单片机控制的污水排放PH值检测系统设计.docx

1 引言1.1 污水处理的研究背景及意义随着时代的进步，工业化程度的不断提高，人们的生活已经离不开工业。在人民生活水平不断提高的同时，人类赖以生存的水资源却在经济发展的过程中遭受严重破坏。在全社会越来越重视自然环境和人类和谐发展，工业及居民生活污水处理建设项目和发展受到全世界的普遍关注。随着污水处理工艺水平迅猛发展，对污水处理的自动化要求越来越高。为使污水处理系统处于良好的运行工况，获得更好的出水水质，必须及时取得污水处理系统的重要过程参数及水质参数。其中，PH值是表征水质的重要参数之一。在石油、化工、造纸等工业生产中，给水处理和废水处理控制过程中，都必须把PH值控制在一定的范围内。否则，将会影响企业生产，造成原料浪费，产品质量下降，甚至污染环境。与此同时，强酸强碱很有可能腐蚀生产设备，使用寿命降低，甚至可能给生产造成危险。因此，不仅是在工业生产中，而且在环境保护下，对污水PH值的有效控制是非常有意义的。本文针对以上对污水处理的状况，通过查阅相关污水PH值控制的资料，对污水处理中的PH值控制问题进行研究和设计。1.2 污水处理PH值控制的目的在工业生产污水处理中，污水过酸或过碱都容易引发各种问题。所以，必须先对污水的PH值进行检测，然后对其进行中和处理，达到要求后才可以排放。然而，PH值控制是一个复杂的非线性控制问题。由于酸碱中和反应过程存在混合、测量等因素，需要一定的时间，时滞较大。PH值滴定曲线是非线性曲线，在中和反应过程中，不同的工作点增益相差很大。因此，处理好PH值中和非线性是PH值控制的重点。本文根据PH值中和非线性这一特点，设计了PID算法的智能区间控制数学模型，并基于AT89S51单片机设计了PH值控制系统。该系统验证了本算法设计的可行性，同时也提供了一种解决PH值控制问题的新思路。1.3 PH值控制方法现状及发展趋势污水处理往往需要设备工作在良好的状况，同时要及时取得污水处理系统的各项技术参数，PH值是最重要的参数之一。传统的PH值控制方法需要工作人员到场进行手工中和操作和监视，导致对系统的意外事件反应较慢，而且无法准确对水质的变化做出反应和调整，从而限制了污水处理的稳定性和处理质量。然而这些经验的积累要求具有较长时间的实际操作经验和广泛的知识，往往根据多年积累的经验对污水处理厂进行管理。因此，建立污水处理的检测控制系统是十分有必要的。国外发达国家很早就已经投入大量资金和科研力量加强污水处理的监测、运行和管理，实现了计算机控制、报警、计算和瞬时记录。如美国在20世纪70年代中期开始实现污水处理厂的自动控制。目前主要污水处理厂已经实现工艺流程中主要参数的自动测试和控制。80年代以来，美国召开了两次水处理仪器和自动化的国际学术会议，会上发表的数百篇论文反映出水处理自动化已发展到使用水平。与国外相比，我国污水自动化控制起步较晚。进入90年代以后污水处理厂才开始引入自动控制系统，但多是直接引进国外成套自控设备，国产自动控制系统在污水处理厂应用较少。因此，采用PH值自动控制系统取代传统的人工控制是发展的必然趋势。在污水PH值的控制研究上，一般采用简单PID算法或单回路控制，这样的控制方法稳定性较差，很难适应当今大型的复杂的污水处理控制且很难满足平稳、高效、安全等生产要求。所以，控制系统还需结合各项相关技术，如：现代控制理论、电工仪表技术等，从而设计出功能更大、更完善的、具有一定适应能力的新系统。本设计针对污水处理PH中和过程的特点及控制要求，研究出一套结构简单、算法简便、效果好、耗药少且能满足污水处理要求的PH值区间控制系统。可以在污水处理厂推广，经济效益明显。1.4 本文完成的工作1）了解工业、生活污水的排放对环境的污染，污水处理的意义及其流程。2）对污水处理PH值控制研究，分析PH值中和非线性的原因。3）设计污水处理PH值智能区间控制模型，并且推导出相应PID算法。4）完成污水处理PH值的硬件设计，根据PH值的变化范围及控制精度，利用AT89S51单片机实现系统数据采集、处理、存储和显示功能。5）完成污水处理PH值的软件设计，根据系统不同模块所实现的功能，利用单片机C51语言编写单片机程序。6）完成对系统的各个功能模块，硬件和软件的调试。