医院废水处理后余氯自动检测系统设计

第一章 绪论

第一节 医院污水处理消毒工艺

医院污水来自门诊、住院部、供应室、洗衣班等处的工作、生活、粪便污水，通过单独排水系统——化粪池、下水道系统，汇集到污水站水池中，经污水处理装置处理排出。 1.1．1 医院污水处理方法

医院污水处理的方法主要有物理、化学、物理化学法和生物氧化法。 1.1．2 医院污水处理工艺

医院污水处理工艺包括污水净化、消毒、污泥无害化及排污检测。 （1）污水净化:就是拦截、打捞漂浮物;沉淀、分离悬浮物;并通过生物氧化使微生物降解，让处理后污水理化性能达到排放标准。

（2）污水消毒:即杀灭病原微生物。国内外通常用氯或氯的化合物作为消毒剂投入水中水解成盐酸、次氯酸等有效氯，使其穿过微生物细胞壁，氧化酶系统，损伤细胞膜，使蛋白质、RNA、DNA释放而死亡。盐酸、次氯酸也能破坏病毒的核酸致其死亡。常用氯消毒剂有液氯、漂白粉，也可用制氯机电解盐水产生次氯酸或用二氧化氯发生器使NaClO3与HCL作用，产生ClO 2 、Cl 2 。污水排放量不大的单位常用液氯或漂白粉，因制氯机存在原料成本、运输、设备维护、故障修理问题。液氯属严控有毒物品，购买手续环节多，因其有效氯含量、杀菌效果高于漂白粉且操作简便，为许多排水量不大医院首选。使用中，液氯通过真空投氯机水射器与水混合形成水化氯（Cl28H2O），进入接触消毒池与污水混合消毒。投氯量，一级处理投氯量约在30～50mg/L，二级处理约在15～25mg/L，实际投氯量根据余氯检测结果调整。投氯量过小，灭菌效果差。投氯量过大，一会对管道设施产生腐蚀，二会杀灭非病原微生物，三会造成氯浪费，四会形成二次污染。氯是刺激性有毒物，常温常压下蒸发成氯气，遇到眼结膜、呼吸道粘膜可附着在局部产生刺激作用;吸入浓度高，可侵犯呼吸道致肺水肿。液氯接触皮肤、粘膜，可致化学性灼伤。氯瓶需防爆、防高温。氯气蒸发为吸热过程，蒸发量大时产生冰冻，发现泄漏可用湿布包裹或喷水临时处置，严重时推入近旁碱水池。氨水与氯气作用形成氯化氨白烟，用于检漏。

（3）污泥无害化处理:即对化粪池、沉淀、生化处理池所排污泥采用消毒、发酵、

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焚烧方式进行杀灭病原微生物处理。蠕虫及蠕虫的卵比重大于水，污水处理过程中大量沉淀于污泥，如将未处理污泥施于土壤，既污染河流、水源，也可经蔬菜、植物和人类耕作感染人群。 为使排污系统有效工作，污泥需定期清理。清理时间，化粪池在3～7个月以上，调节、沉淀、生化池，视淤泥沉积情况。化粪池兼有沉淀、消化作用，能厌氧发酵使污泥熟化。在化粪池中，沉淀污泥在厌氧产酸菌作用下分解为有机酸、醇、CO2、NH3、H2S、S、P等，在厌氧甲烷菌作用下酸、醇分解为CH4、CO2，有机污染物被分解40%～50%，病菌、蠕虫及虫卵被部分杀灭。化粪池不能清理太勤，以免影响污泥熟化。但要使污水有足够停留空间沉淀分离，又要有足 够消化空间，也不能长期不清理。各池中清理出的污泥，可用氯水消毒或用生石灰混合使pH值达12，存放7天后排除;也可堆肥发酵，利用无氧条件下厌氧菌、兼性厌氧菌分解有机污染物，产生高温杀灭作用。有条件单位可焚烧或请环卫部门直接处理。

（4）排污检测:污水处理站化验人员检测处理后污水余氯和pH值，其余由环保、防疫部门检测。余氯，污水站当班人员每日至少检测2次，并作记录;粪大肠菌群，专业人员检测每月不少于1次;肠道致病菌，专业人员检测每年不少于2次。污水处理站日常监测余氯常用的方法是邻联甲苯胺比色法。pH值测定，使用精密pH值试纸比色即可。 1.1．3 医院污水处理工艺流程

