基于单片机的智能型电导监测仪的设计

摘要伴随着科学技术的飞速发展，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动智能检测技术的高速发展。在实时检测的单片机应用系统中，单片机往往是作为核心来使用，但仅有单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以使设计、生产更加完美。随着科学技术的不断创新，越来越多的领域需要对液体内部的粒子含量和成分进行精确检测。本装置就是采用STC89C51单片机作为核心，辅以温度检测电路、电导率测量电路以及一些必须的单片机外围电路来实现对溶液中电导率的检测。检测电导池中粒子的含量并记录下来为系统的主要功能，其主要模块除单片机控制部分外，还有温度检测，电导率检测。以及通过扩展8155H芯片完成键盘和显示电路的设计。并具有报警等功能，使用灵活方便。关键词STC8155H电导率粒子8155HTHETESTEROFCONDUCTIVITYABSTRACTWITHTHERAPIDDEVELOPMENTOFSCIENCEANDTECHNOLOGYTHEAPPLICATIONOFSCMISCONTINUOUSLYTOWARDDEEPERANDDEEPERMEANWHILEDRIVESMARTDETECTIONOFTECHNOLOGYDEVELOPMENTINHIGHSPEEDINREALTIMEDETECTIONOFMICROCOMPUTERAPPLICATIONSYSTEM,THESCMISOFTENUSEDASACOREBUTONLYMICROCONTROLLERASPECTSKNOWLEDGEISNOTENOUGH,STILLSHOULDACCORDINGTOTHESPECIFICHARDWARESTRUCTUREANDTHEVIEWOFTHESPECIFICAPPLICATIONOBJECTCHARACTERISTICSOFSOFTWARECOMBINEDTOMAKEADESIGN,PRODUCTIONMOREPERFECTALONGWITHTHESCIENCEANDTECHNOLOGYUNCEASINGINNOVATION,MOREANDMOREFIELDSOFLIQUIDINTERNALPARTICLESNEEDACCURATETESTINGCONTENTANDCONSTITUENTSTHISDEVICEISUSINGSTC89C51ASTHECORE,ANDCOMPLEMENTARYWITHTEMPERATUREDETECTIONCIRCUIT,CONDUCTIVITYMEASUREMENTCIRCUITANDSOMESCMBUFFERCIRCUITFORSOLUTIONTOREALIZETHECONDUCTIVITYDETECTIONDETECTIONANDTORECORDOFTHEPARTICLECONTENTOFCONDUCTANCEPOOLARETHESYSTEMSMAINFUNCTIONITSMAINMODULEEXCEPTSINGLECHIPMICROCOMPUTERCONTROLPARTOUTSIDE,ANDTEMPERATUREDETECTION,CONDUCTIVITYDETECTIONANDBYEXTENSIONCHIPSOF8155HTOACHIEVEKEYBOARDANDDISPLAYCIRCUITDESIGNANDHASTHEALARMFUNCTIONS,USEAGILEANDCONVENIENTKEYWORDSTC8155HCONDUCTIVITYPARTICLES8155H目录第一章绪论111课题研究的目的及意义112课题研究背景及国内外研究现状113课题研究的主要内容2第二章系统总体设计方案421主要技术指标422系统总体方案论证423电导率测试仪硬件结构图624系统软件流程图7第三章系统硬件介绍及电路原理831AT89C51单片机特性及管脚接线介绍8311AT89C51性能介绍8312AT89C51主要接线介绍9313振荡器特性10314芯片擦除11315C51单片机处理器状态11316C51单片机的中断系统11317AT89C51最小系统1232温度部分的选择12321温度传感器的选择12323模拟开关电路13324A/D转换器和ADC0809简介14325MCS51单片机控制ADC的工作过程15326温度检测电路1633电导率测量部分16331电导率测试仪的工作原理1634方波激励电路的设计1735键盘和显示部分193518155H简介19352按键部分20353显示部分21354键盘和显示部分电路图2236电源电路2237报警电路设计2338看门狗电路设计24第四章温度补偿2541铂热电阻与R/V转换2542自动温度补偿电路2643其他温度补偿电路应用2844结束语29第五章系统软件设计2951软件设计背景2952应用程序设计2953程序流程图30531主程序流程图30532报警程序流程图31533键盘及显示程序流程图32总结33致谢34参考文献35第一章绪论11课题研究的目的及意义电导率仪是一种应用很广泛的测量仪器。无论是工业、农业的生产部门，还是科研部门都有应用。随着微电子工业清洗处理、饮用纯净水、药用蒸馏水、生物制品用水、动力锅炉以及大型发电机组冷却用水的需求量的急剧增加，越来越多的产品、技术开始对介质的导电性能、成分等特性要求给出准确的分析和评价，而且在实时性、准确度等方面提出了更高的要求。