（通信与信息系统专业论文）智能型sdi污染密度指数测试仪的研究.pdf

摘要 随着世界人口的迅速增长，水资源的不断枯竭，水污染的日益严 重，对城市污水的再生利用是一条既经济又实际的必由之路。现阶段 的水处理，一般采用膜分离技术和反渗透污水处理工艺，污染密度指 数s d i 是评价r 0 进水预处理效果的最主要指标。用于评测该项指标 的s d i 测试仪的研制与应用具有重要理论意义和实用价值。 本论文围绕s d i 测试问题作了系统地分析研究，设计了一套全自 动测试方案，摒弃了以往传统测试中的人工操作、准确度差等缺憾， 采用a t m e l 公司生产的m c s 一5 1 系列单片机8 9 c 5 2 、电磁流量变送器( 内 置电磁流量传感器) 等智能元件，设计了单片机控制系统、电源系统、 看门狗控制等硬件电路，建立了l c d 液晶显示模块，开发了大量的相 应程序对s d i 指数进行自动测试。经过反复论证、调试，成功地研制 出智能型s d i 污染密度指数测试仪。该仪器具有操作便捷、测量精度 高、测试速度快以及显示界面友好等特点，填补了国内该类测试仪器 的空白。 关键词：污染密度指数电磁流量变送器单片机 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h eq u i c k l yi n c r e a s eo ft h ew o r l dp o p u l a t i o n ，w a t e r r e s o u r c eg e t sm o r ea n dm o r ep r e c i o u st h a nb e f o r e w a t e rp o l l u t i o n b e c o m e si n c r e a s i n g l ys e r i o u s n o wm o r ea n dm o r ep e o p l ep a ym u c h a t t e n t i o nt ot h em u n i c i p a lw a s t ew a t e r a f t e rt r e a t m e n t ，w ec a ng e tt h e r e c l a i m e dw a t e r i ti sa ne c o n o m i cw a yf o ru st om a i n t a i nd e v e l o p m e n t n o w a d a y sm e m b r a n es e p a r a t i o n i st h ec o m m o nm e t h o df o rd e e p t r e a t m e n to fw a t e r r e v e r s eo s m o s i si so n eo ft h e m t h ep r e - t r e a t m e n ti s c r u c i a lf o rr o i ft h ei n l e tw a t e ri sn o tq u a l i f i e d ，t h er os y s t e mc a nn o t r u nn o r m a l l y s ow eu s et h es d it oe v a l u a t et h eq u a l i f i c a t i o no ft h ei n l e t w a t e r o ft h er os y s t e m a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e mo ft h et e s tm e t h o do f t h es d i ，w ed e s i g nan e wm e t h o di n s t e a do ft h eo l d i tc a ng e tt h ed a t a a u t o m a t i c a l l y d e c r e a s et h em e a s u r i n g e r r o ra n di n c r e a s et h ea c c u r a c y t h em a i np a r t so fs d id e v i c ec o n c l u d et h em c s 一51o fa t m e lc o m p a n y a n df l u xm e t e r w ed e s i g ns i n g l e c h i ps y s t e m ，p o w e rs y s t e m ，w a t c h d o g s y s t e m ，d i s p l a ys y s t e mo fl c d ，s o f t w a r ee t c a f t e ra s e r i e so ft r i a l ，w e d e v e l o pt h e d e v i c ef i n a l l y t h ed e v i c ei sa c c u r a t ea n dh a sf r i e n d l y i n t e r f a c e t h ei n