毕业设计2.doc

(论文)目 录1 引 言11.1 课题设计的目的11.2 课题设计的意义11.3 设计应解决的主要问题11.4 设计满足的技术要求11.5 废水处理在国外和国内的发展状况11.6 课题设计的指导思想22 控制方案的论证22.1 主要的几种控制系统22.2 总控制方案的确定43 控制系统的硬件设计53.1 最小系统的设计53.2 输入通道的设计133.3 输出通道的设计183.4 电磁阀的设计223.5 键盘/显示电路的设计233.6 报警电路的设计274 控制系统的软件设计284.1 主程序设计284.2 定时中断服务子程序设计294.3 流量检测子程序设计304.4 PH值检测子程序设计314.5 控制及报警子程序设计324.6 串口显示子程序设计334.8 键盘子程序设计354.9 软件滤波设计364.10 标度变换364.11 PID算法375 总 结40参考文献41谢 辞42附录一43附录二471 引 言1.1 课题设计的目的 目前水污染日益严重，水源逐渐紧张以来，废水处理的界限也就逐渐模糊起来。现在，废水也可以作为水源，经处理后以供工业用水甚至生活用水。因此课题设计是通过中和法将废液中和，使其呈中性，实现安全排放的目的，减少对环境的危害。1.2 课题设计的意义环境污染会给生态系统造成直接的破坏和影响，也会给生态系统和人类社会造成间接的危害，有时这种间接的环境效应的危害比当时造成的直接危害更大，也更难消除。这种由环境污染衍生的环境效应具有滞后性，往往在污染发生的当时不易被察觉或预料到，然而一旦发生就表示环境污染已经发展到相当严重的地步。当然，环境污染的最直接、最容易被人所感受的后果是使人类环境的质量下降，影响人类的生活质量、身体健康和生产活动。水污染使水环境质量恶化，饮用水源的质量普遍下降，威胁人的身体健康，引起胎儿早产或畸形等等。严重的污染事件不仅带来健康问题，也造成社会问题。随着污染的加剧和人们环境意识的提高，由于污染引起 的人群纠纷和冲突逐年增加。环境污染也日益呈现国际化趋势，因此改善环境一是刻不容缓的问题了！这次设计我们采用 电石渣液中和酸性废水不仅能够减少对坏境的危害，还可以减少投资成本，以废治废，有很这好的经济效益。而且这种方法操作简单，处理效率高，对技术要求不高，由此可见这种方法在工业生产中是非常a实用的，努力完善这一技术也是非常有意义的。11.3 设计应解决的主要问题在本次课题设计中我们应解决的主要问题有 1）流量和PH值传感器的选择 2）控制部分的设计 3）软件程序设计1.4 设计满足的技术要求 课题设计中我们要满足的技术要求是以MCS-51单片机为核心，对电石渣液的流量和中和后的PH值进行信号采集，送入单片机，经程序处理后输出控制信号调节电石渣液的流量，以保证PH值稳定于7附近。1.5 废水处理在国外和国内的发展状况1.5.1 国外的废水处理发展状况 现在在国外许多国家都采用集中式废水处理(Centralized Wastewater Treatment,简称CWT)即把各企业工业废水(或污泥)运送至邻近的工业废水处理厂集中处理，污水处理厂再行进一步处理，回收的有用物质运送至回收材料市场，对处理后产生的污泥送至废物填埋场填埋。CWT模式具有许多优势： 由于拥有经济规模，CWT能够大大降低工业废水的处理费用； 因处理设施是由训练有素的专业人员来操作管理，故处理效果优于各企业自己运作； 能够大大增加回收化学药品的潜力，不仅降低了CWT费用且减轻了污泥处置的负担； 企业还可以在CWT系统中共享其他服务以进一步降低废水处理费用。1.5.2我国的废水处理发展状况现在我国的废水处理技术还不能和发达国家相比，还不能有效地将各个企业的废水集中起来统一处理，只有少数地区能够将废水统一处理，大多数地区还是靠本企业的废水处理系统来处理废水。我国的废水处理方法有：1) 物理法:是指经过物理变化的方法处理废水，比如用活性炭吸附，用网吸附固体物质等。2) 化学法:是经过化学变化的方法处理废水，比如，污水中有酸，就用碱来中和掉，再有溶于水的物质，就用另外一种物质与它进行反应，生成不溶物或无害物。常用的化学方法有化学混凝法、中和法、化学沉淀法、氧化还原法和电化学法3）生物法:很多藻类、植物都有净化水体的能力，它们的这种能力来处理废水的方法就是生物法。比如像满江红等等，只用把他们养在水里，就能对污水中的一些物质进行处理。 在这三种方法中化学方法是最实用的方法因为这种方法成本低，技术也很成熟，处理效率也很高。我国大多数企业也都是采用化学方法处理废水。21.6 课题设计的指导思想 根据课题设计内容要求，采用合理的控制方案，以MCS-51单片机为核心，对电石渣液的流量和中和后的PH值进行信号采集，送入单片机，经程序处理后输出控制信号调节电石渣液的流量，以保证PH值达到期望值。2 控制方案的论证2.1 主要的几种控制系统 控制系统有许多种，主要有开环控制系统、反馈控制系统和复合控制系统，他们都有其各自的特点和不同的适用场合。