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浙江工业大学浙西分校信电系毕业(论文) 毕业设计（论文）院 系：XX学院姓 名：专 业：机械设计学 号：4200209320XXX指导教师：XX老师XX大学X学院2016年9月毕业设计（论文）任务书（应由学生本人按指导教师下达的任务认真誊写）姓名 专业 机械设计 指导教师 XXX 学号 4200209320194 入学时间 2014.09 网站（院系） 机械学院 一、课题名称二、课题内容三、课题任务要求四、同组设计者五、主要参考文献1 陈绍龙，刘怀平.从选粉浓度解读高效转子选粉机技术：文献，盐城：科行建材环保公司，20042 许林发.建筑材料机械设计（一）.武汉：武汉工业大学出版社，19903 潘孝良.硅酸盐工业机械过程及设备.武汉：武汉工业大学出版社，1993 4 叶达森.粉碎与制成.北京：中国建筑工业出版社，19925 汪谰.水泥工程师手册.北京：中国建筑工业出版社，1997.126 朱昆泉，许林发.建材机械工程手册.武汉：武汉工业大学出版社，2000.77 楮瑞卿.建材通用机械与设备.武汉：武汉工业大学出版社，1996.9 8 方景光.粉磨工艺及设备.武汉：武汉理工大学出版社，2002.8 9 刘景洲.水泥机械设备安装、修理及典型实例分析.武汉：武汉工业大学出版社，2002.1010 刘铁忠.TLS系列组合式选粉机的开发.水泥技术，1999（1）：1911 徐灏.机械设计手册.3.第2版.北京：机械工业出版社，2002.612 胡宗午，徐履冰，石来德.非标准机械设备设计手册.北京：机械工业出版社，2002.913 成大先.机械设计手册.2.第4版.北京：化学工业出版社，2002.114 成大先.机械设计手册.3.第4版.北京：化学工业出版社，2002.115 成大先.机械设计手册.4.第4版.北京：化学工业出版社，2002.116 数字化手册编委会.机械设计手册(软件版)R2.0.机械工业出版社，2003.117 陈秀宁、施高义.机械设计课程设计.浙江：浙江大学出版社，200218 武汉建筑材料工业学院等学校.建筑材料机械及设备.北京：中国建筑工业出版社，198019 徐锦康.机械设计.第2版.北京：机械工业出版社，200220 吴一善主编.粉碎学概论.武汉：武汉工业大学出版社，199321 沈世德.机械原理.北京：机械工业出版社，2002指导教师签字 教研室主任签字 年 月 日（此任务书装订时放在毕业设计报告第一页）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P3.0RXD 串行通信输入P3.1TXD 串行通信输出P3.2INT0 外部中断0 输入，低电平有效P3.3T0 计数器0 外部事件计数输入端P3.4T0 计数器0 外部事件计数输入端P3.5T1 计数器1 外部事件计数输入端P3.6WR 外部随机存储器的写选通，低电平有效P3.7WR 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E2PROM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E2 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E2 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2s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%：2s(max); 20V级，到0.01%：2.5s(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+125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；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。3.3A/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、P0.1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，INT0=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3.4D/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。： 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，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，必须同时有效。