基于單片機(jī)的智能型電導(dǎo)監(jiān)測儀的設(shè)計(jì)

摘要伴隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，單片機(jī)的應(yīng)用正在不斷地走向深入，同時(shí)帶動智能檢測技術(shù)的高速發(fā)展。在實(shí)時(shí)檢測的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，單片機(jī)往往是作為核心來使用，但僅有單片機(jī)方面知識是不夠的，還應(yīng)根據(jù)具體硬件結(jié)構(gòu)，以及針對具體應(yīng)用對象特點(diǎn)的軟件結(jié)合，以使設(shè)計(jì)、生產(chǎn)更加完美。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，越來越多的領(lǐng)域需要對液體內(nèi)部的粒子含量和成分進(jìn)行精確檢測。本裝置就是采用STC89C51單片機(jī)作為核心，輔以溫度檢測電路、電導(dǎo)率測量電路以及一些必須的單片機(jī)外圍電路來實(shí)現(xiàn)對溶液中電導(dǎo)率的檢測。檢測電導(dǎo)池中粒子的含量并記錄下來為系統(tǒng)的主要功能，其主要模塊除單片機(jī)控制部分外，還有溫度檢測，電導(dǎo)率檢測。以及通過擴(kuò)展8155H芯片完成鍵盤和顯示電路的設(shè)計(jì)。并具有報(bào)警等功能，使用靈活方便。關(guān)鍵詞：STC8155H電導(dǎo)率粒子8155HThetesterofConductivityAbstractWiththerapiddevelopmentofscienceandtechnologytheapplicationofSCMiscontinuouslytowarddeeperanddeeper.Meanwhiledrivesmartdetectionoftechnologydevelopmentinhighspeed.Inreal-timedetectionofmicrocomputerapplicationsystem,theSCMisoftenusedasacore.Butonlymicrocontrolleraspectsknowledgeisnotenough,stillshouldaccordingtothespecifichardwarestructureandtheviewofthespecificapplicationobjectcharacteristicsofsoftwarecombinedtomakeadesign,productionmoreperfect.Alongwiththescienceandtechnologyunceasinginnovation,moreandmorefieldsofliquidinternalparticlesneedaccuratetestingcontentandconstituents.ThisdeviceisusingSTC89C51asthecore,andcomplementarywithtemperaturedetectioncircuit,conductivitymeasurementcircuitandsomeSCMbuffercircuitforsolutiontorealizetheconductivitydetection.Detectionandtorecordoftheparticlecontentofconductancepoolarethesystem'smainfunction.Itsmainmoduleexceptsingle-chipmicrocomputercontrolpartoutside,andtemperaturedetection,conductivitydetection.Andbyextensionchipsof8155Htoachievekeyboardanddisplaycircuitdesign.Andhasthealarmfunctions,useagileandconvenient.Keyword:STC8155HConductivityParticles8155H目錄第一章緒論 11.1課題研究的目的及意義 11.2課題研究背景及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 11.3課題研究的主要內(nèi)容 2第二章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 42.1主要技術(shù)指標(biāo) 42.2系統(tǒng)總體方案論證 42.3電導(dǎo)率測試儀硬件結(jié)構(gòu)圖 62.4系統(tǒng)軟件流程圖 7第三章系統(tǒng)硬件介紹及電路原理 83.1AT89C51單片機(jī)特性及管腳接線介紹 83.1.1AT89C51性能介紹 83.1.2AT89C51主要接線介紹 93.1.3振蕩器特性 103.1.4芯片擦除 113.1.5C51單片機(jī)處理器狀態(tài) 113.1.6C51單片機(jī)的中斷系統(tǒng) 113.1.7AT89C51最小系統(tǒng) 123.2溫度部分的選擇 123.2.1溫度傳感器的選擇 123.2.3模擬開關(guān)電路 133.2.4A/D轉(zhuǎn)換器和ADC0809簡介 143.2.5MCS-51單片機(jī)控制ADC的工作過程 153.2.6溫度檢測電路 163.3電導(dǎo)率測量部分 163.3.1電導(dǎo)率測試儀的工作原理 163.4方波激勵(lì)電路的設(shè)計(jì) 173.5鍵盤和顯示部分 193.5.18155H簡介 193.5.2按鍵部分 203.5.3顯示部分 213.5.4鍵盤和顯示部分電路圖 223.6電源電路 223.7報(bào)警電路設(shè)計(jì) 233.8看門狗電路設(shè)計(jì) 24第四章溫度補(bǔ)償 254.1鉑熱電阻與R/V轉(zhuǎn)換 254.2自動溫度補(bǔ)償電路 264.3其他溫度補(bǔ)償電路應(yīng)用 284.4結(jié)束語 29第五章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 295.1軟件設(shè)計(jì)背景 295.2應(yīng)用程序設(shè)計(jì) 295.3程序流程圖 305.3.1主程序流程圖 305.3.2報(bào)警程序流程圖 315.3.3鍵盤及顯示程序流程圖 32總結(jié) 33致謝 34參考文獻(xiàn) 35第一章緒論1.1課題研究的目的及意義電導(dǎo)率儀是一種應(yīng)用很廣泛的測量儀器。無論是工業(yè)、農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)部門，還是科研部門都有應(yīng)用。隨著微電子工業(yè)清洗處理、飲用純凈水、藥用蒸餾水、生物制品用水、動力鍋爐以及大型發(fā)電機(jī)組冷卻用水的需求量的急劇增加，越來越多的產(chǎn)品、技術(shù)開始對介質(zhì)的導(dǎo)電性能、成分等特性要求給出準(zhǔn)確的分析和評價(jià)，而且在實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確度等方面提出了更高的要求。對于純硬件結(jié)構(gòu)的儀表在不同條件下需要人工多次調(diào)整才能使用的問題，不僅影響了生產(chǎn)效率，而且增加了維護(hù)成本。隨著國內(nèi)外電導(dǎo)率儀的發(fā)展，迫切需要檢定項(xiàng)目完備、高精度的電導(dǎo)率檢定裝置來用于日常檢定工作，而智能電導(dǎo)率測試儀不僅精度高，維護(hù)簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)而且它與傳統(tǒng)的電導(dǎo)儀相比更具有價(jià)格低廉，在一定的測量范圍內(nèi)不需分檔、操作簡單、誤差自動補(bǔ)償、數(shù)字顯示等優(yōu)點(diǎn)。所以，實(shí)用的智能電導(dǎo)率測試儀的研發(fā)與應(yīng)用就應(yīng)允而出。近20年來,由于微電子學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及計(jì)算機(jī)應(yīng)用的日益廣泛,智能化測量控制儀器儀表已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)展，從技術(shù)背景上來說,歸功于硬件集成電路的不斷發(fā)展。