废水处理微机控制

1、长春工业大学人文信息学院毕业设计(论文) 电子信息系废水处理微机控制摘要 随着工业的不断发展，人们的生活水平得以很大的提高，但同时也存在一个很严重的问题，那就是工业废水。废水的如何处理问题，一直是世界各国所关注的焦点，因为它合理的好坏关系着整个人类社会的生存发展的大题。近几年来的环境污染给人类社会带来的损失也正有力的说明了这一点。为此本课题的设计者也是正是本着这样一个原则来从事这次设计任务。 现在的电子行业可以说是到了一个单片机的时代，而单片机的发展速度之快，种类之多更是让人惊奇，当然这也突显了单片机在电子行业中所占有的极重要的地位。当然品种再多，单片机的主流不会随之改变，MCS-51系列一直

2、占据主流地位，而其中的8031也是最典型的一款。本设计采用以MCS-51系列单片机8031为核心组成一个单片机控制系统。本设计进行了系统的软、硬件设计，采用串级控制方式，流量环是内环，PH值环是外环，通过对电石渣液的流量的控制达到对废水进行中和处理的目的，控制废水的PH值接近7左右。主调节器选用大林控制算法，副调节器选用PI控制算法，系统具有显示和报警的功能，并给出了各种程序的流程图和程序设计编写过程。关键字 串级控制 PH值 大林控制算法Computer control system for waste water treatmentAbstract With industrial deve

3、lopment, people's living standards can be greatly improved, but at the same time there is a very serious problem, and that is industrial waste.The problem about how to deal with the polluted water is the focus of all over the world. For it is a big problem of man is existence and development res

4、ent years, the polluted environment has made a big damage to man, It is just suggested the importance of the problems. so this subject plays important role, The designer of the subject plays important role. The designer of the subject took up this task just for this rule.Now it can be said that the

5、electronics industry to a single-chip era, and the development of single-chip speed as much as it is the type of surprise, of course, this also highlights the single-chip share in the electronics industry and some very important position. Of course, more varieties, single-chip will not change the ma

6、instream, MCS-51 series has always been mainstream, and the C8031 which is the most typical one.This design adopted C8031 composed a single-chip. Micro controller system and adopted serial control. Inner flow, PH value is the outer ring, By carbide fluid flow control to the wastewater and in the pur

7、pose. Control the PH value of water close to 7. Dalin control algorithm selection algorithm, the system has shown alarm function. And gives a variety of procedures for the preparation of flowcharts and program design process. This document also deals with the application of the 51 series single-chip

8、 design, computer interface technology, analog circuit, such as a few of the basic theory courses. Experiments to verify the correctness of the system and operable.Key word Cascade Control RH values Dalin control algorithm 目 录第 1章 选题背景1第 2 章 控制方案的确定及方案论证3第 3 章 控制系统的硬件选择5 3.1单片机的发展趋势53.2单片机的选择53.3单片机

9、芯片的引脚描述63.4单片机的复位状态及几种复位电路的设计83.5 8031的最小系统93.6振荡电路93.7程序存储器的扩展103.8 D/A转换器的选择113.9 A/D转换器的选择143.10 显示器的选择163.11 电压/电流转换183.12 PH计的选择203.13 调节阀的选择253.14量计的选择25第4章 软件设计及编程问题274.1中断系统274.2标度变换33结 论34参 考 文 献35附 录3648第 1章 选题背景化工酸性废水的成分复杂多变，浓度、流量也大幅度地随机变化，而且成分、浓度又不可在线测量。为了废物利用，吉化公司污水厂（目前国内最大的污水处理厂）使用电石渣废

10、液做中和剂，内含大量固体颗粒及其他杂质，使中和剂本身浓度波动很大，又造成反应滞后，给中和过程的控制带来困难，原设计的PH值控制系统三年多一直无法运行，现由工人手动阀门进行控制，PH值波动范围大，甚至有时超过排放标准。另外，由于化工废水中含有大量有毒物质，必须进行生化处理。微生物对PH值又很敏感，因此有必要把PH值的波动控制在更小的范围内，以保证生化处理获得更好的效果。这是设计松花江流域吉黑两省环境污染的大问题。该课题的主要技术参数：通过控制电石渣液的流量来控制废水的PH值接近7。关于中和的介绍：在工业行业中，因为要大量使用酸和碱，所以酸碱废水的排放十分普遍，尤其以酸性废水较为普遍。酸性废水中含

