控程序流程圖如圖5所示。CAN接收和發送的通信方式采用查詢方式。在啟動CAN前，要對CAN初始化，設置CAN通信的參數，CAN初始化的流程圖如圖6所示。CAN在接收和發送數據前，都要分別檢查接收緩沖區或發送緩沖區是否有數據，只有等緩沖區里的數據移出后才能接收或發送。
5結論
本文作者創新點在于：將工業現場總線引入到電子垃圾無害化處理系統中，克服了傳統的串行通信控制系統實時性不強，通信可靠性差的問題。經實驗表明該系統具有穩定可靠、測量精度高、一致性好、信號線長短不會影響其性能等優點，上下位機通信采用CAN總線通信方式，提高了系統內部的速率和實時性，降低了誤碼傳送的概率。提高了電子垃圾無害化處理效率和資源化程度，具有一定的實用價值。

參考文獻：
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河南省科技廳2005科技攻關項目：項目編號：0524440036
來清民（1960-）河南靈寶人，畢業于河南大學物理系，現任河南教育學院物理系電子教研室副教授，從事工業CAN總線控制研究和教學。
聯系方式：鄭州市緯五路21號河南教育學院物理系，郵政編碼：450014 
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孫亞兵(1967-)河南夏邑人，1987年鄭州大學電子系畢業，現任河南教育學院物理系電子教研室講師，多年從事電子技術及自動化教學與研究。
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