單片機控制的污水排放PH值檢測系統(tǒng)設(shè)計

11.1污水處理的研究背景及意義隨著時代的進步，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，人類賴以生存的水資源卻在經(jīng)濟發(fā)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)境和人類和諧發(fā)展工業(yè)及居民生活污水處理建設(shè)項目和展受到全世界的普遍關(guān)注。隨著污水處理工藝水平迅猛發(fā)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)處于良好的運行工況，獲得更好的出水水質(zhì)，必須及時取得污水處理系統(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，都必須把值控制在一定的范圍內(nèi)。否則，將會影響企業(yè)生產(chǎn)，造成原料浪費，產(chǎn)品質(zhì)量下降，甚至污染環(huán)境。與此同時，強酸強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。因此，不僅是在工業(yè)生產(chǎn)中，而且在環(huán)境保護下，對污水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)污水值控制的資料，對污水處理中的PH值控制問題進行研究和設(shè)計。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進行檢測，然后對其進行中和處理，達到要求后才可以排放。然而，PH值控制是一個復(fù)雜的非線性控制問題。由于酸堿中和反應(yīng)過程存在混合、測量等因素，需要一定的時間，時滯較大PH滴定曲線是非線性曲線，在中和反應(yīng)過程中，不同的工作點增益相差很大。因此，處理好PH值中和非線性是值控制的重點。本文根據(jù)PH值中和非線性這一特點，設(shè)計了算法的智能區(qū)間控制數(shù)學(xué)模型，并基于AT89S51單片機設(shè)計了值制系統(tǒng)。該系統(tǒng)驗證了本算法設(shè)計的可行性，同時也提供了一種解決PH值控制問題的新思路。1.3PH值控制方法現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢污水處理往往需要設(shè)備工作在良好的狀況同時要及時取得污水處理系統(tǒng)的各項技術(shù)參數(shù)，PH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行手工中和操作和監(jiān)視，導(dǎo)致對系統(tǒng)的意外事件反應(yīng)較慢，而且無法準(zhǔn)確對水質(zhì)的變化做出反應(yīng)和調(diào)整，從而限制了污水處理的穩(wěn)定性和處理質(zhì)量。然而這些經(jīng)驗的積累要求具有較長時間的實際操作經(jīng)驗和廣泛的知識，往往根據(jù)多年積累的經(jīng)驗對污水處理廠進行管理。因此，建立污水處理的檢測控制系統(tǒng)是十分有必要的。國外發(fā)達國家很早就已經(jīng)投入大量資金和科研力量加強污水處理的監(jiān)測運行和管

理，實現(xiàn)了計算機控制、報警、計算和瞬時記錄。如美國20世紀(jì)70年代中期開始實現(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發(fā)展到使用水平。與國外相比，我國污水自動化控制起步較晚。進入年代以后污水處理廠才開始引入自動控制系統(tǒng)，但多是直接引進國外成套自控設(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自動控制系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的人工控制是發(fā)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、安全等生產(chǎn)要求。所以，控制系統(tǒng)還需結(jié)合各項相關(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)計針對污水處理PH中和過程的特點及控制要求，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值區(qū)間控制系統(tǒng)。可以在污水處理廠推廣，經(jīng)濟效益明顯。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)計污水處理PH值智能區(qū)間控制模型，并且推導(dǎo)出相應(yīng)算法。4）完成污水處理PH的硬件設(shè)計，根據(jù)PH值的變化范圍及控制精度，利用單片機實現(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的軟件設(shè)計，根據(jù)系統(tǒng)不同模塊所實現(xiàn)的功能，利用單片機C51語言編寫單片機程序。6）完成對系統(tǒng)的各個功能模塊，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值控制系統(tǒng)的方法研究，國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。對本文所應(yīng)完成的工作做一個簡要闡述。

2PH值概述及其控制方法建模2.1PH值簡介2.1.1PH值的定義PH是拉丁語“Pondushydrogenii”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)。通常值是介于0和14之間的數(shù)：當(dāng)PH<7的時候，溶液呈酸性；當(dāng)PH>7的時候，溶液呈堿性；當(dāng)PH=7的時候，溶液呈中性。PH是水溶液最重要的理化參數(shù)之一。化學(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)域都需要測量值。2.1.2PH值中和過程特點在污水處理過程中，會經(jīng)常碰到PH值的控制問題。由于H值變化很大，不易控制，PH值的滴定曲線是非線性曲線，如1所示，在中和反應(yīng)過程中，不同的工作點增益相差很大，在實際反應(yīng)過程存在混合、測量等純滯后因素，增加了控制難度。圖2-1PH值中和滴定曲線

由圖2-1可知，在H=7附近對象的靜態(tài)增益很大，此時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，只有加入大量的中和劑，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PH值傳感器

加酸

加堿

反饋PH值變送器進水

出水管式混合器圖2-2污水處理PH值控制模型以上模型中，包含前饋和反PH值閉環(huán)控制系統(tǒng)。前饋系統(tǒng)主要由PH值傳感器，反饋由PH值變送器完成。結(jié)合次控制模型，設(shè)計出污水處PH值的智能區(qū)間控制PID算法，再通過實際的系統(tǒng)軟硬件制作和調(diào)試來加以驗證。2.3常規(guī)PID控制原理圖2-3PID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，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r(t)與實際輸出()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K為比例系數(shù)e(t)調(diào)節(jié)器的輸入或偏差值。(t)可以表示成：，這為設(shè)定的目標(biāo)值V()t時刻的采樣值。0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t)有關(guān)外，主要取決于比例系K的大小K越大，比例調(diào)節(jié)作用越強，反之則越弱。對p于大多數(shù)系統(tǒng)而言，K太大時，會引起系統(tǒng)自激振蕩。p比例調(diào)節(jié)的優(yōu)點是調(diào)節(jié)及時，只要偏e(t)出現(xiàn)，就能及時產(chǎn)生與之成比例的調(diào)節(jié)作用。缺點是存在振蕩，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。這是因為比例調(diào)節(jié)的輸出正比于偏差值，若偏差為零，則輸出也為零，此時，系統(tǒng)不可能達到平衡。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，則過渡過程曲線振蕩越厲害，比例系數(shù)過大時，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)，若單純采用比例調(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T為積分時間。i積分調(diào)節(jié)的主要特點是調(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間有關(guān)。只要有偏差存在，輸出就會隨時間不斷增長，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。它的主要缺點是動作緩慢。而且在偏差剛一出現(xiàn)時，積分作用很弱，不能及時克服擾動的影響，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T為微分時間。d微分調(diào)節(jié)的主要特點是輸出可以反映偏差的變化速度。因此，對于一個固定不變的偏差，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，產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用。2.4基本PID控制算法對實際系統(tǒng)進行控制時常常將比例分和微分三種方法進行線性組合構(gòu)成ID控制，達到一個良好的控制效果。一般模擬系統(tǒng)的ID方程為：（2-4）其中，為比例增益，為積分時間為微分時間，P為控制量，t)為測量值與i給定值的偏差。為了便于算法的實現(xiàn)，將上面的微分方程做如下處理：其中為采樣周期，n為采樣序號e)分別為(n和n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)，

