毕业论文-基于单片机的自来水加氯控制系统硬件设计.doc

南 阳 理 工 学 院 本科生毕业设计（论文）学院（系）： 电子与电气工程系 专 业： 电子信息工程 学 生： 指导教师： 完成日期 2011 年 5 月南阳理工学院本科生毕业设计（论文）基于单片机的自来水加氯控制系统硬件设计Hardware Design of Control System in Water Chlorinating Based on Single Chip总 计： 24 页表 格： 1 个插 图： 16 幅南 阳 理 工 学 院 本 科 毕 业 设 计（论文）基于单片机的自来水加氯控制系统硬件设计Hardware Design of Control System in Water Chlorinating Based on Single Chip学 院（系）： 电子与电气工程系 专 业： 电子信息工程 学 生 姓 名： 学 号： 94107027 指 导 教 师（职称）： 牛军（副教授） 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 南阳理工学院 Nanyang Institute of TechnologyI 基于单片机的自来水加氯控制系统硬件设计基于单片机的自来水加氯控制系统硬件设计电子信息工程专业 张优贤摘 要本文设计了一种以AT89C52单片机为核心的自来水加氯控制系统。该系统可以根据用户设定的上下限值、流量值和输出反馈值，通过对电磁泵的控制来实现自来水加氯和加药的闭环反馈控制。在加氯控制的同时，系统还可以实时显示和修改当前的各控制参数。该系统的主体结构是由RS-485总线连接的主从控制器,本文设计了系统的硬件结构，包括系统人机交互界面模块、数据采集模块、数据输出控制模块、远程通讯模块、数据存储和看门狗模块等。关键词单片机；硬件；自来水加氯；自动控制Hardware Design of Control System in Water Chlorinating Based on Single ChipElectronic Information Engineering Specialty ZHANG You-xianAbstract: In this article, one kind of chlorinating control system be planed to design which is based on AT89C52.The system is based on the upper and lower limits, flow value and the output value of the feedback which set by the users. It realized chlorinated tap water and processed the drug through the control of electromagnetic pump. The system can display real-time and revision of the current control parameters. The parameters can be displayed and revised for the current control system by used. Firstly, the master controller and the slave controller is the main structure of the system, which is connected by the RS-485 bus. Secondly, the article introduced the structure of the hardware. The hardware include of machine interface module, data acquisition module, data output control module, long-range communication module, data storage module, the watchdog module, and so on. Key words: Single chip; hardware; chlorinating system; automation目 录1 引言11.1加氯消毒的历史及国内外发展现状11.2 主要研究内容22 水处理工艺过程简介22.1 水处理常规生产工艺22.2 加氯控制原理32.3 氯的灭菌原理42.4 加氯过程中的折点53 系统的硬件设计63.1 硬件总体结构63.2 主从机电路设计73.2.1 主机电路模块设计73.2.2 从机电路模块设计93.3 数据存储看门狗复位电路93.4 人机交互界面电路103.4.1 液晶显示电路103.4.2 按键控制电路123.4.3 声光报警电路133.5 数据采集电路143.5.1 传感器的选择153.5.2 电流/电压转换电路153.5.3 模/数转换电路163.6 数据输出控制电路173.6.1 脉冲宽度调制和电磁泵简介173.6.2 接口电路183.7 远程通讯接口电路193.7.1 串行接口方式193.7.2 接口电路20结束语22参考文献23致谢2425 1 引言1.1加氯消毒的历史及国内外发展现状水是地球万物的生命之源，是人类赖以生存的基本物质。