单片机控制的污水排放PH值检测系统设计

1、1 引言1.1 污水处理的研究背景及意义随着时代的进步，工业化程度的不断提高，人们的生活已经离不开工业。在人民生活水平不断提高的同时，人类赖以生存的水资源却在经济开展的过程中遭受严重破坏。在全社会越来越重视自然环境和人类和谐开展，工业及居民生活污水处理建设工程和开展受到全世界的普遍关注。随着污水处理工艺水平迅猛开展，对污水处理的自动化要求越来越高。为使污水处理系统处于良好的运行工况，获得更好的出水水质，必须及时取得污水处理系统的重要过程参数及水质参数。其中，PH值是表征水质的重要参数之一。在石油、化工、造纸等工业生产中，给水处理和废水处理控制过程中，都必须把PH值控制在一定的范围内。否那么，将

2、会影响企业生产，造成原料浪费，产品质量下降，甚至污染环境。与此同时，强酸强碱很有可能腐蚀生产设备，使用寿命降低，甚至可能给生产造成危险。因此，不仅是在工业生产中，而且在环境保护下，对污水PH值的有效控制是非常有意义的。本文针对以上对污水处理的状况，通过查阅相关污水PH值控制的资料，对污水处理中的PH值控制问题进行研究和设计。1.2 污水处理PH值控制的目的在工业生产污水处理中，污水过酸或过碱都容易引发各种问题。所以，必须先对污水的PH值进行检测，然后对其进行中和处理，到达要求后才可以排放。然而，PH值控制是一个复杂的非线性控制问题。由于酸碱中和反响过程存在混合、测量等因素，需要一定的时间，时滞

3、较大。PH值滴定曲线是非线性曲线，在中和反响过程中，不同的工作点增益相差很大。因此，处理好PH值中和非线性是PH值控制的重点。本文根据PH值中和非线性这一特点，设计了PID算法的智能区间控制数学模型，并基于AT89S51单片机设计了PH值控制系统。该系统验证了本算法设计的可行性，同时也提供了一种解决PH值控制问题的新思路。1.3 PH值控制方法现状及开展趋势污水处理往往需要设备工作在良好的状况，同时要及时取得污水处理系统的各项技术参数，PH值是最重要的参数之一。传统的PH值控制方法需要工作人员到场进行手工中和操作和监视，导致对系统的意外事件反响较慢，而且无法准确对水质的变化做出反响和调整，从而

4、限制了污水处理的稳定性和处理质量。然而这些经验的积累要求具有较长时间的实际操作经验和广泛的知识，往往根据多年积累的经验对污水处理厂进行管理。因此，建立污水处理的检测控制系统是十分有必要的。国外兴旺国家很早就已经投入大量资金和科研力量加强污水处理的监测、运行和管理，实现了计算机控制、报警、计算和瞬时记录。如美国在20世纪70年代中期开始实现污水处理厂的自动控制。目前主要污水处理厂已经实现工艺流程中主要参数的自动测试和控制。80年代以来，美国召开了两次水处理仪器和自动化的国际学术会议，会上发表的数百篇论文反映出水处理自动化已开展到使用水平。与国外相比，我国污水自动化控制起步较晚。进入90年代以后污

5、水处理厂才开始引入自动控制系统，但多是直接引进国外成套自控设备，国产自动控制系统在污水处理厂应用较少。因此，采用PH值自动控制系统取代传统的人工控制是开展的必然趋势。在污水PH值的控制研究上，一般采用简单PID算法或单回路控制，这样的控制方法稳定性较差，很难适应当今大型的复杂的污水处理控制且很难满足平稳、高效、平安等生产要求。所以，控制系统还需结合各项相关技术，如：现代控制理论、电工仪表技术等，从而设计出功能更大、更完善的、具有一定适应能力的新系统。本设计针对污水处理PH中和过程的特点及控制要求，研究出一套结构简单、算法简便、效果好、耗药少且能满足污水处理要求的PH值区间控制系统。可以在污水处

6、理厂推广，经济效益明显。1.4 本文完成的工作1了解工业、生活污水的排放对环境的污染，污水处理的意义及其流程。2对污水处理PH值控制研究，分析PH值中和非线性的原因。3设计污水处理PH值智能区间控制模型，并且推导出相应PID算法。4完成污水处理PH值的硬件设计，根据PH值的变化范围及控制精度，利用AT89S51单片机实现系统数据采集、处理、存储和显示功能。5完成污水处理PH值的软件设计，根据系统不同模块所实现的功能，利用单片机C51语言编写单片机程序。6完成对系统的各个功能模块，硬件和软件的调试。1.5 本章小结本章主要介绍了工业、生活污水排放对环境的污染，污水处理的意义；污水处理PH值控制系

7、统的方法研究，国内外现状及开展趋势。对本文所应完成的工作做一个简要阐述。2 PH值概述及其控制方法建模2.1 PH值简介 PH值的定义PH是拉丁语“Pondus hydrogenii一词的缩写，亦称氢离子浓度指数，是溶液中氢离子活度的一种标度，也就是通常意义上溶液酸碱程度的衡量标准。通常PH值是介于0和14之间的数：当PH7的时候，溶液呈碱性；当PH=7的时候，溶液呈中性。PH值是水溶液最重要的理化参数之一。化学变化以及生产过程都与PH值有关，因此，在工业、农业、医学、环保和科研领域都需要测量PH值。 PH值中和过程特点在污水处理过程中，会经常碰到PH值的控制问题。由于PH值变化很大，不易控制

