某化工厂污水处理过程微机控制系统的设计

摘 要针对酸性废水中和过程中的中和剂浓度波动大及中和反应严重滞后的问题，建立了中和工段控制对象废水中和值的数学模型。设计中我们采用的控制系统是是闭环控制系统。采用多点测量法，并用了采样保持器以保证模拟量的精确以及分时操作的实时性来确定系统的精度，考虑传感器等的检测精度和满足系统稳定性所需要的调节器类型和数据采集的准确性和实时性。系统设计我们分硬件和软件两部分进行。在系统的硬件设计主要根据闭环控制系统的硬件框图，对输入通道和输出通道所需的硬件进行选择。我们在软件设计方面采用了 PID 数字控制器，并设计了以 AT89C51 为核心的单片机硬件控制系统编写了以采样算法和 PID 算法为核心的，以包括系统初始化，中断程序，PID 控制程序，采样程序等系统的主程序的软件程序，实践证明该控制系统对 PH 值有着极其强的控制能力。关键词：微机控制系统；PH 值 ；硬件电路；程序；ABSTRACTAnd neutralizer of course density fluctuate heavy and neutralization react the problem of lagging behind seriously to acid waste water, set up neutralization section control target - -And the mathematics model that is worth in the waste water. The control system which we adopted closes the control system of the ring in the design. Adopt some measure law more , and with sample person who keep so as to ensure accuracy and real-time character that timesharing operate of analog quantity confirm the systematic precision, consider measuring precision of sensor ,etc. and meet system regulator type and accuracy and real-time character that data gather stability need. System design we divide into hardware and software two part go on. Design the hardware block diagram that the main foundation closed the control system of the ring in the hardware of the system, and export the hardware that the passway need to choose to the input channel. We have adopted PID digital controller in software design, design taking AT89C51 as the core one-chip computer hardware control system write in order to sample algorithm and PID algorithm central, including initializing systematically , cut off the procedure , PID control procedure, sample procedure systematic software procedure of main program，It is proved that this control technique is useful to control PH system 。Keyword: Computer control system； hydrogen； ion index hardware circuit； Procedure；目 录第 1章 概述 .第 2章 系统的组成及工作原理 .