為微分系數(shù)。整理后可得：（2-7）其中，，，。由上（2-7可以看出控制量的大小除了與偏e(、n2)有關(guān)外，還與比例增益，積分時，微分時和采樣時T有關(guān)。因此，如何確定這些pi參數(shù)是PID控制的關(guān)鍵所在。2.5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)成兩個設(shè)定值控制器，并根據(jù)出PH值動態(tài)調(diào)度該兩個設(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設(shè)定區(qū)間為[]，檢測得到的出PH值為，控制量為uu0表示加堿表示加酸0表示不加藥）。設(shè)定值控制采用應(yīng)用廣泛PID控制算法。這樣設(shè)定值aPID控制算法為：（2-8）其中為設(shè)定值與出水PH值之差，e=-K11同理，設(shè)定值bPID控制算法為：

p

、K為PID控制常數(shù)。id1（2-9）其中e=-，K

、K、K為PID控制常數(shù)。整個系統(tǒng)的控制算法為：i2d

u(,t)，且y1設(shè)定值a時(t)1

其它

（2-10）

(,)，且22設(shè)定值bu(t)22

其它圖2-4控制策略的示意圖，圖中A、、、D分別表示某一時刻出水值，(et)u(et)u(,t)u(t)表示下一時刻在BD點針對設(shè)定值A(chǔ)C（由控制算法得到的加藥量（控制作用）。對于A點（低于設(shè)定值，即與設(shè)定a圖2-4PH值區(qū)間控制示意圖比偏酸），(t)（加堿）表示要出水PH值達到設(shè)定需要加該控制使H值上A1升；對于（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)定相比偏堿，與設(shè)定相比偏酸），(,t)（加酸），雖然加酸會導(dǎo)致出水PH值降低B1使之趨近a但如果不加酸，任其漂移，可能漂移b之上（但通過下一控制周期使輸出b近）或仍在區(qū)間[]之內(nèi)，因此可將控制作用如控制法2-10）式所示置0對、D也同理。注1:設(shè)定值的調(diào)度可采用增益調(diào)度方法，就近原則，也就是根據(jù)出水H值與設(shè)定a，的距離決定切換到哪個設(shè)定值進行控制，即如果yy

，則設(shè)定值，否則設(shè)定值取b注2：從控制策略（2-10）可看出，只有在控制作用從大于0漸變到小于，或從小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2.6.1PID控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)一個受控系統(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：1.最大偏差偏差是指被調(diào)參數(shù)與給定值只差。對于一個衰減振蕩過渡過程，其最大偏差是第一個波得峰值，見圖5中表示。最大偏差表示系統(tǒng)瞬時偏離給定值的最大程度，若偏離越大，偏離時間越長，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)量是振蕩的第一個峰值與新穩(wěn)定值只差，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的殘余偏差，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。靜差可正負(fù)，被調(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峰值的比，是表示衰減程度的指標(biāo)。圖5衰減比為BB’，習(xí)慣上用n：1來表示。通俗而，若n只1大一點，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安全，一般不采用；如果n大則又太接近于非振蕩過程，通常也是不希望產(chǎn)生的。一般n=4~10為宜。因為衰減比4:110:1之間時，過渡過程開始階段的變化速度比較快，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，能比較快地到達一個峰值，然后馬上下降，又較快地達到一個低峰值。

5.穩(wěn)定時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，這段時間成為穩(wěn)定時間。嚴(yán)格的講，被調(diào)參數(shù)完全達到新的穩(wěn)定狀態(tài)需要無限長的時間。實際上，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，指示值就基本不再變化。所以有必要時，在可以測量的區(qū)域內(nèi)，在穩(wěn)定值上下規(guī)定一個小的范圍，當(dāng)指示值進入這一范圍而不再越出時，就認(rèn)為被調(diào)參數(shù)已達到穩(wěn)定值。穩(wěn)定時間短，說明過渡過程進行得比較迅速，這時即使干擾頻繁出現(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同向波峰之間的間隔時間，其倒數(shù)稱為振蕩頻率。在衰減比相同的條件下，振蕩時間與穩(wěn)定時間成正比。一般希望周期短些為佳。7.振蕩次數(shù)穩(wěn)定時間內(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，振蕩兩次就能達到穩(wěn)定狀態(tài)。8.上升時間從干擾變化時間起至第一個波峰時所需要的時間為振蕩的上升時間上升時間以短些為宜。2.6.2參數(shù)整定方法對于任何一個被控系統(tǒng)，一般要求過程超調(diào)量小、調(diào)整時間短、沒有靜差，要達到這樣的一個效果，合理選擇PID調(diào)節(jié)器各參數(shù)是十分重要的。在節(jié)器中，需要整定的參數(shù)有比例系Kp、積分系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)，以達到滿意的響應(yīng)。PID各參數(shù)的影響概括如下：1增大比例系Kp一般將加快系統(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)進行整定時，一般遵循以下步驟：1首先只整定比例部分。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

