（计算机应用技术专业论文）污水测控系统的设计与实现.pdf

污水测控系统的设计与实现 污水测控系统的设计与实现 中文手两芰 随着经济和社会的飞速发展，人们认识到环境的污染愈来愈严重，而其中水污染 直接威胁到所有生物的生存。水污染已经引起了世界各国的重视。我国政府对水污染 也非常重视，并将其作为今后一段时期内基本建设投资的重点。加强污水处理技术的 研究，以提高我国污水处理工业的综合竞争力，成为我国工业发展中的重要课题。 本文通过对污水处理的研究，开发了污水测控系统。该系统主要实现对存储在水 罐中的水进行压力、温度以及水位的检测，并且通过检测的不同水位高度可以控制进 水泵向罐中自动加水，并通过l c d 显示屏幕将压力、温度等介质参数显示出来。 本文基于硬件构件思想实现了污水测控系统的硬件设计，以f r e e s c a l e 公司的 m c 9 s 0 8 a w 6 0 微控制器为核心，包含电源构件、串行通信构件、时钟构件、继电器 构件、数据采集构件、液晶构件、指示灯构件、键盘构件以及其他构件。在嵌入式 硬件模块构件化设计的基础上，分析了嵌入式构件的层次模型，对嵌入式软件构 件和嵌入式硬件构件做出准确定位。以污水测控系统使用的软件构件作为实例， 分析了软件构件的整个过程。在底层软件中，采用键盘逐行逐列地扫描原理实现 键扫描；通过多次采集液位数据获取准确的液位；采用中值和均值滤波的方法稳 定了温度和压力传感器信号的接收。 本课题的主要应用创新点有：在系统设计中，充分按照硬件构件以及软件构件的 原则，进行软硬件设计，提高了系统的可维护性与可移植性；良好的人性化显示模块， 可以将传感器采集到的温度及压力值显示在l c d 上；采用了接口备用模块，以便扩展 其他功能。 关键字：m c 9 s 0 8 a w 6 0 ，污水测控，构件，数据采集 作者：郭景云 指导教师：王宜怀 a b s t r a e t d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fw a s t e w a t e rc o n t r o ls y s t e m d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fs e w a g e c o n t r o l s y s t e m a b s t r a c t w i t ht h er a p i de c o n o m i ca n ds o c i a ld e v e l o p m e n t ，i ti sr e c o g n i z e dt h a te n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o ni sg e t t i n gw o r s e ，b u tw a t e rp o l l u t i o ni sad i r e c tt h r e a tt ot h es u r v i v a lo fa l ll i v i n g w a t e rp o l l u t i o nh a sd r a w nt h ea t t e n t i o no fc o u n t r i e si nt h ew o r l d o u rc o u n t r ya t t a c h e sg r e a t i m p o r t a n c et ow a t e rp o l l u t i o n ，a n dt a k e si t a st h ef o c u so f c a p i t a li n v e s t m e n ti nt h en e x t p e r i o do ft i m e s t r e n g t h e n i n gt h es e w a g et r e a t m e n tt e c h n o l o g yr e s e a r c ht oi m p r o v et h e c h i n a so v e r a l lc o m p e t i t i o no ft h es e w a g et r e a t m e n ti n d u s t r y , w h i c hh a sb e c o m ea l l i m p o r t a n ts u b j e c to fi n d u s t r i a ld e v e l o p m e n t b ym e a n so fs e w a g et r e a t m e n tr e s e a r c ht h ep a p e rd e v e l o p ss e w a g ec o n t r o ls y s t e m t h es y s t e mm a i n l yd e t e c t st h ep r e s s u r e ，t e