全自動PH值測量系統(tǒng)設(shè)計

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1、目錄 摘 要 本論文設(shè)計用電化學(xué)原理和MSC–51單片機技術(shù)對各種溶液中氫離子濃度進(jìn)行測定。本論文詳細(xì)論述了PH測量儀的設(shè)計，包括氫離子濃度的測量，標(biāo)定方法，溫度檢測裝置，測量電路和軟件系統(tǒng)設(shè)計。 PH測量儀用三電極檢測系統(tǒng)，參比電極和指示電極對溶液中氫離子檢測。三電極系統(tǒng)有良好地抗干擾能力。輸入電路采用高阻差分電路，傳感器的設(shè)計可以減少溶液中其他離子的干擾。儀器以MSC–51單片機系統(tǒng)，可以完成儀器的自動校準(zhǔn)，溫度補償?shù)裙δ堋２捎萌藱C對話可以實現(xiàn)自動測量，存儲，顯示等功能。在實際的測量系統(tǒng)中，能斯特方程相應(yīng)的實際曲線往往偏離理想曲線，所以中有知道實際的曲線才能用測量系統(tǒng)中的電極。故采用

2、兩點標(biāo)定法，計算出實際的斜率和溫度，才能正確測量。 關(guān)鍵詞：三電極檢測，高阻，溫度補償 - 48 - Abstract On the basis of electrochemical principal and Instrument circuit system to MCS–51 microcontroller core, this system can measure activity in solution .The paper details the design of the

3、PH instrument. Including measuring principle, the calibration way, the design of temperature transducer, measuring circuit software. The ph tester is equipped with three–electrode measurement system. The concentration of hydrogen was determined by the appropriate reference electrode and indicator e

4、lectrode measurement .the system can greatly reduce the impact of outside interference. The unique sensor design can reduce the reference electrode and ionic interference. The MCS–51 microcontroller core can automatically adjust the scope, automatic temperature compensation etc. the use of man-mac

5、hine dialogue can enable automatic measurement, storage, display data functions. In the actual measurement system, the Nernst equation corresponding to the actual curve often deviate the ideal curve, with the use of two-point calibration method, we can actually calculate the actual slope and tempera

6、ture. Key words: three–electrode measurement system, high resistence，the temperature compensation. 目 錄 摘 要 I Abstract Ⅱ 目錄 III 第一章 引言 1 1.1課題背景 1 1.2 PH測量系統(tǒng)研究的必要性 1 1.3 PH測量系統(tǒng)的發(fā)展概況 2 1.4 PH測量系統(tǒng)的主要原理 3 第二章 測量系統(tǒng)的整體設(shè)計 4 2.1 測量原理 4 2.2 三電極測量系統(tǒng) 5 2

7、.3 PH測量系統(tǒng)的測量方法 5 2.3.1指示電極 6 2.3.2參比電極 7 2.4溫度對測量的影響 8 2.5本章總結(jié) 9 第三章 PH測量系統(tǒng)的硬件設(shè)計 10 3.1 89C52介紹 10 3.2 溫度采集電路 13 3.3 PH信號采集電路 16 3.4 A/D，D/A轉(zhuǎn)換器 17 3.5 信號輸出電路 20 3.6鍵盤顯示設(shè)計 21 3.7電源電路設(shè)計 22 3.8總線擴展 23 3.9本章總結(jié) 27 第四章 基于MAX232通訊模塊 28 4.1 系統(tǒng)設(shè)計總體方案 28 4.2串口通信基礎(chǔ)理論 28 4.3 兩種接口方式 29 4.3.1

8、串行接口方式 29 4.3.2 并行接口方式 29 4.4 51系列單片機串行口控制寄存器SCON 29 4.5 RS-232串行接口標(biāo)準(zhǔn) 30 4.6 單電源轉(zhuǎn)化芯片MAX232 31 4.7 MAX232外圍連接電路 31 4.8 通信程序設(shè)計 32 4.9總結(jié) 33 第五章 PH測量系統(tǒng)的軟件設(shè)計 34 5.1 測量系統(tǒng)主要內(nèi)容 34 5.2 測量系統(tǒng)主程序 34 5.3 子程序的標(biāo)定 36 5.4 測量子程序 37 5.5 本章小結(jié) 37 第六章 誤差分析及功能測試 38 6.1誤差分析 38 6.2數(shù)據(jù)分析 40 結(jié)論 41 致 謝 42 參考

9、文獻(xiàn) 43 附錄 45 第一章 引言 第一章 引 言 1.1課題背景 PH值測量系統(tǒng)，用到電位分析法測量溶液中的氫離子濃度。測量三電極測量系統(tǒng)與被測溶液構(gòu)成的電池（原電池）的電動勢，可得被測溶液離子濃度。 電位分析法是用電極電位和濃度的關(guān)系來測定物質(zhì)濃度的一種電化學(xué)分析方法。因此可以借助于直流電位測量儀器由一指示電極與另一支參比電極在溶液中組成測量電池的電動勢，然后測量計算出溶液中離子含量。電位分析法中的指示電極是能將非電量溶液的離子活度轉(zhuǎn)化為點位的變化的電化學(xué)敏感器。在電位分析法中最常見的指示電極為PH電極和各種離子型選擇電極。對溶液中參與半反應(yīng)的離子的

10、活度或不同氧化態(tài)的離子的活度能產(chǎn)生能斯特響應(yīng)的電極,稱為指示電極。 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電位法測量儀器的更加精確，便捷和數(shù)字化。其電子線路由電子管電路進(jìn)入晶體管電路再進(jìn)入了集成電路。各種智能型芯片的應(yīng)用，提高了儀器的智能化和測量精度，并且也簡化了儀器的測量電路。隨著計算機的發(fā)展與普及，出現(xiàn)了許多微機化電位測量儀器，它用軟件來完成電位、PH濃度的測定。對于那些測量方便，而計算很復(fù)雜的方法，如多次添加法有重要的意義。同時，它能進(jìn)行背景校正，以及溫度自動補償、自動校正等多種功能。這種儀器由于操作簡便、測定速度快、靈敏度高、精度好，是電位法測量儀器的發(fā)展方向。 1.2 PH測量系統(tǒng)研究的必要性

11、酸堿度是表征氫離子活動的一個重要參數(shù)，它對溶液性質(zhì)，化學(xué)反應(yīng)速率和微生物的新陳代謝都有影響。尤其在污水處理過程中，如果該值不符合要求，將帶來巨大的環(huán)境污染。在測量過程中，影響其測量精度的因素很多，包括老化，電極測試水溫的變化，測量儀器電路穩(wěn)定本身會給測量結(jié)果的誤差。通常測量液體的溫度測量，溫度補償和電極的標(biāo)定是測量儀器校準(zhǔn)的高精度測量的關(guān)鍵問題的設(shè)計。目前，PH值的參數(shù)測量方法有很多種，最常用的化學(xué)分析法、試紙分析法和電位分析法。但化學(xué)分析方法和試驗分析都不可以做在線自動測量。目前，雖然有許多文獻(xiàn)探討電位分析法的設(shè)計與實現(xiàn)。但如何設(shè)計精確測量，溫度補償精度，可靠性高，功耗低，成本低，功能齊全的

