簡(jiǎn)易水溫控制系統(tǒng)

目錄第1章緒論 2前言 2方案設(shè)計(jì)與論證 2第2章硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 3硬件系統(tǒng)各功能模塊設(shè)計(jì) 4單片機(jī)最小系統(tǒng) 4溫度檢測(cè)電路 5鍵盤(pán)與顯示電路 8串口通信接口電路 10可控硅調(diào)功控溫電路 11掉電檢測(cè)與保護(hù)電路 13本章小結(jié)： 16第3章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 16系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具軟件介紹 16溫度采集程序設(shè)計(jì) 16溫度積分分離PID控制程序設(shè)計(jì) 18顯示與鍵盤(pán)程序設(shè)計(jì) 19顯示掃描程序設(shè)計(jì) 19鍵盤(pán)掃描程序設(shè)計(jì) 20單片機(jī)通信程序設(shè)計(jì) 21單片機(jī)串行口原理 21單片機(jī)串行口初始化 22單片機(jī)串行口發(fā)送子程序設(shè)計(jì) 23單片機(jī)串行口接收子程序設(shè)計(jì) 24本章小結(jié) 24第4章系統(tǒng)的硬件電路圖 26簡(jiǎn)易水溫控制系統(tǒng)緒論前言溫度控制是很多企業(yè)常見(jiàn)的控制裝置,如機(jī)械行業(yè)的零件熱處理、塑料制品的注塑機(jī)上,粉末冶金行業(yè)燒結(jié)爐、還原爐等都有溫度控制問(wèn)題,尤以熱處理加熱爐的溫度控制最為典型。熱處理加熱爐是工廠(chǎng)熱處理和高校熱處理實(shí)驗(yàn)廣泛使用的加熱設(shè)備。現(xiàn)在所使用的爐溫控制方法很多仍是陳舊的動(dòng)圈式兩位指示調(diào)節(jié)儀(如XCT101型動(dòng)圈式兩位指示調(diào)節(jié)儀)。這種爐溫控制方法爐溫波動(dòng)范圍大,保溫時(shí)間靠人工計(jì)時(shí),加熱速度不能控制,溫度不能全程動(dòng)態(tài)跟蹤顯示。這樣的控制和顯示方式不能滿(mǎn)足日益發(fā)展的工業(yè)需求。高校的發(fā)展同樣要求用現(xiàn)代化手段提升現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備,為學(xué)生提供更多更好、更現(xiàn)代化的實(shí)驗(yàn)條件。因此,我們就學(xué)校熱處理實(shí)驗(yàn)用電阻加熱爐進(jìn)行現(xiàn)代化改革,將PC機(jī)強(qiáng)大的軟硬件資源、友好的人機(jī)界面和80C196單片機(jī)優(yōu)秀的實(shí)時(shí)控制功能、靈活的編程能力有機(jī)的結(jié)合起來(lái),開(kāi)發(fā)出熱處理微機(jī)控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)溫度控制的自動(dòng)化。不但能用于學(xué)校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)及其它一些研究課題的開(kāi)發(fā),同樣能用于工廠(chǎng)熱處理、注塑機(jī)多點(diǎn)溫度的控制,提高工業(yè)企業(yè)自動(dòng)化水平。方案設(shè)計(jì)與論證根據(jù)題目的要求，我們提出了以下的兩種方案：（1）、方案一：此方案是采用傳統(tǒng)的模擬控制方法（方案框圖如圖1-1-1），選用模擬電路，用電位器設(shè)定給定值，反饋的溫度值與給定的溫度值比較后，決定加熱或者不加熱。器特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但是系統(tǒng)所得結(jié)果的精度不高并且調(diào)節(jié)動(dòng)作頻繁，系統(tǒng)靜差大，不穩(wěn)定。系統(tǒng)受環(huán)境的影響大，不能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，而且不易實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制及對(duì)溫度的顯示，人機(jī)交換性能差。圖1-1-1模擬控制框圖（2）、方案二：采用單片機(jī)89s51為核心。采用了溫度傳感器DS18B20采集溫度變化信號(hào)，并通過(guò)單片機(jī)處理后去控制溫度，使其達(dá)到穩(wěn)定。使用單片機(jī)具有編程靈活，控制簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，使系統(tǒng)能簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)溫度的控制及顯示，并且通過(guò)軟件編程能實(shí)現(xiàn)各種控制算法使系統(tǒng)還具有控制精度高的特點(diǎn)。比較兩種方案，方案二明顯的改善了方案一的不足及缺點(diǎn)，并具有控制簡(jiǎn)單、控制溫度精度高的特點(diǎn)。因此本設(shè)計(jì)電路采用方案二。硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案控制系統(tǒng)的總體硬件結(jié)構(gòu)水溫裝置AT89S51PC機(jī)DS18B20顯示部分鍵盤(pán)圖2-1控制系統(tǒng)的總體硬件結(jié)構(gòu)圖控制系統(tǒng)的總體硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2-1。本系統(tǒng)采用AT89S52單片機(jī)作為下位機(jī)，溫度檢測(cè)與控制。PC機(jī)為上位機(jī)，與單片機(jī)實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)參數(shù)顯示、修改、報(bào)警等功能。硬件系統(tǒng)各功能模塊設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng)AT89S52是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4kbytes的可系統(tǒng)編程的Flash只讀程序存儲(chǔ)器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)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(chǔ)器既可在線(xiàn)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(jià)位AT89S51單片機(jī)可為您提供許多高性?xún)r(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。由于AT89S52是一個(gè)低功耗，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含8kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反復(fù)擦寫(xiě)1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)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ISPFlash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89S52可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性?xún)r(jià)比的解決方案。因此，本系統(tǒng)使用AT89S52單片機(jī)作為微處理器，AT89S52引腳圖如圖2-2。