8、，PH值的滴定曲线是非线性曲线，如图1所示，在中和反响过程中，不同的工作点增益相差很大，在实际反响过程存在混合、测量等纯滞后因素，增加了控制难度。图2-1 PH值中和滴定曲线由图2-1可知，在PH=7附近对象的静态增益很大，此时添加的中和剂略有变化就能引起PH值较大幅度的变化；而远离PH=7对象的静态增益很小，只有参加大量的中和剂，才能使PH值的少量变化。这就是PH对象明显的非线性特性。2.2 污水处理PH值过程控制模型过程控制模型如图2-2所示，污水PH值的智能区间控制。AT89S51单片机 PH值传感器 加酸 加碱 反响PH值 变送器 进水 出水 管式混合器图2-2 污水处理PH值控制模型

9、 以上模型中，包含前馈和反响PH值闭环控制系统。前馈系统主要由PH值传感器，反响由PH值变送器完成。结合次控制模型，设计出污水处理PH值的智能区间控制PID算法，再通过实际的系统软硬件制作和调试来加以验证。2.3 常规PID控制原理图2-3 PID控制系统原理框图常规PID控制系统原理框图如图2-3所示，由PID控制器和被控对象组成。PID控制器是一种线性控制器，根据给定值与实际输出值构成控制偏差：将偏差的比例P、积分I和微分D通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。PID控制器各校正环节的作用如下：1. 比例环节比例环节的方程： 2-1其中，为比例调节器的输出量，为比例

10、系数，为调节器的输入或偏差值。可以表示成： ，这里为设定的目标值，为时刻的采样值。比例调节器的输出变化与输入偏差成比例。比例调节作用的大小除了与偏差有关外，主要取决于比例系数的大小。越大，比例调节作用越强，反之那么越弱。对于大多数系统而言，太大时，会引起系统自激振荡。比例调节的优点是调节及时，只要偏差一出现，就能及时产生与之成比例的调节作用。缺点是存在振荡，而且如果单纯采用比例调节，那么系统一定会存在静差。这是因为比例调节的输出正比于偏差值，假设偏差为零，那么输出也为零，此时，系统不可能到达平衡。比例系数越小，过渡过程越平稳，但静差越大。比例系数越大，那么过渡过程曲线振荡越厉害，比例系数过大时

11、，甚至可能出现发散振荡的情况。因此，对于扰动较大，惯性也较大的系统，假设单纯采用比例调节，就很难兼顾动态和静态特性。2. 积分环节积分环节的方程： 2-2其中，为积分时间。积分调节的主要特点是调节器的输出不仅取决于偏差信号的大小，而且还主要与偏差存在时间有关。只要有偏差存在，输出就会随时间不断增长，直到偏差消除后，调节器的输出才不会变化。因此，积分作用能消除静差，这是它的主要有点。它的主要缺点是动作缓慢。而且在偏差刚一出现时，积分作用很弱，不能及时克服扰动的影响，使被调参数的动态偏差增大，调节过程变长。3. 微分环节微分调节的方程： 2-3其中，为微分时间。微分调节的主要特点是输出可以反映偏差

12、的变化速度。因此，对于一个固定不变的偏差，不管其数值有多大，也不会有微分作用输出。所以微分作用不能消除静差，而只能在偏差发生变化时，产生调节作用。 根本PID控制算法对实际系统进行控制时，常常将比例、积分和微分三种方法进行线性组合，构成PID控制，到达一个良好的控制效果。一般模拟系统的PID方程为： 2-4其中，为比例增益，为积分时间，为微分时间，为控制量，为测量值与给定值的偏差。为了便于算法的实现，将上面的微分方程做如下处理： 其中，为采样周期，为采样序号，和分别为第和第次采样所得的偏差。由此，式2-1可以写成： 2-5为便于编程，可以将式2-5改写成增量形式，即： 2-6其中，为积分系数，

13、 为微分系数。整理后可得： 2-7其中， ， ， 。由上式2-7可以看出，控制量的大小除了与偏差、和有关外，还与比例增益，积分时间，微分时间和采样时间有关。因此，如何确定这些参数是PID控制的关键所在。 污水处理PH值的智能区间控制原理由于在污水处理过程中，需要把PH值控制在某一范围，即某一设定区间，因此，提出了污水处理过程PH值设定区间智能控制方法：将设定区间的上限、下限作为控制设定值，构成两个设定值控制器，并根据出水PH值动态调度该两个设定值控制器，以确保出水PH在设定区间内，满足控制的要求。假设PH值设定区间为，检测得到的出水PH值为，控制量为表示加碱，表示加酸，表示不加药。设定值控制采

