（农业机械化工程专业论文）小型自来水厂数据采集和控制系统.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的学位、( 毕业) 论文，是在指导教师的指 导下，通过我的努力取得的成果，并且是自己撰写的。尽我所知， 除了文中作了标注和致谢中已作了答谢的地方外，论文中不包含 其他人发表或撰写过的研究成果。与我一同对本研究做出贡献的 同志，都在论文中作了明确的说明并表示了谢意，如被查有侵犯 他人知识产权的行为，由本人承担应有的责任。 学位( 毕业) 论文作者亲笔签名：烈嗡寺f 1 期：驴敢、； 论文使用授权的说明 本人完全了解福建农林大学有关保留、使用学位( 毕业) 论 文的规定，即学校有权送交论文的复印件，允许论文被查阅和借 阅；学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文。 保密，在年后解密可适用本授权书。口 不保密，本论文属于不保密。回 学位( 毕业) 论文作者亲笔签名： 指导教师亲笔签名 芗抄 撕：； 同期：y 哆。5 ? 闩期：，d r ，占3 摘要 本论文设计了小型自来水厂的上下位机数据采集与控制系统。实现了计算 机技术在工业尘产中的应用。文中介绍了该系统的硬件和软件设计 硬件设计中涉及了系统模块，a d 转换，红外遥控键盘，显示模块，通讯 模块，e e p r o m 存储器接口，并讨论了硬件的实用性和扩展性。 软件设计中涉及了上、下位机的软件开发。下位机涉及了数据采集与存储 模块、红外遥控键盘模块、显示模块、参数设置模块、串行通讯模块、浮点软 件包的设计。为防止系统受到干扰，采取了软件抗干扰措施。上位机系统的软 件开发过程中，使用v c 十+ 编程，采用a c s e s s 应用软件来设计数据库，存储采 集到的数据值，并根据需要生成所需的报表。 关键词：单片机：数据采集与控制系统：自来水厂；硬件设计；软件设计 v c + + 高级语言；自动控制 a b s t r a e t t h i sp a p e rd e s i g n sac o l l e c t i o na n dm o n i t o rs y s t e mf o rs m a l lw a t e r w o r k s i t m a k e st h ec o m p u t e rt e c h n o l o g ya p p l yt oi n d u s t r y i nt h i sp a p e r , i tp r e s e n t st h e d e s i g no f h a r d w a r ea n ds o f t w a r e i nt h i sp a d e r , m a n yc h i p sa n di n t e r f a c e si nh a r d w a r ea r c ：c o n c e m e d t h e ya r e a dc o n v e r t o r , i rk e y b o a r d 。d i s p l a ym o d u l e c o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n de e p r o m 1 1 1 e n u t i l i t ya n de x p a n s i b i l i t yo f h a r d w a r ea r ed i s c u s s e d c o d i n go fs o f t w a r ei n c l u d e sc o d i n go fs i n g l ec h i pa n dc o d i n go fp c t h e c o d i n go f s i n g l ec h i pi n c l u d e sd a t ac o l l e c t i o na n ds t o r a g em o d u l e ，i rk e y b c l a r d m o d u l e ，d i s p l a ym o d u l e ，p a r a m e t e rs e t t i n gm o d u l e ，c o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n d f l o a t i n g - p o i n ts o f t w a r ep a k a g e i no r d e rt op r e v e n tf r o mi n t e r f e r i n g ，s o f t w a r e m e a s u _ | e sh a v eb e e nt a k e n d u r i n gt h ed e p l o r i n go ft h es o r w a r eo fp c v c + + l a n g u a g ei su s e dt op r o g r a m a n da c s e s sa p p l i c a t i o ns o f t w a r ei su s e dt od e s i g n d a