1.5 本章小结本章主要介绍了工业、生活污水排放对环境的污染，污水处理的意义；污水处理PH值控制系统的方法研究，国内外现状及发展趋势。对本文所应完成的工作做一个简要阐述。2 PH值概述及其控制方法建模2.1 PH值简介2.1.1 PH值的定义PH是拉丁语“Pondus hydrogenii”一词的缩写，亦称氢离子浓度指数，是溶液中氢离子活度的一种标度，也就是通常意义上溶液酸碱程度的衡量标准。通常PH值是介于0和14之间的数：当PH7的时候，溶液呈碱性；当PH=7的时候，溶液呈中性。PH值是水溶液最重要的理化参数之一。化学变化以及生产过程都与PH值有关，因此，在工业、农业、医学、环保和科研领域都需要测量PH值。2.1.2 PH值中和过程特点在污水处理过程中，会经常碰到PH值的控制问题。由于PH值变化很大，不易控制，PH值的滴定曲线是非线性曲线，如图1所示，在中和反应过程中，不同的工作点增益相差很大，在实际反应过程存在混合、测量等纯滞后因素，增加了控制难度。图2-1 PH值中和滴定曲线由图2-1可知，在PH=7附近对象的静态增益很大，此时添加的中和剂略有变化就能引起PH值较大幅度的变化；而远离PH=7对象的静态增益很小，只有加入大量的中和剂，才能使PH值的少量变化。这就是PH对象明显的非线性特性。2.2 污水处理PH值过程控制模型过程控制模型如图2-2所示，污水PH值的智能区间控制。AT89S51单片机 PH值传感器 加酸 加碱 反馈PH值 变送器 进水 出水 管式混合器图2-2 污水处理PH值控制模型 以上模型中，包含前馈和反馈PH值闭环控制系统。前馈系统主要由PH值传感器，反馈由PH值变送器完成。结合次控制模型，设计出污水处理PH值的智能区间控制PID算法，再通过实际的系统软硬件制作和调试来加以验证。2.3 常规PID控制原理图2-3 PID控制系统原理框图常规PID控制系统原理框图如图2-3所示，由PID控制器和被控对象组成。PID控制器是一种线性控制器，根据给定值与实际输出值构成控制偏差：将偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。PID控制器各校正环节的作用如下：1. 比例环节比例环节的方程： （2-1）其中，为比例调节器的输出量，为比例系数，为调节器的输入或偏差值。可以表示成： ，这里为设定的目标值，为时刻的采样值。比例调节器的输出变化与输入偏差成比例。比例调节作用的大小除了与偏差有关外，主要取决于比例系数的大小。越大，比例调节作用越强，反之则越弱。对于大多数系统而言，太大时，会引起系统自激振荡。比例调节的优点是调节及时，只要偏差一出现，就能及时产生与之成比例的调节作用。缺点是存在振荡，而且如果单纯采用比例调节，那么系统一定会存在静差。这是因为比例调节的输出正比于偏差值，若偏差为零，则输出也为零，此时，系统不可能达到平衡。比例系数越小，过渡过程越平稳，但静差越大。比例系数越大，则过渡过程曲线振荡越厉害，比例系数过大时，甚至可能出现发散振荡的情况。因此，对于扰动较大，惯性也较大的系统，若单纯采用比例调节，就很难兼顾动态和静态特性。2. 积分环节积分环节的方程： （2-2）其中，为积分时间。积分调节的主要特点是调节器的输出不仅取决于偏差信号的大小，而且还主要与偏差存在时间有关。只要有偏差存在，输出就会随时间不断增长，直到偏差消除后，调节器的输出才不会变化。因此，积分作用能消除静差，这是它的主要有点。它的主要缺点是动作缓慢。而且在偏差刚一出现时，积分作用很弱，不能及时克服扰动的影响，使被调参数的动态偏差增大，调节过程变长。3. 微分环节微分调节的方程： （2-3）其中，为微分时间。微分调节的主要特点是输出可以反映偏差的变化速度。因此，对于一个固定不变的偏差，不管其数值有多大，也不会有微分作用输出。所以微分作用不能消除静差，而只能在偏差发生变化时，产生调节作用。2.4 基本PID控制算法对实际系统进行控制时，常常将比例、积分和微分三种方法进行线性组合，构成PID控制，达到一个良好的控制效果。一般模拟系统的PID方程为： （2-4）其中，为比例增益，为积分时间，为微分时间，为控制量，为测量值与给定值的偏差。