11、有硫酸、硝酸、盐酸、氢氟酸等无机酸和乙酸、甲酸、柠檬酸等有机酸，PH值在12，含量可高达510；碱性废水中常有苛性钠、碳酸钠、硫化钠、胺类等。无论从数量上还是危害程度上，酸性废水的处理都要比碱性废水更为重要。中和处理的目的就是中和废水中过量的酸和碱，以及调整废水中的酸碱度，使中和后的废水呈中性或接近中性，以适应下一步处理和外排的要求。对不同浓度的酸碱废水可采用不同的处理方法。对于浓度较高的酸性废水和碱性废水，一般首先考虑回收和综合利用，如制成硫酸亚铁、硫铵、石膏、硫化钠等。回收后的废水，或浓度较低不易回收再利用的酸碱废水就可以进行中和处理，达到中性后排放。另外，中和处理和PH值调节有着本质的区

12、别，PH值调节的目的是为了某种特殊的要求，把废水的PH值调整到某一特定值或某一范围，这种处理操作称为PH值调节。酸碱废水中和方法主要有：酸、碱废水相互中和或碱性废渣中和，投药中和以及过滤中和。酸碱废水相互中和或碱性废渣中和当有条件应用碱性废水或碱性废渣进行中和处理时应优先考虑以废治废，既可以节省处理费用和药剂消耗，又简便实用。当酸碱废水相互中和仍达不到处理要求时，可再补加药剂进行处理。酸、碱废水中和所用的设备一般是根据酸碱废水的排放情况来确定的。当酸碱废水排放的水质，水量比较稳定并且酸碱含量又能相互平衡，或混合水需要水泵抽升，或有相当长的出水管道可利用时，则不单独设置中和池。一般情况下，当酸碱

13、两种废水在进行中和时，其水质，水量均不易保持稳定，会给操作带来困难，此时应设置均和池和混合反应池。当酸碱废水的水质，水量变化很大时，废水本身的酸、碱含量难以平衡时，则需要补加酸性或碱性中和剂。当水质要求很高时，或废水中含有其他的杂质，重金属离子，连续流无法保证出水的水质，较稳妥的方法是采用间歇式的中和池，一般可设置两个，交替使用。利用酸碱废渣中和酸性废水也是一种方便可行的方法，如电石渣中含有一定量的氢氧化钙，锅炉灰中含有220的氧化钙，石灰氧化法的软化站中，含有大量的碳酸钙等，将这些废渣投入到酸性废水中或利用酸性废水喷淋废渣，均可达到一定的中和效果。第 2 章 控制方案的确定及方案论证废水中和

14、PH值控制是对流量进行控制的系统，其目的是把PH值控制在较小的波动范围内，即通过控制电石渣液的流量来控制废水的PH接近7，我们通过在计算机上仿真，从而达到控制要求。该控制系统不是较复杂，因此采用传统的硬件设计，以8031为核心设计控制系统硬件线路图。主调节器副调节器阀中和池流量检测PH计图2.1 控制系统方块图从图2.1中可以看到，串级系统和简单系统有一个显著的区别，即其在结构上形成可两个闭环。一个闭环在里面，被称为副环，在控制过程中起着粗调的作用；一个环在外面，被称为主环用来完成细调任务，以最终保证被调量满足工艺要求。它具有较好的控制性能：对二次干扰有很强的克服能力；改善了对象的动态特性，提

15、高了系统的工作频率；对负荷或操作条件的变化有一定自适应能力。因此本系统采用串级控制。设计一个控制系统，首先要对被控对象做全面的了解，该被控对象是碱性液体，要它的流量特性，建立控制对象的数学模型，采用采集正常生产运行数据的方法，即在微型机控制调试运行的条件下，由微型机本身采集被控过程的输入量，然后进行数据处理。因此，在整个设计过程中，首先要对电石渣液的流量进行测量，以保证其流量的给定与PH=7相匹配，因此选定流量计是耐酸性耐碱性较好的。根据PH值波动的大小控制电石渣液的流量需要一个执行器即调节阀，参照它的特殊环境，选取电动隔膜调节阀，它适用于强酸强碱强腐蚀性介质的调节，用于黏度及悬浮颗粒状介质的

16、调节。要想精确地测量PH值，选取合适的PH计，为了准确我们选取PHG-100型工业在线PH计，其测量范围PH:0.0014.00PH,隔离信号输出:420mA一般单片机应用系统模拟信号输出只是电压信号，它能处理的一般也只是电压信号，因此在某些只有电流输入信号或只是提供电流的场合，需要进行电流/电压转换，PH计流量计输出信号为电流信号，根据其规格不同分别对PH计流量计选用4-20mA/0-5v,0-10mA/0-5v转换电路.在单片机的实时测控和智能化仪表等应用系统中，常需要将检测到的连续变化的模拟量如温度、压力、流量、速度等转换成离散的数字量，才能输入到单片微机中进行处理，然后再将处理结果的数