但是，对传染病学和细菌学的研究证明，水也是传播疾病的重要媒介物。水质决定着人的体质，所以自来水的消毒处理成为大规模供水系统中最基本最重要的工艺，是保证用户安全用水必不可少的措施之一。早在1903年，人们就开始用氯来消毒饮用水，国内外至今仍广泛应用氯进行自来水的消毒处理。应用氯消毒的优点主要有：杀灭细菌效果好，能够破坏细菌的酶系统，使水中的致病菌和寄生虫卵死亡；可以改善水的感官性状，具有灭藻、除臭、除味的能力；投加氯的设备简单，初期投资和运行费用均比较低；氯的来源广泛，价格低廉；具有余氯的持续作用，可以防止水在输送过程中被二次污染。但是，在50年代末，人们发现有机氯含量高会使动物中毒而死，1974年，Rock和Bellar等人从氯化后的高色度水中检测出三氯甲烷，并确认其致癌性，随后Symons等人对美国80个主要城市的各种不同水源的原水及经过不同流程处理的自来水进行全面调查，发现以地面水为水源，经过实行预氯化的自来水中，普遍存在着较高浓度的氯仿、一溴二氯甲烷、二溴一氯甲烷和溴仿。在我国24个大中城市的饮用水普查中也普遍检测出了氯仿和其它卤仿1。近10年来，国内外对饮用水与肿瘤的关系进行了大量调研，并已经确认三氯甲烷为致癌物质。由于加氯量直接关系到水中致癌物质的产生，所以自来水氯化消毒过程中投氯量的选择是一个很重要的问题，必须控制适量并能及时调整。加氯过多，虽然能够维持水中有较高浓度的余氯，有利于消毒灭菌，但会使氯与水中能够产生卤代有机物的前驱物质反应几率增加，严重危害居民的健康状态。同时，投氯量过多还可使水有氯臭，饮用者会产生不快的感觉。而投氯量不足的时候，则达不到消毒灭菌所需的效果。因此，投氯量应根据实际需要视水质情况而定，并经常调整，同时还要作好计量工作。但是由于常规的加氯、加药工艺过程缺乏定量的科学依据，仅靠肉眼观测和经验来进行判定，在原水水量、水质变化较大的情况下配药浓度和药量往往与实际情况严重不符，不是混合不够充分，不能满足出厂余氯要求，就是使用的投氯量过多，产生超标的卤代有机物1。鉴于我国的实际情况，当前以及今后一段时间内，饮用水的消毒仍然是以加氯消毒为主，所以分析饮用水中氯化消毒工艺，优化和提高自来水加氯控制系统性能是非常必要的。1.2 主要研究内容本课题拟以ATMEL公司生产的AT89C52单片机为核心，同时结合传感器技术，设计一套以处理后水的余氯值和浊度值为主要控制对象的适合各类自来水厂和污水处理厂的水处理智能控制系统。控制特点：（1）采用单片机控制设计，实现初始值设定、自动加氯、自动加药、余氯值和浊度值的检测状态显示、掉电保护和数据存储、主从控制器通讯等功能。大大提高智能化控制的能力，降低了人力的付出。（2）人机操作界面采用液晶、LED指示显示，按键设置；操作设置实现多级菜单显示的方法。操作简单、方便，极具人性化特点。（3）设计了主控制器和从控制器的通讯端口，两个控制器之间通过RS-485总线实现远程数据的传输和管理。（4）产品整体设计具有技术的通用性，贴近实际的应用，易于推广和大规模生产。论文内容的安排：本论文以自来水加氯控制系统的硬件设计为主，第一章为引言部分，介绍了课题的背景以及发展现状。第二章介绍了水处理的工艺过程，给出了加氯控制系统的控制原理和氯消毒的原理。第三章介绍了自来水加氯控制系统的硬件设计，详细介绍了构成的各硬件模块。2 水处理工艺过程简介2.1 水处理常规生产工艺普通水厂的常规净水工艺过程为：取水混凝沉淀过滤消毒输水其具体过程如图1所示2。图1自来水厂常规生产过程取水泵站从地下和江河湖泊取得生产用的原水，同时用取水处的格栅筛除原水中的漂浮杂物。在配水井对原水进行前加氯和加药，该过程又成为混凝。一般来说水中含有的杂质可分为两大类：一类是不溶解而是混悬在水中的，称为浑浊物或悬浊物；另一类是溶解在水中肉眼看不见的，称为溶解物。水中含有这些杂质，除了少数溶解在水中对人体有益的矿物盐类以外，大都是些不合乎饮用卫生要求的污染物，应该加以去除。普通自来水处理过程中去除水中胶体和其他微小悬浮物质的方法主要有两种途径3。一种是在水中加入一些药剂（主要的药剂称混凝剂），让细小颗粒互相吸附结成较大的颗粒，从水中沉淀出来，这叫做混凝沉淀法，其中加药结成大颗粒的过程叫做混凝，也称凝聚。这种方法一般可以把水的浑浊度降低到25以下。目前混凝剂多为铝盐和铁盐，如三氯化铁、硫酸亚铁、氯化硫酸亚铁等。一般通过化验室烧杯搅拌试验确定投加率与经验投加相结合的方式，人工操作投加，它不但可以除去水中三卤甲烷母体物质和各种浑浊物或悬浊物，防止致癌物质产生，同时可以调整原水的PH值。