电导率在线控制系统软件设计说明书.doc
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1、 第一章 系统概述1.1系统研发目的及意义 电导率仪是一种应用很广泛的测量仪器。无论是工业、农业的生产部门,还是科研部门都有应用。随着微电子工业清洗处理、饮用纯净水、药用蒸馏水、生物制品用水、动力锅炉以及大型发电机组冷却用水的需求量的急剧增加,越来越多的产品、技术开始对介质的导电性能、成分等特性要求给出准确的分析和评价,而且在实时性、准确度等方面提出了更高的要求。对于纯硬件结构的仪表在不同条件下需要人工多次调整才能使用的问题,不仅影响了生产效率,而且增加了维护成本。随着国内外电导率仪的发展,迫切需要检定项目完备、高精度的电导率检定装置来用于日常检定工作,而电导率在线控制系统软件不仅精度高,维护
2、简单、成本低等优点而且它与传统的电导仪相比更具有价格低廉,在一定的测量范围内不需分档、操作简单、误差自动补偿、数字显示等优点。所以,实用的“电导率在线控制系统软件”的研发与应用就应允而出。近20年来,由于微电子学技术的进步以及计算机应用的日益广泛,智能化测量控制仪器仪表已经取得了巨大的进展,从技术背景上来说,归功于硬件集成电路的不断发展。电导率在线控制系统软件是先进的电子技术、传感器技术和软件设计技术的完美结合。它可用于高精度测量水溶液的pH、ORP、电导率、TDS、盐度、电阻率和温度等参数,是性价比最优的水质分析仪器。更适用于工矿企、农牧、石油、化工、冶金、酿造、制药、质检、科研、电厂及医疗
3、卫生、安全防护、水处理工程和环保等行业和不猛实验室对溶液的PH、PX1、PX2、mV、S值以及温度值进行分析测定。1.2可行性分析 随着环境污染的日趋严重和污水处理技术的发展,水质监测在现代工业生产中的地位也就日趋重要。目前监测污水中的COD,NH3,-N和pH值的主要方式有分光光度法、原子色谱法、荧光法、电导率法等。前三种方法通过污水对光谱的吸收和折射估算污水的溶质和浓度,因其能达到一定的测量精度要求,近两年来发展迅速,但是他们需手工作业且检测时间长,仪器操作复杂,监测成本高的缺点,所以电导率检测法仍是目前工业生产中水质监测的主要方法。因其具有历史悠久,工艺完美,数据稳定,简便易行的优点,占
4、据了水质检测的重要地位。然而传统的电导率检测仪由于精度低,智能化程度不高,近年来一直没有新的进展。近年来国内也涌现出许多电导率在线控制系统软件的生产厂家,他们研制的智能型电导仪(电导计),创新的内置温度补偿功能,可调范围05.0%/,当选择0%/的温度校正系数,可以进行无温度补偿的电导值显示,并且宽温度补偿范围为050。测试仪内部采用长寿命的碳电极作为微处理器,确保能高精度的提供特殊功能及特性。对比可调节的超大LCD显示适于不同的观察角度,双显示器可同时显示电导值及温度。坚固耐用的外壳增加了设备的稳定性和耐用性。并提供自动开、关机功能以节省电源和方便使用,内置微处理器芯片,具有自动校准、自动温
5、度补偿、数据储存、功能设置、自诊断信息和低电压显示等智能化功能。现阶段的智能电阻率测试仪应用很广泛包括水处理,水产养殖,食品加工,冲印,实验室,造纸业,品质控制等应用途径。但由于技术不全面、元件使用规格不协调等原因导致测量测试的结果均存在一定误差,但总体比较精确度还是能够达到国际标准。现在国际上有三个系列的标准缓冲溶液可以选择:欧美系列、NIST系列和中国系列。三个系列均可设置纯水pH值测量模式和加氨纯水pH值测量模式。对这二种特殊的pH值测量模式,不仅有常规的斜率补偿,还有溶液pH值的非线性温度补偿,大大提高了测量的准确度,特别适合电力、石化等行业使用。国内、外许多著名公司都相继开发了相应的
6、产品。国外产品的价格明显偏高,如美国的1054B电导率分析仪离岸价为1600美元,不适于量大面积的使用。国内产品采用纯硬件结构,对影响测量结果的介质温度只能作分段象征性的补偿,效果不好、准确度低、稳定性差。随着智能化、数字化仪器仪表的发展,以及我国改革开放政策的深化,近年来我国引进了大批的国际上高水平的仪器仪表。这不仅对国内测量仪器的设计研制、元器件、生产工艺带来很大的冲击,更是对我国仪器仪表的设计理论和制造方法的巨大震动。仪器仪表是认识世界的重要工具,在人类科学探索与生产活动中,仪器仪表工业的逐渐发展已成为了一种新型产业。同时仪器仪表工业的发展是随着社会、科学的进步而发展的,也代表着一个国家