14、用应用广泛的PID控制算法。这样设定值为的PID控制算法为： 2-8其中，为设定值与出水PH值之差，即=-，、为PID控制常数。同理，设定值为的PID控制算法为： 2-9其中，=-，、为PID控制常数。整个系统的控制算法为： ，且 设定值为时 其它 2-10 ，且 设定值为时 其它图2-4是控制策略的示意图，图中、分别表示某一时刻出水PH值，、表示下一时刻在、点针对设定值或由控制算法得到的加药量控制作用。对于点低于设定值，即与设定值相图2-4 PH值区间控制示意图比偏酸，加碱表示要使出水PH值到达设定值需要加该控制使PH值上升；对于点位于设定区间之内，高于设定值，但低于设定值，即与设定值相比偏

15、碱，与设定值相比偏酸，加酸，虽然加酸会导致出水PH值降低使之趋近于，但如果不加酸，任其漂移，可能漂移到 之上但通过下一控制周期使输出在附近或仍在区间之内，因此可将控制作用如控制算法2-10式所示置为。对于、点也同理。注1:设定值的调度可采用增益调度方法，就近原那么，也就是根据出水PH值与设定值，的距离决定切换到哪个设定值进行控制，即如果，那么设定值为，否那么设定值取为。注2：从控制策略2-10可以看出，只有在控制作用从大于0渐变到小于0，或从小于0渐变到大于0的过程中，才会出现控制作用为0的情况，因此，控制是连续的。2.6 污水处理PH值控制系统品质指标和参数整定方法 PID控制系统的品质指标

16、 一个受控系统的被控过程一般是衰减振荡的过渡，可以用曲线来描述，如图2-5所示：图2-5 被控系统过程衰减振荡曲线衡量系统过程控制的品质指标主要有： 偏差是指被调参数与给定值只差。对于一个衰减振荡过渡过程，其最大偏差是第一个波得峰值，见图5中A表示。最大偏差表示系统瞬时偏离给定值的最大程度，假设偏离越大，偏离时间越长，系统离开规定的平衡状态越远，一般要对最大偏差加以限制。2. 超调量 超调量是振荡的第一个峰值与新稳定值只差，图5中用B表示。超调量也可以用来表征被调参数的偏离程度。3. 静差静差是过渡过程终了时的剩余偏差，也就是被调参数的稳定值与给定值之间的差值，图5中用C表示。静差可正可负，被

17、调参数越接近给定值越好，即静差绝对值越小越好。4. 衰减比衰减比是前后两个峰值的比，是表示衰减程度的指标。图5中衰减比为B：B，习惯上用n：1来表示。通俗而言，假设n只比1大一点，过渡过程的衰减程度很小，它与等幅振荡过程接近，振荡过程过于频繁不够平安，一般不采用；如果n很大那么又太接近于非振荡过程，通常也是不希望产生的。一般取n=410为宜。因为衰减比在4:1到10:1之间时，过渡过程开始阶段的变化速度比拟快，被调参数在受到干扰的影响和调节作用的影响后，能比拟快地到达一个峰值，然后马上下降，又较快地到达一个低峰值。5. 稳定时间 从干扰开始作用起至被调参数又建立新的平衡状态为止，这段时间成为稳

18、定时间。严格的讲，被调参数完全到达新的稳定状态需要无限长的时间。实际上，由于测量仪器的灵敏度限制，当被调参数靠近稳定值时，指示值就根本不再变化。所以有必要时，在可以测量的区域内，在稳定值上下规定一个小的范围，当指示值进入这一范围而不再越出时，就认为被调参数已到达稳定值。稳定时间短，说明过渡过程进行得比拟迅速，这时即使干扰频繁出现，系统也能适应，质量就高。6. 振荡周期振荡周期是指过渡过程中两个同向波峰之间的间隔时间，其倒数称为振荡频率。在衰减比相同的条件下，振荡时间与稳定时间成正比。一般希望周期短些为佳。7. 振荡次数稳定时间内被调参数振荡的次数称为振荡次数。较为理想的过渡过程，振荡两次就能到

19、达稳定状态。8. 上升时间从干扰变化时间起至第一个波峰时所需要的时间为振荡的上升时间。上升时间以短些为宜。 参数整定方法对于任何一个被控系统，一般要求过程超调量小、调整时间短、没有静差，要到达这样的一个效果，合理选择PID调节器各参数是十分重要的。在PID调节器中，需要整定的参数有比例系数Kp、积分系数Ki和微分系数Kd。如何合理的选择采样周期T，也是影响系统性能的重要因素。PID参数的整定有多种方法，这里只介绍凑试法。凑试法是通过模拟或闭环运行，观察系统的响应曲线，然后根据各调节参数对系统响应的大致影响，反复凑试参数，以到达满意的响应。PID各参数的影响概括如下：1增大比例系数Kp一般将加快

20、系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差。但过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。2减小积分系数Ki有利于减小超调，减小振荡，使系统更加稳定，但系统静差的消除也将随之减慢。3增大微分系数Kd也有利于加快系统的响应，使超调量减小，稳定性变好，但系统对扰动的抑制能力减弱，对扰动有较敏感的响应。在了解了PID各参数对被控系统的影响趋势之后，采用凑试法对参数进行整定时，一般遵循以下步骤：1首先只整定比例局部。即将比例系数由小变大并观察相应的系统响应，直到得到反响快、超调量小的响应曲线。如果系统没有静差或静差已经小到允许的范围内，并且响应曲线已经满意，那么可以只需用比例调节器即

