PH值檢測硬件設(shè)計

1、 編號 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文題 目pH值檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計學(xué)生姓名薛剛學(xué) 號15011245院 系電子工程學(xué)院專 業(yè)應(yīng)用電子班 級150112指導(dǎo)教師秦曉芳 顧問教師二一四年六月摘 要 pH值控制過程廣泛存在與石油，化工，制藥，造紙，廢水處理及給水處理中，在工業(yè)生產(chǎn)中必須使pH值嚴(yán)格控制在特定范圍內(nèi)，否則可能會造成產(chǎn)品質(zhì)量下降，原料浪費(fèi)，生產(chǎn)不能順利進(jìn)行，經(jīng)濟(jì)效益下降，甚至造成環(huán)境污染，因此將pH值控制在一定的范圍內(nèi)有著非常重要的意義。 本文首先分析了pH控制過程的機(jī)理模型和實際的控制要求，建立了靜態(tài)模型和動態(tài)模型，得出了pH值過程的非線性特性曲線?；贏T89S51單片機(jī)設(shè)計了pH值控

2、制器，完善了軟件設(shè)計，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、鍵盤控制等功能。 通過對所研制控制器的測試，驗證了所設(shè)計的算法可行性，今后對pH值控制系統(tǒng)的改進(jìn)提供了一種新的設(shè)計思路。關(guān) 鍵 詞：pH值 過程控制 變增益 單片機(jī) Abstract pH control process widely in petroleum, chemical, pharmaceutical, paper,wastewater treatment and water treatment, the pH value in the industrial production must be strictly contro

3、lled within a specified range, otherwise may cause the decline in product quality, raw material waste,production can not becarried out smoothly, economic decline, or even cause environmental pollution, so the pH within a certain range of great significance. This article first analyzesthe pH control

4、mechanism of the process model and the actual control requirements, the establishment of static and dynamic models, and obtained thenonlinear characteristic curve of the pH value of the process. According to thenon-linear characteristics of the pH value of the process, the segmented polylineto appro

5、ximate the nonlinear curve, segmented variable gain PID control algorithm designed to compensate for the pH of the process of non-linear.Matlab software and application of pH control process simulation,Finally, a pH value of the controller wasdesigned based on AT89S51 microcontroller, improve softwa

6、re design, data acquisition, data processing, data display, keyboard control and other functions.Test the developed controller, verify the feasibility of the design algorithm and theimprovement of the pH control system in the future to provide a new design ideas. Keywords: pH value process control v

7、ariable gain microcontrolle目 錄摘 要IABSTRACTII第一章 緒論11.1 研究目的11.2 國內(nèi)外的動態(tài)及發(fā)展趨勢11.2.1 國外研究概述11.2.3 PH控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢2第二章控制器硬件設(shè)計32.1 單片機(jī)外圍電路總體方案32.2 單片機(jī)及其外圍電路的設(shè)計42.2.1 AT89S51單片機(jī)簡介42.2.2 AT89S51單片機(jī)最小系統(tǒng)簡介52.2.3 數(shù)據(jù)采集電路72.2.4 D/A轉(zhuǎn)換器82.2.5 數(shù)據(jù)存儲器92.3人機(jī)接口模塊設(shè)計102.3.1 顯示模塊102.3.2 鍵盤模塊112.4 硬件抗干擾措施12第三章控制器軟件設(shè)計133.1軟件設(shè)計

8、133.1.1 程序設(shè)計13第四章總結(jié)與展望194.1總結(jié)194.2展望19致謝20參考文獻(xiàn)21第一章 緒論1.1 研究目的 pH值的控制問題一直是控制領(lǐng)域中的難題之一，因為酸堿反應(yīng)過程是一個典型的非線性過程。pH值較低或較高時。pH值變化非常緩慢：而在中性時，即pH值在7左右時，加入試劑的微笑變化都回引起pH值的很大變化，即隨著溶液pH值的變化，pH值相對于加藥量變化的增益也隨之發(fā)生顯著變化，非線性特性非常明顯。另外，試劑酸堿反應(yīng)過程中還存在混合，測量等滯后環(huán)節(jié)，而且延遲時間一般很長。就更增加了控制的難度，可見pH值酸堿反應(yīng)過程的控制系統(tǒng)是一個非線性系統(tǒng)，如何處理非線性是解決這一問題的關(guān)鍵。