智能電導(dǎo)率測試儀是先進(jìn)的電子技術(shù)、傳感器技術(shù)和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)的完美結(jié)合。它可用于高精度測量水溶液的pH、ORP、電導(dǎo)率、TDS、鹽度、電阻率和溫度等參數(shù)，是性價(jià)比最優(yōu)的水質(zhì)分析儀器。更適用于工礦企、農(nóng)牧、石油、化工、冶金、釀造、制藥、質(zhì)檢、科研、電廠及醫(yī)療衛(wèi)生、安全防護(hù)、水處理工程和環(huán)保等行業(yè)和不猛實(shí)驗(yàn)室對溶液的PH、PX1、PX2、mV、S值以及溫度值進(jìn)行分析測定。1.2課題研究背景及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著環(huán)境污染的日趨嚴(yán)重和污水處理技術(shù)的發(fā)展，水質(zhì)監(jiān)測在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的地位也就日趨重要。目前監(jiān)測污水中的COD,NH3，-N和pH值的主要方式有分光光度法、原子色譜法、熒光法、電導(dǎo)率法等。前三種方法通過污水對光譜的吸收和折射估算污水的溶質(zhì)和濃度，因其能達(dá)到一定的測量精度要求，近兩年來發(fā)展迅速，但是他們需手工作業(yè)且檢測時(shí)間長，儀器操作復(fù)雜，監(jiān)測成本高的缺點(diǎn)，所以電導(dǎo)率檢測法仍是目前工業(yè)生產(chǎn)中水質(zhì)監(jiān)測的主要方法。因其具有歷史悠久，工藝完美，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，簡便易行的優(yōu)點(diǎn)，占據(jù)了水質(zhì)檢測的重要地位。然而傳統(tǒng)的電導(dǎo)率檢測儀由于精度低，智能化程度不高，近年來一直沒有新的進(jìn)展。近年來國內(nèi)也涌現(xiàn)出許多智能電導(dǎo)率測試儀的生產(chǎn)廠家，他們研制的智能型電導(dǎo)儀(電導(dǎo)計(jì))，創(chuàng)新的內(nèi)置溫度補(bǔ)償功能，可調(diào)范圍0~5.0%/℃，當(dāng)選擇0%/℃的溫度校正系數(shù)，可以進(jìn)行無溫度補(bǔ)償?shù)碾妼?dǎo)值顯示，并且寬溫度補(bǔ)償范圍為0℃—50℃。測試儀內(nèi)部采用長壽命的碳電極作為微處理器，確保能高精度的提供特殊功能及特性。對比可調(diào)節(jié)的超大LCD顯示適于不同的現(xiàn)階段的智能電阻率測試儀應(yīng)用很廣泛包括水處理，水產(chǎn)養(yǎng)殖，食品加工，沖印，實(shí)驗(yàn)室，造紙業(yè)，品質(zhì)控制等應(yīng)用途徑。但由于技術(shù)不全面、元件使用規(guī)格不協(xié)調(diào)等原因?qū)е聹y量測試的結(jié)果均存在一定誤差，但總體比較精確度還是能夠達(dá)到國際標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)在國際上有三個(gè)系列的標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液可以選擇：歐美系列、NIST系列和中國系列。三個(gè)系列均可設(shè)置純水pH值測量模式和加氨純水pH值測量模式。對這二種特殊的pH值測量模式，不僅有常規(guī)的斜率補(bǔ)償，還有溶液pH值的非線性溫度補(bǔ)償，大大提高了測量的準(zhǔn)確度，特別適合電力、石化等行業(yè)使用。國內(nèi)、外許多著名公司都相繼開發(fā)了相應(yīng)的產(chǎn)品。國外產(chǎn)品的價(jià)格明顯偏高,如美國的1054B電導(dǎo)率分析儀離岸價(jià)為1600美元,不適于量大面積的使用。國內(nèi)產(chǎn)品采用純硬件結(jié)構(gòu),對影響測量結(jié)果的介質(zhì)溫度只能作分段象征性的補(bǔ)償,效果不好、準(zhǔn)確度低、穩(wěn)定性差。隨著智能化、數(shù)字化儀器儀表的發(fā)展，以及我國改革開放政策的深化，近年來我國引進(jìn)了大批的國際上高水平的儀器儀表。這不僅對國內(nèi)測量儀器的設(shè)計(jì)研制、元器件、生產(chǎn)工藝帶來很大的沖擊，更是對我國儀器儀表的設(shè)計(jì)理論和制造方法的巨大震動。儀器儀表是認(rèn)識世界的重要工具，在人類科學(xué)探索與生產(chǎn)活動中，儀器儀表工業(yè)的逐漸發(fā)展已成為了一種新型產(chǎn)業(yè)。同時(shí)儀器儀表工業(yè)的發(fā)展是隨著社會、科學(xué)的進(jìn)步而發(fā)展的，也代表著一個(gè)國家科技發(fā)展的水平。我國的儀器儀表工業(yè)已具有相當(dāng)規(guī)模，是有一定實(shí)力的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，部分產(chǎn)品也已達(dá)到國際先進(jìn)水平。但從總體上看，基礎(chǔ)還是比較落后的，產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性較差，品種與規(guī)格不全，至今有關(guān)穩(wěn)定性和可靠性的標(biāo)準(zhǔn)尚無，而且很多標(biāo)準(zhǔn)從上世紀(jì)70年代制定以來，30年一直未變過，滿足不了國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求，也制約了儀表工業(yè)的健康發(fā)展。1.3課題研究的主要內(nèi)容電導(dǎo)率測試儀是通過測量電導(dǎo)率來確定溶液的粒子含量得，在電解質(zhì)溶液中,帶電的離子在電場的影響下,會產(chǎn)生移動而傳遞電子,因此具有導(dǎo)電作用。其導(dǎo)電能力的強(qiáng)弱稱為電導(dǎo)度，電導(dǎo)度的大小也是電導(dǎo)率測試儀的主要測試內(nèi)容，從而檢測溶液中待測粒子的含量。電導(dǎo)率檢測儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由方波激勵(lì)裝置、電導(dǎo)池、運(yùn)放環(huán)節(jié)、溫度補(bǔ)償環(huán)節(jié)、A/D轉(zhuǎn)換和顯示器等六個(gè)主要部分組成。系統(tǒng)中使用交流電以減少極化現(xiàn)象引起的誤差，并引入了溫度補(bǔ)償環(huán)節(jié)以使測量出的數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)。研制一種電導(dǎo)率儀,采用方波激勵(lì),并合理的選擇取樣點(diǎn)范圍,盡量避免電極的極化現(xiàn)象和電纜線的分布電容（分布電容是指由非電容形態(tài)形成的一種分布參數(shù)。一般是指在印制板或其他形態(tài)的電路形式，在線與線之間、印制板的上下層之間形成的電容。這種電容的容量很小，但可能對電路形成一定的影響。）對電導(dǎo)率測量的影響,同時(shí)使用溫度補(bǔ)償電路來進(jìn)行溫度補(bǔ)償,以減小溫度對測量的影響。提高了整機(jī)的測量精度。硬件主要研究內(nèi)容是以MCS-51單片機(jī)和性能優(yōu)良的大規(guī)模集成電路相結(jié)合的智能電導(dǎo)率測試儀，以滿足加強(qiáng)整機(jī)功能，發(fā)揮一機(jī)多用、降低成本的目的。主要涉及的設(shè)計(jì)包括溫度測量電路，電導(dǎo)率測量電路，單片機(jī)外圍電路，鍵盤顯示電路，報(bào)警電路以及電導(dǎo)率溫度補(bǔ)償方法。系統(tǒng)統(tǒng)的軟件平臺基于C51系列單片機(jī)和相關(guān)的單片機(jī)仿真調(diào)試軟件系統(tǒng)，使用中斷控制多路選擇開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換和驅(qū)動LED顯示，并且計(jì)算溫度補(bǔ)償和電導(dǎo)率值。