医院污水处理方式根据污水排入的受纳水体而定。当污水排入有集中污水处理厂的城镇排水系统，以解决生物性污染为主，采用一级处理。当污水排放到无集中污水处理厂的城镇排水系统或地面水域，需对污水生物性、理化性污染及有毒有害物处理，采用二级处理方式。二级污水处理工艺流程: 进水 如图，处理构筑物由化粪池、下水道、格栅、泵房、集水池、调节沉淀池、生物氧化处理池、二次沉淀池、接触消毒池、污泥池、化验室、碱水池组成。各类污水经化粪池、下水道，流入污水处理站的集水池、格栅、调节沉淀池，经污水泵提升进入生物氧化池，二次沉淀池，在接触消毒池与氯水混合消毒后排出。漂浮

污水池 过滤 沉淀 加氯 排水 2

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物在格栅前被打涝，沉渣污泥定期清入污泥池消毒脱水。为使各类污水充分混合又避免污水泵频繁启闭，考虑污水流量、水质不恒定及污水曝气、夜晚不开机、雨季调水因素设置调节池，工程上常使调节、沉淀为一池。二级污水处理与一级污水处理相比，仅在工艺上增加了生物氧化处理过程，即在构筑物上增加生物氧化处理池和二次沉淀池。二次沉淀池用以截留生化处理后残留水中的活性污泥团或生物氧化膜。化验时从消毒池出水取样。碱水池是安全必备设施，当储氯瓶严重泄漏而无法修复时，可将其推入碱水池中，使酸碱中和降低危害。 医院常用的生化处理法有射流曝气、生物接触氧化等，即活性污泥法和生物氧化膜法。 1.1．4几种消毒方法的介绍

氯消毒应用历史最久，使用也最为广泛。它的优点是:经济有效，使用方便，剩余消毒剂对管网水有安全保护作用等。缺点是对于受到有机污染(包括天然的腐殖质类污染和人为的化学污染)的水体，加氯消毒可以产生对人体有害的卤代消毒副产物，如三卤甲烷类，卤乙酸类等物质。因此，现代的消毒处理必须同时满足对水质微生物学和毒理学两方面的要求。1974年，氯化消毒的副产物三氯甲烷在美国首先被发现，经调查发现自来水中普遍存在较高浓度的氯仿(三氯甲烷)，二氯甲烷，一氯甲烷和氯仿等700多种有机化合物，其中许多为“三致”物质(即致癌，致突变，致畸)。

鉴于氯化处理的弊端，近年兴起了一些有效的替代消FCC方法，如紫外线法消毒，臭氧消毒，膜法消毒等等。

二氧化氯消毒和臭氧消毒从二十世纪七八十年代以来在欧洲得到应用，它们共同的优点是:消毒能力高于氯，不产生氯代有机物，消毒副产物生成量小，饮水的口感好等。其中二氧化氯具有剩余保护作用;而臭氧因自分解速度过快，对管网无剩余保护，因此采用臭氧消毒的地方还需在出厂水中投加二氧化氯作为剩余保护。二氧化氯消毒和臭氧消毒的缺点是:费用过高，数倍于氯消毒;二氧化氯消毒和臭氧不稳定，使用时均需要现场准备，设备复杂，使用不便。此外，二氧化氯消毒和臭氧消毒的消毒副产物的危害仍需进行全面深入的研究。因此，尽管这两项消毒技术，特别是二氧化氯消毒技术，有着很好的应用前景，但在短期内尚不能全面替代饮用水氯消毒技术。