对于纯硬件结构的仪表在不同条件下需要人工多次调整才能使用的问题，不仅影响了生产效率，而且增加了维护成本。随着国内外电导率仪的发展，迫切需要检定项目完备、高精度的电导率检定装置来用于日常检定工作，而智能电导率测试仪不仅精度高，维护简单、成本低等优点而且它与传统的电导仪相比更具有价格低廉，在一定的测量范围内不需分档、操作简单、误差自动补偿、数字显示等优点。所以，实用的智能电导率测试仪的研发与应用就应允而出。近20年来,由于微电子学技术的进步以及计算机应用的日益广泛,智能化测量控制仪器仪表已经取得了巨大的进展，从技术背景上来说,归功于硬件集成电路的不断发展。智能电导率测试仪是先进的电子技术、传感器技术和软件设计技术的完美结合。它可用于高精度测量水溶液的PH、ORP、电导率、TDS、盐度、电阻率和温度等参数，是性价比最优的水质分析仪器。更适用于工矿企、农牧、石油、化工、冶金、酿造、制药、质检、科研、电厂及医疗卫生、安全防护、水处理工程和环保等行业和不猛实验室对溶液的PH、PX1、PX2、MV、S值以及温度值进行分析测定。12课题研究背景及国内外研究现状随着环境污染的日趋严重和污水处理技术的发展，水质监测在现代工业生产中的地位也就日趋重要。目前监测污水中的COD,NH3，N和PH值的主要方式有分光光度法、原子色谱法、荧光法、电导率法等。前三种方法通过污水对光谱的吸收和折射估算污水的溶质和浓度，因其能达到一定的测量精度要求，近两年来发展迅速，但是他们需手工作业且检测时间长，仪器操作复杂，监测成本高的缺点，所以电导率检测法仍是目前工业生产中水质监测的主要方法。因其具有历史悠久，工艺完美，数据稳定，简便易行的优点，占据了水质检测的重要地位。然而传统的电导率检测仪由于精度低，智能化程度不高，近年来一直没有新的进展。近年来国内也涌现出许多智能电导率测试仪的生产厂家，他们研制的智能型电导仪电导计，创新的内置温度补偿功能，可调范围050/，当选择0/的温度校正系数，可以进行无温度补偿的电导值显示，并且宽温度补偿范围为050。测试仪内部采用长寿命的碳电极作为微处理器，确保能高精度的提供特殊功能及特性。对比可调节的超大LCD显示适于不同的观察角度，双显示器可同时显示电导值及温度。坚固耐用的外壳增加了设备的稳定性和耐用性。并提供自动开、关机功能以节省电源和方便使用，内置微处理器芯片，具有自动校准、自动温度补偿、数据储存、功能设置、自诊断信息和低电压显示等智能化功能。现阶段的智能电阻率测试仪应用很广泛包括水处理，水产养殖，食品加工，冲印，实验室，造纸业，品质控制等应用途径。但由于技术不全面、元件使用规格不协调等原因导致测量测试的结果均存在一定误差，但总体比较精确度还是能够达到国际标准。现在国际上有三个系列的标准缓冲溶液可以选择欧美系列、NIST系列和中国系列。三个系列均可设置纯水PH值测量模式和加氨纯水PH值测量模式。对这二种特殊的PH值测量模式，不仅有常规的斜率补偿，还有溶液PH值的非线性温度补偿，大大提高了测量的准确度，特别适合电力、石化等行业使用。国内、外许多著名公司都相继开发了相应的产品。国外产品的价格明显偏高,如美国的1054B电导率分析仪离岸价为1600美元,不适于量大面积的使用。国内产品采用纯硬件结构,对影响测量结果的介质温度只能作分段象征性的补偿,效果不好、准确度低、稳定性差。随着智能化、数字化仪器仪表的发展，以及我国改革开放政策的深化，近年来我国引进了大批的国际上高水平的仪器仪表。这不仅对国内测量仪器的设计研制、元器件、生产工艺带来很大的冲击，更是对我国仪器仪表的设计理论和制造方法的巨大震动。仪器仪表是认识世界的重要工具，在人类科学探索与生产活动中，仪器仪表工业的逐渐发展已成为了一种新型产业。同时仪器仪表工业的发展是随着社会、科学的进步而发展的，也代表着一个国家科技发展的水平。我国的仪器仪表工业已具有相当规模，是有一定实力的高技术产业，部分产品也已达到国际先进水平。但从总体上看，基础还是比较落后的，产品的质量、可靠性较差，品种与规格不全，至今有关稳定性和可靠性的标准尚无，而且很多标准从上世纪70年代制定以来，30年一直未变过，满足不了国民经济发展的要求，也制约了仪表工业的健康发展。13课题研究的主要内容电导率测试仪是通过测量电导率来确定溶液的粒子含量得，在电解质溶液中,带电的离子在电场的影响下,会产生移动而传递电子,因此具有导电作用。其导电能力的强弱称为电导度，电导度的大小也是电导率测试仪的主要测试内容，从而检测溶液中待测粒子的含量。电导率检测仪的系统结构由方波激励装置、电导池、运放环节、温度补偿环节、A/D转换和显示器等六个主要部分组成。系统中使用交流电以减少极化现象引起的误差，并引入了温度补偿环节以使测量出的数据更加精准。研制一种电导率仪,采用方波激励,并合理的选择取样点范围,尽量避免电极的极化现象和电缆线的分布电容（分布电容是指由非电容形态形成的一种分布参数。一般是指在印制板或其他形态的电路形式，在线与线之间、印制板的上下层之间形成的电容。这种电容的容量很小，但可能对电路形成一定的影响。）对电导率测量的影响,同时使用温度补偿电路来进行温度补偿,以减小温度对测量的影响。提高了整机的测量精度。硬件主要研究内容是以MCS51单片机和性能优良的大规模集成电路相结合的智能电导率测试仪，以满足加强整机功能，发挥一机多用、降低成本的目的。