微量水份测定系统设计

中 文 摘 要SHANDONG毕业设计说明书微量水份测定系统设计学 院： 电气与电子工程学院 专 业： 自动化0803 学生姓名： 王玉龙 学 号： 0812103664 指导教师： 解红军 2012 年06 月II摘 要摘 要论文设计了一个微量水份测量系统，以c8051f020单片机为核心，利用电解法完成微量水份的测定。将样品送入电解池，在电解池内水份电解，得到相应的电解电流，再将电解电流送入模数转换模块，将模拟信号变成数字信号再经信号处理电路后送入单片机，经处理后送液晶显示，此外还设计了键盘输入模块，语音播报模块等。完整设计了一套实时在线微量水份测定系统。论文采用电解法测水份，主要成果有：（1）实现了微量水份的精确快速测量，这在工业生产生活中控制水份含量具有重要意义；（2）操作简单人性化，只需要将样品送入该系统，按下相应的按键，液晶就会自动显示相应的数值，并且语音播报芯片也会播报相应的信息。这次设计是对以前的微量水份测量仪的较大的改进，大大提高了准确性和测量速度。关键词：单片机，微量水份，电解法，实时在线39AbstractAbstractPaper designed a trace moisture measurement system to c8051f020 SCM as the core, the use of power needed to complete the determination of trace moisture. The samples will into electrolysis pool, pool in electrolytic water electrolysis, get the corresponding electrolytic current, again will electrolytic current into modulus conversion module, analog signal into a digital signal to the signal processing circuits into a single-chip microcomputer, the processed send liquid crystal display, in addition to design the keyboard input module, speech broadcast module, etc. Complete designed a set of real-time online trace moisture determination system.In the paper the water solution, the main results are as follows: (1) to implement the minim water fast measurement precision, the industrial production in life has important significance to control water content; (2) the operation is simple human nature, only need the samples will into the system, press the corresponding key, liquid crystal will automatically shows corresponding numerical values, and speech broadcast chips will broadcast the corresponding information. The design is to trace moisture before much improvement of measuring apparatus, greatly improving the accuracy and measurement speed. Key words: a single-chip