紫外线消毒是一种物理消毒方法，利用紫外线的杀菌作用对水进行消毒。

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紫外线污水消毒技术在国外经过20多年的发展， 已经成为成熟可靠、投资效益较高的绿色环保技术，在世界各地各类城市污水的消毒处理中得到日益广泛的应用，成为替代传统加氯消毒的主流工艺技术。为了解决非典型性肺炎疫情期间的消毒问题，国家环境保护总局发布的紧急通知中将紫外线消毒作为除加氯和臭氧外的另一种有效的消毒灭菌方法。紫外线消毒处理使用紫外灯照射流过的水，通过照射能量的大小来控制消毒效果。由于紫外线在水中的穿透深度有限，要求被照射的水深度或灯管之间的距离不能过大。与化学消毒方法相比，紫外线消毒的优点是:杀菌速度快，管理简单，不需向水中投加化学药剂，产生的消毒副产物少，不存在剩余消毒剂所产生的味道。不足之处是:费用较高，紫外灯管寿命有限，无剩余保护，消毒效果不易控制等。目前，紫外线消毒仅用于食品饮料行业用水和部分小型供水系统。

根据我国的实际情况，氯化消毒在相当长的时期内仍将是我国大部分污水处理厂家的主要消毒方式。在加强水源保护，有效去除水中有机污染物，合理采用氯消毒工艺的基础上，氯消毒仍将是一种安全可靠，可以广泛应用的消毒方法。

第二节 氯消毒机理

为了保证出厂水在输送过程中不被污染，要求水中保持一定浓度的余氯。实验证明:接触时问达30分钟，游离余氯在0.3mg / L以上时，对肠道病原体、钩端螺旋体、布氏杆菌等均有充分杀灭作用。游离性余氯的嗅觉和味觉阀浓度均为0.2-0.5mg / L,慢性阀剂量为2.5mg / L。因此我国2001年颁布的《生活饮用水水质卫生规范》规定，“在与水接触30min后，游离性余氯应不低于0.3m妙，管网末梢水不应低于0.05mg/L(适用于加氯消毒) 。

氯气是一种黄绿色气体，在大气压下，温度为0℃时，每升重3.22克，其密度约为空气的2.5倍:在-33.6℃时为液态;常温下，加压到0.6-0.8Mpa时也为液态，此时每升重1468.4克，约为水重的1.5倍。因此同样重量的氯气与液氯相比，体积相差450倍，故常使氯气液化，便于灌瓶、贮藏、和运输。氯气能融于水，溶解度随水温升高而减少。在常压下，如水温在10℃时，可溶解1%; 20℃时刻溶解0.7%，当30℃时，只能溶解0.55%.

氯气的杀菌原理,氯气加入水中后，在几秒钟内很快水解而产生次氯酸，其反应式为:

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CI2H2OHCIOHCI

次氯酸在水中分解为:

CI2H2OHCIOHCI

氯的杀菌作用主要依靠次氯酸HC1 0。由于次氯酸的分子量很小，是中型分子，能很快扩散到带负电的细菌表面，并透过细菌细胞壁而穿透到细菌内部，以氯的强氧化作用来破坏细菌赖以生存的酶系统，从而阻止细胞吸收葡萄糖，停止新陈代谢，使细菌死亡，以达到杀菌的目的。次氯酸根CIO是离子态的，也具有一定的杀菌作用，但由于细菌表面带负电，因同性相斥，而难以接近，所以次氯酸根的杀菌效果较差。因此，一般认为氯的消毒作用主要是通过次氯酸进行的。根据水中次氯酸与PH值的关系，在较低PH值条件下，次氯酸所占比例较大，因而消毒效果较好。尽管次氯酸根难于直接起到消毒作用，但是由于水中存在次氯酸与次氯酸根的平衡关系，当次氯酸被消耗后，次氯酸根就会转化为次氯酸，继续进行消毒反应。在计算水中消毒剂的含量和存在形式时，次氯酸与次氯酸根都被计入。

天然水体中一般含有少量的氨氮。加氯产生的次氯酸会与氨氮反应，生成氯胺:

NH3HCIONH2CIH2O NH2CIHCIONHCI2H2O NHCI2HCIONCI3H2O

上式中 ，NH2CI, NHCI2和NCI3分别是一氯胺，二氯氨和三氯胺(三氯化氮)，统称为氯胺。氯胺本身的氧化能力远低于次氯酸，本身的直接消毒作用很弱。但是当水中次氯酸被消耗后，氯胺可以通过逆反应，在生成次氯酸进行消毒。因此在计算水中消毒剂的含量时，氯胺被计为化合性氯。化合性氯的消毒能力低于游离性氯，因为化合性氯产生的次氯酸的浓度远低于水中不含胺氮时游离性氯的浓度。

