單片機(jī)控制的污水排放PH值檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、1 引言1.1 污水處理的研究背景及意義隨著時(shí)代的進(jìn)步，工業(yè)化程度的不斷提高，人們的生活已經(jīng)離不開工業(yè)。在人民生活水平不斷提高的同時(shí)，人類賴以生存的水資源卻在經(jīng)濟(jì)開展的過程中遭受嚴(yán)重破壞。在全社會越來越重視自然環(huán)境和人類和諧開展，工業(yè)及居民生活污水處理建設(shè)工程和開展受到全世界的普遍關(guān)注。隨著污水處理工藝水平迅猛開展，對污水處理的自動化要求越來越高。為使污水處理系統(tǒng)處于良好的運(yùn)行工況，獲得更好的出水水質(zhì)，必須及時(shí)取得污水處理系統(tǒng)的重要過程參數(shù)及水質(zhì)參數(shù)。其中，PH值是表征水質(zhì)的重要參數(shù)之一。在石油、化工、造紙等工業(yè)生產(chǎn)中，給水處理和廢水處理控制過程中，都必須把PH值控制在一定的范圍內(nèi)。否那么，將

2、會影響企業(yè)生產(chǎn)，造成原料浪費(fèi)，產(chǎn)品質(zhì)量下降，甚至污染環(huán)境。與此同時(shí)，強(qiáng)酸強(qiáng)堿很有可能腐蝕生產(chǎn)設(shè)備，使用壽命降低，甚至可能給生產(chǎn)造成危險(xiǎn)。因此，不僅是在工業(yè)生產(chǎn)中，而且在環(huán)境保護(hù)下，對污水PH值的有效控制是非常有意義的。本文針對以上對污水處理的狀況，通過查閱相關(guān)污水PH值控制的資料，對污水處理中的PH值控制問題進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)。1.2 污水處理PH值控制的目的在工業(yè)生產(chǎn)污水處理中，污水過酸或過堿都容易引發(fā)各種問題。所以，必須先對污水的PH值進(jìn)行檢測，然后對其進(jìn)行中和處理，到達(dá)要求后才可以排放。然而，PH值控制是一個(gè)復(fù)雜的非線性控制問題。由于酸堿中和反響過程存在混合、測量等因素，需要一定的時(shí)間，時(shí)滯

3、較大。PH值滴定曲線是非線性曲線，在中和反響過程中，不同的工作點(diǎn)增益相差很大。因此，處理好PH值中和非線性是PH值控制的重點(diǎn)。本文根據(jù)PH值中和非線性這一特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了PID算法的智能區(qū)間控制數(shù)學(xué)模型，并基于AT89S51單片機(jī)設(shè)計(jì)了PH值控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)驗(yàn)證了本算法設(shè)計(jì)的可行性，同時(shí)也提供了一種解決PH值控制問題的新思路。1.3 PH值控制方法現(xiàn)狀及開展趨勢污水處理往往需要設(shè)備工作在良好的狀況，同時(shí)要及時(shí)取得污水處理系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，PH值是最重要的參數(shù)之一。傳統(tǒng)的PH值控制方法需要工作人員到場進(jìn)行手工中和操作和監(jiān)視，導(dǎo)致對系統(tǒng)的意外事件反響較慢，而且無法準(zhǔn)確對水質(zhì)的變化做出反響和調(diào)整，從而

4、限制了污水處理的穩(wěn)定性和處理質(zhì)量。然而這些經(jīng)驗(yàn)的積累要求具有較長時(shí)間的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)和廣泛的知識，往往根據(jù)多年積累的經(jīng)驗(yàn)對污水處理廠進(jìn)行管理。因此，建立污水處理的檢測控制系統(tǒng)是十分有必要的。國外興旺國家很早就已經(jīng)投入大量資金和科研力量加強(qiáng)污水處理的監(jiān)測、運(yùn)行和管理，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)控制、報(bào)警、計(jì)算和瞬時(shí)記錄。如美國在20世紀(jì)70年代中期開始實(shí)現(xiàn)污水處理廠的自動控制。目前主要污水處理廠已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工藝流程中主要參數(shù)的自動測試和控制。80年代以來，美國召開了兩次水處理儀器和自動化的國際學(xué)術(shù)會議，會上發(fā)表的數(shù)百篇論文反映出水處理自動化已開展到使用水平。與國外相比，我國污水自動化控制起步較晚。進(jìn)入90年代以后污

5、水處理廠才開始引入自動控制系統(tǒng)，但多是直接引進(jìn)國外成套自控設(shè)備，國產(chǎn)自動控制系統(tǒng)在污水處理廠應(yīng)用較少。因此，采用PH值自動控制系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的人工控制是開展的必然趨勢。在污水PH值的控制研究上，一般采用簡單PID算法或單回路控制，這樣的控制方法穩(wěn)定性較差，很難適應(yīng)當(dāng)今大型的復(fù)雜的污水處理控制且很難滿足平穩(wěn)、高效、平安等生產(chǎn)要求。所以，控制系統(tǒng)還需結(jié)合各項(xiàng)相關(guān)技術(shù)，如：現(xiàn)代控制理論、電工儀表技術(shù)等，從而設(shè)計(jì)出功能更大、更完善的、具有一定適應(yīng)能力的新系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)針對污水處理PH中和過程的特點(diǎn)及控制要求，研究出一套結(jié)構(gòu)簡單、算法簡便、效果好、耗藥少且能滿足污水處理要求的PH值區(qū)間控制系統(tǒng)?？梢栽谖鬯?/p>

6、理廠推廣，經(jīng)濟(jì)效益明顯。1.4 本文完成的工作1了解工業(yè)、生活污水的排放對環(huán)境的污染，污水處理的意義及其流程。2對污水處理PH值控制研究，分析PH值中和非線性的原因。3設(shè)計(jì)污水處理PH值智能區(qū)間控制模型，并且推導(dǎo)出相應(yīng)PID算法。4完成污水處理PH值的硬件設(shè)計(jì)，根據(jù)PH值的變化范圍及控制精度，利用AT89S51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、處理、存儲和顯示功能。5完成污水處理PH值的軟件設(shè)計(jì)，根據(jù)系統(tǒng)不同模塊所實(shí)現(xiàn)的功能，利用單片機(jī)C51語言編寫單片機(jī)程序。6完成對系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊，硬件和軟件的調(diào)試。1.5 本章小結(jié)本章主要介紹了工業(yè)、生活污水排放對環(huán)境的污染，污水處理的意義；污水處理PH值控制系

7、統(tǒng)的方法研究，國內(nèi)外現(xiàn)狀及開展趨勢。對本文所應(yīng)完成的工作做一個(gè)簡要闡述。2 PH值概述及其控制方法建模2.1 PH值簡介 PH值的定義PH是拉丁語“Pondus hydrogenii一詞的縮寫，亦稱氫離子濃度指數(shù)，是溶液中氫離子活度的一種標(biāo)度，也就是通常意義上溶液酸堿程度的衡量標(biāo)準(zhǔn)。通常PH值是介于0和14之間的數(shù)：當(dāng)PH7的時(shí)候，溶液呈堿性；當(dāng)PH=7的時(shí)候，溶液呈中性。PH值是水溶液最重要的理化參數(shù)之一?；瘜W(xué)變化以及生產(chǎn)過程都與PH值有關(guān)，因此，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、環(huán)保和科研領(lǐng)域都需要測量PH值。 PH值中和過程特點(diǎn)在污水處理過程中，會經(jīng)常碰到PH值的控制問題。由于PH值變化很大，不易控制