21、可，比例系数可由此确定。2如果在比例调节的根底上系统的静差不能满足设计要求，那么需参加积分环节。整定时首先置积分系数Ki为一较小值，并将经第一步整定得到的比例系数略为缩小一般为原来的0.8倍，然后减小积分时间，使在保持系统良好的动态性能的情况下，静差得到消除。在此过程中，可根据响应曲线的好坏反复改变比例系数与积分时间，以得到满意的控制过程与整定参数。一般应调整Ki，使响应曲线的衰减比为4:1。3假设使用比例积分调节器消除了静差，但动态过程反复调节仍不能满意，那么可以参加微分环节。在整定时，可先置微分系数Kd为零，在第二步整定的根底上，增大Kd，同时相应的改变比例系数和积分时间，逐步凑试，以获得

22、满意的调节效果和控制参数。在整定过程中，观察到曲线振荡很频繁，需把比例系数减小以减小振荡；曲线最大偏差大且趋于非周期，需把比例系数增大。当曲线波动较大时，应增大积分时间即减小积分系数；曲线偏离给定值后，长时间回不来，那么需减小积分时间即增大积分系数。如果曲线振荡的厉害，那么需把微分作用减到最小，或暂时不加微分作用，以免更加剧振荡；曲线最大偏差而衰减慢，须把微分时间加长，一直调到过渡过程两个周期根本到达稳定，品质指标到达工艺要求为止。2.7 本章小结本章主要针对污水处理PH值控制系统在对污水酸碱进行中和过程中，PH值呈非线性这样的一个特点，提出污水处理PH值智能区间控制算法，并设计出控制模型。在

23、后面的章节里将阐述系统各局部的工作情况，验证本算法的可行性。3 污水处理PH值控制系统硬件设计3.1 污水处理PH值控制系统设计方案在对系统进行设计之前，首先必须先确定选用什么主控器作为系统的控制核心。本设计选用通用单片机作为主控芯片，单片机周围电路所用到的芯片可以由课题要求来选择，但应该遵循选择功耗小、体积小、稳定性高和实用性强的原那么。单片机是在一块硅片上集成了各种部件的微型计算机。随着大规模集成电路技术的开展，包括中央处理器CPU、数据存储器RAM、程序存储器ROM、定时器/计数器及输入/输出I/O接口电路等主要计算机部件，都可集成在一块电路芯片上。虽然单片机只是一个芯片，但从组成和功能

24、上，它已经具有了微机系统的含义。由于单片机能独立执行内部程序，所以又称它为微型控制器。随着科学技术的日新月异，单片机也从一开始的8位单片机开展到16位、32位等诸多系列，其中51系列单片机由于其灵活方便、价格廉价的优点，在众多制造厂商的支持下已经开展成为具有上百个品种的大家族，如今51单片机是应用最广泛的单片机，是大学里电子、自动化及相关专业的必修学科。AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位HYPERLINK :/baike.baidu /view/1012.htm t _blank单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写10

25、00次的Flash只读程序存储器，器件采用HYPERLINK :/baike.baidu /view/110906.htm t _blankATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP FlashHYPERLINK :/baike.baidu /view/1223079.htm t _blank存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。因此，在本设计中采用AT89S51单片机作为主控制器。AT89S51单片机及其外围电路设计如图3-1所示： 辅助电路模

26、块 时钟电路稳压电路复位电路 A T 8 9 S 5 1 单 片 机 数据采集电路模块PH值传感器 A/D转换 显示模块液晶屏显示上位机显示报警执行电路模块执行机构 D/A转换图3-1 污水处理PH值控制系统原理框图其中，数据采集电路模块中主要利用PH值传感器对污水采集其PH值，再经过A/D转换成电信号，由单片机对信号进行处理，如果所采集PH值不在所设定的上限、下限参数时，那么将产生报警，提醒工作人员检查报警原因并采取措施。辅助电路模块主要是为了给单片机提供稳定电压、时间记录等辅助功能，以保证整个系统能在稳定的前提下运作。显示模块主要是显示被测数据经过单片机处理之后，经液晶显示屏和上位机界面显

27、示监测的数据，主要包含时间及该时刻的PH值。执行电路模块主要是把系统输出的控制量经D/A转换给执行机构，实现控制效果。3.2 污水处理PH值控制系统各局部电路设计 AT89S51单片机简介 AT89S51单片机是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机。AT89S51单片机具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器RAM，32个外部双向输入/输出I/O口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，HYPERLINK :/baike.baidu /view/280158.h

28、tm t _blank看门狗WDT电路，片内HYPERLINK :/baike.baidu /view/1847884.htm t _blank时钟振荡器。此外，AT89S51单片机设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过HYPERLINK :/baike.baidu /view/37.htm t _blank软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。单片机芯片如图3-2所示：图3-

29、2 AT89S51单片机芯片图主要特征如下： 8031 CPU与MCS-51 兼容 4K字节可编程FLASH存储器(寿命：1000写/擦循环) 全静态工作：0Hz-33MHz 三级程序存储器保密锁定 128*8位内部RAM 32条可编程I/O线 两个16位HYPERLINK :/baike.baidu /view/281961.htm t _blank定时器/计数器 6个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路其管脚功能说明如下：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义

