1、 (论文)目 录1 引 言 .11.1 课题设计的目的 .11.2 课题设计的意义 .11.3 设计应解决的 主要问题 .11.4 设计满足的技术要求 .11.5 废水处理在国外和国内的 发展状况 .11.6 课题设计的指导思想 .22 控制方案的论证 .22.1 主要的几种控制系统 .22.2 总控制方案的确定 .43 控制系统的硬件设计 .53.1 最小系统的设计 .53.2 输入通道的设计 .133.3 输出通道的设计 .183.4 电磁阀的设计 .223.5 键盘/显示电路的设计 .233.6 报警电路的设计 .274 控制系统的软件设计 .284.1 主程序设计 .284.2 定时中
2、断服务子程序设计 .294.3 流量检测子程序设计 .304.4 PH 值检测子程序设计 .314.5 控制及报警子程序设计 .324.6 串口显示子程序设计 .334.8 键盘子程序设计 .354.9 软件滤波设计 .364.10 标度变换 .364.11 PID 算法 .375 总 结 .40参考文献 .41谢 辞 .42附录一 .43附录二 .47(论文)11 引 言1.1 课题设计的目的目前水污染日益严重，水源逐渐紧张以来，废水处理的界限也就逐渐模糊起来。现在，废水也可以作为水源，经处理后以供工业用水甚至生活用水。因此课题设计是通过中和法将废液中和，使其呈中性，实现安全排放的目的，减少
3、对环境的危害。1.2 课题设计的意义环境污染会给生态系统造成直接的破坏和影响，也会给生态系统和人类社会造成间接的危害，有时这种间接的环境效应的危害比当时造成的直接危害更大，也更难消除。这种由环境污染衍生的环境效应具有滞后性，往往在污染发生的当时不易被察觉或预料到，然而一旦发生就表示环境污染已经发展到相当严重的地步。当然，环境污染的最直接、最容易被人所感受的后果是使人类环境的质量下降，影响人类的生活质量、身体健康和生产活动。水污染使水环境质量恶化，饮用水源的质量普遍下降，威胁人的身体健康，引起胎儿早产或畸形等等。严重的污染事件不仅带来健康问题，也造成社会问题。随着污染的加剧和人们环境意识的提高，
4、由于污染引起 的人群纠纷和冲突逐年增加。环境污染也日益呈现国际化趋势，因此改善环境一是刻不容缓的问题了！这次设计我们采用 电石渣液中和酸性废水不仅能够减少对坏境的危害，还可以减少投资成本，以废治废，有很这好的经济效益。而且这种方法操作简单，处理效率高，对技术要求不高，由此可见这种方法在工业生产中是非常 a 实用的，努力完善这一技术也是非常有意义的。 11.3 设计应解决的主要问题在本次课题设计中我们应解决的主要问题有1）流量和 PH 值传感器的选择2）控制部分的设计3）软件程序设计1.4 设计满足的技术要求课题设计中我们要满足的技术要求是以 MCS-51 单片机为核心，对电石渣液的流量和中和后
5、的 PH 值进行信号采集，送入单片机，经程序处理后输出控制信号调节电石渣液的流量，以保证 PH 值稳定于 7 附近。1.5 废水处理在国外和国内的发展状况1.5.1 国外的废水处理发展状况现在在国外许多国家都采用集中式废水处理(Centralized Wastewater Treatment,简称 CWT)即把各企业工业废水(或污泥)运送至邻近的工业废水处理厂集中处理，污水处(论文)2理厂再行进一步处理，回收的有用物质运送至回收材料市场，对处理后产生的污泥送至废物填埋场填埋。CWT 模式具有许多优势：由于拥有经济规模，CWT 能够大大降低工业废水的处理费用； 因处理设施是由训练有素的专业人员来
6、操作管理，故处理效果优于各企业自己运作；能够大大增加回收化学药品的潜力，不仅降低了 CWT 费用且减轻了污泥处置的负担；企业还可以在 CWT 系统中共享其他服务以进一步降低废水处理费用。1.5.2 我国的废水处理发展状况现在我国的废水处理技术还不能和发达国家相比，还不能有效地将各个企业的废水集中起来统一处理，只有少数地区能够将废水统一处理，大多数地区还是靠本企业的废水处理系统来处理废水。我国的废水处理方法有：1) 物理法:是指经过物理变化的方法处理废水，比如用活性炭吸附，用网吸附固体物质等。2) 化学法:是经过化学变化的方法处理废水，比如，污水中有酸，就用碱来中和掉，再有溶于水的物质，就用另外