8、，PH值的滴定曲線是非線性曲線，如圖1所示，在中和反響過程中，不同的工作點(diǎn)增益相差很大，在實(shí)際反響過程存在混合、測量等純滯后因素，增加了控制難度。圖2-1 PH值中和滴定曲線由圖2-1可知，在PH=7附近對象的靜態(tài)增益很大，此時(shí)添加的中和劑略有變化就能引起PH值較大幅度的變化；而遠(yuǎn)離PH=7對象的靜態(tài)增益很小，只有參加大量的中和劑，才能使PH值的少量變化。這就是PH對象明顯的非線性特性。2.2 污水處理PH值過程控制模型過程控制模型如圖2-2所示，污水PH值的智能區(qū)間控制。AT89S51單片機(jī) PH值傳感器 加酸 加堿 反響PH值 變送器 進(jìn)水 出水 管式混合器圖2-2 污水處理PH值控制模型

9、 以上模型中，包含前饋和反響PH值閉環(huán)控制系統(tǒng)。前饋系統(tǒng)主要由PH值傳感器，反響由PH值變送器完成。結(jié)合次控制模型，設(shè)計(jì)出污水處理PH值的智能區(qū)間控制PID算法，再通過實(shí)際的系統(tǒng)軟硬件制作和調(diào)試來加以驗(yàn)證。2.3 常規(guī)PID控制原理圖2-3 PID控制系統(tǒng)原理框圖常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖2-3所示，由PID控制器和被控對象組成。PID控制器是一種線性控制器，根據(jù)給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差：將偏差的比例P、積分I和微分D通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制，故稱PID控制器。PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：1. 比例環(huán)節(jié)比例環(huán)節(jié)的方程： 2-1其中，為比例調(diào)節(jié)器的輸出量，為比例

10、系數(shù)，為調(diào)節(jié)器的輸入或偏差值?？梢员硎境桑?，這里為設(shè)定的目標(biāo)值，為時(shí)刻的采樣值。比例調(diào)節(jié)器的輸出變化與輸入偏差成比例。比例調(diào)節(jié)作用的大小除了與偏差有關(guān)外，主要取決于比例系數(shù)的大小。越大，比例調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)，反之那么越弱。對于大多數(shù)系統(tǒng)而言，太大時(shí)，會引起系統(tǒng)自激振蕩。比例調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)節(jié)及時(shí)，只要偏差一出現(xiàn)，就能及時(shí)產(chǎn)生與之成比例的調(diào)節(jié)作用。缺點(diǎn)是存在振蕩，而且如果單純采用比例調(diào)節(jié)，那么系統(tǒng)一定會存在靜差。這是因?yàn)楸壤{(diào)節(jié)的輸出正比于偏差值，假設(shè)偏差為零，那么輸出也為零，此時(shí)，系統(tǒng)不可能到達(dá)平衡。比例系數(shù)越小，過渡過程越平穩(wěn)，但靜差越大。比例系數(shù)越大，那么過渡過程曲線振蕩越厲害，比例系數(shù)過大時(shí)

11、，甚至可能出現(xiàn)發(fā)散振蕩的情況。因此，對于擾動較大，慣性也較大的系統(tǒng)，假設(shè)單純采用比例調(diào)節(jié)，就很難兼顧動態(tài)和靜態(tài)特性。2. 積分環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)的方程： 2-2其中，為積分時(shí)間。積分調(diào)節(jié)的主要特點(diǎn)是調(diào)節(jié)器的輸出不僅取決于偏差信號的大小，而且還主要與偏差存在時(shí)間有關(guān)。只要有偏差存在，輸出就會隨時(shí)間不斷增長，直到偏差消除后，調(diào)節(jié)器的輸出才不會變化。因此，積分作用能消除靜差，這是它的主要有點(diǎn)。它的主要缺點(diǎn)是動作緩慢。而且在偏差剛一出現(xiàn)時(shí)，積分作用很弱，不能及時(shí)克服擾動的影響，使被調(diào)參數(shù)的動態(tài)偏差增大，調(diào)節(jié)過程變長。3. 微分環(huán)節(jié)微分調(diào)節(jié)的方程： 2-3其中，為微分時(shí)間。微分調(diào)節(jié)的主要特點(diǎn)是輸出可以反映偏差

12、的變化速度。因此，對于一個(gè)固定不變的偏差，不管其數(shù)值有多大，也不會有微分作用輸出。所以微分作用不能消除靜差，而只能在偏差發(fā)生變化時(shí)，產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用。 根本PID控制算法對實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí)，常常將比例、積分和微分三種方法進(jìn)行線性組合，構(gòu)成PID控制，到達(dá)一個(gè)良好的控制效果。一般模擬系統(tǒng)的PID方程為： 2-4其中，為比例增益，為積分時(shí)間，為微分時(shí)間，為控制量，為測量值與給定值的偏差。為了便于算法的實(shí)現(xiàn)，將上面的微分方程做如下處理： 其中，為采樣周期，為采樣序號，和分別為第和第次采樣所得的偏差。由此，式2-1可以寫成： 2-5為便于編程，可以將式2-5改寫成增量形式，即： 2-6其中，為積分系數(shù)，

13、 為微分系數(shù)。整理后可得： 2-7其中， ， ， 。由上式2-7可以看出，控制量的大小除了與偏差、和有關(guān)外，還與比例增益，積分時(shí)間，微分時(shí)間和采樣時(shí)間有關(guān)。因此，如何確定這些參數(shù)是PID控制的關(guān)鍵所在。 污水處理PH值的智能區(qū)間控制原理由于在污水處理過程中，需要把PH值控制在某一范圍，即某一設(shè)定區(qū)間，因此，提出了污水處理過程PH值設(shè)定區(qū)間智能控制方法：將設(shè)定區(qū)間的上限、下限作為控制設(shè)定值，構(gòu)成兩個(gè)設(shè)定值控制器，并根據(jù)出水PH值動態(tài)調(diào)度該兩個(gè)設(shè)定值控制器，以確保出水PH在設(shè)定區(qū)間內(nèi)，滿足控制的要求。假設(shè)PH值設(shè)定區(qū)間為，檢測得到的出水PH值為，控制量為表示加堿，表示加酸，表示不加藥。設(shè)定值控制采

14、用應(yīng)用廣泛的PID控制算法。這樣設(shè)定值為的PID控制算法為： 2-8其中，為設(shè)定值與出水PH值之差，即=-，、為PID控制常數(shù)。同理，設(shè)定值為的PID控制算法為： 2-9其中，=-，、為PID控制常數(shù)。整個(gè)系統(tǒng)的控制算法為： ，且 設(shè)定值為時(shí) 其它 2-10 ，且 設(shè)定值為時(shí) 其它圖2-4是控制策略的示意圖，圖中、分別表示某一時(shí)刻出水PH值，、表示下一時(shí)刻在、點(diǎn)針對設(shè)定值或由控制算法得到的加藥量控制作用。對于點(diǎn)低于設(shè)定值，即與設(shè)定值相圖2-4 PH值區(qū)間控制示意圖比偏酸，加堿表示要使出水PH值到達(dá)設(shè)定值需要加該控制使PH值上升；對于點(diǎn)位于設(shè)定區(qū)間之內(nèi)，高于設(shè)定值，但低于設(shè)定值，即與設(shè)定值相比偏

