论文设计-盐度控制器系统设计.doc

毕业设计(论文)题 目： 盐度控制器设 学 生： 詹 飞 学院(系)：_电信学院 专业班级： 自动化1024班 指导教师： 刘 强 国 辅导教师： 刘 强 国 时 间： 至_ 一、前言根据大学本科毕业要求，本科毕业生在毕业时都要完成毕业项目设计，按照自动化专业本专业的要求，经本人结合个人学习特点，选定并经指导老师同意，决定选做本题盐度控制器的设计作为毕业设计科目。盐度控制器的设计整个系统涉及到电子电路，传感器电路，单片机等几大科目。根据指导导师的设计要求，本设计主体部分为盐度测量传感器部分电路的设计，再加上由于温度的影响，使测量出现误差，所以还必须加上温度补偿电路部分设计，其它部分电路设计不作过高要求。 盐度测量技术由电导测盐法代替了传统的化学滴定法，并研制出多种不同型式的盐度计，它们显示了各自的长处，目前，应用最广泛的是感应式盐度计和电极式盐度计。本装置根据电导法原理，以两根平行安置的圆柱状金属电极做探头，具有经济耐用、不易损坏的特点。由于盐度不同，电导率不同，从而探头两端电阻值不同，电桥将电阻的变化转换为输出电压的变化（或者采取串连电阻分压法），接着经放大和线性补偿后传给AD转换器，最后由MCS51单片机系统读出A/D转换值，经计算处理核算出盐度值，并驱动液晶显示器进行盐度数字显示，同时和门槛值比较后，决定系统的控制动作。二、盐度控制器系统设计1、设计任务与要求设计能较好地完成海水淡化的盐度控制系统。其原理示意11所示 。图11 设计应该包括的内容为1、盐度控制测量的原理2、系统整体设计框图3、控制电路图与控制原理4、温度传感器的选用及电路设计5、盐度传感器的选用及电路设计参数要求，要求设计出的盐度传感器测量范围在02010-6，分辨率为110-6，超过1510-6既报警；正常工作温度为3050。2、盐度控制器系统框图总体叙述本系统主要有四大部分组成，即盐度测量系统、温度控制系统、单片机处理系统、执行系统。其中盐度测量系统由以下电路组成，振荡器、传感器测量电路、放大电路、电桥整流电路、功放电路。道先整个系统由振荡器发出一个直流或交流信号送给盐度测量传感器电路，经测量由电桥转换得到一个测量信号再经放大电路加以放大整流再次加以放大，最后送入单片机处理。经单片机处理后的控制信号再送入执行机构进行盐度控制并同是送入显示器是路进行显示。同时也由于测量时温度的不同，所以可能导至测量出的盐度浓度数据不准确，从而影响盐度的控制，所以必须在测量系统基础上增加一个温度补偿控制系统，来补偿由于温度引起的误差，从而达到工业的控制要求。3、设计方案 盐度传感器电路的设计盐度传感器电路组成框图如下图12图所示。 图12盐度传感器整体原理图1、振荡器电路设计设计方案一振荡器电路用于产生一个电压和电流信号用于供给测量传感器电路信号的供给，此信号可以是一个直流电信号也可以设计成交流电信号，方案一可选用一由555振荡器电路产生一个方波信号作为传感器测量供给信号。其电路原理图如下图13所示图13-555振荡器电路555产生的方波信号由于是一个直流电信号，虽然能够供给测量传感器电路一个电信号，直流信号送到传感器电极上但由于直流电信号极性为单一方向的，由于电极常期放入盐水中，因此容易被氧化，从而传感器不能准确测量，甚至不能测量。所以必须加以改进，换用交流信号发生器，其设计如下示。 设计方案二由R-C元件选频网络和放大电路两部分组成的RC振荡电路一般用于产生1HZ1MHZ范围的低频信号，其电路原理图如下图14所示。 图14RC振荡器电路适当调整负反馈的强弱，使进入振荡时Av=1+Rt/R1的值略大于3，之后稳定时为3，其输出波形为正弦波。经查表运算放大器选用AD522为专门测量仪器使用运算放大器，其工作输入电源电压10V，输入电阻为109K相对输入电阻来说为无穷大，输出电阻为70100,其输出信号电压有效电压规定要求为Vom=10mv，输出频率规定要求为=1596HZ。