为了便于算法的实现，将上面的微分方程做如下处理： 其中，为采样周期，为采样序号，和分别为第和第次采样所得的偏差。由此，式（2-1）可以写成： （2-5）为便于编程，可以将式（2-5）改写成增量形式，即： （2-6）其中，为积分系数， 为微分系数。整理后可得： （2-7）其中， ， ， 。由上式（2-7）可以看出，控制量的大小除了与偏差、和有关外，还与比例增益，积分时间，微分时间和采样时间有关。因此，如何确定这些参数是PID控制的关键所在。2.5 污水处理PH值的智能区间控制原理由于在污水处理过程中，需要把PH值控制在某一范围，即某一设定区间，因此，提出了污水处理过程PH值设定区间智能控制方法：将设定区间的上限、下限作为控制设定值，构成两个设定值控制器，并根据出水PH值动态调度该两个设定值控制器，以确保出水PH在设定区间内，满足控制的要求。假设PH值设定区间为，检测得到的出水PH值为，控制量为（表示加碱，表示加酸，表示不加药）。设定值控制采用应用广泛的PID控制算法。这样设定值为的PID控制算法为： （2-8）其中，为设定值与出水PH值之差，即=-，、为PID控制常数。同理，设定值为的PID控制算法为： （2-9）其中，=-，、为PID控制常数。整个系统的控制算法为： ，且 设定值为时 其它 （2-10） ，且 设定值为时 其它图2-4是控制策略的示意图，图中、分别表示某一时刻出水PH值，、表示下一时刻在、点针对设定值（或）由控制算法得到的加药量（控制作用）。对于点（低于设定值，即与设定值相图2-4 PH值区间控制示意图比偏酸），（加碱）表示要使出水PH值达到设定值需要加该控制使PH值上升；对于点（位于设定区间之内，高于设定值，但低于设定值，即与设定值相比偏碱，与设定值相比偏酸），（加酸），虽然加酸会导致出水PH值降低使之趋近于，但如果不加酸，任其漂移，可能漂移到 之上（但通过下一控制周期使输出在附近）或仍在区间之内，因此可将控制作用如控制算法（2-10）式所示置为。对于、点也同理。注1:设定值的调度可采用增益调度方法，就近原则，也就是根据出水PH值与设定值，的距离决定切换到哪个设定值进行控制，即如果，则设定值为，否则设定值取为。注2：从控制策略（2-10）可以看出，只有在控制作用从大于0渐变到小于0，或从小于0渐变到大于0的过程中，才会出现控制作用为0的情况，因此，控制是连续的。2.6 污水处理PH值控制系统品质指标和参数整定方法2.6.1 PID控制系统的品质指标 一个受控系统的被控过程一般是衰减振荡的过渡，可以用曲线来描述，如图2-5所示：图2-5 被控系统过程衰减振荡曲线衡量系统过程控制的品质指标主要有：1.最大偏差 偏差是指被调参数与给定值只差。对于一个衰减振荡过渡过程，其最大偏差是第一个波得峰值，见图5中A表示。最大偏差表示系统瞬时偏离给定值的最大程度，若偏离越大，偏离时间越长，系统离开规定的平衡状态越远，一般要对最大偏差加以限制。2. 超调量 超调量是振荡的第一个峰值与新稳定值只差，图5中用B表示。超调量也可以用来表征被调参数的偏离程度。3. 静差静差是过渡过程终了时的残余偏差，也就是被调参数的稳定值与给定值之间的差值，图5中用C表示。静差可正可负，被调参数越接近给定值越好，即静差绝对值越小越好。4. 衰减比衰减比是前后两个峰值的比，是表示衰减程度的指标。图5中衰减比为B：B，习惯上用n：1来表示。通俗而言，若n只比1大一点，过渡过程的衰减程度很小，它与等幅振荡过程接近，振荡过程过于频繁不够安全，一般不采用；如果n很大则又太接近于非振荡过程，通常也是不希望产生的。一般取n=410为宜。因为衰减比在4:1到10:1之间时，过渡过程开始阶段的变化速度比较快，被调参数在受到干扰的影响和调节作用的影响后，能比较快地到达一个峰值，然后马上下降，又较快地达到一个低峰值。5. 稳定时间 从干扰开始作用起至被调参数又建立新的平衡状态为止，这段时间成为稳定时间。严格的讲，被调参数完全达到新的稳定状态需要无限长的时间。实际上，由于测量仪器的灵敏度限制，当被调参数靠近稳定值时，指示值就基本不再变化。所以有必要时，在可以测量的区域内，在稳定值上下规定一个小的范围，当指示值进入这一范围而不再越出时，就认为被调参数已达到稳定值。