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某化工厂污水处理过程微机控制系统的设计1.rar

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    编号:20180802233204485    类型:共享资源    大小:473.82KB    格式:RAR    上传时间:2018-08-02
      
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    化工厂 污水处理 过程 微机 控制系统 设计
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    浙江工业大学浙西分校信电系毕业( 论文)1 第一章 概述随着人类社会的发展,随着现代工业的高速发展,工业污染已成为人们生活的主要危害。工业污染主要包括废水、废气、废渣……等等。而其中的废水污染尤为严重,严重影响了人们的生活用水问。工业废水是指工业生产过程中产生的废水、污水和废液,其中含有随水流失的工业生产用料、中间产物和产品以及生产过程中产生的污染物。随着工业的迅速发展,废水的种类和数量迅猛增加,对水体的污染也日趋广泛和严重,威胁人类的健康和安全。对于保护环境来说,工业废水的处理比城市污水的处理更为重要。化工行业产生的废水直接外排不但影响环境。所以在排放前必须进行中和处理,使废水的 PH 值达到工业废水排放的标准后方可排放。废水排放的国家标准为 PH 值在 6.0-8.5 之间,因而废水处理的基本方法:酸性水加碱,碱性水加酸,即废水中和处理,使废水的 PH 值达到 6.0-8.5 之间,进行合格排放。化工厂排放的废水一般为酸性,理想的情况是采用在线处理方法,即一边排放,一边根据检测的 PH 值加碱,达到中性水的标准。但由于受到来水水质以及 PH 值检测滞后等因素的影响,现在普遍采用静态处理方法,即将化学废水集中到处理池子中,当池子的液位达到一定高度时进行中和处理。过去的方法靠人工加碱,由于没有在线 PH 计,加碱的过程只能凭感觉,不是加多了就是加少了。现今的自动控制系统已经发展到了智能化的阶段,智能控制是自动控制发展的高级阶段,是人工智能、控制论、系统论和信息论等多种学科的高度综合与集成,它主要包括模糊控制、神经网络控制、学习控制和专家控制等。智能控制是控制理论发展中的高级阶段,主要用来解决那些用传统方法难以解决的复杂系统的控制问题。为了提高生产效率,提高化工厂废水处理的自动化水平,着手设计由微机控制的废水处理系统。考虑到该化工厂产生的废水主要为酸性成分,处理要求并不是太高,所以在设计废水处理控制系统时尽量考虑用最少的投资达到最佳的控制效果。化工酸性废水成分复杂多变,浓度、流量也大幅浙江工业大学浙西分校信电系毕业( 论文)2 的配置(AD574A, DAC0832, LEI)显示器等)构成。根据度地随机变化,而且成分、浓度又不可在线测量.为了实用性强的硬件电路.结合硬件电路和控制过程和废物利用, 使用电石渣废液做中慢时变的特点,设计了以大滞后采样算法和 PID控制,针对内含大量固体颗粒及其他杂质,使中和剂本身算法为核心的软件方案.本系统所设计的内容对于浓度波动很大,又造成反应滞后,给中和过程的控制缓慢变化的化工过程具有一定的实用价值。 浙江工业大学浙西分校信电系毕业( 论文)3 第 2 章 系统的组成及工作原理计算机系统由计算机和工业对象组成。计算机多采用专门设计的工业控制微机,也有采用一般微机或单片机的。工业对象包括被控对象、测量变送、执行机构和电气开关等装置。本设计采用微机闭环控制系统系统结构框图如 2-1 所示: 图 2-1 系统结构框图闭环控制系统的工作原理是:PH 值传感器采用五点测量法将现场采集的实时废水 PH 值变换为模拟的电流信号,经隔离去干扰后再由 I/V 变换电路变换成电压信号,送 A/D 转换为数字信号后送单片机处理。单片机根据送过来的信号与设定值相比较得出结论后向执行结构发出指令,开始执行加碱的动作,进行废水的中和处理。在此过程中,单片机输出的数字信号又经过 D/A 转换变成模拟量信号,经放大电路放大,执行机构进行一定的指令操作。其中单片机的给定参数也可以由人工通过键盘输入。以实现人机一体化操作。浙江工业大学浙西分校信电系毕业( 论文)4 第 3 章 系统硬件设计系统的硬件设计重要根据闭环控制系统的硬件框图,对输入通道和输出通道所需的硬件进行选择。输入通道包括:检测用的 PH 计、采样保持器、I/V 转换器以及 A/D 转换器。输出通道包括:D/A 转换器,功率放大以及执行结构(电磁阀)等。系统运行的核心部分是单片机,我们首先对单片机进行选择3.1 单片机的选择对化工厂废水处理的微机控制系统,单片机是整个设计控制的核心。