其电路参数计算如下： 令f=0 a=0振荡频率与振荡波形 =1596HZ 和=0=Z1= R+ =Z2=由=1596HZ= R取10K得C=1596=997710-9F=997710-3F=0.00977F约取C1=C2=001F 由振荡器平衡条件AV3=1+Rf/R1=又由AV=1+3可得2 取Rf为67K，R1取33K又输出有效电压V1Om=10mv 得VOmmax=10mv=14.14mv2、传感器电桥电路设计设计方案一测量盐度的的敏感元件，可选用一盐度敏感电阻器件而不用两电极型式探头，将其放入盐液中时，其电阻值会随着盐度浓度的增加面增加（减小），再串联一分压电阻，最后从分压电阻两端取出电压信号送入放大电路进行放大，此电路设计的优点是结构简单，设计方便经济，其不足之处为电路输出灵敏度不高，分辨率低，使测量达不到测量要求，所以本次设计中不使用此电路。设计方案二 电导分析法电导分析法原理为电解质溶液的电导率是溶液是各种离子的总贡献，溶液的浓度和组成部分改变时，电导率随之改变，两者存在定量的关系。电导（G）既电阻的倒数，是衡量电解质溶液导电能力的物理量，单位为西门子（S）。电解质溶液的电导与与电导率（），电极面积（A）及两电极之间距离（L）关系为G= 以交流电桥作为传感器测量转换电路，其单臂工作电桥电路图如下图15所示图15-电桥电路。电桥中R1作为盐度测量部分，其设计原理如下，以R1为两电极放入盐水中，根据盐水的盐度浓度的改变不同其两电极间导电率也不同，从而使电极间的电阻值发生改变，引起输出电压信号的大小变化，再从分压电阻两端取出电压信号达到测量目的。对负载而言，既从输出端向电桥看去，电桥可等效为ZO与UO的串联，其参数计算如下。电桥输出内阻 ZO=（Z1/Z2）+（Z3/Z4）=+ 电桥开路输出电压为 U2O=U2i（-）=U2i 式1-1-1负载电流为IL= = （ZL为负载阻抗取500K，这就保证了传感器工作于交流小信号下，有效地防止了传感器电极的氧化电离。负载电压为UL= U2O 取ZLZO，故ULU2O=10mv电桥平衡（U2O=0）的条件为相对两臂阻抗乘积相等，既 Z1Z3Z2Z4当电桥工作时，此时为单臂工作，既电桥均接入电阻传感器，既Z1=R1+R1，且初始时，R1=0，Zi=Ri满足电桥平衡条件=n 式1-1-2当盐度值从0开始变化时，既被测量使电导式传感器电阻发生变化，Ri0，电桥输出电压，可由Zi=Ri+Ri代入上式1-1-1计算求得 式1-1-3将上式1-1-2代入，并考虑RiRi,且略去Ri的二阶微量,并化简得 式1-1-4 式1-1-5e称为电桥输出的非线性误差,因RiRi,故e1,忽略非线性误差e，并取n=1,化简得 式1-1-6 式1-1-7经查阅有关资料四桥臂电阻器选用R1初值为100正常工作温度为2080，当其测量时，线性段工作测量变化电阻值范围定为（510）.R2R4选用固定电阻器，分别各为100，工作于常温之下。测量时此时为单臂工作，电桥均接入电导传感器，既Z1=R1+R1，Z2=R2=R1=100，Z3=R3=R4=Z4=100，由上式1-1-6和式1-1-7得UO=Ui Ui=10mv电桥输出非线性误差e=其转换计算列举如下1、 刚开始假设盐度值为0，电导率没有发生变化，则R1=0，输出电压为0，此时和没有测量时读值均为02、 当盐度值发生变化，电导率增加，由G=得电阻减小， 取刚好使R1=5，测UO=Ui=10mv=0.125mv.3、 当盐度值达到饱和值时，电导率增加到最大，刚好使R1=10，测UO=Ui=10mv=025mv则测量电压信号的变化范围为0.125mv025mv将其分为20个小刻度值，因此电压信号值每发生000625mv的变化，就表示盐度值增加一个量级。从以上计算可知电桥单臂工作不足之处是灵敏度很低，输出信号只有输入信号的。