稳定时间短，说明过渡过程进行得比较迅速，这时即使干扰频繁出现，系统也能适应，质量就高。6. 振荡周期振荡周期是指过渡过程中两个同向波峰之间的间隔时间，其倒数称为振荡频率。在衰减比相同的条件下，振荡时间与稳定时间成正比。一般希望周期短些为佳。7. 振荡次数稳定时间内被调参数振荡的次数称为振荡次数。较为理想的过渡过程，振荡两次就能达到稳定状态。8. 上升时间从干扰变化时间起至第一个波峰时所需要的时间为振荡的上升时间。上升时间以短些为宜。2.6.2 参数整定方法对于任何一个被控系统，一般要求过程超调量小、调整时间短、没有静差，要达到这样的一个效果，合理选择PID调节器各参数是十分重要的。在PID调节器中，需要整定的参数有比例系数Kp、积分系数Ki和微分系数Kd。如何合理的选择采样周期T，也是影响系统性能的重要因素。PID参数的整定有多种方法，这里只介绍凑试法。凑试法是通过模拟或闭环运行，观察系统的响应曲线，然后根据各调节参数对系统响应的大致影响，反复凑试参数，以达到满意的响应。PID各参数的影响概括如下：1）增大比例系数Kp一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差。但过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。2）减小积分系数Ki有利于减小超调，减小振荡，使系统更加稳定，但系统静差的消除也将随之减慢。3）增大微分系数Kd也有利于加快系统的响应，使超调量减小，稳定性变好，但系统对扰动的抑制能力减弱，对扰动有较敏感的响应。在了解了PID各参数对被控系统的影响趋势之后，采用凑试法对参数进行整定时，一般遵循以下步骤：1）首先只整定比例部分。即将比例系数由小变大并观察相应的系统响应，直到得到反应快、超调量小的响应曲线。如果系统没有静差或静差已经小到允许的范围内，并且响应曲线已经满意，那么可以只需用比例调节器即可，比例系数可由此确定。2）如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则需加入积分环节。整定时首先置积分系数Ki为一较小值，并将经第一步整定得到的比例系数略为缩小（一般为原来的0.8倍），然后减小积分时间，使在保持系统良好的动态性能的情况下，静差得到消除。在此过程中，可根据响应曲线的好坏反复改变比例系数与积分时间，以得到满意的控制过程与整定参数。一般应调整Ki，使响应曲线的衰减比为4:1。3）若使用比例积分调节器消除了静差，但动态过程反复调节仍不能满意，则可以加入微分环节。在整定时，可先置微分系数Kd为零，在第二步整定的基础上，增大Kd，同时相应的改变比例系数和积分时间，逐步凑试，以获得满意的调节效果和控制参数。在整定过程中，观察到曲线振荡很频繁，需把比例系数减小以减小振荡；曲线最大偏差大且趋于非周期，需把比例系数增大。当曲线波动较大时，应增大积分时间即减小积分系数；曲线偏离给定值后，长时间回不来，则需减小积分时间即增大积分系数。如果曲线振荡的厉害，则需把微分作用减到最小，或暂时不加微分作用，以免更加剧振荡；曲线最大偏差而衰减慢，须把微分时间加长，一直调到过渡过程两个周期基本达到稳定，品质指标达到工艺要求为止。2.7 本章小结本章主要针对污水处理PH值控制系统在对污水酸碱进行中和过程中，PH值呈非线性这样的一个特点，提出污水处理PH值智能区间控制算法，并设计出控制模型。在后面的章节里将阐述系统各部分的工作情况，验证本算法的可行性。3 污水处理PH值控制系统硬件设计3.1 污水处理PH值控制系统设计方案在对系统进行设计之前，首先必须先确定选用什么主控器作为系统的控制核心。本设计选用通用单片机作为主控芯片，单片机周围电路所用到的芯片可以由课题要求来选择，但应该遵循选择功耗小、体积小、稳定性高和实用性强的原则。单片机是在一块硅片上集成了各种部件的微型计算机。随着大规模集成电路技术的发展，包括中央处理器CPU、数据存储器RAM、程序存储器ROM、定时器/计数器及输入/输出（I/O）接口电路等主要计算机部件，都可集成在一块电路芯片上。虽然单片机只是一个芯片，但从组成和功能上，它已经具有了微机系统的含义。由于单片机能独立执行内部程序，所以又称它为微型控制器。