15、堿，與設(shè)定值相比偏酸，加酸，雖然加酸會導(dǎo)致出水PH值降低使之趨近于，但如果不加酸，任其漂移，可能漂移到 之上但通過下一控制周期使輸出在附近或仍在區(qū)間之內(nèi)，因此可將控制作用如控制算法2-10式所示置為。對于、點(diǎn)也同理。注1:設(shè)定值的調(diào)度可采用增益調(diào)度方法，就近原那么，也就是根據(jù)出水PH值與設(shè)定值，的距離決定切換到哪個(gè)設(shè)定值進(jìn)行控制，即如果，那么設(shè)定值為，否那么設(shè)定值取為。注2：從控制策略2-10可以看出，只有在控制作用從大于0漸變到小于0，或從小于0漸變到大于0的過程中，才會出現(xiàn)控制作用為0的情況，因此，控制是連續(xù)的。2.6 污水處理PH值控制系統(tǒng)品質(zhì)指標(biāo)和參數(shù)整定方法 PID控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)

16、 一個(gè)受控系統(tǒng)的被控過程一般是衰減振蕩的過渡，可以用曲線來描述，如圖2-5所示：圖2-5 被控系統(tǒng)過程衰減振蕩曲線衡量系統(tǒng)過程控制的品質(zhì)指標(biāo)主要有： 偏差是指被調(diào)參數(shù)與給定值只差。對于一個(gè)衰減振蕩過渡過程，其最大偏差是第一個(gè)波得峰值，見圖5中A表示。最大偏差表示系統(tǒng)瞬時(shí)偏離給定值的最大程度，假設(shè)偏離越大，偏離時(shí)間越長，系統(tǒng)離開規(guī)定的平衡狀態(tài)越遠(yuǎn)，一般要對最大偏差加以限制。2. 超調(diào)量 超調(diào)量是振蕩的第一個(gè)峰值與新穩(wěn)定值只差，圖5中用B表示。超調(diào)量也可以用來表征被調(diào)參數(shù)的偏離程度。3. 靜差靜差是過渡過程終了時(shí)的剩余偏差，也就是被調(diào)參數(shù)的穩(wěn)定值與給定值之間的差值，圖5中用C表示。靜差可正可負(fù)，被

17、調(diào)參數(shù)越接近給定值越好，即靜差絕對值越小越好。4. 衰減比衰減比是前后兩個(gè)峰值的比，是表示衰減程度的指標(biāo)。圖5中衰減比為B：B，習(xí)慣上用n：1來表示。通俗而言，假設(shè)n只比1大一點(diǎn)，過渡過程的衰減程度很小，它與等幅振蕩過程接近，振蕩過程過于頻繁不夠平安，一般不采用；如果n很大那么又太接近于非振蕩過程，通常也是不希望產(chǎn)生的。一般取n=410為宜。因?yàn)樗p比在4:1到10:1之間時(shí)，過渡過程開始階段的變化速度比擬快，被調(diào)參數(shù)在受到干擾的影響和調(diào)節(jié)作用的影響后，能比擬快地到達(dá)一個(gè)峰值，然后馬上下降，又較快地到達(dá)一個(gè)低峰值。5. 穩(wěn)定時(shí)間 從干擾開始作用起至被調(diào)參數(shù)又建立新的平衡狀態(tài)為止，這段時(shí)間成為穩(wěn)

18、定時(shí)間。嚴(yán)格的講，被調(diào)參數(shù)完全到達(dá)新的穩(wěn)定狀態(tài)需要無限長的時(shí)間。實(shí)際上，由于測量儀器的靈敏度限制，當(dāng)被調(diào)參數(shù)靠近穩(wěn)定值時(shí)，指示值就根本不再變化。所以有必要時(shí)，在可以測量的區(qū)域內(nèi)，在穩(wěn)定值上下規(guī)定一個(gè)小的范圍，當(dāng)指示值進(jìn)入這一范圍而不再越出時(shí)，就認(rèn)為被調(diào)參數(shù)已到達(dá)穩(wěn)定值。穩(wěn)定時(shí)間短，說明過渡過程進(jìn)行得比擬迅速，這時(shí)即使干擾頻繁出現(xiàn)，系統(tǒng)也能適應(yīng)，質(zhì)量就高。6. 振蕩周期振蕩周期是指過渡過程中兩個(gè)同向波峰之間的間隔時(shí)間，其倒數(shù)稱為振蕩頻率。在衰減比相同的條件下，振蕩時(shí)間與穩(wěn)定時(shí)間成正比。一般希望周期短些為佳。7. 振蕩次數(shù)穩(wěn)定時(shí)間內(nèi)被調(diào)參數(shù)振蕩的次數(shù)稱為振蕩次數(shù)。較為理想的過渡過程，振蕩兩次就能到

19、達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。8. 上升時(shí)間從干擾變化時(shí)間起至第一個(gè)波峰時(shí)所需要的時(shí)間為振蕩的上升時(shí)間。上升時(shí)間以短些為宜。 參數(shù)整定方法對于任何一個(gè)被控系統(tǒng)，一般要求過程超調(diào)量小、調(diào)整時(shí)間短、沒有靜差，要到達(dá)這樣的一個(gè)效果，合理選擇PID調(diào)節(jié)器各參數(shù)是十分重要的。在PID調(diào)節(jié)器中，需要整定的參數(shù)有比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ki和微分系數(shù)Kd。如何合理的選擇采樣周期T，也是影響系統(tǒng)性能的重要因素。PID參數(shù)的整定有多種方法，這里只介紹湊試法。湊試法是通過模擬或閉環(huán)運(yùn)行，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，然后根據(jù)各調(diào)節(jié)參數(shù)對系統(tǒng)響應(yīng)的大致影響，反復(fù)湊試參數(shù)，以到達(dá)滿意的響應(yīng)。PID各參數(shù)的影響概括如下：1增大比例系數(shù)Kp一般將加快

20、系統(tǒng)的響應(yīng)，在有靜差的情況下有利于減小靜差。但過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)有較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變壞。2減小積分系數(shù)Ki有利于減小超調(diào)，減小振蕩，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，但系統(tǒng)靜差的消除也將隨之減慢。3增大微分系數(shù)Kd也有利于加快系統(tǒng)的響應(yīng)，使超調(diào)量減小，穩(wěn)定性變好，但系統(tǒng)對擾動的抑制能力減弱，對擾動有較敏感的響應(yīng)。在了解了PID各參數(shù)對被控系統(tǒng)的影響趨勢之后，采用湊試法對參數(shù)進(jìn)行整定時(shí)，一般遵循以下步驟：1首先只整定比例局部。即將比例系數(shù)由小變大并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直到得到反響快、超調(diào)量小的響應(yīng)曲線。如果系統(tǒng)沒有靜差或靜差已經(jīng)小到允許的范圍內(nèi)，并且響應(yīng)曲線已經(jīng)滿意，那么可以只需用比例調(diào)節(jié)器即