m p e r a t u r e ，a n dt a n kl e v e lo ft h ew a t e rs t o r e di n t h et a n k , c o n t r o l sa u t o m a t i c a l l yt h ep u m pa d d sw a t e rt ot h et a n kb yd e t e c t i n gt h eh e i g h to f t h e d i f f e r e n tw a t e rl e v e l s ，a n dd i s p l a y st h em e d i u mp a r a m e t e r ss u c ha s p r e s s u r e ， t e m p e r a t u r eb yt h el c d s c r e e n t h i sp a p e rh a sr e a l i z e dt h eh a r d w a r ed e s i g no fs e w a g ec o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h e h a r d w a r ec o m p o n e n t , t a k e sf r e e s c a l e sm c 9 s 0 8 a w 6 0m i c r o c o n t r o l l e ra sc o r e ，a n d i n c l u d e st h ep o w e rs u p p l yc o m p o n e n t ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o nc o m p o n e n t ，c l o c kc o m p o n e n t ， r e l a yc o m p o n e n t ，d a t aa c q u i s i t i o nc o m p o n e n t ，l i q u i dc r y s t a lc o m p o n e n t ，i n s t r u c t i o n sl i g h t c o m p o n e n t ，t h ek e y b o a r dc o m p o n e n ta n do t h e rc o m p o n e n t s b a s e do nt h ee m b e d d e d h a r d w a r em o d u l ec o m p o n e n td e s i g n ，t h ep a p e ra n a l y s e st h el e v e lm o d e lo ft h ee m b e d d e d c o m p o n e n ta n dm a k e sa c c u r a t ep o s i t i o no fe m b e d d e ds o f t w a r ec o m p o n e n ta n de m b e d d e d h a r d w a r ec o m p o n e n t t a k i n gs o f t w a r ec o m p o n e n to fs e w a g ec o n t r o ls y s t e ma sa n e x a m p l e ，t h ep a p e ra n a l y s e st h ew h o l ep r o c e s so ft h es o f t w a r ec o m p o n e n t i nt h e u n d e r l y i n gs o f t w a r e ，u s e st h ek e y b o a r db yt h el i n eb yt h er o ws c a n n i n gp r i n c i p l et o a c h i e v ek e ys c a n ；o b t a i n sa na c c u r a t el i q u i dl e v e lb ys e v e r a lt i m e s 、析t 1 1t h el e v e lo fd a t a c o l l e c t i o n ；s t a b i l i z e st h et e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r es e n s o rs i g n a lr e c e p t i o nb yu s i n go f m e d i a na n da v e r a g ef i l t e r i n gm e t h o d t h em a i na p p l i c a t i o ni n n o v a t