9、 由于pH值的非線性特性，用常規(guī)的線性控制方法PID控制算法無法對反應(yīng)的變化過程做快速的，精確的反應(yīng)，在控制過程中很容易引起震蕩現(xiàn)象，很難對系統(tǒng)實現(xiàn)最優(yōu)控制。因此本課題通過分析pH值過程的機(jī)理特性，結(jié)合改進(jìn)的數(shù)字PID控制算法，設(shè)計了一種設(shè)計了一種分段式變增益PID控制算法，利用MATLAB仿真技術(shù)對pH值控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究并與常規(guī)的PID控制算法進(jìn)行了仿真對比，最后基于AT89S51單片機(jī)搭建了硬件設(shè)計了pH值控制器。1.2 國內(nèi)外的動態(tài)及發(fā)展趨勢1.2.1 國外的研究 國外對pH過程的研究較早，對pH值控制的研究國外早在50-60年代就已經(jīng)開始了，可見關(guān)于pH值的檢測與控制并非一個新課

10、題，但要取得良好的控制效果卻并非易事。原因正如上述所述的，酸堿反應(yīng)的pH值濱化通常是高度非線性的，這一嚴(yán)重的非線性給pH值的控制帶來了極大的困難。 Shinskey過程控制系統(tǒng)應(yīng)用，設(shè)計和整定對pH控制過程的基礎(chǔ)知識進(jìn)行了詳細(xì)的敘述。1973年Shinskey F.G.用增益自適應(yīng)的PI控制器來解決中和點(diǎn)附近的高增益這一難題并取得較為滿意的結(jié)果，并給出怎樣設(shè)計一個實際的pH控制系統(tǒng)的方法。1983年Gustafsson T. K .對pH值中和過程應(yīng)用非線性自適應(yīng)的控制策略進(jìn)行了研究，將非線性控制器的設(shè)計加入緩沖液的pH值中和過程，提出“輸入輸出修正線性化”方法。為了估計緩沖液的變化，非線性自

11、適應(yīng)控制器具有參數(shù)間接估計與直接估計的結(jié)構(gòu)，一換的是設(shè)計方法和算法都很復(fù)雜。另外，Lin和Yu提出了自整定控制方案，定時估算反應(yīng)物的濃度、緩沖劑與電離數(shù)等未知參數(shù)，并用一步超前控制律進(jìn)行了控制。他們的控制策略能夠獲得良好的動態(tài)性能，并且對模型誤差具有魯棒性，但是當(dāng)中和曲線發(fā)生較大變化時控制性能明顯下降。Astrom.K. J.和Wittcnmark B.進(jìn)行了強(qiáng)酸強(qiáng)堿系統(tǒng)的自適應(yīng)控制器的研究。R .papa等人比較了基于模型的pH控制器和無模型的pH控制器的優(yōu)劣，包括帶有最小方差估計器的自適應(yīng)控制器、具有模糊控制器的自適應(yīng)控制器及具有模糊開關(guān)的模糊PI控制器，比較它們的控制效果，指出具有模糊開

12、關(guān)的模糊PI控制器，比較它們的控制效果，指出具有模糊開關(guān)的模糊PI控制器有良好的性能?；诙嗄Ｐ偷目刂品椒ㄒ彩悄壳把芯康闹髁髦唬琌mar Galan 分析了基于多線性模型的多種自適應(yīng)機(jī)制，并與標(biāo)準(zhǔn)的PI控制器和自調(diào)整PI控制器相比較，得出多模型線性控制。Sung和Lee使用設(shè)定值變動的方法來辨識模型曲線以補(bǔ)償pH過程的非線性和時變特性。關(guān)于pH值控制的理論研究和實際應(yīng)用方面，Dumont在1990年提出基于拉蓋爾的自適應(yīng)預(yù)測控制器，應(yīng)用于漂白劑的提取。這種控制方法使用拉蓋爾或者標(biāo)準(zhǔn)正交基模型，與預(yù)測控制使用的自回歸滑動平均模型相比，需要較少的信息，但是很難確定拉蓋爾模型的時間范圍，同時也需要

13、很多可調(diào)整參數(shù)來瞞住模型的準(zhǔn)確度。 1.2.2 國內(nèi)研究概況 在國內(nèi)，近年來不少關(guān)于pH值控制的理論研究和實際應(yīng)用采用了先進(jìn)控制方法。1998年，商建東、陳康寧提出工業(yè)生產(chǎn)過程的新型智能pH值模糊控制器。介紹了一種基于知識庫的智能pH控制系統(tǒng)，并研究了在農(nóng)藥生產(chǎn)中的應(yīng)用，在控制中需需要做的實驗形成經(jīng)驗數(shù)據(jù)。楊翠榮、龐泉、張玉清研究了智能pH值控制器，主要是pH值的模糊算法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的控制算法，對象僅用于給定的中和反應(yīng)過程，并進(jìn)行了理論分析和數(shù)字仿真，但因其算法復(fù)雜，難于在實際工程中實現(xiàn)。孫西、金以惠在谷氨酸結(jié)晶過程中的pH控制問題中提出雙線性自適應(yīng)pH值控制，以雙線性作為過程的機(jī)理模型，基