2.1.1 开环控制系统 开环控制系统是指被控对象的输出(被控制量)对控制器的输出没有影响。因此，开环控制系统又称为无反馈控制系统。开环控制系统由控制器与被控对象组成。在这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。在开环控制系统中，系统输出只受输入的控制，控制精度和抑制干扰的特性都相对比较差。开环控制系统的优点是结构简单，也比较经济。但是开环控制没有反馈环节，系统的稳定性不高、响应时间相对来说很长、精确度不高，使用于对系统稳定性精确度要求不高的简单的系统。开环控制系统可以按给定量控制方式组成，也可以按扰动控制方式组成。按给定量控制的开环控制系统其控制作用直接由系统的输入量产生给定一个输入量就有一个输出量与之相对应，控制精度完全取决于所用的元件及校准的精度。这种开环控制方式没有自动修正偏差的能力，抗扰动性比较差。但是由于其结构简单、调整方便、成本低，在精度要求不高或扰动影响较小的情况下，这种控制方式还是有一定的使用价值。按扰动控制的开环控制系统，是利用可测量的扰动量，产生一种补偿作用，以减少或抵消扰动对输出量的影响，这种控制方式也称顺馈控制。这种按扰动控制的开环控制方式是直接从扰动获取信息，并据以改变被控量，因此，其抗扰动性能好，控制精度也比较高，但只是用于扰动是可测量的场合。2.1.2 反馈控制系统反馈控制方式是按偏差进行控制的其特点是无论什么原因使被控量偏离期望值而出现偏差时，必定会产生一个相应的控制作用去减少或消除这个偏差，是被控量与期望值趋于一致。可以说按反馈方式组成的反馈控制系统，具有抑制任何内、外扰动对被控量产生影响的能力，有较高的控制精度。但这种系统使用的元件较多，结构复杂，特别是系统的性能分析和设计也较麻烦。尽管如此，他仍是一种重要的并被广泛应用的控制方式。2.1.3 串级控制系统串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。串级控制系统的主要特点有： (1)在系统结构上，它是由两个串接工作的控制器构成的双闭环控制系统； (2)系统的目的在于通过设置副变量来提高对主变量的控制质量； (3)由于副回路的存在，对进入副回路的干扰有超前控制的作用，因而减少了干扰对主变量的影响； (4)系统对负荷改变时有一定的自适应能力。在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。串级控制系统的工作过程： 当扰动发生时，破坏了稳定状态，调节器进行工作。根据扰动施加点的位置不同，分种情况进行分析： 1）扰动作用于副回路 2）扰动作用于主过程 3）扰动同时作用于副回路和主过程 分析可以看到：在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。32.2 总控制方案的确定 根据本次课题设计的要求，我们需要对流量和PH值同时进行检测和反馈，所以我们才用双闭环反馈控制系统，也称串级控制系统。设计方案框图如下： 图2-1 方案设计框图本方案采用串级控制，内环控制电石渣液的流量，外环控制PH值。通过流量传感器和PH值传感器采集流量和PH值、经过I/V变换、A/D转换器将采集的模拟信号转换成数字信号后送入单片机，经过单片机分析计算后输出信号，再经过D/A转换器、V/I变换送入电动调节阀，以此来控制电石渣的流量，以此控制PH值是否达到设计要求的给定值（PH=7左右）。同时在设计中我加入了键盘显示，看门狗以及报警电路，以保证系统的稳定性和安全性。3 控制系统的硬件设计3.1 最小系统的设计3.1.1 单片机片机的选择 单片机就是在一块半导体硅片上集成了微处理器(CPU)，存储器(RAM,ROM,EPROM)和各种输入、输出接口(定时器/计数器，并行I/O口，串行I/O口，A/D转换器以及脉宽调制器PWM等)，这样一块电路集成芯片具有一台计算机的属性，因而被称为单片微型计算机，简称单片机。单片机主要应用于测控领域，用以实现各种测试和控制功能。为了强调其控制属性，在国际上，多吧单片机称之为微控制器MCU(MicroControiier Unit)。由于单片机在使用时，通常是处于测控系统的核心地位并嵌入其中，所以，通常也把单片机称为嵌入式控制器EMCU(Embeddded MicroControiier Unit)。而在 我国，大部分工程技术人员则比较习惯于使用“单片机”这一名称。单片机按照其用途可分为通用性和专用性二种。通用性单片机具有比较丰富的内部资源，性能全面且适应性强，可满足多种应用要求。通用性单片机是把可开发的内部资源，如RAM、ROM、I/O等功能部件等全面提供给用户。用户可以根据实际需要，充分利用单片机的内部资源，来满足各种不同需要的测控系统。然而有许多应用是使用专门针对某些产品的特定用途而制造的单片机。这种应用的最大特点是针对性强且数量巨大。为此，单片机芯片制造商常与产品厂家合作，设计和生产专用的单片机芯片。