要功能是（1）能對水質(zhì)情況進(jìn)行檢測，提供的檢測參數(shù)是電導(dǎo)率和溫度值作為故障診斷依據(jù)；（2）記錄電導(dǎo)率運(yùn)行數(shù)據(jù)，判斷其工作狀況并對異常情況及時(shí)報(bào)警，并提供報(bào)警數(shù)據(jù)；（3）在企業(yè)網(wǎng)內(nèi)對水質(zhì)的運(yùn)行實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控也分析。第二章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案2.1主要技術(shù)指標(biāo)我們在智能型電導(dǎo)監(jiān)測儀電計(jì)部分的設(shè)計(jì)中,將電導(dǎo)池看作電導(dǎo)檢測電路中的一個(gè)輸入電阻。電導(dǎo)率檢測儀是通過測量溶液電導(dǎo)率，既溶液中電解質(zhì)導(dǎo)電能力強(qiáng)弱程度來進(jìn)行檢測和監(jiān)控的。具體技術(shù)指標(biāo)要求如下：(1)將溫度傳感器與電導(dǎo)池電極連在一起,介質(zhì)溫度在0—120℃范圍內(nèi),用軟件對被測水溶液的電導(dǎo)率進(jìn)行全自動溫度補(bǔ)償,補(bǔ)償為0℃—120℃。(2)儀器的通道測量范圍為0—20μS/cm，使儀器能用于水處理的過程檢測。(3)儀器系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求在±2*0.001/24h。(4)儀器的測量時(shí)間間隔在100ms，并用0.000-20.000的發(fā)光二極管顯示。(5)要求有控制模塊，并且控制方式為位式ON/OFF帶回差。(6)輸出信號為DC4-20mA。(7)受電極制造精度的限制,我們在設(shè)計(jì)中將兩個(gè)通道的電導(dǎo)率測量精度定為1.0級，既為滿量程1%。(8)通信方式為RS232串行通訊，波特率在300-9600bps間自由設(shè)定。2.2系統(tǒng)總體方案論證本系統(tǒng)以一個(gè)MCS-51單片機(jī)為核心，輔以電導(dǎo)率測量電路、溫度檢測電路以及一些必要的外圍輔助電路來實(shí)現(xiàn)對溶液中電導(dǎo)率的檢測，外圍電路電源均由單片機(jī)統(tǒng)一控制管理。檢測電導(dǎo)池中的粒子含量并記錄下來作為系統(tǒng)的主要功能，其主要模塊除單片機(jī)控制部分外，還有溫度檢測，電導(dǎo)率檢測，鍵盤控制電路，數(shù)碼顯示，報(bào)警電路和電源電路等。(1)本設(shè)計(jì)采用AD590芯片為核心進(jìn)行溫度檢測。AD590的測量范圍為-55℃—+150℃，滿足設(shè)計(jì)要求范圍，并且AD590可測量測量熱力學(xué)溫度、攝氏溫度、兩點(diǎn)溫度差、多點(diǎn)最低溫度、多點(diǎn)平均溫度的具體電路，且其精度高，價(jià)格低，不需輔助電源，線性好，所以用于本儀器設(shè)計(jì)中。(2)方波產(chǎn)生電路是一種能夠直接產(chǎn)生方波或矩形波的非正弦信號發(fā)生電路，因?yàn)榉讲ɑ蚓匦尾ò瑯O其豐富的諧波信號，因此，這種電路又稱作為多諧振蕩器電路。因此本次設(shè)計(jì)我采用的是雙向限幅方波發(fā)生電路。(3)由于儀器要求測量范圍為0-20μS/cm，即電導(dǎo)率的范圍。本設(shè)備采用電阻交流分壓法，由于本測量方式設(shè)計(jì)許多測量指數(shù)，具體內(nèi)容及計(jì)算方法在下面介紹測量電路設(shè)計(jì)章節(jié)中給出，這里只簡單給出測量原理圖。激勵(lì)激勵(lì)信號放大采樣處理數(shù)據(jù)顯示圖2.1電導(dǎo)率測量原理圖圖2.2電導(dǎo)率測量電路圖圖2.3自動溫度補(bǔ)償電路原理圖（1）溫度補(bǔ)償方法采用鉑熱電阻與R/V轉(zhuǎn)換。利用集成運(yùn)算放大器和鉑熱電阻可以構(gòu)成自動溫度補(bǔ)償電路，鉑熱電阻的工作原理是將溫度的變化轉(zhuǎn)化為電阻的變化。（2）模擬開關(guān)電路是由選用CMOS單端8通道多路開關(guān)CD4051和選用帶三態(tài)門控制輸出的8D鎖存器74LS373所構(gòu)成的通道切換電路。（3）本次設(shè)計(jì)方案使用STC89C51單片機(jī)芯片，A/D轉(zhuǎn)換電路使用AD0809芯片，顯示裝置則用八字管顯示電路，鍵盤控制電路采用8155H擴(kuò)展鍵盤，電源是由LM7805構(gòu)成的+5V電壓源。（4）報(bào)警電路使用壓電式蜂鳴報(bào)警裝置，看門狗電路由MAX690為核心芯片構(gòu)成。2.3電導(dǎo)率測試儀硬件結(jié)構(gòu)圖電導(dǎo)率測試儀硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2.1所示。濾波器濾波器電壓跟隨器電導(dǎo)測量電路多路選擇開關(guān)A/D轉(zhuǎn)換器信號放大器方波激勵(lì)電路溫度測量電路MCS-51單片機(jī)鍵盤控制數(shù)碼顯示圖2.1電導(dǎo)率測試儀硬件結(jié)構(gòu)圖2.4系統(tǒng)軟件流程圖系統(tǒng)軟件流程圖如圖2.2所示。YYN時(shí)鐘脈沖觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束？單片機(jī)讀取結(jié)果計(jì)算電導(dǎo)率數(shù)值顯示輸出變量和端口初始化時(shí)鐘信號正半周期？多路選擇開關(guān)選擇電導(dǎo)率通道多路選擇開關(guān)選擇溫度通道開始YY圖2.2系統(tǒng)軟件流程圖第三章系統(tǒng)硬件介紹及電路原理3.1AT89C51單片機(jī)特性及管腳接線介紹針對一定的用途，恰當(dāng)?shù)倪x擇所使用的單片機(jī)是非常重要的。對于明確的應(yīng)用對象，選擇功能過少的單片機(jī)，無法完成控制任務(wù)；選擇功能過強(qiáng)的單片機(jī)，又會造成資源浪費(fèi)，使產(chǎn)品的性能價(jià)格比下降。單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，對整個(gè)系統(tǒng)起到控制、管理的重要作用，并進(jìn)行復(fù)雜的信息處理，產(chǎn)生測試、運(yùn)行、管理信號及控制整個(gè)檢測的過程。單片機(jī)應(yīng)用于各種系統(tǒng)中，而現(xiàn)在市面上的單片機(jī)種類型號又很多很復(fù)雜。所以在本系統(tǒng)中，選擇單片機(jī)時(shí)，參考了以下標(biāo)準(zhǔn)：（1）可用性。指單片機(jī)是否能很容易地開發(fā)和利用，具體包括是否有合適的開發(fā)工具，是否適合于大批量生產(chǎn)、性能價(jià)格比，是否有充足的資源，是否有現(xiàn)成的技術(shù)資源等。（2）單片機(jī)內(nèi)部資源。單片機(jī)的內(nèi)部存儲資源越多，系統(tǒng)外接的部件就越少，這可提高系統(tǒng)的許多有用的技術(shù)指標(biāo)。（3）運(yùn)行速度。單片機(jī)運(yùn)行速度一般和系統(tǒng)匹配即可。（4）存儲空間。單片機(jī)內(nèi)部存儲器的容量，外部可以擴(kuò)展的存儲器空間。（5）特殊功能。一般指可靠性、功耗、掉電保護(hù)、故障監(jiān)視等。3.1.1AT89C51性能介紹從硬件角度來看，與MCS-51指令完全兼容的新一代AT89CXX系列單片機(jī)，比在片外加EPROM才能使用的8031-2代單片機(jī)，其抗干擾性能強(qiáng)，性能相當(dāng)?shù)男　３绦蛐薷闹苯佑?5伏或+12伏電源擦除，更顯方便、而且其工作電壓放寬至2.7伏~6伏，因而受電壓波動的影響更小，而且4K的程序存儲器完全能滿足單片機(jī)系統(tǒng)的軟件要求。故AT89C51單片機(jī)是構(gòu)造本檢測系統(tǒng)的更理想的選擇。本系統(tǒng)選用的AT89C51單片機(jī)，其功能特性如下:（1）4K字節(jié)可編程閃速程序存儲器；1000次循環(huán)寫/擦。（2）全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz。（3）三級程序存儲器鎖定。