21、可，比例系數(shù)可由此確定。2如果在比例調(diào)節(jié)的根底上系統(tǒng)的靜差不能滿足設(shè)計(jì)要求，那么需參加積分環(huán)節(jié)。整定時(shí)首先置積分系數(shù)Ki為一較小值，并將經(jīng)第一步整定得到的比例系數(shù)略為縮小一般為原來的0.8倍，然后減小積分時(shí)間，使在保持系統(tǒng)良好的動態(tài)性能的情況下，靜差得到消除。在此過程中，可根據(jù)響應(yīng)曲線的好壞反復(fù)改變比例系數(shù)與積分時(shí)間，以得到滿意的控制過程與整定參數(shù)。一般應(yīng)調(diào)整Ki，使響應(yīng)曲線的衰減比為4:1。3假設(shè)使用比例積分調(diào)節(jié)器消除了靜差，但動態(tài)過程反復(fù)調(diào)節(jié)仍不能滿意，那么可以參加微分環(huán)節(jié)。在整定時(shí)，可先置微分系數(shù)Kd為零，在第二步整定的根底上，增大Kd，同時(shí)相應(yīng)的改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，逐步湊試，以獲得

22、滿意的調(diào)節(jié)效果和控制參數(shù)。在整定過程中，觀察到曲線振蕩很頻繁，需把比例系數(shù)減小以減小振蕩；曲線最大偏差大且趨于非周期，需把比例系數(shù)增大。當(dāng)曲線波動較大時(shí)，應(yīng)增大積分時(shí)間即減小積分系數(shù)；曲線偏離給定值后，長時(shí)間回不來，那么需減小積分時(shí)間即增大積分系數(shù)。如果曲線振蕩的厲害，那么需把微分作用減到最小，或暫時(shí)不加微分作用，以免更加劇振蕩；曲線最大偏差而衰減慢，須把微分時(shí)間加長，一直調(diào)到過渡過程兩個(gè)周期根本到達(dá)穩(wěn)定，品質(zhì)指標(biāo)到達(dá)工藝要求為止。2.7 本章小結(jié)本章主要針對污水處理PH值控制系統(tǒng)在對污水酸堿進(jìn)行中和過程中，PH值呈非線性這樣的一個(gè)特點(diǎn)，提出污水處理PH值智能區(qū)間控制算法，并設(shè)計(jì)出控制模型。在

23、后面的章節(jié)里將闡述系統(tǒng)各局部的工作情況，驗(yàn)證本算法的可行性。3 污水處理PH值控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 污水處理PH值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案在對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，首先必須先確定選用什么主控器作為系統(tǒng)的控制核心。本設(shè)計(jì)選用通用單片機(jī)作為主控芯片，單片機(jī)周圍電路所用到的芯片可以由課題要求來選擇，但應(yīng)該遵循選擇功耗小、體積小、穩(wěn)定性高和實(shí)用性強(qiáng)的原那么。單片機(jī)是在一塊硅片上集成了各種部件的微型計(jì)算機(jī)。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的開展，包括中央處理器CPU、數(shù)據(jù)存儲器RAM、程序存儲器ROM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器及輸入/輸出I/O接口電路等主要計(jì)算機(jī)部件，都可集成在一塊電路芯片上。雖然單片機(jī)只是一個(gè)芯片，但從組成和功能

24、上，它已經(jīng)具有了微機(jī)系統(tǒng)的含義。由于單片機(jī)能獨(dú)立執(zhí)行內(nèi)部程序，所以又稱它為微型控制器。隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，單片機(jī)也從一開始的8位單片機(jī)開展到16位、32位等諸多系列，其中51系列單片機(jī)由于其靈活方便、價(jià)格廉價(jià)的優(yōu)點(diǎn)，在眾多制造廠商的支持下已經(jīng)開展成為具有上百個(gè)品種的大家族，如今51單片機(jī)是應(yīng)用最廣泛的單片機(jī)，是大學(xué)里電子、自動化及相關(guān)專業(yè)的必修學(xué)科。AT89S51是一個(gè)低功耗，高性能CMOS 8位HYPERLINK :/baike.baidu /view/1012.htm t _blank單片機(jī)，片內(nèi)含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫10

25、00次的Flash只讀程序存儲器，器件采用HYPERLINK :/baike.baidu /view/110906.htm t _blankATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP FlashHYPERLINK :/baike.baidu /view/1223079.htm t _blank存儲單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89S51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。因此，在本設(shè)計(jì)中采用AT89S51單片機(jī)作為主控制器。AT89S51單片機(jī)及其外圍電路設(shè)計(jì)如圖3-1所示： 輔助電路模

26、塊 時(shí)鐘電路穩(wěn)壓電路復(fù)位電路 A T 8 9 S 5 1 單 片 機(jī) 數(shù)據(jù)采集電路模塊PH值傳感器 A/D轉(zhuǎn)換 顯示模塊液晶屏顯示上位機(jī)顯示報(bào)警執(zhí)行電路模塊執(zhí)行機(jī)構(gòu) D/A轉(zhuǎn)換圖3-1 污水處理PH值控制系統(tǒng)原理框圖其中，數(shù)據(jù)采集電路模塊中主要利用PH值傳感器對污水采集其PH值，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成電信號，由單片機(jī)對信號進(jìn)行處理，如果所采集PH值不在所設(shè)定的上限、下限參數(shù)時(shí)，那么將產(chǎn)生報(bào)警，提醒工作人員檢查報(bào)警原因并采取措施。輔助電路模塊主要是為了給單片機(jī)提供穩(wěn)定電壓、時(shí)間記錄等輔助功能，以保證整個(gè)系統(tǒng)能在穩(wěn)定的前提下運(yùn)作。顯示模塊主要是顯示被測數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機(jī)處理之后，經(jīng)液晶顯示屏和上位機(jī)界面顯

27、示監(jiān)測的數(shù)據(jù)，主要包含時(shí)間及該時(shí)刻的PH值。執(zhí)行電路模塊主要是把系統(tǒng)輸出的控制量經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)控制效果。3.2 污水處理PH值控制系統(tǒng)各局部電路設(shè)計(jì) AT89S51單片機(jī)簡介 AT89S51單片機(jī)是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)。AT89S51單片機(jī)具有如下特點(diǎn)：40個(gè)引腳，4k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲器，128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器RAM，32個(gè)外部雙向輸入/輸出I/O口，5個(gè)中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，HYPERLINK :/baike.baidu /view/280158.h

28、tm t _blank看門狗WDT電路，片內(nèi)HYPERLINK :/baike.baidu /view/1847884.htm t _blank時(shí)鐘振蕩器。此外，AT89S51單片機(jī)設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過HYPERLINK :/baike.baidu /view/37.htm t _blank軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下，CPU暫停工作，而RAM定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時(shí)該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。單片機(jī)芯片如圖3-2所示：圖3-

29、2 AT89S51單片機(jī)芯片圖主要特征如下： 8031 CPU與MCS-51 兼容 4K字節(jié)可編程FLASH存儲器(壽命：1000寫/擦循環(huán)) 全靜態(tài)工作：0Hz-33MHz 三級程序存儲器保密鎖定 128*8位內(nèi)部RAM 32條可編程I/O線 兩個(gè)16位HYPERLINK :/baike.baidu /view/281961.htm t _blank定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 6個(gè)中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路其管腳功能說明如下：VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個(gè)8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義

30、為HYPERLINK :/baike.baidu /view/1410710.htm t _blank高阻輸入。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)/地址的第八位。在FIASH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輸出原碼，此時(shí)P0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口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口

31、緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL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。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。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口輸出其特殊功能存放器的內(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門電流。當(dāng)P3口寫入“1后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，