近年来计算机技术发展日新月异,单片机由于其功能强、体积小、价格低、稳定性好等优点,应用领域不断扩大,目前在计算机外部设备、通信、智能仪表、过程控制、家用电器、航空航天系统等各个领域得到广泛应用。目前世界上有许多公司都生产单片机,但是由美国 Intel 公司生产的 MCS-51 系列、AT89 系列等仍是主流单片机,也是广大工程技术人员首选的机型。其易于学习、掌握,性能价格比高。目前上市较多的 AT89 系列产品,与 51 系列单片机产品完全兼容,各种性能较全,在设计中被较多的选用。所以我们在设计系统时,考虑选用 AT89 系列中的 AT89C51 单片机。3.1.1 AT89C51 的介绍AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的低电压,高性能 CMOS 8 位单片机,片内含 4k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器((PEROM)和 128 bytes 的随机存取数据存储器(RAM),器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准 MCS-51 指令系统,片内置通用 8 位中央处理器(CPU)和 Flash 存储单元,浙江工业大学浙西分校信电系毕业( 论文)5 功能强大 AT89C51 单片机可以应用与许多高性价比的应用场合,也可灵活应用于各种控制领域。AT89C51 单片机的片内结构如图 3-1 所示,如果按功能划分,它由 8 个部件组成,即微处理器(CPU) 、数据存储器(RAM) 、程序存储器(EPROM) 、I/O口(P0 口、P1 口、P2 口、P3 口) 、串行口、定时器/记数器、中断系统及特殊功能寄存器(SFR) 。它们都是通过片内单一总线连接而成,其基本结构依然是采用 CPU 加上外围芯片的传统结构模式。但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器(SFR)的集中控制方式。单片机片内结构图 3.1。图 3.1 单片机片内结构AT89C51 的各个功能部件的作用如下:(1)数据存储器(RAM):片内 128 个字节(单元) ,片外最多可外扩至 64K 字节。(2)程序存储器(EPROM):4K 字节,片外最多可外扩至 64K 字节。(3)中断系统:具有 6 个中断源,2 级中断优先权。(4)定时器/记数器:2 个 16 位定时器/记数器,具有四种工方式。(5)串行口:1 个全双工的串行口,具有 4 种工作方式。(6)P0 口、P1 口、P2 口、P3 口:4 个并行 8 位 I/O 口。(7)特殊功能寄存器(SFR):共有 21 个,用于对片内各功能模块进行管理、控浙江工业大学浙西分校信电系毕业( 论文)6 制、监视。实际上是一些控制寄存器和状态寄存器,是一个特殊功能的 RAM。1.微处理器(CPU):为 8 位的 CPU,且内含一个 1 位 CPU,不仅可处理字节数据,还可以进行位变量的处理。AT89C51 单片机都采用 40 只引脚的双列直插封装(DIP)方式,目前大多数 为此封装方式。40 只引脚按其功能来分,可以分为三部分:(1)电源及时钟引脚:Vcc,Vss;XTAL1,XTAL2。(2)控制引脚:PSEN、ALE、EA、RESET(即 RST)(3)I/O 口引脚:P0、P1、P2、P3,为 4 个 8 为 I/O 口的外部引脚。图 3.1 为引脚的功能分类图,这些引脚构成了典型的三总线形式,即地址总线(AB) 、数据总线(DB) 、控制总线(CB) 。图中锁存器为外扩部件(常用74LS373、74LS573 或 Intel8212) 。下面根据图 3.2,叙述个引脚功能。浙江工业大学浙西分校信电系毕业( 论文)7 图 3.2 AT89C51 的引脚图AT89C51 单片机的中央处理器(CPU)AT89C51 的 CPU 是由运算部件和控制部件所构成的。运算部件包括逻辑部件 ALU、位处理器、累加器 A、寄存器 B(见图 3-1) 、暂存器以及程序状态字 PSW 寄存器等。该模块的功能是实现数据的运算、逻辑运算、位变量处理和数据传送等操作。控制部件是单片机的神经中枢,以主振频率为基准(每个主振周期称为震荡周期) ,控制器控制 CPU 的时序,对指令进行译码,然后发出各种控制信号,它将各个硬件环节组织在一起。AT89C51 存储器的结构AT89C51 的存储器可划分为五类:1、程序存储器。一个微机系统之所以能够按照一定的次序进行工作,主要在于内部存在着程序,程序实际上是有用户程序形成的一串二进制码,该二进制码存放在程序存储器中。2、内部数据存储器。它能满足大多数控制型应用场合需要,用作处理器为体的数据缓冲器。3、特殊功能寄存器。