7、一种物质与它进行反应，生成不溶物或无害物。常用的化学方法有化学混凝法、中和法、化学沉淀法、氧化还原法和电化学法3）生物法:很多藻类、植物都有净化水体的能力，它们的这种能力来处理废水的方法就是生物法。比如像满江红等等，只用把他们养在水里，就能对污水中的一些物质进行处理。在这三种方法中化学方法是最实用的方法因为这种方法成本低，技术也很成熟，处理效率也很高。我国大多数企业也都是采用化学方法处理废水。 21.6 课题设计的指导思想根据课题设计内容要求，采用合理的控制方案，以 MCS-51 单片机为核心，对电石渣液的流量和中和后的 PH 值进行信号采集，送入单片机，经程序处理后输出控制信号调节电石渣液的
8、流量，以保证 PH 值达到期望值。2 控制方案的论证2.1 主要的几种控制系统(论文)3控制系统有许多种，主要有开环控制系统、反馈控制系统和复合控制系统，他们都有其各自的特点和不同的适用场合。2.1.1 开环控制系统开 环 控 制 系 统 是 指 被 控 对 象 的 输 出 (被 控 制 量 )对 控 制 器 的 输 出 没 有 影 响 。 因此，开环控制系统又称为无反馈控制系统。开环控制系统由控制器与被控对象组成。在 这 种 控制 系 统 中 ， 不 依 赖 将 被 控 量 反 送 回 来 以 形 成 任 何 闭 环 回 路 。 在开环控制系统中，系统输出只受输入的控制，控制精度和抑制干扰的
9、特性都相对比较差。开环控制系统的优点是结构简单，也比较经济。但是开环控制没有反馈环节，系统的稳定性不高、响应时间相对来说很长、精确度不高，使用于对系统稳定性精确度要求不高的简单的系统。开环控制系统可以按给定量控制方式组成，也可以按扰动控制方式组成。按给定量控制的开环控制系统其控制作用直接由系统的输入量产生给定一个输入量就有一个输出量与之相对应，控制精度完全取决于所用的元件及校准的精度。这种开环控制方式没有自动修正偏差的能力，抗扰动性比较差。但是由于其结构简单、调整方便、成本低，在精度要求不高或扰动影响较小的情况下，这种控制方式还是有一定的使用价值。按扰动控制的开环控制系统，是利用可测量的扰动量
10、，产生一种补偿作用，以减少或抵消扰动对输出量的影响，这种控制方式也称顺馈控制。这种按扰动控制的开环控制方式是直接从扰动获取信息，并据以改变被控量，因此，其抗扰动性能好，控制精度也比较高，但只是用于扰动是可测量的场合。2.1.2 反馈控制系统反馈控制方式是按偏差进行控制的其特点是无论什么原因使被控量偏离期望值而出现偏差时，必定会产生一个相应的控制作用去减少或消除这个偏差，是被控量与期望值趋于一致。可以说按反馈方式组成的反馈控制系统，具有抑制任何内、外扰动对被控量产生影响的能力，有较高的控制精度。但这种系统使用的元件较多，结构复杂，特别是系统的性能分析和设计也较麻烦。尽管如此，他仍是一种重要的并被
11、广泛应用的控制方式。2.1.3 串级控制系统串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。整(论文)4个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。串级控制系统的主要特点有：(1)在系统结构上，它是由两个串接工作的控制器
12、构成的双闭环控制系统；(2)系统的目的在于通过设置副变量来提高对主变量的控制质量；(3)由于副回路的存在，对进入副回路的干扰有超前控制的作用，因而减少了干扰对主变量的影响；(4)系统对负荷改变时有一定的自适应能力。在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。串级控制系统的工作过程：当扰动发生时，破坏了稳定状态，调节器进行工作。根据扰动施加点的位置不同，分种情况进行分析：1）扰动作用于副回路2）扰动作用于主过程3）扰动同时作用于副回路和主过程分析可以看到：在串
13、级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。 32.2 总控制方案的确定根据本次课题设计的要求，我们需要对流量和 PH 值同时进行检测和反馈，所以我们才用双闭环反馈控制系统，也称串级控制系统。设计方案框图如下：(论文)5MCS-51A / D 转换器I / V 变换流量传感器I / V 变换V / I 转换电动调节阀D / A 转换器报警看门狗显示A / D 转换器P H 值传感器键盘图 2-1 方案设计框图本方案采用串级控制，内环控制电石渣液的流量，外环控制