由于水中含有一定的微生物，粘泥，有机物及其他还原性化合物要消耗掉一部分有效氯，这部分被消耗掉的氯称为需氯量，这时的加氯控制点即转效点。结合氯是氯与水中某些化合物反应生成的具有氧化能力的氯的化合物。例如:

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NH2CI, NHCI2和NCI3,其含氯总量称为结合氯或化合性氯，加入水中的氯量如高于需氯量与结合氯之和时，剩余的氯在水中多以次氯酸和次氯酸根存在，称为游离(余)氯，或自由性氯。水中余氯的总和为总氯，平时所分析的余氯实际是游离氯与部分具有氧化能力的结合氯之和。

由上述可见，水中的总氯包括游离氯和氯胺。游离氯包括次氯酸，次氯酸根离子和溶解的元素氯。而氯胺包括一氯胺，二氯胺，三氯化胺和有机氮化物的所有氯化衍生物。

第三节 几种测定余氯方法

目前余氯测定方法大体分为两大类:化学法和电化学法。 1.N,N-二乙基对苯二胺〔DPD)分光光度法

方法提要:DPD与水中游离余氯迅速反应而产生红色。在碘化物催化下，一氯胺也能与DPD反应显色。在加入DPD试剂前加入碘化物时，一部分三氯胺与游离余氯一起显色，通过变换试剂的加入顺序可测得三氯氨的浓度。本方 法 适 用于经氯化消毒后的生活饮用水及其水源水中游离余氯和各种形态的化合余氯的测定。本方法最低检测质量为0.1 vg，若取l0ml水样测定，最低检测质量浓度为0.Ol mg/L。高浓度的一氯胺对游离余氯的测定有干扰，可以用亚砷酸盐或硫代乙酞胺控制反应以除去干扰。氧化锰的干扰可通过作水样空白扣除。铬酸盐的干扰可用硫代乙酞胺排除。

2.3,3,’5,5’-四甲基联苯胺比色法

方法提要:在PH值小于2的酸性溶液中，余氯与3,3,’5,5’-四甲基联苯胺反应，生成黄色的醒式化合物，用目视比色法定量。本方法可用重铬酸甲溶液配制永久性余氯标准色列。

本方法适用于经氯化消毒后的生活饮用水及其水源水中总余氯及游离余氯的测定。最低检测余氯质量浓度为0.005mg/L。超过0.12mg/L的铁和0.05mg/L的亚硝酸盐对本方法有干扰。

3.丁香荃连氮分光光度法

方法提要:丁香荃连氮在PH值为6.6的缓冲介质中与水样中游离余氯迅速反应，生成紫红色化合物，于528nm 波长以分光光度法定量。

以上方法都为化学实验检验方法，所需试剂种类多，配制麻烦，仪器携带不方便，操作流程繁琐，不适于实时在线测量，难以实现生产过程的自动控制。因此在现

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代化污水处理厂中大量应用可在线测量的基于电化学原理的测量方法。

电化学分析方法是仪器分析中普遍应用的一类方法，这类方法具有快速、灵敏、准确的特点，所用仪器结构相对简单，造价低廉，通过和电子及微控制器技术的紧密结合，能够使测量和数据处理过程实现高度的自动化。

第四节 余氯测量的意义

氯气是一种常用的消毒杀菌剂，尤其是在给排水工业中应用非常广泛。但是，氯气又是一种有毒物质，当氛气的浓度太大时，能够对人体的皮肤、猫膜、呼吸道等器官造成损伤，甚至危及生命。如果氯气的浓度太低，又难以起到消毒杀菌的作用。因此，在很多场合都必须严格控制氯气的浓度，以便达到既能消毒杀菌，又不危害人体健康的目的。在给排水工业中，余氯(包括C12, HC10等无机活性氯)和总氯(包括无机活性氯化物以及CH3C1, NH2C1等有机氯代物)是评判水质好坏的两个重要参数，是经常需要测定的指标之一.为了能更好地控制水质，必须实现余氯、总氯的现场快速测定和余氯的在线检测。