它主要具有如下特點(diǎn)：40個(gè)引腳，8kBytesFlash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，256bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(jí)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，看門(mén)狗（WDT）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。AT89S52設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過(guò)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，因而可以保存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。下面列出了AT89S52的一些性能參數(shù)：·與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容·4k字節(jié)在系統(tǒng)編程（ISP）Flash閃速存儲(chǔ)器·1000次擦寫(xiě)周期·－的工作電壓范圍·全靜態(tài)工作模式：0Hz－33MHz·三級(jí)程序加密鎖·128×8字節(jié)內(nèi)部RAM·32個(gè)可編程I／O口線(xiàn)·2個(gè)16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器·6個(gè)中斷源·全雙工串行UART通道·低功耗空閑和掉電模式·中斷可從空閑模喚醒系統(tǒng)·看門(mén)狗（WDT）及雙數(shù)據(jù)指針·掉電標(biāo)識(shí)和快速編程特性·靈活的在系統(tǒng)編程（ISP字節(jié)或頁(yè)寫(xiě)模式） 圖2-2AT89S52引腳圖圖2-3微處理器電路圖整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)接口分配情況如下：P0口復(fù)用于傳輸LED位數(shù)據(jù)以及。溫度檢測(cè)電路DALLAS最新單線(xiàn)數(shù)字溫度傳感器DS18B20簡(jiǎn)介新的“一線(xiàn)器件”體積更小、適用電壓更寬、更經(jīng)濟(jì)Dallas半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS1820是世界上第一片支持“一線(xiàn)總線(xiàn)”接口的溫度傳感器。一線(xiàn)總線(xiàn)獨(dú)特而且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，使用戶(hù)可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。DS18B20、DS1822“一線(xiàn)總線(xiàn)”數(shù)字化溫度傳感器同DS1820一樣，DS18B20也支持“一線(xiàn)總線(xiàn)”接口，測(cè)量溫度范圍為-55°C~+125°C，在-10~+85°C范圍內(nèi),精度為±0.5°C。DS1822的精度較差為±2°C?，F(xiàn)場(chǎng)溫度直接以“一線(xiàn)總線(xiàn)”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量，如：環(huán)境控制、設(shè)備或過(guò)程控制、測(cè)溫類(lèi)消費(fèi)電子產(chǎn)品等。與前一代產(chǎn)品不同，新的產(chǎn)品支持3V~5.5V的電壓范圍，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更靈活、方便。而且新一代產(chǎn)品更便宜，體積更小。DS18B20、DS1822的特性DS18B20可以程序設(shè)定9~12位的分辨率，精度為±0.5°C?？蛇x更小的封裝方式，更寬的電壓適用范圍。分辨率設(shè)定，及用戶(hù)設(shè)定的報(bào)警溫度存儲(chǔ)在EEPROM中，掉電后依然保存。DS18B20的性能是新一代產(chǎn)品中最好的！性能價(jià)格比也非常出色！DS1822與DS18B20軟件兼容，是DS18B20的簡(jiǎn)化版本。省略了存儲(chǔ)用戶(hù)定義報(bào)警溫度、分辨率參數(shù)的EEPROM，精度降低為±2°C，適用于對(duì)性能要求不高，成本控制嚴(yán)格的應(yīng)用，是經(jīng)濟(jì)型產(chǎn)品。繼“一線(xiàn)總線(xiàn)”的早期產(chǎn)品后，DS1820開(kāi)辟了溫度傳感器技術(shù)的新概念。DS18B20和DS1822使電壓、特性及封裝有更多的選擇，讓我們可以構(gòu)建適合自己的經(jīng)濟(jì)的測(cè)溫系統(tǒng)。

DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管腳排列如下:圖2-4DS18B20的管腳排列圖

DQ為數(shù)字信號(hào)輸入/輸出端；GND為電源地；VDD為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線(xiàn)方式時(shí)接地）。

光刻ROM中的64位序列號(hào)是出廠(chǎng)前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼。64位光刻ROM的排列是：開(kāi)始8位（28H）是產(chǎn)品類(lèi)型標(biāo)號(hào)，接著的48位是該DS18B20自身的序列號(hào)，最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一個(gè)DS18B20都各不相同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線(xiàn)上掛接多個(gè)DS18B20的目的。

DS18B20中的溫度傳感器可完成對(duì)溫度的測(cè)量，以12位轉(zhuǎn)化為例:用16位符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，以℃/LSB形式表達(dá)，其中S為符號(hào)位。表2-112位轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)

這是12位轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在18B20的兩個(gè)8比特的RAM中，二進(jìn)制中的前面5位是符號(hào)位，如果測(cè)得的溫度大于0，這5位為0，只要將測(cè)到的數(shù)值乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測(cè)到的數(shù)值需要取反加1再乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度。例如+125℃的數(shù)字輸出為07D0H，+℃的數(shù)字輸出為0191H，℃的數(shù)字輸出為FF6FH，-55溫度檢測(cè)控制電路圖見(jiàn)圖2-5。圖2-5溫度檢測(cè)控制電路圖DS1820使用中注意事項(xiàng)DS1820雖然具有測(cè)溫系統(tǒng)簡(jiǎn)單、測(cè)溫精度高、連接方便、占用口線(xiàn)少等優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中也應(yīng)注意以下幾方面的問(wèn)題：(1)較小的硬件開(kāi)銷(xiāo)需要相對(duì)復(fù)雜的軟件進(jìn)行補(bǔ)償，由于DS1820與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，在對(duì)DS1820進(jìn)行讀寫(xiě)編程時(shí)，必須嚴(yán)格的保證讀寫(xiě)時(shí)序，否則將無(wú)法讀取測(cè)溫結(jié)果。