这种专用的单片机芯片是为特定产品或某种测控应用而专门进行设计的。在设计中已经对系统结构的最简化、可靠性和成本的最佳化等方面都做了全面的考虑，所以，专用单片机具有十分明显得综合优势，也是今后单片机发展的一个重要方向。4本次课题设计我们采用89C51，它是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM-Falsh Programmable and Erassble Read Only Memory)的低电压，高性能CMOS8位微处理器。89C51的主要性能包括： (1) 与MCS-51微控制器系列产品兼容； (2) 片内有4KB可在线重复编程的闪烁存储器(Flash Memory)； (3) 存储器可循环写入/擦除1万次； (4) 存储器数据保存时间为10年； (5) 宽工作电压范围：Vcc可为+2.7V+6V； (6) 全静态工作：可从0Hz16MHz； (7) 程序存储器具有3级加密保护； (8) 空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储器的内容；89C51引脚图如下图 图3-1 89C51引脚图 89C51各引脚的主要功能如下： 电源引脚 Vcc：典型值5V。 Vss：接低电平。 外部晶振 XTAL1、XTAL2分别与晶体两端相连接。当采用外部时钟信号时，XTAL2接振荡信号，XTAL1接地。 I/O口引脚： P0口：双向8位三态I/O口，此口为地址总线(低8位)及数据总线分时复用口，可驱动8个LS型TTL负载。 P1口：8位准双向I/O口，可驱动4个LS型TTL负载。 P2口：8位准双向I/O口，与地址总线(高8位)复用，可驱动4个LS型TTL负载。 P3口：8位准双向I/O口，双功能复用口，可驱动4个LS型TTL负载。 控制引脚： RST/Vpd、ALE/-PROG、PSEN、EA/Vpp组成了MSC-51的控制总线。 RST/Vpd：复位信号输入端（高电平有效）。 第二功能：加+5V备用电源，可以实现掉电保护RAM信息不丢失。 ALE/-PROG：地址锁存信号输出端。 第二功能：编程脉冲输入。 PSEN：外部程序存储器读选通信号。 EA/Vpp：外部程序存储器使能端。第二功能：编程电压输入端（+21V）。 由于E2PROM具有在线改写，并在掉线后仍能保存数据的特点，可为用户的特殊应用提供便利。但是，擦除和写入对于要有数据高速吞吐的应用还显得时间过长，这也是E2PROM的主要缺陷。53.1.2 时钟电路 时钟电路用于产生MCS-51单片机工作时所必须的时钟控制信号。MCS-51单片机的内部电路在时钟信号控制下，严格地按时序执行命令进行工作。MCS-51单片机各功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准，有条不紊地一拍一拍的工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。常用的时钟电路设计有二种形式，一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式。(1) 内部时钟方式单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器.引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端.这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器.外接晶体谐振器以及电容C1和C2构成并联谐振电路,接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格的要求,但电容的大小会影响震荡器频率的高低，荡器的稳定性,起振的快速性和温度的稳定性。内部时钟电路框图如下图所示 图3-2 MCS-51内部时钟方式电路 电路中的电容C1和C2典型值通常选择为30pF左右。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。晶振的振荡频率的范围通常是在1.2MHz-12MHz之间。晶振的频率越高，则系统的时钟频率也就越高，单片机的运行速度也就越快。但反过来运行速度快对存储器的速度要求越高，对印制电路板的工艺要求也高，即要求线间的寄生电容要小。晶振和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证振荡器的稳定、可靠地工作。为了提高温度的稳定性，应采用温度稳定性能好的电容。MCS-51常选择震荡频率6MHz或12MHz的石英晶体。随着集成电路制造工艺技术的发展，单片机的时钟频率也在逐步提高，现在的某些高速单片机芯片的时钟频率已达到40MHz。