32、P3口將輸出電流ILL這是由于上拉的緣故。P3.0 RXD串行輸入口P3.1 TXD串行輸出口P3.2 /INT0外部中斷0P3.3 /INT1外部中斷1P3.4 T0記時(shí)器0外部輸入P3.5 T1記時(shí)器1外部輸入P3.6 /WR外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通P3.7 /RD外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號。I/O口作為輸入口時(shí)有兩種工作方式，即所謂的讀端口與讀引腳。讀端口時(shí)實(shí)際上并不從外部讀入數(shù)據(jù)，而是把端口鎖存器的內(nèi)容讀入到內(nèi)部總線，經(jīng)過某種運(yùn)算或變換后再寫回到端口鎖存器。只有讀端口時(shí)才真正地把外部的數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)部總線。上面圖中的兩個(gè)三角形表示的就是輸入緩沖器CPU

33、將根據(jù)不同的指令分別發(fā)出讀端口或讀引腳信號以完成不同的操作。這是由硬件自動完成的，不需要我們操心，1然后再實(shí)行讀引腳操作，否那么就可能讀入出錯(cuò)，為什么看上面的圖，如果不對端口置1端口鎖存器原來的狀態(tài)有可能為0Q端為0Q為1加到場效應(yīng)管柵極的信號為1，該場效應(yīng)管就導(dǎo)通對地呈現(xiàn)低阻抗，此時(shí)即使引腳上輸入的信號為1，也會因端口的低阻抗而使信號變低使得外加的1信號讀入后不一定是1。假設(shè)先執(zhí)行置1操作，那么可以使場效應(yīng)管截止引腳信號直接加到三態(tài)緩沖器中實(shí)現(xiàn)正確的讀入，由于在輸入操作時(shí)還必須附加一個(gè)準(zhǔn)備動作，所以這類I/O口被稱為準(zhǔn)雙向口。89C51的P0/P1/P2/P3口作為輸入時(shí)都是準(zhǔn)雙向口。接下來

34、讓我們再看另一個(gè)問題，從圖中可以看出這四個(gè)端口還有一個(gè)差異，除了P1口外P0P2P3口都還有其他的功能。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)，將跳過一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才

35、起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，那么在此期間外部程序存儲器0000H-FFFFH，不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源VPP。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。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。

36、A/D轉(zhuǎn)換器本設(shè)計(jì)中，對于模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換采用的是TLC0820芯片。TLC0820是德州儀器公司TI推出的，采用先進(jìn)LinCMOS工藝制造的8位A/D轉(zhuǎn)換器，它由2個(gè)4位的閃速FLASH轉(zhuǎn)換器，1個(gè)4位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，1個(gè)計(jì)算誤差放大器，控制邏輯電路和結(jié)果鎖存電路組成。其可校正的FLASH技術(shù)可以保證芯片在工作溫度范圍內(nèi)完成一個(gè)8位轉(zhuǎn)換僅僅需要1.18us。芯片的跟蹤保持電路有100ns的采樣窗口，它允許芯片以100mV/us的轉(zhuǎn)換率轉(zhuǎn)換連續(xù)的模擬信號而不需要外部的采樣電路。TTL兼容的3態(tài)輸出驅(qū)動和2種操作模式可以方便的與各種微處理器接口。TLC0820芯片引腳圖如圖3-3所示：圖3-3

37、 TLC0820芯片引腳圖TLC0820芯片特征如下：先進(jìn)的LinCMOS硅工藝8位轉(zhuǎn)換結(jié)果差分基準(zhǔn)輸入并行微處理器接口轉(zhuǎn)換和訪問時(shí)間在溫度范圍內(nèi)無需外部時(shí)鐘或振蕩器元件芯片上跟蹤保持電路單一5V供電工作溫度范圍：070TLC0820A；-4085TLC0820AI因此，TLC0820芯片被廣泛應(yīng)用在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、工業(yè)控制、工廠自動化系統(tǒng)等領(lǐng)域。TLC0820芯片各引腳功能如下表所示：引腳號名稱I/O 說 明1ANLGLNI模擬輸入端 13CS I片選端，CS須保持低電平以使ADC識別RD或WR 2D0 O數(shù)據(jù)端，3態(tài)數(shù)據(jù)輸出，位0LSB 3D1 O數(shù)據(jù)端，3態(tài)數(shù)據(jù)輸出，位1 4D2 O數(shù)

38、據(jù)端，3態(tài)數(shù)據(jù)輸出，位2 5D3 O數(shù)據(jù)端，3態(tài)數(shù)據(jù)輸出，位3 14D4 O數(shù)據(jù)端，3態(tài)數(shù)據(jù)輸出，位4 15D5 O數(shù)據(jù)端，3態(tài)數(shù)據(jù)輸出，位5 16D6 O數(shù)據(jù)端，3態(tài)數(shù)據(jù)輸出，位6 17D7 O數(shù)據(jù)端，3態(tài)數(shù)據(jù)輸出，位7MSB 10GND O地 9INT O中斷。在寫方式時(shí)，中斷輸出INT變低提示內(nèi)部計(jì)數(shù)延遲時(shí)間int完成及結(jié)果數(shù)據(jù)在輸出鎖定。典型的延遲時(shí)間int是800ns，在WS上升緣后開始。如果RD在int結(jié)束前變低，那么INT在RIL結(jié)束時(shí)變低且轉(zhuǎn)換結(jié)果即可讀出。INT由RD可CS上升緣復(fù)位 7MODE I方式選擇。MODE通過類似下拉電阻的50uA電流源與GND相連。當(dāng)MODE低電

39、平選擇讀方式，當(dāng)MODE高電平那么選擇讀-寫方式 19NC無內(nèi)部連接 18OFLW O溢出指示端。正常情況時(shí)OFLW是一邏輯高電平。可是如果模擬輸入比高，OFLW在轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)將變低?？捎糜诩壜?lián)兩個(gè)或多個(gè)器件以提高分辨率9位或10位 8RD I讀。CS低電平的寫讀方式下，3態(tài)數(shù)據(jù)輸出D0至D7在RD變低時(shí)被激活。通過在內(nèi)部計(jì)數(shù)延遲時(shí)間結(jié)束之前讀數(shù)據(jù)，RD也可用來提高轉(zhuǎn)換速度。結(jié)果，傳送至輸出鎖定電路的數(shù)據(jù)在RD的下降沿被鎖定。讀方式下，CS低電平，轉(zhuǎn)換在RD變低開始。RD變在轉(zhuǎn)換完成時(shí)允許3態(tài)數(shù)據(jù)輸出端輸出。RDY進(jìn)入高阻抗?fàn)顟B(tài)及INT變低指示轉(zhuǎn)換完成。 11 I基準(zhǔn)電壓。接電阻梯形網(wǎng)絡(luò)的底部。

40、 12 I基準(zhǔn)電壓。接電阻梯形網(wǎng)絡(luò)的頂部。 13Vcc電源 6WR/RDY I/O寫準(zhǔn)備好。在寫讀方式，CS為低電平時(shí)，WR輸入信號的下降沿啟動轉(zhuǎn)換開始。只要RD輸入在內(nèi)部計(jì)數(shù)延遲時(shí)間完成之前不變低，轉(zhuǎn)換結(jié)果在其之后被選通入輸出鎖定。延遲時(shí)間int大約為800ns。在讀方式，RDY一開漏輸出在CS的下降沿變低且當(dāng)轉(zhuǎn)換選通入輸出鎖定電路時(shí)進(jìn)入高阻抗?fàn)顟B(tài)。這可簡化微處理器的接口TLC0820芯片的工作原理： TLC0820AC和TLC0820AI均采用取樣數(shù)據(jù)比擬器技術(shù)及普遍用于許多高速轉(zhuǎn)換器的快閃技術(shù)。應(yīng)用兩個(gè)4位快閃模數(shù)轉(zhuǎn)換器完成8位輸出。推薦的模擬輸入電壓范圍是0.1V至VCC+0.1V。小