microcomputer, trace water, electricity solution, real-time onlin目 录目 录摘 要IAbstractII目 录III第一章 绪 论11.1 引言11.2 课题的目的和意义21.3 课题背景21.3.1 微量水份测定系统的国内外发展现状21.3.2 本设计研究的主要工作3第二章 微量水份测量系统的组成原理及控制方案设计42.1 方案的设计与选择42.1.1 主控芯片方案42.1.2 水份测定方法方案42.2 原理分析与要求52.2.1 系统原理52.2.2 设计要求5第三章 微量水份测量系统的硬件设计73.1 CPU的选型73.1.1 存储结构83.1.2 中断系统83.1.3 电源管理模式83.1.4 自带AD特性93.1.5 定时器103.2 C8051F 系列单片机特点103.2.1 指令运行速度高103.2.2 I/O端口采用软件配置实现103.2.3 系统时钟更加完善113.2.4 可通过JTAG接口实现在线调试功能113.2.5 复位方式丰富113.3 微量水份测定模块113.3.1 AD202JY运放介绍123.3.2 CA741运放介绍133.4 键盘模块133.4.1 芯片介绍133.4.2 芯片工作原理143.5 电源模块153.5.1 单片机电源153.5.2 水份检测模块电源173.5.3 隔离运放15V电源183.6 显示模块193.6.1 12864液晶介绍193.6.2 12864显示模块使用说明203.6.3 12864工作时序图213.6.4 12864电路图223.7 语音播报模块223.7.1 语音播报模块芯片介绍223.7.2 LM386芯片介绍23第四章 微量水份测定系统的软件设计244.1 控制系统的主程序设计244.1.1 主程序流程图设计244.1.2 主程序设计254.2 控制系统的子程序设计254.2.1 AD子程序流程图254.2.2 键盘子程序流程图264.2.3 显示子程序流程图27总 结29参考文献31致 谢32附录A33附录B34第一章 绪 论第一章 绪 论1.1 引言随着科技和工业的快速发展，人们的生产生活中越来越多的要用到微量水份的测量，而且对精确度的要求也越来越高。比如，在医药、塑胶、化工、食品粮食、饲料、种子等行业的生产和实验中，对水份测量的准确度要求都很高，而且对应用的方便性也越来越高。水份含量过高或过低都会对生产造成损失，对实验结果早成影响。在很多情况下，即使是很小的测量相对误差也会造成较大的经济损失。因此，为了保证产品质量和实验结果的准确性，必须要有精确的微量水份测量系统来测定样品中水份的准确含量，从而使水份含量保持在正常水平。电子计算机是20世纪最重要的科学技术成就之一。目前计算机已经渗透到国民经济和社会生活的各个领域，极大地改变着人们的工作方式和生活方式，并成为推动社会发展的巨大生产力。单片机作为嵌入式微控制器，在工业测控系统、智能仪器和家用电器中得到广泛的应用。伴随着单片机技术的迅猛发展，单片机在人们的日常生活和生产中越来越普遍，单片机技术同样广泛应用到工业监测系统的设计中，可以说现在的各类仪器设备都离不开单片机。单片机是为了满足工业控制需要而诞生的，是自动控制系统的核心部件，因而也主要用于工业控制、智能化仪器仪表、家用电器中。它具有体积小个性突出、价格低廉等有点，应用领域不断扩大，除了工业控制、智能化仪表、通信、家用电器外，在智能化高档电子玩具产品中也大量采用单片机芯片作为核心控制部件。目前主要的水份测量方法主要有直接法和间接法两种，其中直接法是指通过干燥或化学反应后直接测出绝对含水量，主要包括标准干燥法、卡尔.费休尔法等，这种方法精度高但是费时；间接法是指通过测量与水份变化相关的物理量变化，如电阻、介电常数等来测量水份含量的，主要包括电学法、微波法、红外吸收法等。因此，高精度的实时在线微量水份测定仪是一个很重要的研究方向。微量水份的测定方法有许多种，选择正确的水份测定方法也是很重要的。主要的方法有热干燥法、蒸馏法、卡尔费休法、电解法、露点法等，这些方法的准确度各有差异，目前市场上的微量水份测定系统主要采用的是卡尔费休法或露点法，但是都有相应的局限性，卡尔费休法有许多产品不能直接测试，露点法实时性比较差。