特殊功能寄存器反映了 AT89C51 的状态,实际上是AT89C51 的状态字及控制寄存器。4、位地址空间。AT89C51 的一个很大的优点在于它具有一个功能很强的位处理机。在指令系统中,有一个位处理指令的子集,使用这些指令,所处理的数据仅为一位二进制数。在 AT89C51 单片机内共有 211 个可寻址位,它们存在内部 RAM 和特殊功能寄存器中。5、外部数据寄存器。AT89C51 应用系统往往是个扩展系统。当片内 RAM 不够用时,可以在片外部扩充数据存储器。单片机的 I/O 端口I/O 口线: P0、P1、P2、P3 共四个八位口P0 口是三态双向口, 通称数据总线口, 因为只有该口能直接用于对外部存储器的读ö写操作。P0 口也用以输出外部存储器的低8 位地址。由于是分时输出, 故应在外部加锁存器将此地址数据浙江工业大学浙西分校信电系毕业( 论文)8 锁存, 地址锁存信号用 AL E。P1 口是专门供用户使用的I/O 口, 是准双向口。P2 口是从系统扩展时作高8 位地址线用。不扩展外部存储器时, P 口也可以作为用户I/O 口线使用, P2 口也是准双向口。P3 口是双功能口, 该口的每一位均可独立地定义为第一I/O 功能或第二I/O 功能。作为第一功能使用时操作同P1 口。P3 口的第二功能如下表3.1表3.1 AT89C51的P3口功能端口引脚 第二功能P3.0 RXD 串行通信输入P3.1 TXD 串行通信输出P3.2 INT0 外部中断0 输入,低电平有效P3.3 T0 计数器0 外部事件计数输入端P3.4 T0 计数器0 外部事件计数输入端P3.5 T1 计数器1 外部事件计数输入端P3.6 WR 外部随机存储器的写选通,低电平有效P3.7 WR 外部随机存储器的写选通,低电平有效3.1.2 AT89C51 的程序存储器的扩展系统设计时,当片内的存储器容量不够用或用了之后纯粹当接口方便、简化接线图,这样就需要外扩存储器了。单片机采用三总线结构。按其功能通常把系统总线分为三类,即地址总线、数据总线和控制总线。地址总线主要用于单片机送出的地址信号,以便对外部的存储器单元或I/O端口进行操作。地址总线是单向传送的,只能有单片机向外发送。在AT89C51单片机系统中,地址总线通常由P0口和P2口构成。数据总线是用于在单片机与外部存储器之间或单片机与I/O端口之间传送数据的通道。单片机系统总线通常由P0口来构成。总线宽度与单片机的字长是一致的。控制总线实际上是一组控制信号线,它包括单片机发出的,以及外部设备浙江工业大学浙西分校信电系毕业( 论文)9 送给单片机的信号线。对某一条控制信号线而言,它是单向传送的,但是由不同方向的控制信号线组合成的控制总线则表现为双向传送性。系统扩展用的控制线有ALE、EA、PSEN、RD、WR。74LS373引脚图如图3.2图3.2 74LS373引脚图AT89C51单片机的P0口是地址线/数据线分时复用的,实现这一功能需要引入地址锁存器。常用地址锁存器的芯片一般有两类:一类是8D触发器,如74LS273、7474LS377等,另一类是位锁存器,如74LS373、8282等。图3-2给出了74LS373的引脚和它们的逻辑功能状态。74LS373是高电平触发选通,当使能端G有效时,输出直接跟随输出变化,当使能端有高变低时,才将输入状态锁存直到下次能使信号变高为止。因此在选用74LS373做单片机地址锁存时,可直接将单片机的ALE信号加到它们的使能端。E2 PROM是电可擦除、可编程的半导体存储器。在+5V电压下就可进行读写操作,对编程脉冲宽度一般也没有特殊的要求,也不需要专门的擦除器(如紫外线灯)。所以E 2PROM实际上是一种特殊的可读可写的存储器。它即可作程序存储器使用,也可作数据存储器使用。把程序存储器E 2 PROM连在单片机系统总浙江工业大学浙西分校信电系毕业( 论文)10 线上就可以进行在线改写。即使突然掉电E 2 PROM中的内容也不会丢失。如图3.3 单片机外部扩展与单片机的接口图3.2 采样保持器采样/保持器的主要作用在于保证 A/D 转换器进行转换期间,输入电压保持不变,以免引起 A/D 的转换误差。它有两个工作模式:一是采样,一是保持。在采样状态时,其输出能跟随输入电压的变化而变化,故该状态亦称跟踪状态;而当处于保持状态时,其输出将保持在进入保持状态瞬间的输入电压的值不变。在选择采样/保持器时,应考虑以下几个主要参数:(1)孔径时间:电路接到保持信号后,模拟开关由导通转变为断开所需的时间。显然,对于一个动态的模拟输入信号在此期间会发生变化,这将导致 A/D转换产生不确定性误差(孔径误差) 。(2)捕捉时间:电路接到采样控制信号后,输入电压 Vo 达到指定跟踪误差范
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