1、課 程 設 計 報 告學生姓名:魏增學 號：1007250237學 院:自動化工程學院班 級:測控102班題 目:鍋爐給水PH測試系統指導教師： 趙君 職稱: 副教授 指導教師：馮國亮 職稱: 助理實驗師 2013年5月31日 目錄 1、設計目的.12、設計要求.13、設計內容.13.1、總體設計方案原理.1 3.2、總體設計方案框圖.2 3.3、信號采集電路部分.23.3.1、A/D轉換器23.3.2、溫度補償電路33.3.3、信號放大電路43.3.4、鍵盤電路63.3.5、數碼管顯示電路63.4電路原理圖83.5元器件選型83.5.1、PH傳感器83.5.2、A/D轉換器83.5.3、超限

2、報警器93.5.4、80C51單片機93.5.5、LED顯示器93.5.6、 信號放大器93.5.7、 鍵盤103.6、抗干擾設計104、軟件設計114.1、主程序流程圖114.2、數據采集子程序框圖125、單片機串行口通訊125.1、單機通訊系統125.2、單機通訊系統程序框圖136、設計體驗137、參考文獻131、設計目的 針對鍋爐給水系統,為保證鍋爐安全而經濟地運行,需對水(補給水或凝結水)進行凈化、軟化、除鹽、除氣等處理,再對鍋爐給水進行調質,在水中加入適量的酸堿液,使水的pH值在指定數值或設定范圍。但是在測量給水PH值得時候因存在較大的滯后性、非線性等問題，以及溫度等其他外在因素的影

3、響，使得所測得的PH值有一定的偏差。為此我們要設計一個合理的PH測試系統，盡量的減小誤差，來實現電廠鍋爐安全、經濟運行。 針對此次課程設計，主要目的是為了實現以下幾點：1）、初步嘗試學會器件選型；2）、提高綜合運用所學的理論知識獨立分析和解決問題的能力。3）、了解電廠鍋爐給水PH測試原理，學會獨立分析、解決問題，完成較為簡單的PH測試系統。4）、初步掌握單片機相關知識，明晰功能模塊，完成設計。2、設計要求 選用PH值傳感器進行濃度測量，要求測量范圍0.00-14.00、精度為0.07。然后將溶液濃度信號轉換為0-5V直流模擬電壓，在經過A/D轉換為數字量，通過單片機處理后由3位LED顯示PH值

4、。并且具有和上位機通信能力。 實現以下要求： 1）、選擇傳感器類型； 2）、具有LED顯示測量結果的功能； 3）、系統具有抗干擾功能； 4）、具有按鍵設置所測指標上下限功能，超限聲光報警； 5)、具有和上位機PC機通訊的能力（只需要考慮下位機通信接口）。3、設計內容3.1、總體設計方案原理 由PH傳感器獲得鍋爐內給水的酸堿度參數，通過調理電路與采集電路整合、采集信號（內含A/D轉換器、 溫度補償電路和信號放大電路），然后將信號送入80c51單片機進行信號處理，獲取處理信號后所得到的PH值，顯示在LED顯示屏上，另外如果所測PH值超過或者低于工業要求，則報警器會工作，進行報警，要求相關人員進行處

5、理。串口通訊連接處理器，進行軟件編譯及調試功能。LED顯示屏3.2總體方案設計框圖溫度補償電路A/D轉換器80c51單片機超限報警器 信號采集電路鍵盤PH傳感器信號放大電路串行口通訊 圖1總體設計圖3.3、信號采集電路部分3.3.1、A/D轉換器 ADC0809是一種逐次比較型8路模擬輸入、8位數字量輸出的A/D轉換器。ADC0809采用逐次比較的方法完成A/D轉換，由單一的+5V電源供電。片內有帶鎖存功能的8路選1的模擬開關。由C、B、A的編碼來決定所選的通道。ADC0809完成一次轉換需要100微秒左右（轉換時間為加在CLK引腳的時鐘頻率有關），它具有輸出TTL三態鎖存緩沖器，可直接連到A