41、于Vref-+1/2LSB或大于Vref+1/2LSB的模擬輸入信號分別轉(zhuǎn)換為00 00 00 00或11 11 11 11。基準(zhǔn)輸入是全差分的，其共模極限為電源決定。基準(zhǔn)輸入值決定模擬輸入滿量程范圍。這允許ADC的增益通過改變Vref+及Vref-電壓值而變化以便于比率轉(zhuǎn)換。s內(nèi)完成。此時(shí)數(shù)據(jù)輸出亦從高阻抗?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行顟B(tài)。數(shù)據(jù)讀出后，RD處高電平狀態(tài)，INT恢復(fù)高電平狀態(tài)，數(shù)據(jù)輸出恢復(fù)至高阻抗?fàn)顟B(tài)。當(dāng)MODE處高電平狀態(tài)，轉(zhuǎn)換器被設(shè)為寫讀方式且WR/RDY被看作是寫端。保持CS和WR/RDY低電平可選擇轉(zhuǎn)換器并開始輸入信號的測量。大約在 WR/RDY 恢復(fù)高電平后的600ns ，轉(zhuǎn)換完成

42、。在寫讀方式，轉(zhuǎn)換開始于WR/RDY的上升沿。高4 位快閃 ADC通過同時(shí)工作的 16 個(gè)比擬器測量輸入信號。高精度的4 位 DAC 這時(shí)從轉(zhuǎn)換結(jié)果產(chǎn)生一離散的模擬電壓。一段延遲時(shí)間后，第二組比擬器根據(jù)輸入電平及 DAC 輸出間的模擬電壓差完成低四位轉(zhuǎn)換。每一個(gè)轉(zhuǎn)換結(jié)果輸入一個(gè)8位鎖定電路并且在RD的下降沿輸出至3態(tài)輸出緩沖器。 時(shí)鐘電路由于本系統(tǒng)是對污水處理的實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制，所以在設(shè)計(jì)中有必要對不同時(shí)刻污水PH值進(jìn)行采樣并存儲數(shù)據(jù)，所以時(shí)鐘電路局部是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中是不可缺少的。系統(tǒng)中選用的是DS1302時(shí)鐘芯片來設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路局部。時(shí)鐘芯片DS1302是美國DALLAS公司推出的，其在測量系統(tǒng)應(yīng)

43、用中可以對年、月、日、周日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，且具有閏年補(bǔ)償?shù)榷喾N功能。DS1302用于數(shù)據(jù)記錄，特別是對某些具有特殊意義的數(shù)據(jù)點(diǎn)的記錄上，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與出現(xiàn)該數(shù)據(jù)的時(shí)間同時(shí)記錄。這種記錄對長時(shí)間的連續(xù)測控系統(tǒng)結(jié)果的分析以及對異常數(shù)據(jù)出現(xiàn)的原因的查找有重要意義。在測量控制系統(tǒng)中，特別是長時(shí)間無人職守的測控系統(tǒng)中，經(jīng)常需要記錄某些具有特殊意義的數(shù)據(jù)及其出現(xiàn)的時(shí)間。記錄及分析這些特殊意義的數(shù)據(jù)，對測控系統(tǒng)的性能分析及正常運(yùn)行具有重要的意義。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄方式是隔時(shí)采樣或定時(shí)采樣，沒有具體的時(shí)間記錄，因此只能記錄數(shù)據(jù)而無法準(zhǔn)確記錄其出現(xiàn)的時(shí)間；假設(shè)采用單片機(jī)計(jì)時(shí)，一方面需要采用計(jì)數(shù)器，占用硬件資源，

44、另一方面需要設(shè)置中斷、查詢等，同樣消耗單片機(jī)的資源，而且某些測控系統(tǒng)可能不允許。而在系統(tǒng)中采用 DS1302那么能很好地解決這個(gè)問題。時(shí)鐘芯片DS1302引腳圖及內(nèi)部原理圖如圖3-4所示：圖3-4 DS1302引腳圖及內(nèi)部原理圖DS1302結(jié)構(gòu)與工作原理：DS13021是美國 DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶 RAM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，工作電壓寬達(dá) 2.55.5V。采用三線接口與 CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號或 RAM數(shù)據(jù)。DS1302內(nèi)部有一個(gè) 31的用于臨時(shí)性存放數(shù)據(jù)的RAM存放器。DS1302是 DS1202的升級產(chǎn)品，與 DS1202兼容，但增

45、加了主電源后背電源雙電源引腳，同時(shí)提供了對后背電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力。DS1302各引腳功能如下表：引腳號引腳名稱功 能1Vcc2主電源振蕩源，外接32768Hz晶振 4GND地線 5RST復(fù)位/片選線 6I/O串行數(shù)據(jù)輸入/輸出端雙向 7SCLK串行數(shù)據(jù)輸入端 8Vcc1后備電源DS1302共有 12個(gè)存放器，其中有 7個(gè)存放器與日歷、時(shí)鐘相關(guān)，存放的數(shù)據(jù)位為 BCD碼形式。此外，DS1302還有年份存放器、控制存放器、充電存放器、時(shí)鐘突發(fā)存放器及與 RAM相關(guān)的存放器等。時(shí)鐘突發(fā)存放器可一次性順序讀寫除充電存放器外的所有存放器內(nèi)容。DS1302與RAM相關(guān)的存放器分為兩類，一類是單個(gè)

46、RAM單元，共 31個(gè)，每個(gè)單元組態(tài)為一個(gè) 8位的字節(jié)，其命令控制字為 COHFDH，其中奇數(shù)為讀操作，偶數(shù)為寫操作；再一類為突發(fā)方式下的 RAM存放器，此方式下可一次性讀寫所有的 RAM的 31個(gè)字節(jié)，命令控制字為 FEH寫、FFH讀。其數(shù)據(jù)讀寫時(shí)序如圖3-5所示：圖3-5 DS1302數(shù)據(jù)讀寫時(shí)序 液晶屏顯示模塊在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，處理后的數(shù)據(jù)包含具體時(shí)間和該時(shí)刻的PH值是用1602液晶顯示屏顯示，因?yàn)槠渚哂姓加靡_少、方便布線、編程簡單等優(yōu)點(diǎn)。1602 字符型LCD模塊的應(yīng)用非常廣泛，而各種液晶廠家均有提供幾乎都是同樣規(guī)格的 1602 模塊或兼容模塊。在各廠家生產(chǎn)的 1602 模塊當(dāng)中，根本