(2) 外部时钟电路方式外部时钟方式是使用外部振荡脉冲信号，常用于多片MCS-51单片机同时工作，以便于多片MCS-51单片机之间的同步，一般为低于12MHz的方波。外部时钟方式电路图如下图 图3-3 MCS-51外部时钟方式电路外部的时钟源直接接到XTAL2端，通过XTAL2端输入到片内的时钟发生器上。由于XTAL2的逻辑电平不是TTL的，故外接一个4.710K的上拉电阻。6 在本次课题设计中我们采用内部时钟方式电路。3.1.3 复位电路 单片机在开机时都需要复位，以便中央处理器CPU以及其他功能部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。51的RST引脚是复位信号的输入端。复位电平是高电平有效，持续时间要有24个时钟周期以上。本系统中单片机时钟频率为6MHz则复位脉冲至少应为4us。 复位是由外部的复位电路来实现的.片内复位电路是复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连,斯密特触发器用来抑制噪声,它的输出在每个机器周期的S5P2,由复位电路采样一次.复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。最简单的上电自动复位电路如下图4所示。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。当电源接通是只要Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位。当时钟频率选用6MHz时，C取22F，R取1K。图3-4 上电复位电路除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。按键手动复位有电平方式和脉冲方式二种。其中电平复位是通过RST端经电阻与电源Vcc接通而实现的，按键手动复位电平复位电路如下图(a)所示。当时钟频率选用6MHz时，C取22F，Rs取200，Rk取1K按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的脉冲来实现的，脉冲复位电路如下图(b)所示。图中的阻容参数适用于6MHz时钟。 图3-5(a) 按键电平复位电路 图3-5(b) 按键脉冲复位电路 在本次课题设计中我们采用按键手动电平方式的复位电路，典型的上电外部复位电路是既具有上电复位又具有外部复位电路，上电瞬间，C与Rx构成充电电路，RST引脚出现正脉冲，只要RST保持足够的高电平，就能使单片机复位。当取C=22uF，R=200，Rx=1k，此时=2210110=22ms当按下按钮，RST出现5=4.2V时，使单片机复位。3.1.4 看门狗电路的设计 MCS-51的PC受到干扰而失控，引起程序乱飞，可能会使程序陷入死循环。指令冗余和软件现今技术不能使失控的程序摆脱死循环的困境，这时候系统将完全瘫痪。如果操作人员在场，可按下人工复位按钮，强制系统复位。但操作人员不可能一直监视着系统，即使监视着系统，也往往是在引起不良后果之后才进行人工复位。能不能不要人来监视，就能使系统摆脱死循环，重新执行正常的程序呢？这可采用“看门狗”(Watchdog)技术来解决这一问题。“看门狗”技术就是使用一个计数器来不断计数，监视程序循环运行。如发现时间超过已知的循环设定时间，则认为系统陷入了死循环，这是计数器溢出，然后强迫系统复位，在复位入口0000H处安排一段出错处理程序，是系统进入正轨。另外，在单片机系统运行时有可能会发生电源掉电的意外情况，一些重要的数据可能丢失。这是要求系统应首先检测到电源的变化，然后通过切换电路把备用电池接入系统，以保护RAM中的数据不丢失。目前看门狗电路和掉电保护电路，都已经集成在一片微处理器监控器芯片中，因此MCS-51只需扩展一片微处理器监控器芯片即可。这类芯片集成化程度高，功能齐全，具有广阔的应用前景。在单片机及应用系统中使用微处理器监控器芯片，可以大大提高单片机应用系统的抗干扰能力和可靠性。7在本次课题设计中我们采用MAX690A微处理器监控器芯片。(1) 复位电路微处理器在上电、掉电及低压供电时，监控器产生脉冲信号这可以保证微处理器实现上电自动复位：当供电电压过低时，防止CPU失控。电源电压Vcc升到1V时RESET引脚变为低电平时。随着Vcc的继续提高，RESET一直保持低电平。当Vcc高于复位门限电平时，RESET并不马上变为高电平，而是要滞后一个复位脉冲宽度(约200ms)后再变为高电平。当Vcc低于复位门限电平时，RESET引脚马上变为低电平：即使以后Vcc恢复且高于复位门限电平，RESET也不马上变为高电平，而是要延时一个复位脉冲宽度。掉电时，Vcc只要低于复位门限电平，RESET立即变为低电平。(2) 看门狗电路看门狗电路时计数器定时电路。在WDI端输入一个脉宽(TTL电平，宽度可小至50ms)，定时器开始计数。