随着科学技术的日新月异，单片机也从一开始的8位单片机发展到16位、32位等诸多系列，其中51系列单片机由于其灵活方便、价格便宜的优点，在众多制造厂商的支持下已经发展成为具有上百个品种的大家族，如今51单片机是应用最广泛的单片机，是大学里电子、自动化及相关专业的必修学科。AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。因此，在本设计中采用AT89S51单片机作为主控制器。AT89S51单片机及其外围电路设计如图3-1所示： 辅助电路模块 时钟电路稳压电路复位电路 A T 8 9 S 5 1 单 片 机 数据采集电路模块PH值传感器 A/D转换 显示模块液晶屏显示上位机显示报警执行电路模块执行机构 D/A转换图3-1 污水处理PH值控制系统原理框图其中，数据采集电路模块中主要利用PH值传感器对污水采集其PH值，再经过A/D转换成电信号，由单片机对信号进行处理，如果所采集PH值不在所设定的上限、下限参数时，则将产生报警，提醒工作人员检查报警原因并采取措施。辅助电路模块主要是为了给单片机提供稳定电压、时间记录等辅助功能，以保证整个系统能在稳定的前提下运作。显示模块主要是显示被测数据经过单片机处理之后，经液晶显示屏和上位机界面显示监测的数据，主要包含时间及该时刻的PH值。执行电路模块主要是把系统输出的控制量经D/A转换给执行机构，实现控制效果。3.2 污水处理PH值控制系统各部分电路设计3.2.1 AT89S51单片机简介 AT89S51单片机是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机。AT89S51单片机具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。此外，AT89S51单片机设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。单片机芯片如图3-2所示：图3-2 AT89S51单片机芯片图主要特征如下： 8031 CPU与MCS-51 兼容 4K字节可编程FLASH存储器(寿命：1000写/擦循环) 全静态工作：0Hz-33MHz 三级程序存储器保密锁定 128*8位内部RAM 32条可编程I/O线 两个16位定时器/计数器 6个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路其管脚功能说明如下：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0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口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL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。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。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口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和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门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。I/O口作为输入口时有两种工作方式，即所谓的读端口与读引脚。读端口时实际上并不从外部读入数据，而是把端口锁存器的内容读入到内部总线，经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器。只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线。上面图中的两个三角形表示的就是输入缓冲器CPU将根据不同的指令分别发出读端口或读引脚信号以完成不同的操作。