14、PH 值。通过流量传感器和 PH值传感器采集流量和 PH 值、经过 I/V 变换、A/D 转换器将采集的模拟信号转换成数字信号后送入单片机，经过单片机分析计算后输出信号，再经过 D/A 转换器、V/I 变换送入电动调节阀，以此来控制电石渣的流量，以此控制 PH 值是否达到设计要求的给定值（PH=7左右） 。同时在设计中我加入了键盘显示，看门狗以及报警电路，以保证系统的稳定性和安全性。3 控制系统的硬件设计3.1 最小系统的设计3.1.1 单片机片机的选择 单片机就是在一块半导体硅片上集成了微处理器(CPU)，存储器(RAM,ROM,EPROM)和各种输入、输出接口(定时器/计数器，并行 I/O
15、 口，串行 I/O 口，A/D 转换器以及脉宽调制器 PWM 等)，这样一块电路集成芯片具有一台计算机的属性，因而被称为单片微型计算机，简称单片机。单片机主要应用于测控领域，用以实现各种测试和控制功能。为了强调其控制属性，在国际上，多吧单片机称之为微控制器 MCU(MicroControiier Unit)。由于单片机在使用时，通常是处于测控系统的核心地位并嵌入其中，所以，通常也把单片机称为嵌入式控制器 EMCU(Embeddded MicroControiier Unit)。而在 我国，大部分工程技术人员则比较习惯于使用“单片机”这一名称。单片机按照其用途可分为通用性和专用性二种。通用性单片
16、机具有比较丰富的内部资源，性能全面且适应性强，可满足多种应用要求。通用性单片机是把可开发的内部资源，如 RAM、ROM、I/O 等功能部件等全面提供给用户。用户可以根据实际需要，充分利用单片机的内部资源，来满足各种不同需要的测控系统。然而有许多应用是使用专门针对某些产品的特定用途而制造的单片机。这种应用的最(论文)6大特点是针对性强且数量巨大。为此，单片机芯片制造商常与产品厂家合作，设计和生产专用的单片机芯片。这种专用的单片机芯片是为特定产品或某种测控应用而专门进行设计的。在设计中已经对系统结构的最简化、可靠性和成本的最佳化等方面都做了全面的考虑，所以，专用单片机具有十分明显得综合优势，也是今
17、后单片机发展的一个重要方向。 4本次课题设计我们采用 89C51，它是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM-Falsh Programmable and Erassble Read Only Memory)的低电压，高性能CMOS8 位微处理器。89C51 的主要性能包括：(1) 与 MCS-51 微控制器系列产品兼容；(2) 片内有 4KB 可在线重复编程的闪烁存储器(Flash Memory)；(3) 存储器可循环写入/擦除 1 万次；(4) 存储器数据保存时间为 10 年；(5) 宽工作电压范围：V cc可为+2.7V+6V；(6) 全静态工作：可从 0Hz16MH
18、z；(7) 程序存储器具有 3 级加密保护；(8) 空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储器的内容；89C51 引脚图如下图图 3-1 89C51 引脚图89C51 各引脚的主要功能如下：电源引脚Vcc：典型值5V。Vss：接低电平。外部晶振(论文)7XTAL1、XTAL2 分别与晶体两端相连接。当采用外部时钟信号时，XTAL2接振荡信号，XTAL1接地。I/O口引脚：P0口：双向8位三态I/O 口，此口为地址总线(低8位)及数据总线分时复用口，可驱动8个LS型TTL 负载。P1口：8位准双向I/O口，可驱动4个LS 型TTL负载。P2口：8位准双向I/O口，与地址总线(高8位)复用，可驱动4个
19、LS 型TTL负载。P3口：8位准双向I/O口，双功能复用口，可驱动4个LS型TTL负载。控制引脚：RST/Vpd、ALE/-PROG、PSEN 、EA/Vpp组成了MSC-51的控制总线。RST/Vpd：复位信号输入端（高电平有效） 。第二功能：加+5V备用电源，可以实现掉电保护RAM信息不丢失。ALE/-PROG：地址锁存信号输出端。第二功能：编程脉冲输入。PSEN：外部程序存储器读选通信号。EA/Vpp：外部程序存储器使能端。第二功能：编程电压输入端（+21V） 。由于 E2PROM 具有在线改写，并在掉线后仍能保存数据的特点，可为用户的特殊应用提供便利。但是，擦除和写入对于要有数据高速
