基于CAN总线的电子垃圾无害处理监控系统

电子垃圾主要是指人们在日常生活中淘汰或报废的电视机、电冰箱、洗衣机、空调器、个人电脑、手机、游戏机、收音机、录音机等各种家用电器及电子类产品。随着信息科学技术的高速发展，电子类产品的更新换代年限在不断缩短，被淘汰的电器、电子产品数量也在不断大幅增长，形成了大量“电子垃圾”。“电子垃圾时代”的到来意味着处理电子垃圾处理问题将成为城市环境治理的最大难题。“电子垃圾”处理不当危害极其严重，特别是电视、电脑、手机、音响等电子产品，含铅、镉、水银、六元铬、聚氯乙烯塑料、溴化阻燃剂等大量有毒有害物质[1]。这些有毒有害的物质对环境、土壤的破坏难以估量。从这个意义上说，电子垃圾处理是事关国家可持续发展的重大问题。
但是，电子垃圾处理是一项系统工程，不仅处理工序复杂，而且需要专门技术。将计算机监控技术引入电子垃圾处理过程，实时监控各道工序运行情况和技术参数，不仅能大大提高电子垃圾处理过程的工作效率，还能提高电子垃圾资源化和无害化的处理程度。
目前电子垃圾无害化处理监测系统品种繁多，系统结构各异，但其现场检测电路和上位机的通讯大多采用RS-485，这就使整个系统抗干扰能力差，实时性和纠错能力不强，增加节点困难，当某一通信节点出现故障时，还会影响整个系统[2]。因此为了提高电子垃圾无害化处理监测系统的可靠性，扩大其监测的功能，我们提出了基于CAN总线的电子垃圾无害处理监控系统。

图1电子垃圾无害化处理分选工序流程图
1电子垃圾无害化处理流程
电子垃圾无害化处理和电子垃圾中的资源回收方法有很多种，其工艺流程各异。就回收贵金属的方法来说，就有化学法、物理法和生物技术法[3]。化学法又可分为:火法冶金、湿法冶金、电解法提取、硫酸法、硫尿法等工艺技术。物理法主要有手工分类、机械破碎、空气分选和磁性吸附等多种方法。化学方法一直是广泛应用于提取电子废弃物中金、银等贵金属的成熟方法，物理方法通常是作为辅助手段和化学方法一起用的。生物技术实质是利用细菌浸取电子垃圾中的贵金属，目前仍处于研究中。
本文采用的是化学和物理综合法，第一道工序就是三次分选：首先电子垃圾要按照用途类别经过手工进行第一次分选，将其分为电视机类、洗衣机类、电冰箱类、微波炉类、电脑类、通讯类等，以便于工人手工拆卸；然后经过手工拆卸后进行第二次分选，将其分为电线和金属接插件、塑料、线路板及其他废料，电线和金属接插件可以直接冶炼回收，塑料可以按照热塑性塑料和热固性塑料分别进行再生利用或改性利用；第三次分选是将线路板和电子元件等废料按照所含的金属类别进行分类，即将其分为含贵金属废料（金、银、铂、钯、铑、铱、锇和钌）和含贱金属废料（铜、铝、铅、锌、锡、镉）。电子垃圾资源化和无害化处理分选工序流程如图1所示。分选工序完成后，就要按照化学方法经过一定的工艺流程进行金属的回收、废液和废气的处理及废渣的深埋。为节省篇幅仅给出从电子垃圾中提出贵重金属“金”的工艺流程图，如图2所示。

图2硝酸-王水湿法回收金的工艺流程
2监控系统结构原理
要提高电子垃圾中的资源回收率，减少电子垃圾回收过程中对环境的二次污染就要对电子垃圾回收的整个过程进行监控，对各工序的技术参数进行监测，确保回收过程的科学化、无害化。
基于CAN总线的电子垃圾无害化处理监控系统的总体结构如图3所示。整个系统由上位管理机、CAN控制驱动器、微控制器和现场传感器构成。采用CAN协议完成上位机和下位机的数据通信。一个上位机理论上可接110多个下位机，即一台计算机可以监控110多道工序。
上位机由PC计算机、监控软件和CAN总线适配卡等构成。上位机位于中央监控室，它的任务是向下位机发送命令、接收下位机送来的数据、并对其数据进行分析、分类、综合，从而得出各道工序的运行状态报告，供工作人员查询。当发现某道工序技术参数异常时，上位机能及时报警，并打印有关参数。

下位机由微处理器、CAN控制驱动器和传感器等构成。下位机位于工作现场，它在上位机的控制下，能对温度、PH值等监测参数进行实时检测，并能对检测的数据进行初步处理后，传送到上位机。由于篇幅所限，文中仅对下位机软硬件系统进行讨论。
3下位机硬件电路结构
基于CAN总线的下位机硬件系统电路如图4所示。下位机的硬件主要由现场数据采集电路、微控制器核心电路、键盘电路、显示电路和CAN控制驱动电路组成。每个下位机都作为CAN总线上的一个节点，都以微处理器为核心，完成各自的数据采集和控制功能。