12、檢測儀器還需要進(jìn)一步研究的問題。目前工業(yè)PH值測試儀已廣泛應(yīng)用于石油，化工，鋼鐵，電力，食品，釀造，醫(yī)藥，紡織，皮革，造紙，印染，水處理，鍋爐系統(tǒng)在各個工業(yè)部門。但是，越來越顯示出工業(yè)機將成為工業(yè)部門的檢測和控制是必不可少的有效工具。例如，在印染行業(yè)，酸堿值的精確度的染料在高吸收率是衡量印染工藝是一個重要的因素，既節(jié)約原材料，減少沖洗槽數(shù)，對于以后的污水處理來說，都十分有益。 1.3 PH測量系統(tǒng)的發(fā)展概況 世界上第一臺商品PH計由Arnold Beckman于1936年研制生產(chǎn)的。 工業(yè)PH計發(fā)展過程，以日本為例。 1951年日本電氣式化學(xué)計研究所(DKK 前身)研制生產(chǎn)的日本生

13、產(chǎn)的第一臺工業(yè)PH計。 1953年日本橫河電機開始研制生產(chǎn)工業(yè)PH計。初期的PH 測定裝置是由傳感器亦稱發(fā)送器(包括玻璃電極、參比電極、溫度補償元件)和阻抗變換、放大、指示的電子單元兩部分組成。 在70年代工業(yè)PH計取得了突破性的進(jìn)展。 1971年日本橫河電機利用FET和IC組成的高輸入阻抗變換器體積小的特點首次推出8511型。該儀器首次把2線式傳輸方式用于工業(yè)PH計系統(tǒng)，從而簡化了本質(zhì)安全防爆的結(jié)構(gòu)設(shè)計。 1975年，日立生產(chǎn)的K-7型工業(yè)PH計中,首次將玻璃電極、比較電極和溫度補償電極一體化，構(gòu)成復(fù)合電極，這種復(fù)合電極的出現(xiàn)，無疑為PH傳感器的小型化作出了貢獻(xiàn)。在8511型PH 變

14、送器的基礎(chǔ)上,推出PH6F型PH變送器。 1979年，橫河電機H8F型PH變送器。并由PH 8 F型變送器與PH傳感器及其輔助設(shè)備構(gòu)成了PH Σ系列。 80年代是工業(yè)PH計微機化、智能化的年代。 1984年日本電氣化學(xué)計生產(chǎn)了HBM—51型帶微機的工業(yè)PH計。該儀器能夠進(jìn)行PH自動校正和電極的自動清洗。儀器采用液晶7段數(shù)字顯示，具有校正時電極電位穩(wěn)定性判斷功能；檢量線運算功能，用液晶顯示校正異常和電極劣化功能；上下限調(diào)節(jié)功能，任意設(shè)定量程功能；輸出同步功能及PH標(biāo)準(zhǔn)液在各溫度下PH值的存儲功能等。 1987年9月，日本橫河電機推出具有自診斷功能的TM20BG型工業(yè)PH計。該儀器為一體化

15、結(jié)構(gòu)，具有高可靠性、多功能、使用維護(hù)方便等特點。 1989年月本橫河電機又推出EXAPH PH 200 G型智能式工業(yè)PH計，儀器配有微處理機，據(jù)稱該EXA型PH計是世界上第一臺智能2線式工業(yè)PH計。 90年代是工業(yè)PH計微機化、智能化普及的年代。 主要功能及要求為：①可靠性高、易維護(hù)、成本低、操作方便、小型、防爆且能在條件惡劣的場所使用。②要求儀器具有傳感器自診斷、標(biāo)準(zhǔn)液自動校正，電極自動清洗，以及具有人機對話和通訊功能。③產(chǎn)品系列化，為滿足不同用戶的要求，儀器應(yīng)具有多種電極清洗方式，可供用戶選用。④2線式傳輸，具有標(biāo)準(zhǔn)信號輸出，便于和計算機聯(lián)用。⑤可以一種機器多種用途，儀器不僅可檢測

16、PH值，也可對ORP(氧化還原電位)、電導(dǎo)率、離子濃度、溫度等一項或幾項聯(lián)合檢測。 隨著科技進(jìn)步和創(chuàng)新PH測量系統(tǒng)正邁向智能化，人性化的方向發(fā)展。精確度越來越高。我們期待著它的發(fā)展。 1.4 PH測量系統(tǒng)的主要原理 用MSC-51單片機為核心的數(shù)據(jù)處理，和一些外圍芯片，包括一個完整的自我檢測，智能儀器的校準(zhǔn)。具有體積小，重量輕，抗干擾能力強，因此它可以應(yīng)用到傳統(tǒng)的測量。測量數(shù)據(jù)的電極電壓信號，信號調(diào)整電路放大信號，調(diào)整。處理電路的多級放大器電路。設(shè)計的運算放大器CA3140，具有高電壓PMOS管和高壓二極管的優(yōu)勢。輸入電路的研究提供了非常高的阻抗。具有很快的響應(yīng)速度。它也有自己的補償能力

17、穩(wěn)定放大增益；輸出部分包含它們自己的保護(hù)電路保護(hù)負(fù)載短路造成的損害?？梢酝瓿勺杩蛊ヅ洌瑴p少噪音，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，非常適合電路設(shè)計。 溫度傳感器將熱體內(nèi)部溫度轉(zhuǎn)換為電壓信號。對溫度信號的處理要求精度比較高。因此采用高精度運算放大器對其進(jìn)行放大處理經(jīng)處理后的兩路信號與參比電極兩路信號同時進(jìn)入電子開關(guān)供CPU選擇。 圖1-1 總體電路 參比電極 高阻 差分 放大 電路 89c52單片機系統(tǒng) AD 轉(zhuǎn)換 DA轉(zhuǎn)換 數(shù)字控制 開 轉(zhuǎn)換 接地電極 顯示器 鍵 盤 串行通信 溫度放大電 路 指示電極 溫度傳感器 第二章 測量系統(tǒng)的整