i o np o i n t so ft h i si s s u ea r e ：i nt h es y s t e md e s i g n ，f u l l l y a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo ft h eh a r d w a r ec o m p o n e n ta n ds o f t w a r ec o m p o n e n t ，c a r r i e so n h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g nt oi m p r o v et h es y s t e m sm a i n t a i n a b i l i t ya n dp o r t a b i l i t y ；a g o o dh u m a nd i s p l a ym o d u l ec a nd i s p l a yt h et e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e v a l u e st h a tb e d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fw a s t e w a t e rc o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t c o l l e c t e db ys e n s o ro nt h el c d ；u s e st h ei n t e r f a c es t a n d b ym o d u l e ，s oa st oe x p a n do t h e r f u n c t i o n s k e y w o r d s ：m c 9 s 0 8 a w 6 0 ，s e w a g ec o n t r o l ，c o m p o n e n t ，d a t a c o l l e c t i o n w r i t t e nb yg u o j i n g y u n s u p e r v i s e db yw a n g y i h u a i i i i 附录5 0 附录1a w 6 0 引脚5 0 附录2a w 6 0 功能方框图5 l 附录3 污水测控系统p c b 板图5 2 附录4 测控系统自动方式程序代码5 3 致j 射5 8 图索引 图2 1 系统的结构框图9 图3 1 硬件构件模型结构1 5 图3 2a w 6 0 最小系统原理图1 6 图3 3b d m 调试系统组成框图1 8 图3 4 电源构件1 8 图3 5 备用电源1 8 图3 - 6 串行通信构件1 9 图3 7 时钟芯片p c f 8 5 6 3 构件2 0 图3 8 继电器构件2 1 图3 - 9 连杆浮球液位开关2 1 图3 1 0 液位采集构件2 2 图3 1 1 压力采集构件2 3 图3 1 2 压力变送器s p 8 0 1 2 4 图3 1 3 温度采集构件2 4 图3 1 4 三线制p t l 0 0 2 5 图3 15 液晶构件2 5 图3 1 6 指示灯构件2 6 图3 17 键盘构件2 7 图3 18 键盘示意图2 7 图3 1 9 紧急处理构件2 7 图3 2 0 备用构件2 7 图4 1 嵌入式硬件构件与软件构件的层次模型3 0 v 1 图4 2 测控系统主程序流程图3 5 图4 34 x 4 键盘的接线原理图3 6 图4 - 4 液位采集流程图3 7 图4 5 温度采集流程图3 9 图4 6 压力采集流程图3 9 图5 1 继电器控制电路4 3 表索引 表2 1 系统开关量输入输出一览表8 表2 2 系统输入输出信号一览表。9 表3 1 选择处理器需要考虑的几个问题1 1 表3 2 外围器件选取1 2 表3 3a w 6 0 主要引脚及功能1 3 表3 4a w 6 0 存储器分配1 4 表3 5 核心构件、中间构件和终端构件的区别1 5 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个入和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律。 责任。 研究生签名：叠量耋。日期： 学位论文使用授权声明 勘习i i 哆 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档i 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：至臣量：叁 日期： 塑乞! 尘 导师签名：量兰童! f 墨日期：釜互! 幺： 污水测控系统的设计与实现第一章绪论 第一章绪论 帚一早珀下匕 随着经济发展和城市化进程的加快，我国水污染问题愈来愈严重，同时我国是一 个水资源极其匾乏的国家，严重的水污染和水资源短缺已经成为制约我国社会经济 持续发展、影响人民生活和身体健康的突出问题。