3、放大电路设计放大电路设计 放大和滤波电路其电路图如下图1。6图所示，其工作原理为将上一级测量电桥电路送来的微弱电信号加以放大，再送入滤波电路进行滤波，使输出信号为一个平滑的信号，并且不出现纹波和二次及多次谐波，以便电路处于稳定工作状态。图16-放大滤波电路 问题分析由上级电桥输出电压信号有效值只有0.125mv025mv，必须经放大后才能送入整流电路进行整流，不可直截送入整流器整流，否则因输入的电信号太弱小而直截被整流二极管消耗掉，因为如果整流管选用的二极管为锗管则当两二极管导通正常工作时每个二极管管压降为0.1V，则最低要20.1V=0.2V.所以要使后面的电路能正常工作必须使整流器输入信号至少要放大到V级以上,所以放大器放大倍数至少要在10000倍以上,经查表选用运算放大器型号为LFT356型,其工作电压为10V,最大放大倍数为200,因此至少要串联两极及其以上。其电路中各参数计算如下由 AV= =1+ = 得 第一级放大100倍其放大电阻R1取10K,Rf取0.1K,第二级放大100倍其放大电阻R2取10K,Rf取0.1K这样经第一级放大，测量测量号工作电压为1.252.5V,足以驱动以后的电路工作.4、整流滤波电路设计几个参数概念纹波电压 指叠加在输出电压VO上的交流分量,一般为mv级,可将其放大后用示波器观测其峰峰值VOPP,也可以用交流电压表测量其有效值VO. 2.稳压系数 指在负载电流IO环境温度T不变的情况下,输入电压的相对变化引起输出电压的相对变化,既稳压系数 SV= IO=常数 T=常数整流二极管D1D4组成单相桥式整流电路，将输入的交流Vi变成脉动的直流电压Vo输出，再由滤波电容C滤除纹波，输出直流电压Vo与输入交流电压的有效值Vi的关系为Vo=（1112）Vi Vi取值1.252.5V 既Vo=1.3752.75V每只整流二极管承受的最大反向电压 VRM=Vo=2.753.0V通过每只二极管的平均电流 ID=IR= = 式中，R为整流滤波电路的负载电阻。它为电容器C提供放电回路，RC放电时间常数应满足RC（35）T/2 式中，T为50HZ交流电压的周期，既20ms,经以上分析和查表选用二极管为IN4001型号,其极限参数为二极管最大反向电压VRM50V,IF=1A,满足VRMVi,电路输出最大电流IOmax=1A,IF=IOmax的条件.整流器电路如下图1.7所示 图1.7整流滤波电路 滤波电容C可由纹波电压Vop-p和稳压系数Sv来确定。由以上设计知，Vi=1.252.5V Vo=1.3752.75V Vop-p =5mv,Sv=310-3 ,则由下式得稳压的输入电压变化量 Vi=由式得滤波电容 C=4二次放大电路设计 测量电信号经过以上放大电路的放大和滤波电路进波形整理，已成为一个很规则的直流脉冲信号了，再次加以放大，最后送入单片机A/D转换电路进行模/数转换进入单片机处理。这里放大不采用差分接法，而用减法电路实现放大，以便温度补偿电路接入单片机A/D转换芯片TLC0832的地端连接。由上级输出电压信号为1.3752.75V,要将其放大到单片机能处理的信号既其输出电压为512V以便单片机处理,则取R1=R2=1K,可变电阻最大值取Rf1=10K,R3=2K,可变电阻Rf2=1K,R4=1K,R5=10K,改变Rf2的大小可以改变输出信号电压幅度,其电路如下示5系统电路整体原理图系统电路整体原理图如下图1。7图所示第二部分温度电路部分的电路设计：1、设计任务与要求1、温度传感器选型2、要求完成温度传感器电路设计要求设计出能准确测量正常温度在2050时的温度值。2、温度测量电路总体叙述 经过以上盐度电路的设计，再来设计温度电路相对来说就很容易的了，温度电路首先给定一个输入信号，由不平衡电桥中的温度传感器对温度的感应从而输出一个温度测量电压信号，再加以放大，既可送入单片机进行处理。