7、科技发展的水平。我国的仪器仪表工业已具有相当规模,是有一定实力的高技术产业,部分产品也已达到国际先进水平。但从总体上看,基础还是比较落后的,产品的质量、可靠性较差,品种与规格不全,至今有关稳定性和可靠性的标准尚无,而且很多标准从上世纪70年代制定以来,30年一直未变过,满足不了国民经济发展的要求,也制约了仪表工业的健康发展。1.3 系统实现原理 电导率测试仪是通过测量电导率来确定溶液的粒子含量得,在电解质溶液中,带电的离子在电场的影响下,会产生移动而传递电子,因此具有导电作用。其导电能力的强弱称为电导度,电导度的大小也是电导率测试仪的主要测试内容,从而检测溶液中待测粒子的含量。电导率检测仪的系
8、统结构由方波激励装置、电导池、运放环节、温度补偿环节、A/D转换和显示器等六个主要部分组成。系统中使用交流电以减少极化现象引起的误差,并引入了温度补偿环节以使测量出的数据更加精准。研制一种电导率仪,采用方波激励,并合理的选择取样点范围,尽量避免电极的极化现象和电缆线的分布电容(分布电容是指由非电容形态形成的一种分布参数。一般是指在印制板或其他形态的电路形式,在线与线之间、印制板的上下层之间形成的电容。这种电容的容量很小,但可能对电路形成一定的影响。)对电导率测量的影响,同时使用温度补偿电路来进行温度补偿,以减小温度对测量的影响。提高了整机的测量精度。硬件主要研究内容是以MCS-51单片机和性能
9、优良的大规模集成电路相结合的电导率在线控制系统软件,以满足加强整机功能,发挥一机多用、降低成本的目的。主要涉及的设计包括温度测量电路,电导率测量电路,单片机外围电路,键盘显示电路,报警电路以及电导率温度补偿方法。系统统的在线软件平台基于C51系列单片机和相关的单片机仿真调试软件系统,使用中断控制多路选择开关、A/D转换和驱动LED显示,并且计算温度补偿和电导率值。要功能是(1)能对水质情况进行检测,提供的检测参数是电导率和温度值作为故障诊断依据;(2)记录电导率运行数据,判断其工作状况并对异常情况及时报警,并提供报警数据;(3)在企业网内对水质的运行实现远程监控也分析。第二章 系统总体设计方案
10、2.1主要技术指标我们在电导率在线控制系统软件设计中,将电导池看作电导检测电路中的一个输入电阻。电导率检测仪是通过测量溶液电导率,既溶液中电解质导电能力强弱程度来进行检测和监控的。具体技术指标要求如下:(1)将温度传感器与电导池电极连在一起,介质温度在0120范围内,用软件对被测水溶液的电导率进行全自动温度补偿,补偿为0120。(2)仪器的通道测量范围为020S/cm,使仪器能用于水处理的过程检测。(3)仪器系统的稳定性要求在2*0.001/24h。(4)仪器的测量时间间隔在100ms,并用0.000-20.000的发光二极管显示。(5)要求有控制模块,并且控制方式为位式ON/OFF带回差。(
11、6)输出信号为DC4-20mA。(7)受电极制造精度的限制,我们在设计中将两个通道的电导率测量精度定为1.0级,既为满量程1%。(8)通信方式为RS232串行通讯,波特率在300-9600bps间自由设定。2.2系统总体方案论证本系统以一个MCS-51单片机为核心,辅以电导率测量电路、温度检测电路以及一些必要的外围辅助电路来实现对溶液中电导率的检测,外围电路电源均由单片机统一控制管理。检测电导池中的粒子含量并记录下来作为系统的主要功能,其主要模块除单片机控制部分外,还有温度检测,电导率检测,键盘控制电路,数码显示,报警电路和电源电路等。(1) 本设计采用AD590芯片为核心进行温度检测。AD5
12、90的测量范围为- 55+150,满足设计要求范围,并且AD590可测量测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路,且其精度高,价格低,不需辅助电源,线性好,所以用于本仪器设计中。(2)方波产生电路是一种能够直接产生方波或矩形波的非正弦信号发生电路,因为方波或矩形波包含极其丰富的谐波信号,因此,这种电路又称作为多谐振荡器电路。因此本次设计我采用的是双向限幅方波发生电路。(3)由于仪器要求测量范围为0-20S/cm,即电导率的范围。本设备采用电阻交流分压法,由于本测量方式设计许多测量指数,具体内容及计算方法在下面介绍测量电路设计章节中给出,这里只简单给出测量原理图