t e l l i g e n td e v i c em e e t st h en e e do ft h em a r k e t i to p e r a t e se a s i l y a n dh a st h ev i r t u eo fa c c u r a c y i ti st h ef i r s tt i m et h a tw ed e v e l o pi ti nt h e d o m e s t i cm a r k e t k e yw o r d s ：s i l td e n s i t yi n d e x f l u xm e t e r s i n g l e c h i p 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤壅盘茔或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位敝储虢锻编签字嗍冲年月杉日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权基姿态堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 繇讫勿狐 一名： 签字吼叩年月 珀 签字日期：加吵年月烈日 第一章绪论 第一章绪论 污染密度指数s d i ( s i l td e n s i t yi n d e x ) 值是表征反渗透系统 ( r o 系统) 进水预处理效果的最主要指标，现阶段的水处理，一 般采用膜分离技术【13 1 和反渗透污水处理工艺【1 ”，对s d i 值进行测 试是反渗透系统的预处理过程中必不可少的一项步骤。 1 1 课题背景 我国是一个缺水相当严重的国家。据了解，我国年平均水资 源量居世界第六位，但人均占有水资源量仅占世界人均水平的四分 之一，位居世界第8 8 位。另外，我国水资源分布不均，全国水资 源的8 0 分布在占全国面积3 6 的南方地区，而水资源的2 0 分布 在占全国面积6 4 的北方地区。用水极不合理造成水资源的严重浪 费。我国农业每公斤粮食的耗水量是发达国家的2 3 倍，工业万 元产值耗水量是发达国家的l0 2 0 倍。我国有三分之一以上的河 流受到污染，近5 0 的重点城镇水源短缺，9 0 以上城市水域污染 严重。水资源的重复利用率低、水环境污染等问题加剧了我国水资 源的短缺。 因此，对城市污水的再生利用是一条既经济又实际的必由之 路。现阶段的水处理中，污染密度指数s d i 是评价r 0 进水预处理 效果的最主要指标，也就是反渗透系统中最通用的用来表示膜污染 能力的指标，它综合表示了进水中悬浮物和胶体物质的浓度和过滤 特性。因此s d i 污染密度指数测试仪将随着再生水的发展而得到更 广泛的使用。目前国内水处理行业进行污染密度指数的测试均为手 动方式，其存在的问题为，一是使用起来不方便，步骤较多，还需 手动人工计算数值；二是计时时间和测量过程均存在人为误差，数 值不准确。工程实践和市场的需要开发易于操作、精确度高的智能 型全自动测试仪器。本系统即为监测污染密度指数智能型s d i 污染 密度指数测试仪，可直接准确迅速地从显示屏中读出所测原水的污 染密度指数。 第一章绪论 1 2 反渗透膜技术概述 1 2 1 反渗透基本原理 科学技术的快速进步带给我们的生活很多益处，但同时也造成 了环境的污染。比如：工业废水污染了我们的水源，而且自然界水 源供给量无法满足因人口膨胀和工业增长造成水量需求的增长，另 外，季节降雨量不均匀也造成了水资源紧张。 人类传统从含杂质水中获得纯水的方法是蒸馏法。其他工艺如 离子交换和电渗析法从19 5 0 年开始用于纯水制备，近十几年反渗 透膜被广泛用于海水和苦咸水的脱盐。反渗透不仅被公认为是比较 经济的脱盐技术，而且也被认为是脱除重金属、杀虫剂和其他污染 物质的好办法。 当纯水和盐水被理想半透膜隔开，理想半透膜只允许水通过而 阻止盐通过，此时膜纯水侧的水会自发的通过半透膜流入盐水一侧 这种现象称为渗透，若在膜的盐水侧施加压力，那么水的自发流动将 受到抑制而减慢，当施加的压力达到某一数值时，水通过膜的净流量 等于零，这个压力称为渗透压力，当施加在膜盐水侧的压力大于渗透 压力时，水的流向就会逆转，此时，盐水中的水将流入纯水侧，上述现 象就是水的反渗透( r o ) 处理的基本原理。如图l l 所示。 半透明 初始状态 渗透压工 半透膜 半透膜 l 卜一划 溶质+ 溶剂 l 溶剂 锚 渗透及渗透平衡状态 反渗透状态 图l - l反渗透原理图 2 第一章绪论 1 2 2 反渗透膜技术 反渗透膜是一种用特殊材料和加工方法制成的、具有半透性能 的薄膜。它能在外加压力作用下使水溶液某一些组分选择性透过， 从而达到淡化、净化或浓缩分离的目的。 反渗透现象早在l7 4 8 年就被法国a b b l en e l l t 所发现。利用与 渗透相反的过程进行海水淡化的设想是美国h a s s l a r 在19 5 0 年提出 来的，但是只有当l9 6 0 年l o e b 和s o u r i r a j a n 用醋酸纤维素作材料、 研制成功第一张高分离效率高透水量的反渗透膜以后，反渗透膜分 离才从可能变为现实。