在使用PL/M、C等高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)DS1820操作部分最好采用匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。(2)在DS1820的有關(guān)資料中均未提及單總線(xiàn)上所掛DS1820數(shù)量問(wèn)題，容易使人誤認(rèn)為可以?huà)烊我舛鄠€(gè)DS1820，在實(shí)際應(yīng)用中并非如此。當(dāng)單總線(xiàn)上所掛DS1820超過(guò)8個(gè)時(shí)，就需要解決微處理器的總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)問(wèn)題，這一點(diǎn)在進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要加以注意。(3)連接DS1820的總線(xiàn)電纜是有長(zhǎng)度限制的。試驗(yàn)中，當(dāng)采用普通信號(hào)電纜傳輸長(zhǎng)度超過(guò)50m時(shí)，讀取的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)將發(fā)生錯(cuò)誤。當(dāng)將總線(xiàn)電纜改為雙絞線(xiàn)帶屏蔽電纜時(shí)，正常通訊距離可達(dá)150m，當(dāng)采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線(xiàn)帶屏蔽電纜時(shí)，正常通訊距離進(jìn)一步加長(zhǎng)。這種情況主要是由總線(xiàn)分布電容使信號(hào)波形產(chǎn)生畸變?cè)斐傻?。因此，在用DS1820進(jìn)行長(zhǎng)距離測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮總線(xiàn)分布電容和阻抗匹配問(wèn)題。(4)在DS1820測(cè)溫程序設(shè)計(jì)中，向DS1820發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序總要等待DS1820的返回信號(hào)，一旦某個(gè)DS1820接觸不好或斷線(xiàn)，當(dāng)程序讀該DS1820時(shí)，將沒(méi)有返回信號(hào)，程序進(jìn)入死循環(huán)。這一點(diǎn)在進(jìn)行DS1820硬件連接和軟件設(shè)計(jì)時(shí)也要給予一定的重視。

測(cè)溫電纜線(xiàn)建議采用屏蔽4芯雙絞線(xiàn)，其中一對(duì)線(xiàn)接地線(xiàn)與信號(hào)線(xiàn)，另一組接VCC和地線(xiàn)，屏蔽層在源端單點(diǎn)接地。鍵盤(pán)與顯示電路為了方便的修改控制參數(shù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了鍵盤(pán)與顯示電路。顯示器的掃描方式一般有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示，對(duì)于多位LED數(shù)碼顯示器，通常采用動(dòng)態(tài)掃描方法，即逐個(gè)地循環(huán)地點(diǎn)亮各位顯示器。這樣雖然在任一時(shí)刻只有1位顯示器被點(diǎn)亮，但是由于人眼具有視覺(jué)殘留效應(yīng)，看起來(lái)與全部顯示器持續(xù)點(diǎn)亮的效果基本一樣（在亮度上要有差別）。靜態(tài)顯示顯示多位LED時(shí)，硬件電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，為簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，電路中沒(méi)有采用譯碼器，直接用單片機(jī)程序進(jìn)行編碼輸出，這樣使硬件結(jié)構(gòu)清晰。圖2-6顯示電路此電路中的LED數(shù)碼顯示器是8段共陽(yáng)極接法，所以顯示0、1、2、3、4、5、6、7、8、9時(shí)分別對(duì)應(yīng)編碼C0H、F9H、A4H、B0H、99H、92H、82H、F8H、80H、90H，要顯示小數(shù)點(diǎn)時(shí)，只需再將相應(yīng)的編碼的最高位置0。由于LED顯示器的段電流為8mA左右，所以不能由單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，因此接上驅(qū)動(dòng)器74LS245八雙向總線(xiàn)收發(fā)器，而LED顯示器的公共端的驅(qū)動(dòng)電流較大，8段全亮?xí)r需約40~60mA。因此在單片機(jī)與LED的公共端之間接上三極管做為電流驅(qū)動(dòng)器以提高驅(qū)動(dòng)能力。此三極管采用的是PNP型。表2-274LS245輸入與輸出鍵盤(pán)采用非編碼鍵盤(pán)結(jié)構(gòu)，目的為了簡(jiǎn)化硬件電路，圖2－7和2-8表示了此4*4行列式鍵盤(pán)的結(jié)構(gòu)示意圖。4*4表示有4根行線(xiàn)和4根列線(xiàn)，在每根行線(xiàn)和列線(xiàn)的交叉點(diǎn)上均勻分布1個(gè)單觸點(diǎn)按鍵，共16個(gè)按鍵。其中定義0~9十個(gè)數(shù)字鍵，小數(shù)點(diǎn)，開(kāi)/關(guān)鍵，顯示參數(shù)鍵，設(shè)定值鍵。P1.5P1.0第一行P1.1第二行P1.2第三行P1.3第四行第1列第2列第3列第4列圖2－7鍵盤(pán)示意圖圖2-8鍵盤(pán)電路串口通信接口電路圖2-9RS-232電平轉(zhuǎn)換和PC機(jī)的接口電路單片機(jī)和PC機(jī)的串行通信一般采用RS-232、RS-422或B3-485總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)接口，也有采用非標(biāo)準(zhǔn)的20nnJL電流環(huán)的。為保證通信的可靠，在選擇接口時(shí)必須注意：(1)通信的速率；(2)通信距離：(3)抗干擾能力；(4)組網(wǎng)方式。本次設(shè)計(jì)采用RS-232接口與單片機(jī)通信的方法。圖2-14為RS-232電平轉(zhuǎn)換和PC機(jī)的接口電路。RS-232是早期為公用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信而制定的標(biāo)準(zhǔn)，其邏輯電平與ITL＼CMOS電平完全不同。邏輯“0”規(guī)定為+5~+15V之間電平，邏輯“1”規(guī)定為-5～-15V之間電平。由于RS-232發(fā)送和接收之間有公共地，傳輸采用非平衡模式，因此共模噪聲會(huì)耦合到信號(hào)系統(tǒng)中，其標(biāo)準(zhǔn)建議的最大通信距離為15米．但實(shí)際應(yīng)用中我們?cè)?00bit／s的速率下可以達(dá)到300米。RS-232規(guī)定的電平和一般微處理器的邏輯電平不一致，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)邏輯電平轉(zhuǎn)換這里通過(guò)采用MCl488和MCl489芯片的轉(zhuǎn)換接口MCl488和MCl489芯片為早期的RS-232至TTL邏輯電平的轉(zhuǎn)換芯片，如圖2-9?？煽毓枵{(diào)功控溫電路可控硅調(diào)功控溫具有不沖擊電網(wǎng)，對(duì)用電設(shè)備不產(chǎn)生干擾等優(yōu)點(diǎn)，是一種廣泛應(yīng)用的控溫方式。調(diào)功控溫指的是在給定周期內(nèi)控制可控硅的導(dǎo)通時(shí)間，從而改變加熱功率來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)，設(shè)采?。刂疲┲芷跒門(mén)，在T周期內(nèi)工頻交流電的半周波長(zhǎng)為N，如全導(dǎo)通時(shí)額定加熱功率為PH，則實(shí)際平均加熱功率P與T周期內(nèi)實(shí)際導(dǎo)通的半周波數(shù)n成正比，即P=n*PH/N.