30、为HYPERLINK :/baike.baidu /view/1410710.htm t _blank高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口

31、缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能存放器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，

32、P3口将输出电流ILL这是由于上拉的缘故。P3.0 RXD串行输入口P3.1 TXD串行输出口P3.2 /INT0外部中断0P3.3 /INT1外部中断1P3.4 T0记时器0外部输入P3.5 T1记时器1外部输入P3.6 /WR外部数据存储器写选通P3.7 /RD外部数据存储器读选通P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。I/O口作为输入口时有两种工作方式，即所谓的读端口与读引脚。读端口时实际上并不从外部读入数据，而是把端口锁存器的内容读入到内部总线，经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器。只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线。上面图中的两个三角形表示的就是输入缓冲器CPU

33、将根据不同的指令分别发出读端口或读引脚信号以完成不同的操作。这是由硬件自动完成的，不需要我们操心，1然后再实行读引脚操作，否那么就可能读入出错，为什么看上面的图，如果不对端口置1端口锁存器原来的状态有可能为0Q端为0Q为1加到场效应管栅极的信号为1，该场效应管就导通对地呈现低阻抗，此时即使引脚上输入的信号为1，也会因端口的低阻抗而使信号变低使得外加的1信号读入后不一定是1。假设先执行置1操作，那么可以使场效应管截止引脚信号直接加到三态缓冲器中实现正确的读入，由于在输入操作时还必须附加一个准备动作，所以这类I/O口被称为准双向口。89C51的P0/P1/P2/P3口作为输入时都是准双向口。接下来

34、让我们再看另一个问题，从图中可以看出这四个端口还有一个差异，除了P1口外P0P2P3口都还有其他的功能。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才

35、起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，那么在此期间外部程序存储器0000H-FFFFH，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源VPP。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。

36、A/D转换器本设计中，对于模拟量和数字量的转换采用的是TLC0820芯片。TLC0820是德州仪器公司TI推出的，采用先进LinCMOS工艺制造的8位A/D转换器，它由2个4位的闪速FLASH转换器，1个4位的数模转换器，1个计算误差放大器，控制逻辑电路和结果锁存电路组成。其可校正的FLASH技术可以保证芯片在工作温度范围内完成一个8位转换仅仅需要1.18us。芯片的跟踪保持电路有100ns的采样窗口，它允许芯片以100mV/us的转换率转换连续的模拟信号而不需要外部的采样电路。TTL兼容的3态输出驱动和2种操作模式可以方便的与各种微处理器接口。TLC0820芯片引脚图如图3-3所示：图3-3

37、 TLC0820芯片引脚图TLC0820芯片特征如下：先进的LinCMOS硅工艺8位转换结果差分基准输入并行微处理器接口转换和访问时间在温度范围内无需外部时钟或振荡器元件芯片上跟踪保持电路单一5V供电工作温度范围：070TLC0820A；-4085TLC0820AI因此，TLC0820芯片被广泛应用在高速数据采集系统、工业控制、工厂自动化系统等领域。TLC0820芯片各引脚功能如下表所示：引脚号名称I/O 说 明1ANLGLNI模拟输入端 13CS I片选端，CS须保持低电平以使ADC识别RD或WR 2D0 O数据端，3态数据输出，位0LSB 3D1 O数据端，3态数据输出，位1 4D2 O数

38、据端，3态数据输出，位2 5D3 O数据端，3态数据输出，位3 14D4 O数据端，3态数据输出，位4 15D5 O数据端，3态数据输出，位5 16D6 O数据端，3态数据输出，位6 17D7 O数据端，3态数据输出，位7MSB 10GND O地 9INT O中断。在写方式时，中断输出INT变低提示内部计数延迟时间int完成及结果数据在输出锁定。典型的延迟时间int是800ns，在WS上升缘后开始。如果RD在int结束前变低，那么INT在RIL结束时变低且转换结果即可读出。INT由RD可CS上升缘复位 7MODE I方式选择。MODE通过类似下拉电阻的50uA电流源与GND相连。当MODE低电

39、平选择读方式，当MODE高电平那么选择读-写方式 19NC无内部连接 18OFLW O溢出指示端。正常情况时OFLW是一逻辑高电平。可是如果模拟输入比高，OFLW在转换结束时将变低。可用于级联两个或多个器件以提高分辨率9位或10位 8RD I读。CS低电平的写读方式下，3态数据输出D0至D7在RD变低时被激活。通过在内部计数延迟时间结束之前读数据，RD也可用来提高转换速度。结果，传送至输出锁定电路的数据在RD的下降沿被锁定。读方式下，CS低电平，转换在RD变低开始。RD变在转换完成时允许3态数据输出端输出。RDY进入高阻抗状态及INT变低指示转换完成。 11 I基准电压。接电阻梯形网络的底部。