14、本從本質(zhì)上反應(yīng)了該pH值中和過程。2003年，趙彥華、麻紅昭在廢水中和處理中，采用變增益PID調(diào)節(jié)結(jié)合模糊前饋控制。王偉采用多模型自適應(yīng)控制來控制CSTR中的pH值。1.2.3 pH控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢傳統(tǒng)的酸堿廢水是由人工進(jìn)行調(diào)節(jié)的工藝，經(jīng)過人工分析，不斷由人為地加入調(diào)節(jié)劑，化驗分析，化驗分析后，才能排掉廢水。這樣進(jìn)行調(diào)節(jié)周期長，加酸或加減的量不能把握，而且占地面積大，能耗高，且手工配藥無法在密封的環(huán)境下進(jìn)行，有劇毒的化學(xué)物質(zhì)嚴(yán)重危害著操作者的身心健康，因此可以看出手動控制安全可靠性差，工作效率低，很難滿足實時控制系統(tǒng)的要求和符合合格排放標(biāo)準(zhǔn)。所以采用pH值自動控制系統(tǒng)取代人工調(diào)節(jié)是今后發(fā)展的

15、必然趨勢，從國內(nèi)外研究的pH值自動控制系統(tǒng)中的控制來看，多數(shù)控制方法采用單回路控制器或簡單的PID算法，這很難適應(yīng)今后工業(yè)生產(chǎn)過程的大型化和復(fù)雜化，無法滿足生產(chǎn)控制的安全、平穩(wěn)、優(yōu)質(zhì)、高效等方面的要求。所以急需現(xiàn)代控制理論技術(shù)、儀表技術(shù)、電子技術(shù)等多種技術(shù)結(jié)合起來，研制成能適合各種化學(xué)工程與工業(yè)場合的高精密通用的pH值全自動控制系統(tǒng)。第二章控制器硬件設(shè)計控制器的硬件電路的設(shè)計，必須首先決定主控制器采用的芯片，然后將控制算法編制成相應(yīng)的控制程序，實現(xiàn)對被控對象的控制。究竟選擇哪一種單片機(jī)，取決于系統(tǒng)對速度的要求和該應(yīng)用系統(tǒng)的復(fù)雜性，在本設(shè)計中選用通用數(shù)字單片機(jī)，其它器件的選擇遵循控制系統(tǒng)的精度要

16、求，同時滿足體積小、耗電少、可靠性高的要求，因此盡可能選用功耗小，性能穩(wěn)定的集成電路芯片。在眾多單片機(jī)產(chǎn)品中，MCS-51系列單片機(jī)在我國使用最為廣泛，有關(guān)該系列單片機(jī)的技術(shù)資料和能夠兼容的外圍芯片也比較多。特別是ATMEL公司2003年推出的新一代89S系列單片機(jī)，其典型產(chǎn)品AT89S51單片機(jī)內(nèi)部自帶看門狗，集成4K字節(jié)可重擦寫Flash閃速存儲器，具有1000次擦寫周期，三級加密程序存儲器，128KB字節(jié)內(nèi)部RAM，32個可編程I/0口線，2個16位定時/計數(shù)器，6個中斷源，低功耗空閑和掉電模式，支持ISP(在系統(tǒng)編程)功能，這對軟件調(diào)試及以后軟件的升級帶來很大的方便，并由于其具有較高的

17、性能價格比，受到用戶的歡迎。因此本課題主控制芯片選用AT89S51單片機(jī)作為控制單元的核心部件。2.1 單片機(jī)外圍電路總體方案 AT98S51單片機(jī)及外圍電路的總體設(shè)計如下圖2.1所示，主要由輸入采集部分、輸出控制部分和控制決策部分組成。系統(tǒng)中采用一片AT89S51單片處理器作為控制器的核心芯片，前項通道為數(shù)據(jù)采集部分，后項通道為控制部分，通過按鍵和LED顯示進(jìn)行人機(jī)交互，并預(yù)設(shè)了串口通信接口。 圖2.1 單片機(jī)外圍電路設(shè)計框圖輸入采集部分主要采集本系統(tǒng)的參數(shù)即pH值。當(dāng)pH參數(shù)的監(jiān)測值超出設(shè)定的上限、下限參數(shù)時，揚(yáng)聲器發(fā)出聲音進(jìn)行報警，提醒工作人員檢查原因并采取相應(yīng)措施解決問題；控制輸出部分