到反應(yīng)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)器即可，比例系數(shù)可由此確定。2如果在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上系統(tǒng)的靜差不能滿足設(shè)計要求，則需加入積分環(huán)節(jié)。整定時首先置積分系數(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?。ㄒ话銥樵瓉淼?.8），然后減小積分時間，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:1。3若使用比例積分調(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，則可以加入微分環(huán)節(jié)。在整定時，可先置微分系數(shù)Kd為零，在第二步整定的基礎(chǔ)上，增大d，同時相應(yīng)的改變比例系數(shù)和積分時間，逐步湊試，以獲得滿意的調(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，應(yīng)增大積分時間即減小積分系數(shù)；曲線偏離給定值后，長時間回不來，則需減小積分時間即增大積分系數(shù)。如果曲線振蕩的厲害則需把微分作用減到最小暫時不加微分作用以免更加劇振蕩；曲線最大偏差而衰減慢把微分時間加長直調(diào)到過渡過程兩個周期基本達到穩(wěn)定，品質(zhì)指標(biāo)達到工藝要求為止。2.7本章小結(jié)本章主要針對污水處理PH值控制系統(tǒng)在對污水酸堿進行中和過程中PH值呈非線性這樣的一個特點，提出污水處PH值智能區(qū)間控制算法，并設(shè)計出控制模型。在后面的章節(jié)里將闡述系統(tǒng)各部分的工作情況，驗證本算法的可行性。

3理H值3.1污水處理PH值控制系統(tǒng)設(shè)計方案在對系統(tǒng)進行設(shè)計之前，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)計選用通用單片機作為主控芯片單片機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)定性高和實用性強的原則。單片機是在一塊硅片上集成了各種部件的微型計算機隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，包括中央處理CPU數(shù)據(jù)存儲RAM、程序存儲ROM定時器/計數(shù)器及輸/輸出（接口電路等主要計算機部件，都可集成在一塊電路芯片上。雖然單片機只是一個芯片，但從組成和功能上，它已經(jīng)具有了微機系統(tǒng)的含義。由于單片機能獨立執(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，單片機也從一開始的8位單片機發(fā)展16位、32等諸多系列，其中51系列單片機由于其靈活方便、價格便宜的優(yōu)點，在眾多制造廠商的支持下已經(jīng)發(fā)展成為具有上百個品種的大家族，如51單片機是應(yīng)用最廣泛的單片機，是大學(xué)里電子、自動化及相關(guān)專業(yè)的必修學(xué)科。AT89S51是一個低功耗，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含4kprogrammable)的可反復(fù)擦寫1000次的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)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8中央處理器ISPFlash存儲單元能強大的微型計算機的AT89S51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案此設(shè)計中采用單片機作為主控制器。AT89S51單片機及其外圍電路設(shè)計如圖所示：數(shù)據(jù)采集電路模塊PH值傳感器換執(zhí)行電路模塊執(zhí)行機構(gòu)D/A轉(zhuǎn)

AT單片機

輔助電路模塊時鐘電路穩(wěn)壓電路復(fù)位電路顯示模塊液晶屏顯示上位機顯示報警圖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值，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成電信號，由單片機對信號進行處理，如果所采集值不在所設(shè)定的上限、下限參數(shù)時，則將產(chǎn)生報警，提醒工作人員檢查報警原因并采取措施。輔助電路模塊主要是為了給單片機提供穩(wěn)定電壓、時間記錄等輔助功能，以保證整個系統(tǒng)能在穩(wěn)定的前提下運作。顯示模塊主要是顯示被測數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機處理之后，經(jīng)液晶顯示屏和上位機界面顯示監(jiān)測的數(shù)據(jù)，主要包含時間及該時刻的PH。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)行機構(gòu)，實現(xiàn)控制效果。3.2污水處理PH值控制系統(tǒng)各部分電路設(shè)計3.2.1AT89S51單片機簡介AT89S51單片機是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓性能CMOS8位單片機AT89S51單片機具有如下特點：40個引腳，4kBytesFlash內(nèi)程序存儲器，128bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（）口，5個中斷優(yōu)先級層中斷嵌套中斷2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口看門（WDT電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。此外AT89S51單片機設(shè)計和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設(shè)置省電模式。空閑模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計數(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。單片機芯片如圖3-2所示：圖3-2AT89S51單片機芯片圖主要特征如下：·8031CPU與MCS-51兼容·4K字節(jié)可編程FLASH存儲器(壽命：1000/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16位定時器/計數(shù)器·6個中斷源·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8位漏級開路雙向I/O，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)口的管腳第一次寫1時被定義為高阻輸入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。FIASH編程時P0口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8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，口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向口，P2口緩沖器可接收，輸出個TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時，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，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。口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向口，可接收輸出個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，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2/INT0（外部中斷0）P3.3/INT1（外部中斷1）P3.4T0（記時器0外部輸入）P3.5T1（記時器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口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。I/O口作為輸入口時有兩種工作方式，即所謂的讀端口與讀引腳。讀端口時實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)過某種運算或變換后再寫回到端口鎖存器。只有讀端口時才真正地把外部的數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)部總線。上面圖中的兩個三角形表示的就是輸入緩沖將根據(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，然后再實行讀引腳操作，否則就可能讀入出錯，為什么看上面的圖，如果不對端口置1端口鎖存器原的狀態(tài)有可能為0Q端為0Q^為1加到場效應(yīng)管柵極的信號為該場效應(yīng)管就導(dǎo)通對地呈現(xiàn)低阻抗，此時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。若先執(zhí)行置1作，則可以使場效應(yīng)管截止引腳信號直接加到三態(tài)緩沖器中實現(xiàn)正確的讀入，由于在輸入操作時還必須附加一個準(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作為輸入時都是準(zhǔn)雙向口。接下來讓我們再看另一個問題，從圖中可以看出這四個端口還有一個差別，除了口外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，要保持R腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，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，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目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0時，ALE只有在執(zhí)行MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀A(yù)LE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，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，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，則在此期間外部程序存儲器（），不管是否有內(nèi)部程序存儲器注意加密方式1時/EA將內(nèi)部鎖定為RESET當(dāng)/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。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)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。