17、字量经D/A变换器转换成模拟量输出，实现对被控对象-过程或仪表、机电设备、装置的控制。因此，经过I/V变换后接入ADC0809使其模拟量转变为数字量送给8031。从8031出来的数据，接入串行显示以便于对PH值的大小有清晰的概念保证它在小范围内波动，从而确定对电石渣流量大小的控制。经过8031出来的是数字信号经DAC0832把其变为模拟信号再经过一个运放使其电压信号放大，最后接入调节阀。由于该控制系统是对PH值进行显示，是带有严重纯滞后的被控过程，这种过程一般被称作大纯滞后过程。目前这种过程常采用施密斯补偿控制。但这种方法较难为现场人员所掌握。或者采用一个行之有效的简单易行的控制方法等等看看控

18、制法。它的基本思想：带有严重纯滞后的被控过程的传递函数在忽略小时间常数的条件下可写成 G d (S)= Kd e -LS / TS+1 L过程的纯滞后时间；T过程的主要时间常数；Kd 过程的直流放大系数。这种过程在L较T大时，用常规的PID控制规律来控制是相当困难的。人工控制是一种非连续的控制方式，这种方式对带有大纯滞后的生产过程显然是非常合适的，但是它的程序需要体现出等待时间。而常规的PID控制规律是连续地检测被控参数的偏差，连续地施加控制，在控制效果没看出来之前连续地施加新的控制是不明智的。因此，常规的PID控制规律对大纯滞后过程来说是不合适的。大林算法是采用直接设计法设计调节器，其设计目

19、标是设计一个合适的数字器，使整个闭环系统的传递函数相当于一个带有纯滞后的一阶惯性环节，且要求期望的闭环系统的纯滞后时间与被控对象的纯滞后时间相同。 考虑到大林算法同样适用纯滞后的被控过程，且编写程序与PID相类似，较其他控制算法简单，因此在本论文中采用大林控制算法。以上内容为此方案选择的粗略论证。第 3 章 控制系统的硬件选择3.1单片机的发展趋势现在可以说单片机是百花齐放，百家争鸣的时期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位、16位到32位，应有尽有，有与主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地。  纵观单片机的发展过

20、程，可以预示单片机的发展趋势，大致有： 低功耗CMOS化 MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。象80C51就采用了HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺)和CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)。CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗象电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。 微型单片化 现在常规的单片机普遍都是将

21、中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW(脉宽调制电路)、WDT(看门狗)、有些单片机将LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。主流与多品种共存   现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以80C51为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品，ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机。在一定的时期内，这种情形将得以延续，将不存在某个

22、单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补、相辅相成、共同发展的道路。3.2单片机的选择美国Intel公司继1976年推出MCS-48系列单片机后，1980年又推出了MCS-51系列高档8位单片机。由于MCS-51单片机是在MCS-48的基础上推出的增强型产品，它的出现直接与HMOS工艺有关，并提高了芯片的集成度，因而后者比前者在性能上大为提高，增加了多种片内硬件功能，并扩展了功能单元的种类和数量。MCS-51单片机硬件结构有如下一些主要特点：内部程序存储器和内部数据存储器容量输入/输出口一个全双工的串行口，有四种工作方式。外部程序存储器和外部数据存储器寻址空间MCS-51可对64KB的外部数据

23、存储器寻址且不受该系列中各种芯片型号的影响，而对程序存储器是内外总空间为64KB.中断与堆栈MCS-51有5个中断源，分为2个优先级，每个中断源的优先级是可编程的，它的堆栈位置也是可编程的，堆栈深度可达128字节。定时/计数器与寄存器区MCS-51子系列有2个16位的定时/计数器，通过编程可以实现四种工作模式。MCS-52子系列有3个16位的定时/计数器。指令系统MCS-51的指令系统中增添了减法、乘法、除法、比较、堆栈操作和多种位操作指令。当振荡器频率接最高12MHZ时，大部分指令执行时间为1µs，少部分为2µs，乘除指令的执行时间也只有4µs。布尔处理器MCS

24、-51的布尔处理器是一个完整的一个微计算机，有自己的CPU ,位寄存器、I/O口和指令集。把八位微机和一位微机结合在一起是微机技术上的一个突破。一位机在开关决策、逻辑电路仿真和实时测控方面非常有效，而八位机在运算处理、智能仪表常用的数据采集方面有明显的长处。在MCS-51系列单片机中八位机和一位机（布尔处理器）的硬件资源是复合在一起的，二者相辅相成，这是MCS-51在设计上的精美之处，也是一般微机所不具备的。因此在本课题中选择8031为核心设计控制系统硬件线路图。3.3单片机芯片的引脚描述主电源引脚VCC和VSSVCC-(40脚)接+5V电压；VSS-(20脚)接地。外接晶体引脚XTAL1和X