18、是把控制器輸出的控制量作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)對pH值的控制；控制決策部分由通用數(shù)字單片機(jī)AT89S51來實現(xiàn)，該部分是根據(jù)系統(tǒng)的工況、測量內(nèi)容、顯示方式等要求設(shè)計的，是硬件電路設(shè)計的核心部分；鍵盤輸入部分可以設(shè)定報警的上限和下限值，并通過鍵盤保存鍵值。鍵盤一般是在系統(tǒng)調(diào)試、定期或不定期檢查中時使用，方便人機(jī)交互；顯示部分用于顯示設(shè)定的pH值及采樣所得的pH值。下面就分別對基于AT89S51單片機(jī)的pH控制器各部分電路進(jìn)行介紹。2.2 單片機(jī)及其外圍電路的設(shè)計2.2.1 AT89S51單片機(jī)簡介 單片機(jī)微型計算機(jī)是微型計算機(jī)的一個重要分支，也是頗具生命力的機(jī)種。單片機(jī)微型計算機(jī)簡稱單片機(jī)，特別適用

19、于控制領(lǐng)域，故又稱為微控制器。通常，單片機(jī)由單塊集成電路芯片構(gòu)成，內(nèi)部包含有計算機(jī)的基本功能部件：中央處理器、存儲器和I/O接口電路等。因此，單片機(jī)只需要和適當(dāng)?shù)能浖巴獠吭O(shè)備相結(jié)合，便可成為一個單片機(jī)控制系統(tǒng)。AT89S51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k bytes的可系統(tǒng)編程的Flash只讀程序存儲器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)8051指令系統(tǒng)及引腳。它集Flash程序存儲器 既可在線編程（ISP）也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程及通用8位微處理器于單片芯片中,ATMEL公司的功能強(qiáng)大，低價位AT89S51單片機(jī)可為您提供許

20、多高性價比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。1、主要性能參數(shù)與單片機(jī)產(chǎn)品兼容8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器、1000次擦寫周期、全靜態(tài)操作：0Hz33Hz、三級加密程序存儲器、32個可編程I/O口線 、三個16位定時器/計數(shù)器 八個中斷源 、全雙工UART串行通道低功耗空閑和掉電模式、掉電后中斷可喚醒、看門狗定時器、雙數(shù)據(jù)指針、掉電標(biāo)識符。2、AT89S51芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡介1）中央處理器(CPU)是整個單片機(jī)的核心部件，是8位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)或代碼，CPU負(fù)責(zé)控制、指揮和調(diào)度整個單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運(yùn)算和控制輸入輸出功能等操作。2）數(shù)據(jù)存儲器用于存放變化的數(shù)

21、據(jù)。AT89S51中數(shù)據(jù)存儲器的地址空間為256個RAM單元，但其中能作為數(shù)據(jù)存儲器供用戶使用的僅有前面128個，后128個被專用寄存器占用。3）程序存儲器用于存放程序和固定不變的常數(shù)等。通常采用只讀存儲器，且其又多種類型，在89系列單片機(jī)中全部采用閃存。AT89S51內(nèi)部配置了4KB閃存。4）定時/計數(shù)器用于實現(xiàn)定時和計數(shù)功能。AT89S51共有2個16位定時/計數(shù)器。5）8051共有4組8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于對外部數(shù)據(jù)的傳輸。每個口都由1個鎖存器和一個驅(qū)動器組成。它們主要用于實現(xiàn)與外部設(shè)備中數(shù)據(jù)的并行輸入與輸出，有些I/O口還有其他功能。6）A89S51內(nèi)置一個全雙

22、工串行通信口，用于與其它設(shè)備間的串行數(shù)據(jù)傳送，該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當(dāng)同步移位器使用。7）時鐘電路的作用是產(chǎn)生單片機(jī)工作所需要的時鐘脈沖序列。8）中斷系統(tǒng)的作用主要是對外部或內(nèi)部的終端請求進(jìn)行管理與處理。AT89S51共有5個中斷源，其中又2個外部中斷源和3個內(nèi)部中斷源。圖2.2 AT89S51的功能結(jié)構(gòu)圖2.2.2 AT89S51單片機(jī)最小系統(tǒng)簡介AT89S51，先以主震蕩頻率為基準(zhǔn)發(fā)出CPU時序，對指令進(jìn)行譯碼，然后發(fā)出各種控制信號，完成一系列定時控制的操作，用來協(xié)調(diào)單片機(jī)內(nèi)部各功能部件之間的數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)運(yùn)算等操作。 單片機(jī)最小系統(tǒng)由震蕩電路、復(fù)位電路及一片單片機(jī)構(gòu)成,