（4）128*8位內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器，32條可編程I/O線。（5）兩個(gè)十六位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，六個(gè)中斷源。（6）可編程串行通道，低功耗閑置和掉電模式。該器件采用ATMEL的高密度非易失性的存儲器工藝，并且可以與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU與閃速式存儲器組合在單個(gè)芯片中，AT89C51是一種很高效的微控制器，為很多嵌入式系統(tǒng)提供了高靈活性且相對價(jià)廉的設(shè)計(jì)方案。3.1.2AT89C51主要接線介紹89C51管腳圖3.1所示：圖3.189C51管腳圖VCC：供電電壓。GND：接地端。RST：復(fù)位輸入端。當(dāng)振蕩器復(fù)位時(shí)，要保持RST管腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。P0口：P0口為一個(gè)8位漏極開路雙向I/O口，每腳可吸收8個(gè)TTL邏輯門電流。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的低八位。在FLASH編程時(shí)，P0口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0口為輸出原碼，此時(shí)P0口外部必須被拉高。P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收和輸出4個(gè)TTL邏輯門電流。P1口管腳寫入“1”后，被內(nèi)部上拉為高電平，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為低八位地址接收。P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O接口，P2口緩沖器可接收、輸出4個(gè)TTL邏輯門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸出時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時(shí)，P2口則輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其內(nèi)部特殊功能寄存器內(nèi)的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收、輸出4個(gè)TTL邏輯門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部電阻上拉為高電平，并用作輸入口。作為輸入，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流。P3口同時(shí)也可為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號。ALE/：ALE引腳輸出的為抵制鎖存允許信號，當(dāng)單片機(jī)上電正常工作后，ALE引腳不斷輸出正脈沖信號。當(dāng)單片機(jī)訪問外部儲存器時(shí)，ALE舒小虎信號的負(fù)跳沿用于單片機(jī)發(fā)出的低8位地址經(jīng)外部鎖存器鎖存的鎖存控制信號。及時(shí)不訪問外部鎖存器，ALE端口仍有正脈沖信號輸出，次頻率為時(shí)鐘振蕩器頻率的六分之一。如果想初步判斷單片機(jī)芯片的好壞，可用示波器查看ALE端口是否有正脈沖信號輸出。如果有脈沖信號輸出，則單片機(jī)基本上是好使的。：為本引腳的第二功能。在對片內(nèi)EPROM型單片機(jī)編程寫入時(shí)，此引腳作為編程脈沖輸入端。：本端口為外部程序存儲器的選通信號。當(dāng)由外部程序存儲器取值期間，每個(gè)機(jī)器周期有兩次QUOTE有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)，這兩次有效的QUOTE信號將不會出現(xiàn)。/VPP：功能為內(nèi)外程序儲存器選通控制端。當(dāng)保持低電平時(shí)，在此期間只訪問外部程序存儲器（0000H-0FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時(shí)，將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)端保持高電平時(shí)，此期間訪問內(nèi)部程序存儲器。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。該端口應(yīng)接外部晶體的一個(gè)引腳，該引腳內(nèi)部是一個(gè)反相放大器的輸入端，這個(gè)反相放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器，如果采用外接晶體振蕩器時(shí)，此引腳應(yīng)接地。XTAL2：接外部晶體的另一端，在該引腳內(nèi)部接來自內(nèi)部反向振蕩器的輸出。若采用外部時(shí)鐘振蕩器時(shí)，該引腳接收時(shí)鐘振蕩器的信號，即把此信號直接接到內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入。3.1.3振蕩器特性XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器，石英晶體振蕩和陶瓷振蕩均可使用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號要通過一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對外部時(shí)鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。外接石英晶體或陶瓷諧振器及電容C1、C2接在放大器的反饋回路中，則構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。對外接電容C1、C2雖然沒有十分嚴(yán)格的要求，但電容的大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程度及溫度穩(wěn)定性。如果使用石英晶體，推薦電容使用30pF±10pF的，而如果使用陶瓷諧振器建議選擇40pF±10pF大小的。由于外部時(shí)鐘信號是通過一個(gè)2分頻觸發(fā)器后，作為內(nèi)部時(shí)鐘信號的。所以對外部時(shí)鐘信號的占空比并沒有特殊要求，但最小高電平持續(xù)時(shí)間和最大的低電平持續(xù)時(shí)間應(yīng)符合產(chǎn)品技術(shù)條件的要求。3.1.4芯片擦除整個(gè)PEROM陣列和三個(gè)鎖定位的擦除電信號可通過正確的控制信號組合而成，并保持ALE管腳處于低電平10ms來。在芯片擦除操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置下，CPU停止工作。但RAM、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。3.1.5C51單片機(jī)處理器狀態(tài)處理器的狀態(tài)保存在狀態(tài)寄存器PSW中，狀態(tài)字中包括“進(jìn)位”位，用于BCD碼處理的輔助進(jìn)位位，奇偶標(biāo)志位，溢出標(biāo)志位，還有前面提到的用于寄存器組選擇的RS0和RS1，具體內(nèi)容見表一。表一PSW結(jié)構(gòu)功能表CYACF0RS1RS0OVUSRPCY：進(jìn)位標(biāo)志位AC：輔助進(jìn)位標(biāo)志位F0：通用標(biāo)志位RS1：寄存器組選擇位高位RS0：寄存器組選擇位低位OV：溢出標(biāo)志位USR：用戶定義標(biāo)志位P：奇偶標(biāo)志位3.1.6C51單片機(jī)的中斷系統(tǒng)MCS—51單片機(jī)的中斷系統(tǒng)有5個(gè)中斷請求源，2個(gè)優(yōu)先級，可以實(shí)現(xiàn)2級中斷服務(wù)程序嵌套。用戶可以用光中斷指令“CLREA”來屏蔽所有的中斷請求，也可以用開中斷指令“SETEA”來允許CPU接收中斷請求。