医疗废水中存在大量的细菌和其他有机污染物，对周围环境影响十分严重。因此，国家环保部门要求医疗机构的所有废水必须处理后才能排放。目前，一般处理方法是在废水中通入氯气将细菌杀灭。既在密封反应罐中，氯酸钠溶液与盐酸性活性剂在负压条件下由控制系统控制，定量输送到反应系统中，经负压爆气反应产生二氧化氯与氯气混合气体，经吸收系统吸收后形成一定浓度的二氧化氯消毒剂，然后，进入污水池中，对污水进行消毒。显然，消毒剂的供应量必须恰当，才能保证既能对废水进行有效地消毒，又能保证消毒后的水中剩余氯的含量不致过高。否则，大量的余氯会污染地下水及周遍土地，造成新的污染。

为检验氯气的供应量是否适当，一般通过检测处理后的水中剩余氯的含量来进行。能够精确、适时跟踪检测出余氯的含量，并根据余氯含量随机调整氯气的供应量，是精确进行消毒的基础。

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第二章 余氯测量原理

第一节 余氯测量方法的选择

纵观通常采用的国内外各生产厂商的在线余氯分析仪，大部分仪表测量的是游离(自由)余氯，如ALLDOS公司的314-650, E十H 公司的CCM253/CCS141, Capital公司的1870EC, Ficher&Porter公司的T17M4400,Wallace&Tieman公司的DEPOLOX4等。其中部分仪表更换传感器或增加缓冲药剂后还可用来测量总余氯，如1870EC,T17M4400等。

根据测量原理的差异，电化学测量方法又可分为电位测量和电流测量两种方法.

1.电位测量法

检测 电路 处理 显示 1 2

1-电极（pt） 2-参比电极（Ag/AgCI）

图2.1 点位测量法原理

原理图如图1.1所示。电位测量法是利用电池反应来进行测量的，通过电池的电流为零的条件下，利用电极电位和浓度间的关系进行测定的一种电化学分析法。在测定离子的浓度时，电位法仅仅测定溶液中的自由离子，它不破坏溶液中的平衡关系。

电位测量时，将一支指示电极与另一支合适的参比电极试液中，构成一个电化学电池，并通过测定该试液的电动势或电极电位，以求得被测物质的含量。 电位分析中使用的电极有离子选择电极和基于电子交换反应的电极，它们均可作

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为指示电极或参比电极。

测量时组成电池：指示电极|试液||参比电极 电位法测量得到的电动势遵循能斯特方程

RT[Mn]EE0Ln

nF[M]式中E-指示电极电位 E0-参比电极电位 R-气体常数，8.3151J/K T-溶液的绝对温度K F-法拉第常数，96484.6C n-电极反应中得失电子数

Mn氧化态离子浓度

M还原态离子浓度

2.电流测量法

方法简介：在浸于待测溶液中的检出电极和相对电极之间加上恒定电压，从电极之间流过的电流可以测定出游离余氯的浓度。该方法可以实现余氯自动连续测量。具体的在下一节将详细介绍。

第二节 电流法测量原理

余氯是指氯投入水中后，除了与水中细菌、微生物、有机物、无机物等作用消耗一部分氯量外，还剩下了一部分氯量，这部分氯量就叫做余氯。余氯可分为化合性余氯和游离性余氯，总余氯即化合性余氯与游离性余氯之和。平时所分析的余氯实际是游离氯与部分具有氧化能力的结合氯之和。

在分析了目前关于在线式余氯分析仪器的发展现状后，确定采用目前比较先进的电化学电流分析方法。电化学是物理化学的一个组成部分，它研究化学载流子(电子、空穴、离子等)的运动规律，电化学分析法是建立在溶液的电化学性质基础上的一类分析方法。溶液的电化学性质是指电解质溶液通电时，其化学组成和浓度随电位、电流、电导或电量等化学特性而变化的性质。电化学分析法的实质就是利用这些性质，通过电极这个变换器，把被测物质的浓度转化成电化学参数而加以测量。

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本章通过对电解过程的分析，揭示出了电解过程中扩散电流与溶液浓度之间的关系。

2.2.1 测量过程中的电化学

应用电化学电流分析法测量余氯的实质是以余氯(主要成分为次氯酸)作为电解质进行电解反应，通过扩散电流的大小反映出次氯酸的浓度，从而达到进行测量的目的。测量原理图如图2.1所示