： 传递控制信号，控制。： DAC电流输出1。DAC寄存器为全1时，输出电流最大；为0时输出电流为0。：电流输出2。=常数-，所以和构成互补输出方式。：反馈电阻，作为外部运算放大器的分路反馈电阻，为DAC提供输出电压。：基准电压输入，-10V+10V。Ucc：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=*ILE。这时DAC0832相当于AT89C51的一个外部RAM单元，CPU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=ILE*=*CPU要输出转换8位数据必须通过两步操作才能完成。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，则将和接地，将ILE接+5V。这时：=*，用单片机控制，P2.7连接。CPU用输出指令MOVX DPTR,A可进行单缓冲D/A转换。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：44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位前执行某些安全操作，保存参数等。MAX708的典型应用图3.15。图3.15 MAX708的典型应用3.10电源的选择我们在系统设计中用到的电源有5V和15V两种，考虑到经济和实用的原则，我们选择LW系列直流稳压稳流电源。它是采用国际先进的“悬浮迭加式”技术研制而成。线路由变压器降压整流滤波、大功率三极管调整及基准取样放大等组成。双路电源可独立输出，也可串联或并联使用，串联时从路输出电压跟踪主路输出电压，并联时最大输出电流可达到两路独立输出电流之和。技术指标：1.输入电压：AC220V10%，50Hz1Hz2.输出电压及电流（1）如下表（2）电源效应CV510-3+5mVCC210-3+10mA（3）负载效应CV510-3+5mVCC510-2+10mA（4）周围与随机漂移VP-P30mV3.指示：电压和电流表各一个，精度为2.5级或3位半数字电压表和电流表各一个，精度电压表1%+2个字，电流表2%+2个字。精度要求较高请外接电表。4.使用环境：0-40C，相对湿度90%。最后，我们选择的电源型号为LW3J2D2，输出路数为2路，输出电压范围为030V，输出电流范围为03A，满足要求。3.11 多路开关多路开关在模拟量输入通道AI中的作用是实现n选一操作，即利用多路开关将n路输入依次或随机地切换到输出所连的下一级。切换过程在CPU控制下完成或由其他控制逻辑实现。微机控制系统中多采用继承电路多路开关，如图3.15所示。根据需要，我们选择8通道的CD4051。CD4051的结构原理图3.16图3.16 CD4051的结构原理第4章 系统的软件设计4.1系统程序图系统的主程序包括系统初始化，中断程序，PID控制程序，采样程序等。程序框图如下图所示。主程序流程图4.1图4.1 主程序流程图图4.2采样程序流程图4.2数字调节器的设计工业控制中最常用的数字控制算法是数字PID控制算法。对大多数控制对象，采用数字PID控制，均可达到满意的控制效果。连续系统的设计已经形成了一套系统的、成熟的，实用的设计法，并在控制领域为人们所熟悉和掌握。因此，在设计计算机控制系统时，仍然经常使用连续系统的设计方法。1.系统的数学模型理论分析和实验结果都说明，带强烈搅拌的中和反应池可以近似为具有纯滞后的一阶质性环节，并且根据多次做得的静态滴定曲线，发现在pH=7附近较大范围内(pH=4-9)曲线接近线性，确定中和反应池人口相对浓度到检测点pH值的数学模型用表示:其中,为电石渣液的当量浓度和体积流量，时间常数，为检测点前的有效容积.由于控制系统中以电石渣液流量为输人，则应增加转换环节:再考虑到调节阀放大系数，因此从控制器输出到检测点的广义对象数学模型为下列形式:其中，为广义对象放大系数:。由于NH ,，变化使Kc变化，和废水成分的变化使和变化，因此，是随干扰变化的时变参数。2.调节器的选择用于PH值控制的调节器有多种形式，如PI调节，PID调节，开关调节等，根据任务书的要求，我们选择在实际中切实可用的PID调节，它能有效的减小系统的超调和稳态误差。PID的控制算法主要有位置式PID控制算法和增量式控制算法。它们的控制方程分别为：位置式控制方程：增量式控制方程：增量式PID算法与位置式相比，有以下优点：(1)位置式算法每次输出与整个过去状态有关，计算中容易产生较大的累计误差。而增量式PID只需要计算增量，计算误差或精度不足时对控制量的计算方法影响较小。(2)控制从手动切换到自动时，位置算法必须首先将计算机的输出值定为原始阀门开度,才能保证无冲击切换。如果采用增量算法，则公式中不出现项。易于实现控制从手动到自动的无冲击切换。因此在实际控制中增量式算法比位置式应用更为广泛。