解决好水污染问题，对污水进行净 化处理后再进行排放，是生态环境保护以及为人们营造舒适生活环境的重要条件。因 此污水处理做为一个与人民生活息息相关的产业越来越受到人们的关注与重视。我国 政府对水污染也非常重视，并将污水处理作为今后一段时期内基本建设投资的重点。 加强污水处理技术的研究，以提高我国污水处理工业的综合竞争力，成为我国工业发 展中的重要课题。 本文通过对污水处理问题的研究，开发了污水测控系统。该系统由m c 9 s 0 8 a w 6 0 微处理器及外围设备组成，自动实时的对存储在水罐中的水进行相关参数如压力、温 度以及水位等的检测，并对参数进行分析，从而实现对罐中水位的控制，所有参数均 可通过l c d 显示屏显示出来。 1 1 污水处理的困惑和解决方案 1 1 1 污水处理的困惑 近些年来我国政府开始关注环境污染问题，特别是提出可持续发展战略后，政府 在经济快速发展的同时也注意环境的保护和治理。环境保护已成为我国的基本国策之 一。从近几年环境治理来看，我国的环保理论、工艺研究和应用与国外差距不大，差 距比较大的是环保单元设备和自动控制系统【1 】。 1 人工操作 传统的污水处理厂的运行离不开人，各个工艺流程阶段都需要人工的干预，采用 人工方式检查与记录水厂生产数据。因为污水处理过程很复杂，有很多不确定性和模 糊性，许多操作过程与作用之间机理还不清楚，而传统的比例积分微分( p r o p o r t i o n i n t e g r a t i o nd i f f e r e n t i a t i o n ，p i d ) 控制方法需要精确的数学模型和分析过程，无法处 理复杂的污水处理过程，所以一般由人工来完成整个过程的闭环控制。而过于依赖人 工操作则会带来太多的人为因素，不利于进行快速和有效的在线实时控制，往往导致 出水水质的不稳定，同时也难以进一步提高企业的效益。 2 半自动控制 第一章绪论污水测控系统的设计与实现 通过数据采集器等手段采集局部过程量送入控制室，一般在控制室设有工艺模拟 显示屏或上位机，在模拟屏或上位机上显示液位、流量、温度、浊度、p h 值等性能 指标以及电机、闸门运行状态，随生产过程进行监控，上位机操作人员可在模拟屏或 操作台上遥控部分设备的启停，而某些设备的控制就需要联系现场操作人员，由现场 操作人员手工控制，生产中的数据需要人工记录。这种控制方式需要人工的频繁干预， 中间存在人为联系的延迟，从而影响出水水质的稳定，但这是目前国内中、小型污水 处理厂较多采用的方式。 3 引进国外的设备和技术 国内某些城市污水处理厂全套引进了国外的设备和技术，虽然取得了一定效果， 但全部引进国外技术存在以下问题：( 1 ) 引进费用昂贵；( 2 ) 维护费用昂贵，维护不 便；( 3 ) 没有结合我国的国情；( 4 ) 不利于培养我国的相关专业的工程技术人员。 1 1 2 解决新思路 随着科学技术的发展，越来越多的领域开始使用自动控制技术，自动控制技 术将人类从复杂、危险、繁琐的劳动环境中解放出来并大大提高控制效率。因此 对自动控制技术的研究意义重大。 自动控带t j ( a u t o m a t i ec o n t r 0 1 ) 是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设 备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规 律运行。 自动控制应用自动化仪器仪表或自动控制装置代替人自动地对工业生产过程 进行控制，使之达到预期的状态或性能指标，自动化技术在污水处理行业得到了 广泛应用。污水厂自控系统的运行，将实现车间无人值守，提高全厂生产组织和 调度指挥水平，促进设备完好，保证出厂水质，降低治水消耗，为水厂带来显著 的社会效益和经济效益。智能的污水控制系统具有自学习、自适应和自组织功能， 特别适用于复杂的污水处理动态过程的控制【2 1 。 现代自动控制技术与6 0 , - 一7 0 年代所说的自动控制技术主要区别在于计算机 技术的应用，它不是单纯靠硬件设备完成的，软件发挥了重要的作用。其主要特 征有以下四点。 1 传感器技术的应用 在工业生产中，没有物理量的检测，就谈不上自动控制，检测的精度、速度 与检测方法正确与否直接关系到整个控制系统的运行质量。担任检测任务的元件 是传感器，它是自动控制系统的关键，在控制系统中具有重要的地位。污水控制 2 污水测控系统的设计与实现 第一章绪论 工业中主要测量的物理量有：压力、温度以及水位。目前，国产传感器基本上能 满足我国污水控制工业的需要，关键问题是如何具体应用。另一方面，由于我国 的传感器工业与发达国家有一定差距，测量精度与可靠性不如进口传感器。但是， 由于国产传感器价格较低，从性能价格比来看，则优于进口传感器。在中小污水 测控中，建议使用国产传感器。 