采用可控硅進(jìn)行功率調(diào)節(jié)：方案一：采用移相觸發(fā)方式調(diào)節(jié)功率，它實(shí)際上是控制可控硅的導(dǎo)通角，達(dá)到調(diào)節(jié)功率的目的，此方式易造成電磁干擾且電路復(fù)雜。方案二：過(guò)零觸發(fā)方式，它把可控硅導(dǎo)通的起始點(diǎn)限制在電源電壓過(guò)零點(diǎn)，從而大大降低了諧波分量。因而本設(shè)計(jì)采用該方式。技術(shù)關(guān)鍵：獲取工頻交流電源的過(guò)零觸發(fā)脈沖，作為觸發(fā)雙向可控硅的同步脈沖；將控制算法得到的控制量變?yōu)榭煽毓柙谥芷趦?nèi)的導(dǎo)通時(shí)間；隔離工頻交流電源強(qiáng)電對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)和控制電路弱電的干擾?？煽毓枵{(diào)功控溫電路如圖2-10所示：圖2－10可控硅調(diào)功控溫電路圖中TL494為雙端脈寬調(diào)制器，利用其脈寬調(diào)制功能構(gòu)成脈沖形成及脈寬調(diào)制電路，其功能框圖及引腳圖如圖2-11所示：圖2－11TL494功能框圖及引腳圖將該芯片的5，6腳分別接振蕩器的電阻，電容，通過(guò)改變電阻，電容的大小，即可調(diào)節(jié)振蕩器頻率。振蕩器產(chǎn)生的鋸齒形振蕩波被送到PWM比較器的反相輸入端，脈沖調(diào)寬電壓送到PWM比較器的同相輸入端，通過(guò)PWM比較器的比較，輸出一定寬度的脈沖波，當(dāng)調(diào)寬電壓變化時(shí)，TL494輸出的脈沖寬度隨之改變，從而改變開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，達(dá)到調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸出電壓的目的。脈沖調(diào)寬電壓可由3腳直接送入的電壓來(lái)控制，也可以分別從兩個(gè)誤差放大器輸入端送入，通過(guò)比較，放大，經(jīng)隔離二極管輸出到PWM比較器的正相輸入端，此時(shí)3腳應(yīng)接RC網(wǎng)絡(luò)，提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本設(shè)計(jì)將兩個(gè)放大器的輸入端和反饋接地，將3腳直接接控制電壓，這時(shí)比較器A7輸出為一定頻率的脈沖信號(hào)，將13腳接地，則觸發(fā)器不起作用，所以改變控制電壓的大小即可改變10腳輸出脈沖的寬度。整個(gè)工作過(guò)程為：控制量經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換，得到模擬信號(hào)送給調(diào)功器，調(diào)功器通過(guò)控制可控硅導(dǎo)通時(shí)間和通斷時(shí)間的比例來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率。來(lái)自D/A轉(zhuǎn)換器的模擬控制信號(hào)經(jīng)射隨器傳遞到TL494的第3腳控制端并與TL494內(nèi)部的鋸齒波發(fā)生器產(chǎn)生的鋸齒波信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生相應(yīng)的脈寬信號(hào)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通周波數(shù)控制，達(dá)到精確控溫的目的，工作過(guò)程波形圖如圖2-12所示。圖2－12工作過(guò)程波形圖新型器件MOC3041的使用使調(diào)功器電路變得非常簡(jiǎn)練，它集光電隔離，過(guò)零檢測(cè)功能于一身，具有體積小，功耗低，抗干擾能力強(qiáng)，無(wú)噪聲等優(yōu)點(diǎn)，圖2-13為其構(gòu)成的可控硅基本驅(qū)動(dòng)電路。IFT 1 6 R11 5 T RS AC2過(guò)零檢測(cè) 4 CS過(guò)零檢測(cè) 3 RGRL圖2－13可控硅基本驅(qū)動(dòng)電路RS，CS為吸收電路，并接在功率可控硅的陽(yáng)極與陰極之間，起保護(hù)作用。（負(fù)載若為感性，可控硅通斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的反電動(dòng)勢(shì)，可能引起可控硅的損壞，在相關(guān)電路上并聯(lián)吸收電路后，就能削弱高的瞬時(shí)電壓，從而保護(hù)可控硅）。經(jīng)驗(yàn)公式：CS=（2~4）*It*10-3（VF）RS=10~5O歐R11為觸發(fā)器輸出限流電阻，其電阻由交流電網(wǎng)電壓峰值及觸發(fā)器輸出允許值重復(fù)沖擊電流峰值（1A）決定，取51歐。RG：晶閘管的門(mén)極電阻，防止誤觸發(fā)，提高抗干擾能力，一般取300~500歐。掉電檢測(cè)與保護(hù)電路在工業(yè)控制中，掉電事件可能產(chǎn)生嚴(yán)重后果，本系統(tǒng)能及時(shí)檢測(cè)到交流電源下降，在電路動(dòng)作的滯后時(shí)間內(nèi)，將斷點(diǎn)狀態(tài)保護(hù)在后備電池供電的存儲(chǔ)器內(nèi)，來(lái)電后實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)補(bǔ)償運(yùn)行。（1）掉電檢測(cè)電路采用LM311比較器，其引腳功能外形結(jié)構(gòu)如圖1-14所示，它是一種應(yīng)用較廣泛的集成電壓比較器，具有輸入偏流小，電壓范圍寬（從標(biāo)準(zhǔn)的±15V電源到單一的+5V電源均能正常工作）。圖1－14LM311引腳功能外形結(jié)構(gòu)整個(gè)掉電檢測(cè)電路如圖1-15所示，將LM311設(shè)為射極輸出方式。以3V為臨界，形成外部中斷的觸發(fā)脈沖，將輸入電壓與3V參考電壓相比較，當(dāng)輸入VI大于3V時(shí)，輸出為高電平；而當(dāng)輸入小于3V時(shí)，輸出為低電平。凌陽(yáng)單片機(jī)的B口除具有常規(guī)的輸入/輸出功能外，還具有特殊功能，其中IOB2位可為外部中斷源信號(hào)的輸入，IOB2位根據(jù)輸入的電平來(lái)判斷是否發(fā)出中斷請(qǐng)求。圖1－15掉電檢測(cè)電路及其輸出（2）掉電保護(hù)電路該電路如圖1-16所示，當(dāng)外部VCC=+5V時(shí)，比較器LM393反相端電壓高于正相端，LM393輸出低電平。故原片選信號(hào)低電平有效地加到6264的20腳，同時(shí)26腳為高電平，6264進(jìn)行正常的讀寫(xiě)操作，而當(dāng)VCC下降到一定程度時(shí)，比較器反相端電壓低于正相端時(shí)，LM393輸出為高電平。故20腳為高電平，26腳為低電平，此時(shí)6264的VCC由后備3V干電池供電，從而對(duì)所存數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)。圖1－16掉電保護(hù)電路選用HITACHIHM6264B，其靜態(tài)RAM的容量為64K位，，6264的引腳圖如下：其中CS1，CS2都為片選信號(hào)，WE控制數(shù)據(jù)的寫(xiě)入，OE控制信號(hào)的輸出，圖1－176264引腳圖其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖及控制表如下：圖1－186264內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖表1-36264控制表WECS1CS2OEMODEVCC，CurrentI/OPINHNOTSELECTED（POWERDOWN）Isb，Isb1High—ZLNOTSELECTED（POWERDOWN）Isb，Isb1High—ZHLHHOUTPUTDISABLEIccHigh—ZHLHLREADIccDoutLLHHWRITEIccDinLLHLWRITEIccDin本章小結(jié)：本章介紹水溫控制系統(tǒng)的硬件電路，其電路主要由五大部分組成：溫度檢測(cè)電路，可控硅調(diào)功控溫電路，掉電檢測(cè)與保護(hù)電路，鍵盤(pán)/顯示電路，與上位機(jī)通訊電路。