膜被称为反渗透过程的心脏，在一定意义上 说，反渗透系统质量的优劣、水平的高低关键在于反渗透膜性能的 好坏，第一张醋酸纤维素反渗透膜是用于水脱盐的，但是，随着各 种类型反渗透膜的开发和膜性能的不断提高，反渗透膜分离已不仅 包括水处理领域，即水的脱盐、纯水制各、水的再利用和废水回收， 也包括食品加工、生物学和生物医药的研究。 1 反渗透膜性能要求和指标 为适应水处理应用的需要，反渗透膜必须具有应用上的可靠性 和形成规模的经济性，其一般要求如下： 对水的渗透性要大，脱盐率要高。 具有一定的强度和坚实程度，不致因水的压力和拉力影响 变形、破裂。莫德贝亚实行尽可能最小，水通量衰减小， 保证稳定的产水量。 结构要均匀，能制成所需要的结构。 能适应较大的压力、温度和水质变化。 具有好的耐温、耐酸碱、耐氧化、耐水解和耐生物污染侵 蚀性能。 使用寿命要长。 成本要低。 2 膜元件的安装 在启动之前需要将膜元件装入压力容器，不能损坏膜元件并保 证无泄漏。使用的工具有：卡环钳、橡皮锤、甘油，适当的工具如 扳子、钳子、改锥、膜元件及压力容器的硬件。 对压力容器要清洗容器内部，除掉所有外来物；并用海绵或毛 第一4 章绪论 巾浸甘油将容器内壁润滑。 具体安装步骤如下： 保持膜元件外部清洁。 检查膜元件的浓水密封，对浓水密封加甘油润滑。 自给水端将膜元件插入2 3 ，浓水密封环必须在暴露端，密 封环的唇必须面向外部。 记录膜元件的系列号、在压力容器内的位置和系统中压 力容器的位置。 向连接件的o 型密封环加甘油润滑。 将连接件全部插入产品水管内。 插入下一个膜元件。 重复 将膜元件对准连接件，慢慢地推膜元件的浓水端直至元件互 相接触，这一步必须在容器外完成。 重复步 重复步骤直至最后一个膜元件。 组装好端板。 把压力容器的防膜卷伸出装置放入压力容器末端，在浓水端 装上组装好的端板。 对端板u 型密封环涂油润滑，然后套在端板上。 装入一定量的垫片后小心将端板上的连接座对准并插入最 后膜元件的连接件，慢慢推入压力容器内，直至端板外表面 刚好过压力容器的环槽。 将卡环插入环槽内，装好给水端板。 1 2 3 反渗透系统的预处理 长期运行成功地反渗透系统依赖于好的运行维护管理，还要包 括合理的预处理和安装调试过程。膜系统污染和结垢后，产水量减 少，脱盐率降低，这与不合理的预处理有关。在反渗透系统开机以 前，确认预处理工作状态是否正常是很重要的。如果原水水质发生 变化，一定要对原水作全面准确地分析以便采取合适的措施控制系 统安全运行。原水中的以下参数是要关注的并决定了系统设计：进 水量、进水s d i 、浊度、温度、p h 、t d s 、余氯和细菌总数。 使用反渗透系统时，尤其应注意原水预处理。为了避免堵塞反 第一章绪论 渗透系统，原水应经预处理以消除水中的悬浮物，降低水的浊度； 此外，还应进行杀菌以防微生物的孽生长大。 由于反渗透对原水中悬浮物的要求很高，所以常用一种水质对 受悬浮物污染情况的污染指数来对水质进行检测。此法实质上是测 定反渗透系统受水中悬浮物的污堵的情况。进入反渗透系统水的污 染指数以不大于5 为宜，建议值一般 3 。预处理时还应该考虑到进 水的值p h 。各种半透膜都有其最适宜的运行p h 值，故需按反渗透 膜的要求，调节进水的p h 值。预处理时还应该考虑到进水的温度。 膜的透水量是随水温的增高而增大的，但温度过高会加快醋酸纤维 素膜的水解速度，且使有机膜变软，易于压实。所以，对于有机膜 来说，通常将温度控制在约2 0 4 0 0 c 范围内为宜，复合膜的温度控 制在约5 4 5 0 c 范围内为宜。 1 2 4 膜污染及控制技术 膜污染是影响膜的透过通量的重要因素。原料液中各种杂质都 可能对膜产生污染，这些杂质包括悬浮固体和粒子、胶体物、成垢 盐、金属氧化物、生物及有机污染物。严重的膜污染会导致膜的通 透量显著下降，分离性能发生变化，膜的使用寿命缩短，如何控制 膜表面不受污染或减少污染，是膜技术的重要方面而且也往往是膜 装置成败的关键。 膜污染的状况主要取决于污染物的类型和浓度以及膜组件的 构造，所以控制膜污染需要从以下几方面入手：首先应对原料中污 染物进行控制，即对原料进行预处理；其次是对膜组件合理选用和 适当的流程安排；但完全避免膜污染是不现实的，所以应在一段操 作时间后对膜进行必要的清洗再生。下面分别进一步阐述。 1 膜污染 在膜分离过程中，不能透过的物质在膜表面被截流从而可能在 膜附近、表面、和膜内部积累，堵塞膜孔或减小膜孔的有效半径， 增加膜过程的阻力，减小渗透通量，表现为渗透通量随操作时间推 移而降低，这种现象被成为膜污染。膜污染造成的渗透通量的降低， 有一部分是通过反冲洗的物理手段和化学清洗办法恢复的，另一部 分是永久性不可恢复的，而这一部分随时间推移而增加。当膜的永 久性通透降低到一定程度时，可认为“膜中毒”，需要更换新的膜。 第一章绪论 原料液中各种杂质都可能对膜产生污染，污染的机理主要包括 形成滤饼和凝胶层、形成沉淀和吸附。 2 膜污染的控制技术 ( 1 ) 原料液的预处理 预处理是指原料液在通过膜设备前，向其中加入一种或几种物 质改变料液的性质特性，通过絮凝、吸附、过滤以及化学氧化等预 处理手段将污染祛除。造成膜污染的现象可能较为复杂，同时由于 膜材料、膜组件结构不同，所以不同膜过程对预处理要求差别很大。 