第 3章 系统硬件设计 .3.1 单片机的选择 .3.2 采样保持器 .13.3 A/D 转换器 .33.4 D/A 转换器 .83.5 PH 值传感器 .23.6 信号放大电路 .33.7 系统辅助电路的设计 .43.8 键盘及显示设计 .63.9 单片机复位电路 .73.10 电源的选择 .83.11 多路开关 .9第 4章 系统的软件设计 .04.1 系统程序图 .04.2 数字调节器的设计 .04.3 程序清单 .5结 束 语 .2参 考 文 献 .3致 谢 .413441013172122232426272829293133515253第一章 概述随着人类社会的发展，随着现代工业的高速发展，工业污染已成为人们生活的主要危害。工业污染主要包括废水、废气、废渣等等。而其中的废水污染尤为严重，严重影响了人们的生活用水问。工业废水是指工业生产过程中产生的废水、污水和废液，其中含有随水流失的工业生产用料、中间产物和产品以及生产过程中产生的污染物。随着工业的迅速发展，废水的种类和数量迅猛增加，对水体的污染也日趋广泛和严重，威胁人类的健康和安全。对于保护环境来说，工业废水的处理比城市污水的处理更为重要。化工行业产生的废水直接外排不但影响环境。所以在排放前必须进行中和处理，使废水的 PH 值达到工业废水排放的标准后方可排放。废水排放的国家标准为 PH 值在 6.0-8.5 之间，因而废水处理的基本方法：酸性水加碱，碱性水加酸，即废水中和处理，使废水的 PH 值达到 6.0-8.5 之间，进行合格排放。化工厂排放的废水一般为酸性，理想的情况是采用在线处理方法，即一边排放，一边根据检测的 PH 值加碱，达到中性水的标准。但由于受到来水水质以及 PH 值检测滞后等因素的影响，现在普遍采用静态处理方法，即将化学废水集中到处理池子中，当池子的液位达到一定高度时进行中和处理。过去的方法靠人工加碱，由于没有在线 PH 计，加碱的过程只能凭感觉，不是加多了就是加少了。现今的自动控制系统已经发展到了智能化的阶段，智能控制是自动控制发展的高级阶段，是人工智能、控制论、系统论和信息论等多种学科的高度综合与集成，它主要包括模糊控制、神经网络控制、学习控制和专家控制等。智能控制是控制理论发展中的高级阶段，主要用来解决那些用传统方法难以解决的复杂系统的控制问题。为了提高生产效率，提高化工厂废水处理的自动化水平，着手设计由微机控制的废水处理系统。考虑到该化工厂产生的废水主要为酸性成分，处理要求并不是太高，所以在设计废水处理控制系统时尽量考虑用最少的投资达到最佳的控制效果。化工酸性废水成分复杂多变，浓度、流量也大幅的配置(AD574A, DAC0832, LEI)显示器等)构成。根据度地随机变化，而且成分、浓度又不可在线测量.为了实用性强的硬件电路.结合硬件电路和控制过程和废物利用, 使用电石渣废液做中慢时变的特点，设计了以大滞后采样算法和 PID控制，针对内含大量固体颗粒及其他杂质，使中和剂本身算法为核心的软件方案.本系统所设计的内容对于浓度波动很大，又造成反应滞后，给中和过程的控制缓慢变化的化工过程具有一定的实用价值。 第 2章 系统的组成及工作原理计算机系统由计算机和工业对象组成。计算机多采用专门设计的工业控制微机，也有采用一般微机或单片机的。工业对象包括被控对象、测量变送、执行机构和电气开关等装置。本设计采用微机闭环控制系统系统结构框图如 2-1 所示： 图 2-1 系统结构框图闭环控制系统的工作原理是：PH 值传感器采用五点测量法将现场采集的实时废水 PH 值变换为模拟的电流信号，经隔离去干扰后再由 I/V 变换电路变换成电压信号，送 A/D 转换为数字信号后送单片机处理。单片机根据送过来的信号与设定值相比较得出结论后向执行结构发出指令，开始执行加碱的动作，进行废水的中和处理。在此过程中，单片机输出的数字信号又经过 D/A 转换变成模拟量信号，经放大电路放大，执行机构进行一定的指令操作。其中单片机的给定参数也可以由人工通过键盘输入。以实现人机一体化操作。第 3章 系统硬件设计系统的硬件设计重要根据闭环控制系统的硬件框图，对输入通道和输出通道所需的硬件进行选择。输入通道包括：检测用的 PH 计、采样保持器、I/V 转换器以及 A/D 转换器。输出通道包括：D/A 转换器，功率放大以及执行结构（电磁阀）等。系统运行的核心部分是单片机，我们首先对单片机进行选择3.1 单片机的选择对化工厂废水处理的微机控制系统，单片机是整个设计控制的核心。近年来计算机技术发展日新月异，单片机由于其功能强、体积小、价格低、稳定性好等优点，应用领域不断扩大，目前在计算机外部设备、通信、智能仪表、过程控制、家用电器、航空航天系统等各个领域得到广泛应用。目前世界上有许多公司都生产单片机，但是由美国 Intel 公司生产的 MCS-51 系列、AT89 系列等仍是主流单片机，也是广大工程技术人员首选的机型。其易于学习、掌握，性能价格比高。目前上市较多的 AT89 系列产品，与 51 系列单片机产品完全兼容，各种性能较全，在设计中被较多的选用。