主要涉及的设计包括温度测量电路，电导率测量电路，单片机外围电路，键盘显示电路，报警电路以及电导率温度补偿方法。系统统的软件平台基于C51系列单片机和相关的单片机仿真调试软件系统，使用中断控制多路选择开关、A/D转换和驱动LED显示，并且计算温度补偿和电导率值。要功能是（1）能对水质情况进行检测，提供的检测参数是电导率和温度值作为故障诊断依据；（2）记录电导率运行数据，判断其工作状况并对异常情况及时报警，并提供报警数据；（3）在企业网内对水质的运行实现远程监控也分析。第二章系统总体设计方案21主要技术指标我们在智能型电导监测仪电计部分的设计中,将电导池看作电导检测电路中的一个输入电阻。电导率检测仪是通过测量溶液电导率，既溶液中电解质导电能力强弱程度来进行检测和监控的。具体技术指标要求如下1将温度传感器与电导池电极连在一起,介质温度在0120范围内,用软件对被测水溶液的电导率进行全自动温度补偿,补偿为0120。2仪器的通道测量范围为020S/CM，使仪器能用于水处理的过程检测。3仪器系统的稳定性要求在20001/24H。4仪器的测量时间间隔在100MS，并用000020000的发光二极管显示。5要求有控制模块，并且控制方式为位式ON/OFF带回差。6输出信号为DC420MA。7受电极制造精度的限制,我们在设计中将两个通道的电导率测量精度定为10级，既为满量程1。8通信方式为RS232串行通讯，波特率在3009600BPS间自由设定。22系统总体方案论证本系统以一个MCS51单片机为核心，辅以电导率测量电路、温度检测电路以及一些必要的外围辅助电路来实现对溶液中电导率的检测，外围电路电源均由单片机统一控制管理。检测电导池中的粒子含量并记录下来作为系统的主要功能，其主要模块除单片机控制部分外，还有温度检测，电导率检测，键盘控制电路，数码显示，报警电路和电源电路等。1本设计采用AD590芯片为核心进行温度检测。AD590的测量范围为55150，满足设计要求范围，并且AD590可测量测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，且其精度高，价格低，不需辅助电源，线性好，所以用于本仪器设计中。2方波产生电路是一种能够直接产生方波或矩形波的非正弦信号发生电路，因为方波或矩形波包含极其丰富的谐波信号，因此，这种电路又称作为多谐振荡器电路。因此本次设计我采用的是双向限幅方波发生电路。3由于仪器要求测量范围为020S/CM，即电导率的范围。本设备采用电阻交流分压法，由于本测量方式设计许多测量指数，具体内容及计算方法在下面介绍测量电路设计章节中给出，这里只简单给出测量原理图。图21电导率测量原理图图22电导率测量电路图图23自动温度补偿电路原理图（1）温度补偿方法采用铂热电阻与R/V转换。利用集成运算放大器和铂热电阻可以构成自动温度补偿电路，铂热电阻的工作原理是将温度的变化转化为电阻的变化。激励信号放大采样处理数据显示673U4OP05GRFDNI/VK（2）模拟开关电路是由选用CMOS单端8通道多路开关CD4051和选用带三态门控制输出的8D锁存器74LS373所构成的通道切换电路。（3）本次设计方案使用STC89C51单片机芯片，A/D转换电路使用AD0809芯片，显示装置则用八字管显示电路，键盘控制电路采用8155H扩展键盘，电源是由LM7805构成的5V电压源。（4）报警电路使用压电式蜂鸣报警装置，看门狗电路由MAX690为核心芯片构成。23电导率测试仪硬件结构图电导率测试仪硬件结构图如图21所示。图21电导率测试仪硬件结构图滤波器电压跟随器电导测量电路多路选择开关A/D转换器信号放大器方波激励电路温度测量电路MCS51单片机键盘控制数码显示24系统软件流程图系统软件流程图如图22所示。图22系统软件流程图YYN时钟脉冲触发A/D转换A/D转换结束单片机读取结果计算电导率数值显示输出变量和端口初始化时钟信号正半周期多路选择开关选择电导率通道多路选择开关选择温度通道开始第三章系统硬件介绍及电路原理31AT89C51单片机特性及管脚接线介绍针对一定的用途，恰当的选择所使用的单片机是非常重要的。对于明确的应用对象，选择功能过少的单片机，无法完成控制任务；选择功能过强的单片机，又会造成资源浪费，使产品的性能价格比下降。单片机是整个系统的核心，对整个系统起到控制、管理的重要作用，并进行复杂的信息处理，产生测试、运行、管理信号及控制整个检测的过程。单片机应用于各种系统中，而现在市面上的单片机种类型号又很多很复杂。所以在本系统中，选择单片机时，参考了以下标准（1）可用性。指单片机是否能很容易地开发和利用，具体包括是否有合适的开发工具，是否适合于大批量生产、性能价格比，是否有充足的资源，是否有现成的技术资源等。（2）单片机内部资源。单片机的内部存储资源越多，系统外接的部件就越少，这可提高系统的许多有用的技术指标。（3）运行速度。单片机运行速度一般和系统匹配即可。（4）存储空间。单片机内部存储器的容量，外部可以扩展的存储器空间。（5）特殊功能。一般指可靠性、功耗、掉电保护、故障监视等。311AT89C51性能介绍从硬件角度来看，与MCS51指令完全兼容的新一代AT89CXX系列单片机，比在片外加EPROM才能使用的80312代单片机，其抗干扰性能强，性能相当但功耗小。