t a b a s e ，w h i c hc a l ld e p o s ed a t aa n dp r o d u c en e c e s s a r yr e p o r tf 0 1 t n s k e yw o r d s ：s i n g l ec h i p ；c o l l e c t i o na n dm o n i t o rs y s t e m ；w a t e r w o r k s ；h a r d w a r e d e s i g n ；s o f t w a r ed e s i g n ；v c + + l a n g u a g e ；a u t o m a t i o n 2 l 引言 在我国经济建设飞速发展的今天，综合国力一天一天增强，随着w t o 的 加入，标志着我国各行各业必须以最快的速度与国际接轨。随着人们生活水平 的不断提高，人们对饮用水的质量也提出了更高的要求，运用高科技手段对制 水、供水过程进行自动化控制，实现生产、管理现代化至关重要。研究城市供 水系统的监控与水厂自动化技术装备，必须考虑中国供永行业的技术特点与经 济力量。 我国水厂的基本现状是：水工业整体技术水早低，特别缺乏供水系统监控 技术与人才；水工业仪表与装备基础薄弱，国产的专用水质在线检测仪表及主 要装备性能难以满足供水企业的需要；受社会经济发展水平限制，供水企业经 济实力不足，除了少数较大型企业有能力通过贷款等方式引进国外的先进技术 与设备、发展供水监控系统外，多数的中型水厂面临的是缺资金、少技术、进 口设备买不起、国产设备质量不过关的局面。这些情况决定了发展中国供水行 业的现代化不能全盘照搬西方发达国家的经验，要形成有中国特色的技术路线。 开发出一批适全中国国情的特点的、关键的水质专用检测仪表与装备；总结我 国供水系统监控技术，参考借鉴国外的先进技术，建成若干有代表性的水厂集 散型计算机监控系统示范工程。这一专题的研究将有效地提高水厂的工作质量 及供水的安全可靠性，降低供水成本，推进我国水厂自动控制系统监控现代化 的进程，具有很显著的社会效益与经济效益。1 ” 国外自6 0 7 0 年代起开始了供水系统自动监控的研究与应用工作。尤其是 自8 0 年代以来，微电子等现代科技高速发展，水工业专用检测仪表与装备不断 发展与完善，相应地推动供水系统的自动监控技术有了质的飞跃。加之西方发 达国家雄厚经济实力与技术基础，供水系统的自动监控已得到普遍应用。一些， 水厂已实现全自动化运行，能对生产工艺的各个环节连续自动地监测、调节、 记录、报警等等。这种高度自动化运行的模式是符合西方国情特点的。西方许 多国家人力资源紧张，人工费用往往占生产成本构成比重中的较大部分，而仪 表设备费相对较低，加之设备质量可靠，自动化程度高节省了人力资源，因此 也就获取了较高的经济效益。西方也有相当多的水厂仅对一些影响处理水质及 费用关键工艺环节实施自动控制，而对各个工艺阶段的主要水质与运行参数进 行自动监测。这是一种经济高效的自动监控方案，值得借鉴。国外的水厂监控 普遍采用集散式系统。对各个工艺单元进行分散控制减小了各控制环节之间的 干扰，提高了工作的可靠性；对全厂的集中监控，又保证了统一指挥、调度的 灵活性。我国自8 0 年代中后期起，陆续有一些较大型的水厂利用外资建设，同 时引进了成套的水厂现代化监控仪表与设备( 水工业的一些专用检测仪表与设 备，如在线检测浊度仪、计量投加泵等) 。也有一些厂家开始生产，但是质量水 平与国外产品相对仍有距离，难以满足国内市场需要。我国大多数水厂的监控 技术仍是很落后的，基本以人工方式为主，很难适应现代化的要求，一些水厂 ( 包括有些引进设备的水厂) 的自动监控基本照搬西方的模式，虽然采用了庞 大的自动化系统、投资很大，然而在一些关键环节上的调用功能并不强。如混 凝投药是按原水流量比例控制，不能跟踪响应原水水质等因素变化对药耗的需 求：传统的处理效果以浊度为指标，存在检测可靠性等问题等等。这种模式并 不适应我国相当多的水厂原水水质变化大而快的情况，更谈不上保证水处理系 统运行优化，结果是水质保证率低，而运行费用高。这些自动监控系统并不完 全符合提高水厂技术经济效益这一根本目的。针对我国的技术经济条件，不同 规模水厂迫切需要解决的问题有所不同。建设的较大型的、自动监控水平较高 的水厂需要认真总结应用经验，并向优化运行方面发展，为这类水厂自动监控 技术的进步提供借鉴与指导。对于众多的中小水厂，经济条件有限，应在坚持 国产化、实用化的原则下，着重发展那些对供水质量、运行费用有重要影响的 工艺环节构自动监控技术与设备，建立规模适宜的集散型计算机监控系统。 对于水厂自动化模式大致可分为：s c a d a 系统( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n d d a t a a c q u i s i - t i o n ) ，d c s 集散型控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) ，i p c 十p l c 三种类型。