所以我们在设计系统时，考虑选用 AT89 系列中的 AT89C51 单片机。3.1.1 AT89C51的介绍AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 4k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和 128 bytes 的随机存取数据存储器(RAM)，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器(CPU)和 Flash 存储单元，功能强大 AT89C51 单片机可以应用与许多高性价比的应用场合，也可灵活应用于各种控制领域。AT89C51 单片机的片内结构如图 3-1 所示，如果按功能划分，它由 8 个部件组成，即微处理器（CPU） 、数据存储器（RAM） 、程序存储器（EPROM） 、I/O口（P0 口、P1 口、P2 口、P3 口） 、串行口、定时器/记数器、中断系统及特殊功能寄存器（SFR） 。它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依然是采用 CPU 加上外围芯片的传统结构模式。但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器（SFR）的集中控制方式。单片机片内结构图 3.1。图 3.1 单片机片内结构AT89C51 的各个功能部件的作用如下：(1)数据存储器（RAM）：片内 128 个字节（单元） ，片外最多可外扩至 64K 字节。(2)程序存储器（EPROM）：4K 字节，片外最多可外扩至 64K 字节。(3)中断系统：具有 6 个中断源，2 级中断优先权。(4)定时器/记数器：2 个 16 位定时器/记数器，具有四种工方式。(5)串行口：1 个全双工的串行口，具有 4 种工作方式。(6)P0 口、P1 口、P2 口、P3 口：4 个并行 8 位 I/O 口。(7)特殊功能寄存器（SFR）：共有 21 个，用于对片内各功能模块进行管理、控制、监视。实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个特殊功能的 RAM。1微处理器（CPU）：为 8 位的 CPU，且内含一个 1 位 CPU，不仅可处理字节数据，还可以进行位变量的处理。AT89C51 单片机都采用 40 只引脚的双列直插封装（DIP）方式，目前大多数 为此封装方式。40 只引脚按其功能来分，可以分为三部分：(1)电源及时钟引脚：Vcc,Vss；XTAL1，XTAL2。(2)控制引脚：PSEN、ALE、EA、RESET（即 RST）(3)I/O 口引脚：P0、P1、P2、P3，为 4 个 8 为 I/O 口的外部引脚。图 3.1 为引脚的功能分类图，这些引脚构成了典型的三总线形式，即地址总线（AB） 、数据总线（DB） 、控制总线（CB） 。图中锁存器为外扩部件（常用74LS373、74LS573 或 Intel8212） 。下面根据图 3.2，叙述个引脚功能。图 3.2 AT89C51的引脚图AT89C51 单片机的中央处理器（CPU）AT89C51 的 CPU 是由运算部件和控制部件所构成的。运算部件包括逻辑部件 ALU、位处理器、累加器 A、寄存器 B（见图 3-1） 、暂存器以及程序状态字 PSW 寄存器等。该模块的功能是实现数据的运算、逻辑运算、位变量处理和数据传送等操作。控制部件是单片机的神经中枢，以主振频率为基准（每个主振周期称为震荡周期） ，控制器控制 CPU 的时序，对指令进行译码，然后发出各种控制信号，它将各个硬件环节组织在一起。AT89C51 存储器的结构AT89C51 的存储器可划分为五类：1、程序存储器。一个微机系统之所以能够按照一定的次序进行工作，主要在于内部存在着程序，程序实际上是有用户程序形成的一串二进制码，该二进制码存放在程序存储器中。2、内部数据存储器。它能满足大多数控制型应用场合需要，用作处理器为体的数据缓冲器。3、特殊功能寄存器。特殊功能寄存器反映了 AT89C51 的状态，实际上是AT89C51 的状态字及控制寄存器。4、位地址空间。AT89C51 的一个很大的优点在于它具有一个功能很强的位处理机。在指令系统中，有一个位处理指令的子集，使用这些指令，所处理的数据仅为一位二进制数。在 AT89C51 单片机内共有 211 个可寻址位，它们存在内部 RAM 和特殊功能寄存器中。5、外部数据寄存器。AT89C51 应用系统往往是个扩展系统。当片内 RAM 不够用时，可以在片外部扩充数据存储器。