锅炉给水PH测试系统.doc

课 程 设 计 报 告学生姓名:魏增学 号：1007250237学 院:自动化工程学院班 级:测控102班题 目:锅炉给水PH测试系统指导教师： 赵君 职称: 副教授 指导教师：冯国亮 职称: 助理实验师 2013年5月31日 目录 1、设计目的.12、设计要求.13、设计内容.13.1、总体设计方案原理.1 3.2、总体设计方案框图.2 3.3、信号采集电路部分.23.3.1、A/D转换器23.3.2、温度补偿电路33.3.3、信号放大电路43.3.4、键盘电路63.3.5、数码管显示电路63.4电路原理图83.5元器件选型83.5.1、PH传感器83.5.2、A/D转换器83.5.3、超限报警器93.5.4、80C51单片机93.5.5、LED显示器93.5.6、 信号放大器93.5.7、 键盘103.6、抗干扰设计104、软件设计114.1、主程序流程图114.2、数据采集子程序框图125、单片机串行口通讯125.1、单机通讯系统125.2、单机通讯系统程序框图136、设计体验137、参考文献131、设计目的 针对锅炉给水系统,为保证锅炉安全而经济地运行,需对水(补给水或凝结水)进行净化、软化、除盐、除气等处理,再对锅炉给水进行调质,在水中加入适量的酸碱液,使水的pH值在指定数值或设定范围。但是在测量给水PH值得时候因存在较大的滞后性、非线性等问题，以及温度等其他外在因素的影响，使得所测得的PH值有一定的偏差。为此我们要设计一个合理的PH测试系统，尽量的减小误差，来实现电厂锅炉安全、经济运行。 针对此次课程设计，主要目的是为了实现以下几点：1）、初步尝试学会器件选型；2）、提高综合运用所学的理论知识独立分析和解决问题的能力。3）、了解电厂锅炉给水PH测试原理，学会独立分析、解决问题，完成较为简单的PH测试系统。4）、初步掌握单片机相关知识，明晰功能模块，完成设计。2、设计要求 选用PH值传感器进行浓度测量，要求测量范围0.00-14.00、精度为0.07。然后将溶液浓度信号转换为0-5V直流模拟电压，在经过A/D转换为数字量，通过单片机处理后由3位LED显示PH值。并且具有和上位机通信能力。 实现以下要求： 1）、选择传感器类型； 2）、具有LED显示测量结果的功能； 3）、系统具有抗干扰功能； 4）、具有按键设置所测指标上下限功能，超限声光报警； 5)、具有和上位机PC机通讯的能力（只需要考虑下位机通信接口）。3、设计内容3.1、总体设计方案原理 由PH传感器获得锅炉内给水的酸碱度参数，通过调理电路与采集电路整合、采集信号（内含A/D转换器、 温度补偿电路和信号放大电路），然后将信号送入80c51单片机进行信号处理，获取处理信号后所得到的PH值，显示在LED显示屏上，另外如果所测PH值超过或者低于工业要求，则报警器会工作，进行报警，要求相关人员进行处理。串口通讯连接处理器，进行软件编译及调试功能。LED显示屏3.2总体方案设计框图温度补偿电路A/D转换器80c51单片机超限报警器 信号采集电路键盘PH传感器信号放大电路串行口通讯 图1总体设计图3.3、信号采集电路部分3.3.1、A/D转换器 ADC0809是一种逐次比较型8路模拟输入、8位数字量输出的A/D转换器。ADC0809采用逐次比较的方法完成A/D转换，由单一的+5V电源供电。片内有带锁存功能的8路选1的模拟开关。由C、B、A的编码来决定所选的通道。ADC0809完成一次转换需要100微秒左右（转换时间为加在CLK引脚的时钟频率有关），它具有输出TTL三态锁存缓冲器，可直接连到AT89S51单片机的数据线上。