電路設(shè)計(jì)遵循簡(jiǎn)單實(shí)用，易于實(shí)現(xiàn)，安全可靠等原則。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)由于系統(tǒng)的復(fù)雜性，在軟件設(shè)計(jì)部分只設(shè)計(jì)了溫度采集與控制模塊、鍵盤(pán)與顯示模塊以及單片機(jī)通信模塊的程序。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具軟件介紹本系統(tǒng)軟件即單片機(jī)程序設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工具采用KeilC51支持的C語(yǔ)言編寫(xiě)，KeilC51是美國(guó)KeilSoftware公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。用過(guò)匯編語(yǔ)言后再使用C來(lái)開(kāi)發(fā)，體會(huì)更加深刻。KeilC51軟件提供豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。另外重要的一點(diǎn)，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會(huì)到KeilC51生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語(yǔ)句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開(kāi)發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)。KeilC51并提供了強(qiáng)大的調(diào)試功能，uVision2允許用戶(hù)在編輯時(shí)設(shè)置程序斷點(diǎn)（甚至在源代碼未經(jīng)編譯和匯編之前）。用戶(hù)啟動(dòng)V2調(diào)試器之后,斷點(diǎn)即被激活。斷點(diǎn)可設(shè)置為條件表達(dá)式,變量或存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn),斷點(diǎn)被觸發(fā)后,調(diào)試器命令或調(diào)試功能即可執(zhí)行。在屬性框(attributescolumn)中可以快速瀏覽斷點(diǎn)設(shè)置情況和源程序行的位置。代碼覆蓋率信息可以讓你區(qū)分程序中已執(zhí)行和未執(zhí)行的，用戶(hù)可以在編輯器中選中變量來(lái)觀察其取值。雙層窗口顯示,可進(jìn)行調(diào)整當(dāng)前函數(shù)的局部變量、用戶(hù)在兩個(gè)不同watch窗口頁(yè)面上的自定義變量、堆棧調(diào)用(callstack)頁(yè)面上的調(diào)用記錄（樹(shù)）(calltree)、不同格式的四個(gè)存儲(chǔ)區(qū)。由于此開(kāi)發(fā)工具提供的諸多便利，可使開(kāi)發(fā)周期縮短，因此選此工具做系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。3.2溫度采集與控制程序設(shè)計(jì)。溫度采集程序設(shè)計(jì)根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，主機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過(guò)三個(gè)步驟：每一次讀寫(xiě)之前都要對(duì)DS18B20進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對(duì)DS18B20進(jìn)行預(yù)定的操作。當(dāng)主機(jī)收到DS18B20的響應(yīng)信號(hào)后，便可以發(fā)出操作命令，這些命令可以分為ROM命令和RAM命令兩種。CPU的操作過(guò)程如圖3-1所示。由于DS18B20與單片機(jī)間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，在對(duì)DS18B20進(jìn)行讀寫(xiě)編程時(shí)，必須嚴(yán)格的保證讀寫(xiě)時(shí)序，否則將無(wú)法讀取測(cè)溫結(jié)果。操作時(shí)序主要有初始化時(shí)序、讀時(shí)序和寫(xiě)0時(shí)序和寫(xiě)1時(shí)序四種，如圖3-2所示。在溫度測(cè)量?jī)x表中，對(duì)DS18B20的操作主要是復(fù)位、讀數(shù)據(jù)和寫(xiě)數(shù)據(jù)三種，而兩種操作又都是按位進(jìn)行的，所以首先應(yīng)該按照DS18B20的時(shí)序要求，編寫(xiě)讀、寫(xiě)時(shí)間片的程序，其流程圖如圖3-3所示。圖3-1DS18B20操作過(guò)程圖3-2DS18B20操作時(shí)序圖3-3DS18B20操作程序流程圖溫度積分分離PID控制程序設(shè)計(jì)在普通PID控制中，引入積分環(huán)節(jié)的目的主要是為了消除靜差，提高控制精度。但在過(guò)程啟動(dòng)、結(jié)束或大幅度增減設(shè)定時(shí)，短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)輸出有很大的偏差，會(huì)造成PID運(yùn)算的積分積累，致使控制量超過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可能允許的最大動(dòng)作范圍對(duì)應(yīng)的極限控制量，引起系統(tǒng)較大的超調(diào)。積分分離是當(dāng)被控量與設(shè)定值偏差較大是，取消積分作用，以免由于積分作用使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，超調(diào)量增大；當(dāng)被控量接近設(shè)定值時(shí)，引入積分控制，以便消除靜差，提高控制精度。積分分離算法可表示為：式中，為采樣時(shí)間，為積分項(xiàng)的開(kāi)關(guān)系數(shù)：對(duì)于溫度傳遞函數(shù)選擇為，采樣時(shí)間為20s，延遲4個(gè)采樣時(shí)間，即80s，程序流程圖如圖3-4所示。圖3-4溫度單片機(jī)PID控制流程圖顯示與鍵盤(pán)程序設(shè)計(jì)顯示掃描程序設(shè)計(jì)根據(jù)硬件電路已知，P0作為L(zhǎng)ED位控制線(xiàn)輸出，P2.0~P2.5分別對(duì)應(yīng)各LED公共場(chǎng)端輸出。采用動(dòng)態(tài)掃描顯示的程序流程圖見(jiàn)圖2-5。掃描過(guò)程為：首先初始化LED標(biāo)識(shí)index，將index設(shè)為第一個(gè)LED數(shù)碼管，將index指向的數(shù)碼管的顯示編碼從顯示緩沖區(qū)buffer[index]讀出，并將這個(gè)值送入P0口即送入LED位控制線(xiàn)，然后將數(shù)字1按位左移index位并將其值送入P2口，即將index指向的LED數(shù)碼管的公共場(chǎng)端置1，未指入的LED數(shù)碼管的公共場(chǎng)端置0。然后等待1ms左右以將index指入的LED數(shù)碼管點(diǎn)亮。這樣一個(gè)數(shù)碼管就已掃描好了，由于有6個(gè)數(shù)碼管，所以接著判斷index是否已完成指向最后一個(gè)數(shù)碼管，即判斷index是否大于5，如果條件不成立，則將index加1，使其指向下一個(gè)LED數(shù)碼管，并按以前的步驟點(diǎn)亮這個(gè)碼管，直到條件成立。如果條件成立表示所有數(shù)碼管已掃描了一遍，這次掃描工作已結(jié)束。