水中悬浮物沉降的速度与其颗粒大小、密度有关，水温也有一定关系。沉淀法一般只能去除20100m以上的颗粒，但是胶体颗粒一般不能用沉淀法去除。另一种方法是在水中加入混凝剂后，使这些细小的颗粒直接吸附在一些相对巨大的颗粒（如砂子）表面而去除掉，这就是过滤的方法。过滤往往设在混凝沉淀的后面。过滤可以把水的浑浊度降低到生活饮用水的标准，即在5以下。目前比较常用的是砂层过滤。其基原理是用筛滤去除大于滤层孔隙的悬浮物，随着过滤的进行，截留杂质增多滤层孔隙愈来愈小，使微小的颗粒物和微生物也被截留下来。过滤后不仅水质浑浊度可以接近于0，而且能起很好地去除细菌、嗅味以及色度的作用。它可以改善水的感官性质，直接过滤可去除浑浊度90%，对除铁锰也有一定效果，去除微生物效果则不佳，慢砂滤去除微生物效果则很好。最后就是加氯消毒。由于过滤后不能消除很多致病菌，所以还需要杀菌消毒，一般的杀菌消毒采用氯消毒法，其具体原理将在后面的章节进行介绍。2.2 加氯控制原理在整个水厂的净水工艺中加氯环节是最为重要的环节，一般水厂采用最多的加氯方法为两点加氯法，即整个加氯由前加氯（SCU）与后加氯（PCU）两部分组成。前加氯主要采用原水流量配比加氯方法，具体如图2所示。它主要是杀灭水中的微生物、细菌、氧化有机物及延长加氯消毒的接触时间，同时可起到助凝、助滤的作用。它的控制原理是加氯控制器根据原水流量的变化以及设定的投加率自动调节加氯量3。过滤后加氯采用复合环加氯方式即根据出厂水余氯反馈控制方式，具体如图3所示。图2自来水前加氯控制简图图3自来水后加氯控制简图它主要是补充第一次原水加氯（前加氯）后的余氯不足，保证余氯量达到规定指标。后加氯方式的控制原理为：加氯控制器根据原水流量以及投氯后取样水中余氯值和设定的余氯值，采用PID控制规则，输出一个量来控制加氯控制系统的投加装置，形成一个闭环控制，使余氯值向设定值逼近，确保出厂水余氯指标的稳定达标45。2.3 氯的灭菌原理氯化消毒法6,杀菌能力的大小决定于有效氯（或称活性氯）的含量（有效氯的含量是指氯的化合物与过量盐酸作用后产生的氯量）。在含氯化合物中只有分子团价数大于-1的氯才是有效氯。如漂白粉Ca(CLO)CL中CLO-分子团的氯是+1价的，有杀菌力，而其中CL-是-1价的，无杀菌能力，漂白粉或氯加入水中后，起水解作用。其反应式见式（1）和式（2）。 2Ca(CLO)CL+2H2O=CaCL2+Ca(OH)2+2HCLO （1） CL2+H20=HCLO+HCL （2）所产生的次氯酸在水中能发生离解而生成次氯酸根，其反应式见式（3）。HCLO=H+CLO- （3）次氯酸与次氯酸根，都具有杀菌能力。目前认为氯的杀菌作用主要是上述两种物质的作用，但次氯酸根比次氯酸的杀菌能力弱的多7。氯化消毒的生物学作用的本质至今未获得最后解决，多数学者研究认为，氯的杀菌作用，在于其溶于水后迅速水解成的次氯酸。由于次氯酸分子体积小，不带电荷，有强烈扩散入细菌膜的能力，渗入细菌细胞内，改变了细胞的物理化学状态，抑制细菌体内的酶(主要破坏磷酸丙酮去氢酶等)使细菌细胞的糖代谢障而造成菌死亡8。同时，由于它是一种强氧化剂，容易损坏细菌的细胞膜，使部的蛋白质、RNA、DNA等物质释出，并影响多种酶系统，从而使细菌死亡。次氯酸根对病毒的作用，在于对核酸的致死性损害9。2.4 加氯过程中的折点一般来说，消毒时水中加氯量分为两部分，即需氯量和余氯。需氯量是指于杀死细菌、氧化有机物和还原性物质等消耗的部分。余氯量是指完全反应后中残留的HCLO和CLO-等部分。若水中不含细菌、有机物和还原性物质时，则需氯量为零，加氯量等于余量，且余氯全部为游离性余氯。这种情况实际是理想情况，在实际生产中基本不存在。若水中受到有机物污染，但基本没有氮类化合物或游离氨，而仅仅是细菌金属离子及其它有机物时，则会产生需氯量。此时，只有投加量大于需氯量时才会产生游离性余氯。当水源受到的污染较轻时，加氯消毒就属此种情况10。若水中含有无机氮(包括氨、亚硝酸盐、硝酸盐)，加氯量与余氯的关系就是们常说的“折点加氯”关系。当源水污染严重时，加氯点选在折点后，能够取较好的消毒效果，但此时的加氯量较大11。当水中只含有机氮化合物时，水的氯化反应极为复杂，将生成各种有机氯物。要使余氯值稳定需要很长时间，这取决于水中有机氮的复杂程度和其浓度，此时将不会出现上面所说的折点。从理论上讲，为满足对出厂水余氯的要求，氯量和接触时间都需增大，但在实际生产中，并非完全如此，因为排入水源的机物经过一段时间就会转化成无机氮，从而消毒过程就会符合上面所述的“折加氯”过程。所谓的折点加氯11，就是指当足够大的氯气量投加于含有氨氮的水中，会出各种反应，导致氨氮被分解，游离性残余氯形成。较低的氯气投加量会产生一氯胺和二氯胺，在曲线峰值的左侧描述成一个残余量增加的情况。当所有的游离氨氮均被用于形成氯胺，曲线峰值出现。最后随着加氯量进一步增大，氯胺不稳定出现分解。氯胺的分解化学方程式如式（4）和式（5）所示。