3.2.2A/D轉(zhuǎn)換器本設(shè)計中，對于模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換采用的TLC0820芯片。TLC0820是德州儀器公司（TI）推出的，采用先進LinCMOS工藝制造的位A/D轉(zhuǎn)換器，它由2個4位的閃速（FLASH）轉(zhuǎn)換器1個4位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，個計算誤差放大器，控制邏輯電路和結(jié)果鎖存電路組成其可校正的LASH技術(shù)可以保證芯片在工作溫度范圍內(nèi)完成一個位轉(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00mV/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。兼容的3態(tài)輸出驅(qū)動和種操作模式可以方便的與各種微處理器接口。TLC0820片引腳圖如圖3-3所示：圖3-3TLC0820芯片引腳圖TLC0820芯片特征如下：·先進的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)換和訪問時間在溫度范圍內(nèi)，讀模式最大.5us·無需外部時鐘或振蕩器元件·芯片上跟蹤保持電路·單一5V供電·工作溫度范圍：0℃～70℃（TLC0820A）；℃～85℃（TLC0820AI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113234514151617109

ANLGLNCSD0D1D2D3D4D5D6D7GNDINT

IIOOOOOOOOOO

模擬輸入端片選端，CS須保持低電平以使ADC識別RD或WR數(shù)據(jù)端，3態(tài)數(shù)據(jù)輸出，位0（LSB）數(shù)據(jù)端，3態(tài)數(shù)據(jù)輸出，位1數(shù)據(jù)端，3態(tài)數(shù)據(jù)輸出，位2數(shù)據(jù)端，3態(tài)數(shù)據(jù)輸出，位3數(shù)據(jù)端，3態(tài)數(shù)據(jù)輸出，位4數(shù)據(jù)端，3態(tài)數(shù)據(jù)輸出，位5數(shù)據(jù)端，3態(tài)數(shù)據(jù)輸出，位6數(shù)據(jù)端，3態(tài)數(shù)據(jù)輸出，位7（MSB）地中斷。在寫方式時，中斷輸出（INT）變低提示內(nèi)部計數(shù)延遲時（int）完成及結(jié)果數(shù)據(jù)在輸出鎖定。典型的延遲d時（int00nsS上升緣后開始果RDt（）dd結(jié)束前變低，則INTt（RIL）結(jié)束時變低且轉(zhuǎn)換結(jié)果即可d讀出。INT由RD可CS上升緣復(fù)位71918

MODENCOFLW

IO

方式選擇MODE通過類似下拉電阻的50uA電流源與ND相連。當(dāng)MODE低電平選擇讀方式，當(dāng)MODE高電平則選擇讀-寫方式無內(nèi)部連接溢出指示端。正常情況OFLW是一邏輯高電平?？墒侨绻M輸入V高OFLW在轉(zhuǎn)換結(jié)束時將變低?？捎糜诩壜?lián)兩ref8RDI

個或多個器件以提高分辨率（9位或10位）讀。CS低電平的寫讀方式下，3態(tài)數(shù)據(jù)輸出D0D7在RD變低時被激活。通過在內(nèi)部計數(shù)延遲時間結(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RD變低開始RD變在轉(zhuǎn)換完成時允許3態(tài)數(shù)據(jù)輸出端輸出RDY進入高阻抗?fàn)顟B(tài)及INT變低指示轉(zhuǎn)換完成。1112136

REFREFVccWR/RDY

III/O

基準(zhǔn)電壓。REF接電阻梯形網(wǎng)絡(luò)的底部?；鶞?zhǔn)電壓。REF接電阻梯形網(wǎng)絡(luò)的頂部。電源寫準(zhǔn)備好。在寫讀方式CS為低電平時WR輸入信號的下降沿啟動轉(zhuǎn)換開始只要RD輸入在內(nèi)部計數(shù)延遲時間完成之前

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進入高阻抗?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)比較器技術(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0.1V至VCC+0.1V。小于Vref-+1/2LSB或大于Vref++1/2LSB模擬輸入信號分別轉(zhuǎn)換為00000000或111111?；鶞?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ref+及Vref-電壓值而變化以便于比率轉(zhuǎn)換。器件在兩種方式下工作：讀及寫讀方式，可通過ODE選擇。當(dāng)MODE處于低電平時，轉(zhuǎn)換器被設(shè)為（只）讀方式。在讀方式，WR/RDY用作輸出且被認(rèn)為是準(zhǔn)備好端。在此狀態(tài)，WR/RDY低電平且CS低電平指示器件忙。轉(zhuǎn)換開始RD的下降沿且在INT下降和WR/RDY恢復(fù)至高阻抗?fàn)顟B(tài)后2.5μs內(nèi)完成此時數(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R/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。在寫讀方式，轉(zhuǎn)換開始于WR/RDY上升沿。高4位快閃ADC通過同時工作的16個比較器測量輸入信號。高精度的位DAC這時從轉(zhuǎn)換結(jié)果產(chǎn)生一離散的模擬電壓。一段延遲時間后，第二組比較器根據(jù)輸入電平及DAC輸出間的模擬電壓差完成低四位轉(zhuǎn)換每一個轉(zhuǎn)換結(jié)果輸入一個位鎖定電路并且在RD的下降沿輸出至3態(tài)輸出緩沖器。3.2.3時鐘電路由于本系統(tǒng)是對污水處理的實時監(jiān)測和控制所以在設(shè)計中有必要對不同時刻污水PH值進行采樣并存儲數(shù)據(jù)，所以時鐘電路部分是本系統(tǒng)設(shè)計中是不可缺少的。系統(tǒng)中選用的是DS1302時鐘芯片來設(shè)計時鐘電路部分。時鐘芯片DS1302是美國DALLAS公司推出的其在測量系統(tǒng)應(yīng)用中可以對年月、周日、時、分、秒進行計時，且具有閏年補償?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)點的記錄上，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)與出現(xiàn)該數(shù)據(jù)的時間同時記錄。這種記錄對長時間的連續(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行具有重要的意義。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄方式是隔時采樣或定時采樣，沒有具體的時間記錄，因此只能記錄數(shù)據(jù)而無法準(zhǔn)確記錄其出現(xiàn)的時間；若采用單片機計時，一方面需要采用計數(shù)器，占用硬件資源，另一方面需要設(shè)置中斷、查詢等，同樣耗費單片機的資源，而且某些測控系統(tǒng)可能不允許。而在系統(tǒng)中采用DS1302能很好地解決這個問題。時鐘芯片DS1302引腳圖及內(nèi)部原理圖如圖3-4示：圖3-4DS1302引腳圖及內(nèi)部原理圖DS1302結(jié)構(gòu)與工作原理：DS1302[1]是美國DALLAS公司推出的一種高性能功耗RAM的實時時鐘芯片，工作電壓寬達2.5～5.5V。采用三線接口與CPU行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或RAM數(shù)據(jù)。DS1302內(nèi)部有一個31×８的用于臨時性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升級產(chǎn)品，與DS1202兼容，但增加了主電源／后背電源雙電源引腳，同時提供了對后背電源進行涓細(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12.345678