【2 】 s c a d a 系统是由一个主控站( m t u ) 和若干个远程终端站( r t u ) 组成，m t u 与r t u 之间用物理链路层或数据链路层联系，该系统特点：( 1 ) 组网范围大， 通讯平台灵活，可实现一个城市或地区这样较大的地理分布的监测和控制。通 讯方式可采用无线有线或微波联系：( 2 ) 系统分为主控机和远程机两部分，r t u 的控制较周定，处理能力较小；( 3 ) m t u 或r t u 通过通讯接1 2 1 进行协议变换后 可与其它网络链接，可以组成较大，较复杂的通讯网络：( 4 ) 系统实时性较低， 对大规模和复杂的控制实现较困难。 d c s 系统是由多台计算机和现场端机组成。通过网络将现场控制站、检测 站和操作管理站、控制管理站及工程师站联系起来。共同完成分散控制和集中 操作。管理的综合控制系统特点： ( 1 ) 采用分级，分= 1 1 i 式控制；( 2 ) 在物理上实现了真正的分散控制，系统可靠 性较高；( 3 ) 有较好的扩展能力；( 4 ) 系统的软硬件资源丰富，可适应各种要求； ( 5 ) 响应时间较快；实时性较好；( 6 ) 应用软件的编程工作量较大，对开发和维护 人员要求较高，开发周期长。 d c s 系统具有较高的可靠性及良好的扩展能力。他注重功能分散以求危险 分散，他可根据用户管理体系的需要和用户功能要求，组成层次化( 纵向分散) 和功能化( 横向分散) 的各类系统，借助于网络技术，完成纵向和横向的通信， 或向最上层的管理机构通信。在软件方面有面向过程控制用的支持软件和功 能软件包，以便于过程控制工程师摆脱软件人员而独立编程( 生成应用程序1 ， 其结构如图l 所示。 i p c 十p l c 系统是i p c 和p l c 组成的分布控制系统，可实现d c s 系统的 功能，其性能已经达到d c s 要求，而价格比d c s 低的多。丌发方便，在国内 水厂自动控制中得到最广泛的应用。该系统特点：( 1 ) 可实现分级分布控制；( 2 ) 可实现集中管理分散控制的功能，将危险分散，大大提高了系统的可靠性；f 3 1 可靠性高，组网方便；( 4 ) 编程方便，开发周期短，维护方便：( 5 ) 系统内的配置 和调整非常灵活：( 6 ) 与工业现场信号直接相连，易于实现机电一体化；( 7 ) 系统 分布不大。 图1d c s 结构示惹图 近几年来，为适应生产力的发展，提高工作效率，降低企业运营成奉，增 强企业在市场经济中的竞争力，国内好多水厂都对其生产系统进行了自动化的 改造。对我国中小型自来水厂而言，采用现代电子信息技术及综合自动化技术 对制水过程进行控制是极其重要的。 本课题是导师受自来水厂的委托，运用计算机自动控制技术对制水过程进 行控制，。实时、连续的检测有关数据，全程监控，自动投药、加氯、加压，实 时将检测数据自动存储，形成短、中、长期资料，随时查询有关资料。降低劳 动强度、生产成本，实现生产、管理现代化。 1 1 本课题研究的现状和意义 就城市自来水公司而言，其企业特点是：分布式、集散型、网络化、全开 放。为了安全、稳定、可靠地管理好遍布全城的供水管网，一定要有一个满足 其企业特点的、现代化的、先进的自动化控制系统。1 4 1 自动控制系统的基础是企业生产过程实时数据采集与监控系统( s c a d a s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t a a c q u i s i t i o n ) 。1 3 为了解决企业生产过程自下而上的 信号采集、传输和实现自上而下的控制与管理，就必须要有一个可靠的自动控 制系统来支撑。而一个完善的自动控制系统的建立，又依托于高精度、智能化 的仪表获取信息，准确无误的通讯手段传输数据和高效快捷的计算机处理能力。 当世界进入9 0 年代后，测控仪表、通讯技术、计算机处理能力均得到了飞速发 展，自动控制系统的应用也日趋成熟。由于计算机与通讯技术的突破性进展， 以及系统通讯的数字化、网络化的形成，自动控制技术已被赋予了崭新的内涵。 它的建立使得企业实现生产过程自动化、全厂信息集成以及企业上网等，均变 得更加方便、灵活、容易和经济。 对于一个城市自来水企业，自来水的生产过程是：由水源取水经过筛网除 去树枝、动物尸体等杂物之后送至净水厂，在自来水厂的源水管道中投放净水 剂( 铝盐兔经过消毒、沉淀、过滤等过程后送入城市供水管网，提供给城市居 民或工业用户等使用。水源可来自水源井，也可来自地表水。为了满足对生产 过程的调度和指挥，也同样需要一个可靠的自动控制系统。它一般由企业生产 调度指挥中心、分厂测控站、管网测压点等组成。它所具有的功能一般包括： 数据采集控制功能，数据传输功能，数据显示及分析功能，报警功能，历史数 据的存储、检索、查询功能，报表显示及打印功能，遥控功能，网络功能等。 【4 】 在自来水整个生产过程中，需对水源井取水、水厂生产、管网中途加压站、 管网测压点的工作进行监控，由此形成一个完整的城市自来水生产过程自动化 监控系统。为了对多个管网测压站、管网加压站和水源井监控站进行监控管理。 需要在水厂内建立多个监控分站和自来水取水、供水监控站点，以实现自来水 厂的自动控制系统。而对水厂的生产及各站点进行实时监控，是系统的信息采 集和控制中心。水厂分控中心采集各站点的数据信息，并对这些信息进行存储、 分析汇总等处理。