25、TAL2XTAL1（19脚）接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器成了片内振荡器。当采用外部振荡器时，对HMOS单片机，此引脚应接地；对CHMOS单片机，此引脚作为驱动端。XTAL2(18脚)接外部晶体的另一端。在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡器时，对HMOS单片机，该引脚接外部振荡器的信号，即把外部振荡器的信号直接接到内部时钟发生器的输入端；对CHMOS，此引脚应悬浮。控制或与其他电源复用引脚RST/VPD、ALE/PROG,、PSEN和EA/VPPRST/VPD(9脚)：当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平将使

26、单片机复位。推荐在此引脚与VSS引脚之间连接一个约8.2k的下拉电阻，与VCC引脚之间连接一个约10µF的电容，以保证可靠的复位。VCC掉电期间，此引脚可接上备用电源，以保持内部RAM的数据不丢失。当VCC主电源下掉到低于规定的电平，而VPD在其规定的电范围内，VPD就向内部RAM提供备用电源。ALE/PROG(30脚)：当访问外部存储器时，ALE的输出用于锁存地址的低位字节。即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率周期性地出现正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。然而要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。AL

27、E端可以驱动8个LS型的TTL输入电路。对于EPROM型的单片机,在EPROM编程期间,此引脚用于输入编程脉冲.PSEN(29脚):此脚的输出是外部程序存储器的读选通信号.在从外部程序存储器取指令期间,每个机器周期两次有效.但在此期间,每当访问外部数据存储器时,这两次有效的信号将不出现.PSEN同样可以驱动8个LS型的TTL输入.EA/VPP(引脚):当EA端保持高电平时,访问内部程序存储器,但在PC值超过0FFFH或1FFFH时,将自动转向执行外部程序存储器内的程序.当EA保持低电平时,则只访问外部程序存储器,不管是否有内部程序存储器.对于常用的8031来说,无内部程序存储器,所以EA脚必须

28、常接地,这样才能只选择外部程序存储器.输入/输出（I/O）引脚P0、P1、P2、P3 P0口(39脚-32脚):是双向8位三态I/O口,在外接存储器时,与地址总线的低8位及数据总线复用,能以吸收电流的方式驱动8个LS TTL负载.P1口(1脚-8脚):是8位准双向I/O口.由于这种接口输出没有高阻状态,输入也不能锁存,故不是真正的双向I/O口.P1口能驱动4个LS TTL负载.P2口(21脚-28脚):是8位准双向I/O口.在访问外部存储器时,它可以作为扩展电路高8位地址总线送出高8位地址.在对EPROM编程和程序验证期间,它接收高8位地址.可以驱动4个LS TTL负载.P3口(10脚-17脚

29、):是8位准双向I/O口,在MCS-51中,这8个引脚还用于专门功能,是复用双功能口.P3能驱动4个LS TTL负载.3.4单片机的复位状态及几种复位电路的设计在单片机应用系统时,必须了解单片机的复位状态和复位电路的设计.因为单片机应用系统工作时,会经常要求进入复位工作状态,所以,系统的复位电路必须能准确、可靠地工作.另外,单片机的复位状态与应用系统的复位状态又是密切相关的,因此,必须熟悉单片机的复位状态.单片机的复位都是靠外部电路实现的,在时钟电路工作后,只要在0单片机的RST引脚上出现2个时钟震荡脉冲以上的高电平,单片机便实现初始化状态复位.为了保证应用系统可靠地复位,在设计复位电路时,通

30、常使RST引脚保持10ms以上的高电平.图3.1 复位电路:电平式开关复位与上电复位MCS-51单片机通常都采用上电自动复位和开关复位二种方式.复位电的核心就是如前所述的必须保证RST引脚上出现10ms以上稳定的高电平,这样就能实现可靠地复位.因此,无论简单的还是复杂的复位电路,都是为了保证这个10ms以上的稳定的高电平.两种最简单的上电复位电路和开关组合电路如图3.1所示.上电复位电路.在通电瞬间,在RC电路充电过程中,RST端出现正脉冲,从而使单片机复位.3.5 8031的最小系统 8031无片内程序存储器，因此，其最小应用系统必须在片外扩展EPROM，必须有复位及时钟电路。图3.2为80

31、31外扩程序存储器的最小应用系统。该系统仅能完成数字量的输入和输出控制。图 3.2 8031 最小应用系统3.6振荡电路MCS-51单片机芯片内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器,脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端.图3.3 片内振荡器的等效电路和外接元件图3.3是它的等效电路和外接元件.外接晶体以及电容C1和C2构成并联谐振电路,接在放大器的反馈回路中,这时内部振荡器便自激震荡,我们可以用示波器观察到单片机的XTAL2脚输出的正弦波.对外接电容C1和C2的值虽然没有严格的要求,但电容的大小多少会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性.3.7程序存储器的扩