常规的预处理的方法包括氯化絮凝过滤祛除胶体和悬浮固体， 石灰、石灰碱软化祛除成垢盐，紫外线灭菌减少生物污染，活性炭 吸附有机物污染等。对于海水r o 脱盐的预处理过程也常采用精密 过滤，处理后的水质优于常规过滤。 膜分离过程预处理后水质的合格指标通常用污泥密度指数s d i ( 也称为污染指数f i ) 表征。这个指数同时也是表征原料液污染 能力的指标。s d i 指数可按照a s t m 标准，采用直径为4 7 m m ，膜孔 径为0 4 5 a n 的膜通过过滤器，在0 2 m p a 下测定料液通过过滤器的时 间。 s d i 指标在反映污染物和膜的相互作用等方面有局限性，特别 当原料液成分复杂时，需要提出其他水质指标。比如对废水的膜处 理过程，大多以浊度、色度、总有机碳( t o c ) 、化学需氧量( c o d ) 、 悬浮固体( s s ) 等参数作为水质指标，而针对一些特定材质的膜还 会对余氧、p h 等提出要求。 ( 2 ) 膜的清洗再生 在膜的应用过程中完全避免膜污染是不现实的，应该说从膜的 应用的那一刻起，膜污染就开始了并对膜的性能产生影响。所以通 常膜在应用段时间后或在原料液参数不变的条件下，出现透过液 质量下降、操作压力上升等情况时都需要采用清洗的手段恢复膜的 性能，即膜的再生。一般膜的清洗技术可分为物理清洗和化学清洗。 本系统所研制的s d i 测试仪即为针对r o 系统预处理过程中所 要检测的技术指标一一污染密度指数进行自动检测的智能犁仪器。 第一章绪论 1 3 本课题的主要工作 s d i 是一种广泛应用于各种水处理工艺过程的参数，是衡量水 质情况的一项重要指标。本系统属于分析类仪表，是一种全新的智 能型仪表，采用a t m e l 公司生产的m c s 51 系列单片机8 9 c 5 2 为 控制核心，与s i e m e n s 公司生产的7 m e 5 0 33 型电磁流量变送器( 内 置电磁流量传感器) 的脉冲发送端连接，脉冲当量为2 0 0 脉冲升。 开机后开始计时，直至关机，单片机每隔5 分钟采集一次脉冲信号， 15 分钟循环一次，测量并纪录在3 0 p s i 给水压力下，0 4 5l am 微滤 膜过滤5 0 0 m l 原水所需要时间，存入片内r a m ，通过计算得出s d i 污染密度指数，送入液晶显示屏显示。系统采用了液晶显示模块， 完成了时钟显示功能，s d i 污染密度指数显示功能，可记录3 0 组 9 0 个数据，分3 0 页显示，系统具有较高的测量精度与速度和友好 界面显示。 本课题完成了智能型污染密度指数测试仪的研究，其主要工作 有： 研制开发测试仪的硬件电路，包括了单片机控制系统、电源 电路、起始与翻页按钮电路及看门狗电路等硬件电路，使污 染密度指数的测试在原有手动测试的基础上实现自动测试， 具有智能化、操作便捷、测量精度高、测试速度快等特点。 开发了测试主程序、键盘去抖程序、外部中断和定时器中断 等大量的相关程序对s d i 指数进行自动测试。 建立了l c d 液晶显示模块，使测试仪具有人性化的显示界 面。 现场安装调试，使该智能型测试仪应用于生产第一线，具有 重要的理论意义和实用价值。 这种智能型s d i 污染密度指数测试仪的研究，是市场和生产实 践的需求，在使用过程中其操作便捷、测量精确，填补了国内该类 测试仪器的空白。目前，该产品已经申请技术成果专利。 第二章智能型s d i 测试系统的组成原理 第二章智能型s d i 测试系统的组成原理 2 1 一般s di 测试系统的基本组成 污染密度指数s d i ( s i l td e n s i t yi n d e x ) 值是表征反渗透系统 ( r o 系统) 和纳滤系统进水水质的重要指标。一般的s d i 测量仪 由球阀、压力调节阀、压力表、过滤池等组成，如图2 1 所示。 这种s d i 测试装置需要人工频繁地测量记录数据，测量后还要 进行手工计算，既费时又费力，而且容易出错，准确度低，这个缺 点在污水处理系统中体现得非常明显。工程实际要求研制开发出易 于操作、精确度高的智能型测量仪器。 球阀或第 压力表 气阀 o - 环 图2 1s d i 测试装置示意图 2 2 智能型s 0l 测试系统工作原理 本系统智能化较强，在上述组成的基础上加上了电磁流量变送 器( 内置电磁式流量传感器) 、单片机控制系统、l c d 液晶显示模 块组成。下面分别介绍它们的工作原理。 第二章智能型s d i 测试系统的组成原理 2 2 1 电磁式流量传感器 电磁流量计是利用法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电 液体体积流量的仪表。5 0 年代初电磁流量计实现了工业化应用， 近年来世界范围电磁流量计产量约占工业流量仪表总数的5 6 5 。上世纪7 0 年代，出现键控低频矩形波激磁方式，逐渐替代 早期应用的工频交流激磁方式，仪表性能有了很大提高，得到更为 广泛的应用。 1 工作原理【3 1 】 电磁式流量传感器的基本原理是法拉第电磁感应定律，即导体 在磁场中切割磁力线运动时在其两端产生感应电动势。导电性液体 在垂直于磁场的非磁性测量管内流动，与流动方向垂直的方向上产 生与流量成比例的感应电势，即会产生电动势，电动势的方向按“弗 来明右手规则”来判断。