基于单片机控制的废水中和值控制系统的

1、摘 要电石渣液中和酸性废水，使废液呈中性，以达到安全排放的目的。经过比较采用串级控制方法，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MCS-8051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）。这种方法成本低，技术也很成熟，处理效率也很高。关键词：8051单片机 A/D D/A 传感器 串级控制AbstractThis design uses the carbide s

2、lag fluid to neutralize acidic waste water, to cause the waste liquid to assume the neutrality, to achieve the goal of safe emissions. The cascade control scheme is adopted after the comparison. The inner rim controls the rate of flow of carbide slag liquid, the outer ring controls the PH value. By

3、means of flow transducer and pH sensor to gather current capacity and the PH value, the gathered simulated signal which is transformed by I/V, switched by the A/D transformer is changed the digital signal evacuation to enter the 8051 monolithic integrated circuit. The digital signal is analyzed and

4、counted by the monolithic integrated circuit and then output. Through the D/A converter and the V/I transformation the signal is sent into the electric control valve, to control the rate of flow of carbide slag liquid and then control the PH value whether it achieves the set point of the design requ

5、irements(pH=7 around). This method has the advantages of low cost、high processing efficiency、technology matures.Keywords: 8051 monolithic integrated circuit a/d d/a sensor cascade control第1章 引 言11 毕业设计的目的 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

6、的目的，减少对环境的危害。12 毕业设计的意义饮用水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，有着很好的经济效益。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实用的，努力完善这一技术也是非常有意义的。13 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14 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

7、PH值稳定于7附近。15 废水处理在国外和国内的发展状况151 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

8、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。152 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

9、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。第2章 根据毕业设计内容要求，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。控制方案的论证串级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

10、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)对进入副回路的干扰有很强的抑制能力； (3)能改善控制通道的动态特性，提高系统的快速反应能力； (4)对非线性情况下的负荷或操作条件的变化有一定的自适应能力。在串级控制系统中，

11、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，而且又能改善动态特性。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，而且又能改善动态特性。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。键盘PH值传感器I/V变换A/D转换器本方案

12、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，以保证系统的稳定性和安全性。第3章 控制系统的硬件设计3.1 最小系统的设计 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

13、/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。本次课题设计我们采用8051，它是MCS-51系列单片机的一种，具有品种全、兼容性强、性能价格比高等特点且软硬件应用设计资料丰富齐全，已为我国广大工程技术人员所熟悉。8051在片内集成有4K的ROM，作为程序存储器，是一个程序不超出4K的小系统。8051引脚图如下图 图3-1 8051引脚图 8051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

14、，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

15、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）。 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。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XTA

16、L1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振荡器频率的高低，振荡器的稳定性,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

17、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。在本次毕业设计中我们采用内部时钟方式电路。 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，

18、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。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3-3(a) 按键电平复位电路 图3-3(b) 按键脉冲复位电路 在本次毕业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

19、=1k，此时=2210110=22ms (3-1) 当按下按钮，RST出现5=4.2V时，使单片机复位。 综上所述，在本次毕业设计中我们采用的最小系统框图如下图 图3-4 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

20、于在大批量生产的应用系统中使用。8051内部4KB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8051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。 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

21、、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

22、：-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：220V 50HZ(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

23、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 2)测量误差：±0.1PH 3)仪器分辨率：0.01PH 4)输出信号：010mA或420mA 5)报警设定范围：014PH分别可调上、下报警设定 6)参与电极内阻：10K 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

24、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。变送器输出的信号为010mA或420mA的统一信号，针对这两种情况I/V变换有两种实现方法，一种是无源I/V变换，一种是有源I/V变换。我选用的是无源I/V变换。无源I/V变换主要是利用无源电阻器件来实现的，并加滤波和输出限幅等保护措施，如下图 图3-5 无源I/V变换图 对于010mA输入信号，可取R1=100 ,R2=500 ,且R2为精密电阻，这样当输入的I为010mA电流时，输出的V为05V；对于420mA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420mA时，输出的V为15V.本设