每個(gè)中斷源可以用軟件獨(dú)立地控制允許中斷和關(guān)中斷，每個(gè)中斷源的中斷級均可以用軟件來控制。中斷優(yōu)先級，有標(biāo)準(zhǔn)的中斷機(jī)制，低優(yōu)先級的中斷只能被高優(yōu)先級的中斷所中斷，而高優(yōu)先級的中斷不能被低中斷級中斷。3.1.7AT89C51最小系統(tǒng)AT89C51的最小系統(tǒng)原理圖如圖3.1-2所示。圖3.2AT89C51的最小系統(tǒng)原理圖3.2溫度部分的選擇3.2.1溫度傳感器的選擇溫度傳感器是本系統(tǒng)的關(guān)鍵器件之一，設(shè)計(jì)要求所測溫度范圍在0℃—120℃，且由于測量的是溶液中介質(zhì)的溫度，所以要求選擇能測量流體溫度、非線性誤差較小的溫度傳感器，且要求該芯片能夠簡便、準(zhǔn)確地傳送數(shù)據(jù)，所以采用新型的集成溫度傳感器AD590作為測溫元件。同時(shí)，它有一致性好，容易互換，所需功率比較小，對電流電壓及紋波漂移不敏感等優(yōu)點(diǎn)。AD590的特性簡介AD590是美國模擬器件公司生產(chǎn)的電流輸出型集成溫度傳感器。實(shí)際中通過對電流的測量即可得到相應(yīng)的溫度數(shù)值。它的主要特性如下：(1)流過器件的電流(μA)等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度度數(shù)：Ir/T=1式中，Ir—流過器件(AD590)的電流，單位為mA；T—熱力學(xué)溫度，單位為K；(2)AD590的測溫范圍為-55℃—+150℃；保存溫度：-65℃—+175℃；焊接溫度：300℃(3)AD590的電源電壓范圍為4V～30V。工作電壓可在4V～6V范圍變化，正向最大電壓+44V，反向最大電壓-20V，因而器件即使反接也不會被損壞。電流變化范圍為1mA，相當(dāng)于溫度變化1K。(4)輸出電阻為710mΩ；(5)精度高，AD590在-55℃~+-150℃范圍內(nèi)，非線性誤差僅為±0.3℃。圖3.3AD590的封裝圖AD590基本工作原理現(xiàn)代的溫度溫度傳感器都將恒流源、放大電路、補(bǔ)償電路集成在一起做成集成溫度傳感器。AD590是溫度—電流型傳感器，適于長線傳輸、遠(yuǎn)距離測溫，并且它不像電壓傳輸那樣會因傳輸線內(nèi)阻的存在而引起電壓衰減。安裝時(shí)，將其封裝在護(hù)套內(nèi)并直接插入電導(dǎo)池中，采用帶屏蔽的雙絞線將電流引出與AD590集成溫度傳感器接口電路相連即可。AD590的基本應(yīng)用AD590可以測量熱力學(xué)溫度、攝氏溫度、兩點(diǎn)溫度差、多點(diǎn)最低溫度、多點(diǎn)平均溫度的器件，廣泛應(yīng)用于不同的溫度控制場合。由于AD590精度高、價(jià)格低、不需輔助電源、線性好，常用于測溫和熱電偶的冷端補(bǔ)償。3.2.3模擬開關(guān)電路本次設(shè)計(jì)選用CMOS單端8通道多路開關(guān)CD4051，它帶有三個(gè)通道選擇輸入端口A、B、C和一個(gè)禁止輸入端INH。當(dāng)INH=“1”時(shí)，所有通道均斷開，禁止模擬量輸入；當(dāng)INH=“0”時(shí)，A、B、C用來選擇8個(gè)通道中的一個(gè)，使之被選通。由于A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間比較長，在轉(zhuǎn)換期間應(yīng)保持CD4051的A、B、C信號保持不變，否則將得到錯(cuò)誤的結(jié)果。因此可利用鎖存器鎖存將A、B、C信號鎖存。本設(shè)計(jì)選用帶三態(tài)門控制輸出的8D鎖存器74LS373作為CD4051的地址鎖存。74LS373的數(shù)據(jù)輸入端為D7—D0，數(shù)據(jù)輸出端為Q7—Q0。并設(shè)有一個(gè)選通端LE，當(dāng)LE=“1”時(shí)，數(shù)據(jù)輸出端與輸入端直通相連；而當(dāng)LE=“0”時(shí)，數(shù)據(jù)輸出端與輸入端斷開，即在選通端LE的下降沿將數(shù)據(jù)鎖存。本設(shè)計(jì)將選通端LE與單片機(jī)的口線P1.5相連，控制74LS373的數(shù)據(jù)輸出，最終達(dá)到控制模擬量輸入通道的目的。模擬開關(guān)電路如圖所示，傳感器輸出的模擬量電壓將接到模擬開關(guān)的輸入端I/00—I/07，哪一路送到A/D轉(zhuǎn)換器由74LS373的輸出Q0—Q2決定，而Q0—Q2的值則由單片機(jī)的P0.7控制，在P0.7的下降沿將數(shù)據(jù)鎖存到Q0—Q2。圖3.4輸入通道切換電路3.2.4A/D轉(zhuǎn)換器和ADC0809簡介A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器概述：A/D轉(zhuǎn)換器的作用是把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，以便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，A/D轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)思想和制造技術(shù)日新月異。為滿足各種不同的檢測及控制任務(wù)的需要，大量結(jié)構(gòu)不同、性能各異的A/D轉(zhuǎn)換芯片應(yīng)運(yùn)而生。A/D轉(zhuǎn)換器的分類：根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器的原理可將A/D轉(zhuǎn)換器分為兩大類：第一類是直線型A/D轉(zhuǎn)換器，另一類是間接型A/D轉(zhuǎn)換器。在直接型A/D轉(zhuǎn)換器中，輸入的模擬電壓被直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼，不經(jīng)任何其他中間變量；在間接型A/D轉(zhuǎn)換器中，首先把輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成某種中間變量（如時(shí)間、頻率、脈沖寬度等），然后再把這個(gè)中間變量轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼輸出。A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)：（1）轉(zhuǎn)換時(shí)間和轉(zhuǎn)換率。轉(zhuǎn)換時(shí)間就是A/D完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間的倒數(shù)為轉(zhuǎn)換速率。并行式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間最短約為20ns—50ns，速率大約為5×107—2×107次/S；雙極性逐次比較式的轉(zhuǎn)換時(shí)間約為0.4μs，速率為2.5×106次/S。（2）分辨率。A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率習(xí)慣上用輸出二進(jìn)制位數(shù)或BCD碼的位數(shù)表示。而由于量化過程引起的誤差為量化誤差，量化誤差是由于優(yōu)先位數(shù)字量化對模擬量進(jìn)行量化而引起的誤差。量化誤差理論上規(guī)定為1個(gè)單位分辨率的±QUOTELSB，提高分辨率可以有效地減少量化誤差。（3）轉(zhuǎn)換精度。A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度是定義為一個(gè)實(shí)際的A/D轉(zhuǎn)換器與一個(gè)理想的A/D轉(zhuǎn)換器在量化數(shù)值上的差值。通常情況下可以用絕對誤差或相對誤差來表示。ADC0809簡介ADC0809是一種主次比較式8位模擬輸入、8位數(shù)字量輸出的A/D轉(zhuǎn)換器。其主要引腳功能如下：（1）IN0-IN7是8位模擬信號輸入端。（2）D0-D7是8位數(shù)字量輸出端。（3）A、B、C與ALE共同控制8路模擬通道的切換，A、B、C分別于3根地址線或數(shù)據(jù)線相連接，3位編碼對應(yīng)8個(gè)通道地址端口。