目前电解法测微量水份含量正越来越流行，电解测量法响应快、准确度高，可以完成实时在线测量。所以，本毕业设计要设计一套以电解法为主要方法的实时在线微量水份测定系统。1.2 课题的目的和意义1、利用单片机检测出电解电流的大小，从而计算出含水量并显示在液晶显示器上。2、比较全面理解和掌握单片机的原理与应用。利用所学的电子技术课程设计信号的放大回路, 利用所学的电子检测课程设计温度检测回路。3、通过设计进一步巩固和深化所学理论知识，提高分析问题、解决问题的能力，掌握电路实验的基本技能和方法。4、掌握电子产品从设计，制定方案，元件购买，检测，外协加工，装配到成品的全部生产过程。5、熟练掌握万用表、示波器及单片机仿真软件的使用。6、熟练掌握电路原理图的绘制,印刷电路板的制作。1.3 课题背景1.3.1 微量水份测定系统的国内外发展现状五十年代以来，水份测量技术的理论和实践取得了进展，研制出了少量的间断式和连续式水份计，应用于实验室和工业部门。近年来，随着经济的发展，对水份计的需求增多，世界各国研制开发了各种水份计。我国近年来也已有60多个单位从事这方面的研究开发工作，研制了各类水份计， 并朝着智能化方向发展，有的产品已接近和达到国外先进产品水平。目前主要的水份测量方法主要有直接法和间接法两种，其中直接法是指通过干燥或化学反应后直接测出绝对含水量，主要包括标准干燥法、卡尔.费休尔法等，这种方法精度高但是费时；间接法是指通过测量与水份变化相关的物理量变化，如电阻、介电常数等来测量水份含量的，主要包括电学法、微波法、红外吸收法等。1.3.2 本设计研究的主要工作本课题研究的主要内容是以c8051f020为主控芯片的微量水份测定系统。主要研究内容有：第一，微量水份测定系统的硬件设计本系统是以c8051f020为核心，构成一个转速检测，显示系统（1）对电解电流传感器输出信号放大电路的设计（2）显示和键盘电路的硬件设计（3）电源电路的硬件设计（4）语音播报电路的设计第二，微量水份测定系统的软件设计（1）系统初始化及主程序的模块设计（2）显示程序和键盘程序的模块设计（3）中断处理，定时器处理程序的模块设计（4）模数转换处理程序的模块设计第二章 微量水分测量系统的组成原理及控制方案设计第二章 微量水份测量系统的组成原理及控制方案设计2.1 方案的设计与选择2.1.1 主控芯片方案方案一：采用PLC作为主控芯片，PLC可靠性强，抗干扰能力强，精确度高，但是其体积大，价格高，不适合一般用户；方案二：采用8952系列单片机，该类型单片机价格便宜，编程简单，易上手，但是其运算速度有限，且其没有自带AD，单独配AD成本比较高；方案三：采用C8051F020单片机，该单片机兼容性好，运算速度快，内存空间较大，且自带12位AD转换器，价格也比较便宜；综上所述，考虑价格、运算速度、内存等因素，选择方案三C8051F020作为主控芯片。2.1.2 水份测定方法方案方案一：直接法是指通过干燥或化学反应后直接测出绝对含水量，主要包括标准干燥法、卡尔.费休尔法等，这种方法精度高但是费时；方案二：电解法就是将干燥剂吸收的水份经电解池电解成氢气和氧气排出，电解电流的大小与水份含量成正比，通过检测该电流即可测得样品的湿度，这种方法实时性比较强，精度也比较高；方案三：电阻电容法就是采用亲水性材料或憎水性材料作为介质，构成电容或电阻，在含水份的气体流经后，介电常数或电导率发生相应变化，测出当时的电容值或电阻值，就能知道当时的气体水份含量，这种方法抗干扰能力比较差；综上所述采用方案二电解法。2.2 原理分析与要求2.2.1 系统原理本系统的原理是先将样品送入微量水份检测模块，输出的模拟信号送入AD转换器转换为数字信号，再将数字信号送到单片机，然后就能送到液晶显示相应的信息。图2-1 微量水份测量系统原理框图本系统主要由：微量水份检测模块、AD转换模块、信号处理模块、键盘模块、语音播报模块、温度检测模块、显示模块和电源模块等组成。微量水份检测模块：样品进入电解池，采用电解法测得电解电流。 AD转换模块：采用单片机C8051F020自带的12位AD转换。