25、计中输入I为420mA，所以R1=100 ,R2=250，输出的V为15V.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。片内带有锁存功能的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

26、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) A/D转换时间与转换速度的选择转换时间是指完成一次A/D转换所需时间，转换时间的倒数就是转换速度。转换时间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) A/D位数的选择A/D转换器的位数的确定与整个测量控制系统所要测量控制的范围与精度有关，A/D转换器按照输出代码的有效位数分为4位、8位、12位、14位、16位。 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 (

27、3-2)输入为05V时，分辨率为 (3-3)A/D转换器的满量程值 ADC的二进制位数量化误差为 (3-4)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。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3-6 ADC0809引脚图(4) ADC0809与8051 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

28、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500kHz,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

29、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。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3-7 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无源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

30、石渣液的流量。 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

31、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，以提供数据锁存功能。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

32、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。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。 DA

33、C0832引脚图如下图 图3-8 DAC0832引脚图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、单缓冲输入或直接数字输入； 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，

34、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。在本次毕业设计中我采用单缓冲方式，与8051的接口电路如下图图3-9 DAC0832与8051的接口电路 V/I变换器的选择 由于从D/A转换器送出的是电压(1-5V)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ZF2B20。它是通过V/I变换的方式产生一个与输入电压成比例的输出电流。它输出电压范围是0-10V,输出电流是4-20mA

35、（加接地负载），采用单正电源供电，电源电压范围是10-32V.它的特点是低漂移，可用于控制和遥测系统，作为子系统之间的信息传送和连接。如下图所示是ZF2B20的引脚图。ZF2B20的输入电阻为10K .动态响应时间小于25us,非线性小于±0.025%。利用ZF2B20实现V/I转换极为方便。下图所示电路是一种带初值较准的0-10V到4-20mA转换电路。ZF2B20的电路连接图如下图图3-10 ZF2B20电路接线图 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

36、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。3.4 电磁阀的选择 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

37、，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。在本次毕业设计中我才用XT-09型电磁阀 图3-11 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

38、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。(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3-12 4*4行列式键盘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根列线Y1,Y2,Y3都为高电平,读行线状态.如果X0,X1,X2,X3都为高电平,则Y0这一

39、列上没有键闭合,如果读出的行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,依次类推,最后使列线Y3为低电平,其余列线为高电平,检查Y3这一列有无键闭合。根据上面的分析，很容易想到识别键盘有无按下的方法，此方法分为二步进行：第一步，识别键盘有无被按下；第二步，如果有键被按下，识别出具体的按键。2） 线反转法线反转法采用查询方式进行工作，具体步骤为：第一步，让行线编程为输入线，列线编程为输出线，并使输出线输出为全低电平，则行线中电平由高变低的所在行为按键所在行。第二步，再

40、把行线编程为输出线，列线编程为输入线，并使输出线输出为全低电平，则列线中电平由高变低的所在行为按键所在行。综合上述二步的结果，可以确定按键所在的行和列，从而识别出所按的键。(3) 键盘的编码 对于独立式按键键盘，由于按键的数目比较少，可根据实际需要灵活编码。对于行列式键盘，按键的位置由行号和列号唯一确定，所以常常采用依次排列键号的方式对键盘进行编码。由于单片机本身的并行I/O口数目有限，在本设计中，串行口并没有用到，因此采用串行口扩展并行口的方法来完成键盘显示电路的设计。因此，我加入了74LS164芯片来完成这一任务。在本次课题设计中我们采用行列式键盘，其与89C51的接线图如下图图3-13