2NH2CL+HCLO=N2+H2O+3HCL （4）NH2CL+NHCL2=N2+3HCL （5）这就说明了在折点加氯峰值右侧曲线下降部分的情况。当氯气投加量达到水中氨氮浓度的810倍时(理论比值是7.6)到达折点，表明所有氨氮化合物均被分解，进一步增大加氯量，就会形成游离氯。实际上在折点处很少出现氨氮被全部分解，在游离氯存在的情况下，某些氯胺一定会继续存在，同样在未过折点之前也会有一定量的游离氯存在。在峰值下降部分会产生较多的二氯胺和三氯化氮，这二种氯胺具有讨厌的口感和怪味。在氯胺消毒时，加氯量要控制在第一个峰值的上升曲线部分。即在实际加氯过程中为了达到国家规定的出厂水水质标准，应尽可能消除不利因素的影响，根据运行经验和出厂水余氯要求，准确地进行加氯量的调节和控制，保证消毒效果12。3 系统的硬件设计本章将详细介绍自来水加氯控制系统的硬件结构和设计。主要包括主从机电路模块设计、数据存储/看门狗/复位电路模块设计、人机交互模块设计、检测信号的输入模块设计、输出控制电路模块设计、声光显示报警电路模块设计、通讯控制模块等。详细阐明了各电路设计中芯片的选型，芯片的内部组成和功能特点。3.1 硬件总体结构本系统以单片机为核心CPU，组成一个可以实现各路水质检测信号的输入及控制器部分和从控制器部分，具体如图4所示。两部分控制器之间通过RS-485总线方式进行远程通讯。图4系统硬件结构框图本系统在硬件电路设计时12，主要从以下原则出发：（1）硬件电路设计与软件设计相结合优化硬件电路一些由硬件实现的功能可用软件来实现，反过来一些由软件实现的功能也可用硬件来完成。用软件来实现硬件的功能时，其响应时间比用硬件实现长，还要占用CPU时间。但是用软件实现硬件的功能可以简化硬件结构，提高硬件电路的可靠性，系统升级简化等优点，还可降低成本，因此在本系统的设计过程中，在满足可行性和实时性的前提下尽可能地将硬件功能用软件来实现。（2）可靠性及抗干扰设计根据可靠性设计理论，系统所用芯片数量越少，系统的平均无故障时间越长，而且所用芯片数量越少，地址数据总线在电路板上受干扰的可能性就越少，因此单片机基本系统的设计思想是在满足功能的情况下力争使用较少数量的芯片及线路，系统选用的MAX197模/数（A/D）转换芯片也基于这方面的考虑。 （3）灵活的功能升级及系统扩展一次设计往往不能完全考虑到系统的各个方面，系统需要不断完善，需要进行功能升级：并且，在设计时应考虑到系统在以后应用中扩展的方便性。功能扩展时系统应在原设计不需做很大变动的情况下，修改软件和少量硬件甚至不修改硬件就能完成。功能扩展是否灵活是衡量一个系统优劣的重要指针。系统以单片机AT89C52为中央处理单元，由余氯传感器、浊度传感器、液晶屏（LCD）显示、声光报警，信号输出等单元电路组成。下面对主要的电路设计做详细介绍。3.2 主从机电路设计为了方便控制整个水处理过程，系统设计时考虑到前加氯点、加药点与后加氯点分别位于水处理工艺流程的不同位置，且中间隔着沉淀池和快滤池，有较长的一段距离间隔，同时也为了进一步提高控制的稳定性，设计了主控制器（即主机）和从控制器（即从机）两部分电路，这两部分电路中分别使用了两块单片机作为主从芯片，同时通过RS-485总线通讯方式进行通讯。在本系统的主控制器硬件电路中，选用了AT89C52作为主控芯片，实现中心控制、人机交互按键控制模块、液晶显示模块、数据存储/看门狗/复位模块、各路水质及环境检测信号的输入、后加氯控制信号的输出；在从控制器中同样选用AT89C52作为输入输出控制芯片实现前加氯及加药控制信号的输出。3.2.1 主机电路模块设计主机以AT89C52为核心构成了主控制器的硬件电路，其主要结构是AT89C52芯片的最小系统（OSC的晶振电路加开关复位电路）、一个锁存芯片SN74HC573和一个并口扩展芯片8255A。OSC的晶振电路是在XTAL1和XTAL2两端跨接晶体振荡器和两个电容C1、C2就构成了一个稳定的自激振荡器，电容值C1=C2=30pF，晶振频率12MHz。由于AT89C52芯片的P0口既是数据总线又是地址线，且其作为数据总线时需连接模/数（A/D）芯片、并口扩展芯片（8255A），所以外接一个三态锁存芯片（SN74HC573）。锁存器是一种对脉冲电平敏感的存储单元电路，它们可以在特定输入脉冲电平作用下改变状态，一般是由若干个钟控D触发器构成的一次能存储多位二进制代码的时序逻辑电路。三态锁存器的三态是指输出有高电平、低电平和高阻三种状态。当三态允许控制端/OC为低电平时，Q0Q7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当/OC为高电平时，Q0Q7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。当锁存允许端C为高电平时，Q随数据D而变。当C为低电平时，Q被锁存在已建立的数据电平。SN74HC573的真值表如表1所示。