程序修改直接用5伏或12伏电源擦除，更显方便、而且其工作电压放宽至27伏6伏，因而受电压波动的影响更小，而且4K的程序存储器完全能满足单片机系统的软件要求。故AT89C51单片机是构造本检测系统的更理想的选择。本系统选用的AT89C51单片机，其功能特性如下（1）4K字节可编程闪速程序存储器；1000次循环写/擦。（2）全静态工作0HZ24MHZ。（3）三级程序存储器锁定。（4）1288位内部数据存储器，32条可编程I/O线。（5）两个十六位定时器/计数器，六个中断源。（6）可编程串行通道，低功耗闲置和掉电模式。该器件采用ATMEL的高密度非易失性的存储器工艺，并且可以与工业标准的MCS51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU与闪速式存储器组合在单个芯片中，AT89C51是一种很高效的微控制器，为很多嵌入式系统提供了高灵活性且相对价廉的设计方案。312AT89C51主要接线介绍89C51管脚图31所示图3189C51管脚图VCC供电电压。GND接地端。RST复位输入端。当振荡器复位时，要保持RST管脚两个机器周期的高电平时间。P0口P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，每脚可吸收8个TTL逻辑门电流。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在FLASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0口为输出原码，此时P0口外部必须被拉高。P1口P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收和输出4个TTL逻辑门电流。P1口管脚写入“1”后，被内部上拉为高电平，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流。在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。P2口P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O接口，P2口缓冲器可接收、输出4个TTL逻辑门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输出时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口则输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其内部特殊功能寄存器内的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收、输出4个TTL逻辑门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部电阻上拉为高电平，并用作输入口。作为输入，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。P3口同时也可为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。ALE/ERRORALE引脚输出的为抵制锁存允许信号，当单片机上电正常工作后，ALE引脚不断输出正脉冲信号。当单片机访问外部储存器时，ALE舒小虎信号的负跳沿用于单片机发出的低8位地址经外部锁存器锁存的锁存控制信号。及时不访问外部锁存器，ALE端口仍有正脉冲信号输出，次频率为时钟振荡器频率的六分之一。如果想初步判断单片机芯片的好坏，可用示波器查看ALE端口是否有正脉冲信号输出。如果有脉冲信号输出，则单片机基本上是好使的。ERROR为本引脚的第二功能。在对片内EPROM型单片机编程写入时，此引脚作为编程脉冲输入端。ERROR本端口为外部程序存储器的选通信号。当由外部程序存储器取值期间，每个机器周期有两次有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将不会出现。ERROR/VPP功能为内外程序储存器选通控制端。当ERROR保持低电平时，在此期间只访问外部程序存储器（0000H0FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，ERROR将内部锁定为RESET；当ERROR端保持高电平时，此期间访问内部程序存储器。XTAL1反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。该端口应接外部晶体的一个引脚，该引脚内部是一个反相放大器的输入端，这个反相放大器构成了片内振荡器，如果采用外接晶体振荡器时，此引脚应接地。XTAL2接外部晶体的另一端，在该引脚内部接来自内部反向振荡器的输出。若采用外部时钟振荡器时，该引脚接收时钟振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入。313振荡器特性XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器，石英晶体振荡和陶瓷振荡均可使用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。