41、键盘电路与8051的接线图3.5.2 显示电路设计显示器普遍地用于直观地显示数字系统的运行状态和工作数据,按照材料及生产工艺,单片机应用系统中常用的显示器有: 发光二极管LED显示器,液晶LCD显示器,CRT显示器等.LED显示器是现在最常用的显示器之一，也是本次课题设计我们采用的的显示器。 常用的LED显示器为8段（或7段，8段比7段多了一个小数点“dp”段）。每一个段对应一个发光二极管。这种显示器有共阳极和共阴极二种。共阴极LED显示器的发光二极管的阴极连接在一起，通常次公共阴极接地。当某一个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。同样共阳极LED显示器的发光二极管的阳

42、极连接在一起，通常次公共阴极接正电压，当某一个发光二极管的阴极为低电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。 LED显示器的工作原理有N个LED显示块可拼接成N位的LED显示器。N个LED显示块有N位位选线和8*N根段码线。段码线控制显示字符的字型，而位选线为各个LED显示块中各段的公共端，它控制该LED显示位的亮和暗。 LED显示器的显示控制方式按驱动方式可分成静态显示方式和动态显示方式两种： (1) LED静态显示方式LED显示器工作静态显示方式时，各位的共阴极(或共阳极)连接在一起并接地(或+5V)；每位的段码线(adp)分别与1个8位的锁存器输出相连。之所以称为静态显示，是因为各个LED

43、的显示字符一经确定，相应锁存器锁存的段码输出将维持不变，直到送入另一个字符的段码为止。正因为如此，静态显示器的亮度都较高。(2) LED动态显示方式在多位LED显示时，为简化硬件电路，通常将所有位的断码线相应段并联在一起，由1个8位I/O口控制，形成断码线的多路复用，而各位的共阳极或共阴极分别由相应的I/O线控制，形成各位的分时选通。例如一个4位的8段LED动态显示器电路。其中断码线占用了8位I/O口，而位选线占用了一个4位I/O口。由于各位的断码线并联，8位I/O口输出的段码对各个显示位来说都是相同的。应此，在同一时刻，如果各位位选线多处于选通状态的话，4位LED将显示相同的字符。若要各位L

44、ED能够同时显示出与本位相应的显示字符，就必须选用才动态显示方式，即在某一时刻，只让某一位的位选线处于选通状态，而其他各位的位选线处于关闭状态，同时段码线上输出相应位要显示的字符的段码。这样，在同一时刻，4位LED只有选通的那一位显示出字符，而其他三位都是熄灭的。同样，在下一时刻只让下一味的位选线处于选通状态，而其他3位的位选线处于关闭状态，在段码线上输出将要显示字符的段码，则同一时刻，只有选通位显示出相应的字符，而其他三位都是熄灭的。如此循环下去，就可以使各位显示出将要显示的字符。虽然这些字符是在不同时可出现的，而在同一时刻，只有一位显示，其他各位熄灭，但由于LED显示器的余辉和人眼的视觉暂

45、留作用，只要每位显示间隔足够短，则可以造成多位同时亮的假象，达到同时显示的效果。LED的不同位显示的时间间隔应根据实际情况而定。发光二极管从导通到发亮有一定的延时，导通时间太短，则发光太弱，人眼无法看清；但也不能太长，因为要受限于临界闪烁频率，而且此时间越长，占用CPU时间也越多。另外，显示位数增多，也将占用大量的CPU时间，因此动态显示的实质是以牺牲CPU时间来换取器件的减少。在本次毕业设计中我采用的显示电路与8051的接线如下图图3-14 显示电路与8051接线图第4章 控制系统的软件设计 整个系统软件设计主要是对作为数据采集处理的单片机的软件设计。系统采用模块化编程，将各部分功能分别实现

46、。主要的功能子程序有：定时中断服务子程序、流量检测子程序、PH值检测子程序、显示子程序和键盘子程序。4.1 主程序设计开 始初始化开中断 扫描键盘调用显示子程序图4-1主程序框图4.2 定时中断服务子程序设计开 始Y测量PH值关 中 断N次数-1=0？N定时20s？Y滤 波Y测量电石渣液流量标度变换N次数-1=0？PID算法Y调控制子程序滤 波重装时间常数标度变换开 中 断定时 +1N返 回定时10s？ 图4-2 定时中断服务子程序框图4.3 软件滤波设计 对于实时数据采集系统，为了消除传感器通道中的干扰信号，硬件上常采用模拟滤波器对信号实现频率滤波。同样采用软件也可以实现滤波，完成模拟滤波器