32、展MCS-51的程序存储器空间、数据存储器空间是相互独立的。程序存储器寻址空间为64K字节（0000HFFFFH）,其中8051、8751片内包有4K字节的ROM或EPROM,8031片内不带ROM.当片内ROM不够用或采用8031芯片时，需扩展程序存储器。用作程序存储器的器件是EPROM和EEPROM.程序存储器一般采用芯片 ，国内一般无条件使用掩模，也极少使用，经常使用的是芯片。由于MCS-51单片机的P0口是分时复用的地址/数据总线，因此在进行程序存储器扩展时，必须利用地址锁存器将地址信号从地址/数据总线中分离开来。通常，地址锁存器可使用带三态缓冲输出的八D锁存器74LS373或8282

33、，也可以使用带清除端的八D锁存器74LS273，地址锁存信号为ALE 。74LS373和8282都是透明的带有三态门的八D锁存器。当三态门的使能信号线OE非为低电平时，三态门处于导通状态，允许1Q8Q输出到OUT18，当OE非端为高电平时，输出三态门断开，输出线OUT18处于浮空状态。G称为数据打入线，当74LS373用作地址锁存器时，首先应使三态门的使能信号OE非为低电平，这时，当G输入端为高电平时，锁存器输出状态和输入端状态相同；当G端从高电平返回到低电平时，输入端的数据锁入1Q8Q的8位锁存器中。当用74LS373和8282作为地址锁存器时，它们的锁存控制端G和STB可直接与单片机的锁存

34、控制信号端ALE相连，在ALE下降沿进行地址锁存，而74LS273作为地址锁存器时，单片机ALE端输出的锁存控制信号必须经反相器后才能连到74LS273的CLK端，以满足CLK在上升沿锁存的要求。常用EPROM芯片介绍 2716EPROM2716是2K×8位的紫外线擦除电可编程只读存储器，+5V供电，运行时最大功耗为252mW，维持功耗132mW，读出时间最大位450ns，24脚双列直插式封装。 2732A EPROM2732A是一种4K×8位的紫外线擦除电可编程知识读存储器，单一+5V供电，最大静态工作电流位100mA，维持电流为35mA，读出时间最大为250ns。273

35、2A为24线双列直插式封装。 2764A EPROM2764A是8K字节的紫外线擦除、电可编程只读存储器，单一+5V供电，工作电流为75mA，维持电流为35mA，读出时间最大为250ns，28脚双列直插式封装。 27128A EPROM27128A是16K×8位的紫外线擦除电可编程只读存储器，单一+5V供电，工作电流为100mA，维持电流40mA，读出时间最大为250ns，28线双列直插式封装，各引脚含义如下：A0A13为地址线；O0O7为数据输出线；CE非为片选线；OE非为数据输出选通线；PGM非为编程脉冲输入端；Vpp为编程电源。 7256 EPROM27256是64K×

36、;8位的紫外线擦除、电可编程只读存储器，单一+5V供电，工作电流为100mA，维持电流为40mA，读出时间为250ns，28线双列直插式封装，其各图3.4 程序存贮器扩展3.8 D/A转换器的选择在单片机应用系统设计中，常要用到模拟输出，数模转换器(D/A)就是一种把数字信号转换成为模拟信号的器件。实际上，D/A转换器输出的电量并不真正能连续可调，而是以所用D/A转换器的绝对分辨率为单位增减，所以这实际上是准模拟量输出。为了满足计算机的总线控制要求，适应计算机应用系统结构，在D/A转换芯片内增加了一些计算机接口相关电路及引脚，其结构特征是：具有数字输入锁存功能电路，能和CPU数据总线直接相连；

37、带有数据寄存器及D/A转换控制端，CPU可直接控制数字量的输入和转换；与CPU相同的单一+5V电源供电。这类芯片适用于单片机应用系统的D/A接口，故称这类芯片为与微处理器完全兼容的D/A转换芯片。这类芯片主要有：DAC0830系列。DAC0830系列为美国National Semiconductor公司生产的具有两个数据存储器的8位D/A转换芯片，该系列产品包括DAC0830、DAC0831、DAC0832，管脚完全兼容为20脚的双列直插式封装。DAC1208和DAC1230系列。DAC1208和DAC1230均为美国公司产品，12位分辨率，两者不同之处是DAC1230数据输入引脚只有8根，与