通过数据分析，及时给出报警信息或向站点发出控制命令， 控制站点设备的运行。 本水厂是福州闽候小型自来水厂，其水厂规模较小，运营成本相对较低。 包括取水、混合、反应、沉淀、过滤和必要的深度处理等工艺环节。而对于水 厂的自动控制系统来讲，最主要的，也是最难控制的就是混凝投药自动控制系 统。在水处理工艺中，混凝剂的投加是否准确直接影响到水处理的全过程，也 是水处理成本的主要来源。本系统采用单因子加矾技术，只在线检测反映混凝 程度的单一因素就可概括各项表观参数( 源水的流量、浊度，混凝剂的浓度、 流量，出厂水的浊度、流量等) 对混凝的影响。根据检测的信号，通过变频自 动调节投药计量泵达到最优投药量，确保最佳的混凝和沉淀效果。本着”简单、 实用、安全、可靠”的指导思想，尽量减少费用，满足运行要求，整个水厂工艺 布局合理，布置紧凑，工艺成熟、工作稳定可靠。 1 2 本课题研究的内容 本课题研究的主要内容：采用计算机自动控制技术对制水全过程进行实时 监测控制，自动采集检测原水、滤前水、出厂水浊度、余氯值、管网压力、出 厂水量等情况。并采用上下微机通讯的方式实时显示各个量的数值。 硬件部分主要包括：数据采集模块、通讯模块、人机交互模块、系统监控 模块、显示模块、红外遥控模块。 软件部分主要包括上下位机的软件开发。其中下位机实现包括：数据的采 集、人机交互、系统监控、数据存储、软件抗干扰设计和浮点运算软件包设计。 上位机实现：系统界面设计、数据的存储和管理。另外还有上下位机通信协议 设计。 1 3 本课题研究的目标 本课题研究要求达到以下目标： 1 ) 对制水全过程进行实时采集和监测控制，自动检测原水、滤前水、出厂浊 6 度、余氯、管网压力、出厂水流量等情况。实时将检测到的数据自动存储， 保存资料，随时查询有关资料。 2 ) 自动化程度高，降低劳动强度，节约劳动力，提高劳动效率。节约投药量， 降低生产成本。 3 ) 实现上下微机数据的安全传输。通过电脑，随时检视与查询各主要水环节 的工作参数。并生成报表与曲线图，便于科学管理。 4 ) 具有可靠的保障，在异常情况下可以产生报警。 2 监测系统的硬件设计 水厂工艺流程简介 自来水的生产过程是：由水源取水送到自来水厂，在自来水厂经过消毒、 沉淀、过滤等过程后送入城市供水管网，提供给城市居民或工业用户等使用。 【4 】 在自来水厂整个生产过程中，需对水源井耿水、水厂生产、管网中途加压 站、管网测压点的工作进行监控，由此形成一个完整的自来水生产过程自动化 监控系统。其工艺流程见图所示。 加矾 絮凝剂 图1 自来水厂工艺流程i ! | 由图知，我们需要实时采集检测多个参数值，并显示在上微机中，故我们采用 如下设计方案。本系统的硬件系统的总体结构如图2 1 所示 2 1 硬件系统总体结构框图 2 1 系统监控模块 单片微型计算机简称单片机。它是把组成微型计算机的各功能部件：中央处 理器c p u 、r a m 、r o m 、i ，o 接口电路、定时器计数器以及串行通讯接v i 等 部件制作在一块集成芯片中，构成一个完整的微型计算机。州 本系统的监控芯片采用a t m e l 公司的a t 8 9 c 5 1 。a t 8 9 c 5 1 是一个低电压， 高性能c m o s8 位单片机，片内含4 kb y t e s 的可反复擦写的只读程序存储器 ( e p r o m ) 和1 2 8b y t e s 的随机存取数据存储器( r a m ) ，器件采用a t m e l 公 司的商密度、非易失性存储技术生产。兼容标准m c s 一5 1 指令系统，片内置通 用8 位中央处理器和f l a s h 存储单元，内置功能强大的微型计算机的a t 8 9 c 5 1 提供了高性价比的解决方案。 a t 8 9 c 5 1 是一个低功耗高性能单片机，4 0 个引脚，3 2 个外部双向输入j 渝 出( 1 ，o ) 端口，同时内含2 个外中断口，2 个t 6 位可编程定时计数器 2 个全 双工串行通信口，a t 8 9 c 5 1 可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其 将通用的微处理器和f l a s h 存储器结合在一起，特别是可反复擦写的f l a s h 存储 器可有效地降低开发成本。 功能特点： 兼容m c s _ 一5 1 指令系统 3 2 个双向i 0 口 两个1 6 位可编程定n o 计数器 1 个串行中断 两个外部中断源 可直接驱动l e d 低功耗空闲和掉电模式 4 k 可反复擦写( 1 0 0 0 次) f l a s hr o m 可编程u a r l 通道 全静态操作0 - 2 4 m h z 1 2 8 x 8 b i t 内部l 认m 共6 个中断源 3 级加密位 软件设置睡眠和唤醒功能 2 1 1 系统外围的扩展 为了简化系统结构，提高系统的可靠性，需要对系统进行扩展。扩展系统 是以单片机为核心进行的，扩展内容包括r o m 、r a m 和i o 接口电路等。本 系统的扩展主要使用串行总线来扩展外围器件。现将本系统的扩展芯片及用途 列表如下： 系统外围主要芯片的扩展 芯片用途 m a x l l la 仍转换芯片 x 2 5 0 4 5带看门狗的e e p r o m m a x 5 2 1d a 转换芯片 m a x 7 2 1 9 显示驱动芯片 9 2 1 2i o 端口的分配 根掘京统的设计需求，单片桃需要提供的可编程i o 端口分配如表2 1 所 示。 