信号处理模块：用高精度隔离运算放大器AD202JY和CA741搭建信号处理电路。 语音播报模块：采用ISD4004语音播报芯片搭建电路。电源模块：是给整个系统提供稳定的+5V、-5V、+15V、-15V的直流工作电压，主要由WRA0505CS-1W、AS1117、WRB0515CS-2W组成。2.2.2 设计要求1.测量范围：3ug-100mgH2O;2.电解电流：自动控制，不少于400mA 3.准确度：3ug-1mgH2O0.3%,1mgH2O以上0.5%；4.分辨率：0.1ugH2O第三章 微量水分测量系统的硬件设计第三章 微量水份测量系统的硬件设计3.1 CPU的选型80C51 系列单片机及其衍生产品在我国乃至全世界范围获得了非常广泛的应用。 单片机具有体积小、重量轻、价格便宜、功耗低、控制功能强以及运算速度快等特点，因而在国民经济建设、军事以及家用电器等各个领域均得到了广泛的应用。对各个行业的技术改造和产品的更新换代起重要的推动作用。图3-1 c8051f020引脚图C8051F020/1/2/3 器件是完全集成的混合信号系统级MCU芯片， 具有64 个数字I/O 引脚 （C8051F020/2）或32 个数字I/O 引脚（C8051F021/3）。3.1.1 存储结构CIP51存储组织结构与传统的MCS-51相似，可分为代码存储区和数据存储区。代码存储区与数据存储区共享数据地址，用不同的指令来区别访问空间。对于代码存储区，采用MOVC指令，对于内存存储区，采用MOVX指令。CIP51代码存储区为Flash ROM，不仅可进行度操作还可以进行写操作。由于MOVX指令也是外部内存读写操作指令，为了能正确区分指令操作对象，在对Flash进行写操作前，需将相关控制寄存器正确设置。Flash ROM写操作完毕后，再将寄存器清零，以便使其用于外部内存。其中0x0000-0xFDFF为用户代码使用去，0XFE00-0xFFFF被厂商保留为它用，此外还有0x10000-0x1007F为快速存储ROM，可用于存储数据。数据存储区分为片内内存和片外内存。片内内存又分为普通内存和特殊寄存器。C8051F020有256字节普通内存，其中0x00-0x7f可直接寻址，也可间接寻址。而0x80-0xff只能间接寻址。直接寻址指令指向的是FSR特殊寄存器。3.1.2 中断系统C8051F020共有21个中断，中断分优先级，且优先级还可通过相关寄存器IP,EIP1,EIP2调整。若同一时刻有多个中断同时发生，则MCU先进入优先级最高的中断，执行相应中断程序，再执行次高优先级中断，一直到优先级最低的中断也处理完毕，再回中断响应前，执行原来的代码。在中断处理过程中，若有更高级中断发生，则MCU进入更高级中断程序执行直至完毕，再处理低优先级中断。中断使能控制有2种控制位：全局使能EA和各中断的使能位。若要中断开启，则全局使能EA和相应的中断使能位必须为1.当中断标志位为1时，则MCU执行完当前指令后，立即进入中断。有些标志位进入中断后能自动清零，而很多中断标志位进入中断后不会自动清零，需要在中断程序中软件清零。3.1.3 电源管理模式C8051F020有两种软件电源管理模式:休眠模式和停止模式。在休眠态下，CPU挂起，留下外设和系统时钟工作，在停止态下，CPU挂起，所有中断和定时器停止工作，内部晶振也停止。当中断发生或复位时，MCU会结束休眠态。当中断程序处理完毕后，会再次进入休眠态。若看门狗没有被禁止，则看门狗的复位也会结束休眠态。此处宜把键盘响应做成中断源或重启源，以达到休眠态与工作态的快速切换，达到节能、降低功耗的要求。3.1.4 自带AD特性 C8051F020自带3个位高精度AD转换器，以ADC0为例，ADC0转换器有9个转换通道，可动态选择模拟输入量进入AD转换。ADC0为12位转换精度，最高转换速度可达100ksps，并且在转换前，有一个可编程增益放大器对模拟量放大或缩小，以满足实际需要。ADC0还有一个可编程监控模块，当ADC0转换结果符合监控预设值，并且相应的中断开启，将引发相应的中断。模拟通道选择器可选择一下信号进入ADC0转换：P3输入口、高压差动放大器和内部温度传感器。输入包括两种模式：单端输入模式和差动输入模式。