18、體設(shè)計 第二章 測量系統(tǒng)的整體設(shè)計 2.1 測量原理 玻璃電極和參考電極是PH 計的重要組成部分，溶液的PH 值是由它們與待測溶液組成的原電池的電動勢決定的。玻璃電極是由特殊玻璃膜制成的，其厚度可以小于0.1mm,Ag-AgCl 為參考電極在內(nèi)部，由二者組成復(fù)合電極，之間是PH 值一定的參比溶液，當(dāng)玻璃電極放入待測溶液時，玻璃膜處于H+ 濃度一定內(nèi)參比溶液和待測溶液之間，形成很薄的水化層，二者之間形成新的H+平衡，產(chǎn)生了膜電位E（玻璃電極）和E（參比電極），則復(fù)合電極的E= E- E， 恒定不變,E與溶液H+濃度 E=RTFlna=2.303

19、RTFlga, (2-1) 令2.303RT/F=K，因為PH=lg得 E=-KPH, (2-2) 由上可看出，電極E 與PH 成線性關(guān)系，其中斜率k 是溫度t 的函數(shù)，由實驗資料得出其擬和直線為： K=54.20+0.1984t, (2-3) 上式t 是溫度傳感器所測溶液的溫度，當(dāng)溶液PH=7時，兩電極之間電勢差為0，為了使電勢的高低與PH 值一致,代入得：

20、 E- E=-K (PH-7), (2-4) 標(biāo)定方法很多，標(biāo)定是用已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)液去校準(zhǔn)儀器。算出測量方程中的未知數(shù)，然后才能在測量過程中根據(jù)測量值和參數(shù)值算出被測試樣濃度值。對于實際的測量系統(tǒng)來說，能斯特方程響應(yīng)的實際曲線又往往偏離理想曲線，即實際響應(yīng)的曲線的斜率不等于理想曲線的斜率，所以只有知道實際的斜率，測量系統(tǒng)中的電極才能使用。標(biāo)定不僅在運行初期進(jìn)行，在運行過程中，由于化學(xué)反應(yīng)的一些不確定因素發(fā)生的變化引起的測量值的漂移，一般必須由標(biāo)定來消除。對此，我們采用兩點標(biāo)定法來標(biāo)定，取兩種溶液。 因為，在我國標(biāo)準(zhǔn)

21、緩沖液中，沒有PH=7.000。我們采用定標(biāo)的中性溶液為PH=6.684，PH=4.003，PH=9.182?？傻茫? , (2-5) , (2-6) 進(jìn)一步得： , (2-7) 為玻璃電極再PH=6.864標(biāo)準(zhǔn)溶液產(chǎn)生的電動勢。 2.2 三電極測量系統(tǒng) 電位測量溶液的玻璃電極為指示電極，銀-氯化銀電極為參比電極，雙電極封裝在一起，形成一個復(fù)合玻璃電極。將傳感器插入被測溶液中，復(fù)合玻璃電極與被測溶液組成的原電池，組合式玻璃電極輸出引線分別用于原電池的正電極和負(fù)電極。 儀器測量

22、電路，必須有一個高電阻的電路。這是由于固體電極的內(nèi)阻較高，和溶液接地電路。 發(fā)射器輸入電平由兩根相同的高輸入阻抗放大器。使用一個放大器測量參照電極和解決地電位電極之間；另一個放大器測量指示電極和地電極之間的電勢。兩個電勢的代數(shù)和就是與待測溶液的PH相關(guān)的電勢差（等于指示電極和參比電極之間的電動勢），放大器用來測量這個電勢差。 2.3 PH測量系統(tǒng)的測量方法 本測量系統(tǒng)采用電位法進(jìn)行測量。分析電極稱為原電池。原電池是一個系統(tǒng)，它的作用是把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。電池的電壓被稱為電動勢（電磁場）。此電動勢（EMF）由二個半電池構(gòu)成，其中一個半電池稱作測量電極，它的電位與特定的離子活度有關(guān)；另一個半

23、電池為參比半電池，通常稱為參考電極，它通常是測量溶液相通，并與測量儀器相連。例如，一個電極是由一個插在含銀離子的鹽溶液銀線，在導(dǎo)線和溶液的界面處，由于金屬和鹽溶液二種物相中銀離子的不同活度，形成離子的充電過程，形成離子充電過程，并形成一定的電位差。銀離子在溶液中沒有電子。當(dāng)沒有外部電流反向充電，這個過程將最終達(dá)到一個平衡。在平衡狀態(tài)下存在的電壓稱為半電池電位或電極電位。這（如上所述）由金屬和金屬離子的溶液組成的電極稱為第一類電極。此電位的測量是相對一個電位與鹽溶液的成分無關(guān)的參比電極進(jìn)行的。這是獨立測量的參考電極也被稱為二電極。這種電極，金屬線覆蓋著一層金屬的微溶鹽，并插入含有這種金屬鹽離子的

24、電解質(zhì)溶液。半電池電位或電極電位取決于活動這一陰離子。 2.3.1指示電極 指示電極是組成電位分析儀的基本部件，大部分指示電極是離子選擇性電極。它具有將溶液中某特定離子的活度轉(zhuǎn)變成一定電位的功能。不同離子選擇性電極都有一個所謂離子選擇性膜的敏感元件。離子選擇性電極的性能主要取決于膜的種類及其制備技術(shù)，常用的離子選擇性電極有晶體膜電極、液膜電極和玻璃膜電極等。 理想的離子選擇性電極的電位與離子活度的關(guān)系應(yīng)符合能斯特方程 , (2-8) a為溶液中此離子的活度值； S為電機的斜率項，是溫

25、度的函數(shù)； E0為電極等電勢點的電位值。 電極的響應(yīng)斜率只在一定的活度范圍，保持其基本不變，當(dāng)活度小于一定值時，斜率明顯的變小。大多數(shù)指示電極是離子選擇性電極，離子選擇性電極是可以將溶液中某種特定離子的濃度轉(zhuǎn)變成電位功能的電極。各種離子選擇性電極的結(jié)構(gòu)雖然各有其特點，但都有一個被稱為離子選擇性膜的敏感元件，離子選擇性電極的性能主要取決于膜的種類及制備技術(shù)。離子選擇性電極的敏感膜都有滲透性，也就是說被測溶液中的特定離子可以進(jìn)入膜內(nèi)，并在膜內(nèi)移動，從而可以傳遞電荷，在溶液和膜之間形成一定的點位。膜的滲透性是具有的選擇性使非特定離子不能再其中進(jìn)行滲透，這就是離子選擇性電極對離子具有選擇性響應(yīng)的基

26、本原因。 3 2 1 A2 A1 A1 圖2-1 敏感膜電位的示意圖 1-參比電極；2-指示電極； 測量離子選擇性敏感膜電位的示意圖，圖中的1與2是完全相同的參比電極；膜兩側(cè)的溶液中含有該膜能響應(yīng)的離子，且離子濃度分別為A1、A2；膜兩側(cè)的表面與相接觸的溶液之間存在著電位差，分別為E1、E2.，通常稱之為敏感膜相界面電位。在一定測量范圍內(nèi)，相界面電位與離子濃度關(guān)系符合能斯特方程： , (2-9) 式中，——敏感膜兩邊溶液的離子濃度； ——離子濃度=1,溫度為t時的電位值

