1、课 程 设 计 报 告学生姓名 : 魏增学 号：1007250237学 院 : 自动化工程学院班 级 : 测控 102 班题 目 : 锅炉给水 PH 测试系统指导教师： 赵君 职称: 副教授 指导教师：冯国亮 职称: 助理实验师 2013 年 5 月 31 日目录 1、设计目的.12、设计要求.13、设计内容.13.1、总体设计方案原理.13.2、总体设计方案框图.2 3.3、信号采集电路部分.23.3.1、A/D 转换器 .23.3.2、温度补偿电路 .33.3.3、信号放大电路 .43.3.4、键盘电路 .63.3.5、数码管显示电路 .63.4 电路原理图 .83.5 元器件选型 .83
2、.5.1、PH 传感器 .83.5.2、A/D 转换器 .83.5.3、超限报警器 .93.5.4、80C51 单片机 .93.5.5、LED 显示器 .93.5.6、 信号放大器 .93.5.7、 键盘 .103.6、抗干扰设计 .104、软件设计 .114.1、主程序流程图 .114.2、数据采集子程序框图 .125、单片机串行口通讯 .125.1、单机通讯系统 .125.2、单机通讯系统程序框图 .136、设计体验 .137、参考文献 .1301、设计目的针对锅炉给水系统,为保证锅炉安全而经济地运行,需对水(补给水或凝结水)进行净化、软化、除盐、除气等处理,再对锅炉给水进行调质,在水中加
3、入适量的酸碱液,使水的 pH 值在指定数值或设定范围。但是在测量给水 PH 值得时候因存在较大的滞后性、非线性等问题，以及温度等其他外在因素的影响，使得所测得的 PH 值有一定的偏差。为此我们要设计一个合理的 PH 测试系统，尽量的减小误差，来实现电厂锅炉安全、经济运行。针对此次课程设计，主要目的是为了实现以下几点：1） 、初步尝试学会器件选型；2） 、提高综合运用所学的理论知识独立分析和解决问题的能力。3） 、了解电厂锅炉给水 PH 测试原理，学会独立分析、解决问题，完成较为简单的 PH 测试系统。4） 、初步掌握单片机相关知识，明晰功能模块，完成设计。2、设计要求选用 PH 值传感器进行浓
4、度测量，要求测量范围 0.00-14.00、精度为 0.07。然后将溶液浓度信号转换为 0-5V 直流模拟电压，在经过 A/D 转换为数字量，通过单片机处理后由 3位 LED 显示 PH 值。并且具有和上位机通信能力。实现以下要求：1） 、选择传感器类型；2） 、具有 LED 显示测量结果的功能；3） 、系统具有抗干扰功能；4） 、具有按键设置所测指标上下限功能，超限声光报警；5)、具有和上位机 PC 机通讯的能力（只需要考虑下位机通信接口） 。3、设计内容3.1、总体设计方案原理由 PH 传感器获得锅炉内给水的酸碱度参数，通过调理电路与采集电路整合、采集信号（内含 A/D 转换器、 温度补偿
5、电路和信号放大电路） ，然后将信号送入 80c51 单片机进行信号处理，获取处理信号后所得到的 PH 值，显示在 LED 显示屏上，另外如果所测 PH 值超过或者低于工业要求，则报警器会工作，进行报警，要求相关人员进行处理。串口通讯连接处理器，进行软件编译及调试功能。13.2 总体方案设计框图图 1 总体设计图3.3、信号采集电路部分3.3.1、A/D 转换器ADC0809 是一种逐次比较型 8 路模拟输入、8 位数字量输出的 A/D 转换器。ADC0809采用逐次比较的方法完成 A/D 转换，由单一的+5V 电源供电。片内有带锁存功能的 8 路选1 的模拟开关。由 C、B、A 的编码来决定所
6、选的通道。ADC0809 完成一次转换需要 100 微秒左右（转换时间为加在 CLK 引脚的时钟频率有关） ，它具有输出 TTL 三态锁存缓冲器，可直接连到 AT89S51 单片机的数据线上。通过适当的外接电路，ADC0809 可对 0-5V 的模拟信号进行转换。ADC0809 共有 28 个引脚，采用双列直插式封装。其主要引脚功能如下：1） 、IN0-IN7：8 路模拟信号输入端；2） 、2-1 到 2-7：转换完毕的 8 路模拟量输出端；3） 、A、B、C 与 ALE：控制 8 路模拟输入通道的切换。A、B、C 分别与单片机的三条地址线相连，3 位编码对应 8 个通道地址端口。C、B、A=