这是由硬件自动完成的，不需要我们操心，1然后再实行读引脚操作，否则就可能读入出错，为什么看上面的图，如果不对端口置1端口锁存器原来的状态有可能为0Q端为0Q为1加到场效应管栅极的信号为1，该场效应管就导通对地呈现低阻抗，此时即使引脚上输入的信号为1，也会因端口的低阻抗而使信号变低使得外加的1信号读入后不一定是1。若先执行置1操作，则可以使场效应管截止引脚信号直接加到三态缓冲器中实现正确的读入，由于在输入操作时还必须附加一个准备动作，所以这类I/O口被称为准双向口。89C51的P0/P1/P2/P3口作为输入时都是准双向口。接下来让我们再看另一个问题，从图中可以看出这四个端口还有一个差别，除了P1口外P0P2P3口都还有其他的功能。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），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端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.2.2 A/D转换器本设计中，对于模拟量和数字量的转换采用的是TLC0820芯片。TLC0820是德州仪器公司（TI）推出的，采用先进LinCMOS工艺制造的8位A/D转换器，它由2个4位的闪速（FLASH）转换器，1个4位的数模转换器，1个计算误差放大器，控制逻辑电路和结果锁存电路组成。其可校正的FLASH技术可以保证芯片在工作温度范围内完成一个8位转换仅仅需要1.18us。芯片的跟踪保持电路有100ns的采样窗口，它允许芯片以100mV/us的转换率转换连续的模拟信号而不需要外部的采样电路。TTL兼容的3态输出驱动和2种操作模式可以方便的与各种微处理器接口。TLC0820芯片引脚图如图3-3所示：图3-3 TLC0820芯片引脚图TLC0820芯片特征如下：先进的LinCMOS硅工艺8位转换结果差分基准输入并行微处理器接口转换和访问时间在温度范围内，读模式最大2.5us无需外部时钟或振荡器元件芯片上跟踪保持电路单一5V供电工作温度范围：070（TLC0820A）；-4085（TLC0820AI）因此，TLC0820芯片被广泛应用在高速数据采集系统、工业控制、工厂自动化系统等领域。TLC0820芯片各引脚功能如下表所示：引脚号名称I/O 说 明1ANLGLNI模拟输入端 13CS I片选端，CS须保持低电平以使ADC识别RD或WR 2D0 O数据端，3态数据输出，位0（LSB） 3D1 O数据端，3态数据输出，位1 4D2 O数据端，3态数据输出，位2 5D3 O数据端，3态数据输出，位3 14D4 O数据端，3态数据输出，位4 15D5 O数据端，3态数据输出，位5 16D6 O数据端，3态数据输出，位6 17D7 O数据端，3态数据输出，位7（MSB） 10GND O地 9INT O中断。在写方式时，中断输出（INT）变低提示内部计数延迟时间（int）完成及结果数据在输出锁定。典型的延迟时间（int）是800ns，在WS上升缘后开始。如果RD在（int）结束前变低，则INT在（RIL）结束时变低且转换结果即可读出。INT由RD可CS上升缘复位 7MODE I方式选择。MODE通过类似下拉电阻的50uA电流源与GND相连。当MODE低电平选择读方式，当MODE高电平则选择读-写方式 19NC无内部连接 18OFLW O溢出指示端。正常情况时OFLW是一逻辑高电平。可是如果模拟输入比高，OFLW在转换结束时将变低。可用于级联两个或多个器件以提高分辨率（9位或10位） 8RD I读。CS低电平的写读方式下，3态数据输出D0至D7在RD变低时被激活。通过在内部计数延迟时间结束之前读数据，RD也可用来提高转换速度。结果，传送至输出锁定电路的数据在RD的下降沿被锁定。读方式下，CS低电平，转换在RD变低开始。RD变在转换完成时允许3态数据输出端输出。RDY进入高阻抗状态及INT变低指示转换完成。 11 I基准电压。接电阻梯形网络的底部。 12 I基准电压。接电阻梯形网络的顶部。 13Vcc电源 6WR/RDY I/O写准备好。在写读方式，CS为低电平时，WR输入信号的下降沿启动转换开始。