Vcc2X1.X2GNDRSTI/OSCLKVcc1

主電源振蕩源，外接32768Hz晶振地線復(fù)位/片選線串行數(shù)據(jù)輸入/輸出雙向）串行數(shù)據(jù)輸入端后備電源DS1302共有12個寄存器，其中有7個寄存器與日歷、時鐘相關(guān)，存放的數(shù)據(jù)位為BCD碼形式。此外，DS1302還有年份寄存器、控制寄存器、充電寄存器、時鐘突發(fā)寄存器及與RAM相關(guān)的寄存器等時鐘突發(fā)寄存器可一次性順序讀寫除充電寄存器外的所有寄存器內(nèi)容。DS1302與RAM相關(guān)的寄存器分為兩類，一類是單個RAM單元，共31個，每個單元組態(tài)為一個8位的字節(jié)，其命令控制字為，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寄存器，此方式下可一次性讀寫所有的RAM的31個字節(jié)，命令控制字為FEH（寫）、FFH（讀）。其數(shù)據(jù)讀寫時序如圖3-5所示：圖3-5DS1302數(shù)據(jù)讀寫時序3.2.4液晶屏顯示模塊在本系統(tǒng)設(shè)計中，處理后的數(shù)據(jù)（包含具體時間和該時刻PH值）是用1602液晶顯示屏顯示，因為其具有占用引腳少、方便布線、編程簡單等優(yōu)點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，基本上也都采用了與之兼容的控制IC，所以從特性上基本上是一樣的；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)格基本如下表所示：

顯示容量：16*2個字符芯片工作電壓：4.5~5.5V工作電流：2.0mA（5.0V）模塊最佳工作電壓：5.0V字符尺寸：2.95*4.35（WXH）mm模塊的引腳說明如下表：編號123

符號VSSVDDVL

引腳說明電源地電源正極液晶顯示偏壓信號

編號91011

符號D2D3D4

引腳說明DataI/ODataI/ODataI/O4

RS

數(shù)據(jù)/命令選擇端（H/L）12

D5

DataI/O5678

R/WED0D1

讀/寫選擇端（H/L）使能信號DataI/ODataI/O

13141516

D6D7BLABLK

DataI/ODataI/O背光源正極背光源負(fù)極3.2.5上位機顯示界面模塊上位機是指可以直接發(fā)出操控命令的計算機，一般PC。而上位機控制界面主要是屏幕上顯示各種信號變化，本設(shè)計中主要是把系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)（時間PH值）在屏幕上顯示。在本系統(tǒng)中，系統(tǒng)硬件采MAX232芯片來連接上位機，使數(shù)據(jù)得以在上位機界面顯示。是一種把電腦的串行口rs232信號電平（-10，+10V）轉(zhuǎn)換為單片機所用到的TTL信號電平（0，+5V）的芯片。MAX232芯片引腳如圖3-6所示：圖3-6MAX232芯片引腳圖

各引腳定義及符號如下：引腳

定

義

符號123456789上位機界面如圖3-7所示：

載波檢測DCD接收數(shù)據(jù)RXD發(fā)送數(shù)據(jù)TXD數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好DTR信號地SG數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好DSR請求發(fā)送RTS清除發(fā)送CTS振鈴提示RI圖3-7上位機界面

3.2.6報警電路在本設(shè)計中，設(shè)置了污水允許PH值區(qū)間，根據(jù)環(huán)保部門要求污水處理PH值應(yīng)該在6到8之間，因此，系統(tǒng)設(shè)置PH值參數(shù)的上限值為8，下限值為6。PH值超出上限值或下限值時，發(fā)光二極管將以發(fā)光形式報警，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)的硬件組成部分及其工作原理系統(tǒng)的核心控制是通過AT89S51單片機對被采集的信號處理，在通過顯示模塊顯示處理后的信息，輸出量實施于執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)控制。硬件設(shè)計思路條理清晰，電路簡單，能基本滿足污水處理過程的各項要求。

4理H值4.1污水處理PH值控制系統(tǒng)軟件設(shè)計方案系統(tǒng)是否能夠正常、穩(wěn)定的工作，不僅要有硬件部分，而且軟件設(shè)計上也是相當(dāng)重要的件設(shè)計體現(xiàn)了整個系統(tǒng)的控制思路個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模塊所需實現(xiàn)的功能做編寫，然后針對各個模塊進行調(diào)試。在完成了每一個模塊的功能調(diào)試后，再對整個系統(tǒng)軟件調(diào)試，以確保各個模塊之間能在單片機的主控制下，相互協(xié)調(diào)。這樣的設(shè)計方法有利于系統(tǒng)的設(shè)計與維護。整個軟件系統(tǒng)的組成是由主程序和多個子程序，主程序是負(fù)責(zé)系統(tǒng)主控制，而子程序是實現(xiàn)各個模塊的功能。當(dāng)主程序初始化結(jié)束后，再經(jīng)過各個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、轉(zhuǎn)換子程序、時鐘子程序、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換子程序時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，另一種是語言。匯編語言是一種功能很強的程序設(shè)計語言也是利用計算機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口，不受編譯器的限制，對生成二進制代碼進行完全控制，還能根據(jù)特定的應(yīng)用對代碼做最佳的優(yōu)化，提高運行速度。但考慮到其編寫的代碼非常難懂，不好維護，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)和處理器進行優(yōu)化，開發(fā)效率很低，時間長且單調(diào)等因素，因此，在本設(shè)計