40、 12 I基准电压。接电阻梯形网络的顶部。 13Vcc电源 6WR/RDY I/O写准备好。在写读方式，CS为低电平时，WR输入信号的下降沿启动转换开始。只要RD输入在内部计数延迟时间完成之前不变低，转换结果在其之后被选通入输出锁定。延迟时间int大约为800ns。在读方式，RDY一开漏输出在CS的下降沿变低且当转换选通入输出锁定电路时进入高阻抗状态。这可简化微处理器的接口TLC0820芯片的工作原理： TLC0820AC和TLC0820AI均采用取样数据比拟器技术及普遍用于许多高速转换器的快闪技术。应用两个4位快闪模数转换器完成8位输出。推荐的模拟输入电压范围是0.1V至VCC+0.1V。小

41、于Vref-+1/2LSB或大于Vref+1/2LSB的模拟输入信号分别转换为00 00 00 00或11 11 11 11。基准输入是全差分的，其共模极限为电源决定。基准输入值决定模拟输入满量程范围。这允许ADC的增益通过改变Vref+及Vref-电压值而变化以便于比率转换。s内完成。此时数据输出亦从高阻抗状态转变为有效状态。数据读出后，RD处高电平状态，INT恢复高电平状态，数据输出恢复至高阻抗状态。当MODE处高电平状态，转换器被设为写读方式且WR/RDY被看作是写端。保持CS和WR/RDY低电平可选择转换器并开始输入信号的测量。大约在 WR/RDY 恢复高电平后的600ns ，转换完成

42、。在写读方式，转换开始于WR/RDY的上升沿。高4 位快闪 ADC通过同时工作的 16 个比拟器测量输入信号。高精度的4 位 DAC 这时从转换结果产生一离散的模拟电压。一段延迟时间后，第二组比拟器根据输入电平及 DAC 输出间的模拟电压差完成低四位转换。每一个转换结果输入一个8位锁定电路并且在RD的下降沿输出至3态输出缓冲器。 时钟电路由于本系统是对污水处理的实时监测和控制，所以在设计中有必要对不同时刻污水PH值进行采样并存储数据，所以时钟电路局部是本系统设计中是不可缺少的。系统中选用的是DS1302时钟芯片来设计时钟电路局部。时钟芯片DS1302是美国DALLAS公司推出的，其在测量系统应

43、用中可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿等多种功能。DS1302用于数据记录，特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录上，能实现数据与出现该数据的时间同时记录。这种记录对长时间的连续测控系统结果的分析以及对异常数据出现的原因的查找有重要意义。在测量控制系统中，特别是长时间无人职守的测控系统中，经常需要记录某些具有特殊意义的数据及其出现的时间。记录及分析这些特殊意义的数据，对测控系统的性能分析及正常运行具有重要的意义。传统的数据记录方式是隔时采样或定时采样，没有具体的时间记录，因此只能记录数据而无法准确记录其出现的时间；假设采用单片机计时，一方面需要采用计数器，占用硬件资源，

44、另一方面需要设置中断、查询等，同样消耗单片机的资源，而且某些测控系统可能不允许。而在系统中采用 DS1302那么能很好地解决这个问题。时钟芯片DS1302引脚图及内部原理图如图3-4所示：图3-4 DS1302引脚图及内部原理图DS1302结构与工作原理：DS13021是美国 DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带 RAM的实时时钟芯片，工作电压宽达 2.55.5V。采用三线接口与 CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或 RAM数据。DS1302内部有一个 31的用于临时性存放数据的RAM存放器。DS1302是 DS1202的升级产品，与 DS1202兼容，但增

45、加了主电源后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。DS1302各引脚功能如下表：引脚号引脚名称功 能1Vcc2主电源振荡源，外接32768Hz晶振 4GND地线 5RST复位/片选线 6I/O串行数据输入/输出端双向 7SCLK串行数据输入端 8Vcc1后备电源DS1302共有 12个存放器，其中有 7个存放器与日历、时钟相关，存放的数据位为 BCD码形式。此外，DS1302还有年份存放器、控制存放器、充电存放器、时钟突发存放器及与 RAM相关的存放器等。时钟突发存放器可一次性顺序读写除充电存放器外的所有存放器内容。DS1302与RAM相关的存放器分为两类，一类是单个

46、RAM单元，共 31个，每个单元组态为一个 8位的字节，其命令控制字为 COHFDH，其中奇数为读操作，偶数为写操作；再一类为突发方式下的 RAM存放器，此方式下可一次性读写所有的 RAM的 31个字节，命令控制字为 FEH写、FFH读。其数据读写时序如图3-5所示：图3-5 DS1302数据读写时序 液晶屏显示模块在本系统设计中，处理后的数据包含具体时间和该时刻的PH值是用1602液晶显示屏显示，因为其具有占用引脚少、方便布线、编程简单等优点。1602 字符型LCD模块的应用非常广泛，而各种液晶厂家均有提供几乎都是同样规格的 1602 模块或兼容模块。在各厂家生产的 1602 模块当中，根本