表1 SN74HC573的真值表DnC/OCQnHLXXHHLXLLLHHLQ0高阻实际使用中SN74HC573跟SN74HC373都是8位三态锁存芯片，逻辑上也是完全一样，只不过是管脚定义不一样。SN74HC573的数据输入和输出端各在一侧，PCB容易走线，所以本系统中使用的SN74HC573芯片15。具体的主机硬件电路图如图5所示。 图5主机硬件电路图（1）掉电保护/数据存储/硬件看门狗电路模块：由X504514的1、6、5、2脚分别与MCU的P1.0P1.2和P3.2脚连接组成。（2）人机交互界面电路模块：由主MCU的P2.0P2.7和P1.3P1.7脚分别与OCM12864液晶的的714、46、15和16脚连接，组成液晶显示屏（LCD）接口电路；由8255A的PA0PA6连接7个按键，组成按键控制电路；由8255A的PB0PB7和PC2连接LED和蜂鸣器，组成声光报警电路。（3）数据采集电路模块：由主MCU的P0.0P0.7、P3.6、P3.7脚和三态锁存芯片SN74HC573的Q1、Q2脚分别和模/数（A/D）转换芯片MAX197的147、3、4、2和5脚连接组成。（4）远程通讯（485）接口电路：由远程通讯（485）芯片1487的1、4脚与主MCU的P3.0P3.1脚连接组成。3.2.2 从机电路模块设计从机同样是以AT89C52为核心构成的副控制器硬件电路，具体如图6所示。 图6从机硬件电路图从机电路通过AT89C52的P3.0(RXD)、P3.1(TXD)和P1.2脚连接远程通讯（485）芯片1487与主机电路AT89C52实现483远程通讯通信。从机的P1.3和P1.4通过接开关的方式来控制继电器的开合。3.3 数据存储看门狗复位电路本系统采用X5045集成芯片结合外部电路完成系统数据存储、系统看门狗、掉电保护以及上电复位的功能。（1）功能介绍为增强系统的可靠性和安全性，本系统采用X5045为记忆存储元件，系统参数、设定值、控制参数等所有信息都不会因为电源失去而变动。X5045是美国XICOR公司低功耗内含可编程的串行5128位EEPROM的CMOS产品（备用电流l0A，工作电流3mA）14，它把看门狗定时器、VCC监控电路和EEPROM三种常用功能组合在单个封装内，增大了电路密度，减少了体积，提高了系统的可靠性。（2）接口电路在本系统中，X5045芯片用于对外部设定值、传感器获得值和控制参数值等数据信息的掉电保护，以及“看门狗”功能。本系统中主MCU的P1.0与X5045的CS端相连，用于片选。X5045的SO、SI、SCK分别与系统的P3.2、P1.2、P1.1相连，用于以SPI的串行方式与主MCU进行数据的传输。当/CS为低电平时“0”，通过这三根引脚可以完成主MCU对X5045内部数据和指令的读，写操作。最后X5045的RESET引脚与主MCU的RESET引脚相连，完成系统的低电压复位，看门狗复位和上电复位等功能。X5045与单片机的具体接口电路如图7所示。图7 X5045与单片机的接口技术3.4 人机交互界面电路本系统的人机交互电路由三部分组成：液晶显示电路，用来显示系统的各种设定值和控制过程中的各种参数；按键控制电路，用来对液晶显示模块的各种显示进行切换和各种控制参数的设定；声光报警电路，通过LED和蜂鸣器来显示控制过程中系统的运行状态。3.4.1 液晶显示电路本系统采用OCM12864-2液晶显示模块来显示控制过程中的余氯值、浊度值、流量设定值和加氯、加药上下限设定值。（1）功能介绍由于LCD具有体积小、重量轻、功耗极低、显示内容丰富、稳定可靠、成本低、控制驱动方便、接口简单易用、模块化结构紧凑等特点，也为了使用户对水处理运行过程中参数值和设定值有个直观的了解，本系统采用了OCM12864-2液晶显示模块。OCM12864-2液晶显示模块是肇庆金鹏电子有限公司生产的12864点阵型液晶显示模块，可显示各种字符及图形，可与CPU直接接口，具有8位标准数据总线、6条控制线及电源线15。（2）接口电路本系统中OCM12864-2液晶显示模块作为人机交互界面的一部分，用于显示控制过程的各种参数。主MCU的P2口与液晶显示模块的DB0DB7脚相连，用于8位并行数据的传输，通过它主MCU可以对液晶显模块进行读写指令操作和读写数据操作。主MCU的P1.3与液晶显示模块的RS脚相连。该引脚是数据指令选择脚，主要用于数据/指令的选择。液晶显示模块R/W脚与主MCU的P1.4脚相连。该引脚是读写选择脚，用于选择读方式或写方式。当该引脚为高电平“1”时，且E也为高电平时“1”时，主MCU可以读液晶显示模块的数据和指令；为低电平“0”时，且E也为高电平时“1”时，主MCU可以读写LCD的数据。主MCU的P1.5脚与液晶显示模块的E脚相连。该引脚为读写使能引脚，当该引脚为高电平“1”时有效，数据在它的下降沿锁存。最后液晶显示模块的CS1、CS2脚与主MCU的P1.6、P1.7脚相连。CS1、CS2是片选择信号脚，高电平有效，用于选择左右屏显示数据的写入。其具体接口电路如图8所示。 