表2 1i o 端口分配 引脚引脚名称说明 p 0 o - p o 2通过光耦控制可控硅的 p 0 5 _ p o 7导通 p 0 3 p o 4s c l ，s d a 模数转换的控制线 p 1 o - p 1 4 d o u t 。d i n ，b u s y ，c s ，s c l k 数模转换模块控制线 p 1 5 p 1 7 c s ，s o ，s c l k数据存储，提供外部看门 p 3 3s i狗 p 2 3 p 2 5c l k ，c s ，d r n 显示模块的控制线 p 3 0 p 3 1t i n ，r o u t通讯接口 p 3 2i r 红外遥控 p 3 5 p 3 7 a ，b c模数转换的地址选择线 2 2 数据采集模块 在单片机测控系统中，数据采集接口是被测信号的输入通道，是单片机应 用系统中的前向通道。数据采集模块的设计与被测对象的状态、特征、所处环 境密切相关。 6 1 【7 l 当将单片机用做测控系统时，系统总是要有被测信号输入通道，由计算机 拾取必要的输入信息。作为测试系统，对被测对象拾取必要的原始参量信号是 系统的核心任务，对于控制系统来说，对被控对象状态的测试以及对控制条件 的监测也是不可缺少的环节。 被测对象的状态由相应的传感器将被测对象的状态( 常常是一些非电物理 量) 转换成电量。对被测信号的拾取主要任务是最忠实的反映被测对象的真实 状态，它包括实时性与精度测量。同时使这些测量信号转换成能满足计算机输 入接口的电平要求。 因此* 单片机应用系统中的前向通道体现了被测对象与系统相互联系的信 号输入通道。 2 2 1 传感器的选择 选取输出为4 - - 2 0 m a 电流量或者o _ - 5 v 电压量的标准传感器，这样可使 传感器直接与计算机接口。 2 2 2 模数转换 一般情况下，传感器拾取被测信号并输出模拟信号，如4 _ _ 2 0 m a 电流量或 者o 一5 v 电压量。该模拟信号必须通过模拟，数字转化器转换成数字量后才能被 计算机系统接受。因此，配置a d 转换接口是数据采集模块的重要环节。本系 统选用模数转换芯片m a x l1l 来实现。 2 2 2 1 模数转换芯片m a x i l l m a x l l l 是美国m a x i m 公司生产的采用了内部自动校准技术的1 4 位 a d 转换器件。m a x l l l 片内有2 个模拟量输入通道，a d 转换的分辨率可达 到1 4 位二进制数，并可用命令字设定为1 4 位、1 3 位或1 2 位。垓芯片的自校 准功能是通过3 个校准命令字分别对片内a d 转换器进行调零校准、对通道增 益参照基准电压进行校准、对2 个模拟通道调零校准来实现的。通过这三方面 的校准可消除由时漂和温漂引起的误差，因而可以达到很高的精度。1 $ 1 | 9 1 功能特点：。 + 5 v 独立电源 二个不同的输入通道 无须外部元件就可达到1 4 位的分辨率，并能指出超量程位 工作电源电流仅6 4 0 m a 每秒钟转化5 0 次 模拟数字转换器内部采用自动校准技术 内部1 6 位移位寄存器 从上面的分析看出来：m a x l l l 转换速度快，精度高，并带有自校验功能，是 模数转换器中的理想选择。 2 2 2 2 c d 4 0 6 0 由于m a x i l l 内部没有时钟，需要由外部提供时钟信号。本系统选用 c d 4 0 6 0 产生a d 时钟信号。c d 4 0 6 0 是一种带有振荡器的1 4 级分频器电路。用作 振荡器时需外接r 、c 元件或石英晶体和电容器。原理图由附录所示。 2 2 3 多通道参数检测 在本系统中，需要检测水的浊度、余氯值、管网压力、出厂水量等多个参 数。为了实现利用单一的a d 转换器对多个参数进行检测，这里选用多路模拟 开关芯片来解决这一问题。本系统采用两个多路模拟开关。 c i ) ：4 0 5 1 是一种单 j 8 掷模拟开关。它包括8 个输入端、1 个输出端和3 个开关 选择控制端。利用单片机控制开关选择控制端，即可使得一个输入端和输出端 接通。这样，如果把c d 4 0 5 1 的输出作为a d 转换器模拟信号输入，即可同时对 8 路参数进行循环检测。 它有以下特点【l o 】： 1 数字和模拟信号的电平范围宽。 2 开启耐阻抗最低值为8 0 欧 3 3 - 1 5 v 的数字信号转换成1 5 v 的模拟信号 4 在数字控制输入条件下，支持低静态电源 5 二进制解码 c d 4 0 5 1 和a d 转换器m a x l l l 接口简图如2 2 ，其具体应用电原理图见 附录所示。 出上分析知道，在多参数检测场合中，这种应用电路具有接口简单、扩展 性能好的特点。例如，若要检测水的浊度，只要把浊度传感器的输出信号接到 c d 4 0 5 l 的一个输入端即可。 2 2 3 1 输入通道的信号类型 在本系统中，使用控制回路端子启动和停止变频器，使用o 一5 v 的计算机 可控的模拟电压来设定变频器的输出频率，通过变频自动调节投药量；使用浮 球开关测量水池的水位。控制特性：开关量输出，及5 v 的模数转换电路。 