7、000-111 分别对应 IN0-IN7 通道的地址。各路模拟输入之间的切换由软件改变 C、B、A 引脚上的编码来实现；4） 、OE、START、CLK：OE 为输出允许端，START 为启动信号输入端，CLK 为时钟信号输入端；5） 、VR（+） 、VR（-）：基准电压输入端。ADC0809 引脚图如图 2：PH 传感器 信号采集电路温度补偿电路A/D 转换器信号放大电路80c51单片机LED 显示屏超限报警器键盘串行口通讯2图 2 ADC0809 引脚图3.3.2、温度补偿电路被测液的温度常常影响 PH 的准确测量，因此需要设计温度补偿电路来消除温度对转换斜率的影响。在此先不考虑信号放大电
8、路部分，直接将放大电路替换成放大器接入温度补偿电路的输入端。电路图如图 3：图 3 温度补偿电路3图 3 中，输入放大器的信号 E是溶液为 t（）时，测量电池的电动势 E 经过定位（E-E0）后的静电压，E可表示为：E=(2.303R(lga)/nF)（273+t） （1）如果放大器的放大倍数为 K，E经放大后输出信号为：KE=K(2.303R(lga)/nF)（273+t) （2）假定一起以 t=0为基准，则无论被测溶液为多少度，都要求从 B 点去除的输送到下级的标准信号 EB 应为：EB=K(2.303R（lga）/nF)（273+0） （3）以 t10 和 27310 组成分压器，就可实
9、现这种变换。其中 t10 是可调电阻，t 与被测温度相同，被测溶液改变1，电阻改变 10。从 B 点取出的信号为：EB=KE27310/（273+t）10）=K(2.303Rlga)/nF)273 （4）这样，这种补偿电路就把温度 t 对转换斜率的影响消除了。3.3.3、信号放大电路由于电路内部有这样或者那样的噪声源存在，使得电路在没有信号输入时，输出端仍然存在一定幅度的电压波动，这就是电路的输出噪声。把电路输出端测得的噪声有效值Von 折算到该电路的输入端，即 Von 除以该电路的增益 K，就得到电平值，成为该电路的等效输入噪声 Vin,即Vin=Von/K (5）如果加在某电路的输入端信号
10、幅度 Vis 小到比该电路的等效输入噪声还要低，那么这个信号就会被电路的噪声所淹没。为了不使小信号被电路噪声所淹没，就必须在该电路前面加一级放大器-前置放大器。本电路采用三运放差分放大电路作为前置放大器的作用，仪表放大电路是由三个放大器所共同组成，其中电阻R 与RX 来调整放大的增益值，其关系式如下所示：VO =（ 1 +2R/RX）（V1 V2） （6）差分放大电路图如图4：4图 4 差分放大电路 注：图中的R1-R6的阻值均为R。在此分析一个反向输入比列运算电路，其图如图 5：图 5 反相输入比例运算电路5由“虚短”概念，电路中有 UN=UP=0，则输出电压为U0= -ifRF （7）由“
11、虚断”概念，电路中 if=0，则有 if=iR=(Ui-UN)/R=Ui/R,带入上式得：U0= -(RF/R)Ui =kUi （8）其中：k 为比例放大系数3.3.4、键盘电路 本电路采用矩阵式键盘，也称行列式键盘，用于键盘数目较多的场合。它由行线与列线组成，一组为行线，另一组为列线，按键位于行列交叉点上。本电路采用 44 的行、列结构以构成一个 16 个按键的键盘。在数目比较多的场合，用矩阵式比较节省 I/O 口线。键盘电路图如图 6：图6 键盘电路图 键盘矩阵中无按键按下时，行线处于高电平状态；当有按键按下时，行线电平状态将由与此行线相连的列线的电平决定。列线的电平如果为低，则行线电平为
12、低；列线的电平如果为高，则行线的电平也为高，这一点是识别矩阵式键盘按键是否按下的关键所在。由于矩阵式键盘中行、列线为多键共用，各按键均影响该按键所在行和列的电平，因此各按键彼此将相互发生影响，所以必须将行、列线信号配合，才能确定闭合键的位置。我们可以采用扫描式识别键盘中被按下的按键位置。 3.3.5、数码管显示电路 本电路采用76LS164驱动数码管显示电路。76LS164是8位串行输入并行输出的移位寄存器。其引脚图如图7：6图7 74LS164引脚图74LS164引脚功能如下：1） 、1、2引脚： 数据输入端，数据通过这两个输入端之一串行输入；任一输入端可以用作高电平使能端，控制另一输入端的数据输入。当其中任意一个为低电平时，则禁止新数据输入；当其中一个为高电平，则另一个就允许输入数据。因此两个输入端或者连接在一起，或者把不用的一端接高电平，一定不要悬空。2） 、3-6、10-13引脚：Q0-Q7数据输出端。3)、8引脚：时钟输入端。CP每次由低变高时，数据右移一位，输入到Q0，Q0是两个数据输入端的逻辑与，它将上升时钟沿之前保持一个建立时间的长度。4） 、9引脚：复位清除端，当为低电平时，其他所有的输入端无效，同时所有输出端均为低电平。利用74LS164驱动数码显示管电路图如图8：图8 数码显示电路