47、上也都采用了与之兼容的控制 IC，所以从特性上根本上是一样的；当然，很多厂商提供了不同的字符颜色、背光色之类的显示模块。通常所见的1602模块的规格根本如下表所示：显示容量：16*2个字符芯片工作电压：工作电流：2.0mA5.0V模块最正确工作电压：字符尺寸：2.95*4.35WXHmm模块的引脚说明如下表：编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地 9D2Data I/O 2VDD电源正极 10D3Data I/O 3VL液晶显示偏压信号 11D4Data I/O 4RS数据/命令选择端H/L 12D5Data I/O 5R/W读/写选择端H/L 13D6Data I/O 6E使能信号

48、14D7Data I/O 7D0Data I/O 15BLA背光源正极 8D1Data I/O 16BLK背光源负极 上位机显示界面模块上位机是指可以直接发出操控命令的计算机，一般是PC。而上位机控制界面主要是屏幕上显示各种信号变化，本设计中主要是把系统处理的数据时间和PH值在屏幕上显示。在本系统中，系统硬件采用MAX232芯片来连接上位机，使数据得以在上位机界面显示。MAX232是一种把电脑的串行口rs232信号电平-10，+10V转换为单片机所用到的TTL信号电平0，+5V的芯片。MAX232芯片引脚如图3-6所示：图3-6 MAX232芯片引脚图各引脚定义及符号如下：引脚 定 义 符号

49、1 载波检测 DCD 2 接收数据 RXD 3 发送数据 TXD 4 数据终端准备好 DTR 5 信号地 SG 6 数据准备好 DSR 7 请求发送 RTS 8 去除发送 CTS 9 振铃提示 RI上位机界面如图3-7所示：图3-7 上位机界面 报警电路在本设计中，设置了污水允许的PH值区间，根据环保部门要求污水处理后PH值应该在6到8之间，因此，系统设置的PH值参数的上限值为8，下限值为6。当PH值超出上限值或下限值时，发光二极管将以发光形式报警，提示工作人员检查原因并采取相应的措施解决问题。3.3 本章小结本章主要介绍了污水处理PH值控制系统的硬件组成局部及其工作原理。系统的核心控制是通过

50、AT89S51单片机对被采集的信号处理，在通过显示模块显示处理后的信息，输出量实施于执行机构，实现控制。硬件设计思路条理清晰，电路简单，能根本满足污水处理过程的各项要求。4 污水处理PH值控制系统软件设计4.1 污水处理PH值控制系统软件设计方案系统是否能够正常、稳定的工作，不仅要有硬件局部，而且软件设计上也是相当重要的。软件设计表达了整个系统的控制思路，各个模块的控制功能也是由软件所决定的。因此，软件程序的编写应该充分考虑到系统控制的各项要求，逻辑思路严谨，具有一定的灵活性。本系统中，软件程序的编写是先针对各个模块所需实现的功能做编写，然后针对各个模块进行调试。在完成了每一个模块的功能调试后

51、，再对整个系统软件调试，以确保各个模块之间能在单片机的主控制下，相互协调。这样的设计方法有利于系统的设计与维护。整个软件系统的组成是由主程序和多个子程序，主程序是负责系统主控制，而子程序是实现各个模块的功能。当主程序初始化结束后，再经过各个子程序依次完成该模块的功能，直到把任务完成。系统程序的子程序模块包括：初始化子程序、A/D转换子程序、时钟子程序、显示子程序。系统软件结构框图如下：初始化子程序 主程序A/D转换子程序时钟子程序显示子程序图4-1 系统软件结构框图4.2 软件开发语言及环境本系统的软件编程语言可以选用两种，一种是汇编语言，另一种是C语言。汇编语言是一种功能很强的程序设计语言，

52、也是利用计算机所有硬件特性并能直接控制硬件的语言。它能够直接访问与硬件相关的存储器或I/O端口，不受编译器的限制，对生成二进制代码进行完全控制，还能根据特定的应用对代码做最正确的优化，提高运行速度。但考虑到其编写的代码非常难懂，不好维护，而且容易产生漏洞，难调试，只能针对特定的体系结构和处理器进行优化，开发效率很低，时间长且单调等因素，因此，在本设计中采用C语言作为设计语言。C语言有很好的结构性，比拟适合复杂的，多个子程序的程序编写，容易阅读和维护，能有效缩短系统开发时间，减少程序员的工作量。本系统设计的软件是在Windows集成开发环境Vision51下，用单片机C51高级语言编写。软件开发

53、流程如图4-2所示。编译源程序文件包括*.c文件和*.h文件组译/编译器生成目标文件*.obj链接器生成可执行文件*.hex 仿真调试 代码烧写 选择操作仿真器 编程器 单片机图4-2 软件开发流程框图4.3 污水处理PH值控制系统软件设计 主程序设计主程序是本系统的核心控制思想，此局部设计是至关重要的，因为它是整个软件局部的中心枢纽。主程序主要是通过调用子程序命令，从而完成控制。在本设计中，单片机主要控制实现的功能有：数据采集、A/D转换、数据处理和输出控制量、液晶屏显示、上位机显示及按键。主程序控制框图如图4-3所示： 开始 液晶屏1602初始化 串口初始化 显示LowPH8 OKDS13