2 单片机技术的应用 单片机技术是现代计算机技术发展的产物，在家用电器、仪器仪表、数据传 输、通讯领域、机械制造、工业控制的方面得到了广泛的应用。单片机( m i c r oc o n t r o l u n i t ，m c u ) 的基本含义是：在一块芯片上集成了中央处理单元( c p u ) 、存储器 ( r a m r o m 等) 、定时器计数器及多种输入输出( i o ) 接i = 1 的比较完整的数字处理 系统【3 】。加上部分外围电路即可构成一定功能的控制系统，配以合适的固化软件可 以直接用于小型控制系统，也可作为较大控制系统的一部分。在较大的控制系统 中，单片机可用于数据采集、与微机系统通信、接收微机系统指令并控制动作执 行等。单片机种类繁多，本污水测控系统中使用的是f r e e s c a l e 公司的s 0 8 系列 m c um c 9 s 0 8 a w 6 0 ( 以下简称a w 6 0 ) 。 3 可编程控制器技术的应用 可编程控制器技术( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ，p l c ) 是以微控制器为核心 的工业控制装置。早期它是用来取代继电器控制，现在其功能不断扩展，成为专 业工业环境设计的、用途广泛的工业控制装置。在大多数情况下，用于多路开关 量的控制，由于其可编程，实际上己成为计算机在工业控制领域应用的组成部分。 4 微机系统与通信技术的应用 由于微机价格的持续下降，功能不断提高，早期仅用单片机、p l c 等开发的 工业自动控制装置，现在普遍采用微机系统与单片机、p l c 等联合运作，使系统 功能更加完善、操作更简便、显示更直观、设置更方便、信息更丰富。现代计算 机通信技术作为控制系统信息、指令传输的基础，在工业控制系统中发挥枢纽作 用。特别在总控系统及远程控制系统，微机系统与通信技术更是必不可少，需要 着重强调的是，计算机软件技术也是工业自动控制中的关键技术，这正是现代自 动控制与过去所讲的自动控制的主要区别之一。没有运行良好的软件，难以实现 真正的工业自动控制。 第一章绪论污水测控系统的设计与实现 1 2 研究背景 经济发达的国家如美国、日本和西欧等国家在研究新的理论和工艺的同时， 也重视污水处理自动控制系统的研究。这些国家先后纷纷投资研究开发高效型、 智能型、集约型污水处理设备和自动化控制仪表。国内对污水处理研究越来越重 视，特别在现代社会生活及生产中人们对水的需求量与日俱增，对水质要求也越 来越高，因而也越来越重视水处理和水的再利用，通过各种技术进一步提高供水 质量，降低生产能耗、药耗，提高经济效益等。而随着环境保护的呼声越来越高， 对于各种污水进行处理后再排放成为各企业基本的要求。 1 3 课题意义 我国水资源总量不少，但人均、亩均水资源量很少。我国水资源总量为2 8 1 2 4 亿i n 3 ，其中河川径流2 7 1 1 5 亿m 3 ，少于巴西、前苏联、加拿大，居世界第四位， 人均水资源占有量仅为世界人均占有量的1 4 。据统计，全国工业废水排放达标率 为9 1 2 ，其中重点企业工业废水排放达标率为9 2 8 ，非重点企业工业废水排放 达标率为8 0 6 。可见，污水治理工作形势依然严峻。 随着人类社会的高速发展，目前在现代社会生活及生产中人们对水的需求量 与日俱增，对水质要求也越来越高，各种环境污染问题也日益严重，给人类的生 存和社会的持续发展带来了巨大的威胁，因而也越来越重视水处理和水的再利用， 污水处理技术应运而生，大大提高了供水质量，降低生产能耗，提高经济效益。 所以我们今后经济发展的重点之一是解决水污染问题，水污染治理的重点是建设 城市污水处理厂，而要使处理后的出水达到国家的排放标准，不仅要有成熟有效 的处理工艺，还要有先进科学的处理过程及自控监视系统。 1 4 总体设计思路 本课题着眼于h c s 0 8m c u 在国内的推广与应用，将构建一套基于a w 6 0 微 处理器的污水测控系统，这套系统具有操作简单，价格低廉，技术资料全面，可 扩展性强等特点。 软件开发环境是一套在w i n d o w s 平台的集成开发环境( i n t e g r a t e d d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，i d e ) ，它以工程的方式组织源文件，方便用户编辑， 为用户提供界面，该界面是一个多窗口的应用程序，包含菜单、状态栏、文件管 4 污水测控系统的设计与实现第一章绪论 理窗口、信息输出窗口等人机接口，负责工程文件管理、信息的输出、程序的下 载和调试。本设计使用的软件工具是f r e e s c a l e 公司的c o d e w a r r i o r ，此软件开发工 具可以免费获得，因此本文未单独开发软件套件。本文由于受篇幅限制，对于 c o d e w a r r i o r 的使用及相关知识不在本文中介绍，详见f r e e s c a l e 官方资料。 