中采用C語言作為設(shè)計語言。C語言有很好的結(jié)構(gòu)性，比較適合復(fù)雜的，多個子程序的程序編寫，容易閱讀和維護，能有效縮短系統(tǒng)開發(fā)時間，減少程序員的工作量。本系統(tǒng)設(shè)計的軟件是在Windows集成開發(fā)環(huán)境ision51下用單片機C51高級語言編寫。軟件開發(fā)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4.3.1主程序設(shè)計主程序是本系統(tǒng)的核心控制思想，此部分設(shè)計是至關(guān)重要的，因為它是整個軟件部分的中心樞紐。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)計中，單片機主要控制實現(xiàn)的功能有：數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理和輸出控制量、液晶屏顯示、上位機顯示及按鍵。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Low（PH<6）A/D采集及顯示OKDS1302及顯示

顯示Up（PH>8）關(guān)

掃描按鍵開串口上傳圖4-3主程序控制框圖4.3.2初始化當(dāng)系統(tǒng)程序開始運行之前，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)計中，主要是堆棧I/O口、定/計數(shù)器等特殊功能的寄存器做好初始化。程序初始化將對各個模塊賦初值，使硬件在系統(tǒng)工作開始時符合程序設(shè)計的要求，并能按照軟件的指令執(zhí)行。4.3.3A/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)定的上限與下限對比，如果超過系統(tǒng)設(shè)置的區(qū)間，則發(fā)出報警信息。A/D轉(zhuǎn)換控制框圖如圖4-4所示：

等待

開始Read=0轉(zhuǎn)換完成？INT=0？P0讀取數(shù)據(jù)Read=1判斷是否Y超過設(shè)定值？N結(jié)束圖4-4A/D轉(zhuǎn)換控制框圖

報警4.3.4時鐘子程序由于本系統(tǒng)對污水PH值有實時監(jiān)測功能，所以時間記錄是非常有意義的。這部分主要是DS1302芯片完成。芯片與CPU進行同步通信，采用突發(fā)方式一次傳輸多個字節(jié)的時鐘信號或RAM數(shù)據(jù)到芯片內(nèi)部的31*8的臨時存放數(shù)據(jù)的AM寄存器。控制框圖如下：開始讀時間寄存器數(shù)據(jù)分解顯示結(jié)束圖4-5時鐘芯片控制框圖

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，單片機51作為編寫語言及編寫環(huán)境Vision51。軟件是控制系統(tǒng)的重要組成部分，在理解了整個系統(tǒng)的控制思路下，編寫系統(tǒng)的主控制程序及各個模塊的子程序個程序控制思路清晰合理邏輯清晰，為后面調(diào)試系統(tǒng)，驗證其是否能完成污水PH值監(jiān)測控制功能打下基礎(chǔ)。