外接石英晶体或陶瓷谐振器及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中，则构成并联振荡电路。对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求，但电容的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性。如果使用石英晶体，推荐电容使用30PF10PF的，而如果使用陶瓷谐振器建议选择40PF10PF大小的。由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后，作为内部时钟信号的。所以对外部时钟信号的占空比并没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。314芯片擦除整个PEROM阵列和三个锁定位的擦除电信号可通过正确的控制信号组合而成，并保持ALE管脚处于低电平10MS来。在芯片擦除操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置下，CPU停止工作。但RAM、定时器、计数器、串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。315C51单片机处理器状态处理器的状态保存在状态寄存器PSW中，状态字中包括“进位”位，用于BCD码处理的辅助进位位，奇偶标志位，溢出标志位，还有前面提到的用于寄存器组选择的RS0和RS1，具体内容见表一。表一PSW结构功能表CYACF0RS1RS0OVUSRPCY进位标志位AC辅助进位标志位F0通用标志位RS1寄存器组选择位高位RS0寄存器组选择位低位OV溢出标志位USR用户定义标志位P奇偶标志位316C51单片机的中断系统MCS51单片机的中断系统有5个中断请求源，2个优先级，可以实现2级中断服务程序嵌套。用户可以用光中断指令“CLREA”来屏蔽所有的中断请求，也可以用开中断指令“SETEA”来允许CPU接收中断请求。每个中断源可以用软件独立地控制允许中断和关中断，每个中断源的中断级均可以用软件来控制。中断优先级，有标准的中断机制，低优先级的中断只能被高优先级的中断所中断，而高优先级的中断不能被低中断级中断。317AT89C51最小系统AT89C51的最小系统原理图如图312所示。图32AT89C51的最小系统原理图32温度部分的选择321温度传感器的选择温度传感器是本系统的关键器件之一，设计要求所测温度范围在0120，且由于测量的是溶液中介质的温度，所以要求选择能测量流体温度、非线性误差较小的温度传感器，且要求该芯片能够简便、准确地传送数据，所以采用新型的集成温度传感器AD590作为测温元件。同时，它有一致性好，容易互换，所需功率比较小，对电流电压及纹波漂移不敏感等优点。3211AD590的特性简介AD590是美国模拟器件公司生产的电流输出型集成温度传感器。实际中通过对电流的测量即可得到相应的温度数值。它的主要特性如下1流过器件的电流A等于器件所处环境的热力学温度度数IR/T1式中，IR流过器件AD590的电流，单位为MA；T热力学温度，单位为K；2AD590的测温范围为55150；保存温度65175；焊接温度300EVPX8RSWN4LCUMUF3AD590的电源电压范围为4V30V。工作电压可在4V6V范围变化，正向最大电压44V，反向最大电压20V，因而器件即使反接也不会被损坏。电流变化范围为1MA，相当于温度变化1K。4输出电阻为710M；5精度高，AD590在55150范围内，非线性误差仅为03。图33AD590的封装图3222AD590基本工作原理现代的温度温度传感器都将恒流源、放大电路、补偿电路集成在一起做成集成温度传感器。AD590是温度电流型传感器，适于长线传输、远距离测温，并且它不像电压传输那样会因传输线内阻的存在而引起电压衰减。安装时，将其封装在护套内并直接插入电导池中，采用带屏蔽的双绞线将电流引出与AD590集成温度传感器接口电路相连即可。3223AD590的基本应用AD590可以测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的器件，广泛应用于不同的温度控制场合。由于AD590精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的冷端补偿。323模拟开关电路本次设计选用CMOS单端8通道多路开关CD4051，它带有三个通道选择输入端口A、B、C和一个禁止输入端INH。当INH“1”时，所有通道均断开，禁止模拟量输入；当INH“0”时，A、B、C用来选择8个通道中的一个，使之被选通。由于A/D转换器的转换时间比较长，在转换期间应保持CD4051的A、B、C信号保持不变，否则将得到错误的结果。因此可利用锁存器锁存将A、B、C信号锁存。本设计选用带三态门控制输出的8D锁存器74LS373作为CD4051的地址锁存。74LS373的数据输入端为D7D0，数据输出端为Q7Q0。并设有一个选通端LE，当LE“1”时，数据输出端与输入端直通相连；而当LE“0”时，数据输出端与输入端断开，即在选通端LE的下降沿将数据锁存。本设计将选通端LE与单片机的口线P15相连，控制74LS373的数据输出，最终达到控制模拟量输入通道的目的。