单片机的 I/O 端口I/O 口线: P0、P1、P2、P3 共四个八位口P0 口是三态双向口, 通称数据总线口, 因为只有该口能直接用于对外部存储器的读写操作。P0 口也用以输出外部存储器的低8 位地址。由于是分时输出, 故应在外部加锁存器将此地址数据锁存, 地址锁存信号用 AL E。P1 口是专门供用户使用的I/O 口, 是准双向口。P2 口是从系统扩展时作高8 位地址线用。不扩展外部存储器时, P 口也可以作为用户I/O 口线使用, P2 口也是准双向口。P3 口是双功能口, 该口的每一位均可独立地定义为第一I/O 功能或第二I/O 功能。作为第一功能使用时操作同P1 口。P3 口的第二功能如下表3.1表3.1 AT89C51的P3口功能端口引脚 第二功能P3.0 RXD 串行通信输入P3.1 TXD 串行通信输出P3.2 INT0 外部中断0 输入，低电平有效P3.3 T0 计数器0 外部事件计数输入端P3.4 T0 计数器0 外部事件计数输入端P3.5 T1 计数器1 外部事件计数输入端P3.6 WR 外部随机存储器的写选通，低电平有效P3.7 WR 外部随机存储器的写选通，低电平有效3.1.2 AT89C51的程序存储器的扩展系统设计时，当片内的存储器容量不够用或用了之后纯粹当接口方便、简化接线图，这样就需要外扩存储器了。单片机采用三总线结构。按其功能通常把系统总线分为三类，即地址总线、数据总线和控制总线。地址总线主要用于单片机送出的地址信号，以便对外部的存储器单元或I/O端口进行操作。地址总线是单向传送的，只能有单片机向外发送。在AT89C51单片机系统中，地址总线通常由P0口和P2口构成。数据总线是用于在单片机与外部存储器之间或单片机与I/O端口之间传送数据的通道。单片机系统总线通常由P0口来构成。总线宽度与单片机的字长是一致的。控制总线实际上是一组控制信号线，它包括单片机发出的，以及外部设备送给单片机的信号线。对某一条控制信号线而言，它是单向传送的，但是由不同方向的控制信号线组合成的控制总线则表现为双向传送性。系统扩展用的控制线有ALE、EA、PSEN、RD、WR。74LS373引脚图如图3.2图3.2 74LS373引脚图AT89C51单片机的P0口是地址线/数据线分时复用的，实现这一功能需要引入地址锁存器。常用地址锁存器的芯片一般有两类：一类是8D触发器，如74LS273、7474LS377等，另一类是位锁存器，如74LS373、8282等。图3-2给出了74LS373的引脚和它们的逻辑功能状态。74LS373是高电平触发选通，当使能端G有效时，输出直接跟随输出变化，当使能端有高变低时，才将输入状态锁存直到下次能使信号变高为止。因此在选用74LS373做单片机地址锁存时，可直接将单片机的ALE信号加到它们的使能端。E2 PROM是电可擦除、可编程的半导体存储器。在+5V电压下就可进行读写操作，对编程脉冲宽度一般也没有特殊的要求，也不需要专门的擦除器（如紫外线灯）。所以E 2PROM实际上是一种特殊的可读可写的存储器。它即可作程序存储器使用，也可作数据存储器使用。把程序存储器E 2 PROM连在单片机系统总线上就可以进行在线改写。即使突然掉电E 2 PROM中的内容也不会丢失。如图3.3 单片机外部扩展与单片机的接口图3.2 采样保持器采样/保持器的主要作用在于保证 A/D 转换器进行转换期间，输入电压保持不变，以免引起 A/D 的转换误差。它有两个工作模式：一是采样，一是保持。在采样状态时，其输出能跟随输入电压的变化而变化，故该状态亦称跟踪状态；而当处于保持状态时，其输出将保持在进入保持状态瞬间的输入电压的值不变。在选择采样/保持器时，应考虑以下几个主要参数：（1）孔径时间：电路接到保持信号后，模拟开关由导通转变为断开所需的时间。显然，对于一个动态的模拟输入信号在此期间会发生变化，这将导致 A/D转换产生不确定性误差（孔径误差） 。（2）捕捉时间：电路接到采样控制信号后，输入电压 Vo 达到指定跟踪误差范围内所需的时间。A/D 转换器的采样周期应大于捕捉时间。（3）保持时间：模拟开关断开的时间，由采样速率决定。（4）变化率 dVo/dt：反映在保持阶段，由于保持电容 C 漏电或放大器 A2 的漏电流所引起的保持电压的变化。（5）馈送：在保持模式时，由于输入信号耦合到保持电容，故存在寄生电容。因此，输入电压的变化也将引起输入电压的微小变化。考虑到采样后还需要加功率放大电路，所以在选择采样保持器时，选择了本身带有功率放大功能的 AD346 芯片。AD346 是一种高速采样/保持放大器，在 2 s 内可达到0.01%的精度。该芯片的低失调、低下降率、高采样率和低孔径抖动时间的特点，使得它非常适合频率高达 97KHz 的快速 A/D 变换中，同时也使用于 D/A 变换、峰值保持、选通测量系统和同步采样转换系统等领域中。