只要RD输入在内部计数延迟时间完成之前不变低，转换结果在其之后被选通入输出锁定。延迟时间（int）大约为800ns。在读方式，RDY（一开漏输出）在CS的下降沿变低且当转换选通入输出锁定电路时进入高阻抗状态。这可简化微处理器的接口TLC0820芯片的工作原理： TLC0820AC和TLC0820AI均采用取样数据比较器技术及普遍用于许多高速转换器的快闪技术。应用两个4位快闪模数转换器完成8位输出。推荐的模拟输入电压范围是0.1V至VCC+0.1V。小于Vref-+1/2LSB或大于Vref+1/2LSB的模拟输入信号分别转换为00 00 00 00或11 11 11 11。基准输入是全差分的，其共模极限为电源决定。基准输入值决定模拟输入满量程范围。这允许ADC的增益通过改变Vref+及Vref-电压值而变化以便于比率转换。器件在两种方式下工作：读及写读方式，可通过MODE选择。当MODE处于低电平时，转换器被设为（只）读方式。在读方式， WR/RDY 被用作输出且被认为是准备好端。在此状态， WR/RDY 低电平且 CS低电平指示器件忙。转换开始于RD的下降沿且在INT下降和WR/RDY恢复至高阻抗状态后2.5s内完成。此时数据输出亦从高阻抗状态转变为有效状态。数据读出后，RD处高电平状态，INT恢复高电平状态，数据输出恢复至高阻抗状态。当MODE处高电平状态，转换器被设为写读方式且WR/RDY被看作是写端。保持CS和WR/RDY低电平可选择转换器并开始输入信号的测量。大约在 WR/RDY 恢复高电平后的600ns ，转换完成。在写读方式，转换开始于WR/RDY的上升沿。高4 位快闪 ADC通过同时工作的 16 个比较器测量输入信号。高精度的4 位 DAC 这时从转换结果产生一离散的模拟电压。一段延迟时间后，第二组比较器根据输入电平及 DAC 输出间的模拟电压差完成低四位转换。每一个转换结果输入一个8位锁定电路并且在RD的下降沿输出至3态输出缓冲器。3.2.3 时钟电路由于本系统是对污水处理的实时监测和控制，所以在设计中有必要对不同时刻污水PH值进行采样并存储数据，所以时钟电路部分是本系统设计中是不可缺少的。系统中选用的是DS1302时钟芯片来设计时钟电路部分。时钟芯片DS1302是美国DALLAS公司推出的，其在测量系统应用中可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿等多种功能。DS1302用于数据记录，特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录上，能实现数据与出现该数据的时间同时记录。这种记录对长时间的连续测控系统结果的分析以及对异常数据出现的原因的查找有重要意义。在测量控制系统中，特别是长时间无人职守的测控系统中，经常需要记录某些具有特殊意义的数据及其出现的时间。记录及分析这些特殊意义的数据，对测控系统的性能分析及正常运行具有重要的意义。传统的数据记录方式是隔时采样或定时采样，没有具体的时间记录，因此只能记录数据而无法准确记录其出现的时间；若采用单片机计时，一方面需要采用计数器，占用硬件资源，另一方面需要设置中断、查询等，同样耗费单片机的资源，而且某些测控系统可能不允许。而在系统中采用 DS1302则能很好地解决这个问题。时钟芯片DS1302引脚图及内部原理图如图3-4所示：图3-4 DS1302引脚图及内部原理图DS1302结构与工作原理：DS13021是美国 DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带 RAM的实时时钟芯片，工作电压宽达 2.55.5V。采用三线接口与 CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或 RAM数据。DS1302内部有一个 31的用于临时性存放数据的RAM寄存器。DS1302是 DS1202的升级产品，与 DS1202兼容，但增加了主电源后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。DS1302各引脚功能如下表：引