本系统的硬件开发工具采用a w 6 0 自带的b d m ( 背景调试模式) 调试模块。 a w 6 0m c u 内部没有任何的监控程序，要完成代码的下载，必须要有相应的硬件 开发工具。b d m 调试模块将p c 机端的软件开发环境中生成的代码，下载到目标 板上，实现软件代码在硬件处理器上的运行。 本系统要解决的关键问题包括三个方面：一是如何实现较通用的数据采集和 控制功能；二是如何保证a d 采集的正确性以及精度；三是如何实现正确的人工控 制。最终将这三种功能融合起来，达到对测控对象的测量、自动控制以及人工控 制的目的。 1 5 论文工作和论文结构 1 5 1 论文工作安排 本文的主要工作安排如下： 1 总体设计 对软硬件设计的具体内容进行分析，确定软、硬件平台的设计方案。 2 设计测控系统模块硬件 ( 1 ) 芯片选型，分析以8 位m c 9 s 0 8 a w 6 0 为主控芯片实现测控系统的可行性； ( 2 ) 结合主控芯片与系统功能的特点，分析主控芯片进行测控的最佳方式； ( 3 ) 了解芯片的支撑电路，分析芯片间的接线方式，设计硬件原理图； ( 4 ) 元器件的采购，了解各个元件的封装； ( 5 ) 根据元件封装，绘制p c b 电路图，联系p c b 制作厂家生产； ( 6 ) 焊接、测试、完成硬件系统。 3 设计测控系统模块软件 ( 1 ) 实现2 路模拟量数据采集以及2 4 路开关量的数据采集； ( 2 ) 实现1 4 路开关信号的控制； ( 3 ) 系统设计与开发过程中的体会。 1 5 2 论文结构 全文共分为六章，各章的内容安排如下： 5 第一章绪论污水测控系统的设计与实现 第一章为绪论部分，首先分析了污水处理的困惑和解决方案，然后针对我国 的污水处理系统的现状，阐述了课题的背景和研究意义，给出了总体设计思路以 及本文工作和论文结构。 第二章阐述了系统的设计要求、并依据此要求分析了系统的功能，给出了系 统结构框图以及各个模块的功能，并简述了系统的主要特点。 第三章详细描述了如何进行构件化的嵌入式硬件设计，给出了硬件选型的原 则、a w 6 0m c u 微处理器的特性及硬件构件思想，并基于硬件构件思想分析了本 系统的各个硬件构件。 第四章阐述了如何进行基于嵌入式硬件构件的底层软件设计，通过实例讲述 了底层构件的实现，分析了本测控系统的程序流程，重点描述了键盘扫描的过程 和数据采集的过程。 第五章对整个开发过程中的调试进行总结，列出了本文测控系统的应用以及 整个系统开发过程中的体会。 第六章为总结和展望部分，对本文进行了总结，并进一步提出了一些尚待研究和 实现的问题。 6 污水测控系统的设计与实现 第二章污水测控系统总体概述 第二章污水测控系统总体概述 污水测控系统是针对现实生活中的污水进行处理的系统，其中包括：污水温度 的采集，压力的采集以及污水水位的采集，对各种泵的启停控制。本章对系统各 部分的设计进行详细的说明。 2 1 系统设计要求 ( 1 ) 实用性。以解决现实问题为主，坚持为领导决策服务，为经营管理服务， 为生产建设服务。 ( 2 ) 先进性。采用成熟的技术，兼顾未来的发展趋势，既量力而行，又适当超 前，留有发展余地。 ( 3 ) 可扩展性。系统便于扩展，以保护前期投资的有效性和后续投资的连续性。 ( 4 ) 经济性。以节约成本为基本出发点，建立一个运行可靠、满足公司实际需 求的监控系统。 ( 5 ) 易用性。系统操作简便、直观，以利于各个层次的人员使用。 ( 6 ) 可靠性。确保系统可靠运行，在关键部分应有安全和容错措施。 ( 7 ) 可管理性。系统从设计、器件、设备等的选型都必须考虑到系统的可管理 性和可维护性。 ( 8 ) 开放性。采用符合国际标准的产品，保证系统具有开放性特点。 本系统的设计基本符合上述原则。用自动控制取代了原来的手动控制，其实 用性和先进性自然不必多言，而本系统的经济性体现在成本的节约上，目前的多 数污水处理设备均使用p l c 控制，p l c 虽然以高可靠性著称，但是其价格昂贵， 而采用本控制系统则开发成本低廉，同时该系统中所使用的各传感器模块以及继 电器控制模块等均已被广泛使用，因此本系统的可靠性也可以得到保证。 2 2 系统信号量设计 在进行总体设计过程中，对系统进行输入输出信号分析是整个工程的第一步， 设计人员必须明晰整个系统所包含的信号、信号的实际含义和来源、传输方式、 取值范围及精度、注意事项等信息，这些信息最终会转换为系统的软硬件设计。 信号分析时，应根据信号分类及输a 输出方式进行分类整理。表2 1 给出了本系 统的开关量分类表，表2 2 给出了本系统的信号量分类表。 