测量浊度采用浊度仪，测量水压采用水压传感器。通过电流环，输出电艇 信号。控制特性：模拟量输出。 c d 4 0 5 1 m a x l l l p 1 0 p 1 1 p 1 2 p 1 3 p 1 4 图2 2c d 4 0 5 1 和a d 转换器m a x l l l 接口 2 3 后向通道 后向通道是单片机系统对控制对象实现控制操作的通道。单片机完成控制 处理后，总是以数字信号通过i o n 或数据总线送给控制对象。这些数字信号形 态主要有开关量、二进制数字量和频率量，可直接用于开关量、数字量系统及 频率调制系统，但对于一些模拟量控制系统则应通过模数转换成模拟量控制信 号。1 7 1 2 3 1 数模转换芯片m a x 5 2 1 m a x 5 2 1 是8 位电压输出型模数转换器，采用1 2 c 双总线串行接口，支持多个 设备的通信，工作电源电压为+ 5 v ，由两片d a c 集成，具有两路输出。m a x 5 2 1 内部有精密的输出缓冲放大器，减少了系统的大小。允许数据传输速率可达 4 0 0 k b p s 。他的接口具有双缓冲输入结构，允许d a c 寄存器自动升级。除此之 外，m a x 5 2 1j 丕支持低电源关断模式，使供应电流降低至4 微安。m a x 5 2 1 与单 片机的接口电路简图如图2 3 。 8 9 c 5 lm a x 5 2 1 o u t 0 p 0 3s c l p 0 4s d a o u t 7 2 2 m a x 5 2l 与单片机的接口电路简图 m a x 5 2 1 具有如下特点1 1 1 i ： 1 ) 单独5 v 电源供电 2 ) 简单的双线接口 3 ) 与1 2 c 总线兼容 4 ) 输出缓冲放大双级性工作方式 5 ) 上电复位将所有锁存器清零 6 ) 每个d a c 都有各自的参考输入 7 ) 4 微安掉电模式 本系统中使用m a x 5 2 1 输出o 一5 v 可控的模拟电压来控制变频器的输出频率。 2 4 记录数据存储、保护及系统监控模块 数掘存储技术在故障诊断及工业监控系统中起着重要的作用。1 1 2 在工业环 境中，微机铡控系统常常受到干扰，其中设备启停、强继电器的通断、电源波 形畸变及外界环境等因素会造成电源电压的波动。瞬间压降往往造成系统死机、 数据丢失和误操作，因此对系统电源电压监测、控制和重要数据的有效保护是 十分重要的。美国x i c o r 公司生产的可编程看门狗监控e 2 p r o m 芯片x 2 5 0 4 5 具有 低电压检测、可编程看门狗定时器等功能和数据保存、使用期跟长和功耗低等 优点，且所有这些功能都集成在单个8 引脚封装的c m o s 器件内，从而很大程度 上降低了系统成本对电路板的要求。因此，x 2 5 0 4 s 用于微机测控系统十分方便。 2 4 1x 2 5 0 4 5 性能特点 x 2 5 0 4 5 是将可编程看门狗、电压监控、e 2 p r o m 集于一体的多功能芯片。 该芯片是美国x i c o r 公司的新型产品。具有体积小、占用i 0 少等优点，应用于 系统中可以简化单片机系统的设计，并完善其性能。特别提出的是看门狗定 时器对单片机提供了独立的保护系统，当系统出现故障时，只要其计时达到其 编程的超时极限，或者当电源电压降到最低转换点以下时，r e s e t 引脚就会立 即输出高电平复位信号。该芯片在系统上电或掉电时，r e s e t 引脚也会立即输 出高电平复位信号，从而避免了因系统故障、电源开断、瞬时电噩不稳等的影 响。1 1 3 l 1 1 5 】d r 1 7 1 另外，芯片采用c m o s 工艺的5 1 2 字节串行e 2 p r o b t ，它的每个字节可擦写 1 0 万次以上，内部数据可保存1 0 0 年以上，具有低功耗、长寿命、可编程锁定 等功能。使用3 总线串行外设接口s p i ，就可对芯片进行读写操作。利用编程 器与计算机相连，来实现对e 2 p r o m 进行读写。 主要功能特点： 1 可编程的看门狗定时器 2 低v c c 检测直至v c c 复位信号有效 3 1 m h z 时钟速率 4 5 1 2 8 位串行e e p r o m 5 低功率c m o s 6 块锁定( 保护1 4 ，l 2 或整个e e p r o m ) 7 片内偶然性的写保护 一上电掉电保护电路 一写锁存 一写保护引脚 8 高可靠性 一可擦写次数：l o 力- 次 一数据保存期：1 0 0 年 一e s d 保护：所有引脚2 0 0 0 v 综上所述，x 2 5 0 4 5 的高速、三线、非易失性存储器为数据存储提供了可靠 的介质。其看门狗定时器和电源监测器为系统的稳定、安全提供了有利的保障。 因此，x 2 5 0 4 5 及其同系列产品代表了新一代串行e 2 p r o m 的发展趋势，是可编程 看门狗定时器、微处理器监控电路和非易失性串行e 2 p r o m 的完美组合。他的运 用极大的节省了系统的空间和资源同时简化了电路设计，缩短了产品开发周 期，在便携式仪器仪表和低功耗器件中有很广泛的应用前景。 下面是x 2 5 0 4 5 和单片机的接口电路图。 