23、是單片機(jī)正常工作的最基本組成。其最小系統(tǒng)如下圖4.3所示。 圖2.3 AT89S51單片機(jī)最小系統(tǒng)簡介1. 復(fù)位電路:復(fù)位電路的基本功能是：系統(tǒng)上電時提供復(fù)位信號，當(dāng)為可靠起見電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后才撤銷，以防電源開關(guān)或電源插頭分-合過程中引起的抖動而影響復(fù)位。AT89S51單片機(jī)的復(fù)位信號是從RST腳輸入到片內(nèi)觸發(fā)器中的復(fù)位電路。當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)，且振蕩器工作穩(wěn)定后，如在RST引腳上有從低電平上升到高電平并維持2個機(jī)器周期(24個振蕩周期)以上，單片機(jī)便實現(xiàn)初始化狀態(tài)復(fù)位。為了保證應(yīng)用系統(tǒng)可靠地復(fù)位，在設(shè)計復(fù)位電路時，通常使引腳保持10ms以上的高電平。只要RST

24、保持高電平，單片機(jī)就循環(huán)復(fù)位。當(dāng)RST從高電平變?yōu)榈碗娖揭院?，單片機(jī)從0000H地址開始執(zhí)行程序。在本系統(tǒng)中采用手動復(fù)位電路,即在系統(tǒng)帶電情況下進(jìn)行手動復(fù)位,使用靈活方便,其中R14為10 ,C10為1。2. 時鐘電路：AT89S51單片機(jī)的CPU時鐘源可以通過內(nèi)部振蕩器和外部振蕩器來產(chǎn)生。XTAL1和XTAL2兩引腳分別為單級片內(nèi)反相放大器的輸入端和輸出端，其頻率范圍為0-33MHz。當(dāng)選用片內(nèi)振蕩器時，需外接晶體振蕩器，并外接兩個小電容后接地。外接電容3010pF；當(dāng)選用外部振蕩器時，則外部振蕩器輸出信號接XTAL1引腳，而XTAL2引腳浮空不用。在本設(shè)計中采用片內(nèi)振蕩器，在AT98S51

25、單片機(jī)的XTAL1和XTAL2兩引腳之間連接一個晶體振蕩器，并接兩個小電容后接地。晶體的振蕩頻率為12MHz，電容為30pF。在設(shè)計電路板時，晶體和電容盡可能靠近單片機(jī)芯片安裝，以減少寄生電容，使振蕩器穩(wěn)定可靠地工作。2.2.3 數(shù)據(jù)采集電路在數(shù)據(jù)采集過程中，把pH值傳感器采集的非電量被測信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電信號，模擬信號在輸入到計算機(jī)之前必須經(jīng)過模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。因此模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）是必不可少的功能部件，在本電路設(shè)計中是采用ADC0804芯片。本設(shè)計中ADC0804是以程序查詢方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。ADC0804是用8位全CMOS集成工藝制成的逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換芯片。分辨率8位，轉(zhuǎn)換

26、時間100，輸入電壓范圍為05V，增加某些外部電路后，輸入模擬電壓可為 5V。ADC0804片內(nèi)有三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器，可以和單片機(jī)直接接口。單通道輸入,轉(zhuǎn)換時間大約為100。ADC0804 轉(zhuǎn)換時序是：當(dāng)CS0 許可進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換。WR由低到高時，A/D開始轉(zhuǎn)換，一次轉(zhuǎn)換一共需要6673 個時鐘周期。CS與WR同時有效時啟動A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束產(chǎn)生INTR 信號（低電平有效），可供查詢。當(dāng)CS=0和RD=0 時將數(shù)據(jù)取出存入存儲器中并讀取數(shù)據(jù)結(jié)果。數(shù)據(jù)采集電路中ADC0804芯片外引腳以及外設(shè)電路如圖2.4所示。 圖2.4 數(shù)據(jù)采集電路ADC0804使用時應(yīng)注意的事項：(1)轉(zhuǎn)換時序：ADC

27、0804控制信號的時序圖如2.5所示，由圖可見各控制信號時序關(guān)系為：當(dāng)CS與WR同時為低電平，則啟動A/D轉(zhuǎn)換器，在WR上升沿后延時，等待模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束，轉(zhuǎn)換結(jié)果存入數(shù)據(jù)鎖存器。CS、RD同時來低電平，則數(shù)據(jù)鎖存器三態(tài)門打開，數(shù)字信號送出。此時單片機(jī)讀取AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。而在RD高電平到來后三態(tài)門處于高阻狀態(tài)。 圖2.5 ADC0804控制信號的時序圖(2)參考電壓的調(diào)節(jié)：在使用A/D轉(zhuǎn)換器時，為保證其轉(zhuǎn)換精度，要求輸入電壓滿量程使用。如輸入電壓動態(tài)范圍較小，則可調(diào)節(jié)參考電壓 ，以保證小信號輸入時ADC0804芯片8位的轉(zhuǎn)換精度。(3)接地：模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中要特別注意到地線的正確連接，否則干擾很嚴(yán)重，