在单端输入模式下，其转换信号电平必须在AGND和参考电压之间。 ADC0最高转换速率为100ksps，ADC0转换时钟由系统分频得到，分频数由ADC0CF寄存器控制。 ADC0启动方式：（1）将AD0BUSY位置1，启动ADC0转换（2）T3溢出，启动ADC0转换（3）CNVSTR0引脚输入信号上升沿，启动ADC0转换（4）T2溢出，启动ADC0转换在ADC0转换期间，ADC0BUSY位保持为1，转换完毕后自动清零。ADC0BUSY下降沿是ADC0INT置1，若中断开启，则引发相应中断。方式（1）建议采用下列步骤：将AD0INT清零；将ADC0BUSY置1，启动ADC0转换查询AD0INT是否为1，即查询ADC0是否转换完毕；处理ADC0转换数据。3.1.5 定时器 C9051F020有5个定时/计数器，T0，T1与传统MCS-51的设计是一样的，可按传统51的用法使用。T2，T3，T4是16位自重载和捕捉定时/计数器，可用作定时ADC采样，DAC波形生产，方波输出和通常用途。这些计数器还可用来测量时间发生的时间间隔，计数外部输入波形脉冲个数以及周期性中断，以完成周期性任务。T0，T1的功能相同，有4种工作模式；T2,T3,T4功能相同，不能作为8位定时器，只能工作在16位模式下，可自动重载、捕捉和产生50%占空比的频率可调方波输出。各定时器工作模式如下表：表3-1 各定时/计数器工作模式T0,T1工作模式T2,T3,T4工作模式13位定时/计数器16位自动重载定时/计数器16位定时/计数器16位捕捉定时器18位自动重载定时/计数器方波输出2个8位定时/计数器3.2 C8051F 系列单片机特点3.2.1 指令运行速度高由于C8051F020单片机采用流水线结构，废除了机器周期的概念，大大提高了处理的能力。在时钟相同条件下，指令运行速度比一般单片机快了10倍左右，只有大约4条指令的执行时间大于4个系统时钟周期。3.2.2 I/O端口采用软件配置实现C8051F020的I/0口的除输入输出外的其他特殊功能是由软件配置实现的，大大提高了端口配置的灵活性。软件配置的方法是在单片机中引入功能选择开关。可以通过设置功能选择开关寄存器将片内的定时/计数器、串行总线等信号配置到I/O口。每个端口都可以被配置为推拉或漏极开路输出。3.2.3 系统时钟更加完善早期的单片机都是采用一个时钟控制时序，而C8051F020采用多种时钟源，它的时钟振荡频率是可以编程控制的，还可以选择外部时钟振荡器。这种时钟转换功能在降低功耗方面十分有用，我们可以使单片机使用一个低频率的外部晶体振荡器工作，需要是再切换到内部的高速时钟振荡器。3.2.4 可通过JTAG接口实现在线调试功能C8051F020配置了片内JTAG接口和调试电路，可以通过PC机对安装好的单片机在不占用片内资源的前提下实时在系统仿真调试。这个调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，可以进行单步、运行、停机操作。调试过程中，所有的模拟和数字外设都可以无障碍运行。3.2.5 复位方式丰富80C51只有一种复位方式，就是RST复位，而C8051F020有多达7种复位源：一个片内监视器、一个看门狗定时器、一个时钟失效检测器、一个比较器0提供的电压检测器、一个软件强制复位、RST引脚和CNVSTR引脚。除了复位引脚和片内监视器，其他的复位源都可以用软件编程禁止。多种复位源大大提高了系统的安全性、稳定性和可操作性。3.2.6 进一步降低了功耗 C8051F020单片机采用了多种方法降低功耗，比如：采用3V电源供电，在满足响应的条件下可以选择较低的系统时钟，由于功耗是和电压、频率成正比的，所以这些措施都可以降低功耗；多种复位源方便重新灵活复位，也利于零功耗的设计实现；片上的每一个外设都能单独或全部关闭以减小能耗。3.3 微量水份测定模块该模块采用电解池电解水份得到电解电流，再通过电解电流的大小确定水份的含量。电路图如图3-2所示。图3-2 微量水份检测模块电路图3.3.1 AD202JY运放介绍本电路中用到两种运算放大器，一种是AD202JY，另一种是CA741。