若WDI引脚悬空或接至阻态输出的缓冲器上定时器则停止计数，并且清零。当定时器启动后，若在1.6s内没有向WDI输入脉冲，监控器将输出一个复位信号，引脚RESET变低电平，同时定时器被清零，只要RESET为低电平，定时器将一直停止工作。看门狗电路用于使CPU摆脱死循环状态。(3) MCS-51与MAX690A微处理器监控器芯片的接线 MCS-51与MAX690A自动监控的接口如下图，合理设计R9、R10的值，使得+5V电压跌落到某电压值(如4.5V)，PFI端的输入电压低于1.25V时PFO输出低电平，作为CPU的中断输入信号通知单片机，使之进行一些必要的处理(如保存某些重要数据，关掉LED显示器等)。R9、R10的选取原则是： 可取R10=1K，R9=2.6K。当+5V电压跌落到4.5V时VR=1.25V再继续跌落，PFO引脚变为低电平。8MAX690应用电路原理图如下图图3-6 MAX690应用电路原理图单片机正常工作时，P1.0口定时(小于1.6s)改变WDI输入端的电平，使看门狗电路不发出复位信号。当由于某种严重干扰而出现死循环时，单片机将不能定期改变WDI端电平，看门狗电路便会在1.6s后产生一个复位信号，使单片机复位。待经过200s复位脉冲后，单片机复位结束，程序从0000H开始重新执行，摆脱死循环，保证了系统的正常运行。图中开关按钮为手动复位按钮，由于MAX690A在系统上电时能自动发生复位信号，可使手动复位按钮的复位时间小于200ms。 综上所述，在本次课题设计中我们采用的最小系统框图如下图 图3-7 单片机最小系统框图电路中的6264芯片是8K*8 SRAM，单一的+5V电源所有的输入端和输出端都与TTL电路兼容。其中CS为片选信号，OE为输出允许信号，WE为写信号，A0A12为13根地址线，D0D7为8位数据线。8051构成的最小系统特点： 1)受集成度所限，只能用于小型控制单元。 2)有可供用户使用的大量的I/O口线。 3)仅有芯片内部的存储器，故存储器的容量有限。 4)8051的应用软件要依靠半导体掩膜技术植入，适于在大批量生产的应用系统中使用。89C51内部4KB闪烁存储器，芯片本身就是一个最小系统。在能满足系统的性能要求的情况下，可优先考虑采用此种方案。用这种芯片构成的最小系统简单、可靠。用89C51单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，该系统省去了外扩展程序存储器的工作。该最小应用系统只能用做一些小型的数字量的测控单元。3.2 输入通道的设计流量信号和PH值信号分别通过流量传感器和PH值传感器进行采集，经过I/V变换和A/D转换把信号送入单片机。3.2.1 流量传感器和PH值传感器的选择(1) 流量传感器 流量传感器我们采用CP27-LDG-DN25型流量传感器，它用以测量各种酸、碱、盐、盐溶液、纸浆、泥浆等导电性液体，或液固两相介质的体积流量。在化工、矿冶、造纸、给排水、污水处理等部门得到广泛应用。CP27-LDG-DN25型流量传感器具有以下特点： 1)采用整体焊接结构，封闭性能好； 2)结构简单可靠，内部无活动部件，几乎无压力损失； 3)采用低频矩形波励磁，抗干扰性能好，零点稳定； 4)仪表指示不受被测介质压力、温度、粘度、密度等物理参数变化的影响； 5)仪表反应灵敏，输出信号与流量成线性关系，两成较宽； 6)安装、维护、使用方便；CP27-LDG-DN25型流量传感器的主要性能指标： 1)精确度等级：0.5、1.0 2)流速范围：0.3m/s-12m/s 3)工作温度：-25度+120度 4)工作压力：4.0MPa-0.6MPa(按口径分) 5)工作电流：0.25A 6)输出信号：0-10mA DC或4-20mA DC 7)频率(脉冲)上限：1-5000HZ(上限5000CP/S) 8)使用电源：220V50HZ(2) PH值传感器 本次设计中我们采用PHS-9300型工业酸度计，它是一种高精度的工业在线自动化连续检测酸碱度的分析仪器，该系列酸度计配套DDC-1000系列传感器，可以检测化工、石油、炼油、纺织、橡胶、造纸、食品、冶炼、发电、制药、等厂家和行业过程中溶液的酸碱度。能适用于较高温度下使用。PHS-9300工业酸度计的主要特点是： 1)特制高阻转换器，量程任意可调； 2)使用隔离，提高抗干扰能力； 3)配套电极性能稳定，测量范围广，参比电极采用了国际上新技术的银 氯化银型低内阻双液接固体参比电极； 4)结构多种多样，适用于多种环境，获国家专利(专利号93224017.X)的集成体酸度传感器，外形轻巧，维护量小，使用简单；PHS-9300工业酸度计的主要性能指标： 1）测量范围：014PH(用于锑电极时212PH)2）定位调节范围：7Ph1.0PH3）斜率调节范围:12PH1.02.0PH4）仪器稳定度: 0.05PH/48小时5）测量误差: 0.1PH（玻璃电极）；27PH时0.1PH，712PH时0.25PH（锑电极）6）仪器分辨率：0.01PH7）输入阻抗：大于310118）输出信号：010mADC或420mADC9）输出负载电阻：010mADC时100420mADC时25035010）报警设置范围：014PH分别可调上、下限报警设定；11）报警设定回差宽度0.1PH2PH（一次设定）12）报警输出触点容量：220V AC、2A13）介质压力：常规60Kpa；配压力补偿时60Kpa0.6Mpa； 图3-8 Phs-9300插入式安装方式 图3-9 Phs-9300流通式安装方式3.2.2 I/V变换器的选择由于流量传感器和PH值传感器的输出信号都是电流信号，不能直接送入A/D转换器，以此，在设计中我加入了I/V变换器。