通过适当的外接电路，ADC0809可对0-5V的模拟信号进行转换。ADC0809共有28个引脚，采用双列直插式封装。其主要引脚功能如下：1）、IN0-IN7：8路模拟信号输入端；2）、2-1到2-7：转换完毕的8路模拟量输出端；3）、A、B、C与ALE：控制8路模拟输入通道的切换。A、B、C分别与单片机的三条地址线相连，3位编码对应8个通道地址端口。C、B、A=000-111分别对应IN0-IN7通道的地址。各路模拟输入之间的切换由软件改变C、B、A引脚上的编码来实现；4）、OE、START、CLK：OE为输出允许端，START为启动信号输入端，CLK为时钟信号输入端；5）、VR（+）、VR（-）：基准电压输入端。ADC0809引脚图如图2： 图2 ADC0809引脚图3.3.2、温度补偿电路 被测液的温度常常影响PH的准确测量，因此需要设计温度补偿电路来消除温度对转换斜率的影响。在此先不考虑信号放大电路部分，直接将放大电路替换成放大器接入温度补偿电路的输入端。电路图如图3： 图3温度补偿电路 图3中，输入放大器的信号E是溶液为t（）时，测量电池的电动势E经过定位（E-E0）后的静电压，E可表示为： E=(2.303R(lga)/nF)（273+t） （1） 如果放大器的放大倍数为K，E经放大后输出信号为： KE=K(2.303R(lga)/nF)（273+t) （2） 假定一起以t=0为基准，则无论被测溶液为多少度，都要求从B点去除的输送到下级的标准信号EB应为： EB=K(2.303R（lga）/nF)（273+0） （3） 以t10和27310组成分压器，就可实现这种变换。其中t10是可调电阻，t与被测温度相同，被测溶液改变1，电阻改变10。从B点取出的信号为： EB=KE27310/（273+t）10）=K(2.303Rlga)/nF)273 （4） 这样，这种补偿电路就把温度t对转换斜率的影响消除了。3.3.3、信号放大电路 由于电路内部有这样或者那样的噪声源存在，使得电路在没有信号输入时，输出端仍然存在一定幅度的电压波动，这就是电路的输出噪声。把电路输出端测得的噪声有效值Von折算到该电路的输入端，即Von除以该电路的增益K，就得到电平值，成为该电路的等效输入噪声Vin,即 Vin=Von/K (5） 如果加在某电路的输入端信号幅度Vis小到比该电路的等效输入噪声还要低，那么这个信号就会被电路的噪声所淹没。为了不使小信号被电路噪声所淹没，就必须在该电路前面加一级放大器-前置放大器。 本电路采用三运放差分放大电路作为前置放大器的作用，仪表放大电路是由三个放大器所共同组成，其中电阻R 与RX 来调整放大的增益值，其关系式如下所示： VO =（ 1 +2R/RX）（V1 V2） （6） 差分放大电路图如图4： 图4差分放大电路 注：图中的R1-R6的阻值均为R。 在此分析一个反向输入比列运算电路，其图如图5： 图5反相输入比例运算电路 由“虚短”概念，电路中有UN=UP=0，则输出电压为 U0= -ifRF （7） 由“虚断”概念，电路中if=0，则有if=iR=(Ui-UN)/R=Ui/R,带入上式得： U0= -(RF/R)Ui =kUi （8）其中：k为比例放大系数 3.3.4、键盘电路 本电路采用矩阵式键盘，也称行列式键盘，用于键盘数目较多的场合。它由行线与列线组成，一组为行线，另一组为列线，按键位于行列交叉点上。本电路采用44的行、列结构以构成一个16个按键的键盘。在数目比较多的场合，用矩阵式比较节省I/O口线。键盘电路图如图6： 图6 键盘电路图 键盘矩阵中无按键按下时，行线处于高电平状态；当有按键按下时，行线电平状态将由与此行线相连的列线的电平决定。