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电气电子毕业设计论文
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毕业设计92废水中和值控制系统,电气电子毕业设计论文
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(论文 ) 目 录 1 引 言 . 1 1.1 课题设计的目的 . 1 1.2 课题设计的意义 . 1 1.3 设计应解决的 主 要问题 . 1 1.4 设计满足的技术要求 . 1 1.5 废水处理在国外和国内的 发展状况 . 1 1.6 课题设计的指导思想 . 2 2 控制方案的论证 . 2 2.1 主要的几种控制系统 . 2 2.2 总控制方案的确定 . 4 3 控制系统的硬件设计 . 5 3.1 最小系统的设计 . 5 3.2 输入通道的设计 . 13 3.3 输出通道的设计 . 18 3.4 电磁阀的设计 . 22 3.5 键盘 /显示电路的设计 . 23 3.6 报警电路的设计 . 26 4 控制系统的软件设计 . 27 4.1 主程序设计 . 27 4.2 定时中断服务子程序设计 . 28 4.3 流量检测子程序设计 . 29 4.4 PH值检测子程序设计 . 30 4.5 控制及报警子程序设计 . 31 4.6 串口显示子程序设计 . 32 4.8 键盘子程序设计 . 34 4.9 软件滤波设计 . 35 4.10 标度变换 . 35 4.11 PID算法 . 37 5 总 结 . 39 参考文献 . 40 谢 辞 . 41 附录一 . 41 附录二 . 错误 !未定义书签。 nts (论文 ) 1 1 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。 1 1.3 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nts (论文 ) 2 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。 2 1.6 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。 nts (论文 ) 3 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： nts (论文 ) 4 (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。 3 2.2 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： MCS-51A / D 转 换 器I / V 变 换流 量 传 感器I / V 变 换V / I 转 换电 动 调 节阀D / A 转 换 器报 警看 门 狗显 示A / D 转 换 器P H 值 传 感器键 盘图 1-1 方案设计框图 nts (论文 ) 5 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)； nts (论文 ) 6 (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。 nts (论文 ) 7 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。 5 3.1.2 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 nts (论文 ) 8 1至 内 部 时 钟 电 路M C S - 5 1X T A L 1X T A L 2晶振C 1C 23 0 p F3 0 p F6 M H z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 XTAL2nts (论文 ) 9 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 22 F， R取 1K。 8 9 C 5 1+ 5 V+CR S TR2 2 F1 K 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 22 F， 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。 nts (论文 ) 10 8 9 C 5 1+ 5 V+CR S TR K2 2 F1 K R s2 0 0 8 9 C 5 1V c cR S TV s sC 12 2 F2 2 FC 2R 11 K R 11 K 复 位V c c+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 =22 10 6 1 103 =22ms 当按下按钮 ， RST 出现12001000 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。 nts (论文 ) 11 (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： 6.3 15.4 25.1109 10 VVRR R 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。 8 MAX690应用电路原理图如下图 图 3-6 MAX690 应用电路原理图 nts (论文 ) 12 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。 nts (论文 ) 13 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： nts (论文 ) 14 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： 0 14PH 2)测量误差： 0.1PH 3)仪器分辨率： 0.01PH 4)输出信号： 0 10mA或 4 20mA 5)报警设定范围： 0 14PH分别可调上、下报警设定 6)参与电极内阻： 10K 9 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 3-8 RCV420 的电路接线图 3.2.3 A/D转换器的选择 nts (论文 ) 15 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 100 s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 8 0.39%2 输入为 0 5V 时，分辨率为 85 0 . 0 1 9 61122FsN Vv Fsv A/D 转换器的满量程值 N ADC 的二进制位数 量化误差为 85 0 . 0 0 9 8( 1 ) 2 ( 1 ) 222FsNQVv 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 nts (论文 ) 16 图 3-9 ADC0809 引脚图 各引脚的功能如下： IN0 IN7： 8 个通道的模拟量输入端。可输入 0 5V 待转换的模拟电压。 D0 D7： 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 100 200ns。 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， D0 D7 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 nts (论文 ) 17 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 0000H 0007H。 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 RD 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。 nts (论文 ) 18 图 3-10 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。 nts (论文 ) 19 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 1 s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 3-11 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nts (论文 ) 20 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 1 s； 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 nts (论文 ) 21 图 3-12 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 (
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