图4下位机电路原理图
3.1微控制器核心电路
微控制器采用Cygnal公司生产的C8051F206单片机，这款单片机是完全集成的混合信号系统级芯片（SOC），具有与8051指令集完全兼容的CIP-51内核。在一个芯片内集成了构成一个单片机数据采集或控制系统所需的ADC、DAC、SPI、WDT和定时/计数等模块，使系统的硬件设计大大简化。它的所有I/O管脚都可以作为模拟输入脚，即它具有32路模拟输入。图2仅使用了其中的5路模拟输入。
C8051F206单片机通过CAN总线接收上位机发来的命令，并根据命令自动实时采集变压器的有关参数，经过简单处理后，再通过CAN总线传送到上位机。
3.2数据采集电路和显示电路
数据采集电路主要由传感器、取样电路、整形放大电路和电平调理电路组成。各路传感器测出的信号一般比较小，不能直接送A/D转换器，都要经过整形放大和电平调理后才能送到C8051F206内的A/D转换器。
显示电路和微控制器的连接采用I2C总线，由于C8051F206单片机内部没有集成I2C总线模块，故采用软件模拟的方法实现I2C通讯。显示驱动器采用具有I2C总线的器件SAA1064，可动态驱动4位8段LED显示器。它内部具有显存和自动刷新功能，可免去微控制器的频繁刷新任务，腾出大量时间去做其他事情。
键盘电路由PCF8574构成，键盘电路和微控制器的连接也采用I2C总线，通过CPU中断的方法获得按键代码。
3.3CAN总线接口电路
CAN是现场总线中唯一被批准为国际标准的现场总线。其信号传输介质为双绞线。通信速率最高可达1Mbps/40m，直接传输距离最远可达10Km/5Kbps。安装在每一道工序上的下位机构成CAN总线上的一个节点。CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。当节点严重错误时，具有自动关闭的功能，以切断该节点和总线的联系，使总线上的其它节点及其通信不受影响。
图4中的CAN控制驱动模块由CAN控制器SJA1000、光耦6N137模块和CAN驱动器82C250构成。SJA1000负责与微控制器进行状态、控制和命令等信息交换，并承担网络通信任务；82C250为CAN控制器和总线接口，提供对总线的差动发送和对CAN控制器的差动接收功能。光耦6N137起隔离作用。

图5下位机监控程序流程图

图6CAN初始化程序流程图
4系统软件设计
系统软件由上位机主程序和下位监控程序构成。上位机主程序用VB语言开发，设计成人机交互界面。上位机软件由主程序、设备数据库、故障参数数据库和故障专家诊断软件构成。它的主要功能是处理下位机传来的各节点工作参数，分析各节点工作状态。
下位机软件由下位机监控程序、CAN通信子程序、数据采集子程序、键盘中断服务程序和显示子程序等构成。其中下位机监控程序主要进行系统的初始化，调用子程序，实时检测下位机的工作状况，处理和保存采集的数据，供上位机查询，并送显示器显示，下位机监控程序流程图如图5所示。CAN接收和发送的通信方式采用查询方式。在启动CAN前，要对CAN初始化，设置CAN通信的参数，CAN初始化的流程图如图6所示。CAN在接收和发送数据前，都要分别检查接收缓冲区或发送缓冲区是否有数据，只有等缓冲区里的数据移出后才能接收或发送。
5结论
本文作者创新点在于：将工业现场总线引入到电子垃圾无害化处理系统中，克服了传统的串行通信控制系统实时性不强，通信可靠性差的问题。经实验表明该系统具有稳定可靠、测量精度高、一致性好、信号线长短不会影响其性能等优点，上下位机通信采用CAN总线通信方式，提高了系统内部的速率和实时性，降低了误码传送的概率。提高了电子垃圾无害化处理效率和资源化程度，具有一定的实用价值。

参考文献：
[1]姜宾延，吴彩斌.电子垃圾的危害及其机械处理技术现状[J].再生资源研究2005，3：23~26.
[2]来清民.基于CAN总线的多功能大型粮仓远程监测系统[J].微机算计信息.2005，7：51~52.
[3]魏金秀，汪永辉，李登新.国内外电子废弃物现状及其资源化技术[J].东华大学学报(自然科学版)2005，31(3)：134~128
[4]余济临.基于CAN总线的数字化温度测控网络系统[J].电子技术，2004，8：17~19.
[5]来清民曲贺梅，基于CAN总线的三维步进电机控制系统[J]，微机算计信息.2005，7-2：40~42.
河南省科技厅2005科技攻关项目：项目编号：0524440036
来清民（1960-）河南灵宝人，毕业于河南大学物理系，现任河南教育学院物理系电子教研室副教授，从事工业CAN总线控制研究和教学。
联系方式：郑州市纬五路21号河南教育学院物理系，邮政编码：450014 
lqm1111@sina.com
孙亚兵(1967-)河南夏邑人，1987年郑州大学电子系毕业，现任河南教育学院物理系电子教研室讲师，多年从事电子技术及自动化教学与研究。
联系方式：郑州市纬五路21号河南教育学院物理系