5理PH對本系統(tǒng)的調(diào)試主要分為三個部分，分別是硬件調(diào)試、軟件調(diào)試及整體調(diào)試。調(diào)試是最直觀的檢驗系統(tǒng)的工作情況的手段，同時，也可以驗證算法的可行性。對系統(tǒng)進行調(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\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，來檢驗軟件程序的邏輯編寫是否存在錯誤。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)的絕大部分芯片都是焊接在電路板上所以首先應(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、焊接錯誤等。對于AT89S51單片機的供電情況做測試，可以給其通電，用萬用表測單片機的工作電壓，如果為5V左右，說明單片機正常工作。然后可以對單片機引腳測試，如果口都為高電平，說明引腳正常工作。對A/D轉(zhuǎn)換芯片、時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T89S51單片機作為系統(tǒng)的主要控制核心。根據(jù)系統(tǒng)所要系統(tǒng)各個模塊所要實現(xiàn)的功能，用indows集成軟件的人機界面開發(fā)環(huán)境Vision51用C51進行編程，通過編程器將程序下載到單片機中進行調(diào)試。也可以通過仿真的方法來調(diào)試軟件系統(tǒng)。打開roteus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)計連接電路。然后給系統(tǒng)加模擬電壓，并點擊開始仿真按鈕。如果這個時候單片機的端口有閃爍，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仿真軟件proteus只能對程序的邏輯和編寫規(guī)范做調(diào)試，具體的細(xì)節(jié)和系統(tǒng)能否真正實現(xiàn)預(yù)先設(shè)計的功能，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)試之前，首先把編寫好的單片C51程序下載到AT89S51單片機，然后分別對AT89S51單片機、A/D轉(zhuǎn)換器、時鐘模塊、上位機模塊進行調(diào)試。這樣可以避某一模塊出現(xiàn)問題而導(dǎo)致其他模塊受到損壞。首先對A/D進行調(diào)試，利用電位器給A/D提供電壓，為V到5V，A/D轉(zhuǎn)換器將對其進行采樣，這個時候如果A/D正常工作，在液晶顯示屏上將顯示一個數(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。下面對時鐘模塊進行調(diào)試，當(dāng)給芯DS1302供電之后，發(fā)現(xiàn)顯示屏上沒有日期和時間等顯示內(nèi)容經(jīng)過檢查原來是時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。為了使時鐘記錄的信息不會因掉電而丟失，我們準(zhǔn)備了鋰電池對其供電，這樣時鐘信息就能被保存，也就不需要重復(fù)給時鐘芯片DS1302初始化。以上幾個模塊調(diào)試成功之后，我們就可以把它們連接，進行調(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這樣就能符合實際地模擬出PH值測試。系統(tǒng)上設(shè)置了一個報警模塊，是由兩個不同顏色的發(fā)光二極管發(fā)出報警信號的。其中，把電位轉(zhuǎn)換為PH值之后，如果采集的PH值在小于時，黃色的二極管將發(fā)光，液晶顯示屏上將顯示LOW，提示要加堿中和；如果采集PH值在大于8時，紅色的二極管將發(fā)光，液晶顯示屏上將顯示UP,提示要加酸中和。這時也可以用上位機顯示控制的信息，首先可以把AX232的端口與電腦的USB接口連接。然后，根據(jù)向?qū)崾荆o該端口下載驅(qū)動程序，再打開串口調(diào)試助手工具，根據(jù)電腦硬件屬性選擇合適的COM，接著在板子上按下上傳信息的按鈕，在上位機界面上點擊連接，則顯示信息將會在上位機界面顯示。以上每個模塊都調(diào)試成功后，我們可以按步驟讓系統(tǒng)重新工作一次。首先給板子供電，此時，表示接入電源的二極管發(fā)光。然后，按下復(fù)位鍵，液晶顯示屏上將出現(xiàn)日期和時（顯示月日時分并計時和當(dāng)前的PH值數(shù)據(jù)上傳上位機開關(guān)顯示K:OFF。此時，可以調(diào)節(jié)給A/D電壓的電位器，PH值發(fā)生變化，當(dāng)調(diào)節(jié)PH值小于時，黃色二極管發(fā)光，報警提示加堿中和，液晶顯示屏顯LOW；當(dāng)調(diào)節(jié)PH值大于時，紅色二極管發(fā)光，報警提示加酸中和，液晶顯示屏顯示UP。此時，連接AX232端口與電腦USB接口，按向?qū)螺d驅(qū)動程序，在串口調(diào)試助手上選擇正確的OM，選擇合適的刷新顯示頻率，此時，按下板子上傳上位機開關(guān)，顯示K：ON。再點擊串口調(diào)試助手的連接按鈕，在窗口上將顯示日期時間及采集的PH值，并按照頻率刷新顯示一次。以上就是對整個系統(tǒng)的調(diào)試過程，結(jié)果表明本系統(tǒng)能模擬污水處PH值控制，做到實時監(jiān)測和顯示，并報警。5.4本章小結(jié)本章主要介紹了一些芯片的常規(guī)調(diào)試方法，通過對系統(tǒng)的各個模塊單獨調(diào)試，再對整個系統(tǒng)調(diào)試，分析了板子在污水處PH值監(jiān)測控制的實際，實現(xiàn)了模擬其控制并采集數(shù)據(jù)和顯示，同時驗證了PID算法的可行性。

6隨著我國工業(yè)化不斷發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，水資源問題成為我國社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展最突出的問題之一，也是人們最關(guān)注的社會問題之一。在一些污水處理廠中，存在處理效果不佳，運行費用高和污染環(huán)境等問題，而這些問題往往是由于設(shè)備運行引起的。而在傳統(tǒng)的污水處理過程控制需要工作人員現(xiàn)場進行手工操作和監(jiān)視，導(dǎo)致對系統(tǒng)的意外事件反應(yīng)較慢，無法對水質(zhì)做出反應(yīng)和調(diào)整，限制了污水處理的穩(wěn)定性和處理質(zhì)量。本系統(tǒng)結(jié)合污水處理廠處理污水PH值的過程要求由于水在發(fā)生中和反應(yīng)呈明顯的非線性，所以在設(shè)PID算法時采用了智能區(qū)間控制的算法。經(jīng)過系統(tǒng)電路硬件的調(diào)試，結(jié)果表明污水PH值智能區(qū)間控制能適應(yīng)PH值中和非線性，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、算法簡便、效果良好且耗藥少，在污水處理廠得到推廣，有明顯的經(jīng)濟效益。以下是對本系統(tǒng)所做工作的總結(jié)：（1）了解現(xiàn)代污水處理廠對污水處理的流程，國內(nèi)外對污水處理技術(shù)發(fā)展情況。（2）了解PH值中和過程非線性的原因。（3）對污水PH值中和特點，建立控制模型，完成智能區(qū)間控制ID算法。（4）設(shè)計AT89S51單片機為主控制芯片的PH值控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對污水H值的實時監(jiān)測，對所采集的數(shù)據(jù)進行分析、存儲和顯示，對PH值超標(biāo)產(chǎn)生報警。（5）在Vision2環(huán)境下用單片機C51語言編寫AT89S51片機程序，先編寫主控程序，然后分別對各個模塊編寫子程序，然后對各個功能模塊進行調(diào)試，調(diào)試成功后，再對整個系統(tǒng)做連接調(diào)試。（6）在確認(rèn)硬件和軟件在各個模塊調(diào)試下，對整個系統(tǒng)進行整體調(diào)試。結(jié)果表明了智能區(qū)間控制PID算法的可行性，給現(xiàn)代污水處理自動監(jiān)測控制提供了一個新思路。本系統(tǒng)從設(shè)計到制作并調(diào)試成功，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼撟C一種控制思想，具有一定理論價值。但也還有很多不夠完善的地方，有些功能是利用相近的模塊來進行模擬，而且對報警之后，執(zhí)行機構(gòu)的自動控制部分還需要結(jié)合電工儀表等領(lǐng)域的知識來解決。對于本設(shè)計系統(tǒng)的控制思路對現(xiàn)代工業(yè)的自動控制領(lǐng)域具有一定參考價值但對于污水處理過程的復(fù)雜性，控制方法還有待進入更深的研究和完善。