3、温度测量电路部分设计 输入用于提供测量电桥电路测量的电压信采用+5V直流信号，温度检测元件经查阅有关资料选用SJ19-MF52A型号，其有关参数及其各种特性如下SJ19-MF52型NTC热敏电阻器l 概述：MF52型热敏电阻器是采用新材料、新工艺生产的小体积的树脂包封型NTC热敏电阻器，具有高精度和快速反应等优点。l MF52型NTC热敏电阻器 MF52器件实图l 应用范围：本系列适用于空调设备、暖气设备、电子体温计、液位传感器、汽车电子、电子台历。* 特点：1.测试精度高;2.体积小、反应速度快;3.能长时间稳定工作;4.互换性、一致性好.* 产品代码说明： 滴珠状NTC热敏电阻器 E：环氧树脂包封 S：硅树脂包封 标称电阻值R25 10K-103 电阻误差 F：1% G：2% H：30% J：5% K：10% L：B25/50 H：B25/85 T：特殊温度范围 B值：347：3470 338：3380 取前三位* 外型尺寸(mm)：l 产品规格表注:1. 电阻值误差: F：1% G：2% H：3% J：5% K：10% 。2. B值（25/50oC）误差： 对于标称电阻值精度为1%的， B值对应误差为1%，其余B值误差均为2%。* 注意事项1、由于MF52系列体积较小、焊点小、引线两端不能承受过大拉力。2、焊接时，请距离引线根部5mm处焊接， 焊接时间尽量短。3、MF52E系列热敏电阻器不能直接在水中使用由以以上可知温度传感器SJ19-MF52A型号标称电阻值100-10K，则电桥中R1选择为5.1 K,R2为5.1 K,R3为7.5 K.4、放大电路及其输出电路设计运算放大器选用CA324型号,R4、 R5选为K,R6、R7选为1m,运算放大器为供电电源,滤波电容器选为1000uF,可调电阻器Rf 选用1K,R8为1K,R9为4.3K,稳压二极管选用D4148型号,经以上各元件参数的选定,其整体电路图如下图示,第三部分A/D转换电路及单片机应用电路设计,A/D转换电路整体描述A/D转换器（ADC）是将上级测量电路输出的模拟信号转换成数字信号的电路,从而以供单片进行处理.机常用集成ADC芯片来完成转换的目的.一、 A/D转换的基本概念 A/D转换过程包括取样、保持、量化和编码4个步骤，一般，前2个步骤在取样-保持电路中1次性完成，后2个步骤在A/D转换电路中1次性完成。1取样和取样定理我们知道，要确定（表示）1条曲线，理论上应当用无穷多个点，但有时却并非如此。比如1条直线，取2个点即可。对于曲线，只是多取几个点而已。将连续变化的模拟信号用多个时间点上的信号值来表示称为取样，取样点上的信号值称为样点值，样点值的全体称为原信号的取样信号。 取样时间可以是等间隔的，也可以自适应非等时间间隔取样。问题是：对于频率为f的信号，应当取多少个点，或者更准确地说应当用多高的频率进行取样？取样定理将回答这个问题： 只要取样频率fS大于等于模拟信号中的最高频率fmax的2倍，利用理想滤波器即可无失真地将取样信号恢复为原来的模拟信号。这就是说，对于1个正弦信号，每个周期只要取2个样点值即可，条件是必须用理想滤波器复原信号。这就是著名的山农（Shannon）取样定理，用公式表示即为（12.1-1）在工程上，一般取。2取样-保持 取样后的样点值必须保存下来，并在取样脉冲结束之后到下1个取样脉冲到来之前保持不变，以便ADC电路在此期间内将该样点值转换成数字量，这就是所谓取样-保持。 常用的取样-保持电路芯片有LF198等，其保持原理主要是依赖于电容器C上的电压不能突变而实现保持功能的。3量化与编码 注意，取样保持后的样点值仍是连续的模拟信号，为了用数字量表示，必须将其化成某个最小数量单位的整数倍。比如取样保持后的电压值为10V，如果以“1V”为最小数量单位，转换成的数字就是10；如果以“1mV”为单位，转换成的数字就是10000；这个化模拟量为数字量的过程称为量化。有只舍不入式量化和有舍有入式量化2种。 