圖3-5動(dòng)態(tài)掃描顯示的程序流程圖鍵盤(pán)掃描程序設(shè)計(jì)鍵盤(pán)掃描過(guò)程為：首先調(diào)用全掃描子程序，檢查有無(wú)閉合鍵，若無(wú)鍵閉合，則結(jié)束這次鍵盤(pán)掃描；若有鍵閉合，則先消抖。這里可通過(guò)執(zhí)行其它子程序來(lái)達(dá)到延時(shí)消抖的目的。然后再次檢查有無(wú)鍵閉合，若無(wú)鍵閉合，則結(jié)束這次鍵盤(pán)掃描；若有鍵閉合，則進(jìn)行逐行掃描，以判別閉合鍵的具體位置。在找到閉合鍵盤(pán)的具體位置以后，再求出所對(duì)應(yīng)的鍵值。其計(jì)算方法通常有兩種：一種是采用特定的計(jì)算公式，直接由閉合鍵的行號(hào)和列號(hào)求得其鍵值；另一種是先求出鍵的特征值，然后再通過(guò)查表求得鍵值。前者方法簡(jiǎn)單，速度較快，但鍵的排列位置固定，不能隨意更改。后者速度較慢，但鍵的位置可任意設(shè)定。計(jì)算出閉合鍵的鍵值后，再判斷鍵釋放否？若鍵未釋放，則等待；若鍵已釋放，則再延時(shí)消抖，然后將鍵值寫(xiě)入鍵盤(pán)輸入緩沖區(qū)以便其它子程序處理。流程圖如圖3-6。圖3-6鍵盤(pán)掃描程序流程圖單片機(jī)通信程序設(shè)計(jì)單片機(jī)串行口原理單片機(jī)內(nèi)部有1個(gè)功能很強(qiáng)的全雙工串行口，可同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。它有4種工作方式，可供不同場(chǎng)合使用。波特率由軟件設(shè)置，通過(guò)片內(nèi)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器產(chǎn)生。接收、發(fā)送均可工作在查詢(xún)方式或中斷方式，使用十分靈活。串行口有兩個(gè)獨(dú)立的接收、發(fā)送緩沖器SBUF（屬于特殊功能寄存器）。1個(gè)用作發(fā)送，1個(gè)用作接收。發(fā)送緩沖器只能寫(xiě)入不能讀出，接收緩沖器只能讀出不能寫(xiě)入，兩者共享1個(gè)字節(jié)地址（99H）。串行口的結(jié)構(gòu)如圖3-7所示。在發(fā)送時(shí)，CPU由1條寫(xiě)發(fā)送緩沖器的指令把數(shù)據(jù)（字符）寫(xiě)入串行口的發(fā)送緩沖器SBUF（發(fā)）中，然后從TXD端1位1位地向外發(fā)送。與此同時(shí)，接收端RXD也可1位1位地接收數(shù)據(jù)，直到收到1個(gè)完整的字符數(shù)據(jù)后通知CPU，再用1條指令把接收緩沖器SBUF（收）的內(nèi)容讀入累加器。圖3-7單片機(jī)串行口的原理結(jié)構(gòu)圖單片機(jī)串行口初始化圖3-8單片機(jī)串行口初始化子程序流程圖單片機(jī)在使用串行口通信時(shí)首先要先進(jìn)行串口初始化工作，即首先設(shè)置串行口為工作方式1并允接收，根據(jù)串行口控制寄存器SCON的原理，設(shè)置SCON為0x50，即串行口被設(shè)置為波特率可變的8位異步通信接口，然后設(shè)置定時(shí)器T1為方式2，根據(jù)定時(shí)器工作方式寄存器TMOD的原理，設(shè)置TMOD為0x20，此時(shí)定時(shí)器T1已被設(shè)為可自動(dòng)重裝入的8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，接著設(shè)置串行口的波特率以便能與PC機(jī)在同一波特率下進(jìn)行通信，初始時(shí)設(shè)置波特率為1200，因?yàn)樵诜绞?下有：(1)定時(shí)器T1的溢出率=波特率*32/2smod=1200*32/20=38400(2)定時(shí)器T1的初值X=2n-(fosc/（T1的溢出率*12）)=28-(11.0592*106/（38400*12）)=232=0xE8按此可分別計(jì)算出波特率為1200，2400，4800，9600時(shí)，分別對(duì)應(yīng)定時(shí)器T1的初值為0xE8，0xF4，0Xfa，0xFD。設(shè)置完波特率之后開(kāi)總中斷和串行口中斷并啟動(dòng)定時(shí)器T1，此時(shí)串行口已初始化完成，進(jìn)入工作狀態(tài)。流程圖如圖3-8。單片機(jī)串行口發(fā)送子程序設(shè)計(jì)圖3-9單片機(jī)串行口發(fā)送子程序流程圖根據(jù)原理圖可知發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)將數(shù)據(jù)送入累加器A后，接著再將累加器A的傳值送入發(fā)送緩沖器SBUF即可發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)，發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)之后由于中斷標(biāo)志TI被置1，所以只要等發(fā)送中斷標(biāo)志TI是否被置1來(lái)判定發(fā)送緩沖器已向外輸出數(shù)據(jù)完成，之后要清除發(fā)送中斷標(biāo)志TI。由于發(fā)送時(shí)一般是多個(gè)數(shù)據(jù)的發(fā)送，所以要檢查是否全部數(shù)據(jù)已發(fā)送，如未完成則接著發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)，直到完成全部數(shù)據(jù)發(fā)送則結(jié)束這個(gè)子程序。流程圖如圖3-9。單片機(jī)串行口接收子程序設(shè)計(jì)圖3-10單片機(jī)串行口接收子程序流程圖接收數(shù)據(jù)是通過(guò)串口中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于串口中斷還可由發(fā)送中斷引發(fā)，所以要判斷是否為接收中斷。當(dāng)單片機(jī)接收緩沖器SBUF接收到數(shù)據(jù)后，由內(nèi)部硬件使用RI置位，向CPU請(qǐng)求中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)程序。所以接收子程序只要從接收緩沖器SBUF把數(shù)據(jù)讀入累加器，之后將累加器的數(shù)據(jù)送入接收緩沖區(qū)buffer[]數(shù)組中給其它子程序處理，最后要清除接收中斷標(biāo)志，因?yàn)樵摌?biāo)志不會(huì)由硬件自動(dòng)清除，需軟件清除。流程圖如圖3-10。本章小結(jié)本章借助KeilC51，對(duì)溫度采集與控制模塊、鍵盤(pán)與顯示模塊以及單片機(jī)通信模塊的程序進(jìn)行了設(shè)計(jì)，雖然在功能實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中遇到了很多的困難，對(duì)一些算法還不是很熟悉，但基本實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)要求的各種功能。在設(shè)計(jì)程序時(shí)必須事先了解單片機(jī)的一些基本原理，比如它的輸入輸出端口以及各功能引腳的位置和所接的電位。只有在以上的基礎(chǔ)上才有可能對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程。因?yàn)槭堑谝淮问褂肒EILC51，在使用KEILC51軟件的時(shí)候也會(huì)經(jīng)常遇到一些困難，對(duì)文件的生成機(jī)制不是很熟悉，對(duì)一些設(shè)置還不是很了解，還需要進(jìn)一步的學(xué)習(xí)。系統(tǒng)的硬件電路圖總結(jié)本文通過(guò)對(duì)水溫的監(jiān)測(cè)和控制的研究，基本上了解了該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。