47、上也都采用了與之兼容的控制 IC，所以從特性上根本上是一樣的；當(dāng)然，很多廠商提供了不同的字符顏色、背光色之類的顯示模塊。通常所見的1602模塊的規(guī)格根本如下表所示：顯示容量：16*2個(gè)字符芯片工作電壓：工作電流：2.0mA5.0V模塊最正確工作電壓：字符尺寸：2.95*4.35WXHmm模塊的引腳說明如下表：編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地 9D2Data I/O 2VDD電源正極 10D3Data I/O 3VL液晶顯示偏壓信號 11D4Data I/O 4RS數(shù)據(jù)/命令選擇端H/L 12D5Data I/O 5R/W讀/寫選擇端H/L 13D6Data I/O 6E使能信號

48、14D7Data I/O 7D0Data I/O 15BLA背光源正極 8D1Data I/O 16BLK背光源負(fù)極 上位機(jī)顯示界面模塊上位機(jī)是指可以直接發(fā)出操控命令的計(jì)算機(jī)，一般是PC。而上位機(jī)控制界面主要是屏幕上顯示各種信號變化，本設(shè)計(jì)中主要是把系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)時(shí)間和PH值在屏幕上顯示。在本系統(tǒng)中，系統(tǒng)硬件采用MAX232芯片來連接上位機(jī)，使數(shù)據(jù)得以在上位機(jī)界面顯示。MAX232是一種把電腦的串行口rs232信號電平-10，+10V轉(zhuǎn)換為單片機(jī)所用到的TTL信號電平0，+5V的芯片。MAX232芯片引腳如圖3-6所示：圖3-6 MAX232芯片引腳圖各引腳定義及符號如下：引腳 定 義 符號

49、1 載波檢測 DCD 2 接收數(shù)據(jù) RXD 3 發(fā)送數(shù)據(jù) TXD 4 數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好 DTR 5 信號地 SG 6 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好 DSR 7 請求發(fā)送 RTS 8 去除發(fā)送 CTS 9 振鈴提示 RI上位機(jī)界面如圖3-7所示：圖3-7 上位機(jī)界面 報(bào)警電路在本設(shè)計(jì)中，設(shè)置了污水允許的PH值區(qū)間，根據(jù)環(huán)保部門要求污水處理后PH值應(yīng)該在6到8之間，因此，系統(tǒng)設(shè)置的PH值參數(shù)的上限值為8，下限值為6。當(dāng)PH值超出上限值或下限值時(shí)，發(fā)光二極管將以發(fā)光形式報(bào)警，提示工作人員檢查原因并采取相應(yīng)的措施解決問題。3.3 本章小結(jié)本章主要介紹了污水處理PH值控制系統(tǒng)的硬件組成局部及其工作原理。系統(tǒng)的核心控制是通過

50、AT89S51單片機(jī)對被采集的信號處理，在通過顯示模塊顯示處理后的信息，輸出量實(shí)施于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)控制。硬件設(shè)計(jì)思路條理清晰，電路簡單，能根本滿足污水處理過程的各項(xiàng)要求。4 污水處理PH值控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 污水處理PH值控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)是否能夠正常、穩(wěn)定的工作，不僅要有硬件局部，而且軟件設(shè)計(jì)上也是相當(dāng)重要的。軟件設(shè)計(jì)表達(dá)了整個(gè)系統(tǒng)的控制思路，各個(gè)模塊的控制功能也是由軟件所決定的。因此，軟件程序的編寫應(yīng)該充分考慮到系統(tǒng)控制的各項(xiàng)要求，邏輯思路嚴(yán)謹(jǐn)，具有一定的靈活性。本系統(tǒng)中，軟件程序的編寫是先針對各個(gè)模塊所需實(shí)現(xiàn)的功能做編寫，然后針對各個(gè)模塊進(jìn)行調(diào)試。在完成了每一個(gè)模塊的功能調(diào)試后

51、，再對整個(gè)系統(tǒng)軟件調(diào)試，以確保各個(gè)模塊之間能在單片機(jī)的主控制下，相互協(xié)調(diào)。這樣的設(shè)計(jì)方法有利于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與維護(hù)。整個(gè)軟件系統(tǒng)的組成是由主程序和多個(gè)子程序，主程序是負(fù)責(zé)系統(tǒng)主控制，而子程序是實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的功能。當(dāng)主程序初始化結(jié)束后，再經(jīng)過各個(gè)子程序依次完成該模塊的功能，直到把任務(wù)完成。系統(tǒng)程序的子程序模塊包括：初始化子程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、時(shí)鐘子程序、顯示子程序。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖如下：初始化子程序 主程序A/D轉(zhuǎn)換子程序時(shí)鐘子程序顯示子程序圖4-1 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖4.2 軟件開發(fā)語言及環(huán)境本系統(tǒng)的軟件編程語言可以選用兩種，一種是匯編語言，另一種是C語言。匯編語言是一種功能很強(qiáng)的程序設(shè)計(jì)語言，

52、也是利用計(jì)算機(jī)所有硬件特性并能直接控制硬件的語言。它能夠直接訪問與硬件相關(guān)的存儲器或I/O端口，不受編譯器的限制，對生成二進(jìn)制代碼進(jìn)行完全控制，還能根據(jù)特定的應(yīng)用對代碼做最正確的優(yōu)化，提高運(yùn)行速度。但考慮到其編寫的代碼非常難懂，不好維護(hù)，而且容易產(chǎn)生漏洞，難調(diào)試，只能針對特定的體系結(jié)構(gòu)和處理器進(jìn)行優(yōu)化，開發(fā)效率很低，時(shí)間長且單調(diào)等因素，因此，在本設(shè)計(jì)中采用C語言作為設(shè)計(jì)語言。C語言有很好的結(jié)構(gòu)性，比擬適合復(fù)雜的，多個(gè)子程序的程序編寫，容易閱讀和維護(hù)，能有效縮短系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間，減少程序員的工作量。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件是在Windows集成開發(fā)環(huán)境Vision51下，用單片機(jī)C51高級語言編寫。軟件開發(fā)

53、流程如圖4-2所示。編譯源程序文件包括*.c文件和*.h文件組譯/編譯器生成目標(biāo)文件*.obj鏈接器生成可執(zhí)行文件*.hex 仿真調(diào)試 代碼燒寫 選擇操作仿真器 編程器 單片機(jī)圖4-2 軟件開發(fā)流程框圖4.3 污水處理PH值控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 主程序設(shè)計(jì)主程序是本系統(tǒng)的核心控制思想，此局部設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的，因?yàn)樗钦麄€(gè)軟件局部的中心樞紐。主程序主要是通過調(diào)用子程序命令，從而完成控制。在本設(shè)計(jì)中，單片機(jī)主要控制實(shí)現(xiàn)的功能有：數(shù)據(jù)采集、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理和輸出控制量、液晶屏顯示、上位機(jī)顯示及按鍵。主程序控制框圖如圖4-3所示： 開始 液晶屏1602初始化 串口初始化 顯示LowPH8 OKDS13

54、02及顯示 關(guān) 掃描按鍵 開 串口上傳圖4-3 主程序控制框圖 初始化當(dāng)系統(tǒng)程序開始運(yùn)行之前，都需要把變量賦為默認(rèn)值，把控件設(shè)為默認(rèn)狀態(tài)。在本設(shè)計(jì)中，主要是堆棧、I/O口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器等特殊功能的存放器做好初始化。程序初始化將對各個(gè)模塊賦初值，使硬件在系統(tǒng)工作開始時(shí)符合程序設(shè)計(jì)的要求，并能按照軟件的指令執(zhí)行。 A/D轉(zhuǎn)換子程序在A/D采樣子程序中，A/D轉(zhuǎn)換器首先接收PH值傳感器采集的模擬信號，單片機(jī)經(jīng)過對數(shù)據(jù)處理，將其存入相應(yīng)的存儲單元，通過與設(shè)定的上限與下限比照，如果超過系統(tǒng)設(shè)置的區(qū)間，那么發(fā)出報(bào)警信息。A/D轉(zhuǎn)換控制框圖如圖4-4所示： 開始 Read=0 等待 轉(zhuǎn)換完成？ INT=0？