CBA=000-111分別對應(yīng)IN0-IN7通道地址。ADC0809雖然有8路模擬通道可以同時(shí)輸入8路模擬信號，但每個(gè)瞬間只能轉(zhuǎn)換1路，各路之間的切換由軟件控制改變C、B、A引腳上的代碼來實(shí)現(xiàn)。（4）OE、START、CLK為控制信號端，其中OE為輸出允許端，START為啟動信號輸入端，CLK為時(shí)鐘信號輸入端。A/D轉(zhuǎn)換原理：ADC0809是采用逐次比較的方法完成A/D轉(zhuǎn)換的，由單一的+5V電源供電。片內(nèi)有鎖存功能的8選1的模擬開關(guān)，由C、B、A引腳的編碼來決定所選的通道。ADC0809完成一次轉(zhuǎn)換需要的時(shí)間在100us左右，輸出具有TTL三態(tài)鎖存緩沖器，可直接連接到MCS-51的數(shù)據(jù)總線上。通過適當(dāng)?shù)耐饨与娐罚?809可對0-5V的模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換。3.2.5MCS-51單片機(jī)控制ADC的工作過程首先利用指令選擇0809的一個(gè)模擬輸入通道，當(dāng)執(zhí)行MOVX@DPTR,A指令時(shí)，單片機(jī)的信號有效，從而產(chǎn)生一個(gè)啟動信號并給0809的START引腳送入脈沖信號，開始對選中通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換。當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，0809發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束的EOC（高電平）信號，該信號可供單片機(jī)查詢，也可反相作為向單片機(jī)發(fā)出的中斷請求信號；當(dāng)執(zhí)行MOVXA,@DPTR指令時(shí)，單片機(jī)發(fā)出讀控制信號,OE端有高電平，且把經(jīng)過0809轉(zhuǎn)換完畢的數(shù)字量讀入到A累加器中。由上述可見，單片機(jī)控制ADC時(shí)，可采用查詢和中斷控制這兩種方式。查詢方式是在單片機(jī)把啟動信號送到ADC之后，在執(zhí)行別的程序時(shí)，同時(shí)對0809的EOC引腳狀態(tài)進(jìn)行查詢，以檢查ADC變換是否已結(jié)束，如查詢到變換已經(jīng)結(jié)束，則讀入轉(zhuǎn)換完畢的數(shù)據(jù)。中斷查詢方式是在將啟動信號送到ADC之后，單片機(jī)執(zhí)行別的程序的方式。ADC0809轉(zhuǎn)換結(jié)束并向單片機(jī)發(fā)送中斷請求信號時(shí)，單片機(jī)響應(yīng)此中斷請求，并進(jìn)入中斷服務(wù)程序，讀入轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。中斷控制方式的效率高，所以特別適合于變換時(shí)間較長的ADC。3.2.6溫度檢測電路本實(shí)驗(yàn)是通過利用溫度傳感器AD590采集溫度信息后,OP07作為溫度檢測裝置，將采集的溫度信號進(jìn)過I/V變換，輸出毫安級電壓，再經(jīng)過一個(gè)電壓跟隨器、一個(gè)10倍的運(yùn)算放大器，和一個(gè)-1倍的運(yùn)算放大器后，再輸入ADC0809中進(jìn)行處理，利用AD0809作為模擬量信號轉(zhuǎn)換裝置，然后將轉(zhuǎn)換后的信息逐一送達(dá)至AT89C51單片機(jī)中。溫度檢測電路如圖3.5所示。圖3.5溫度檢測系統(tǒng)原理圖3.3電導(dǎo)率測量部分3.3.1電導(dǎo)率測試儀的工作原理電導(dǎo)率檢測法主要是通過測量溶液的電導(dǎo)率值來確定溶液的含鹽量或其他粒子含量等數(shù)值。電解質(zhì)溶液導(dǎo)電能力的強(qiáng)弱稱為電導(dǎo)（S），電極常數(shù)為（Q），與電導(dǎo)率（K）有如下關(guān)系：S=1/R=I/U=A/QUOTE=K/Q式中R為溶液的等效電阻；A為等效電極面積（cm2）；L為等效電極間距（cm）；Q為電極常數(shù)，大小等于L/A；1/QUOTE為電導(dǎo)率，以K表示，習(xí)慣上以25℃為標(biāo)準(zhǔn)溫度，將其他溫度下的測量結(jié)果換算為25℃是的電導(dǎo)率。圖3.6電導(dǎo)率測量部分電路圖D1,D2是兩個(gè)反向并聯(lián)的二極管，其作用是將信號值限定在+0.7V—-0.7V之間。U4是電壓跟隨器，G1為電導(dǎo)池，采用無極式傳感器，主線圈通入電流，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，在副線圈中得到與溶液電導(dǎo)率成正比的感應(yīng)電動勢。在測量時(shí)，線圈附近會產(chǎn)生的電動勢，會使電導(dǎo)池中的帶點(diǎn)粒子產(chǎn)生運(yùn)動，所以可以將電導(dǎo)池看成具有一定阻值的等效電阻，再利用一定就算方法就可以算出粒子的含量，即為設(shè)計(jì)所要測得的含鹽量。3.4方波激勵(lì)電路的設(shè)計(jì)方波產(chǎn)生電路是一種能夠直接產(chǎn)生方波或矩形波的非正弦信號發(fā)生電路，因?yàn)榉讲ɑ蚓匦尾ò瑯O其豐富的諧波信號，因此，這種電路又稱作為多諧振蕩器電路。它是在遲滯比較器的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)由Rf、C組成的積分電路，把輸入端引入限流電阻R和兩個(gè)背靠背的雙向穩(wěn)壓管就組成了一個(gè)雙向限幅方波發(fā)生電路。圖3.7雙向限幅的方波產(chǎn)生電路由圖可知，電路的正反饋系數(shù)F為在接通電源的瞬間，輸出電壓究竟偏向于正向飽和還是負(fù)向飽和，都不是特定出現(xiàn)的。設(shè)輸出電壓偏向于正向飽和值，即QUOTE時(shí)，加到電壓比較器同相端的電壓為+FQUOTE，而加于反相端的電壓，由于電容器C上的電壓QUOTE不能發(fā)生突變，只能由輸出電壓QUOTE通過電阻QUOTE按指數(shù)規(guī)律向電容C充電來建立。圖3.8電容器C充電情況T1tT/2TT2如圖所示，充電電流為QUOTE。顯然，當(dāng)加到反相端的電壓QUOTE略正于+FQUOTE時(shí)，輸出電壓便立即從正飽和值QUOTE迅速翻轉(zhuǎn)到負(fù)飽和值QUOTE，QUOTE又通過QUOTE對C進(jìn)行反向充電，直到QUOTE略負(fù)于QUOTE值時(shí)，輸出狀態(tài)再翻轉(zhuǎn)過來，如此循環(huán)不已，形成一系列的方波輸出。T1tT/2TT2圖3.9方波產(chǎn)生電路工作原理圖圖3.9畫出了在一個(gè)方波的典型周期里，輸出端及電容器C上的電壓波形。設(shè)t=0時(shí)，QUOTE=QUOTE，則在T/2的時(shí)間里，電容C上的電壓QUOTE將以指數(shù)規(guī)律由QUOTE向QUOTE方向變化，電容器端電壓隨時(shí)間變化規(guī)律為QUOTE(3.1)設(shè)T為方波的周期，當(dāng)t=T/2時(shí)，QUOTE=QUOTE，代入上式，可得對T求解，可得如適當(dāng)選取R14和R15的值，可是F=0.462，則振蕩周期可簡化為T=QUOTE，或振蕩頻率為QUOTE(3.4)在低頻范圍（如10Hz—10kHz）內(nèi)，對于固定頻率來說用運(yùn)放來組成圖3.8運(yùn)放就行。當(dāng)振蕩頻率較高時(shí)，為了獲得前后沿較陡的方波，以選擇轉(zhuǎn)換速率較高的集成電壓比較器代替運(yùn)放為宜。3.5鍵盤和顯示部分3.5.18155H簡介圖3.108155H的引腳結(jié)構(gòu)框圖8155H芯片內(nèi)包含有256B的RAM儲存器（靜態(tài)），RAM的存取時(shí)間為400ns。兩個(gè)可編程的8位并行口PA、PB，一個(gè)可編程的6位并行口PC，以及一個(gè)14位減法定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。PA、PB口可工作于基本輸入/輸出方式或選通輸入/輸出方式。8155H可以直接與單片機(jī)相連，不需要增加任何硬件邏輯，且8155H既有IO口又具有RAM和定時(shí)/計(jì)數(shù)器。