列线的电平如果为低，则行线电平为低；列线的电平如果为高，则行线的电平也为高，这一点是识别矩阵式键盘按键是否按下的关键所在。由于矩阵式键盘中行、列线为多键共用，各按键均影响该按键所在行和列的电平，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，才能确定闭合键的位置。我们可以采用扫描式识别键盘中被按下的按键位置。 3.3.5、数码管显示电路 本电路采用76LS164驱动数码管显示电路。76LS164是8位串行输入并行输出的移位寄存器。其引脚图如图7： 图7 74LS164引脚图 74LS164引脚功能如下： 1）、1、2引脚： 数据输入端，数据通过这两个输入端之一串行输入；任一输入端可以用作高电平使能端，控制另一输入端的数据输入。当其中任意一个为低电平时，则禁止新数据输入；当其中一个为高电平，则另一个就允许输入数据。因此两个输入端或者连接在一起，或者把不用的一端接高电平，一定不要悬空。 2）、3-6、10-13引脚：Q0-Q7数据输出端。 3)、8引脚：时钟输入端。CP每次由低变高时，数据右移一位，输入到Q0，Q0是两个数据输入端的逻辑与，它将上升时钟沿之前保持一个建立时间的长度。 4）、9引脚：复位清除端，当为低电平时，其他所有的输入端无效，同时所有输出端均为低电平。 利用74LS164驱动数码显示管电路图如图8： 图8 数码显示电路 为了消除数码显示带来的闪烁影响，可以采用三极管NPN来达到目的，通过控制P2.5高低电平来实现三极管的导通状态。当进行串行输入数据时，通过P2.5使三极管不工作，此时数码管不显示数字，当数据传输完成时，控制P2.5使三极管工作，数码管显示电路导通，显示数字，这样就能有效的消除闪烁现象。3.4电路原理图 图9电路原理图3.5、元器件选型3.5.1、PH传感器 PH传感器是用来检测被测物中氢离子浓度并转换成相应的可用输出信号的传感器,通常由化学部分和信号传输部分构成.。PH传感器常用来进行对溶液、水等物质的工业测试。 本电路采用工业GP100型PH电极 技术参数: 1、测量范围:014PH 2、测量精度:0.02PH 3、适用温度:060 4、响应时间:10sec3.5.2、A/D转换器 在本电路设计中是采用ADC0809芯片来实现模拟量到数字量的转换。ADC0809是以程序 查询方式进行数据采集。ADC0809是用8位全CMOS集成工艺制成的逐次比较型A/D转换芯片。分辨率8位，转换时间100s，输入电压范围为05V。ADC0809片内有三态数据输出锁存器，可以和单片机直接接口。3.5.3、超限报警器 报警器是一种为防止或预防某事件发生所造成的后果，以声音、光、气压等形式来提醒或警示我们应当采取某种行动的电子产品。报警器(alarm) ，分为机械式报警器和电子报警器。随着科技的进步，机械式报警器越来越多地被先进的电子报警器代替，经常应用于系统故障、安全防范、交通运输、医疗救护、应急救灾、感应检测等领域，与社会生产密不可分。本电路可选适当报警器即可。3.5.4、80C51单片机 80C51单片机的工作电压为5V ，电路板采用9 12 V 直流电压供电，经过78L05 转化为5V供单片机工作。AT89S51具有完整的输入输出、控制端口、以及内部程序存储空间。与我们通常意义上的微机原理类似，可以通过外接A/D，D/A转换电路及运放芯片实现对传感器传送信息的采集，且能够提供以点阵或LCD液晶及外接按键实现人机交互，能对内部众多I/O端口连接步进电机对外围设备进行精确操控，具有强大的工控能力。