1. AD346 的主要性能：高速采样/保持放大器片内含有保持电容和补偿网络采用激光调整技术无需外围元件就能正常工作双电源供电采样时间： 10V 级，到 0.01%：2 s(max); 20V 级，到0.01%：2.5 s(max)增益误差：0.02%FSR（max）失调电压：3mV/（max）下降率：0.5mV/ s（max）工作温度范围宽：-55 +125C功耗：500mW（max）孔径抖动时间：400psAD346 芯片内部具有保持电容和补偿网络，所以它是一个完整的采样/保持放大器。这种结构不仅能减小采样/保持放大器电荷的失调，而且还大大简化了芯片外围电路的设计。激光调整技术的运用，不仅省掉外围失调调零电位器，而且使调零技术走向新的领域。并且 AD346 还具有以下特性：a. 有较低的捕捉时间；b. 有较高的采样保持电流比；c. 在采样保持模式时有较高的输入阻抗；d. 输入信号电平可达电源电压 Vs，可适用于 12 位模数转换电路；e. 供了相互隔离开的模拟地，数字地，从而提高了抗干扰能力。所以我们选择 AD346 作为此设计所需的采样/保持放大器。2. AD346 的引脚图以及引脚名称如图 3.4 和表 3.2图 3.4 AD346引脚图表 3.2 引脚功能图3. 极限参数：正电源电压：+19V；负电源电压：-19V；正电源电流：+18mA；负电源电流：-10mA；贮存温度：-65 +150 ；C引线焊接温度：+300 。4. AD346 的接口电路AD346 和高速的 A/D 转换器组合运用，就可以对数据采集系统中的信号进行精确的数字化处理。下面给出我们在设计中用到 AD346 和 AD0809A 的接口电路。3.3 A/D转换器经过多路转换开关和采样/保持器后的模拟量必须被变成数字量才能送入计算机，完成上诉转换任务的器件叫做 A/D 转换器，它是输入通道最关键的部件。A/D 转换器主要有以下技术指标：a. 分辨率: A/D 转换器的分辨率是指输出数字量变化一个相邻数码所需输入模拟电压的变化量、一般以输出二进制的位数表示。b. 精度:失调误差或零值误差。指输入信号为零时，输出信号不为零的值。增益误差或满刻度误差。是指满刻度输出数码所对应的实际输入电压与理想输入电压之差。线性度: 线性度是指转换器实际的转移函数与理想直线的最大偏移。c. 转换速率： A/D 转换器的转换速率是指能够重复进行数据转换的速度，即每秒转换的次数。d. 电源灵敏度：当电源电压变化时，将 A/D 转换器的输出发生变化，从而产生误差。通常 A/D 转换器对电源变化的灵敏度用相当于同样变化的模拟输入值的百分数来表示。常用的 A/D 转换器的工作原理有逐次逼近型和双积分型。1. 逐次逼近式 A/D 转换器下图为逐次逼近式 A/D 转换电路原理图。它主要是由逐次逼近寄存器SAR、D/A 转换器、比较器、控制时序及逻辑电路、输出锁存器等 5 部分组成。逐次逼近式 A/D 转换器图 3.5图 3.5 逐次逼近式 A/D转换器它的工作过程是：把逐次设定在 SAR 中的数字量所对应的模拟量电压 Vf 与模拟量输入电压 Vi 进行比较。转换开始时，首先由控制电路将 SAR 中的最高位设定为“1” ，其余位为“0” ，将此设定数据输入到 D/A 转换器转换成模拟电压Vf，然后将 Vf 与 Vi 在电压比较器中进行比较。若 ViVf，即输入电压 Vi 比此设定的数字量所代表的电压值小，说明最高位设成“1”不合适，应重新设置成“0”；若 ViVf,说明该位设置“1”是合适的。然后，按上述方法继续对次高位进行转换、比较和判断，并决定应取“1”还是“0” 。重复上述过程，直至确定了 SAR 最低位为止。此时 SAR 中的内容就是输入量转换成的二进制数字量。将此结果存入输出锁存器，等待输出。2. 双积分型 A/D 转换器双积分型 A/D 转换原理如下图所示，在“转换开始”信号控制下，输入的模拟电压 Vi 在固定时间内对积分器上的电容充电（正向积分） ，时间一到，控制逻辑将模拟转换到与 Vi 极性相反的基准电源上，开始使电容放电（反向积分），同时计数器开始记数。当比较器判定放电完毕时就输出信号，使计数器停止记数，并由逻辑控制发出“转换结束”信号。这时计数器所计脉冲个数反映了放电的时间。双积分型 A/D 转换器的原理如图 3.6。图 3.6 双积分型 A/D转换器可以看出，放电时间 T1 或 T2 正比于输入电压 Vi，输入电压大，则放电时间长，计数器的记数值越大。因此，计数器记数值的大小反映了输入电压 Vi 在固定积分时间 T 内的平均值。双积分原理图 3.7 图 3.7 双积分原理图根据设计需要，我们采用逐次逼近式的 ADC0809ADC0809 主要性能如下:1. 