20、吞吐的应用还显得时间过长，这也是 E2PROM的主要缺陷。 53.1.2 时钟电路 时钟电路用于产生 MCS-51 单片机工作时所必须的时钟控制信号。MCS-51 单片机的内部电路在时钟信号控制下，严格地按时序执行命令进行工作。MCS-51 单片机各功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准，有条不紊地一拍一拍的工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。常用的时钟电路设计有二种形式，一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式。(1) 内部时钟方式单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器.引脚 XTAL1 和 XTAL2 分别是此放大器的输入端和输出
21、端.这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激(论文)8振荡器.外接晶体谐振器以及电容 C1 和 C2 构成并联谐振电路,接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格的要求,但电容的大小会影响震荡器频率的高低，荡器的稳定性,起振的快速性和温度的稳定性。内部时钟电路框图如下图所示1至 内 部 时 钟 电 路MCS-51XTAL1XTAL2晶振C1C230pF30pF6MHz图 3-2 MCS-51 内部时钟方式电路电路中的电容 C1和 C2典型值通常选择为 30pF 左右。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。晶振
22、的振荡频率的范围通常是在 1.2MHz-12MHz 之间。晶振的频率越高，则系统的时钟频率也就越高，单片机的运行速度也就越快。但反过来运行速度快对存储器的速度要求越高，对印制电路板的工艺要求也高，即要求线间的寄生电容要小。晶振和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证振荡器的稳定、可靠地工作。为了提高温度的稳定性，应采用温度稳定性能好的电容。MCS-51 常选择震荡频率 6MHz 或 12MHz 的石英晶体。随着集成电路制造工艺技术的发展，单片机的时钟频率也在逐步提高，现在的某些高速单片机芯片的时钟频率已达到40MHz。(2) 外部时钟电路方式外部时钟方式是使用外部振荡脉
23、冲信号，常用于多片 MCS-51 单片机同时工作，以便于多片MCS-51 单片机之间的同步，一般为低于 12MHz 的方波。外部时钟方式电路图如下图(论文)9图 3-3 MCS-51 外部时钟方式电路外部的时钟源直接接到 XTAL2 端，通过 XTAL2 端输入到片内的时钟发生器上。由于XTAL2 的逻辑电平不是 TTL 的，故外接一个 4.710K 的上拉电阻。 6 在本次课题设计中我们采用内部时钟方式电路。3.1.3 复位电路单片机在开机时都需要复位，以便中央处理器 CPU 以及其他功能部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。51 的 RST 引脚是复位信号的输入端。复位电平是
24、高电平有效，持续时间要有 24 个时钟周期以上。本系统中单片机时钟频率为 6MHz 则复位脉冲至少应为 4us。复位是由外部的复位电路来实现的.片内复位电路是复位引脚 RST 通过一个斯密特触发器与复位电路相连,斯密特触发器用来抑制噪声,它的输出在每个机器周期的 S5P2,由复位电路采样一次.复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。最简单的上电自动复位电路如下图 4 所示。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。当电源接通是只要 Vcc的上升时间不超过 1ms，就可以实现自动上电复位。当时钟频率选用 6MHz 时，C 取 22F，R 取 1K。8 9 C 5 1+ 5 V+CR S TR2 2 F1 K 图 3-4 上电复位电路除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。按键手动复位有电平方式和脉冲方式二种。其中电平复位是通过 RST 端经电阻与电源 Vcc接通而实现的，按键手动复位电平复位电路