7 第二章污水测控系统总体概述污水测控系统的设计与实现 表2 1 系统开关量输入输出一览表 类型编号名称命名来源说明 l 压力传感器信号p r e s s s g n l外部传感器 压力传感器检测出水管道液体 模拟量 压力，主要是负压 输入温度传感器检测生物过滤器中 2 温度传感器信号 t e m p s g n l 外部传感器 液体温度 l 气泵工作按钮 a i r p m p r u n 键盘控制气泵工作 2 搅拌泵工作按钮 s t i r p m p r u n 键盘控制搅拌泵工作 3进水泵工作按钮 i n w a t e r p m p r u n 键盘控制进水泵工作 4 备用泵l 工作按钮 b a c k l p m p r u n 键盘控制备用泵l 工作 5 气泉停止按钮 a i r p m p s t o p 键盘控制气泵停止 开 6 搅拌泵停止按钮 s t i r p m p s t o p 键盘 控制搅拌泵停止 关 7 进水泵停止按钮 i n w a t e r p m p s t o p 键盘控制进水泵停止 量 8 备用泵1 停止按钮 b a c k lp m p s t o p键盘控制备用泵l 停止 输 9 设置按钮s e t键盘设定出水泵工作时间 入 1 0 增加按钮a d d t i m e键盘出水泵工作时间增加 l l 较少按钮 d e c t i m e 键盘出水泵工作时间减少 1 2系统停止按钮 s y s t e m s t o p 键盘控制控制器停止 1 3 系统运行按钮 s y s t e m r u n r e s e t控制控制器运行 1 4 紧急停止按钮 a l a r m s t o pi r q 紧急情况停止系统运行 1 5 低低液位传感器信号 l i q u d l l o w 外部传感器 液位传感器检测生物过滤器中 1 5低液位传感器信号 l i q u d l o w 外部传感器 水位，主要有三个界限值 1 7 高液位传感器信号 l i q u d h g h 外部传感器 控制进水泵工作停止 l 进水泵控制信号 i n w a t e t p m p 迸水泵 高电平工作，反之停止 控制出水泵工作，停止 2 出水泵控制信号 o u t w a t e r p m p 出水泵 高电平工作，反之停止 控制搅拌泵工作停止 3 搅拌泵控制信号s t i r p m p搅拌泵 高电平工作，反之停止 控制气泵工作停止 4 气泵控制信号 a i r p m p 气泵 高电平工作，反之停止 指示程序运行状态 开 7程序运行指示r u n s h o w指示灯 灯亮工作，反之不工作 关 8 报警指示 a 1 a r m s h o w 指示灯 指示灯亮表示系统可能出现紧 量 急状态，反之否 输 指示迸水泵工作状态 9 进水泵工作指示i n w a t e r s h o w指示灯 出 灯亮工作，反之不工作 指示出水泵工作状态 1 0 出水泵工作指示 o u t w a t e r s h o w 指示灯 灯亮工作，反之不工作 指示搅拌泵工作状态 l l 搅拌泵工作指示 s t i r p u m p s h o w 指示灯 灯亮工作，反之不工作 指示气泵工作状态 1 2 气泵工作指示 a i r p m p s h o w 指示灯 灯亮工作，反之不i 作 1 5 2 6l c d 显示l c d s h o wl c d显示电压温度等 8 污水测控系统的设计与实现第二章污水测控系统总体概述 表2 - 2 系统输入输出信号一览表 类型编号名称命名来源说明 i i cl数据线s d ai i c 模块数据线与时钟模块之间进行数据传输 信号2时钟线s c li i c 模块时钟线i i c 传输时提供时钟信号 s c ll数据接收 i b ( d 串行数据输入从p c 或别外设获得数据 信号 2 数据发送 t x d 串行数据输出将数据p c 或别的外设 l 主从选择 s s 备用 s p i2 主入从出 m i s 0 信号3主出从入m o s i各用 4时钟线s p s c k b d ml程序写入器 b d m p r g m b d m 调试模块用于程序下载或在线调试 2 3 系统功能概述 污水测控系统的主要功能是对存储在水罐中的水进行压力、温度以及水位的 检测并且通过检测的不同水位高度可以控制进水泵向罐中自动加水，可以通过 l c d 显示屏幕将压力温度等介质参数显示出来。本系统可设置为自动控制或手动 控制两种方式，在自动控制方式下，用户可以通过测控仪器上提供的键盘来设置 各泵的运行时间，自动控制各类水泵的工作与停止操作。在测控仪器上用指示灯 来显示系统及各水泵的运行状况。 2 3 1 系统的结构框图 在进行具体的设计之前，首先必须弄清楚该系统所要完成的功能以及整个系统 的输入输出路数，只有保证这一步骤的正确性才能尽量避免设计硬件电路出现的 错误。通过分析该系统的实际应用状况，得出了图2 1 系统的结构框图。 卜 时钟模块 l 。1 显不 y 。 。 光电隔离。 继电器( 控制进水泵) 温度传感器i 光电隔离- i 继电器( 控制出水泵) l 压力传感器i m c u 光电隔离。 继电器( 控制搅拌泵) i 液位传感器i 光电隔离 继电器( 控制气泵) i 键盘输入i ： i 指示灯 图2 - 1 系统的结构框图 9 第二章污水测控系统总体概述污水测控系统的设计与实现 2 3 2 系统各模块的主要功能 根据图2 1 所示，本系统各模块的主要功能如下： 1 时钟模块：用于为系统提供时间参数。 