因此可应用电磁感应定律来测定流速，电 磁流量计就是根据这一原理制成的。 图2 2 是电磁式流量传感器的工作原理图。在励磁线圈通以励 磁电压后，绝缘导管便处于磁力线密度为b 的均匀磁场中，当流速 为可的导电性液体流经绝缘导管时，那么在导管内径为d 的管道壁 上设置的一对电极中，便会产生如下式所表示的电动势e ，即 e = b 矿d ( v ) 式中：可一一液体的平均流速( m s ) ； b 一一磁场的磁通密度： d 一一导管的内径( m ) 。 液体流动的容积流量： ( 2 1 ) q = 孚矿= 筹叫脚3 埘 2 ， 第二章智能型s d i 测试系统的组成原理 3 1 铁芯2 一电极3 一绝缘导管4 一励磁线5 一液体 2 图2 2 电磁式流量计工作原理图 i 电极部件削面圈 根据公式( 2 - 2 ) 可以看出，容积流量q 与电动势e 成正比。如 果我们事先知道导管内径和磁场的磁通密度b ，那么就可以通过对 电动势的测定，求出容积容量。 2 电磁流量传感器的优点 虽然电磁流量传感器的使用条件是要求流体是导电性的，但它 还是有许多优点。 没有机械可动部分； 能够得到与容积流量成正比的输出信号： 测量结果不受流体粘度的影响； 由于电动势是在包含电机的导管的断面处作为平均流速测 得的，因此受流速分布影响较小； 测量范围宽，可以从0 0 0 5 l9 0 0 0 0 m3 h ； 测量的精度高，可达0 5 。 3 使用电磁式流量传感器的注意事项 由于管道是绝缘体，电流在流体中流动很容易受杂波的干 第二章智能型s d i 测试系统的组成原理 扰，因此必须在安装流量传感器管道的两端设置接地环， 使液体接地。 虽然流速的分布对精度的影响不大，为消除这种影响，应 保证上流管道有足够的直线长度。 使用电磁流量计时，必须使管道内充满液体。传感器安装 方向水平、垂直或倾斜均可，不受限制。但测量固液两相 流体最好垂直安装，自下而上流动。这样能避免水平安装 时衬里下半部局部磨损严重，低流速时固相沉淀等缺点。 水平安装时要使电极轴线平行于地平线，不要处于垂直于 地平线，因为处于地步的电极易被沉积物覆盖，项部电极 易被液体中偶存气泡擦过遮住电极表面，使输出信号波动。 测定电导率较小的液体时，由于两极间的内部阻抗比较高， 所经信号放大器要有l0 0 mq 左右的输入阻抗。为保证传感 器正常的工作，液体的电导率必须保证在5 s c m 以上。 传感器必须单独接地( 接地电阻lo o q 以下) 。分离型原则 上接地应在传感器一侧，转换器接地应在同一接地点。如 传感器装在有阴极腐蚀保护管道上，除了传感器和接地环 一起接地外，还要用较粗铜导线( 16 m m2 ) 绕过传感器跨 接管道两连接法兰上，使阴极保护电流于传感器之间隔离。 有时候杂散电流过大，如电解槽沿着电解液的泄漏电流影 响正常测量，则可采取流量传感器与其连接的工艺之间电 气隔离的办法。同样有阴极保护的管线上，阴极保护电流 影响测量时，也可以采取本方法。 电磁式流量计可以广泛应用于自来水、工业用水、农业用水、 海水、污水、污泥、化学、药品、食品、矿浆等流量的检测。 2 2 2 电磁流量变送器 本系统采用s i e m e n s 公司生产的s i t r a n sf mi n t e r m a g2 电磁 流量变送器【引，如图2 31 3 4 所示。它是一个基于微处理器，并带有数 字显示的变送器，带有内置字母数字显示屏，可显示几种语言。它 可以处理来自s i t r a n sf m7l1 a ，71l e ，7l1 s 和71 1 f 5 系列电磁 式流量传感器的测量信号。 第二章智能型s d i 测试系统的组成原理 q 叠 图2 - 3 s i t r a n sf mi n t e r m a g2 电磁流量变送器 s i t r a n sf m i n t e r m a g2 变送器主要应用于供水，污水、发电 和配电、化工和制药工业、食品工业等领域。 1 电磁流量变送器的特点 带有16 位微处理器的信号快速处理系统。 能够自动识别传感器的类型与存储在s m a r t p l u g 智能模块中 的标定数据。 具有p r o f i b u s - p a ( p r o f i l e 30 ) 或h a r t 通讯。 简单的菜单操作，带有两行l c d 显示( 可选项) 。 具有自动监控功能。 所有的输出信号的内部仿真输出功能。 监控传感器在使用中的感应电流和电极的在线功能。 脉冲的模拟量输出和数字量输出，仪表状态，极限值流向 和频率的输出等。 禁止或允许累计茸清零，禁止或能关闭测量仪表( p z r ) 。 2 完成运行in t e r i l l a g2 变送器的操作可使用的设备 控制和显示单元。 h a r t 通讯器。 采用h a r t 通讯的p c 便携式p c 和s 1 m a t i cp d m 软件( 如图 2 4 n 示) 。 采用p r o f i b u s - p a 通讯的p c 便携式p c 和s i m a t i cp d m 软件( 如图2 5 所示) 。 