27、（溫度不同，不同）。 所謂離子選擇性敏感膜的膜電位是指膜的兩側(cè)相界面電位之代數(shù)和，即膜電位E可表示為 , (2-10) 最常用的指示電極便是玻璃電極。 2.3.2參比電極 氯化銀電極具有良好的重復(fù)性，穩(wěn)定性。因為它是固體電極，使用方便，應(yīng)用很廣泛。甚至有取代甘汞電極的趨勢，這是因為汞是有毒的，此外，甘汞電極溫度變化所造成的電極電位的變化滯后現(xiàn)象是較大的，而氯化銀電極的具有高溫穩(wěn)定性。 1 6 1 5 2 3 4 2 3 1-引線；2-KCL溶液；3-AgCl溶液；4-磨口接口；5-陶瓷

28、芯；6-外鹽橋液 圖2-2 參比電極結(jié)構(gòu)圖 其中AgCl是Ag的固體難溶鹽，溶液提供-（也可用來提供）。電極反應(yīng)為： - 電極電位為： Ag沉淀容易堵塞參比電極管的多孔性封口，通常不采用飽和溶液作為Ag/電極的電解液。而是采用3.5 M 溶液作為電解液。此外，為了防止因研究體系溶液對Ag/電極稀釋而造成的沉淀析出，可以在電極和研究體系溶液間放一個盛有溶液的鹽橋。 在使用參比電極時，為了防止溶液間的相互作用和玷污，常使用同種離子溶液的參比電極。在HSO溶液體系中采用硫酸亞汞電極，在堿性體系中用氧化汞電極，而在中性氯化物溶液中則采用氯化銀電極等。 2.4溫度對測量的影響 在代入

29、R、F的值，并把換成2.303，則可變?yōu)槿缦滦问? , (2-11) 對溫度T求導(dǎo)數(shù) , (2-12) 可理解為溫度變化一個單位時測量電池電動勢的變化值，即測量電池的溫度系數(shù)，式表明它由三部分組成。 是電極的標(biāo)準(zhǔn)電位溫度系數(shù)項，它是表示電極特性的項，它與電極的膜材料、內(nèi)充夜、內(nèi)外參比電極等的溫度特性有關(guān)。 是能斯特方程系數(shù)斜率項。當(dāng)n=1,溫度變化1℃，則斜率變.1984mV；n=2，則變化為0.0992mV。故PH測試儀都裝有溫度補償器，在電路上采取措

30、施，以補償其對測量的影響。 為溶液溫度系數(shù)項，它受溶液中離子濃度的影響，而離子濃度又取決于它的濃度系數(shù)和離子強度。對弱電解質(zhì)和溶液形成絡(luò)合物的電解質(zhì)溶液，還受它們的平衡常數(shù)的影響。可見這項是很復(fù)雜的，一般的離子計不能對該項進(jìn)行補償。所以在電位法測量中，在表明標(biāo)準(zhǔn)也和被測濃度的同時也應(yīng)標(biāo)明其溫度。 因此一般的離子計只能對能斯特方程中的溫度系數(shù)斜率項進(jìn)行溫度補償，只能消除溫度對測量的部分影響，因此若嚴(yán)格要求，測量應(yīng)在恒溫條件下進(jìn)行。 2.5本章總結(jié) 實際測量系統(tǒng)，能斯特方程是順應(yīng)實際曲線往往偏離理想曲線，即實際響應(yīng)曲線的斜率是不等于理想曲線的斜率，所以只知道實際的斜率，電極可用于測量系統(tǒng)。

31、 一般離子計不能對能斯特方程溫度系數(shù)斜率溫度補償，只可以消除溫度對測量的局部影響，所以如果嚴(yán)格要求，測量應(yīng)進(jìn)行恒溫條件下。 第三章 PH測量系統(tǒng)的硬件設(shè)計 第三章 PH測量系統(tǒng)的硬件設(shè)計 本系統(tǒng)采用MSC-51單片機作為數(shù)據(jù)處理的核心部件，并擴展一些外圍芯片，組成一個可以完成自我檢測，標(biāo)定的智能儀器。具有體積小，重量輕，抗干擾能力強，所以可以應(yīng)用于傳統(tǒng)測量。 3.1 89C52介紹 主要性能參數(shù)： 1、與MSC-51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容； 2、8K字節(jié)可重擦寫Flash閃速存儲器； 3、1000次擦寫周期； 4、全靜態(tài)操作：0Hz-24MH

32、z; 5、三級加密程序存儲器； 6、2568字節(jié)內(nèi)部RAM; 7、32個可編程I/O口線； 8、3個16位定時/計數(shù)器； 9、8個中斷源； 10、可編程串行UART； 11、低功耗空閑和掉電模式。 功能特性介紹： AT89C52有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內(nèi)含2個外中斷口，3個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，2個讀寫口線，AT89C52可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程,但不可以在線編程(S系列的才支持在線編程)。其將通用的微處理器和Flash存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。 AT89C52采用工業(yè)

33、標(biāo)準(zhǔn)的C51內(nèi)核，在內(nèi)部功能及管腳排布上與通用的8xc52 相同，其主要用于會聚調(diào)整時的功能控制。功能包括對會聚主IC 內(nèi)部寄存器、數(shù)據(jù)RAM及外部接口等功能部件的初始化，會聚調(diào)整控制，會聚測試圖控制，紅外遙控信號IR的接收解碼及與主板CPU通信等。主要管腳有：XTAL1（19 腳）和XTAL2（18 腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 腳）為復(fù)位輸入端口，外接電阻電容組成的復(fù)位電路。VCC（40 腳）和VSS（20 腳）為供電端口，分別接+5V電源的正負(fù)端。P0~P3 為可編程通用I/O 腳，其功能用途由軟件定義，在本設(shè)計中，P0 端口（32~39 腳）被定義

34、為N1 功能控制端口，分別與N1的相應(yīng)功能管腳相連接，13 腳定義為IR輸入端，10 腳和11腳定義為I2C總線控制端口，分別連接N1的SDAS（18腳）和SCLS（19腳）端口，12 腳、27 腳及28 腳定義為握手信號功能端口，連接主板CPU 的相應(yīng)功能端，用于當(dāng)前制式的檢測及會聚調(diào)整狀態(tài)進(jìn)入的控制功能。 圖3-1 8952引腳圖 P0口是一組8 位漏極開路型雙向I/O 口， 也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動8 個TTL邏輯門電路，對端口P0 寫“1”時，可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低8 位）和數(shù)

35、據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在Flash 編程時，P0 口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。 P1 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口， P1 的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4 個TTL 邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流(IIL)。 P2 是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2 的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4 個TTL 邏輯門電路。對端口P2 寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平