2 温度传感器、压力传感器以及液位传感器：是进行一些模拟量和数字量的采 集，m c u 根据这些采集结果来控制泵的停止或运行。 3 键盘输入：则可以很方便的提供给用户来直接控制系统的运行。 4 l c d 显示：用于显示传感器采集到的温度、压力值以及系统时间。 5 四个泵( 即进水泵、出水泵、气泵、搅拌泵) ：进水泵由液位控制，到达高液 位时停止，到达低液位时启动。出水泵和搅拌泵由时间控制交替运行，如出 水泵运行8 分钟，停止2 分钟，搅拌泵运行2 分钟，停止8 分钟。气泵一直 工作。 6 指示灯：包括1 盏电源指示灯，1 盏紧急报警指示灯，4 盏泵运行指示灯。 2 3 3 系统的主要特点 本系统的主要特点如下所示： 1 系统采用了f r e e s c a l e8 位单片机m c 9 s 0 8 a w 6 0 作为主控芯片，该系统单片机 可靠性高，抗干扰能力高。 2 系统具有良好的人性化显示模块，可以将传感器采集到的温度及压力值显示 在l c d 上。 3 系统采用了构件化思想，使程序调试简单，便于追查错误，而且设计出的 构件可以很容易的移植到其它系统中使用。 4 系统采用了电源备用模块，为测试或备用电源提供方便。 5 系统采用了接口备用模块，以便扩展其他功能。 2 6 本章小结 本章主要简述了系统设计的要求，分析了系统的各类输入输出信号，并按照该 要求分析了污水测控系统的功能，给出了系统的结构框图以及各个功能模块的功能， 并简述了本系统的主要特点。 1 0 污水测控系统的设计与实现第三章基于嵌入式硬件构件的硬件设计 第三章基于嵌入式硬件构件的硬件设计 嵌入式硬件系统是嵌入式产品的重要组成部分，是整个嵌入式系统的构建基 础，嵌入式应用程序和操作系统都运行在特定的硬件体系上。研究嵌入式硬件模 块的构件化不仅能缩短设计时间、节省资源，还可以提高硬件电路和底层驱动程 序的可移植性，减少软硬件设计工作中的重复，增加最终硬件体系的可靠性。 3 1 硬件选型 3 1 1m c u 的选取 一般来说，m c u 是一个嵌入式系统的核心。一切外围电路的设计都是围绕m c u 的特性来考虑的。因此，选择一个合适的处理器是一件相当重要的事情。选择处理器 时，除了技术方面的因素，非技术原因也占了很大成分【4 】【5 】【6 】，其主要原因见表3 1 。 表3 1 选择处理器需要考虑的几个问题 序号影响因素原因 l价格在产量和成本约束相当严格的场合，价格是非常重要的因素。在一般 的嵌入式系统中，十几美元的m c u 算是比较昂贵的 2性能 仔细评估m c u 的性能能否满足系统的处理需求( 满负荷运行时) ，最好 使用评估板评估一下实际的处理能力。有的m c u 内部有m a c 单元， 运算密集时应优先选用这样的m c u 3 封装 目前，q f p 、b g a 的封装较多。b g a 焊接要求严格，必须使用机器焊 接，可测试性差 4功耗对于电池供电的产品，需要非常重视m c u 的功耗问题 5指令集r i s c 的主频高，但代码密度和运行效率稍低。c i s c 有时也是不错的选 择 6e m c 应优先选用对e m c ( 电磁兼容) 作过优化设计的m c u 7工具支持包括编译、调试环境、操作系统支持等 8市场定位了解芯片的定位，低端还是高端，消费电子还是工业用 9生命周期 选用一种处理器之前，要对它的r o a d m a p 有很清楚的了解。尽量选用 生命周期较长的产品 1 0m m u m m u 内存管理单元对于有些操作系统是必需的 1 l 总线形式最好能与大多数外围器件实现无缝连接 选取某款微处理器作为污水测控系统的m c u ，既要考虑该处理器在同系列成 员中是否具有代表性，还要考虑该处理器是否具有较好的应用前景以及性价比、 功耗、封装等问题。f r e e s c a l e 推出的a w 6 0 微处理器就是针对这种需求而设计的， 其综合性能较以前的产品有了大幅度提高，而功耗和价格却更低，为用户提供了 第三章基于嵌入式硬件构件的硬件设计污水测控系统的设计与实现 更多的选择，并且a w 6 0 在h c s 0 8 系列成员中其性能具有显著的代表性。在充分 考虑本系统的功能需求，对一些芯片的存储器大小、i o 引脚的种类和数量、工作 温度、开发工具、功耗以及所包含的模块种类做了充分比较后、决定采用6 4 引脚 的m c s 9 0 8 a w 6 0 。 3 1 2 外围器件的选取 外围器件决定着m c u 能否完成其相应的功能扩展，本课题外围器件的选择重 点考虑了以下几个因素： 1 能否完成系统的要求。在选择时，一定要仔细阅读芯片的参考手册以及一些应 用实例，充分了解器件的性能及应用场合。 2 接口电压与形式。外围器件的电压最好能够从电路板上直接获取，避免为此新 增多余的电压转换芯片，最好能选用与系统总线无缝接口的芯片。 3