3.5.5、LED显示器 LED显示屏（LEDdisplay,LED Screen）：又叫电子显示屏或者飘字屏幕。是由LED点阵和led pc 面板组成，通过红色，蓝色，白色，绿色LED灯的亮灭来显示文字、图片、动画、视频，内容。可以根据不同场合的需要做出不同的调节，比如一般的广告牌那些流动的字画，就是通过flash制作一个动画,储蓄在显示屏的一张内存卡里,再通过技术手法显示出来的,可以根据不同的需要随时更换，各部分组件都是模块化结构的显示器件。传统LED显示屏通常由显示模块、控制系统及电源系统组成。LED优点概括起来是：亮度高、工作电压低、功耗小、大型化、寿命长、耐冲击和性能稳定。LED的发展前景极为广阔，正朝着更高亮度、更高耐气候性、更高的发光密度、更高的发光均匀性，可靠性、全色化方向发展。静态扫描技术采用静态锁存扫描方式,大功率驱动,充分保证发光亮度. 自动亮度调节具有自动亮度调节功能,可在不同亮度环境下获得最佳播放 效果.LED显示屏在保有亮度的同时,也存在着弊端，就是在下雨天，LED显示屏经过雨水淋湿，人的眼睛长时间近距离对着显示屏就会很容易诱发眼疾，出现流眼泪的情况，这种光源污染，LED显示屏作为环保技术应是需要更充份考虑到光线对人的精神方面的影响，不要过份追求亮度全面采用进口大规模集成电路,可靠性大大提高,便于调试维护。3.5.6信号放大器信号放大器由信号放大电路构成，主要完成微弱信号放大的作用。为减小噪声污染，提高信噪比，通常在调理电路中设置为前置放大器。3.5.7键盘用作操作人员输入数据的设备，与处理器相连接，可以进行一系列的数据输入设置。键盘有两种工作方式：编码式键盘和非编码式键盘。处理方式有扫描法和线反转法。本设计采用的是非编码键盘，并利用扫描法处理按键，消抖由软件实现。3.6、抗干扰设计在工业现场，生产环境往往比较恶劣，干扰较多，因此需求工业仪表具有良好的抗干扰能力保障仪表正常运行。常见的干扰有以下几种： 1）、电源干扰电源干扰主要来自于工频交流电网，交流电源引线作为介质传播电网中的高频干扰信号 2）、布线干扰 如果电路板的结构安排，导线走线和元件布局不合理，也会产生干扰问题。因为，元件间，导线间都存在着分布电容，并且对地还有一定的杂散电容，元器件本身的热噪声，静电感应等因素也会在一定的条件下造成恶劣的影响。 3）、接地干扰 工业电子设备，现场仪表的干扰与系统的接地方式有很大关系。良好的接地可以在很大程度上抑制系统内部噪声耦合，防止外部干扰的入侵，提高系统的抗干扰能力。如果接地处理不好，反而会导致噪声耦合，形成更严重的干扰。 对于以上多种可能产生的干扰，必须对系统采取有效的抗干扰措施，实际过程中，分为硬件抗干扰和软件抗干扰。（1）、硬件的抗干扰措施：对于电源引起的干扰，可以采取低通滤波器抑制交流电源线上引入的高频干扰，使用吸收电容吸收浪涌电压，使用隔离变压器和独立回路对系统各个模块供电，并且，每个模块电源使用LC电路对电源滤波，并对参数进行详细调整。对布线干扰采用合理的元件布局规则对元件布局，使元件的摆放在功能上和布线上达到和谐统一，方向一致有助于增强抗噪声能力；分离数字地和模拟地；增加去耦合电容可以消除高频干扰。 （2）、软件抗干扰措施采用中值复合滤波的方法，滤波过程是：首先对采集到的一组数据去掉最大值和最小值，再对剩下的数据进行算术平均值计算，此方法能有效消除脉冲干扰。4、软件设计4.1、主程序流程图 开始初始化 数据采集子程序数据缓存子程序A/D转换子程序数据处理与显示子程序 NO报警器报警 大于设定值报警值？ YES 图10主程序流程图4.2、数据采集子程序框图启动A/D转换通道 开始 等待100MS NO 返回读A/D转换结果，送入缓