36、，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流(IIL)。 在訪問外部程序存儲器或16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX @DPTR 指令）時，P2 口送出高8 位地址數(shù)據(jù)。在訪問8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行MOVX @RI 指令）時，P2 口輸出P2 鎖存器的內(nèi)容。 Flash 編程或校驗時，P2亦接收高位地址和一些控制信號。 P3 口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口。P3 口輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4 個TTL 邏輯門電路。對P3 口寫入“1”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時，被外部拉

37、低的P3 口將用上拉電阻輸出電流（IIL）。P3 口除了作為一般的I/O 口線外，更重要的用途是它的第二功能。P3 口還接收一些用于Flash 閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。 RST復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復(fù)位。 ALE當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8 位字節(jié)。一般情況下，ALE 仍以時鐘振蕩頻率的1/6 輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE 脈沖。對Flash 存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）

38、。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH 單元的D0 位置位，可禁止ALE 操作。該位置位后，只有一條MOVX 和MOVC指令才能將ALE 激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置ALE 禁止位無效。 PSEN程序儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng)AT89C52 由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次PSEN 有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次PSEN信號。 EA/VP外部訪問允許。欲使CPU 僅訪問外部程序存儲器（地址為0000H—FFFFH），EA 端必須保持低電平（接地）。需注意的是

39、：如果加密位LB1 被編程，復(fù)位時內(nèi)部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。Flash 存儲器編程時，該引腳加上+12V 的編程允許電源Vpp，當(dāng)然這必須是該器件是使用12V 編程電壓Vpp。 X1振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。 X2振蕩器反相放大器的輸出端。 3.2 溫度采集電路 本文設(shè)計采用DS18B20溫度傳感器，它是美國DALLAS公司推出的一線總線溫度傳感器。具有微型化，低功耗，高性能，抗干擾能力強等特點，可以直接將溫度轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。 DS18B20溫度傳感器特性 （1）.只要求一個端口即可實現(xiàn)通信。 （

40、2）.在DS18B20中的每個器件上都有獨一無二的序列號。 （3）.實際應(yīng)用中不需要外部任何元器件即可實現(xiàn)測溫。 （4）.測量溫度范圍在－55度到＋125度之間。 （5）.數(shù)字溫度計的分辨率用戶可以從9位到12位選擇。 （6）.內(nèi)部有溫度上、下限告警設(shè)置。 、 圖3-2 DS18B20引腳 GND:地信號。 DQ: 數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。開漏單總線接口引腳。當(dāng)被用著在寄生電源下，也可以向器件提供電源。 VDD: 可選擇的VDD引腳。當(dāng)工作于寄生電源時，此引腳必須接地。 使用方法： 由于DS18B20采用的是1－Wire總線協(xié)議方式，即在一根數(shù)據(jù)線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，而對A

41、T89S51單片機來說，硬件上并不支持單總線協(xié)議，因此，我們必須采用軟件的方法來模擬單總線的協(xié)議時序來完成對DS18B20芯片的訪問。 由于DS18B20是在一根I/O線上讀寫數(shù)據(jù)，因此，對讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時序要求。DS18B20有嚴(yán)格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。該協(xié)議定義了幾種信號的時序：初始化時序、讀時序、寫時序。所有時序都是將主機作為主設(shè)備，單總線器件作為從設(shè)備。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機主動啟動寫時序開始，如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進(jìn)行寫命令后，主機需啟動讀時序完成數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。 其原理圖3-3： 圖3-3 關(guān)于D

42、S18B20與單片機連接的原理介紹 方案論證如下： 在測量PH時，要有溫度補償和標(biāo)定，所以要求對溫度進(jìn)行檢測，應(yīng)該先考慮用熱電阻傳感器。按照熱敏電阻的性質(zhì)可以分為半導(dǎo)體熱電阻和金屬熱電阻兩大類，前者通常稱為熱敏電阻，后者稱為熱電阻。在測量PH時，要有溫度補償和標(biāo)定，所以要求對溫度進(jìn)行檢測，應(yīng)該先考慮用熱電阻傳感器。按照熱敏電阻的性質(zhì)可以分為半導(dǎo)體熱電阻和金屬熱電阻兩大類，前者通常稱為熱敏電阻，后者稱為熱電阻。 方法1：采用熱敏電阻，這種電阻是利用對溫度敏感的半導(dǎo)體材料制成，其阻值隨溫度變化有明顯的變化。負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器通常是由錳、鈷的氧化物燒制成半導(dǎo)體陶瓷制成。其特點是，在工作溫度范

43、圍內(nèi)電阻阻值隨溫度的升高而降低?？蓾M足40℃-90℃測量范圍，但熱敏電阻精度、重復(fù)性、可靠性較差，不適用于檢測小于1℃的信號；而且線性度很差，不能直接用于A/D轉(zhuǎn)換，應(yīng)該用硬件或軟件對其進(jìn)行線性化補償。 方法2：采用溫度傳感器鉑電阻Pt100。鉑熱電阻的物理化學(xué)性能在高溫和氧化性介質(zhì)中很穩(wěn)定，它能用作工業(yè)測溫元件，且此元件線性較好。在0℃-100℃時，最大非線性偏差小于0.5℃。鉑電阻與溫度的關(guān)系是 =R0(1+At+Bt*t) 其中是溫度為t℃時鉑熱電阻的電阻值；R0是溫度為0℃時鉑熱電阻的電阻值；t為任意溫度值，A、B為溫度系數(shù)。但其成本太貴，不適合做普通設(shè)計。 若用其電路可設(shè)計如

44、下： 圖3-4 鉑電阻溫度傳感器 相比之下，用DS18B20溫度傳感器方便簡潔。 3.3 PH信號采集電路 PH電極由玻璃電極和參考電極組成。玻璃電極厚度可以小于0.1mm，Ag-AgC1為參考電極在內(nèi)部，由二者組成復(fù)合電極，其是由特殊玻璃膜制成的。PH電極的玻璃電極和參考電極兩端輸出的信號為電壓。在一定的溫度下只要知道了電壓值，即可求出溶液的PH值。由于復(fù)合PH電極內(nèi)阻很高。大約l012。要求前置放大器有較高的輸入阻抗。 設(shè)計中選用了運放CA3140，它具有高電壓PMOS管和高壓二極管的優(yōu)點。輸入電路PMOS提供非常高的阻抗。響應(yīng)速度非常快。穩(wěn)定的放大增益得益于它具有自身補