模拟开关电路如图所示，传感器输出的模拟量电压将接到模拟开关的输入端I/00I/07，哪一路送到A/D转换器由74LS373的输出Q0Q2决定，而Q0Q2的值则由单片机的P07控制，在P07的下降沿将数据锁存到Q0Q2。图34输入通道切换电路324A/D转换器和ADC0809简介3241A/D转换器A/D转换器概述A/D转换器的作用是把模拟量转换成数字量，以便于计算机进行处理。随着超大规模集成电路技术的发展，A/D转换器的设计思想和制造技术日新月异。为满足各种不同的检测及控制任务的需要，大量结构不同、性能各异的A/D转换芯片应运而生。A/D转换器的分类根据A/D转换器的原理可将A/D转换器分为两大类第一类是直线型A/D转换器，另一类是间接型A/D转换器。在直接型A/D转换器中，输入的模拟电压被直接转换成数字代码，不经任何其他中间变量；在间接型A/D转换器中，首先把输入的模拟电压转换成某种中间变量（如时间、频率、脉冲宽度等），然后再把这个中间变量转换成数字代码输出。A/D转换器的主要技术指标（1）转换时间和转换率。转换时间就是A/D完成一次转换所需要的时间。转换时间的倒数为转换速率。并行式A/D转换器的转换时间最短约为20NS50NS，速率大约为51072107次/S；双极性逐次比较式的转换时间约为04S，速率为25106次/S。（2）分辨率。A/D转换器的分辨率习惯上用输出二进制位数或BCD码的位数表示。而由于量化过程引起的误差为量化误差，量化误差是由于优先位数字量化对模VDAB0C9I/O345MENHUQ8LGSP拟量进行量化而引起的误差。量化误差理论上规定为1个单位分辨率的LSB，12提高分辨率可以有效地减少量化误差。（3）转换精度。A/D转换器的转换精度是定义为一个实际的A/D转换器与一个理想的A/D转换器在量化数值上的差值。通常情况下可以用绝对误差或相对误差来表示。3242ADC0809简介ADC0809是一种主次比较式8位模拟输入、8位数字量输出的A/D转换器。其主要引脚功能如下（1）IN0IN7是8位模拟信号输入端。（2）D0D7是8位数字量输出端。（3）A、B、C与ALE共同控制8路模拟通道的切换，A、B、C分别于3根地址线或数据线相连接，3位编码对应8个通道地址端口。CBA000111分别对应IN0IN7通道地址。ADC0809虽然有8路模拟通道可以同时输入8路模拟信号，但每个瞬间只能转换1路，各路之间的切换由软件控制改变C、B、A引脚上的代码来实现。（4）OE、START、CLK为控制信号端，其中OE为输出允许端，START为启动信号输入端，CLK为时钟信号输入端。A/D转换原理ADC0809是采用逐次比较的方法完成A/D转换的，由单一的5V电源供电。片内有锁存功能的8选1的模拟开关，由C、B、A引脚的编码来决定所选的通道。ADC0809完成一次转换需要的时间在100US左右，输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接连接到MCS51的数据总线上。通过适当的外接电路，0809可对05V的模拟信号进行转换。325MCS51单片机控制ADC的工作过程首先利用指令选择0809的一个模拟输入通道，当执行MOVXDPTR,A指令时，单片机的ERROR信号有效，从而产生一个启动信号并给0809的START引脚送入脉冲信号，开始对选中通道进行转换。当转换结束后，0809发出转换结束的EOC（高电平）信号，该信号可供单片机查询，也可反相作为向单片机发出的中断请求信号；当执行MOVXA,DPTR指令时，单片机发出读控制ERROR信号,OE端有高电平，且把经过0809转换完毕的数字量读入到A累加器中。由上述可见，单片机控制ADC时，可采用查询和中断控制这两种方式。查询方式是在单片机把启动信号送到ADC之后，在执行别的程序时，同时对0809的EOC引脚状态进行查询，以检查ADC变换是否已结束，如查询到变换已经结束，则读入转换完毕的数据。中断查询方式是在将启动信号送到ADC之后，单片机执行别的程序的方式。ADC0809转换结束并向单片机发送中断请求信号时，单片机响应此中断请求，并进入中断服务程序，读入转换数据。中断控制方式的效率高，所以特别适合于变换时间较长的ADC。326温度检测电路本实验是通过利用温度传感器AD590采集温度信息后,OP07作为温度检测装置，将采集的温度信号进过I/V变换，输出毫安级电压，再经过一个电压跟随器、一个10倍的运算放大器，和一个1倍的运算放大器后，再输入ADC0809中进行处理，利用AD0809作为模拟量信号转换装置，然后将转换后的信息逐一送达至AT89C51单片机中。温度检测电路如图35所示。图35温度检测系统原理图33电导率测量部分331电导率测试仪的工作原理电导率检测法主要是通过测量溶液的电导率值来确定溶液的含盐量或其他粒子含量等数值。电解质溶液导电能力的强弱称为电导（S），电极常数为（Q），与电导率（K）有如下关系S1/RI/UA/K/Q式中R为溶液的等效电阻；A为等效电极面积（CM2）；L为等效电极间距（CM）；Q为电极常数，大小等于L/A；1/为电导率，以K表示，习惯上以25为标准温度，将其他温度下的测量结果换算为25是的电导率。6713UOP04VGND859I/图36电导率测量部分电路图D1,D2是两个反向并联的二极管，其作用是将信号值限定在07V07V之间。