55、 P0讀取數(shù)據(jù) Read=1 判斷是否 Y 報(bào)警 超過設(shè)定值？ N 結(jié)束圖4-4 A/D轉(zhuǎn)換控制框圖 時(shí)鐘子程序由于本系統(tǒng)對污水PH值有實(shí)時(shí)監(jiān)測功能，所以時(shí)間記錄是非常有意義的。這局部主要是DS1302芯片完成。芯片與CPU進(jìn)行同步通信，采用突發(fā)方式一次傳輸多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號或RAM數(shù)據(jù)到芯片內(nèi)部的31*8的臨時(shí)存放數(shù)據(jù)的RAM存放器?？刂瓶驁D如下： 開始 讀時(shí)間存放器 數(shù)據(jù)分解 顯示 結(jié)束 圖4-5 時(shí)鐘芯片控制框圖4.4 本章小結(jié)本章主要介紹了污水處理PH值控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，單片機(jī)C51作為編寫語言及編寫環(huán)境Vision51。軟件是控制系統(tǒng)的重要組成局部，在理解了整個(gè)系統(tǒng)的控制思路下，編

56、寫系統(tǒng)的主控制程序及各個(gè)模塊的子程序。整個(gè)程序控制思路清晰，合理，邏輯清晰，為后面調(diào)試系統(tǒng)，驗(yàn)證其是否能完成污水PH值監(jiān)測控制功能打下根底。5 污水處理PH值控制系統(tǒng)調(diào)試對本系統(tǒng)的調(diào)試主要分為三個(gè)局部，分別是硬件調(diào)試、軟件調(diào)試及整體調(diào)試。調(diào)試是最直觀的檢驗(yàn)系統(tǒng)的工作情況的手段，同時(shí)，也可以驗(yàn)證算法的可行性。對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，我們需要一些工具，如萬用表、示波器等。通過執(zhí)行開發(fā)的軟件程序或適當(dāng)?shù)剡\(yùn)行一些測試程序，從而檢測硬件的故障；也可通過硬件的顯示，來檢驗(yàn)軟件程序的邏輯編寫是否存在錯(cuò)誤。因此，硬件調(diào)試和軟件調(diào)試沒有嚴(yán)格的區(qū)分。5.1 硬件調(diào)試由于污水處理PH值控制系統(tǒng)的絕大局部芯片都是焊接在電路板

57、上，所以首先應(yīng)該檢測電路的連接是否良好。主要可以利用萬用表檢測是否存在斷路、短路、焊接錯(cuò)誤等。對于AT89S51單片機(jī)的供電情況做測試，可以給其通電，用萬用表測單片機(jī)的工作電壓，如果為5V左右，說明單片機(jī)正常工作。然后可以對單片機(jī)引腳測試，如果P口都為高電平，說明引腳正常工作。對A/D轉(zhuǎn)換芯片、時(shí)鐘芯片也可以用相同的方法測試。液晶顯示屏可以經(jīng)過電位器調(diào)節(jié)亮度。在給各芯片供電之后，應(yīng)該注意觀察芯片是否有過熱、冒煙、出現(xiàn)異味等情況，如果出現(xiàn)異常情況，應(yīng)該立即停止供電，用萬用表對電路檢測是否有短路或者其他原因，并及時(shí)解決。5.2 軟件調(diào)試本系統(tǒng)是污水處理PH值控制系統(tǒng)，主要是利用AT89S51單片機(jī)

58、作為系統(tǒng)的主要控制核心。根據(jù)系統(tǒng)所要系統(tǒng)各個(gè)模塊所要實(shí)現(xiàn)的功能，用Windows集成軟件的人機(jī)界面開發(fā)環(huán)境Vision51用C51進(jìn)行編程，通過編程器將程序下載到單片機(jī)中進(jìn)行調(diào)試。也可以通過仿真的方法來調(diào)試軟件系統(tǒng)。翻開proteus仿真軟件，從軟件中找到對應(yīng)的芯片并且按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)連接電路。然后給系統(tǒng)加模擬電壓，并點(diǎn)擊開始仿真按鈕。如果這個(gè)時(shí)候單片機(jī)的端口有閃爍，證明A/D轉(zhuǎn)換器開始工作等?？傊?，系統(tǒng)軟件的調(diào)試方法有很多，Vision51和仿真軟件proteus只能對程序的邏輯和編寫標(biāo)準(zhǔn)做調(diào)試，具體的細(xì)節(jié)和系統(tǒng)能否真正實(shí)現(xiàn)預(yù)先設(shè)計(jì)的功能，還得看整體調(diào)試的結(jié)果。5.3 整體調(diào)試對系統(tǒng)做整體調(diào)試之

59、前，首先把編寫好的單片機(jī)C51程序下載到AT89S51單片機(jī)，然后分別對AT89S51單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換器、時(shí)鐘模塊、上位機(jī)模塊進(jìn)行調(diào)試。這樣可以防止某一模塊出現(xiàn)問題而導(dǎo)致其他模塊受到損壞。首先對A/D進(jìn)行調(diào)試，利用電位器給A/D提供電壓，為0V到5V，A/D轉(zhuǎn)換器將對其進(jìn)行采樣，這個(gè)時(shí)候如果A/D正常工作，在液晶顯示屏上將顯示一個(gè)數(shù)字量。顯示的數(shù)值跟程序有關(guān)，但只要液晶顯示屏上有顯示，證明A/D在工作。再試著改變電位器的大小，讓電壓發(fā)生變化，如果液晶顯示屏上的數(shù)值也隨著變化，說明此模塊可以正常使用。下面對時(shí)鐘模塊進(jìn)行調(diào)試，當(dāng)給芯片DS1302供電之后，發(fā)現(xiàn)顯示屏上沒有日期和時(shí)間等顯示內(nèi)容。經(jīng)

60、過檢查，原來是時(shí)鐘電路里面所用的電容太大，使晶振不起振，對此，更換了容值較小的電容，液晶顯示屏上就出現(xiàn)了顯示信息。為了使時(shí)鐘記錄的信息不會因掉電而喪失，我們準(zhǔn)備了鋰電池對其供電，這樣時(shí)鐘信息就能被保存，也就不需要重復(fù)給時(shí)鐘芯片DS1302初始化。以上幾個(gè)模塊調(diào)試成功之后，我們就可以把它們連接，進(jìn)行調(diào)試。首先是設(shè)置電壓與PH值的轉(zhuǎn)化，把0V設(shè)置為PH=0，把5V設(shè)置為PH=14，這樣就能符合實(shí)際地模擬出PH值測試。系統(tǒng)上設(shè)置了一個(gè)報(bào)警模塊，是由兩個(gè)不同顏色的發(fā)光二極管發(fā)出報(bào)警信號的。其中，把電位轉(zhuǎn)換為PH值之后，如果采集的PH值在小于6時(shí)，黃色的二極管將發(fā)光，液晶顯示屏上將顯示LOW，提示要加堿