3. PID控制器的参数选择选择调节器的参数，必须根据工程问题的具体要求来考虑。在实际过程控制中，要求被控过程是稳定的，对给定量的变化能迅速的跟踪，超调量小。在不同表4.1 常见被调量的PID参数经验选择范围被调量特点KpTi(min)Td(min)流量时间常数小，并有噪声，故Kp较小，Ti较小，不用微分1-2.50.1-1温度对象有较大的滞后，常用微分1.6-53-100.5-3压力对象滞后不大，不用微分1.4-3.50.4-3液位允许有静差时不用积分和微分1.25-5干扰下，系统输出应能保持在给定值，控制变量不宜过大，系统保持平稳。同时满足上述要求是困难的，但是必须满足主要的方面，兼顾其他方面。所以参数的选择通常通过实验的经验公式来确定。下表给出了一些常见的调节器参数的选择范围。（表4.1）采样周期也是PID调节器中的一个重要参数，它对系统的稳定性，调节品质及PID调节控制算法都有影响。常被测量的的经验采样周期见下表。（表4.2）表4.2 被测量的经验采样周期被测参数采样周期T（s）备注流量0-10需要选用10s温度3-10优选用6-8s压力6-8液位15-20或纯滞后时间我们的设计主要是对阀门流量的控制，所以结合设计，根据经验数据表，参数的数值选择为KP=1.8，Ti=0.5，Td=1.7。4.3 程序清单初始化：ORG 0000H ；程序起始地址LJMP MAIN ；主程序入口地址ORG 0003H ；T0中断入口地址LJMP INT ；中断入口地址ORG 0013H ；INT1中断入口地址ORG 0200HMAIN： MOV TMOD，#03H ；T0初始化程序MOV TL0，#9CH ；T0置初值MOV TH0，#038HSETB EA ；CPU开放中断SETB ET0 ；允许T0中断SETB TR0 ；启动T0SETB IT1 ；申请信号为边沿触发方式SETB EX1 ；允许外部中断1产生中断MOV R0，#30H ；片内RAM区首选地址MOV DPTR，#0000H ；选IN0通道地址MOV R7，#05H ；置5路A/D转换MOV R6，#nH ；置采样次数为n次INT： PUSH ACCPUSH PSWSTART：MOV R0，#20H ；选择AD0809的地址MOVX R0，A ；启动A/D转换器LOOP：JB P1.0，LOOP ；查询STS，A/D转换是否结束MOV R0，#01H ；STS=1，读A/D转换值地址MOVX A，R0 ；读A/D值高8位MOV R2，A ；送R2MOVX R0，#03H ；指向低4位A/D值地址MOVX A，R0 ；读A/D值低4位MOV R3，A ；送R3CJNE RX，R3，SINGLESETB P1.2 ；绿灯亮，正常，继续 INC DPTR ；指向下一通道INC R0 ；指向下一存储单元RETSINGLE：SETB P1.4 ；警报响SETB P1.3 ；红灯亮DE：MOV R5，#120 ；延时12s子程序LJMP DE1DE1：MOV R6，#200DE2：MOV R7，#126DE3：DJNZ R7，DE3DJNZ R6，DE2DJNZ R5，DE1DJNZ R7，STARTRETSINGLE1：SETB P1.7 ；给MAX708发脉冲信号SETB RESETSETB INT1 LCALL FILT3FILT3：LR A ；清累加器 MOV R2，AMOV R3，AMOV R0，#30H ；指向第一个采样值FILT30：MOV A，R0 ；取一个采样值ADD A，R3 ；累加到R2、R3中MOV R3，A CLR AADDC A，R2MOV R2，AINC R0CJNE R0，#35H，FILT30 ；累加完5次FILT31：SWAP A ；（R2、R3）/5RL AXCH A，R3SWAP ARL AADD A，#80H ；四舍五入ANL A，#1FHADDC A，R3 START1：MOV DPTR，#7FFFH MOV A，#DATA ；待转换的数字量装入A中MOVX DPTR，A ；启动D/A转换器，输出DJNZ R7，START1PID：MOVR0,#52H;计算MOVR1,#49HLCALLFSUBMOVR1,#4CH;写入LCALLFWR MOVR0,#4CH;计算MOVR1,#40HLCALLFSUBMOVR1,#4FH;写入LCALLFWRMOV40H,4CH;更新MOV41H,4DH MOV42H,4EH MOVR1,#4CH;取常数写入MOVR2,#09H LCALLLDN MOVR0,#40H;计算MOVR1,#4CH LCALLFMUL, MOVR1,#4CH;写入LCALLFWR,#52H MOVR0,#4CH;计算+MOVR1,#4FH LCALLFADD,MOVR1,#4CH;+写入LC
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