辭不知不覺畢業(yè)設(shè)計論文已經(jīng)寫到謝辭部分，在此，謹(jǐn)向我尊敬的導(dǎo)師王紅老師表示最誠摯的敬意和感謝。回想起論文的選題到論文的圓滿完成，王老師給予了我耐心的指導(dǎo)和幫助。剛開題不久，由于本人到深圳實習(xí)，畢業(yè)設(shè)計就一直耽誤著，直到月底回校之后，才開始做畢業(yè)設(shè)計。而這個時候，其他同學(xué)的畢業(yè)設(shè)計已經(jīng)做了很多，有的甚至已經(jīng)完成。相比之下，我的畢業(yè)設(shè)計進展滯后很多。這一個多月來，我開始了真正意義上的畢業(yè)設(shè)計，從上網(wǎng)、到圖書館查閱課題相關(guān)資料，到制作污水處PH值系統(tǒng)的硬件和軟件制作及調(diào)試，直到把論文完成，讓我學(xué)會了很多東西。在制作畢業(yè)設(shè)計的過程中，讓我學(xué)會了工程技術(shù)中嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬎季S，在科研中鍛煉了分析問題和解決問題的能力，受益匪淺。在此，還要感謝我的家人。感謝父母在這段時間對我的關(guān)心和鼓勵，不論處境多么艱難，他們都默默的在背后支持我。寒窗苦讀十多年，在父母的支持下，讓我有機會踏進大學(xué)，學(xué)習(xí)專業(yè)知識，學(xué)習(xí)一技之長。我將在畢業(yè)之后，用自己勤勞的雙手好好報答我的父母。同時，還要感謝我的朋友蘇釗、溫海、何鈞、韋志龍，在學(xué)習(xí)上，他們給了我很多幫助。他們扎實的專業(yè)知識和高超的動手能力，一直都是我學(xué)習(xí)的榜樣和努力的方向。大學(xué)，這段即美好又刻骨銘心的日子，將永遠(yuǎn)保存在我的記憶里。在大學(xué)四年里，還有許許多多朋友在背后默默支持我，在此，也向曾經(jīng)幫助我支持我的朋友表示感謝，祝愿大家：前程似錦，事事順利！最后，感謝審閱本人畢業(yè)設(shè)計論文的老師，企盼您的指正，您辛苦了！

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錄附錄一系統(tǒng)原理圖A/D轉(zhuǎn)換器時鐘DS1302

USB供電口

下載口上位機接口

AT89S51單片機液晶顯示屏1602

附錄二PCB圖附錄三程序"DS1302.h"http://#defineuintunsignedintRW=P2^7;Read=P2^6;INT=P2^5;key1=P1^3;key2=P1^4;led1=P2^4;led2=P2^3;a,i;data1[3];

getdata;floatnum1;unsignedintunsignedcharold_data,flag,done1;voiddelay(unsignedn);voidLCD_Init(void);voidDisplay_List_Char(uchar*str);voidvoid(void);unsignedcharcharvoid(void);voidAD()//轉(zhuǎn)換的子函數(shù){//CS=0;Read=0;//選中和開始信號，非阻塞吧，是順序?qū)嵭斜容^好{等待轉(zhuǎn)換結(jié)束{delay(5);//非阻delay(2);Read=1;break;}}}showAD(){num1=getdata*140/256;num=(unsignedif(num>80){led1=0;led2=1;Display_List_Char(1,5,"Up");}{led1=0;led2=0;Display_List_Char(1,5,"OK!");}data1[0]=num%10;data1[1]=num/10%10;

}串初始化操作voidinit(){TMOD=0x20;//T1定器工作方式2//初值TL1=0xfd;//初值TR1=1;//啟動定時器//***********************************//設(shè)定串口工作方式//上//允串口接收//***********************************EA=1;//開總中斷ES=1;//開串口中斷//因為定時器是自動重裝初值的因此不需要開定時中斷}/*---------------------------------*/void{if(key1==0){delay(200);//delay(200);if(key1==0){if(done1==1)}}if(key2==0){delay(200);//delay(200);}}void{extern初化日期externtime_temp[3];//初始化時間

externdat[22];dat[8]=0x3A;LCD_Init();LCD_Init();//DS1302_init();Display_List_Char(1,0,"k:OF");Display_List_Char(1,9,"PH:");//Display_One_Char(1,14,0x49);{AD();showAD();DS1302_read_string();if(dat[13]!=old_data){flag=1;}if(flag&&done1){ES=0;for(i=0;i<22;i++){TI=0;}ES=1;

//發(fā)送數(shù)據(jù)

flag=0;}}}//end串中斷-voidser()interrupt4{RI=0;flag=1;z++;if(a=='/')z=2;}/*------------------------------------*/LCDRS=P1^0;//數(shù)指令控制LCDRW=P1^1;//寫控制LCDEN=P1^2;//液屏使能控制LP0=P3^4;LP1=P3^5;LP2=P3^6;LP3=P3^7;//**********時函數(shù)，延時n*1ms*********voiddelay(unsignedn){inti,j;for(i=0;i++)for(j=0;j++);}//*************寫令***************voidWrite_Cmd(unsignedcharC){LCDEN=1;//能端，由高電平跳變成低電平時，液晶屏模塊執(zhí)行命令

LCDRS=0;//令寄存器選擇LP0=C&0x10;LP1=C&0x20;LP2=C&0x40;LP3=C&0x80;LCDEN=0;LCDEN=1;LP0=C&0x01;LP1=C&0x02;LP2=C&0x04;LP3=C&0x08;LCDEN=0;delay(10);}//**************數(shù)**************voidD){LCDEN=1;//能端，由高電平跳變成低電平時，液晶屏模塊執(zhí)行命令LCDRS=1;//擇數(shù)據(jù)寄存器LP0=D&0x10;LP1=D&0x20;LP2=D&0x40;LP3=D&0x80;LCDEN=0;LCDEN=1;LP0=D&0x01;LP1=D&0x02;LP2=D&0x04;LP3=D&0x08;LCDEN=0;delay(10);}//**********LCD初始化*****************voidLCD_Init(void){寫擇(該可選擇要不要寫數(shù)據(jù)，要寫時必低，大多不放在初始化里，而在函數(shù))LCDRS=0;//令寄存器選擇W