分辨率为 8 位二进制数2. 模入电压范围 05V，对应 A/D 转换值为 00HFFH3. 每路 A/D 转换完成时间和 100us4. 也许输入 8 路模拟电压，通过具有锁存功能的 8 路模拟开关，可以分时进行8 路 A/D 转换5. 工作频率为 500kHz。输入与 TTL 电平兼容。ADC0809 引脚功能如下：IN0IN78 路 0+5V 模拟电压输入端。DB7DB08 位数字输出线。输出 8 位 A/D 转换值。START起动 A/D 转换输入端。若单片机在此引脚加一个正脉冲，脉冲的上升沿将内部存储器清 0；其下降沿起动 A/D 进行一次新的转换。EOCA/D 转换结束输出信号，高电平有效。在起动 A/D 转换 START 有效开始EOC=0，表示 A/D 转换正在进行中；当转换一结束，EOC=1。因此 EOC 可作为A/D 转换状态输出信号，供 CPU 查询或用来向 CPU 申请中断。OE允许数字量输出信号，高电平有效。当 EO=1 时，打开三态门，A/D 转换后的 8 位数字量放在数据总线 DB7DB0 上，供 CPU 用指令取走。CLOCK输入时钟脉冲。频率为 500kHz。ADDA、ADDB、ADDC模入通道 IN0IN7 的地址选择线。可控制 8 外路转换开关进行 8 取 1 切换。ALE地址锁存允许输入信号。锁存 ADDA、ADDB、ADDC。ADC0809 与 AT89C51 的硬件接口ADC0809 于单片机的接口有两种方式：一种是将 0809 通过并行 I/O 口（如8155）与单片机连接；另一种是将 0809 直接与单片机连接。ADC0809 和单片机接口应解决以下问题。1.8 个模拟输入通道 IN0-IN7地址的确定由于 ADC0809 自带地址锁存器。可直接 ADDC、ADDB、ADDA。和 P0.2、P 0.1和P0.0连接。2.工作方式的选择A/D 转换结束后，CPU 可以用查询方式或中断方式读走 A/D 转换值。若采用查询方式，可以将 EOC 连接 P1.0，CPU，用 JNB P1.0，HERE 指令查询。若采用中断方式，将 EOC 经一个非门连接 INT0，A/D 转换结束后 EOC=1，INT 0=0，CPU 在INT0中断服务程序中将 A/D 转换值读走。3.ADC0809 控制信号的产生用单片机 P2.7 和 WR 共同控制 0809 的 ALE 和起动 A/D 转换 START 端。当 P2.7=0、WR=0 时，ALE=START=1 有效。ALE 先锁存通道地址，然后 START起动 A/D 转换。上述有效信号的产生由 CPU 执行指令完成：MOVE DPTR，A；A 中内容任意DPTR 的高位 DPH 使 P2.7=0，DPL 选通地址，写操作使 WR=0，满足要求。当 A/D 转换结束，EOC=1，通知 CPU，而 CPU 使 OE=1 才能完成读 A/D 转换值操作。由指令“MOVX A，DPTR”置 RD=0，P2.7=0，使 OE=1，则将 A/D 转换值读入 A 中。满足上述要求的 ADC0809 与 8031 硬件接线如图 3.8。 图 3.8 ADC0809 与 8031接线图3.4 D/A转换器D/A 转换器的任务是将计算机输出的数字量，例如控制量或其它需要显示和记录的数字量，转换成标准的模拟量电压或电流作用到执行机构或在记录仪上显示。其输出的模拟量有电流型和电压型。对于电流型输出 D/A 转换器可外接运算放大器，将输出电流转换成电压并提高带负载能力。1. D/A 转换器的技术指标：(1) 辨率 分辨率通常用输入数字量的位数来表示，如 8 位，10 位,12 位。(2) 出电平 一般为 510V。也有一些高电压输出型，输出电压为2430V。还有一些电流输出型，其电流输出从 20mA 到数安培。(3) 出极性 有单极性和具有正负双极性。此外，D/A 的选择还考虑 D/A 的转换时间、输入编码形式、转换线性、工作温度范围等等。2. DAC0832 转换器：DAC0832 是一个具有两个输入数据存储器的双列直插式 8 位数模转换器。能完成数字量输入模拟量（电流）输出的转换。(1) AC0832 的主要性能：分辨率为 8 位；单一电源供电（+5V+15V） ；具有单缓冲、双缓冲和直通输入三种工作方式；电流稳定时间为 1us，逻辑输入电平与 TTL 电平兼容。(2) AC0832 的引脚图和引脚功能图 3.9 。图 3.9 DAC0832的功能引脚图DAC0832 的引脚功能：ILE： 允许输入锁存。： 片选。 和 ILE 共同对 能否起作用进行控制。_CS_S_1WR： 写信号 1，低电平有效。将数据输入并锁存于寄存器中， 有效时，WR _1WR和 ILE 必须同时有效。