图8 OCM128644-2液晶显示模块与单片机接口电路3.4.2 按键控制电路本系统采用独立式键盘方式组成7键键盘，分别完成人机界面上显示的前后屏切换、光标前后移动和设定值大小改变等功能。（1）键盘的组成形式在不同的系统中，键盘的数量有很大区别，但是键盘的接口线不可能和按键正比增长。于是出现了各种不同的键盘组成形式8。1)独立式键盘独立式键盘的各个按键之间彼此是独立的，每个按键连接一根I/O口线。独立式键盘电路简单，软件设计也比较方便，但由于每一个按键均需要一根I/O线，当键盘按键数量比较多时，需要的I/O口线也较多，因此独立式键盘只适合于按键较少的场合。一般情况下，按键数等于占用I/O端口数。2)矩阵式键盘矩阵式键盘是一种扫描式键盘。其工作过程要比独立式按键复杂。矩阵式键盘由行线、列线以及位于行列线交叉点上的按键等部分组成。当应用系统需要的按键数量比较多时可采用矩阵式键盘。一般情况下，按键数等于矩阵行数和列数的乘积。3)其他形式的键盘有些场合矩阵式键盘也不能满足要求，比如要设计一个100按键的键盘，采用矩阵式键盘最少需要占用20个I/O口，这时就可以使用I/O端口组合复用方式，但对于单片机来说不太常见，这里就不做介绍了。由于本系统的键盘只有7个按键，且通过8255A增加的大量的I/O口，同时为了快速响应系统的按键动作，提高系统的实时性，经综合考虑本系统使用独立式的键盘方式。（2）接口电路本系统中按键控制电路作为人机交互界面的一部分，控制显示参数的切换、光标的移动以及设定值大小的改变等。该键盘显示电路采用是独立式中断查询方式的键盘。它的一端与8255A的PA0PA6相连接并通过5.1k的上拉电阻R1R7上拉。另一端串联接地。同时为了系统的外部中断方式，将8255A的PA0PA3口接一个4输入与门74LS21A的输入端，其输出端和剩下的PA4PA6接另一个4输入与门74LS21B的输入端，其输出端接主MCU的INT1脚。通过这样的连接，使本系统的按键电路实现外部响应中断方式。系统外部中断的具体运行过程为：首先将8255A的PA端口设置成工作方式0的输入状态。在该方式下，不需要任何选通信号PA口就可以作为输入口使用，且输入数据不锁存。当有系统没有按键按下时，由于上拉电阻的存在，PA0PA7全为高电平“1”，通过与门作用，输出也为高电平。此时系统外部中断没有发生。当系统的任一按键按下时，按键两端接通，此时接上拉电阻端被地端拉底，即PA0PA7之间有一端口为低电平“0”，这样通过与门的作用，系统将产生一个低电平信号，当主MCU的外部中断打开时，主MCU将进入外部中断1方式。进入中断后，通过查询低电平的方式，即确定PA口的第几个端口为低，就可确定系统按下的按键，并赋予一定的键值。其具体接口电路如图9所示。图9 按键与单片机的接口电路3.4.3 声光报警电路本系统的声光报警电路主要采用LED加小蜂鸣器的方式来实现系统运行过程中后加氯超氯、后加氯低氯、加氯正常、浊度低、浊度高、浊度正常、前加氯正常和氯瓶空等状态的显示和报警。光报警电路主要通过与8255A的PB口的连接来实现。绿、红、黄等各色LED灯8个的负端分别与8255A的PB端连接，LED的正端与一个1k的排阻并接+5V电源。当系统通过对8255A写入控制字实现PB口的方式0的输出功能时，PB口作为正常的输出口使用，输出数据被锁存。此时，8255A的PB端口的任意口输出为低电平“0”时，其对应的LED小灯将被点亮，指示系统当前所处的状态。其具体的接口电路如图10所示。声报警电路主要通过与8255A的PC口的连接来实现。蜂鸣器的控制是通过三极管8550作为开关管来驱动实现的。三极管8550的集电极串接一个10的电阻R2后接电源+5V，基极串接500的电阻R4后接8255A的PC2端口。蜂鸣器的正极于三极管的发射极接，负极接地。同时将二极管IN4148反向并接在蜂鸣器上，起保护作用。当PC2输出为低电平时“0”时，三极管8550Q2的集电极和发射极处于断开状态，此时蜂鸣器处于断电状态。当PC2输出为高电平“1”时，三极管的集电极和发射极导通状态，蜂鸣器处于得电状态，发出声警报，实现系统的声报警功能。其具体的接口电路如图11所示。 图10状态显示小灯与单片机的接口电路 图11蜂鸣报警器与单片机的接口电路3.5 数据采集电路单片机的数据采集是指被控参数输入单片机的过程。在工业控制中，由于被控对象的参数常常是非电物理量（如温度、湿度、压力、压强、流量、流速和亮度等），因此如何把非电量变成电量并经过A/D13变换后输入到单片机中，是单片机系统硬件设计的重要部分。一般单片机的数据采集电路由传感器、模拟信号放大电路、多路开关和采样保持等部分组成。经综合考虑，本系统的数据采集电路决定采用传感器、电流/电压转换电路和模/数转换电路三部分来组成。具体如图12所示。 图12 数据采集电路框图其中传感器部分包括余氯传感器和浊度传感器两部分，输出420mA的电流信号。传感器部分的主要作用是将出厂水的余氯值和浊度值等非电量信号转换成电量信号，供后续电路处理。