U4是电压跟随器，G1为电导池，采用无极式传感器，主线圈通入电流，根据电磁感应原理，在副线圈中得到与溶液电导率成正比的感应电动势。在测量时，线圈附近会产生的电动势，会使电导池中的带点粒子产生运动，所以可以将电导池看成具有一定阻值的等效电阻，再利用一定就算方法就可以算出粒子的含量，即为设计所要测得的含盐量。34方波激励电路的设计方波产生电路是一种能够直接产生方波或矩形波的非正弦信号发生电路，因为方波或矩形波包含极其丰富的谐波信号，因此，这种电路又称作为多谐振荡器电路。它是在迟滞比较器的基础上增加了一个由RF、C组成的积分电路，把输入端引入限流电阻R和两个背靠背的双向稳压管就组成了一个双向限幅方波发生电路。图37双向限幅的方波产生电路由图可知，电路的正反馈系数F为67123U4OP05GDNI/VV9C1415141在接通电源的瞬间，输出电压究竟偏向于正向饱和还是负向饱和，都不是特定出现的。设输出电压偏向于正向饱和值，即时，加到电压比较器同相端的0电压为F，而加于反相端的电压，由于电容器C上的电压不能发生突变，只能由输出电压通过电阻按指数规律向电容C充电来建立。02图38电容器C充电情况如图所示，充电电流为。显然，当加到反相端的电压略正于F时，输出电压便立即从正饱和值迅速翻转到负饱和值，又通过对C进行反2向充电，直到略负于值时，输出状态再翻转过来，如此循环不已，形成一系列的方波输出。6713UOPVD54RF9GNVCT10TT/2TT2图39方波产生电路工作原理图图39画出了在一个方波的典型周期里，输出端及电容器C上的电压波形。设T0时，则在T/2的时间里，电容C上的电压将以指数规律由向方向变化，电容器端电压随时间变化规律为3111设T为方波的周期，当TT/2时，代入上式，可得（221132对T求解，可得22LN1122LN22141533如适当选取R14和R15的值，可是F0462，则振荡周期可简化为T，或振荡频率为22341122在低频范围（如10HZ10KHZ）内，对于固定频率来说用运放来组成图38运放就行。当振荡频率较高时，为了获得前后沿较陡的方波，以选择转换速率较高的集成电压比较器代替运放为宜。35键盘和显示部分3518155H简介AD03456789ERWIO/MLUNSPBH图3108155H的引脚结构框图8155H芯片内包含有256B的RAM储存器（静态），RAM的存取时间为400NS。两个可编程的8位并行口PA、PB，一个可编程的6位并行口PC，以及一个14位减法定时器/计数器。PA、PB口可工作于基本输入/输出方式或选通输入/输出方式。8155H可以直接与单片机相连，不需要增加任何硬件逻辑，且8155H既有IO口又具有RAM和定时/计数器。功能引脚如下（1）AD7AD0为地址/数据线，与MCS51的P0口相连。（2）PA7PA0、PB7PB0是通用I/O口线，用于传送A、B口上的外数据。PC5设PC0为数据/控制线，用作传输I/O数据。（3）控制总线,RESET、ERROR、IO/ERROR、ERROR、ERROR、ALE、TIMERIN和ERROR。（4）电源线VCC为5V电源输入线，VSS接地。352按键部分用的是44矩阵，只设有16个键，分别为09数字键、确认、返回、REST和停止报警键。键盘排列如图311所示。图31144键盘排列键盘的工作原理矩阵44键盘结构的行线通过电阻接5V，当键盘上没有键闭合时，所有的行线和列线断开，行线X0X3呈现高电平。当键盘上某一个键闭合的时候，该键盘对应的行线与列线导通。例如，6号键闭合时，行线X1和列线Y2短路，此时X1的电平由Y2的电平决定，如果把行线接到微机的输入口，列线接到微机的输出口，则在微机的控制下，使列线Y0为低电平（0），其余三根列线Y1、Y2、Y3都为高148返回37确认260停止报警复位95电平。然后微机通过输出口读行线的状态，如果X0，X1、X2、X3都为高电平，则Y0这一列上没有键闭合，如果读出的列线状态不全为高电平，则为低电平的行线和Y0相交的键处于闭合状态；如果Y0这一列上没有键闭合，接着使列线Y1为低电平，其余列线为高电平。用同样的方法检查Y1这一列上由无键闭合，以此类推，最后使列线Y3位低电平，其余列线为高电平，检查Y3这一列上是否有键闭合。这种逐行逐列地检查键盘状态的过程称为对键盘的一次扫描。CPU对键盘扫描可以采取程序控制的随机方式，CPU在空闲时扫描键盘，也可以采用定时控制的方式，每隔一段时间，CPU队键盘扫描一次，CPU可随时响应键输入请求。也可以采用中断方式，当键盘上有键闭合时，向CUP请求中断，CPU相应键盘输入终端请求，对键盘扫描，以识别那一个键处于闭合状态，并对键输入信息做出相应处理。CPU对键盘上闭合键键号的确定，可根据行线和列线的状态计算求得，也可以根据行线和列线状态查表求得。353显示部分单片机应用系统中，通常都需要进行人机对话。这包括人对应用系统的状态干预与数据输入，以及向人们显示运行状态与运行结果等。显示器、键盘就是用来完成人机对话活动的机通道。由于单片机的并行口不能直接驱动LED显示器，必须采用专用的驱动电路芯片。使之产生足够大的电流，显示器才能正常工作。如果驱动电路能力差，即负载能力不够，显示器亮度就低，而且驱动电路长期在超负荷下运行容易损坏。