6、T89S51單片機的數據線上。通過適當的外接電路，ADC0809可對0-5V的模擬信號進行轉換。ADC0809共有28個引腳，采用雙列直插式封裝。其主要引腳功能如下：1）、IN0-IN7：8路模擬信號輸入端；2）、2-1到2-7：轉換完畢的8路模擬量輸出端；3）、A、B、C與ALE：控制8路模擬輸入通道的切換。A、B、C分別與單片機的三條地址線相連，3位編碼對應8個通道地址端口。C、B、A=000-111分別對應IN0-IN7通道的地址。各路模擬輸入之間的切換由軟件改變C、B、A引腳上的編碼來實現；4）、OE、START、CLK：OE為輸出允許端，START為啟動信號輸入端，CLK為時鐘信號輸

7、入端；5）、VR（+）、VR（-）：基準電壓輸入端。ADC0809引腳圖如圖2： 圖2 ADC0809引腳圖3.3.2、溫度補償電路 被測液的溫度常常影響PH的準確測量，因此需要設計溫度補償電路來消除溫度對轉換斜率的影響。在此先不考慮信號放大電路部分，直接將放大電路替換成放大器接入溫度補償電路的輸入端。電路圖如圖3： 圖3溫度補償電路 圖3中，輸入放大器的信號E是溶液為t（）時，測量電池的電動勢E經過定位（E-E0）后的靜電壓，E可表示為： E=(2.303R(lga)/nF)×（273+t） （1） 如果放大器的放大倍數為K，E經放大后輸出信號為： KE=K(2.303R(lga)

8、/nF)×（273+t) （2） 假定一起以t=0為基準，則無論被測溶液為多少度，都要求從B點去除的輸送到下級的標準信號EB應為： EB=K(2.303R（lga）/nF)×（273+0） （3） 以t×10和273×10組成分壓器，就可實現這種變換。其中t×10是可調電阻，t與被測溫度相同，被測溶液改變±1，電阻改變10。從B點取出的信號為： EB=KE273×10/（273+t）×10）=K(2.303Rlga)/nF)×273 （4） 這樣，這種補償電路就把溫度t對轉換斜率的影響消除了。3.3.3、

9、信號放大電路 由于電路內部有這樣或者那樣的噪聲源存在，使得電路在沒有信號輸入時，輸出端仍然存在一定幅度的電壓波動，這就是電路的輸出噪聲。把電路輸出端測得的噪聲有效值Von折算到該電路的輸入端，即Von除以該電路的增益K，就得到電平值，成為該電路的等效輸入噪聲Vin,即 Vin=Von/K (5） 如果加在某電路的輸入端信號幅度Vis小到比該電路的等效輸入噪聲還要低，那么這個信號就會被電路的噪聲所淹沒。為了不使小信號被電路噪聲所淹沒，就必須在該電路前面加一級放大器-前置放大器。 本電路采用三運放差分放大電路作為前置放大器的作用，儀表放大電路是由三個放大器所共同組成，其中電阻R 與RX 來調整放大

10、的增益值，其關系式如下所示： VO =（ 1 +2R/RX）×（V1 V2） （6） 差分放大電路圖如圖4： 圖4差分放大電路 注：圖中的R1-R6的阻值均為R。 在此分析一個反向輸入比列運算電路，其圖如圖5： 圖5反相輸入比例運算電路 由“虛短”概念，電路中有UN=UP=0，則輸出電壓為 U0= -if×RF （7） 由“虛斷”概念，電路中if=0，則有if=iR=(Ui-UN)/R=Ui/R,帶入上式得： U0= -(RF/R)×Ui =k×Ui （8）其中：k為比例放大系數 3.3.4、鍵盤電路 本電路采用矩陣式鍵盤，也稱行列式鍵盤，用于鍵盤數目較

11、多的場合。它由行線與列線組成，一組為行線，另一組為列線，按鍵位于行列交叉點上。本電路采用4×4的行、列結構以構成一個16個按鍵的鍵盤。在數目比較多的場合，用矩陣式比較節省I/O口線。鍵盤電路圖如圖6： 圖6 鍵盤電路圖 鍵盤矩陣中無按鍵按下時，行線處于高電平狀態；當有按鍵按下時，行線電平狀態將由與此行線相連的列線的電平決定。列線的電平如果為低，則行線電平為低；列線的電平如果為高，則行線的電平也為高，這一點是識別矩陣式鍵盤按鍵是否按下的關鍵所在。由于矩陣式鍵盤中行、列線為多鍵共用，各按鍵均影響該按鍵所在行和列的電平，因此各按鍵彼此將相互發生影響，所以必須將行、列線信號配合，才能確定閉合