功能引腳如下：（1）AD7-AD0為地址/數(shù)據(jù)線，與MCS-51的P0口相連。（2）PA7-PA0、PB7-PB0是通用I/O口線，用于傳送A、B口上的外QUOTE數(shù)據(jù)。PC5-PC0為數(shù)據(jù)/控制線，用作傳輸I/O數(shù)據(jù)。（3）控制總線,RESET、、IO/、、、ALE、TIMERIN和。（4）電源線：Vcc為5V電源輸入線，Vss接地。3.5.2按鍵部分用的是4*4矩陣，只設(shè)有16個(gè)鍵，分別為0～9數(shù)字鍵、確認(rèn)、返回、REST和停止報(bào)警鍵。鍵盤排列如圖3.11所示。圖3.114*4鍵盤排列鍵盤的工作原理：矩陣4*4鍵盤結(jié)構(gòu)的行線通過電阻接+5V，當(dāng)鍵盤上沒有鍵閉合時(shí)，所有的行線和列線斷開，行線X0～X3呈現(xiàn)高電平。當(dāng)鍵盤上某一個(gè)鍵閉合的時(shí)候，該鍵盤對應(yīng)的行線與列線導(dǎo)通。例如，6號鍵閉合時(shí)，行線X1和列線Y2短路，此時(shí)X1的電平由Y2的電平?jīng)Q定，如果把行線接到微機(jī)的輸入口，列線接到微機(jī)的輸出口，則在微機(jī)的控制下，使列線Y0為低電平（0），其余三根列線Y1、Y2、Y3都為高電平。然后微機(jī)通過輸出口讀行線的狀態(tài)，如果X0，X1、X2、X3都為高電平，則Y0這一列上沒有鍵閉合，如果讀出的列線狀態(tài)不全為高電平，則為低電平的行線和Y0相交的鍵處于閉合狀態(tài)；如果Y0這一列上沒有鍵閉合，接著使列線Y1為低電平，其余列線為高電平。用同樣的方法檢查Y1這一列上由無鍵閉合，以此類推，最后使列線Y3位低電平，其余列線為高電平，檢查Y3這一列上是否有鍵閉合。這種逐行逐列地檢查鍵盤狀態(tài)的過程稱為對鍵盤的一次掃描。CPU對鍵盤掃描可以采取程序控制的隨機(jī)方式，CPU在空閑時(shí)掃描鍵盤，也可以采用定時(shí)控制的方式，每隔一段時(shí)間，CPU隊(duì)鍵盤掃描一次，CPU可隨時(shí)響應(yīng)鍵輸入請求。也可以采用中斷方式，當(dāng)鍵盤上有鍵閉合時(shí)，向CUP請求中斷，CPU相應(yīng)鍵盤輸入終端請求，對鍵盤掃描，以識別那一個(gè)鍵處于閉合狀態(tài)，并對鍵輸入信息做出相應(yīng)處理。CPU對鍵盤上閉合鍵鍵號的確定，可根據(jù)行線和列線的狀態(tài)計(jì)算求得，也可以根據(jù)行線和列線狀態(tài)查表求得。3.5.3顯示部分單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，通常都需要進(jìn)行人機(jī)對話。這包括人對應(yīng)用系統(tǒng)的狀態(tài)干預(yù)與數(shù)據(jù)輸入，以及向人們顯示運(yùn)行狀態(tài)與運(yùn)行結(jié)果等。顯示器、鍵盤就是用來完成人機(jī)對話活動的機(jī)通道。由于單片機(jī)的并行口不能直接驅(qū)動LED顯示器，必須采用專用的驅(qū)動電路芯片。使之產(chǎn)生足夠大的電流，顯示器才能正常工作。如果驅(qū)動電路能力差，即負(fù)載能力不夠，顯示器亮度就低，而且驅(qū)動電路長期在超負(fù)荷下運(yùn)行容易損壞。LED顯示器的顯示控制方式有靜態(tài)和動態(tài)兩，若選擇靜態(tài)顯示，則LED驅(qū)動器選擇較為簡單，只要驅(qū)動器的驅(qū)動能力與顯示器電流匹配即可，而且一般只需考慮段的驅(qū)動；動態(tài)顯示則不同，由于一位數(shù)據(jù)的顯示是由段和位選信號共同配合完成的，因此，要同時(shí)考慮段和位的驅(qū)動能力，而且段的驅(qū)動能力決定位的驅(qū)動能力。圖3.11LED數(shù)碼管1)LED顯示器的選擇在應(yīng)用系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)要求不同，使用的LED顯示器的位數(shù)也不相同，因此生產(chǎn)廠家生產(chǎn)了多種位數(shù)、尺寸、型號不同的LED顯示器?？紤]到最高滴速和從站號位數(shù)，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選擇了單位的LED顯示器。3.5.4鍵盤和顯示部分電路圖鍵盤及顯示部分電路圖如圖3.12所示。圖3.12鍵盤及顯示部分電路圖3.6電源電路±12V直流電壓源如圖3.13所示。+5V直流電壓源如圖3.14所示。圖3.13±12V直流電壓源圖3.14+5V直流電壓源電源電壓器是將交流電網(wǎng)220V的電壓變?yōu)殡娐匪枰碾妷褐?。交流電?jīng)過二極管整流之后，方向單一了，但是大?。娏鲝?qiáng)度）還是處在不斷地變化之中。這種脈動電流一般是不能直接用來給集成電路供電的，而要通過整流電路將交流電變成脈動的直流電壓。由于此脈動的直流電壓還有較大的紋波，必須通過濾波電路加以濾除，從而得到平滑的直流電壓。濾波的任務(wù)，就是把整流器輸出電壓中的波動成分盡可能地減少，改造成接近穩(wěn)恒的直流電。但這樣的電壓還隨電網(wǎng)電壓波動，負(fù)載和溫度的變化而變化，因而在整流、濾波電路之后，還需要接穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)電網(wǎng)電壓波動，負(fù)載和溫度變化時(shí)，維持輸出直流電壓穩(wěn)定。系統(tǒng)所用直流電壓源有三端集成穩(wěn)壓器組成的串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源提供。設(shè)計(jì)中選用LM7805、LM7812、LM7912三端集成穩(wěn)壓器。變壓器將220V市電降壓后再通過整流橋之后采用了大容量的電解電容進(jìn)行濾波，以減小輸出電壓紋波。由于電解電容器在高頻下工作存在電感特性，對于來自電源側(cè)的高頻干擾不能抑制，因此在整流電路后加入高頻電容改善紋波。電源電路如圖所示。3.7報(bào)警電路設(shè)計(jì)壓電式蜂鳴報(bào)警器與單片機(jī)的接口圖如圖3.15所示。圖3.15壓電式蜂鳴報(bào)警器與單片機(jī)的接口圖壓電式蜂鳴報(bào)警器主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成。有的壓電式蜂鳴器外殼上還裝有發(fā)光二極管。多諧振蕩器由晶體管或集成電路構(gòu)成。當(dāng)接通電源后多路諧振器起振，輸出1.5—2.5KHz的音頻信號，阻抗匹配器推動壓電蜂鳴片發(fā)聲。壓電蜂鳴片由鋯鈦酸鉛或鈮鎂酸鉛壓電陶瓷材料制成。在陶瓷片的兩面鍍上銀電極，經(jīng)極化和老化處理后，再與黃銅片或不銹鋼粘在一起。3.8看門狗電路設(shè)計(jì)圖3.16MCS—51與看門狗電路NCS—51與看門狗電路設(shè)計(jì)如圖3.16所示。合理設(shè)計(jì)R8、R9的值，使得+5V電壓跌落到4.5V，PEI端得輸入電壓低于1.25V時(shí)，輸輸出低電平，作為CPU的中斷輸入信號通知單片機(jī)，使之進(jìn)行一些必要的處理。選取R8=1K,R9=3.6K。當(dāng)+5V電壓跌落到4.5V，VR=1.25V,在繼續(xù)跌落，引腳便為低電平。單片機(jī)正常工作時(shí)，P0.6口定時(shí)改變WDI輸入端得電平，使看門狗電路不發(fā)出復(fù)位信號。當(dāng)由于某種嚴(yán)重干擾而出現(xiàn)死循環(huán)時(shí)，單片機(jī)將不能定期改變WDI端電平，看門狗便會在1.6s后產(chǎn)生1個(gè)復(fù)位信號，是單片機(jī)復(fù)位。待經(jīng)過200ms復(fù)位脈沖后，單片機(jī)復(fù)位結(jié)束，程序從0000H開始重新執(zhí)行，擺脫死循環(huán)，保證了系統(tǒng)的正常的運(yùn)轉(zhuǎn)。第四章溫度補(bǔ)償溫度對溶液電導(dǎo)率有很大的影響,溶液溫度升高,離子水化作用就會減弱，溶液粘度降低,離子運(yùn)動阻力減小、離子的定向運(yùn)動加快，因而使溶液的電導(dǎo)率增大;反之,溶液溫度下降,電導(dǎo)率則會減小。工業(yè)上以溶液溫度25℃時(shí)的電導(dǎo)率為該溶液的電導(dǎo)率,所以其他溫度下所測的值必須轉(zhuǎn)換到25℃時(shí)的值,不同物質(zhì)、不同溫度都有不同的對應(yīng)電導(dǎo)率值。