LED显示器的显示控制方式有静态和动态两，若选择静态显示，则LED驱动器选择较为简单，只要驱动器的驱动能力与显示器电流匹配即可，而且一般只需考虑段的驱动；动态显示则不同，由于一位数据的显示是由段和位选信号共同配合完成的，因此，要同时考虑段和位的驱动能力，而且段的驱动能力决定位的驱动能力。图311LED数码管K1F2G3E4D56C8DP7B9A0SPYAMRC1LED显示器的选择在应用系统中，设计要求不同，使用的LED显示器的位数也不相同，因此生产厂家生产了多种位数、尺寸、型号不同的LED显示器。考虑到最高滴速和从站号位数，在本系统设计中选择了单位的LED显示器。354键盘和显示部分电路图键盘及显示部分电路图如图312所示。图312键盘及显示部分电路图36电源电路12V直流电压源如图313所示。5V直流电压源如图314所示。图31312V直流电压源AD0123456789CERWIO/MLTUNSPBHKFGEDCBAPYMRVKFGINOUT图3145V直流电压源电源电压器是将交流电网220V的电压变为电路所需要的电压值。交流电经过二极管整流之后，方向单一了，但是大小（电流强度）还是处在不断地变化之中。这种脉动电流一般是不能直接用来给集成电路供电的，而要通过整流电路将交流电变成脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的直流电压。滤波的任务，就是把整流器输出电压中的波动成分尽可能地减少，改造成接近稳恒的直流电。但这样的电压还随电网电压波动，负载和温度的变化而变化，因而在整流、滤波电路之后，还需要接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动，负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。系统所用直流电压源有三端集成稳压器组成的串联型直流稳压电源提供。设计中选用LM7805、LM7812、LM7912三端集成稳压器。变压器将220V市电降压后再通过整流桥之后采用了大容量的电解电容进行滤波，以减小输出电压纹波。由于电解电容器在高频下工作存在电感特性，对于来自电源侧的高频干扰不能抑制，因此在整流电路后加入高频电容改善纹波。电源电路如图所示。37报警电路设计压电式蜂鸣报警器与单片机的接口图如图315所示。UDLE1KR器VCGNP2TRANS50UF43IOT78图315压电式蜂鸣报警器与单片机的接口图压电式蜂鸣报警器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。当接通电源后多路谐振器起振，输出1525KHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制成。在陶瓷片的两面镀上银电极，经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈钢粘在一起。38看门狗电路设计图316MCS51与看门狗电路NCS51与看门狗电路设计如图316所示。合理设计R8、R9的值，使得5V电压跌落到45V，PEI端得输入电压低于125V时，ERROR输输出低电平，作为CPU的中断输入信号通知单片机，使之进行一些必要的处理。选取R81K,R936K。当5V电压跌落到45V，VR125V,在继续跌落，ERROR引脚便为低电平。单片机正常工作时，P06口定时改变WDI输入端得电平，使看门狗电路不发出复位信号。当由于某种严重干扰而出现死循环时，单片机将不能定期改变WDI端电平，看门狗便会在16S后产生1个复位信号，是单片机复位。待经过200MS复位脉冲后，单片机复位结束，程序从0000H开始重新执行，摆脱死循环，保证了系统的正常的运转。23U74F08VCGNDRESTPO5WI6BAMX9K第四章温度补偿温度对溶液电导率有很大的影响,溶液温度升高,离子水化作用就会减弱，溶液粘度降低,离子运动阻力减小、离子的定向运动加快，因而使溶液的电导率增大反之,溶液温度下降,电导率则会减小。工业上以溶液温度25时的电导率为该溶液的电导率,所以其他温度下所测的值必须转换到25时的值,不同物质、不同温度都有不同的对应电导率值。在工业生产过程自动化系统中,在线使用的分析仪器通常需要解决温度补偿问题,他们多是采用人工调节控制,但人工调节即不准确,又不方便,因此,为确保仪器的测量精度,应采用自动温度补偿控制方法。41铂热电阻与R/V转换铂热电阻由于具有较好的稳定性,因而在线分析仪器一般采用它来获得自动温度补偿。铂热电阻的工作原理是将温度的变化转化为电阻的变化。图1表示出PT100铂热电阻在0100C范围内电阻值与温度的关系。图41PT100阻值与温度的关系正如我们所了解的那样，R/V转换电路的任务是将电阻的变化RT转换成电压的变化UT,而且这种转换应该是线性的,即UTKRT，式中K转换系数,是常数。这个功能是很容易实现的,只要在铂热电阻上流过恒定的电流I即可完成,即UTIRT，式中可见,只要流过铂热电阻的电流I为常数,电压的变化量UT就与铂热电阻阻值的变化量RT成线性关系。因此,R/V转换电路应该是恒流电路。42自动温度补偿电路利用集成运算放大器和铂热电阻可以构成自动温度补偿电路,其原理图为图43。图中U3为集成运算放大器，R12为PT100铂热电阻,其阻值随温度的变化而变化,VI为某在线分析仪器的检测信号,这一信号也随温度的变化而变化。图42表示，当在0