由于传感器出来的信号是420mA的电流信号，不能直接进入模/数转换芯片，因此需要一个电流/电压转换电路来将传感器输出的420mA的电流信号转换成模/数转换芯片可以处理的05V的电压信号。但是电流/电压转换电路转换之后的05V电压信号单片机依然不能处理，需要经过模/数转换电路来进行处理。模/数转换电路是将电流/电压转换电路传输过来的模拟信号转换成单片机可以处理的数字信号。综上所述，本系统的数据采集电路的主要功能就是将出厂水的余氯值和浊度值等非电量参数通过一系列的处理变成单片机能够处理的信号12。3.5.1 传感器的选择本系统的传感器主要有余氯传感器和浊度传感器两种16。分别用于测试出厂水的余氯值和浊度值。（1）余氯传感器经综合考虑，本系统采用德国普罗名特公司的CLE3-mA型余氯传感器。该余氯传感器是外被薄膜，有两个电极的电流计式传感器。主要用于对不含有表面活性剂的水之中的余氯浓度进行检测。其典型应用包括游泳池水处理、饮用水消毒或类似水质的处理等。CLE余氯传感器是外被薄膜的有两个电极的电流计式传感器。金制阴极是工作电极，而氯化银作为对应的阳极。探头接入控制器以后，就有一个固定值的极化电压送到电极。次氯酸透入薄膜，要消除电极的极性，就产生了电流流动。该电流在恒定条件下与次氯酸的浓度呈正比。将该电流由电极的电子电路转换成标准的输出信号（420mA），并通过检测装置或控制器来显示。（2）浊度传感器经综合考虑，本系统采用北京中西远大科技有限公司的m33569型浊度传感器。该产品是高精度的浊度传感器，可以应用于质量管理、河流监控、蓄水池水质监测、地下水测量、污水处理、工业控制等领域。其工作原理为浊度计发出光束，光束在水中遇到悬浮颗粒发生散射，散射强度与水的浊度成比例。在与光束成90度的地方，浊度计安置了光电探测器记录光强度。此外，仪器还发出一束参考光，用于校正光强、颜色变化和镜头污垢的影响。3.5.2 电流/电压转换电路本系统的电流/电压转换电路主要是用来将传感器输出的420mA电流信号转换成模/数转换芯片可以处理的05V电压信号。目前比较常用的电流/电压转换方法有：分压器方法、霍尔传感器方法、积分电路方法和三极管方法等。经综合考虑，本系统决定采用运放直接搭接并配以高精度运算、低失调放大器的方法。这种方法避免了运放输入失调电压、输入偏置电流和失调电流影响带来的积分误差，也避免了电容的漏电流带来的误差。但未获得稳定的高精度放大，对电阻和运放的精度要求较高。该电路的具体形式如图13所示。在该电路中运放放大器U1的同相输入端（脚3）电压由经过稳压管TL431稳压的负电源端（VSS）提供。它经过了R15调整端（3脚）的分压，取R15上调整端（3脚）的电压和R1上在4mA时的电压一样。即当R1上的电流为4mA时，运算放大器U1的同相输入端（脚3）和反向输入端（脚2）的输入电压大小相等，方向相反，相互抵消，输出（脚6）为零。然后，经过运放的缓冲，从运放输出端（脚6）接一个PNP型三极管Q1用于扩展输出能力。实际上这是一个典型的运算放大器稳压电源，其输出将随着运放同向端的电压变化，可以从接近零的电压起调。 图13 电流/电压转换电路其优点主要有：（1）使用了由DIP封装的TL431组成的高精度稳压电路来对运放进行供电，该芯片采用DIP8封装，耗散功率1W，控制简单，更改供电电压只需简单的调整分压电阻。（2）选用了高精度低失调的OP-07运算放大器，其参数大大优于普通运放器件。（3）采用了运放调零电路，使该电路在最小输入时（4mA），运放U2的输出端为零。这也是最为关键的优点。3.5.3 模/数转换电路本系统的模/数转换电路就是将电流/电压转换电路产生的（05V）电压模拟信号转换成单片机可以处理的数字信号的电路模块。其主要组成是模/数转换芯片。（1）功能介绍经综合考虑，本系统采用MAX197A/D17芯片。该芯片是美国美信公司(MAXIM)推出的多输入范围、多通道12位的模数转换器。它只需单电源+5V供电，通过软件编程选择8个输入通道的一个进行模数转换。每个输入通道的模拟信号电平范围为：10V，5V，010V和05V，使用户非常方便地与输出信号为12V和5V供电的传感器接口。芯片内带采样保持器，转换时间为6s，采样速率可达100ksps，可通过软件选择内部还是外部时钟。通过该芯片的使用增大了电路密度，减少了体积，提高了系统的可靠性。（2）接口电路本系统中模/数转换电路作为数据采集电路的一部分主要用于对出厂水的余氯值和浊度值的采集。系统中MAX197采用内部基准电压和内部时钟模式，占用CH0和CH1分别接余氯值和浊度值的模拟输入量。系统中A/D转换芯片MAX197可以选择内外两种时钟模式。当使用内部时钟模式时，只需将CLK脚按需要串接电容至地，并且通过改变电容的大小可以微调A/D的时钟频率。当使用外部时钟模式时，只需将一个TTL/CMOS兼容的时钟加到该引脚即可。本系统中为了节约系统的硬件资源，提高系统的抗干扰能力，便使用了MAX197的内部时钟模式功能。