在工業(yè)生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)中,在線使用的分析儀器通常需要解決溫度補(bǔ)償問題,他們多是采用人工調(diào)節(jié)控制,但人工調(diào)節(jié)即不準(zhǔn)確,又不方便,因此,為確保儀器的測量精度,應(yīng)采用自動溫度補(bǔ)償控制方法。4.1鉑熱電阻與R/V轉(zhuǎn)換鉑熱電阻由于具有較好的穩(wěn)定性,因而在線分析儀器一般采用它來獲得自動溫度補(bǔ)償。鉑熱電阻的工作原理是將溫度的變化轉(zhuǎn)化為電阻的變化。圖1表示出Pt100鉑熱電阻在0～100°C范圍內(nèi)電阻值與溫度的關(guān)系。圖4.1Pt100阻值與溫度的關(guān)系正如我們所了解的那樣，R/V轉(zhuǎn)換電路的任務(wù)是將電阻的變化(△Rt)轉(zhuǎn)換成電壓的變化(△Ut),而且這種轉(zhuǎn)換應(yīng)該是線性的,即△Ut=k△Rt，式中k—轉(zhuǎn)換系數(shù),是常數(shù)。這個(gè)功能是很容易實(shí)現(xiàn)的,只要在鉑熱電阻上流過恒定的電流I即可完成,即△Ut=I△Rt，式中可見,只要流過鉑熱電阻的電流I為常數(shù),電壓的變化量△Ut就與鉑熱電阻阻值的變化量△Rt成線性關(guān)系。因此,R/V轉(zhuǎn)換電路應(yīng)該是恒流電路。4.2自動溫度補(bǔ)償電路利用集成運(yùn)算放大器和鉑熱電阻可以構(gòu)成自動溫度補(bǔ)償電路,其原理圖為圖4.3。圖中U3為集成運(yùn)算放大器，R12為Pt100鉑熱電阻,其阻值隨溫度的變化而變化,Vi為某在線分析儀器的檢測信號,這一信號也隨溫度的變化而變化。圖4.2表示，當(dāng)在0℃—100°C范圍內(nèi)R12及Vi隨溫度變化的情況。圖4.2運(yùn)算放大器與鉑熱電阻構(gòu)成的Vi隨溫度變化的情況VVVV1Vi圖4.3自動溫度補(bǔ)償電路由圖4.2可見,在0°C時(shí),R12為100Ω,Vi為0—379mV,而在100°C時(shí),R12為138.5Ω,Vi為0—518mV。假設(shè)在常溫(T=25℃,R912=109.73Ω)下,輸入信號Vi為最大值Vimax=414mV固定不變,此時(shí)圖電路可看作是恒流源電路。在圖4.2當(dāng)中,當(dāng)T=25°C時(shí)同相輸入端輸入電壓和反相輸入端電壓的電位相等。如圖4.3中R3及R6的數(shù)據(jù),同相輸入端輸入電壓V2為QUOTE(4.1)故V3=78.1mV。由圖2可知,V2是由Rf和Rt構(gòu)成的分壓器給定的,在T=25℃時(shí)上式可得輸出電壓QUOTEQUOTE（4.2）式中QUOTE,代入上式中得QUOTE（4.3）將QUOTE，代入上式中，并假設(shè)QUOTE調(diào)定為QUOTE得QUOTE圖2中電位器R12用來調(diào)節(jié)放大器的電壓放大倍數(shù),它與R11及其鉑熱電阻R12構(gòu)成電壓負(fù)反饋電路,調(diào)節(jié)R9時(shí),雖然R9阻值發(fā)生變化,但通過它的電流總是恒定不變的。這是因?yàn)殡S著R9的增大或減小。在輸入電壓不變的情況下,輸入電壓隨之增大或減小,因而保持流過R9的電流不變。這恒流值由下式?jīng)Q定,當(dāng)T=25°C時(shí),I=V/R,將QUOTE代入得I=0.7mA。同理,在0℃(R12=100Ω)時(shí),和在100℃(R12=138.5Ω)時(shí),設(shè)輸入信號Vi分別為最大值Vimax(0℃)=379mV和Vimax(100℃)=518mV,并假設(shè)R9在常溫時(shí)調(diào)定為1.5kΩ后沒有再調(diào)整,可得QUOTE（4.4）QUOTE（4.5）QUOTE（4.6）由上面計(jì)算結(jié)果可知，雖然QUOTE從0℃時(shí)的379mV變化到100℃時(shí)的518mV，QUOTE也從0℃的100Ω變化到100℃時(shí)的138.5Ω，但但輸出電壓V1總是恒定不變的，流過R12的電流也保持不變。按照上面的計(jì)算方法,同樣可求出輸入信號Vi不為最大值時(shí),對應(yīng)的輸出電壓V1在0-100℃范圍內(nèi)總是恒定不變的。這就實(shí)現(xiàn)了自動溫度補(bǔ)償?shù)哪康摹?yīng)該指出,上面計(jì)算過程中假設(shè)R9調(diào)定為1.5kΩ,計(jì)算出的結(jié)果雖然對應(yīng)于隨溫度而變的輸入信號的輸出電壓恒定不變,但實(shí)際應(yīng)用時(shí),還應(yīng)適當(dāng)調(diào)節(jié)R9的阻值,以實(shí)現(xiàn)對應(yīng)于隨溫度而變的輸入信號的輸出電壓在0-100℃范圍內(nèi)實(shí)際輸出為恒定值。4.3其他溫度補(bǔ)償電路應(yīng)用圖4.4自動溫度補(bǔ)償實(shí)用電路該電路可分為阻抗變換和溫度補(bǔ)償兩級,這兩級均選用具有FET輸入級的集成運(yùn)算放大器來完成各自的任務(wù)。阻抗變換器A1是一個(gè)電壓跟隨器,它的作用是把來自傳感器送來的與溫度成比例變化的,高阻抗毫伏級電壓信號Vi轉(zhuǎn)換為低阻抗毫伏級電壓信號。為防止外來最大暫態(tài)輸入信號把集成運(yùn)算放大器輸入保護(hù)電路損壞,一般在反相輸入端與輸出的端之間接一只3.9kΩ的限流電阻。溫度補(bǔ)償器A2是一個(gè)同相電壓放大器,電路元件可根據(jù)同相電壓放大器基本原則進(jìn)行選取。這一級的作用是將阻抗變換級送來的電壓信號進(jìn)行放大,同時(shí)吸取來自鉑熱電阻Rt送來的與溫度成比例變化的電阻信號,這個(gè)電阻信號去改變放大器的靈敏度,使放大器的輸入電壓V0與溫度無關(guān)。如前所述在進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)臅r(shí)候,放大器A2可以看作是一個(gè)恒流源電路。4.4結(jié)束語當(dāng)選用電極常數(shù)為0·1cm-1的電極,濃度為0·0005mol·QUOTE的氯化鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液,入口溫度選15℃、20℃和25℃,水樣流量30L/h,測量結(jié)果見表二：表二測量結(jié)果入口溫度（℃）出口溫度（℃）理論值（QUOTE）測量值（QUOTE）偏差（QUOTE）1523.973.973.850.052024.773.973.830.072525.573.973.870.03從試驗(yàn)情況來看,采用該方法溫度穩(wěn)定性較好、測量精度高,結(jié)果令人滿意。第五章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)5.1軟件設(shè)計(jì)背景在進(jìn)行本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，除了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)外，大量的工作就是如何利用每個(gè)系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)需要的實(shí)際應(yīng)用程序，因此，軟件的設(shè)計(jì)在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中占有相當(dāng)重要的地位。本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)就是電導(dǎo)率檢測和溫度檢測等部分，在軟件部分要實(shí)現(xiàn)的主要是數(shù)據(jù)采集、A/D轉(zhuǎn)換、鍵盤、顯示和報(bào)警等模塊功能。在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，通常把整個(gè)程序分成若干個(gè)小部分，每個(gè)部分叫做一個(gè)模塊，然后，依據(jù)測控時(shí)序和模塊間的關(guān)系，給出各個(gè)部分的應(yīng)用軟件功能流程圖，接著對每一功能模塊再進(jìn)行具體劃分，了解各個(gè)能用子程序?qū)崿F(xiàn)的對應(yīng)的供模塊。最后，給出每個(gè)子程序的具體的程序設(shè)計(jì)。所謂“模塊”，