第二章智能型s d i 测试系统的组成原理 图2 - 4h a r t 通讯 静p r c f 啦u s p a 接亡内 盍塔嚣 图2 5p r o f l b u sp a 通讯 3 slt r a n sf min t er m a g2 的控制和显示单元 控制和显示单元的操作极为简单，无需附件。不必打开外壳。 因此，高的防护等级( ip 6 7 n e m a4 x ) 总是能保证设备的可靠运行。 使用层次结构，带有4 个光学输入器件的多语种输入菜单选择各种 功能和参数。使用字母数字的文本和代码号按特性选择和改变参 数，例如： 设定量程、物理尺寸或设备信息等操作参数 用于流量、计数器配置的极限值 使用单独的干扰消除和衰减以及磁滞功能等方法来抑制噪声 自动与电源同步 显示参数( 可自由配置的文本显示) 以体积或质量为单位显示 作为常数输入的密度，用来将体积转换成质量 零流量截止 正向和反向流量测量 流向显示和评估 诊断功能和控制值 第二章智能型s d i 测试系统的组成原理 p r o f ib u s 的地址 模拟量输出功能：成比例的流量，故障信号。 数字输出1 的功能( 晶体管) ：正比于流量的频率输出，报警， 正向或反向流量信号，用于流量和计数器的最小或最大极限值。 数字量输出2 功能( 继电器) ：报警，正向或反向流量信号， 用于流量和计数的最小或最大极限值。 通过模拟量输出、数字量输出l 和数字量输出2 的输出信号模拟 h a r t 协议是通过模拟量输出( 电流输出) 实现的。这种通讯功 能允许除本地操作外，还可使用h a r t 通讯器或p c 便携式p c 和 s m a t icp d m 软件使设备参数化。使用p r o f ib u s p a 的sit r a n sf m in te r m a 9 2 型式，其模拟量输出和数字量输出2 已被数字r o f ib u s p a 输出代替。除本地操作外，还可使用p r o f ib u s 通讯和sim a t icp d m 使设备参数化。 电磁流量计适用于测量几乎所有导电液体的流量。采用磁场意 味着，这种流量计适用于介质流速最大达l2 m s 、最小导电率为3 t t s c m ( 使用脉冲常量磁场) 的场合。一台完整的电磁流量计由一 个流量传感器和一个sit r a n sf mir l te r m a g2 变送器( 用于脉冲常 量磁场) 组成。这些设备能以分体型和一体化型提供。电磁流量计 是按法拉第的电磁感应定律运行的，通过磁场的运动，在导电体内 会产生感应电压。 2 2 3 智能型s di 系统组成 在本s d i 测量仪中，主要用到s i t r a n sf mi n t e r m a g2 变送 器的特点“脉冲的模拟量输出和数字量输出，仪表状态，极限值， 流向和频率的输出等”，系统接线示意图如图2 6 。 图2 6s d i 系统接线示意图 第二章智能型s d l 测试系统的组成原理 测定s d i 值的标准方法的基本原理是测量在3 0 p s i , 给水压力下 用0 4 5um 微滤膜过滤一定量的原水所需要的时间。原水先经球阀 和压力调节阀，调节压力调节阀使给水压力为3 0 p s i ，通过0 4 5 p m 微 滤膜进入电磁流量变送器的输入端。此型号的西门子电磁流量变送 器内部配有电磁流量传感器，通过表盘上的四个光敏操作键选择脉 冲当量2 0 0 脉冲升。此时每流过电磁流量变送器l 升原水输出脉 冲2 0 0 个。在相同的3 0 p s i 这个给水压力下用0 4 5 p r o 微滤膜过滤一 定量的原水所需要时间是不同的。也就是完成发送2 0 0 个脉冲时间 越长，s d i 指数越高；反之，s d i 指数越低。 2 3 单片机控制系统 2 3 1 总体方案 本系统控制部分由单片机实现，采用单片机c 语言编程。系统 原理框图，如图2 7 。键盘由3 个按钮组成，包括：起始按钮( s t a r t ) 、 向上翻页( u p ) 、向下翻页( d o w n ) 。设置电磁流量传感器输出脉冲 2 0 0 脉冲升，信号为”o = l2 v 的脉冲，经电阻分压后转化为5 v 接到 单片机的i n t 0 管脚，单片机计脉冲数到10 0 时，记一次采样时间， 即：流5 0 0 m l 原水所用时间。每5 分钟记一次，l5 分钟循环一次。 由单片机内部完成计算s d i 污染密度指数，再送到液晶显示器上显 示。 第二章智能型s d i 测试系统的组成原理 输 图2 7 系统原理框图 2 3 289 0 52 原理与应用 a t 8 9 c 5 2 是美国a t m e l 公司生产的低电压，高性能c m o s8 位单 片机，片内含8 kb y te s 的可反复擦写的只读程序存储器( p e r o m ) 和25 6b y te s 的随机存取数据存储器( r a m ) ，器件采用a t m e l 公 司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准m c s - 51 指令系统及 8 0 5 2 产品引脚兼容，片内置通用8 位中央处理器( c p u ) 和f la s h 存储单元。功能强大a t 8 9 c 5 2 单片机适合于许多较为复杂控制应用 场合。 