下面将分别介绍，首先是AD202JY，AD202JY是一款低成本微型隔离放大器，多应用于多通道数据采集，电流分流测量，马达控制，过程信号分离和高压仪表放大器等。芯片特点：高精度：其最大非线性度0.025%，温度漂移低，在高隔离时信号完全无损失低功耗：在整个信号范围内，理想情况下，编程是使用大通道数或小功率预算，该芯片的功耗为35mw。带宽：该芯片的全功率带宽达到5千赫出色的共模性能：所有型号都有一个共同的共模输入电容5pF，单位增益极低，漏电流非常小灵活的输入：一个通用的运算放大器提供了输入的所有类型，这满足了缓冲和增益要求，并替代了许多过滤输入功能。隔离电源：该芯片可以提供2mA的7.5V电源，这足以给低漂移前置放大器供电。表3-2 AD202JY引脚说明引脚功能引脚功能1+INPUT3115V2输入32时钟/电源地3-INPUT33时钟输入4输入反馈37输出Vo-5-Viso输出38输出Vo+6+Viso输出3.3.2 CA741运放介绍 电路中用到的另一种运算放大器是CA741，CA741是一个离散混合式级联放大器，其增益高，广泛应用于军事，工业和商业运用，这类单片硅集成电路器件提供输出短路保护和闭锁自由运作。这类型芯片还具有广泛的共同模式，差模信号范围和低失调电压调零能力与使用适当的电位。10k电位器是用于抵消调零类型 。每一类运放包括一个差分输入放大器有效驱动增益和发射极跟随互补输出。3.4 键盘模块3.4.1 芯片介绍键盘模块采用矩阵键盘，用串行接口键盘控制器SK5278管理16按键的键盘，该芯片采用4线串行接口，可与任何种类的单片机接口；它可以指示按键有效输出，可以用中断方式管理键盘；它的行线与列线可构成4*4矩阵键盘；SK5278的16键盘控制器内含去抖动处理电路，所以可以直接输出键值；另外，该芯片的工作电源电压范围宽达4-6V。表3-3 SK5278引脚说明管脚号管脚名称管脚类型功能1DI00数据输出端2KEY0按键有效输出端3,14VDD正电源4RST复位端5VSS电源地6-9X0-X31矩阵键盘行线输入端10-13Y0-Y30矩阵键盘列线输入端15OSCO0振荡输出脚16RC外接振荡器连接端17CS1片选端18CLK1时钟输入端3.4.2 芯片工作原理SK5278可用行线X0-X3和列线Y0-Y3构成4*4矩阵键盘。同时在芯片内部可以完成自动扫描、译码、防抖等任务。当SK5278检测到有按键按下时，KEY引脚将从低电平变成高电平，并一直保持到按键的代码被读取到单片机为止。在KEY为高电平期间，如果SK5278收到读键盘数据指令，则输出当前按键的代码值，如果没有按键按下，则输出FFH。在一次读键盘命令完成后，按键有效引脚KEY变为低电平。利用按键有效指令KEY与单片机的外部中断连接，可完成中断控制的键盘操作。键盘模块电路图如图3-3所示。图3-3 键盘模块电路图3.5 电源模块3.5.1 单片机电源电源模块采用WRA_CS_1W系列芯片，WRA_CS_1W系列产品是专门针对线路板上分布式电源系统中需要产生一组与输入电源隔离的单电源的应用场合而设计的。该产品适用于：输入电源的电压变化范围=2：1输入输出之间要求隔离输出电压稳定度和输出纹波噪声要求较高使用注意事项：若非特别说明，所有系列产品NC端子是DC/DC转换器内部使用的，不能与外围电路相连接；CTRL端悬空或高阻时，模块正常输出；接高电平，模块关断；注意流入该引脚的电流5-10mA为宜，电流超过其最大值会造成模块的永久损坏；为了确保电路高效可靠的工作，该类型的DC/DC转换器，除了规定最大负载，也规定了一个最小负载。在使用时，要确保在整个输入电压范围内，其输出最小负载不能小于满负载的10%。若实际的电路中负载确实长期较轻，请在输出端并联一个适当阻值的电阻以增加负载；此产品不能并联使用，不支持热插拔。表3-4 电源芯片引脚说明脚位引脚功能引脚说明1GND输入地2Vin输入正3CTRL控制端5NC空脚6+Vo输出正70V输出地8-Vo输出负+5，-5v电源采用WRA0505CS_1W型号芯片；+15，-15v电源采用WRA0515CS_1W型号芯片，电源原理图如图3-4，图3-5所示。图3-4 +5，-5v电源图3-5 +15，-15v电源3.