38、8位微处理器连接简单；而DAC1208有12跟引脚，但与16位微处理器连接简单。因此，DAC1208系列为24引脚双列直插式封装，而DAC1230系列为20引脚双列直插式封装。选择D/A转换芯片时，主要考虑芯片的性能、结构及应用特性。在性能上必须满足D/A转换的技术要求；在结构和应用特性上应满足接口方便、外围电路简单、价格低廉等要求。D/A转换器的选择要点：D/A转换芯片主要性能指标的选择在D/A接口设计的实际应用中，用户在选择时主要考虑的是用位数（8位、12位）表示的转换精度和转换时间。D/A转换芯片的主要结构特性与应用特性选择D/A转换器的特点虽然主要表现为芯片内部结构的配置状况。但这些配

39、置状况对转换接口电路设计带来很大影响，主要有： 数字输入特性 数字输出特性 锁存特性及转换控制 参考源综上选择DAC0832DAC0830系列是最早和微处理器兼容的、双缓冲的D/A转换器。它的20引脚DIP封装具有很好的兼容性，DAC0830系列和DAC1230系列引脚兼容。DAC0830系列芯片是一种具有两个输入数据寄存器的8位DAC，它能直接与MCS-51单片机接口。其主要特性参数如下：分辨率为8位；电流稳定时间1s；可单缓冲或直接数字输入；只需要在满量程下调整其线性度；单一电源供电(+5V+15V)；低功耗，200mW。为便于DAC0830系列DAC的使用，特将其应用特性总结如下：DAC

40、0830是微处理器兼容型D/A转换器，可以充分利用微处理器的控制能力实现对D/A转换的控制。这种芯片有许多控制引脚，可以和微处理器的控制线相连，接受微处理器的控制.有两级锁存控制功能，能够实现多通道D/A的同步转换输出。DAC0830内部无参考电压源；须外接参考电压源。DAC0830为电流输出型D/A转换器，要获得模拟电压输出时，需要外加转换电路。图3.5 DAC0830 的模拟电压输出电路DAC0830各引脚的功能如下：DI07：数据输入线。ILE：数据允许锁存信号，高电平有效。CS：输入寄存器选择信号，低电平有效。WR1非为输入寄存器的写选通信号。输入寄存器的锁存信号LE1非由ILE、CS

41、非、WR1非的逻辑组合产生。当ILE为高电平、CS非为低电平、WR1非输入负脉冲时，在LE1产生正脉冲；LE1为高电平时，输入锁存器的状态随数据输入线的状态变化，LE1的负跳变即将数据线上的信息锁入输入寄存器。XFER非：数据传送信号，低电平有效。WR2非为DAC寄存器的写选通信号。DAC寄存器的锁存器的锁存信号LE2，由XFER非、WR2非的逻辑组合产生。当XFER非为低电平，WR2非输入负脉冲，则在LE2产生正脉冲；LE2为高电平时，DAC寄存器的输出和输入寄存器的状态一致，LE2负跳变，输入寄存器的内容打入DAC寄存器。VREF：基准电源输入引脚。Rfb：反馈信号输入引脚，反馈电阻在芯片

42、内部。IOUT2、 IOUT1、：电流输出引脚。电流与的和为常数，随寄存器的内容线性变化。Vcc：电源输入引脚。AGND：模拟信号地。DGND：数字地。 图3.6 D/A转换器的接法3.9 A/D转换器的选择在单片机的实时控制和智能化仪表等应用系统中，常需要将检测到的连续变化的模拟量如温度、压力、流量、速度等转换成离散的数字量，才能输入到单片机微机中进行处理。然后再将处理结果的数字量经D/A变换器转换成模拟量输出，实现对被控对象的控制。实现模拟量变换成数字量的设备称为模数转换器。A/D转换器按照输出代码的有效位数分为4位、6位、8位、10位、12位、16位等；按照转换速度可以分为超高速、高速、

43、中速、低速等几种不同转换速度的芯片。A/D转换器的选择要点：如何确定A/D转换器的位数A/D转化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和精度有关，但又不能唯一确定系统的精度。因为系统精度涉及的环节较多，包括传感器变换精度、信号预处理电路精度和A/D转换器及输出电路、伺服机构精度，甚至还包括软件控制算法。然而估算时，A/D转换器的位数至少要比总精度要求的最低分辨率高一位。实际选取的A/D转换器的位数应与其他环节所能达到的精度相适应。只要不低于它们就行，选得太高既没有意义，而且价格还要高得多。对转换器位数的另一点考虑是如果微处理器是8位的，采用8位以下的转换器，其接口电路最简单。因为绝