45、償能力；輸出部分的自身保護(hù)電路可以來保護(hù)由于負(fù)載短路造成的損害?？赏瓿勺杩蛊ヅ洹⒔档蜏y量噪聲、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性等，非常適合此電路設(shè)計。本文采用3個CA3140來構(gòu)成雙高阻抗差分輸入電路。 圖3-5 輸入電路圖 在圖中，U1和U2構(gòu)成輸入級，而U3構(gòu)成輸出級，依據(jù)輸入電壓約束條件，在R3上的電壓為玻璃電極V1和參比電極V2電壓之差，即V1-V2，依據(jù)輸入電流約束條件，流過R1與R3是同一電流。 由歐姆定律得： V-V=1+2RR(V-V) 輸入級也稱為差分輸入，U3為差分放大器，因此有： Vo=RR(V-V) 兩式結(jié)合起來得： Vo=A(V-V) A=1+2RRRR 總

46、增益A是第一級A1和第二級A2的乘積，輸入電路的增益取決于外部電阻的比值，所以采用合適的電阻。 作為前值運算放大器，應(yīng)有以下幾個要求： 1.高的輸入阻抗，放大器的輸入阻抗包括放大器的阻抗和接插件的絕緣阻抗等； 2. 放大器的輸入電流要小； 3.小的溫度漂移系數(shù)。 所以儀器使用的美國無線電公司研制開發(fā)的CA3140高輸入阻抗運算放大器,該運算放大器功能保護(hù)MOSFET的柵極（PMOS上）中的晶體管輸入電路提供非常高的輸入阻抗，極低輸入電流和高速性能。 3.4 A/D，D/A轉(zhuǎn)換器 集成A/D轉(zhuǎn)換器很多，一般逐次比較型較多。 ADC0804就是這類轉(zhuǎn)換器。它采用CMOS

47、工藝，分辨率為8位，轉(zhuǎn)換時間100us。 圖3-6 ADC0804引腳 DB7-DB0：具有三態(tài)數(shù)字信號輸出口。 AGND:模擬低信號。 DGND:數(shù)字信號地。 CLK:時鐘信號輸入端。 CLKR:內(nèi)部時鐘發(fā)生器的外接點阻端。 CS:低電平有效，若如此，則可啟動工作。 WR:寫信號輸入。 RD:讀信號輸入。 INTR:工作結(jié)束標(biāo)志，低電平表示轉(zhuǎn)換結(jié)束。 VIN(+)端的電壓即為ADC0804的模擬輸入電壓，最好再接上個電阻，防止因電流過大而燒壞芯片。 圖3-7 DAC0832引腳 DAC0832內(nèi)部的8位輸入寄存器用于存放CPU送來的數(shù)字量，是由LE1端

48、加以控制的，輸入數(shù)字量得到緩沖和所存的場所，；8位DAC寄存器是由LE2端控制，用于存放待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量的地方。 8位D/A轉(zhuǎn)換電路由8位T型電阻網(wǎng)絡(luò)和電子開關(guān)組成，電子開關(guān)受8位DAC寄存器輸出的數(shù)字來能夠控制，T型電阻網(wǎng)絡(luò)能輸出和數(shù)字量成正比的模擬電流。因此，DAC0832通常需要外接運算放大器，進(jìn)行電流/電壓轉(zhuǎn)換，才能得到模擬輸出電壓。 DI0-DI7：8位數(shù)字信號輸入端，與單片機的數(shù)據(jù)總線相連，用于接受單片機送來的待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，DI7為最高位； CS：片選段，當(dāng)CS為低電平時，本芯片被選中； ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許控制端，高電平有效； WR1：第一級輸入寄存器寫選通控制，低電

49、平有效。當(dāng)CS=0、ILE=1、WR1=0時，數(shù)據(jù)信號被鎖存到第一級8位輸入寄存器； Xfer：數(shù)據(jù)傳輸控制，低電平有效；WR2：DAC寄存器寫選通控制端，低電平有效。當(dāng) =0； WR2=0時；輸入寄存器狀態(tài)傳入8位DAC寄存器中； Iout1：D/A轉(zhuǎn)換器電流輸出1端，輸入數(shù)字量全為1時，Iout1輸出最大，輸入數(shù)字量全為0時，Iout1輸出最小； Iout2：D/A轉(zhuǎn)換器電流輸出2端，Iout2+Iout1=常數(shù)； Rfb：外部反饋信號輸入端，內(nèi)部已有反饋電阻 ，根據(jù)需要也可外接反饋電阻； Vcc：電源輸入端，可在+5V-+15V范圍內(nèi)； DGND：數(shù)字信號地； AGND:

50、模擬信號地，最好與基準(zhǔn)電壓共地。 3.5 信號輸出電路 單片機微機系統(tǒng)輸出的數(shù)字信號經(jīng)DAC0832送入輸出電路。 輸出電路轉(zhuǎn)換可輸出0-10mA或4-20mA的電流信號和0-5mV或0-10mV的電壓信號。 電流信號和電壓信號的輸出范圍可通過儀器內(nèi)部的切換開關(guān)進(jìn)行切換。 DAC0832用作程控放大器,需要放大的電壓Vi和反饋輸入端相接。運算放大器輸出Vo還作為DAC0832的基準(zhǔn)電壓 ,數(shù)字量由CPU送來。 DAC0832內(nèi)部Io一邊和T型電阻網(wǎng)絡(luò)相連，另一邊又通過反饋電阻和Vi相通，得到DAC的輸出和輸入之間的關(guān)系： 當(dāng)R=R，則有： 注意： 256／B為其放大倍

51、數(shù)，B不能為0，否則電路失去作用。 信號經(jīng)單片機后，需將信號再次模數(shù)轉(zhuǎn)換，才能顯示。 圖3-8 輸出電路 3.6鍵盤顯示設(shè)計 鍵盤選擇7個按鍵的輸入模式，包括電源、復(fù)位、菜單、回車、清除、上翻、下翻。 電源鍵按下為整個電路通電，所有模塊、器件初始化，時鐘開始計時。 復(fù)位鍵是強制單片機結(jié)束工作任務(wù)進(jìn)行初始化。復(fù)位鍵通過+5V電源與開關(guān)接入單片機的RESET管腳，到開關(guān)按下則RESET管腳輸入高電平，使單片機復(fù)位。 菜單鍵功能是提供儀器各種服務(wù)項目的清單，接入單片機P11管腳。 回車鍵即為輸入、確認(rèn)鍵，接入單片機P10管腳。下翻、上翻即為翻頁鍵，分別接入單片機P

52、12、P13管腳。由單片機鍵盤子程序控制鍵盤的按鍵操作。 顯示元件采用BJ19264D-1液晶顯示，BJ19264D-1中文字庫型液晶顯示模塊可以顯示字母、數(shù)字、中文字型及圖形，具有繪圖及文字畫面混合顯示功能?？娠@示192（列）64（行）點陣?？赏瓿蓤D形顯示，也可顯示124個（1616點陣）中文漢字。該元件可提供三種控制接口： 8位微處理器接口、4位微處理器接口、串行接口。模塊內(nèi)置2M-位元中文字型ROM (CGROM)，總共提供8192個中文字型(1616點陣)，16K-位元半寬字型ROM (HCGROM)，總共提供126個符號字型(168點陣)，6416位顯示RAM(DDRAM)，另