我选用的型号是RCV420型I/V变换器，它是用于420mA电流信号变换为输出05V电压的精密电流环接收器。其电路由优质的运放、片内精密电阻网络和一个精密基准源组成，总变换精度为0.1%，高噪声抗扰度CMR为86dB，共模输入范围为40V。在最大标定状态下工作时，电压仅跌落0.5V这一特性对于环路内有额外的负载或发送端有超额电压的内在安全应用时非常有用。10V基准提供10V具有典型漂移值5*10-6/oC的精密电压输出。RCV420的电路接线图如下图 图3-10 RCV420的电路接线图3.2.3 A/D转换器的选择A/D(ADC)转换器的作用是把模拟量转换成数字量，以便于计算机进行处理。随着超大规模电路技术的飞速发展，A/D转换器的新设计思想和制造技术层出不穷。为满足各种不同的检测和控制任务的需要，大量结构不同、性能各异的A/D转换芯片应运而生。 在本次课题设计中我采用ADC0809型A/D转换性片，它是一种逐次比较式8路模拟输入、8位数字量输出的A/D转换器，由单一的+5V电源供电。片内带有所存功能的8路选1的模拟开关，由C、B、A引脚的编码来决定所选的通道。0809完成一次转换需要100s左右输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接连接到MCS-51的数据总线上。(1) 转换时间的选择转换速度是指完成一次A/D转换所需时间的倒数，是一个很重要的指标。A/D转换器型号不同，转换速度差别很大。通常，8位逐次比较式ADC的转换时间为100us左右。由于本系统的控制时间允许，可选8位逐次比较式A/D转换器。 (2) ADC位数的选择A/D转换器的位数决定着信号采集的精度和分辨率。 要求精度为0.5%。对于该8个通道的输入信号，8位A/D转换器，其精度为输入为05V时，分辨率为A/D转换器的满量程值 ADC的二进制位数量化误差为ADC0809是TI公司生产的8位逐次逼近式模数转换器，包括一个8位的逼近型的ADC部分，并提供一个8通道的模拟多路开关和联合寻址逻辑，为模拟通道的设计提供了很大的方便。10用它可直接将8个单端模拟信号输入，分时进行A/D转换，在多点巡回监测、过程控制等领域中使用非常广泛,所以本设计中选用该芯片作为A/D转换电路的核心。 (3)ADC0809的引脚图如下图 图3-11 ADC0809引脚图各引脚的功能如下： IN0IN7：8个通道的模拟量输入端。可输入05V待转换的模拟电压。 D0D7：8位转换结果输出端。三态输出，D7是最高位，D0是最低位。 A、B、C：通道选择端。当CBA=000时，IN0输入；当CBA=111时，IN7输入。 ALE：地址锁存信号输入端。该信号在上升沿处把A、B、C的状态锁存到内部的多路开关的地址锁存器中，从而选通8路模拟信号中的某一路。 START：启动转换信号输入端。从START端输入一个正脉冲，其下降沿启动ADC0809 开始转换。脉冲宽度应不小于100200ns。 EOC：转换结束信号输出端。启动A/D转换时它自动变为低电平。 OE：输出允许端。 CLK：时钟输入端,ADC0809的典型时钟频率为640kHz，转换时间约为100s。 REF(-)、REF(+)：参考电压输入端。ADC0809的参考电压为5V。 VCC、GND：供电电源端。ADC0809使用5V单一电源供电。当ALE为高电平时，通道地址输入到地址锁存器中，下降沿将地址锁存，并译码。在START上升沿时，所有的内部寄存器清零，在下降沿时，开始进行A/D转换，此期间START应保持低电平。在START下降沿后10us左右，转换结束信号变为低电平，EOC为低电平时，表示正在转换，为高电平时，表示转换结束。OE为低电平时，D0D7为高阻状态，OE为高电平时，允许转换结果输出。(4) ADC0809与89C51 的接口方法 ADC0809与8051单片机的硬件接口有3种形式，分别是查询方式、中断方式和延时等待方式，本题中选用内部延时等待方式。由于ADC0809无片内时钟，时钟信号可由单片机的ALE信号经D触发器二分频后获得。ALE引脚得脉冲频率是8051时钟频率的1/6。该题目中单片机时钟频率采用6MHz,则ALE输出的频率是1MHz，二分频后为500Hz,符合ADC0809对频率的要求。