44、大部分集成转换器的数据输出都具有电平，而且数据输出寄存器具有可控三态输出功能，可直接挂在数据总线上。当采用8位以上的转换器时，就要加缓冲器接口，数据要分两次读出。假如微处理器是16位的，采用多少位的转换器都一样。综上所述，因此该课题选择8位以下的，如ADC0809。如何确定A/D转换器的转换速率A/D转换器从启动转换到转换结束，输出稳定的数字量，需要一定的时间，这就是A/D转换器的转换时间；其倒数就是每秒钟能完成的转换次数，称为转换速率。用不同原理实现的A/D转换器其转换时间是大不相同的。总的来说，积分型、电荷平衡型和跟踪比较型A/D转换器转换速度较慢，转换时间从几毫秒到几十毫秒不等，只能构成

45、低速A/D转换器，一般适用于对温度、压力、流量等缓变参量的检测和控制。逐次比较型的A/D转换器的转换时间可从几微秒到100微秒左右，属于中速A/D转换器，常用于工业多通道单片机控制系统和声频数字转换系统等。如何决定是否要加采样保持器原则上直流变化非常缓慢的信号可不用采样保持器。其他情况都要加采样保持器。根据分辨率、转换时间、信号带宽关系可得到如下数据作为是否要加采样保持器的参考：如果A/D转换器的转换时间是100ms、ADC是8位时、没有采样保持器时，信号的允许频率是0.12HZ；如果ADC是12位，该频率为0.0077HZ。如果转换时间是100s，ADC是8位时，该频率为12HZ，12位时是

46、0.77HZ。工作电压和基准电压有些早期设计的集成A/D转换器需要±15V的工作电压，最近开发的产品可在+12V+15V范围内工作，这就需要多种电源。如果选择使用单一5V工作电压的芯片，与单片机系统可共用一个电源就比较方便。基准电源是提供给A/D转换器在转换时所需要的参考电压，这是为保证转换精度的基本条件。在要求较高精度时，基准电压要单独用高度稳定电源供给。正确选用A/D转换器有关量程的引脚A/D转换器的模拟量输入有时需要是双极性的，有时是单极性的。输入信号最小值有从零开始，也有从非零开始的。有的A/D转换器提供了不同的量程的引脚，只有正确使用，才能保证转换精度。综上，该课题选择AD

47、C0809ADC0809片内带有锁存功能的8路模拟多路开关，可对8路05V的输入模拟电压信号分时进行转换，片内具有多路开关的地址译码和锁存电路、比较器、256R电阻T型网络、树状电子开关、逐次逼近寄存器SAR、控制与时序电路等。输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接连到单片机数据总线上。图3.7 A/D转换器的接法3.10 显示器的选择该控制系统需要对PH值进行准确显示，因此要在整个硬件设计中添加显示器。在单片机系统中，常用的显示器有：发光二极管显示器，简称LED；液晶显示器，简称LCD；荧光管显示器。LED段显示器结构与原理LED显示块是由发光二极管显示字段组成的显示器，有7段和“米”字段之分

48、。这种显示块有共阳极和共阴极两种。共阴极LED显示块的发光二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地，当某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显示块的发光二极管的阳极连接在一起，通常此公共阳极接正电压，当某个发光二极管的阴极接低电平时，发光二极管被点亮，相应的段被显示。LED显示器及显示方式由N片LED显示块可拼接成N位LED显示器。N位LED显示器有N根位选线和8×N根段选线。根据显示方式的不同，位选线和段选线的连接方法也各不相同。段选线控制显示字符的字型，而位选线则控制显示位的亮、暗。LED显示器有静态显示和动态显示两种显示方式，分述如

49、下： LED静态显示方式LED显示器工作于静态显示方式时，各位的共阴极连接在一起并接地；每位的段选线分别与一8位的锁存输出相连。之所以称为静态显示，是由于显示器中的各位相互独立，而且各位的显示字符一经确定，相应锁存器的输出将维持不变，直到显示另外一个字符为止。也正因为如此，静态显示器的亮度都较高。图所示为一个四位静态LED显示器电路。该电路各位可独立显示，只要在该位的段选线上保持段选码电平，该位就能保持相应的显示字符。如果显示器位数增多，则静态显示方式更多是无法适应。因此在显示位数较多的情况下，一般都采用动态显示方式。 LED动态显示方式在多位的LED显示时，为了简化硬件电路，通常将所有位的段

50、选线相应地并联在一起，由一个或两个8位的I/O口控制，形成段选线的多路复用。而各位的共阳极或共阴极分别由相应的I/O口线控制，实现各位的分时选通。其中段选线占用一个8位I/O口，而位选线占用一个4位I/O口。由于各位的段选线并联，段选码的输出对各位来说都是相同的。因此，同一时刻，如果各位位选线都处于选通状态的话，4位LED将显示相同的字符。若要各位LED能够显示出与本位相应的显示字符，就必须采用扫描显示方式，既在某一时刻，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，段选线上输出相应位要显示字符的字型码，这样同一时刻，4位LED中只有选通的那一位显示出字符，而其它三位则