1 主要性能参数 与m c s - 5 1 产品指令和引脚完全兼容 8 k 字节可重擦写f la s h 闪速存储器 1 0 0 0 次擦写周期 全静态操作：o h z - - 2 4 m h z 三级加密程序存储器 2 5 6 * 8 字节内部r a m 3 2 个可编程i o 口线 3 个16 位定时计数器 8 个中断源 可编程串行u a r t 通道、低功耗空闲和掉电模式 2 功能特性概述： a t 8 9 c 5 2 提供以下标准功能：8 k 字节f la s h 闪速存储器，25 6 字节内部r a m ，3 2 个i 0 口线，3 个l6 位定时计数器，一个6 向 第二章智能型s d i 测试系统的组成原理 量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。 同时，a t 8 9 c 5 2 可降至o h z 的静态逻辑操作，并支持两种软件可选 的节点工作模式。空闲方式停止c p u 的工作，但允许r a m ，定时 计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存r a m 中的 内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件 复位。 3 引脚功能说明 8 9 c 5 2 方框图如图2 8 所示，其引脚功能如下： _ t 图2 88 9 c 5 2 方框图 第二章智能型s d i 测试系统的组成原理 ：电源电压 g n d ：地 p 0 口：p 0 口是一组8 位漏极开路型双向i o 口，即地址数 据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱 动8 个t t l 逻辑门电路，对端口p o 写“1 ”时，可作为高阻 抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组 口线分时转换地址( 低8 位) 和数据总线复用，在访问期间 激活内部上拉电阻。在f 1a , s h 编程时，p o 口接收指令字节， 而在程序校验时，输出指令字节，校验时要求外接上拉电阻。 pl 口：p1 是一个带内部上拉电阻的8 位双向i 0 口，p1 的输 出缓冲级可驱动( 吸收或输出电流) 4 个t t l 逻辑门电路。对 端口写“1 ”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此 时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻， 某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流( i 。) 。与 a t 8 9 c 51 不同之处是，p1 0 和p1 1 还可分别作为定时计数 器2 的外部计数输入( p1 0 t 2 ) 和输入( p1 1 t 2 e x ) ，参 见表2 1 。f la s h 编程和程序校验期间，p1 接收低8 位地址。 表2 1p 1 0 和p1 1 的第二功能 引i f 号功 已奄性 p 1 ot 2c 定酎_ ，计缸器2 外卸计数膀浮翁入 时钟输出 p t 2 e x ( 定时，计数2 椭获垂装| 2 越发租万向缆制 p 2 口：p 2 是一个带有内部上拉电阻的8 位双向i o 口，p 2 的输 出缓冲级可驱动( 吸收或输出电流) 4 个t t l 逻辑门电路。对 端口p 2 写“1 ”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此 时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻， 某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流( ii l ) 。在访问 外部程序存储器或16 位地址的外部数据存储器( 例如执行 m o v x ri 指令) 时，p 2 口输出p 2 锁存器的内容。fla s h 编程 或校验时，p 2 亦接收高位地址和一些控制信号。 p 3 口：p 3 口是一组带有内部上拉电阻的8 位双向i o 口。p 3 口 输出缓冲级可驱动( 吸收或输出电流) 4 个t t l 逻辑门电路。 第二章智能型s d i 测试系统的组成原理 对p 3 口写入“l ”时，他们被内部上拉电阻拉高并可作为输 入端口。此时，被外部拉低的p 3 口将用上拉电阻输出电流 ( ii l ) 。p 3 口除了作为一般的i o 口线外，更重要的用途是 它的第二功能，如表2 - 2 所示。此外，p 3 口还接收一些用于 f 1a s h 闪速存储器编程和程序效验的控制信号。 r s t ：复位输入。当振荡器工作时，r s t 引脚出现两个机器 周期以上高电平将使单片机复位。 表2 2p 3 口的第二功能 端口弓l 描第二动能 门0f o o df4 ：行蝓入口) v 3 x u f 串行输出口) 一2丙霄( 外啼，断0 1 p 3 j i n t i 外中断： p 了47 0c 定时汁赦l l i o ： p 3 5了1 ( 定置于计数器! j p 3 ei 雨 ( 外 # 搬倨耳储器弓谗暹) 魁，r d( 外部搬豫布谴嚣 雾诲= i | 1 ) 4 定时器 a t 8 9 c 5 2 除了与8 9 c 51 所有的定时计数器0 和定时计数器1 外，还增加了一个定时计数器2 。