28、以至影響轉(zhuǎn)換結(jié)果的準(zhǔn)確性。A/D芯片上提供了獨(dú)立的模擬地（AGND）和數(shù)字地（DGND）的引腳。在線路設(shè)計中，必須將所有的器件的模擬地和數(shù)字地分別連接，然后將模擬地與數(shù)字地僅在一點(diǎn)上相連。2.2.4 D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832是一個8位D/A轉(zhuǎn)換器芯片，單電源供電，從+5V+15V均可正常工作，基準(zhǔn)電壓的范圍為±10V，電流建立時間為1，CMOS工藝，低功耗20mm。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)由1個8位輸入寄存器、1個8位DAC寄存器和1個8位D/A轉(zhuǎn)換器組成。在輸出電路中,通過D/AC0832將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量,由輸出調(diào)節(jié)電路轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的輸出信號,可為現(xiàn)場控制、數(shù)據(jù)采集、記錄等提供05V、010

29、mV、010mA、420mA不同的標(biāo)準(zhǔn)輸出信號。DAC0832利用WR1 、 WR2 、ILE、XFER 控制信號可以構(gòu)成三種不同的工作方式：直通方式，單緩沖方式和雙緩沖方式。在本設(shè)計中DAC數(shù)據(jù)傳輸方式是寄存器直通方式，即當(dāng)ILE接高電平，、和都接數(shù)字地時，DAC處于直通方式，8位數(shù)字量一旦到達(dá)P0.7P0.0輸入端，就立即加到8位D/A轉(zhuǎn)換器，被轉(zhuǎn)換成模擬量。其轉(zhuǎn)換電路圖如2.6圖所示。 圖2.6 D/A轉(zhuǎn)換電路2.2.5 數(shù)據(jù)存儲器 無論是智能儀器儀表還是單片機(jī)工業(yè)控制系統(tǒng)都要求其數(shù)據(jù)能夠安全可靠而不受干擾，特別是一些重要的設(shè)定參數(shù)受到干擾后變成一個很大的數(shù)字，那么就有可能發(fā)生破壞性后果

30、，給生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)帶來損失，因此必須選用可靠的芯片作為數(shù)據(jù)儲存單元。 本設(shè)計采用AT 24C02作為單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲單元，AT24C02是ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM，它是內(nèi)含256×8位存儲空間，具有工作電壓寬（2.55.5V）、擦寫次數(shù)多（大于10000次）、寫入速度快（小于10ms）等特點(diǎn)。 24C02中帶有片內(nèi)地址寄存器。每寫入或讀出一個數(shù)據(jù)字節(jié)后，該地址寄存器自動加1，以實現(xiàn)對下一個存儲單元的讀寫。所有字節(jié)均以單一操作方式讀取。為降低總的寫入時間，一次操作可寫入多達(dá)8個字節(jié)的數(shù)據(jù)。 24C02與單片機(jī)的接口非常簡單，如下圖2.7所示。A0，A1，A2

31、為器件地址線，用于確定芯片的硬件地址。WP為寫保護(hù)引腳，為低電平有效，SCL，SDA為二線串行接口，符合I2C總線協(xié)議，可直接和硬件相連。對于只用一片24C02器件的系統(tǒng)，因為不需要分辨不同的地址，只要WP保護(hù)功能正常就可以了。 圖2.7 數(shù)據(jù)存儲器24C022.2.8 電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計 在本次設(shè)計中的AT89S51單片機(jī)的工作電壓為5V，電路板采用9V-12V直流電壓供電，經(jīng)過78L05轉(zhuǎn)化為5V供單片機(jī)工作。二級管是防止電源插反燒掉電路的。是起保護(hù)作用的電路圖如圖2.8所示。 圖2.8 電源轉(zhuǎn)換電路圖2.3人機(jī)接口模塊設(shè)計根據(jù)系統(tǒng)功能的要求，人機(jī)交互采用按鍵和數(shù)碼管構(gòu)成，利用AT89S51

32、的I/O采集開關(guān)量，采用動態(tài)顯示方式實測pH值和預(yù)設(shè)pH值，顯示數(shù)據(jù)及所設(shè)定的數(shù)據(jù)由AT89S51的P0口和P1送出。2.3.1 顯示模塊在顯示電路中，本系統(tǒng)采用的是6個三位8段共陰極LED數(shù)碼顯示器, 實時顯示當(dāng)前采樣pH值以及預(yù)設(shè)pH值。74HC573是顯示的驅(qū)動模塊，作為數(shù)碼管的位驅(qū)動和段驅(qū)動，鎖存數(shù)據(jù)也由74HC573來完成，顯示是通過動態(tài)掃描來實現(xiàn)的，所謂動態(tài)掃描就是指采用分時的方法，輪流控制各個顯示器的COM端，使各個顯示器輪流點(diǎn)亮，在輪流點(diǎn)亮的掃描過程中，每位顯示器的點(diǎn)亮?xí)r間極其短暫的，但由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實際上各位顯示器并非同時點(diǎn)亮，但掃描的速度足