通過(guò)近三個(gè)月的學(xué)習(xí)，對(duì)工業(yè)上比較實(shí)用的一些工程軟件有了一定的了解，同時(shí)也學(xué)到了一些簡(jiǎn)單的編者按：大地涵藏萬(wàn)物，孕育生命，被譽(yù)為人類(lèi)的母親。但是，近年來(lái)，伴隨我國(guó)工業(yè)化的快速發(fā)展，大地不斷遭到各種污染的傷害。僅僅因土壤污染防治不足、環(huán)境監(jiān)管乏力，導(dǎo)致的食品藥品安全事件就頻頻發(fā)生，2008年以來(lái)，全國(guó)已發(fā)生百余起重大污染事故。目前我國(guó)大地污染現(xiàn)狀嚴(yán)峻，成因十分復(fù)雜，形成令人扼腕的“大地之殤”。《經(jīng)濟(jì)參考報(bào)》以此為主題，探尋大地污染背后所觸及的我國(guó)農(nóng)業(yè)、工業(yè)、城市化進(jìn)程中關(guān)于生存與發(fā)展的一系列深層矛盾與兩難抉擇，并以“大地之殤”系列報(bào)道的形式在“深度”版推出，敬請(qǐng)關(guān)注。大地之殤一·黑土地之悲占全國(guó)糧食總產(chǎn)五分之一的東北黑土區(qū)是我國(guó)最重要的商品糧基地，但一個(gè)并不為多數(shù)人了解的嚴(yán)峻事實(shí)是，支撐糧食產(chǎn)量的黑土層卻在過(guò)去半個(gè)多世紀(jì)里減少了50%，并在繼續(xù)變薄，幾百年才形成一厘米的黑土層正以每年近一厘米的速度消失。照此速度，部分黑土層或?qū)⒃趲资旰笙ТM，東北這一中國(guó)最大糧倉(cāng)的產(chǎn)能也將遭受無(wú)法挽回的損失?！跤浾邔O彬管建濤連振祥吉哲鵬婁辰李松南京哈爾濱蘭州昆明濟(jì)南重慶報(bào)道毒土：GDP至上的惡果當(dāng)前，我國(guó)土壤污染出現(xiàn)了有毒化工和重金屬污染由工業(yè)向農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)移、由城區(qū)向農(nóng)村轉(zhuǎn)移、由地表向地下轉(zhuǎn)移、由上游向下游轉(zhuǎn)移、由水土污染向食品鏈轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)，逐步積累的污染正在演變成污染事故的頻繁爆發(fā)。日益加劇的污染趨勢(shì)可能還要持續(xù)30年“目前，我國(guó)土壤污染呈日趨加劇的態(tài)勢(shì)，防治形勢(shì)十分嚴(yán)峻?！倍嗄陙?lái)，中國(guó)土壤學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究員張維理教授一直關(guān)注我國(guó)土壤污染問(wèn)題“我國(guó)土壤污染呈現(xiàn)一種十分復(fù)雜的特點(diǎn)，呈現(xiàn)新老污染物并存、無(wú)機(jī)有機(jī)污染混合的局面?！薄艾F(xiàn)在我國(guó)土壤污染比各國(guó)都要嚴(yán)重，日益加劇的污染趨勢(shì)可能還要持續(xù)30年。”中國(guó)土壤學(xué)專(zhuān)家，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)教授潘根興告訴《經(jīng)濟(jì)參考報(bào)》記者，這些污染包括隨經(jīng)濟(jì)發(fā)展日益普遍的重金屬污染、以點(diǎn)狀為主的化工污染、塑料電子廢棄物污染及農(nóng)業(yè)污染等。國(guó)土資源部統(tǒng)計(jì)表明，目前全國(guó)耕種土地面積的10%以上已受重金屬污染。環(huán)保部南京環(huán)科所研究員單艷紅說(shuō)，華南部分城市約有一半的耕地遭受鎘、砷、汞等有毒重金屬和石油類(lèi)有機(jī)物污染；長(zhǎng)三角有的城市連片的農(nóng)田受多種重金屬污染，致使10%的土壤基本喪失生產(chǎn)力，成為“毒土”。農(nóng)藥化肥污染同樣嚴(yán)重。張維理說(shuō)，我國(guó)農(nóng)藥使用量達(dá)130萬(wàn)噸，是世界平均水平的2.5倍。黑龍江農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)站杜桂德站長(zhǎng)說(shuō)：“目前，農(nóng)藥和化肥的實(shí)際利用率不到30%，其余70%以上都污染環(huán)境了?！痹颇限r(nóng)業(yè)大學(xué)測(cè)算，每年大量使用的農(nóng)藥僅有0.1%左右可以作用于目標(biāo)病蟲(chóng)，99.9%的農(nóng)藥則進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)，造成大量土壤重金屬、激素的有機(jī)污染?！安粌H污染加重，而且還在轉(zhuǎn)移擴(kuò)散?！迸烁d說(shuō)，當(dāng)前，我國(guó)土壤污染還出現(xiàn)了有毒化工和重金屬污染由工業(yè)向農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)移、由城區(qū)向農(nóng)村轉(zhuǎn)移、由地表向地下轉(zhuǎn)移、由上游向下游轉(zhuǎn)移、由水土污染向食品鏈轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)，逐步積累的污染正在演變成污染事故的頻繁爆發(fā)。2008年以來(lái)，全國(guó)已發(fā)生百余起重大污染事故，包括砷、鎘、鉛等重金屬污染事故達(dá)30多起。其中瀏陽(yáng)鎘污染事件不僅污染了廠(chǎng)區(qū)周邊的農(nóng)田和林地，還造成2人死亡，500余人鎘超標(biāo)。頻繁爆發(fā)的污染事故損失慘重，不僅增加了環(huán)境保護(hù)治理成本，也使社會(huì)穩(wěn)定成本大增，而土壤污染修復(fù)所需的費(fèi)用更是天價(jià)。常州農(nóng)藥廠(chǎng)土壤修復(fù)需2億元，無(wú)錫胡埭電鍍廠(chǎng)重金屬鉻污染修復(fù)費(fèi)用890萬(wàn)元，蘇州化工廠(chǎng)需數(shù)億至數(shù)十億元。每年因土壤污染致糧食減產(chǎn)100億公斤污染的加劇導(dǎo)致土壤中的有益菌大量減少，土壤質(zhì)量下降，自?xún)裟芰p弱，影響農(nóng)作物的產(chǎn)量與品質(zhì)，危害人體健康，甚至出現(xiàn)環(huán)境報(bào)復(fù)風(fēng)險(xiǎn)。潘根興教授說(shuō)“許多土壤污染地區(qū)已超過(guò)土壤的自?xún)裟芰Γ瑳](méi)有外來(lái)的治理干預(yù)，千百年后土壤也無(wú)法自?xún)簦械牡貕K永遠(yuǎn)都無(wú)法自?xún)?，甚至出現(xiàn)環(huán)境報(bào)復(fù)。”一是生態(tài)關(guān)系失衡，引起生態(tài)環(huán)境惡化。中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所在長(zhǎng)江三角洲等地調(diào)查的主要農(nóng)產(chǎn)品，農(nóng)藥殘留超標(biāo)率高達(dá)16%以上，致使稻田生物多樣性不斷減少，系統(tǒng)穩(wěn)定性不斷降低?！俺酝镣峦?，凈化土壤，作為土壤的‘義工’，蚯蚓的存在是土壤重要的環(huán)境指標(biāo)，對(duì)土壤具有重大意義?！绷钆烁d教授憂(yōu)心的是，現(xiàn)在，土壤中的蚯蚓、土鱉及各種有益菌等大量消失，農(nóng)作物害蟲(chóng)的天敵青蛙的數(shù)量大減，自然生態(tài)面臨危機(jī)。云南農(nóng)業(yè)大學(xué)副教授周江鴻等人在湖北、安徽等地的農(nóng)田里發(fā)現(xiàn)，殺蟲(chóng)劑的使用對(duì)稻田節(jié)肢動(dòng)物物種有損害作用，使得稻田天敵和害蟲(chóng)的平衡關(guān)系被打破。二是土壤質(zhì)量下降，使農(nóng)作物減產(chǎn)降質(zhì)。重金屬污染的增加，農(nóng)藥、化肥的大量使用，造成土壤有機(jī)質(zhì)含量下降，土壤板結(jié)，導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量與品質(zhì)下降。