由于ADC0809内部设有地址锁存器，所以通道地址由P0口的低3位直接与ADC0809的A、B、C相连。通道基本地址为0000H0007H。其对应关系如下表所示： 表3-1 0809输入通道地址控制信号：将P2.7作为片选信号，在启动A/D转换时，由单片机的写信号和P2.7控制ADC的地址锁存和启动转换。由于ALE和START连在一起，因此ADC0809在锁存通道地址的同时也启动转换。11在读取转换结果时，用单片机的读信号和P2.7引脚经或非门后，产生正脉冲作为OE信号，用一打开三态输出锁存器。其接口电路如下图所示。图3-12 0809与单片机的接线图流量传感器和PH值传感器采集的信号经过RCV420芯片的I/V变换分别送入ADC0809的IN0和IN1二个输入端口，因为ADC0809是采用逐次比较的方法来完成A/D转换的，所以INO和IN1二个输入端要逐次转换，这就要依靠A、B、C来决定所选的通道。3.3 输出通道的设计 输出信号是经过D/A转换器和V/I变换器送入电动调节阀，从而来控制电石渣液的流量。3.3.1 D/A转换器的选择 D/A(数/模)数模转换器输入的是数字量，经转换后输出的是模拟量。转换过程是先将MCS-51送到D/A转换器的各位二进制数按其权的大小转换为相应的模拟分量，然后再以叠加方法把各模拟分量相加，其和就是D/A转换的结果。使用 D/A转换器时，要注意区分D/A转换器的输出形式和内部是否带有锁存器。1) 电压与电流输出形式 D/A转换器有二种输出形式，一种是电压输出形式，即给D/A转换器输入的是数字量，而输出为电压。另一种是电流输出形式，即输出为电流。在实际应用中对于电流输出的D/A转换器，如需要模拟电压可在其输出端加一个运算放大器构成的电流/电压转换电路，将电流输出转换成电压输出。2) D/A转换器内部是否带有锁存器由于D/A转换器需要一定时间的，在这段时间内D/A转换器输入端的数字量应保持稳定，为此应当在D/A转换器数字量输入端的前面设置锁存器，以提供数据所存功能。D/A转换器主要技术指标有1) 分辨率 分辨率是指输入给 D/A转换器的单位数字量变化引起的模拟量输出的变化，是输出对输入量变化敏感程度的描述。通常定义为输出满刻度值与2n之比(n为 D/A转换器的二进制位数)。显然二进制位数越多分辨率越高，即D/A转换器对输入量变化的敏感程度越高。2)建立时间建立时间是描述D/A转换器转换快慢的一个参数，用于表明转换速度。其值为从输入数字量到输出达到终值误差(1/2)LSB时所需的时间。输出形式为电流的转换时间较短，而输出形式为电压的转换器，由于要加上完成I/V转换的运算放大器的延时时间，因此建立时间要长一些。快速的D/A转换器的建立时间可达1s以下。3) 精度理想情况下，精度与分辨率基本一致，位数越多精度越高。但由于电源电压、参考电压、电阻等各种因素存在着误差。严格讲精度与分辨率不完全一致。只要位数相同，分辨率则相同，但相同位数的不同转换器精度会有所不同。12在本次课题设计中我采用DAC0832芯片作为D/A转换器。美国国家半导体公司的DAC0832芯片是具有2个输入数据存储器的8位DAC，它能直接与MCS-51单片机相连。 DAC0832引脚图如下图 图3-13 DAC0832引脚图各引脚的功能如下： Vcc：是源电压（+5+15V）。 Vref：基准电压（-1010V）。 D0D7：数字信号输入端。 IN0IN7：8路模拟信号输入端。 A1、A2、A0 ：地址输入端。ALE地址锁存允许输入信号，在此脚施加正脉冲，上升沿有效，此时锁存地址码，从而选通相应的模拟信号通道，以便进行A/D转换。 START：启动信号输入端，应在此脚施加正脉冲，当上升沿到达时，内部逐次逼近寄存器复位，在下降沿到达后，开始A/D转换过程。 ILE：输入寄存器允许，高电平有效。 CS：片选信号，低电平有效。 WR1：写信号1，低电平有效。 XFER：传送控制信号，低电平有效。 WR2：写信号2，低电平有效。 IOUT1、IOUT2：DAC电流输出端。 Rfb：是集成在片内的外接运放的反馈电阻。 EOC：转换结束输出信号（转换接受标志），高电平有效。 OE：输入允许信号，高电平有效。 AGND：模拟地 NGND：数字地，可与AGND接在一起使用。DAC0832的主要特性有： 1)分辨率为8位； 2)电流输出，稳定时间为1s； 3)可双缓冲输入、单缓冲输人或直接数字输入； 4)单一电源供电(+5V+15V)； 5)低功耗，20mW；DAC0832芯片与MCS-51接口时，常用的是单缓冲方式或双缓冲方式的单机行输出。1） 单缓冲方式单缓冲方式是指DAC0832内部的二个数据缓冲器有一个处于直通方式，另一个处于受MCS-51控制的锁存方式。在实际应用中，如果只有一路模拟量输出，或虽是多路模拟量输出但并不要求多路输出同步的情况下，就可以采用单缓冲方式。