_： 写信号 2。将锁存于输入寄存器的数字传送到 DAC 寄存器， 必2 _XFE须同时有效。： 传递控制信号，控制 。_XFER_2WR： DAC 电流输出 1。DAC 寄存器为全 1 时，输出电流最大；为 0 时输出1OUTI电流为 0。：电流输出 2。 =常数- ，所以和 构成互补输出方式。2OUTI2OUTI1OUTI1OUTI：反馈电阻，作为外部运算放大器的分路反馈电阻，为 DAC 提供输出电fbR压。 ：基准电压输入，-10V+10V。EFUcc：数字电源电压，+5V+15V。最佳+15V。AGND：模拟地。DGND：数字地。通常模拟地和数字地连接在一起。3. DAC0832 的三种工作方式(1) 通方式:这时两级 8 位数据存储器都处于输出跟随输入的情况、条件是 ILE=1，而、 、 和 均为 0。由 DI7DI0 输入的数据直接进行 D/A 转_CS_1WR_2_XFER换。(2) 于单缓冲寄存器工作方式：两个锁存器之一始终处于直通状态，另一个锁存器处于受 CPU 控制状态。条件是 =1（直通） ，CPU 控制_2LE= * *ILE。这时 DAC0832 相当于 AT89C51 的一个外部 RAM 单元，_1LE_CSWRCPU 用一条 MOVX 指令就可以完成 D/A 转换。(3) 于双缓冲寄存器的工作方式：这种方式是两个锁存器都处于受控方式，CPU 通过 5 条引脚分别控制 和 。关系为_1LE_2=ILE* * = *CPU 要输出转换 8 位数据必须通过两步操作才能_1LE_CS_R2完成。多用于 2 路 D/A 转换接口场合，每一路模拟输出都接一片 DAC0832，并要求同步进行 D/A 转换输出。DAC0832 片内结构图 3.10。图 3.10 DAC0832片内结构4. DAC0832 和 AT89C51 的接口电路：由于 DAC0832 内部带有数据锁存器，可直接与 P0 口连接。因为 本设计中只需要一路 D/A 转换，所以采用单缓冲。硬件的连接中，使 =1，则将_2LE和 接地，将 ILE 接+5V。这时： = * ，用单片机 控制_2WR_XFE_1LE_CSWR_R，P2.7 连接 。CPU 用输出指令 MOVX DPTR,A 可进行单缓冲 D/A 转换。1_CS接口电路如图 3.11。图 3.11 DAC0832单缓冲接口3.5 PH值传感器PHG97 型工业pH计结构及原理结构:PHG97 型工业pH 计,由传感器和高阻转换器组成,为两线制一体化结构,传感器选用引进国外技术生产的系列pH 符合电极作传感器,把水溶液的酸碱度转换成420mA.DC 标准直流电流信号或RS485 串行接口输出,供给PLC 系统,仪表带有温度补偿,可以对被测溶液的温度变化进行自动补偿。测量原理: PHG97 型工业pH 计是采用电极电位法来测量pH值。pH玻璃电极和参比电极作为传感器,插在被测溶液中,该电极系统构成化学原电池。参比电极提供一个稳定的电位,pH 玻璃电极其电位与溶液中的pH值有关,它符合能斯特公式:E = E0 - KpH式中:E pH电极和参比电极的电位差;E0 测量电极的电势常数,包括标准电极电位,不对称电位;K电极斜率;pH 溶液的pH 值。因此, E和K已定,只要准确测量两个电极间的电动势,就可以测得溶液中的pH值了。3.6 信号放大电路为了使执行元件更好的执行命令，要对弱模拟信号加以放大。并把信号中的干扰噪声抑制在最低限度，因而须用低噪音、低漂移、高增益、高输入阻抗以及具有很高共模抑制比的直流放大器。这类放大器常用的有测量放大器、可编程放大器和隔离放大器。我们选择比较常用的测量放大器。测量放大器的特点如下：测量放大器又称仪表放大器，一般采用多运放平衡输入电路，图 3-12 是最基本的电路。由图可知，该电路是由三个运算放大器 A1、A2、A3 组成。其中A1 和 A2 组成具有对称结构的同相并联差动输入/输出级，其作用是阻抗变换（高输入阻抗）和增益调整；A3 为单位增益差动放大器，他将 A1、A2 的差动输入双端输出信号转换为单端输出信号，且提高共模抑制比 CMRR 的值。在 A1和 A2 部分可由 Rg 来调整增益，此时 Rg 的改变不影响整个电路的平衡。而 A3的共模抑制精度取决于四个 R2 的匹配精度。根据叠加原理可以得到:V=(1+R1/Rg)Vi-R1/RgVi+V=(1+R1/Rg)Vi+-R1/RgVi-测量放大器输出电压:V=(Vi+Vi-)=1+2R1/Rg)(Vi+-Vi-)其增益为：G=1+2R1/Rg由于对两个输入信号的差动作用，漂移减少且具有输入阻抗、低失调电压、低输入阻抗和高共模抑制比以及线性度较好的高增益。