所以实际连接时将A/D的CLK脚串接100pF的电容C4至地，即使用了内部时钟模式时钟频率为fclk=1.56MHz。模/数转换芯片MAX197的接口电路具体如图14所示。图14 MAX197与单片机的接口电路图3.6 数据输出控制电路数据输出控制电路主要是通过对输出设备的控制来实现预期的目的。本系统中的数据输出控制电路主要是通过PWM控制方式控制泵来实现对余氯值和浊度值的调节。3.6.1 脉冲宽度调制和电磁泵简介（1）脉冲宽度调制简介脉冲宽度调制（PWM）是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制。它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量、通信、功率控制与变换等许多领域。它根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定。脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比（占空比是指接通时间与周期之比）被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（ON），要么完全无（OFF）。电压或电流源是以一种通（ON）或断（OFF）的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。PWM的优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。除了对噪声抵抗能力的增强，PWM相对于模拟控制的另外一个优点是从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。同时这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因14。（2）电磁泵介绍经综合考虑，本系统采用的控制泵是德国普罗名特公司生产的Beta系列电磁计量泵，该系列电磁计量泵是由微处理器控制的，具有较高的计量精度。电磁泵的工作原理：该系列电磁泵的工作原理主要是隔膜在液体端内发生脉动偏移，引起吸液端、液体端膛腔和排液端的压力变化，实现化学药品输送。压力的变化引起吸液阀门和排液阀门自动开启和关闭，达到化学药品输送。隔膜由电磁驱动，由微处理器励磁和控制。电磁泵的投药量由冲程长度和冲程频率来决定。冲程长度可以用冲程长度调节钮在0%和100%之间调节。在实际技术应用中在30%至100%的调节范围内达到重复精度。冲程频率以10%步长在0%到100%内通过功能转换开关来调节。这样就使得计量泵的重复精度具有很高的精度。3.6.2 接口电路本系统主要是通过三极管作为开关管来驱动继电器的开合来控制泵的冲程频率。开关管的使用和声报警时相同。由于切断继电器线圈的电源时，电磁感应的原因，线圈会产生一个电势，这个电势会影响电路的其他部分的工作。所以加一个IN4148二极管D1是为了消除这个反电势提供一个回路。发光二极管D2在继电器的另一边与电磁泵对称连接，主要为了指示继电器的开合状态。该电路的具体运行过程为：当三极管8550Q1的基极为低电平“0”时，Q1处于断开状态，Q1的集电极和发射极并没有接通，继电器的电磁线圈并不工作。此时电磁泵处于运行状态，但是由于电磁泵的外控引线和参考电位引线连接于继电器的常闭触点处所以没有接通，并为引发电磁泵的冲程。同理发光二极管D2的阳极接通，但是阴极断开，所以D2没有点亮。当Q1的基极变为高电平“1”时，Q1出于接通状态，Q1的集电极和发射极接通。继电器的电磁线圈得电，继电器的常闭触点导通，即处于常闭触点两端的外控引线和参考电位引线导通。根据电磁泵的外控工作原理，当外控引线和参考电位引线导通超过20ms时，引发电磁泵一个冲程。同理，此时D2的阴极也导通，D2点亮，指示当前电磁泵的导通状态。此两种状态不断反复运行，通过对开合周期的调整，完成电磁泵从10%100%冲程频率的调节。输出控制系统的接口电路具体如图15所示。 图15 输出控制系统接口电路3.7 远程通讯接口电路本系统的远程通讯主要为了主控制器向从控制器传输前加氯和加药方式的设定值和浊度传感器反馈的出厂水浊度值等；同时，从控制器也向主控制器传输具体控制参数，用于掉电保护等。3.7.1 串行接口方式随着电子技术的发展，根据仪器仪表自动检测系统的不同需要，串行方式被越来越多的应用。目前比较常见的串行扩展接口和串行扩展总线有：传统的RS-232/485串行数据接口、MOTOROLA公司的SPI、National Semiconductor公司的Microwire、Philips公司的IC、Dallas semiconductor公司的1-Wire总线和USB通用数据总线。其中IC、SPI和1-Wire主要用于电路板内芯片之间的信息交互，RS-232/485主要用于系统和设备之间的信息交互。其中尤以RS-232