33、夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感。本系統(tǒng)還做了液晶顯示器件的擴(kuò)展口電路，以供將來升級使用。利用數(shù)碼管顯示電路如圖2.9所示。 圖2.9 顯示電路圖2.3.2 鍵盤模塊在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，通常應(yīng)具有人機(jī)對話的功能，能隨時發(fā)出各種控制命令和數(shù)據(jù)輸入以及報告應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)與運(yùn)行結(jié)果。這樣在系統(tǒng)的調(diào)試、定期或不定期檢查中，鍵盤就會起到很好的交互作用。 鍵盤可以分為獨(dú)立連接式和矩陣式兩類。獨(dú)立式按鍵是指直接用 I/O 口線構(gòu)成的單個按鍵電路，每個獨(dú)立式按鍵單獨(dú)占有一根 I/O 口線。矩陣式鍵盤，由行和列交叉構(gòu)成，當(dāng)有鍵按下時進(jìn)行列掃描，來確定鍵值。本系統(tǒng)設(shè)計了一個44的矩陣式鍵盤

34、，電路圖如下圖2-10所示。 圖2.10 鍵盤電路圖2.4 硬件抗干擾措施硬件電路方面的抗干擾主要是：(1)將模擬地與數(shù)字地分開，最后才在一點(diǎn)將它們連接，避免模擬電路和數(shù)字電路的相互干擾。(2)供電端使單片機(jī)的工作頻率較高，因此，在電源和地之間均并聯(lián)一只的電容，濾除從電源竄入的干擾。(3)AT89S51集成了看門狗監(jiān)控功能。第三章控制器軟件設(shè)計3.1軟件設(shè)計3.1.1 程序設(shè)計(1)主程序是整個軟件的靈魂，起主導(dǎo)作用。主程序設(shè)計的正確與否，影響整個設(shè)計的正確率與進(jìn)程。在主程序里主要是通過調(diào)用子程序，來完成控制命令的。通過軟件控制語句，函數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，全局變量控制設(shè)定等，將這些子程序鏈接起來，便組

35、成了整個軟件的骨架。在本課題中，pH值單片機(jī)控制器程序主要實現(xiàn)的功能有：數(shù)據(jù)采集，A/D轉(zhuǎn)換，D/A輸出，計算和輸出控制量、LED顯示。(2)在主程序運(yùn)行之前需要進(jìn)行一系列的初始化工作，主要包括對堆棧、I/O口、定時計數(shù)器等特殊功能寄存器的設(shè)置。程序初始化是對系統(tǒng)中所使用到的模塊進(jìn)行初始設(shè)置，其目的就是為了讓硬件模塊符合在控制軟件中的使用要求。同時還需要對單片機(jī)的一些外圍電路進(jìn)行初始化設(shè)置。另外還要對系統(tǒng)的空間進(jìn)行分配，用來存儲各參數(shù)的報警極限值和采集過程中的各參數(shù)。使用Keil C51對單片機(jī)編程可以根據(jù)需要制定程序變量的存儲區(qū)，并通過程序控制存儲區(qū)的使用。把使用的全局變量放在DATA區(qū)。不

36、常用的放在IDATA區(qū)。當(dāng)系統(tǒng)掉電時存入單片機(jī)RAM的數(shù)據(jù)會丟失，所以在本設(shè)計中pH值參數(shù)，參數(shù)的報警值等數(shù)據(jù)都存入外部擴(kuò)展的24C02芯片，它存取速度雖然比DATA區(qū)慢，但由于24C02的數(shù)據(jù)存儲在EEPROM中，當(dāng)系統(tǒng)斷電時，存儲在其中的數(shù)據(jù)不會丟失。(3)在A/D采樣子程序中，數(shù)據(jù)采集模塊主要是對輸入信號進(jìn)行采樣，首先把要采集的模擬信號采集過來，然后單片機(jī)通過計算獲得參數(shù)值后，將其存入相應(yīng)的存儲單元，對該參數(shù)值與其報警上限和下限值進(jìn)行比較，如果該參數(shù)值超過系統(tǒng)所設(shè)置報警范圍，則發(fā)出報警信息。(4)D/A子程序主要完成控制量的輸出，通過D/AC0832將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量,由輸出調(diào)節(jié)電路轉(zhuǎn)