47、类似的功能，这就是数字滤波。数字滤波的算法有4种：限幅滤波法、惯性滤波法、中位值滤波法和平均值滤波法。在本次课题设计中我采用中位值滤波法。中位值滤波法就是对某一北侧参数接连采样n次(一般n取基数)，然后把n次采样值按大小排列，取中间值为本次采样值。框图如下图所示开 始 始读取n次采样取 中 间 值返 回 图4-3 软件滤波框图4.4 标度变换生产过程中的各种参数都具有不同的量纲和数值变化范围，所有这些具有不同量纲和数值范围的信号又都经各种形式的变送器转化为同一的信号范围。为了进行显示、打印、记录或报警，又必须把这些数字量转化成具有不同量纲的数值，以使操作人员进行监视和管理，这就是所谓的标度变换

48、，也称工程量转换。标度变换通过一个公式，用A/D转换的得到数字量，表示出被测物理值的客观值，分为线性和非线性参数标度变换两种。(1) 线性参数标度变换 线性参数最常用的标度变换，其变换前提是条件是测量物理量与A/D转换的得到数字量为线性关系。线性标度变换的公式为 （4-1）作变换得 （4-2）显然是线性关系。式中， Ao-测量仪表量程的下限； Am-测量仪表量程的上限； Ax-实际测量值(工程量)； No-仪表下限所对应的数字量； Nm-仪表上限所对应的数字量； Nx-测量值所对应的数字量；为了使程序设计简单，一般设下限Ao所对应的数字量No=0。（2） 非线性参数标度变换 一般情况下，非线性

49、参数标度变换规律各不相同，固其标度变换公式也需根据各自的具体情况建立。该单片机系统中，被测量经过A/D转换，均统一为0255二进制码，因此要把A/D转换的数码X变换成被测量的实际数值。这是一个线性关系所以我采用线性参数标度变换。 线性参数标度变换框图如下开 始 返 回 图4-4 标度变换程序框图4.5 PID算法当执行机构需要的不是控制量的绝对值，而是控制量的增量时，需要用PID的“增量算法”。单片机被控对象yxuue+PID增量算法-由位置算法求出 （4-3）再求出 （4-4）两式相减，得出控制量的增量算法 (4-5）此式称为增量式PID算法。 对增量式PID算法归并后，得 (4-6) (4

50、-7) 其中 已看不出是PID的表达式了，也看不出P、I、D作用的直接关系，只表示了各次误差量对控制作用的影响。可以看出，数字增量式PID算法，只要贮存最近的三个误差采样值e（k）、e（k-1）、e（k-2）就足够了。增量式PID控制算法的框图如下图开 始读取数据存储计算结果返 回 图4-5 增量式PID控制算法框图第5章 总 结 废水处理技术随着现代科学技术的发展也在不断的提高，我设计的废水处理控制系统主要是根据流量传感器和PH值传感器进行数据信号的采集，然后送入单片机处理，最后通过对电动调节阀的控制来完成任务。数据信号采集技术可应用于不同的工农业现场，是一项非常实用的技术。信号采集过程中，被测量一般由传感器供给，常为微弱信号，需要对其进行适当的调整。由于此处输入信号满足A/D转换器的输入要求。通过对数据采集和传输的初步研究，以8051、ADC0809和一些相关接口建立起这样一个基于单片机的数据采集和传输系统的硬件平台，配合相应的软件实现对2路模拟量的采集与传输。信号处理的任务就是将被测对象的输出信号变换成计算机要求的输入信号。同样，单片机的输出信号也要进行处理，转换成被控对象识别的信号。这个过程我用DAC0832来完成。本设计的主要优点是采用单片机为控制核心