x 2 5 0 4 58 9 c 51 c sp l5 s i p 33 s op 1 6 s c kp 1 7 r s t r s t x 2 5 0 4 5 利单片机的接口电路 4 2 5 人机交互模块 人机交互模块是在单片机应用系统与人之间的信息传递渠道。它包括人对 应用系统的状念干预与数据输入以及应用系统向人报告运行状态与运行结果两 个方面。1 7 1 1 9 1 1 2 0 j 在智能化仪器仪表、数据采集系统等应用中，对该模块的设计，在一定程 度上影响着整个应用系统的智能化程度和操作的直观性。键盘、显示器是完成 人机交互功能的常用外部设备。本系统采用遥控键盘和m a x 7 2 1 9 实现人机交互 功能。 2 5 1 遥控键盘接口 键盘是单片机应用系统的个关键部件，能实现向单片机应用系统输入数 据、传送命令等功能，是人工干预单片机应用系统的主要手段。1 6 1 随着单片机应用的广泛深入，在各种智能仪器仪表中，普遍使用本机键盘。 这种键盘因其抗干扰能力差，一般安装在仪器仪表的控制面板上，不能实现远 距离操作。但是，在许多应用场合中，由于工作环境的特殊性，如距离较远、 无法进入或危险性大等，不适合使用本机键盘操作。目前，彩电遥控技术发展 已趋于成熟，许多红外遥控集成电路价格低廉、性能优良、抗干扰能力强。而 且与单片机接口简单，只需要占用c p u 的一个外部中断口，在单片机应用系统 中得到了广泛的应用。【2 1 j 【2 2 j 2 4 1 本系统采用遥控键盘作为输入设备。使用的遥控键盘是世面上很容易买到 的p a n a s o n i c 彩电用的遥控器改造成的。 2 5 1 1 遥控键盘与单片机的接口 对遥控信号的解码可以有两种方式：即硬件解码和软件解码。采用硬件解 码时，需要外接遥控信号解码芯片：而采用软件解码不需要外接任何芯片。软 件解码相对硬件解码接口较为简单，但需要编写较多的解码程序。本课题采用 软件解码方式。遥控键盘与单片机之间的接口原理简图如图2 1 所示。 圈妄器喜 肌 一 编码信号 2 1 遥控键盘与单片机的接口简图 2 5 i 2 遥控键盘工作原理 如图所示，当用户按下遥控器按键时， 接收头接收，把编码信号送到单片机系统。 遥控器发射的红外信号由集成红外 单片机系统对编码信号进行软解码 后，得到用户按键信息。对遥控键盘的编码结构及软解码方法将在软件设计中 作详细介绍。 2 5 2 显示模块 本系统采用g , a x 7 2 1 9 驱动8 个l e o 实现显示功能。 2 5 2 1m a x 7 2 1 9 性能 m a x 7 2 1 9 是一种高集成化的串行输入输出共阴极显示驱动器，可实现微 处理器与8 位7 段数字l e d 或6 4 位单一l e d 的接口。采用一种集串转并、 锁存器：驱动器、自动刷新于一体的芯片。芯片上包括b c d 码译码器、多位 扫描电路、段驱动器、位驱动器、内含8 * 8 位静态r a m ，用于存放8 个数字 的显示数据。只需外接一个电阻就可为所有l e d 提供段电流。m a x 7 2 1 9 的三 线串行接口可方便连接所有通用微处理器，各个数据可被单一寻址和更新，无 需重写整个显示器。m a x 7 2 1 9 具有软件译码和硬件译码两种功能。值得一提 的是，当工作于关闭( s h u t d o w n ) 方式时，不仅单片机仍可对其传送数据 和修改控制方式，而且芯片耗电仅为1 5 0 u a 。m a x 7 2 1 9 工作模式包括1 5 0 u a 低压电源关闭模式、模，数亮度控制、允许用户从1 位到8 位数显示的扫描界限 寄存器及测试模式( 点亮所有l e d ) 。而且与单片机的接口简单，只需要三个 i o 端口就可以驱动l e d 进行显示。 综上所述，本系统选用m a x 7 2 1 9 作为显示驱动芯片，既可以节省i ，o 端口， 而且显示的数据通过单片机数据处理( 如量程标定，线形化。漂移处理等) 后 送至m a x 7 2 1 9 ，使显示的数据结果更加精确。 2 7 1 1 2 8 1 2 6 通讯接口模块 在单片机应用系统中，以单片机为核心的智能仪器仪表通常作为应用现场 的数据采集和对象控制的设备。在应用过程中，它常常要将采集到的现场数据 和被测对象的工作状态传递到远方的控制中心。为了实时、连续的检测有关数 据，并实时显示在上微机中，本系统采用r s 2 3 2 串行口实现。 r s - 2 3 2 是目前被广泛使用的异步串行数字通信电器标准。1 2 9 】 3 0 1 这种传输速 度不快、催输距离也不远的接口能够在几乎所有民用通信设备中占据主要角色。 r s 一2 3 2 协议对数字信号的真值与电平的对应关系作了定义。即大于+ 3 v 的信号 被认为是逻辑0 ，小于- 3 v 的则被认为是逻辑1 。这里的“电平”是指相对于传 输线“信号地”的电压。在实际应用中，电平的上限常被控制在1 2 v 和+ 1 2 v 之间。5 l 单片机的输出信号实际并不符合r s 2 3 2 的标准，因为其串行通信管 脚上的电压为r r l 标准，即o 5 v 之间的两个状态。另一方面r s - 2 3 2 信号的电 压一般在一1 2 v - - + 1 2 v 之间，另外，彼此对于逻辑l 和0 的定义也完全不同。因 此，5 1 单片机与m o d e m 连接时，中间必须插入一个电平和逻辑转换环节。 