農(nóng)業(yè)部全國(guó)農(nóng)技推廣中心高級(jí)農(nóng)藝師陳志群認(rèn)為，由于農(nóng)藥、化肥和工業(yè)導(dǎo)致的土壤污染，我國(guó)糧食每年因此減產(chǎn)100億公斤。環(huán)保部門(mén)估算，全國(guó)每年因重金屬污染的糧食高達(dá)1200萬(wàn)噸，造成的直接經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)200億元。三是重金屬病開(kāi)始出現(xiàn)，人們身體健康和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成嚴(yán)重威脅。汞、鎘、鉛、鉻、砷五種重金屬被稱(chēng)為重金屬的“五毒”，對(duì)人有致命的危害。蘇州環(huán)境科學(xué)研究所所長(zhǎng)楊積德說(shuō)“這些污染嚴(yán)重影響兒童發(fā)育，使人致病、致癌，危及人體生命健康?！鄙鲜兰o(jì)70年代，日本曾出現(xiàn)“痛痛病”，是鎘對(duì)人類(lèi)生活環(huán)境的污染而引起的，影響面很廣，受害者眾多，所以被公認(rèn)為是“公害病”。潘根興教授在全國(guó)各地市場(chǎng)上進(jìn)行的調(diào)查也顯示，約有10%的大米存在重金屬鎘超標(biāo)。他說(shuō)：“這些鎘米對(duì)自產(chǎn)自食的農(nóng)民來(lái)說(shuō)無(wú)疑是致命的風(fēng)險(xiǎn)?！绷钊藫?dān)憂(yōu)的是，一些“痛痛病”初期癥狀已開(kāi)始在我國(guó)南方部分地區(qū)出現(xiàn)“土壤污染導(dǎo)致的疾病將嚴(yán)重威脅人類(lèi)健康和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，最終危害中華民族的子孫未來(lái)?！薄皩幵付舅酪惨狦DP”？產(chǎn)業(yè)模式亟待反思土壤污染如隱形“殺手”，難以察覺(jué)卻可能直接危害人體健康，特別是重金屬在蔬菜、糧食中的累積，將處于食物鏈頂端的人類(lèi)置于危險(xiǎn)境地，甚至產(chǎn)生環(huán)境報(bào)復(fù)?！巴寥牢廴镜募觿≡蛴刑鞛?zāi)，但更多是人禍，不科學(xué)的發(fā)展是環(huán)境惡化的主要原因?！蹦暇┺r(nóng)業(yè)大學(xué)教授潘根興認(rèn)為，土壤污染主要一來(lái)自礦山采冶、工業(yè)“三廢”、污灌、固廢堆放等，基本上都屬于人為因素，表明近年來(lái)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式亟待反思。當(dāng)前，令人憂(yōu)心的是各地以追求GDP為核心的政績(jī)觀，不科學(xué)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式和大量違法排污、超量排污。記者在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，一些地方發(fā)展心切，抱著“寧愿毒死也要GDP”的心態(tài)，有意無(wú)意地忽視環(huán)境保護(hù)，導(dǎo)致“引進(jìn)企業(yè)就是引進(jìn)污染，發(fā)展經(jīng)濟(jì)就是破壞環(huán)境”的惡果。面對(duì)企業(yè)違法排污，一些地方政府成為企業(yè)的保護(hù)傘，通過(guò)變通政策打擦邊球，甚至開(kāi)綠燈，最終大事化小，小事化了。保護(hù)環(huán)境不被污染，是各級(jí)政府的法定職責(zé)。污染事件暴露了各地環(huán)保意識(shí)薄弱，政府監(jiān)督缺失，是整個(gè)社會(huì)的恥辱。“不斷發(fā)生的污染事件告訴人們，缺乏對(duì)自然環(huán)境的敬畏與呵護(hù)，對(duì)公共利益和公眾生命漠不關(guān)心，暴露出企業(yè)環(huán)境意識(shí)薄弱和地方政府責(zé)任缺失?！苯K省小康發(fā)展研究中心主任、江蘇省委黨校教授馮治指出，必須反思高歌猛進(jìn)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式，真正落實(shí)轉(zhuǎn)變發(fā)展方式的政策，實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。黑土層流失危及中國(guó)最大糧倉(cāng)黑土層變薄，是指黑土地的有效耕層變薄，直接導(dǎo)致支撐糧食產(chǎn)能的有機(jī)質(zhì)含量降低，土壤肥力下降。然而，農(nóng)業(yè)科技進(jìn)步和高產(chǎn)作物增加作用下的糧食增產(chǎn)，在一定程度上“掩蓋”了黑土層日漸變薄、耕地質(zhì)量下降的嚴(yán)峻現(xiàn)實(shí)，導(dǎo)致農(nóng)民和相關(guān)部門(mén)放松對(duì)耕地質(zhì)量的保護(hù)。有關(guān)專(zhuān)家建議，應(yīng)盡早完善耕地質(zhì)量建設(shè)法規(guī)，擴(kuò)大保護(hù)性耕作技術(shù)應(yīng)用，用最小代價(jià)守住我國(guó)最大“糧倉(cāng)”的產(chǎn)糧之本?！耙粌珊谕翐Q二兩油”的日子再不會(huì)有了“以前挖兩鍬深還是黑土，現(xiàn)在一鍬后就基本看不到了?！焙邶埥∫捞m縣三道崗鎮(zhèn)三道崗村農(nóng)民程先粟從自己地里抓起一把黑土，“你瞅瞅，黑土都不太‘黑’了，‘一兩黑土換二兩油’的日子再也不會(huì)有了。”作為世界三大黑土區(qū)之一，東北黑土區(qū)總面積約3523.3萬(wàn)公頃，分布在黑龍江、吉林、遼寧省和內(nèi)蒙古自治區(qū)境內(nèi)，糧食年產(chǎn)量約占全國(guó)五分之一，是我國(guó)重要的玉米、粳稻等商品糧供應(yīng)地，糧食商品量、調(diào)出量均居全國(guó)首位。由中國(guó)科學(xué)院、東北農(nóng)業(yè)大學(xué)、吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院等院所專(zhuān)家聯(lián)合調(diào)研形成的“東北黑土資源利用現(xiàn)狀及發(fā)展戰(zhàn)略研究”指出，東北黑土地初墾時(shí)黑土厚度一般在60至80厘米，開(kāi)墾20年的黑土層則減至60至70厘米，開(kāi)墾70至80年的黑土層只剩下20至30厘米?！敖▏?guó)初期，黑龍江省黑土層大都一米多厚，現(xiàn)在找半米深的都難了，水土流失嚴(yán)重地區(qū)只剩下表皮薄薄一層，顏色也由黑變黃?！焙邶埥⊥练使芾碚菊鹃L(zhǎng)胡瑞軒有些感慨，形成1厘米的熟化黑土層大約需要50年，半米就得上千年，而現(xiàn)在東北黑土區(qū)平均每年流失0.3至1厘米的黑土層。有專(zhuān)家擔(dān)心，“如果不及早治理，部分黑土層或?qū)⒃趲资旰笙ТM?！薄昂谕翆幼儽?，就是指黑土地的有效耕層變薄，直接導(dǎo)致支撐糧食產(chǎn)能的有機(jī)質(zhì)含量降低，土壤肥力下降?！敝袊?guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所研究員韓曉增斷言，這勢(shì)必影響我國(guó)糧食安全。黑龍江省土肥管理站對(duì)肇東、訥河等縣市區(qū)的耕地檢測(cè)顯示，從1982年第二次土壤普查到2007年的25年間，耕地土壤有機(jī)質(zhì)已相對(duì)下降兩成，嚴(yán)重地區(qū)下降六成。地越來(lái)越?jīng)]勁兒，想增產(chǎn)就得大量用化肥。最近幾年，45歲的張艷峰感覺(jué)自家水稻田患上了“化肥依賴(lài)癥”。老張是吉林省前郭縣平鳳鄉(xiāng)黑崗子村農(nóng)民，“10年前一畝水稻就用60多斤肥，如今已經(jīng)翻番到120斤了，不施肥就得減產(chǎn)一半”。老張還有些擔(dān)心，現(xiàn)在能靠化肥增產(chǎn)，這地要是越來(lái)越?jīng)]勁兒，以后可能化肥也無(wú)能為力了。據(jù)了解，吉林省位于東北黑土區(qū)中部“十一五”期間完成小流域綜合治理840