12、鍵的位置。我們可以采用掃描式識別鍵盤中被按下的按鍵位置。 3.3.5、數碼管顯示電路 本電路采用76LS164驅動數碼管顯示電路。76LS164是8位串行輸入并行輸出的移位寄存器。其引腳圖如圖7： 圖7 74LS164引腳圖 74LS164引腳功能如下： 1）、1、2引腳： 數據輸入端，數據通過這兩個輸入端之一串行輸入；任一輸入端可以用作高電平使能端，控制另一輸入端的數據輸入。當其中任意一個為低電平時，則禁止新數據輸入；當其中一個為高電平，則另一個就允許輸入數據。因此兩個輸入端或者連接在一起，或者把不用的一端接高電平，一定不要懸空。 2）、3-6、10-13引腳：Q0-Q7數據輸出端。 3)、

13、8引腳：時鐘輸入端。CP每次由低變高時，數據右移一位，輸入到Q0，Q0是兩個數據輸入端的邏輯與，它將上升時鐘沿之前保持一個建立時間的長度。 4）、9引腳：復位清除端，當為低電平時，其他所有的輸入端無效，同時所有輸出端均為低電平。 利用74LS164驅動數碼顯示管電路圖如圖8： 圖8 數碼顯示電路 為了消除數碼顯示帶來的閃爍影響，可以采用三極管NPN來達到目的，通過控制P2.5高低電平來實現三極管的導通狀態。當進行串行輸入數據時，通過P2.5使三極管不工作，此時數碼管不顯示數字，當數據傳輸完成時，控制P2.5使三極管工作，數碼管顯示電路導通，顯示數字，這樣就能有效的消除閃爍現象。3.4電路原理圖

14、 圖9電路原理圖3.5、元器件選型3.5.1、PH傳感器 PH傳感器是用來檢測被測物中氫離子濃度并轉換成相應的可用輸出信號的傳感器,通常由化學部分和信號傳輸部分構成.。PH傳感器常用來進行對溶液、水等物質的工業測試。 本電路采用工業GP100型PH電極 技術參數: 1、測量范圍:014PH 2、測量精度:0.02PH 3、適用溫度:060 4、響應時間:10sec3.5.2、A/D轉換器 在本電路設計中是采用ADC0809芯片來實現模擬量到數字量的轉換。ADC0809是以程序 查詢方式進行數據采集。ADC0809是用8位全CMOS集成工藝制成的逐次比較型A/D轉換芯片。分辨率8位，轉換時間10

15、0µs，輸入電壓范圍為05V。ADC0809片內有三態數據輸出鎖存器，可以和單片機直接接口。3.5.3、超限報警器 報警器是一種為防止或預防某事件發生所造成的后果，以聲音、光、氣壓等形式來提醒或警示我們應當采取某種行動的電子產品。報警器(alarm) ，分為機械式報警器和電子報警器。隨著科技的進步，機械式報警器越來越多地被先進的電子報警器代替，經常應用于系統故障、安全防范、交通運輸、醫療救護、應急救災、感應檢測等領域，與社會生產密不可分。本電路可選適當報警器即可。3.5.4、80C51單片機 80C51單片機的工作電壓為5V ，電路板采用9 12 V 直流電壓供電，經過78L05 轉

16、化為5V供單片機工作。AT89S51具有完整的輸入輸出、控制端口、以及內部程序存儲空間。與我們通常意義上的微機原理類似，可以通過外接A/D，D/A轉換電路及運放芯片實現對傳感器傳送信息的采集，且能夠提供以點陣或LCD液晶及外接按鍵實現人機交互，能對內部眾多I/O端口連接步進電機對外圍設備進行精確操控，具有強大的工控能力。3.5.5、LED顯示器 LED顯示屏（LEDdisplay,LED Screen）：又叫電子顯示屏或者飄字屏幕。是由LED點陣和led pc 面板組成，通過紅色，藍色，白色，綠色LED燈的亮滅來顯示文字、圖片、動畫、視頻，內容。可以根據不同場合的需要做出不同的調節，比如一般的