利用m a x 2 3 2 芯片就可以实现t t l 电平和r s 2 3 2 电平之间的转换任务。1 7 j m a x 2 3 2 是m a x i m 公司生产的一种带双驱动器接收器电平转换芯片，片 内含有一个电容性电压发生器以便在单5 v 电源供电时提供r s 2 3 2 电平。他提 供4 路转换通道，其中两路用于将r s - 2 3 2 电平转换成t t l 电平，另外两路用 于将订l 电平转换成r s 2 3 2 信号。 利用m a x 2 3 2 实现电平转换的单片机与m o d e m 接口结构简图如图2 2 所示。 m x 2 3 2 m o d e m 2 2 单片机和m o d e m 的接口简图 引脚说明： 1 ) r x d , t x d 和g n d 分别为串行输入、串行输出和公共地，是实现数据 通讯必不可少的接线端。 2 ) d t r 是数据终端就绪，是单片机向m o d e m 发出的联络信号。高电平 表示单片机处于就绪状态，本地m o d e m 和远端m o d e m 之间可以建 立通信信道。若为低电平，则强迫m o d e m 终止通信。 3 ) r t s 是请求发送，是单片机向m o d e m 发出的联络信号。高电平表示 单片机请求向m o d e m 传送数据。 另外，这里利用了m a x 2 3 2 空闲的一对电平转换端子，使他的发送输入 端t 2 l n 接地由于电平转换芯片m a x 2 3 2 的发送输出对输入反相，所以就 使得m o d e m 上与输出端t 2 0 u t 相连接的d t r 和r t s 端总为高电平，即 在工作中一直保持有效。上面说到，m o d e m 的接口为r s 2 3 2 电平，其 高电平一般为9 一1 2 v ，因此这种连接方法避免了为了m o d e m 接口单独 再提供一个9 1 2 v 的电源，简化了硬件设计。 产品特性： 1 ) 。n ，。5 vl 乜源供f 乜和4 个1 o u f 充i 乜象 u 容 ! ) 包含2 个驱动器和2 个接收器 3 、满足或超过t i a e 1 a 2 3 2 f 规范耍求，符余i t uv 2 8 标准 4 ) 低工作i u 流一典喇值为8 m a 5 ) 2 0 0 0 - ve s d 保护 2 7 电控单元输出模块 由p o 口提供6 路控制输出信号。每一路都通过光耦控制可控硅的导通。 光耦可用做隔离外部信号干扰。电路原理圈参见附录。 3 系统软件设计与开发 本课题中，当硬件电路确定后，其主要的功能将由软件束实现。对于同一 硬件电路，配以不同的软件系统，所实现的功能可能也就不一样，而且有些硬 件电路的功能也可以由软件来实现，如本系统中的遥控键盘编码信号的软解码 的实现等。在一个复杂的自动控制系统研制过程中，软件的工作量往往大于硬 件，换句话说，自动控制系统的设计在很大程度上就是软件设计。 在软件设计中，常用的方法有：结构化设计、自顶向下设计、模块化设计、 层次化设计等。1 3 1 1 在设计中，我们通常把整个程序分成若干个子程序( 或模块) 。 这种方法称为“模块程序设计”。所谓模块，实质上就是具有定功能、相对独 立的程序段。本下位机系统软件设计就是采用面向对象的模块化程序设计方法。 模块程序设计的主要优点是1 3 2 1 ： ( 1 ) 模块比起个完整的程序容易编写、查错和测试： ( 2 ) 有利于程序设计任务的划分，町以让具有爿；i 司经验的程序员承担1 i 州的 一功能模块的编写： ( 3 ) 模块可以共享，一个模块可以被多个任务在不同的条件下调用； ( 4 ) 便于对程序进行查错和修改。 本水厂自动控制系统的软件设计包括单片机应用系统的软件设计( 下位机 系统软件设计) 和监控中心的系统软件设计( 上位机系统软件设计) 。 本课题根据模块化程序设计的思想，将下位机系统软件设计分为以下模 块：系统监控模块、红外遥控键盘模块、显示模块、数据采集模块、通信模块、 数据存储模块、参数标定模块、浮点数控制模块。 3 1 系统监控模块 系统监控模块是整个系统软件的核心。系统上电复位后首先进入系统监控 模块。系统监控模块起着引导系统进入正常工作状态，并协调各部分软硬件有 条不紊的工作的重要作用。 下位机系统软件系统监控模块由系统自检及初始化、看门狗激励、调用键 盘显示子程序、实时中断子程序和处理模块等功能组成。其程序框图如图所示。 单片虮系统通常需要处理不同类型的任务。一类是周期性任务及按照固 定时间自j 隔任务；一类是非周期性任务，常常是随机性任务，要求在任务出现 的任意时刻都能进行相应的处理。一般对于非周期的任务，都有响应要求，这 样，当新的事件到来时，即使系统正在处理别的任务，也必须及时作出响应， 从而导致了需要同时处理多个相互竞争的请求，包括中断请求。而对于一个连 续流程的处理，必须保证其数据不能丢失。 单片机系统与外界有联系，因而有可能造成系统负荷过载。此时，要允许 系统性能可以合理降低。由于资源有限，导致有些任务必须等待处理，甚至造 成任务丢失。因此，对于不同的任务要根据他们的重要程度和时间的约束来决 定其优先处理的次序。原则是保证重要任务。1 鉴于单片机系统的以上特点。需要有一个实时多任务操作系统来协调整个 系统的运行。本系统的监控模块就采用实时多任务操作系统的编程思