37、換為標(biāo)準(zhǔn)的輸出信號來驅(qū)動執(zhí)行器進(jìn)行工作，本課題是關(guān)于pH值的控制系統(tǒng)，只輸出pH這一路的控制量。輸出更新采用直接更新輸出的方法。由于DAC操作很快，幾個周期內(nèi)便可完成更新操作，DAC不需要中斷也就是說，DAC沒有相應(yīng)的中斷處理。DAC數(shù)據(jù)寄存器為雙重緩沖，它的鎖存器存放DAC控制輸出值。輸出一次后鎖存起來，使輸出結(jié)果保存。(5)顯示子程序主要完成顯示系統(tǒng)當(dāng)前pH值以及設(shè)定值，單片機(jī)自檢和復(fù)位信息的顯示。數(shù)碼管實現(xiàn)采用的是動態(tài)掃描的方法，在主程序中輪流調(diào)用數(shù)碼管顯示子程序。用六個數(shù)碼管把單片機(jī)采集到的的實時pH值和設(shè)定的pH值顯示出來，顯示的pH值精確到0.1。(6)本控制器中鍵盤處理程序只在系

38、統(tǒng)調(diào)試、定期或不定期檢查中才使用。按鍵的識別主要靠軟件來實現(xiàn)，需要編寫相應(yīng)的鍵盤掃面程序。鍵盤處理程序采用編程掃描工作方式對按鍵進(jìn)行處理，在主程序中每循環(huán)一次主程序就判斷一次“是否有按鍵按下”的條件。當(dāng)查詢有鍵按下時，程序按以下方法進(jìn)行處理：在第一次檢測到有鍵按下時，先執(zhí)行一段延時子程序，延時時間為10ms，然后再讀取鍵值，若結(jié)果一致則判斷有鍵按下，否則放棄此鍵值。在確認(rèn)有鍵按下的條件下，通過掃描方式求取鍵值，根椐不同鍵值轉(zhuǎn)向不同功能的鍵處理程序，鍵閉合一次進(jìn)行一次鍵功能操作。假設(shè)已經(jīng)有鍵按下，并引發(fā)了相應(yīng)的按鍵程序： #include <reg52.h>#define uchar

39、 unsigned char#define uint unsigned intsbit dula=P26;sbit wela=P27;uchar code table=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71,;void delay(uint x) uchar i,j; for(i=x;i>0;i-) for(j=110;j>0;j-); void display(uchar num) P0=tablenum ; dula=1; dula=0; void matri

40、xkeyscan() uchar temp,key; P3=0xfe; temp=P3; temp=temp&0xf0; if(temp!=0xf0) delay(10) ;temp=P3;temp=temp&0xf0;if(temp!=0xf0) temp=P3;switch(temp) case 0xee: key=0; break;case 0xde: key=1; break;case 0xbe: key=2;break;case 0x7e: key=3; break; while(temp!=0xf0) temp=P3; temp=temp&0xf0; dis

41、play(key); P3=0xfd; temp=P3; temp=temp&0xf0; if(temp!=0xf0) delay(10) ;temp=P3;temp=temp&0xf0;if(temp!=0xf0) temp=P3; switch(temp) case 0xed: key=4; break;case 0xdd: key=5; break;case 0xbd: key=6; break;case 0x7d: key=7; break; while(temp!=0xf0) temp=P3; temp=temp&0xf0; display(key); P3=

42、0xfb; temp=P3; temp=temp&0xf0;if(temp!=0xf0) delay(10) ;temp=P3;temp=temp&0xf0;if(temp!=0xf0) temp=P3; switch(temp) case 0xeb: key=8; break;case 0xdb: key=9; break;case 0xbb: key=10; break;case 0x7b: key=11; break; while(temp!=0xf0) temp=P3; temp=temp&0xf0; display(key); P3=0xf7; temp=P3

43、; temp=temp&0xf0; if(temp!=0xf0) delay(10) ;temp=P3;temp=temp&0xf0;if(temp!=0xf0) temp=P3; switch(temp) case 0xe7: key=12; break;case 0xd7: key=13; break;case 0xb7: key=14; break;case 0x77: key=15; break; while(temp!=0xf0) temp=P3; temp=temp&0xf0; display(key); void main() P0=0; dula=1; dula=0; P0=0xc0; wela=1; wela=0; while(1) matrixkeyscan();第四章總結(jié)與展望4.1總結(jié)目前國內(nèi)研制和開發(fā)pH值測控制裝置也越來越多。到目前為止，國內(nèi)大量應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場的pH值控制器，硬件實現(xiàn)大多數(shù)還基于可編程邏輯控制器（PLC）貨單片機(jī)，采用單回路控制器，輔助以前饋控制或串級控制，但是卻存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，穩(wěn)定性差，控制精度低等缺點(diǎn)。梁賦，杜道廣等