转换之后的数字可以用10进制表示（如上述的“10”），也可以用2进制数表示（如“1010”），或用BCD码表示（如“0001 0000”）等，这就是所谓编码。一般多用2进制码。二、ADC的主要性能参数及芯片选用 ADC的性能参数主要有转换精度和转换速度等。转换精度常用分辨率和转换误差来表示。 （1）分辨率分辨率是A/D转换器能够分辨最小信号的能力，一般用输出的2进制位数来表示。如ADC0809的分辨率为8位，表明它能分辨满量程输入的1/28。 （2）转换误差转换误差是转换结果相对于理论值的误差，常用LSB的倍数表示，如AD571的转换误差LSB等。 （3）转换速度转换速度是完成1次A/D转换所需的时间，故又称为转换时间。它是A/D转换启动时刻起到输出端输出稳定的数字信号止所经历的时间。选用ADC芯片的主要依据是上述参数，此外还要注意其它一些特性，如输入通道数（即A/D转换路数）、输出方式，其中包括输出编码方式（如2进制码、BCD码、7段显示译码）、输出逻辑电平（CMOS、LSTTL）与微机接口能力等。三、 常用ADC芯片目前，常见的A/D转换器的有效位数有4、6、8、10、12、14、16位以及BCD码输出的位、位和位等多种；转换速度有低速（1s）、中速（1ms）、高速（1s）和超高速（1ns）等；就芯片组成而言，有些芯片不但包括ADC基本电路，还包括多路转换开关、时钟电路、基准电压源或210转换器等，功能更加齐全。表12.3-1中给出了部分ADC芯片的一些特征参数，从中可了解当前ADC芯片的状况，并可供使用参考。型号位数电路类型主要参数注ADC08048CMOS逐次逼近单电源供电1路8位2进制代码输出ADC08098CMOS逐次逼近时钟频率=1.26MHz转换时间=100s转换误差1LSB内含8路数据选择器以便进行8路ADC8路8位2进制码LSTTL电平输出，28脚封装ADC08168CMOS逐次逼近VDD=5V（典型）转换时间=90114s时钟频率=101200（典型640）KHz16路8位2进制码40脚封装AD57110CMOS双积分VDD(+)=+5V、VDD()=15V转换误差1/2LSBAD755212+1符号位CMOS双积分时钟频率=250KHz转换时间=160ms转换误差1LSB2进制补码输出ADC ICL7106/7107ADC ICL7126/7127CMOS双积分VDD=15V(7106/26)VDD(+)=+6V，VDD(-)=-9V(7107/27)内有时钟（时钟可外接，亦可外接晶体或RC元件自激产生）建议钟频40、50、100、200KHz线性度0.2%1个字3位半7段译码输出7106/26驱动LCD7107/27驱动LED40脚封装MC14433（CC14433）CMOS双积分VDD=5V（典型），VEE=5V线性度0.05%1个字时钟频率=30300KHzBCD码输出24脚表1 常见ADC芯片通过以上资料可选用 ADC0804作为本设计的A/D转换电路,其图如下示各引脚功能如下Vin (-): 模拟信号（-）输入端口Vin(+): 模拟信号（+）输入端口A GND: 交流电接地端口Vref/2: 参考输入电压CLK-R: 读时钟CLK-IN: 输入时钟DB0-DB: 八路数字输出引角 INTR : 中断信号CS : 片选信号RD: 外部数据存贮器读脉冲输出线WR: 外部数据存贮器写脉冲输出线 由于有盐度和温度两个通道的模拟测量信号要分别进行转换,所以ADC0804的两路输入信号引脚7脚Vin(-)作为温度测量输入信号通道，而6脚Vin(+)作为盐度测量输入信号通道。8脚接地，9脚接参考电压，4脚接时钟，18-11脚kbDB0-kbDB7作为信号输出通道,1、2、3接地,20脚接+5V电源.四、单片机处理电路设计由以上两路信的测量以及由A/D的转换之后，信号就可以送入单片机的I/O口进行处理。