2） 双缓冲方式对于多路的D/A转换，要求同步输出时，必须采用双缓冲方式。以此种方式工作时，数字量的输入锁存和D/A转换输出是分二步完成的。单片机必须通过LE1端来锁存待转换数字量，通过LE2端来启动D/A转换。因此，双缓冲方式下，DAC0832应该为单片机提供二个I/O端口。在本次课题设计中我采用单缓冲方式，与89C51的接口电路如下图图3-14 DAC0832与89C51的接口电路3.3.2 V/I变换器的选择 由于从D/A转换器送出的是电压(0-5V)不能直接接入电动调节阀，因此，我要把电压转换为电流，采用V/I变换器XTR110型。它是美国Burr-Brown公司推出的精密电压/电流变换器，它是专为模拟信号传输所设计的。可用于将0-5V或0-10V的输出电压转换成4-20mA的输出电流。此外，其内部精确的+10V参考电压也用于驱动外部电路。该芯片是由精密电阻网络模块、电压/电流变换模块、电流/电流变换模块和精密+10V电压基准模块组成。由于它利用电流进行传输，所以能有效克服在长线传送过程中环境干扰对测试的影响，从而使其性能大大提高。13XTR110的主要性能特点： 1)采用标准的4-20mA电流传输； 2)输入/输出范围可选择； 3)最大非线性误差为0.005%； 4)带有精确的+10V参考电压输出； 5)采用独立电源工作模式，且电源范围很宽(13.5V-40V)； 6)引脚可编程；XTR110转换的电路连接图如下图图3-15 XTR110电路接线图3.3.3 电动调节阀的选择电动调节阀在本次设计中的作用是控制调节电石渣液的流量，我采用的是KVQJP型电动调节阀，由低流阻直通单座阀，或与低流阻套筒阀配用德国进口PS系列和日本工装3610系列直行程电动执行机构组成。电动执行机构内有伺服放大器，无需另配用放大器，有输入控制信号(4-20mA DC或1-5V DC)及单相电源即可控制运转，实现对流量参数的调节。具有体积小、重量轻、连线简单、流量大、调节精度高等特点，广泛应用于电力、石油、化工、冶金、环保、轻工、教学和科学研究设备等行业的工业过程自动化控制系统中。最小阀芯口径3mm。143.4 电磁阀的设计 当通过电动调节阀的调节电石渣液的流量，使中和后的废液的PH值稳定在7附近时，这时就需要将废水排放，我用电磁阀来控制这一过程。电磁阀是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器；并不限于液压，气动。电磁阀用于控制液压流动方向，工厂的机械装置一般都由液压钢控制，所以就会用到电磁阀。电磁阀里有密闭的腔，在的不同位置开有通孔，每个孔都通向不同的油管，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来档住或漏出不同的排油的孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油的压力来推动油刚的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞竿带动机械装置动。这样通过控制电磁铁的电流就控制了机械运动。在本次课题设计中我才用XT-09型电磁阀 图3-16 XT-09接线图3.5 键盘/显示电路的设计3.5.1 键盘电路的设计常用键盘接口分为独立式键盘接口和行列式键盘接口二种。 (1) 独立式式键盘独立式键盘就是各键相互独立，每个按键各接一根输入线，通过检测输入线的点平状态可以很容易的判断哪个按键被按下。在按键数目较多时，独立式键盘电路需要较多的输入线且电路结构复杂，故此种键盘适用于按键较少或操作速度较高的场合。独立式键盘主要分为中断方式的独立式键盘和查询方式的独立式键盘二种。在二种独立式键盘电路中，各按键均采用上拉电阻，这是为了保证在按键断开时，各I/O口有确定的高电平，当然如果输入口线内部已有上拉电阻，则外部电路的上拉电阻可省去。独立式键盘的识别和编程非常简单，常用在按按键数目较少的场合。(2) 行列式键盘 行列式（也称矩阵式）键盘用于按键数目较多的场合，它由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上。如下图为一个4*4的行列式键盘 图3-17 4*4行列式键盘按键设置在行、列线的交叉点上，行、列分别连接到按键开关的二端。行线通过上拉电阻接到+5V上。无按键按下时，行线处于高电平状态，而当有按键按下时行线点平状态将由与次行线相连的列线的电平决定。列线的电平如果为低，则行线的电平如果为低；列线的电平如果为高，则行线的电平如果为高。这一点是识别行列式键盘按键是否按下的关键所在。由于行列式键盘中行、列线多为多键共用，各按键均影响改键所在的行和列的电平。因此各按键彼此将相互发生影响，所以必须将行、列线信号配合起来并做适当的处理，才能确定闭合键的位置。矩阵式键盘识别按键的方法有两种: 一是行扫描法, 二是线反转法。1） 行扫描法 先令列线Y0为低电平(0),其余3根列