53、外繪圖顯示畫面提供一個64256點的繪圖區(qū)域，可以和文字畫面混和顯示。這里選擇串行接口。 圖3-9 鍵盤顯示電路 3.7電源電路設(shè)計 本設(shè)計系統(tǒng)中所用的供電為+5V,12V。 三端固定集成穩(wěn)壓模塊有三個端子：輸入端，輸出端和公共端。 輸入端接整流濾波電路，輸出端接負(fù)載，公共端接輸入輸出的公共連接點。 其內(nèi)部有采樣、基準(zhǔn)、放大、調(diào)整和保護(hù)等電路組成。保護(hù)電路就有過流，過熱及短路保護(hù)功能。 圖3-10 電源電路 圖中，第一排電容是濾波電容;第二排電容用來改善輸入電壓波紋的；第三排是消除模塊輸出高頻噪聲，增強電壓穩(wěn)定的電容。設(shè)計步驟如下： 首先，確定模塊的輸入電壓。7805

54、輸入電壓為7到30V，7905的輸入電壓為-7到-30V。均按輸入電壓12V設(shè)計。 其次，確定變壓器。交流輸入電壓經(jīng)過降壓、全波整流和濾波后，兩模塊分別承受12V電壓，則有0.9U2=12V。即U2=26.6。于是匝數(shù)比=8:1。 最后，選擇整流二極管。整流二極管可承受最高反向電壓為39V。 所以，可選擇反向擊穿電壓為78V以上的整流二極管。 3.8總線擴展 總線擴展電路包括：EPROM28C64、EPROM27256、譯碼器GAL16V8、地址鎖存器74LS373、單行總線驅(qū)動器74LS244。 圖3-11 總線擴展電路 本設(shè)計使用的復(fù)位電路為按鍵電平復(fù)位電路，它是通過RS

55、T段經(jīng)電阻與電源VCC接通而實現(xiàn)的。當(dāng)時鐘頻率選用6MHz時，C取22uF，RS取200 ，RK取1K 。由于該最小應(yīng)用系統(tǒng)只能用作一些小型的數(shù)字量的測控單元，這樣不能滿足本設(shè)計的要求，所以要外擴程序存儲器。373為三態(tài)輸出的八D透明鎖存器,共有54/74S373和54/74LS373兩種線路結(jié)構(gòu)型式。373為三態(tài)輸出的8 D透明鎖存器, 373的輸出端O0-O7可直接與總線相連。當(dāng)三態(tài)允許控制端OE為低電平時，O0-O7為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅(qū)動負(fù)載或總線。當(dāng)OE為高電平時，O0-O7呈高阻態(tài)，即不驅(qū)動總線，也不為總線的負(fù)載，但鎖存器內(nèi)部的邏輯操作不受影響。當(dāng)鎖存允許端LE為高電平時，O隨數(shù)

56、據(jù)D而變。當(dāng)LE為低電平時，O被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。當(dāng)LE端施密特觸發(fā)器的輸入滯后作用，使交流和直流噪聲抗擾度被改善400mV。 圖3-12 74LS373引腳 373引出端符號： D0～D7-----數(shù)據(jù)輸入端 OE-----三態(tài)允許控制端（低電平有效） LE-----鎖存允許端 O0-O7-----輸出端 地址鎖存器74LS373能夠進(jìn)行三態(tài)總線驅(qū)動輸出；置數(shù)全并行存??；緩沖控制輸入；使能輸入有改善抗擾度的滯后作用。它的八個透明D型鎖存器，當(dāng)使能（G為）高時，Q輸出將隨數(shù)據(jù)（D）輸入而變。當(dāng)使能為低時，輸出將所

57、存在已建立的數(shù)據(jù)電平上。輸出控制不影響鎖存器的內(nèi)部工作，即老數(shù)據(jù)可以保持，甚至當(dāng)輸出被關(guān)閉時，新的數(shù)據(jù)也可以置入。這樣電路可以驅(qū)動大電容或低阻抗負(fù)載，可以直接與系統(tǒng)總線接口并驅(qū)動總線，而不需要外接口。特別適用于緩沖寄存器，I/O通道，雙向總線驅(qū)動器和工作寄存器。 圖3-13 28C24引腳 28C64主要用來存儲標(biāo)定數(shù)據(jù)、斜率、歷史曲線。是可以電改寫的只讀存儲器，工作時可以改寫其中的數(shù)據(jù)，掉電以后EEPROM中數(shù)據(jù)不會丟失。 程序存儲器27256主要存儲漢字庫。它是32K*8字節(jié)的紫外線擦除、電可編程只讀存儲器，單一+5V供電，工作電流為100mA，維持電流為40mA，讀出時間最

58、大為250nS，28腳雙列直插式封裝。各引腳的含義為：A0-A15為16根地址線，可尋址32K字節(jié)；O0-O7為數(shù)據(jù)輸出線；CE為片選線；OE/VPP為數(shù)據(jù)輸出選通線/編程電源。 圖3-14 74LS244引腳圖 總線驅(qū)動器74LS244能夠驅(qū)動總線并控制芯片。74LS244由2組、每組四路輸入、輸出構(gòu)成。每組有一個控制端G，由控制端的高或低電平?jīng)Q定該組數(shù)據(jù)被接通還是斷開。 表3-1 74LS244真值 L=低邏輯電平；H=高邏輯電平；X=低或高邏輯電平；Z=高阻抗 GAL16V8以最大3.5ns的傳輸延遲時間，結(jié)合高性能的CMOS工藝與電可擦懸浮柵工藝可為PLD市場提供最高

59、速度的性能。高速擦寫時間（＜100ns）允許快速和有效的重復(fù)編程。 依靠輸出邏輯宏單元（OLMC）允許用戶來構(gòu)建，這種通用的結(jié)構(gòu)提供了最大的設(shè)計靈活性。作為GAL16V8的許多可能結(jié)構(gòu)形式中最重要的一個子集，PAL結(jié)構(gòu)被列在宏單元描述部分的表里面。GAL16V8借助于全部功能/ 熔絲圖/參數(shù)的兼容性能夠仿真任何一種PAL結(jié)構(gòu)。 圖3-15 GAL16V8引腳圖 譯碼器GAL16V8是可編程邏輯控制器，其對電路基本控制如圖。這便簡化電路，適應(yīng)了單片機較高總線速度的要求。譯碼電路放棄了傳統(tǒng)的門電路組合的方法，采用了可多次編程的通用陣列邏輯器件。這樣可以減少元器件數(shù)量、降低線路復(fù)雜程度，同