13、。激励信号放大采样处理数据显示图2.1 电导率测量原理图图2.2 电导率测量电路图图2.3 自动温度补偿电路原理图(1)温度补偿方法采用铂热电阻与R/V转换。利用集成运算放大器和铂热电阻可以构成自动温度补偿电路,铂热电阻的工作原理是将温度的变化转化为电阻的变化。(2)模拟开关电路是由选用CMOS单端8通道多路开关CD4051和选用带三态门控制输出的8D锁存器74LS373所构成的通道切换电路。(3)本次设计方案使用STC89C51单片机芯片,A/D转换电路使用AD0809芯片,显示装置则用八字管显示电路,键盘控制电路采用8155H扩展键盘,电源是由LM7805构成的+5V电压源。(4)报警电路
14、使用压电式蜂鸣报警装置,看门狗电路由MAX690为核心芯片构成。2.3电导率测试仪硬件结构图 电导率测试仪硬件结构图如图2.1所示。滤波器电压跟随器电导测量电路多路选择开关A/D转换器信号放大器方波激励电路温度测量电路MCS-51单片机键盘控制数码显示图2.1 电导率测试仪硬件结构图2.4系统软件流程图YN时钟脉冲触发A/D转换A/D转换结束?单片机读取结果计算电导率数值显示输出变量和端口初始化时钟信号正半周期?多路选择开关选择电导率通道多路选择开关选择温度通道开始 系统软件流程图如图2.2所示。Y图2.2 系统软件流程图第三章 系统硬件介绍及电路原理3.1 AT89C51单片机特性及管脚接线
15、介绍 针对一定的用途,恰当的选择所使用的单片机是非常重要的。对于明确的应用对象,选择功能过少的单片机,无法完成控制任务;选择功能过强的单片机,又会造成资源浪费,使产品的性能价格比下降。单片机是整个系统的核心,对整个系统起到控制、管理的重要作用,并进行复杂的信息处理,产生测试、运行、管理信号及控制整个检测的过程。单片机应用于各种系统中,而现在市面上的单片机种类型号又很多很复杂。所以在本系统中,选择单片机时,参考了以下标准:(1)可用性。指单片机是否能很容易地开发和利用,具体包括是否有合适的开发工具,是否适合于大批量生产、性能价格比,是否有充足的资源,是否有现成的技术资源等。(2)单片机内部资源。
16、单片机的内部存储资源越多,系统外接的部件就越少,这可提高系统的许多有用的技术指标。(3)运行速度。单片机运行速度一般和系统匹配即可。(4)存储空间。单片机内部存储器的容量,外部可以扩展的存储器空间。(5)特殊功能。一般指可靠性、功耗、掉电保护、故障监视等。3.1.1 AT89C51性能介绍从硬件角度来看,与MCS- 51指令完全兼容的新一代AT89CXX系列单片机,比在片外加EPROM才能使用的8031- 2代单片机,其抗干扰性能强,性能相当但功耗小。程序修改直接用+5伏或+12伏电源擦除,更显方便、而且其工作电压放宽至2.7伏6伏,因而受电压波动的影响更小,而且4K的程序存储器完全能满足单片
17、机系统的软件要求。故AT89C51单片机是构造本检测系统的更理想的选择。本系统选用的AT89C51单片机,其功能特性如下:(1)4K字节可编程闪速程序存储器;1000次循环写/擦。(2)全静态工作:0Hz-24MHz。(3)三级程序存储器锁定。(4)128*8位内部数据存储器,32条可编程I/O线。(5)两个十六位定时器/计数器,六个中断源。 (6)可编程串行通道,低功耗闲置和掉电模式。该器件采用ATMEL的高密度非易失性的存储器工艺,并且可以与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU与闪速式存储器组合在单个芯片中,AT89C51是一种很高效的微控制器,为很多嵌入式
18、系统提供了高灵活性且相对价廉的设计方案。3.1.2 AT89C51 主要接线介绍89C51管脚图3.1所示:图3.1 89C51管脚图VCC:供电电压。GND:接地端。RST:复位输入端。当振荡器复位时,要保持RST管脚两个机器周期的高电平时间。P0口:P0口为一个8位漏极开路双向I/O口,每脚可吸收8个TTL逻辑门电流。P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的低八位。在FLASH编程时,P0 口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0口为输出原码,此时P0口外部必须被拉高。P1口:P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收和输出4个TTL逻辑门电