51、是熄灭的。同样，在下一时刻，只让下一位的位选线处于选通状态，而其它的各位的位选线处于关闭状态，同时，在段选线上输出相应位将要显示字符码，则同一时刻，只有选通位显示出相应的字符，而其它各位则是熄灭的。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刻出现的，而且同一时刻，只有一位显示，其它各位熄灭，但由于人眼有视觉暂留现象，只要每位显示间隔足够短，则可造成多位同时亮的假象，达到显示的目的。图3.8 显示部分的接法静态显示器的接口：8031的串行口工作于方式0时，为移位寄存器方式。可利用3片串入并出移位寄存器74CS164作为3位静态显示器的输出口，欲显示的8位段码即字型码通

52、过软件译码产生，并由RXD 串行发送出去，这样，主程序可不必扫描显示器，从而CPU能用于其它工作。该课题所显示的是液体的PH值，所以位数不多，因此选用串行三位静态LED显示器。3.11 电压/电流转换在计算机自动测控系统的设计中，为增加系统的可靠性，加快研制速度，实现系统功能模块化，经常选用具有一定功能的电动组合单元作为系统的一部分，如在温度测量中，选择热电偶或热电阻温度变送器作为测量单元；在电机控制中，利用输入为420mA或05V的变频调速器作为控制输出单元等。在某些测控系统的改造中，为使系统整体结构基本保持原状，也常遇到微机系统与电动组合单元的接口问题。对于电动组合单元DDZ-型，其输出信

53、号标准为010mADC，而DDZ-型的输出信号标准为420mADC；许多控制单元，如一些温控器、变频调速器等，其输入信号也经常是010mA或420mA的标准直流电流信号。而一般单片机应用系统模拟信号输出只是电压信号；它能处理的一般也只是电压信号，因此，在某些需要电流信号输出或只提供电流信号的场合，需要进行电压/电流转换。当信号从DAC0832出来并通过4558放大时 为0+5V，要想把信号送入调节阀必须要进行V/I变换，因为调节阀接收的是电流信号。从PHG和流量计出来的信号是电流信号，所以要经过电流/电压变换送入ADC0809以便于将数字信号传给单片机。当变送器的输出信号为电流信号时，要转化成

54、可被单片机系统处理的电压信号，需经I/V变换。最简单的I/V转换可以利用一个500的精密电阻，将010mA的电流信号转换为05V的电压信号。图3.9 I/V转换对于不存在共模干扰的010mA·DC信号，如DDZ-型仪表的输出信号等，可用如图所示电阻式I/V转换，其中构成低通滤波网络，RW用于调整输出电压值。对于存在共模干扰的情况，可采用隔离变压器偶合的方式，将其转换为05V电压信号输出，在输出端接负载时，要考虑转换器的输出驱动能力，一般在输出端可再接一个电压跟随器作为缓冲器。图3.8为一个实用I/V转换电路。其实质是一个同相放大器电路，利用010mA电流在电阻R上产生输入电压，若取R

55、=200，则I=10mA时，产生2V的输入电压，设电路的放大倍数为A=1+Rf/R1，若取R1=100k，Rf=150k则010mA输入对应于05V的电压输出。由于采用同相端输入，因此放大器A应选共模抑制比较高的运放；从电路结构可知，其输入阻抗较低。实现420mA到05V转换，由节点方程可知：V0-VNRf=VNR1+VN- VfR6 V0=1+RfR1+RfR6VN-FfVfR6若取R=200 ，R1=18k, R6=43k, Rf=7.14k,调整RW使Vf=7.53V则有 V0= (420Ma)×200×(1+7.1418+7.1443)-7.53×7.14

56、43=05V3.12 PH计的选择3.12.1 PHG-100型工业在线PH计PHG-100型工业在线pH计是我公司最新研制开发的智能化新产品。具有设计合理、功能齐全、精度高、稳定性好、安装调试方便并采用美国工业复合pH电极等优点，是工业pH测量的首选产品。该仪器配上pH发送器，可对工业流程的各种水体的pH值进行连续测量和控制。图3.10 PHG-100型工业在线PH计技术指标：* 测量范围：pH：0.0014.00pH T：0100* 输入阻抗：1012* 输入电流：2×10-12A* 测量精度：±0.1pH* 显示分辩率：0.01pH* 隔离信号输出：420mA DC（负载650）* 数字通迅：RS-232* 温度补偿范围：0100* 报警继电器容量：AC220V 2A* 仪器工作条件：环境温度：050空气相对湿度：90%电源：AC220V±10%50Hz±1Hz特点：* 采用单片机控制，抗干扰能力强* 双排液晶显示，p