17、廣告牌那些流動的字畫，就是通過flash制作一個動畫,儲蓄在顯示屏的一張內存卡里,再通過技術手法顯示出來的,可以根據不同的需要隨時更換，各部分組件都是模塊化結構的顯示器件。傳統LED顯示屏通常由顯示模塊、控制系統及電源系統組成。LED優點概括起來是：亮度高、工作電壓低、功耗小、大型化、壽命長、耐沖擊和性能穩定。LED的發展前景極為廣闊，正朝著更高亮度、更高耐氣候性、更高的發光密度、更高的發光均勻性，可靠性、全色化方向發展。靜態掃描技術采用靜態鎖存掃描方式,大功率驅動,充分保證發光亮度. 自動亮度調節具有自動亮度調節功能,可在不同亮度環境下獲得最佳播放 效果.LED顯示屏在保有亮度的同時,也存在

18、著弊端，就是在下雨天，LED顯示屏經過雨水淋濕，人的眼睛長時間近距離對著顯示屏就會很容易誘發眼疾，出現流眼淚的情況，這種光源污染，LED顯示屏作為環保技術應是需要更充份考慮到光線對人的精神方面的影響，不要過份追求亮度全面采用進口大規模集成電路,可靠性大大提高,便于調試維護。3.5.6信號放大器信號放大器由信號放大電路構成，主要完成微弱信號放大的作用。為減小噪聲污染，提高信噪比，通常在調理電路中設置為前置放大器。3.5.7鍵盤用作操作人員輸入數據的設備，與處理器相連接，可以進行一系列的數據輸入設置。鍵盤有兩種工作方式：編碼式鍵盤和非編碼式鍵盤。處理方式有掃描法和線反轉法。本設計采用的是非編碼鍵盤

19、，并利用掃描法處理按鍵，消抖由軟件實現。3.6、抗干擾設計在工業現場，生產環境往往比較惡劣，干擾較多，因此需求工業儀表具有良好的抗干擾能力保障儀表正常運行。常見的干擾有以下幾種： 1）、電源干擾電源干擾主要來自于工頻交流電網，交流電源引線作為介質傳播電網中的高頻干擾信號 2）、布線干擾 如果電路板的結構安排，導線走線和元件布局不合理，也會產生干擾問題。因為，元件間，導線間都存在著分布電容，并且對地還有一定的雜散電容，元器件本身的熱噪聲，靜電感應等因素也會在一定的條件下造成惡劣的影響。 3）、接地干擾 工業電子設備，現場儀表的干擾與系統的接地方式有很大關系。良好的接地可以在很大程度上抑制系統內部

20、噪聲耦合，防止外部干擾的入侵，提高系統的抗干擾能力。如果接地處理不好，反而會導致噪聲耦合，形成更嚴重的干擾。 對于以上多種可能產生的干擾，必須對系統采取有效的抗干擾措施，實際過程中，分為硬件抗干擾和軟件抗干擾。（1）、硬件的抗干擾措施：對于電源引起的干擾，可以采取低通濾波器抑制交流電源線上引入的高頻干擾，使用吸收電容吸收浪涌電壓，使用隔離變壓器和獨立回路對系統各個模塊供電，并且，每個模塊電源使用LC電路對電源濾波，并對參數進行詳細調整。對布線干擾采用合理的元件布局規則對元件布局，使元件的擺放在功能上和布線上達到和諧統一，方向一致有助于增強抗噪聲能力；分離數字地和模擬地；增加去耦合電容可以消除高頻干擾。 （2）、軟件抗干擾措施采用中值復合濾波的方法，濾波過程是：首先對采集到的一組數據去掉最大值和最小值，再對剩下的數據進行算術平均值計算，此方法能有效消除脈沖干擾。4、軟件設計4.1、主程序流程圖 開始初始化 數據采集子程序數據緩存子程序A/D轉換子程序數據處理與顯示子程序 NO報警器報警 大于設定值報警值？ YES 圖10主程序流程圖4.2、數據采集子程序框圖啟動A/D轉換通道 開始 等待100MS NO 返回