19、流。P1口管脚写入“1”后,被内部上拉为高电平,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流。在FLASH编程和校验时,P1口作为低八位地址接收。 P2口:P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O接口,P2口缓冲器可接收、输出4个TTL逻辑门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。并因此作为输出时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口则输出地址的高八位。在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其内部特殊功能寄存器内的内容。P2口在FLASH编程和
20、校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口:P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收、输出4个TTL逻辑门电流。当P3口写入“1”后,它们被内部电阻上拉为高电平,并用作输入口。作为输入,被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。 P3口同时也可为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。ALE/PROG():ALE引脚输出的为抵制锁存允许信号,当单片机上电正常工作后,ALE引脚不断输出正脉冲信号。当单片机访问外部储存器时,ALE舒小虎信号的负跳沿用于单片机发出的低8位地址经外部锁存器锁存的锁存控制信号。及时不访问外部锁存器,ALE端口仍有正脉冲信号输出,次频率为时钟振荡器频率的六分之一。如
21、果想初步判断单片机芯片的好坏,可用示波器查看ALE端口是否有正脉冲信号输出。如果有脉冲信号输出,则单片机基本上是好使的。PROG():为本引脚的第二功能。在对片内EPROM型单片机编程写入时,此引脚作为编程脉冲输入端。PSEN():本端口为外部程序存储器的选通信号。当由外部程序存储器取值期间,每个机器周期有两次有效。但在访问外部数据存储器时,这两次有效的信号将不会出现。 EA()/VPP:功能为内外程序储存器选通控制端。当EA()保持低电平时,在此期间只访问外部程序存储器(0000H-0FFFFH),不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时, EA()将内部锁定为RESET;当EA()端保持
22、高电平时,此期间访问内部程序存储器。XTAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。该端口应接外部晶体的一个引脚,该引脚内部是一个反相放大器的输入端,这个反相放大器构成了片内振荡器,如果采用外接晶体振荡器时,此引脚应接地。XTAL2:接外部晶体的另一端,在该引脚内部接来自内部反向振荡器的输出。若采用外部时钟振荡器时,该引脚接收时钟振荡器的信号,即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入。3.1.3 振荡器特性XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器,石英晶体振荡和陶瓷振荡均可使用。如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信
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