60、時降低故障機率及提高硬件設(shè)計的靈活性。 3.9本章總結(jié) 采用MSC-51單片機作為數(shù)據(jù)處理的核心部件，并擴展一些外圍芯片，組成一個可以完成自我檢測，標(biāo)定的智能儀器。具有體積小，重量輕，抗干擾能力強，所以可以應(yīng)用于傳統(tǒng)測量。測量數(shù)據(jù)經(jīng)PH電極轉(zhuǎn)化為電壓信號，信號調(diào)整電路對信號進(jìn)行放大，調(diào)整。處理電路采用多級放大電路。設(shè)計中選用了運放CA3140，它兼有高電壓PMOS管和高壓二極管的優(yōu)點。輸入電路PMOS提供非常高的阻抗。并且具有非常快的響應(yīng)速度。還具有自身補償能力來達(dá)到穩(wěn)定的放大增益；輸出部分含有自身保護(hù)電路來保護(hù)由于負(fù)載短路造成的損害?？赏瓿勺杩蛊ヅ?、降低測量噪聲、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性等，非常適

61、合此電路設(shè)計。本文采用3個CA3140來構(gòu)成雙高阻抗差分輸入電路。 第四章 基于MAX232通訊模塊 第四章 基于MAX232通訊模塊 現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一個突出特點，是工業(yè)控制系統(tǒng)中的所有設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生一個核心軟件管理工作，形成一個有機的整體。整個網(wǎng)絡(luò)模式在現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)有一個傳統(tǒng)的獨立控制系統(tǒng)無法比擬的先進(jìn)，不僅可以大大提高生產(chǎn)效率的工業(yè)設(shè)備，還可大大提高安全性和可靠性。 單片機誕生以來，其性能穩(wěn)定，價格低廉，功能強大，在智能儀器儀表，工業(yè)設(shè)備和家用消費類電子產(chǎn)品中得到了廣泛

62、的應(yīng)用。在單片機的輸入/輸出控制，除了直接連接小鍵盤和液晶顯示等方法，一般通過串口與電腦通信。這不僅可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，并且可以使用計算機強大的數(shù)據(jù)處理功能和友好的操作界面。在一般的利用PC機對單片機進(jìn)行控制的場合，都是采用Windows作為上位機的平臺，具有友好的界面，編程和操作更容易。因此研究上位機與單片機串口通信具有重要的實際和工業(yè)意義。 4.1 系統(tǒng)設(shè)計總體方案 單片機內(nèi)部有一個全雙工收發(fā)器緩沖（SBUF），兩個物理上獨立的接收發(fā)送器，可以接受也可以傳輸數(shù)據(jù)，它們共享相同的地址99H。在串行輸入和輸出引腳加電平轉(zhuǎn)換器，可以方便的設(shè)計出標(biāo)準(zhǔn)RS-232接口。設(shè)計中的計算機，單片機從機通

63、過串行接口，構(gòu)成的主從式系統(tǒng)就可以設(shè)計基本的串口通信功能。 RS-232電平轉(zhuǎn)換 PC機 單 片 機 圖4-1 通信結(jié)構(gòu)圖 4.2串口通信基礎(chǔ)理論 一般來說，計算機都有一個或多個串行端口，它們依次為Com1、Com2、Com3等。該系列串口提供了外部設(shè)備與計算機的數(shù)據(jù)傳輸和通信信道。串口通信是指外設(shè)和計算機之間使用3根信號線來傳輸數(shù)據(jù)的通信方式，三根信號分別是數(shù)據(jù)信號線、地線及控制線。 4.3 兩種接口方式 4.3.1 串行接口方式 串口是計算機的標(biāo)準(zhǔn)接口，PC機一般至少有兩個串行口Com1和Com2。串行端口從不同的并行端口，其數(shù)據(jù)和

64、控制信息是一個一個在傳輸線傳輸，這樣串行口較并行口能夠進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳送信息。9針D形連接器，有些老式則使用25針D形連接器。 由于CPU與接口間按并行方式傳輸，接口和外設(shè)之間按串行方式傳輸，因此，串行接口，來接收移位寄存器的串行到并行的方式，通過發(fā)送一個移位寄存器的并行的方式轉(zhuǎn)換成串行模式。完成這種轉(zhuǎn)換功能的電路叫做通用異步收發(fā)機UART。 4.3.2 并行接口方式 并行接口是指8位數(shù)據(jù)同時通過并行線進(jìn)行傳送，這樣數(shù)據(jù)的傳輸率能得到極大的提高。但在并行傳輸中，干擾會隨線路長度的增加而增加，產(chǎn)生傳輸錯誤。因此，并行傳輸主要應(yīng)用在近距離數(shù)據(jù)傳輸中，如連接打印機端口。并行接口主要使用36針接頭和

65、25針D形接頭，目前以25針D形接頭為主。 4.4 51系列單片機串行口控制寄存器SCON 它是一個可尋址的專用寄存器，用于串行通信的控制，單元地址是98H，其結(jié)構(gòu)格式如表: 表4-1 寄存器結(jié)構(gòu)格式 位序號 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 位符號 SM0 SM1 SM2 REN TB8 RB8 TI RI SM0，SM1-工作方式選擇位。 串行口有四種工作方式，由SM0，SM1設(shè)定，對應(yīng)下表： 表4-2 四種工作方式 SM0 SM1 方式 功能說明 0 0 0 同步移位寄存器方式 0 1 1 10位異步收

66、發(fā)數(shù)據(jù)，波特率可變 0 0 2 11位異步收發(fā)，波特率固定 1 1 3 11位異步收發(fā)，波特率可變 SM2-多機通信控制位。 當(dāng)從機SM2＝1時，從機只接收主機發(fā)出的 地址幀(第九位為1),對數(shù)據(jù)幀(第九位為0)不予理睬；而當(dāng)SM2=0時，可接收主機發(fā)送過來的所有信息。 多機通信的過程如下： (1)所有從機SM2均置1，處于只接收地址幀狀態(tài)。 (2)主機先發(fā)送一個地址幀，其中前8位數(shù)據(jù)表示地址，第9位為1表示該幀為地址幀。 (3)所有從機接收到地址幀后，進(jìn)行中斷處理，把接收到的地址與自身地址相比較。地址相符時將SM2清成0，脫離多機狀態(tài)，地址不相符的從機不作任何處理，即保持SM2＝1。 (4)地址相符的從機SM2=0，可以接收到主機隨后發(fā)來的信息，即主機發(fā)送的所有信息。收到信息TB8=0，則表示是數(shù)據(jù)幀，而對于地址不符的從機SM2=1，收到信息TB8=0，則不予理睬，這樣就實現(xiàn)了主機與地址相符的從機之間的雙機通信。 (5)被尋址的從機通信結(jié)束后置SM2=1，恢復(fù)多機通信系統(tǒng)原有的狀態(tài)。 4.5 RS-232串行接口標(biāo)準(zhǔn)