54、02及显示 关 扫描按键 开 串口上传图4-3 主程序控制框图 初始化当系统程序开始运行之前，都需要把变量赋为默认值，把控件设为默认状态。在本设计中，主要是堆栈、I/O口、定时/计数器等特殊功能的存放器做好初始化。程序初始化将对各个模块赋初值，使硬件在系统工作开始时符合程序设计的要求，并能按照软件的指令执行。 A/D转换子程序在A/D采样子程序中，A/D转换器首先接收PH值传感器采集的模拟信号，单片机经过对数据处理，将其存入相应的存储单元，通过与设定的上限与下限比照，如果超过系统设置的区间，那么发出报警信息。A/D转换控制框图如图4-4所示： 开始 Read=0 等待 转换完成？ INT=0？

55、 P0读取数据 Read=1 判断是否 Y 报警 超过设定值？ N 结束图4-4 A/D转换控制框图 时钟子程序由于本系统对污水PH值有实时监测功能，所以时间记录是非常有意义的。这局部主要是DS1302芯片完成。芯片与CPU进行同步通信，采用突发方式一次传输多个字节的时钟信号或RAM数据到芯片内部的31*8的临时存放数据的RAM存放器。控制框图如下： 开始 读时间存放器 数据分解 显示 结束 图4-5 时钟芯片控制框图4.4 本章小结本章主要介绍了污水处理PH值控制系统的软件设计，单片机C51作为编写语言及编写环境Vision51。软件是控制系统的重要组成局部，在理解了整个系统的控制思路下，编

56、写系统的主控制程序及各个模块的子程序。整个程序控制思路清晰，合理，逻辑清晰，为后面调试系统，验证其是否能完成污水PH值监测控制功能打下根底。5 污水处理PH值控制系统调试对本系统的调试主要分为三个局部，分别是硬件调试、软件调试及整体调试。调试是最直观的检验系统的工作情况的手段，同时，也可以验证算法的可行性。对系统进行调试，我们需要一些工具，如万用表、示波器等。通过执行开发的软件程序或适当地运行一些测试程序，从而检测硬件的故障；也可通过硬件的显示，来检验软件程序的逻辑编写是否存在错误。因此，硬件调试和软件调试没有严格的区分。5.1 硬件调试由于污水处理PH值控制系统的绝大局部芯片都是焊接在电路板

57、上，所以首先应该检测电路的连接是否良好。主要可以利用万用表检测是否存在断路、短路、焊接错误等。对于AT89S51单片机的供电情况做测试，可以给其通电，用万用表测单片机的工作电压，如果为5V左右，说明单片机正常工作。然后可以对单片机引脚测试，如果P口都为高电平，说明引脚正常工作。对A/D转换芯片、时钟芯片也可以用相同的方法测试。液晶显示屏可以经过电位器调节亮度。在给各芯片供电之后，应该注意观察芯片是否有过热、冒烟、出现异味等情况，如果出现异常情况，应该立即停止供电，用万用表对电路检测是否有短路或者其他原因，并及时解决。5.2 软件调试本系统是污水处理PH值控制系统，主要是利用AT89S51单片机

58、作为系统的主要控制核心。根据系统所要系统各个模块所要实现的功能，用Windows集成软件的人机界面开发环境Vision51用C51进行编程，通过编程器将程序下载到单片机中进行调试。也可以通过仿真的方法来调试软件系统。翻开proteus仿真软件，从软件中找到对应的芯片并且按照系统设计连接电路。然后给系统加模拟电压，并点击开始仿真按钮。如果这个时候单片机的端口有闪烁，证明A/D转换器开始工作等。总之，系统软件的调试方法有很多，Vision51和仿真软件proteus只能对程序的逻辑和编写标准做调试，具体的细节和系统能否真正实现预先设计的功能，还得看整体调试的结果。5.3 整体调试对系统做整体调试之

59、前，首先把编写好的单片机C51程序下载到AT89S51单片机，然后分别对AT89S51单片机、A/D转换器、时钟模块、上位机模块进行调试。这样可以防止某一模块出现问题而导致其他模块受到损坏。首先对A/D进行调试，利用电位器给A/D提供电压，为0V到5V，A/D转换器将对其进行采样，这个时候如果A/D正常工作，在液晶显示屏上将显示一个数字量。显示的数值跟程序有关，但只要液晶显示屏上有显示，证明A/D在工作。再试着改变电位器的大小，让电压发生变化，如果液晶显示屏上的数值也随着变化，说明此模块可以正常使用。下面对时钟模块进行调试，当给芯片DS1302供电之后，发现显示屏上没有日期和时间等显示内容。经

60、过检查，原来是时钟电路里面所用的电容太大，使晶振不起振，对此，更换了容值较小的电容，液晶显示屏上就出现了显示信息。为了使时钟记录的信息不会因掉电而丧失，我们准备了锂电池对其供电，这样时钟信息就能被保存，也就不需要重复给时钟芯片DS1302初始化。以上几个模块调试成功之后，我们就可以把它们连接，进行调试。首先是设置电压与PH值的转化，把0V设置为PH=0，把5V设置为PH=14，这样就能符合实际地模拟出PH值测试。系统上设置了一个报警模块，是由两个不同颜色的发光二极管发出报警信号的。其中，把电位转换为PH值之后，如果采集的PH值在小于6时，黄色的二极管将发光，液晶显示屏上将显示LOW，提示要加碱