定时计数器2 的控制和状态位 于t 2 c o n ( 参见表2 3 ) 和t 2 m o d ( 参见表2 4 ) 。 表2 3 定时计数器2 控制寄存器t 2 c o n 符号玷宅 足爨2 亩出氯卷冠盱器2 盎出时，又由硬陴置倥必妒由餮卢衲兰茁苫j 衷翻 l 时- 奄娶7 正出不：时t 弦置主 龆f 嚣，外却并艺当烈e 鼢= 】且当t 咒x 引却上出岘负魏盘而出蚬捕彳乇或童装蛾时烈弦置童 e x l r z5 中信t ，：盱j t 日i u 黑亢许享幕川，暂：r l 币疗- l - 秭，执彳彳享p j 舶z ： 盱j i 备碍庠x k 辫项 ；由靛件i 告砼兰宣时耍? 工t 【向上或与f i + 数r f c 方亢对cx ! 拈1 ) 醒弦万铯搿抽中聒 攫靛酊锌兑奸芟r l 时- 慝定时器2 若出瓤冲作为罨行( 二作子二馆方式或3 对) 靛吞l 扭时 一 p l l t 。1 1 ，用定目箍l 的注：觫f “勾蒌t 扭町* ? 。 霞送町村克坪r 亡卫i 时- 篾王时器：苴山驻 串f r 方曷行c 二信亨二作方式i 葡e ，时) 蓖盘造时 户_ c ：b 0 毒三日寸垂：的连出噼冲f f 勾五连叶辛 ，。n 定封船：井智贮t 芊辱考当“上兜】 ，【i 黑焉三 萋2 棚于瞧罨 - 口约谤持z 东竺器，砭1 2 奠姨 “。 出巴受残褒耻i 嘭，教巷塞彰罨2 婪礓正五袋六。“# 起= ；叫，：z 肆酶丝铃智信寻无毁 i r ? 章引器z 暴动，俸j p 拧刮佗t 趁= l 州宾廿聿口f 器z 。 ：一 定订器2 乏酊方式蕈j t 嚣力式燕龟在c ，琵0 ，i 垒择乏时方式“1 2 t p f ，瞎撂列外器事| l 牛c t ” 蠹万式下障棚叛 猫器重差丑连挥c l , t r - 1 1 时，茁b z 瞳一：- 旦t 2 2 扁= i d 习【曩靠，中盯发竺拥驿赞苣 c p 臆口瞄，互孑：借t 着稍吾p 滏：或e z t 矽= ：刍件f t 7 ，瞒= 曩壹舄t 生甜冲孽釜= 埂音砖罩麓t 收住岑矗n 枣i 蚰c “- 【时，污n 无盘，虿亭j 辫2 溢出纠；豁i f = 冉劫罩筝垂k 第二章智能型s d i 测试系统的组成原理 表2 4 定时器2 一t 2 m o d 控制寄存器 ：i j 碟 一是定义，瞩冒号糸冀写 t 2 0 e 定订毋：轼矗，c i 午l 弹l 首 ；c c e n 置位i i 位- _ ，c 许定盯 j 1 2 一上拍眄下i t 嚣 ( 2 ) 定时器2 定时器2 是一个16 位定时计数器。它既可当定时器使用，也可 作为外部事件计数器使用，其工作方式由特殊功能寄存器t 2 c o n ( 如 表2 3 ) 的c t 2 位选择。定时器2 有三种工作方式：捕获方式，自动 重装载( 向上或向下计数) 方式和波特率发生器方式，工作方式由 t 2 c o n 的控制位来选择，参见表2 - 5 。 表2 - 5 定时器2 工作方式 r c l k + t c u c p ，r l 2t r 2m o d e c o1昏b i ta k t d 8 1 0 a d 0 1 昏b i tc a 敛u 旧 tx b 氟一r g 删孵 xxo c o 定时器2 由两个8 位寄存器t h 2 和t l 2 组成，在定时器工作方式 中，每个机器周期t l 2 寄存器的值加l ，由于一个机器周期由12 个振 荡时钟构成，因此，计数速率为震荡频率的1 12 。 在计数工作方式时，当t 2 引脚上外部输入信号产生由1 至0 的下降沿时，寄存器的值加1 ，在这种工作方式下，每个机器周期 的5 s p 2 期间，对外部输入进行采样。若在第一个机器周期中采到 的值为l ，而在下一个机器周期中采到的值为0 ，则在紧跟着的下 一个周期的s 3 p1 期间寄存器加1 。由于识别1 至o 的跳变需要2 个机器周期( 2 4 个振荡周期) ，因此，最高计数速率为振荡频率 的l 24 。为确保采样的正确性，要求输入的电平在变化前至少保 持一个完整周期的时间，以保证输入信号至少被采样一次。 捕获方式 在捕获方式下，通过t 2 c 0 控制位e x e n 2 来选择两种方式。如果 第二二章智能型s d i 测试系统的组成原理 e x e n 2 = o ，定时器2 是一个l6 位定时器或计数器，计数溢出时，对 t 2 c o n 的溢出标志t f 2 置位，同时激活中断。如果e x e n 2 = 1 ，定时器2 完成相同的操作，而当t 2 e x 引脚外部输入信号发生l 至0 负跳变时， 也出现t h 2 和t l 2 种的值分别被捕获到r c a p 2 h 和r c a p r l 中。另外， t 2 e x 引脚信号的跳变使得t 2 c o n 中的e x f 2 置位，与t f 2 相仿，e x f 2 也会激活中断。捕获方式如图2 9 所示。 图2 - 9 定时器的捕获方式 自动重装载( 向上或向下计数器) 方式 当定时器2 工作于16 位自动重装载方式时，能对其编程为向上 或向下计数方式，这个功能可通过特殊功能寄存器t 2 c o