测量放大器的一般结构如图 3.12 所示，两个差动输入端 Vi+ 、Vi-与信号源相连，对于由信号源引入的共模干扰有较高的抑制能力。外接电阻 Rg 用来调节增益，有些放大器还有对放大器倍数进行微调的电阻 Rs。测量放大器基本电路图 3.12。图 3.12 测量放大器基本电路3.7 系统辅助电路的设计3.7.1 电流/电压（I/V）变换电路现场变送器输出的信号为 4-20mA 的统一信号，需经 I/V 变换成为电压信号，以下是两种变压电路。(1)无源 I/V 变换无源 I/V 变换主要是利用无源器件电阻来实现的，并加滤波和输出限幅等保护措施。对于 0-10mA 输入信号，可取 R1=100，R2=500，且 R2 为精密电阻，当输入的 I 为 0-10mA 电流时，输出的为 0-5V，对于 4-20mA 输入信号，可取R1=100， R2=250，且 R2 为精密电阻，这样当输入的 I 为 4-20mA 时，输出的 U 为 1-5V。(2)有源 I/V 变换有源 I/V 变换主要是利用有源器件运算放大器、电阻1 上输入电压变成标准输出电压。该同相放大电路的放大倍数为:A=1+R4/R3 设计采用有源 I/V 变换电路。电路图如下：有源 I/V 变换电路图 3.13。图 3.13 有源 I/V变换电路3.7.2 光电隔离电路光电耦合器件可有效地抑制干扰信号。此外，光电耦合器提供了较好的带宽，较低的输入失调飘逸和增益温度系数，因此能较好得满足工业过程控制信传输的要求。光电隔离电路如图 3.14 所示。光电耦合器由发光源和受光器两部分组成，并封闭在同一不透明的管壳内由绝缘的透明树脂隔离。三极管型光电隔离器图3.14。图 3.14 三极管型光电隔离器3.8 键盘及显示设计本设计是采用在线处理方法，即一边排放，一边根据检测的 PH 值加碱，达到中性水的标准。因此要有良好的显示和键盘系统1.显示器的选择：LED 显示器是单片机应用系统中常用的输出器件。它是由若干个发光二极管组成的，当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发亮。控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符。常用的 LED 显示器有 7 段和“米”字段之分，我们采用 7 段的显示器。亮点显示器分有静态和动态两种方法。所谓静态显示：就是当显示器显示某一个字符时，相应的发光二极管恒定的导通或截止。这种显示方式每一位都需要有一个 8 位输出控制。所谓动态显示：就是一位一位地轮流点亮显示器各个位（扫描） ，对于显示器的每一位来说，每隔一段时间点亮一次。由于设计要用 3 位显示器,如果采用静态显示，需要的引脚过多，需要更多的扩展。所以我们采用 3 为的动态显示法来实现。2.键盘接口：键盘是由若干个按键组成的开关矩阵，它是最简单的单片机输入设备，通过键盘输入数据或命令，实现简单的人机对话。键盘工作原理：4 4 的键盘结构如图所示：图中行线通过电阻接+5V，当键盘上没有键闭合时，所有的行线和列线断开，行线 X0X3 呈高电平。当键盘上某一个键闭合时，该键所对应的行线与列线短路。键盘原理图 3.15。图 3.15 键盘原理图例如，6 号键按闭合时，行线 X1 和列线 Y2 短路，此时 X1 的电平由 Y2 的电决定，如果把行线接到微机的输入口，列线接到微机的输出口，则在微机的控制下，使列线 Y0 为低电平，其余三根列线 Y1、Y2、Y3 都为高电平。然后微机通过输入口读行线的状态，如果 X0、X1、X2、X3 都为高电平，则 Y0 这一列上有键闭合，如果读出的列线状态不全为高电平，则为低电平的行线和 Y0 相交的键处于闭合状态；如果 Y0 这一列上没有键闭合，接着使列线 Y1 为低电平，其余列线为高电平。用同样的方法检查 Y1 这一列上有无键闭合。这种逐行逐列地检查键盘状态的过程称为对键盘的一次扫描。然后采用中断方式，当键盘上有键闭合时，向 CPU 请求中断，CPU 响应键盘输入中断请求，对键盘扫描，以识别那一个键处于闭合状态，并对键输入信息作出相应处理。由于单片机本身的 I/O 有限，必要时必须对其进行扩充。所以在这里我们决定采用 8255A 对单片机进行 I/O 口的扩展，然后直接在 8255 的三个输出口直接连键盘及显示电路，具体接法见系统总体连线图。3.9 单片机复位电路掉电复位电路是当电源失效或电压降到某一电压值以下时，自动复位的电路。我们在设计中采用了 PHILIPS 公司生产的 MAX708。此类产品体积小，功耗低，而且可以选门槛电压。可保障系统在不同的异常条件下复位，防止系统失控。此外 MAX708 还可监视第二个电源信号，为处理器提供电压跌落的预警功能，利用此功能，系统可在电源跌落时到复