电位设定 电流读取 反电极CE 工作电极WE

图2.2 电流测量法原理图

对工作电极和反电极施加以恒定极化电压，被测介质内的次氯酸，在工作电极还原后，产生扩散电流信号阵。其反应式如下： 阴极(工作电极WE)H2eOCIOHCI 阳极(反电极CE)Ag2e2Ag

反应过程中溶液的电化学性质及其变化规律分析如下。 2.2.2 法拉第定律

法拉第根据多次试验结果进行归纳总结，于1833年提出了法拉第定律(Faraday'slaw)，它表达了电解过程中通过电解池的电量和电极上起了变化的物质的量之间的关系，内容如下：

(1)电解时，电极上发生变化的物质的量与通过电解池的电量成正比，即与电流强度和通过电流的时NJ的乘积成正比;

(2)在不同的电解质溶液中，当分别通过等量的电流时，在电极上发生变化的每种物质的量与它们的化学当量成正比，并且在电解池中每通过96484.6库仑(称为一个法拉第，以F表示)的电量(以Q表示)，就表示在电极上已经有1克当

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量的物质起了变化。

法拉第定律可用公式表示为:

QnF （2-1）

式中n为电极反应物质的当量数.

假设电极反应过程中物质在电极表面的单位流量为J(0,t)，由式（2-1）法拉第定律可以求得相应的电流值为:

inFAJ(0,t) （2-2）

式中A为电极的表面积。 2.2.3 扩散方程

根据菲克(Fick)第一定律:放电粒子扩一散通过单位截面积的速度dN/dt正比于浓差梯度dC/dx ，即:

dNdCD()x0 （2-3） dtdxdC式中J称为扩散流量，单位molcm2s1，表示电极表面附近溶液中放电离

dxJ子的浓度梯度，单位为mol/cm4。D为扩散系数，即单位浓度梯度下的粒子的扩散速度，单位为cm2s1，与温度、粒子的大小和溶液粘度等有关。负号表示扩散方向与浓度增大的方向相反。

在稳态扩散(浓度及浓度梯度不随时间而改变)条件下，(dCC0Cs()x0 （2-4） dxdC)x0为常数，即 dx式中C0为溶液深处的浓度，近似等于通电前整体溶液的浓度;Cs为通电时电极表面附近放电粒子的浓度;为扩散层的有效厚度。在实际情况下，只有存在对流(自然对流或者强制对流)时才能达到稳态扩散，因此传感器测量时应当放在保持一定流速的待测水中，以补充在电极上消耗掉的反应物。

设电极反应为OnefR，即每消耗l mol的反应物。就通过n F的电量，F为法拉第常数。所以扩散流量(参考式2-2)以电流密度(单位面积的电流)可表示为:

idnFJ （2-6）

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式中负号表示反应粒子移动方向指向电极表面。将式(2-3)和式(2-4)代入，可以得到

CC0CsidnFD()x0nFD （2-7）

x在稳态条件下，溶液中存在大量惰性电解质时(忽略扩散层中放电粒子的电迁移效应)，扩散速度就等于整个电极过程的速度，即等于外电流密度ik，则

C0CsikidnFD (2-8)

随着阴极电流密度增加电极表面附近放电粒子的浓度Cs降低，在极限情况下，

Cs0这时扩散速度达到最大值，阴极电流密度也就达到极大值，即极限扩散电

流密度为

ilnFDC0 (2-9)

由上式可知道，极限扩散电流密度il与放电粒子的整体浓度C0成正比例，与扩散层有效厚度成反比例。

因此当电流密度均匀时，可以得到此时外电流为

inAFDC0 （2-10）

由式(2 -10)可以看到，对于确定的电极，当待测水样的流速恒定在一定范围时，扩散层有效厚度6基本保持不变，外电流与放电粒子整体浓度成正比例，因此通过测量此电流值，即可确定所含余氯浓度。

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第三章 余氯测量系统的硬件设计

以微处理器为核心的各种各样的嵌入式控制系统已经日益广泛的应川在通讯系统、网络设备、语音、计算机外设、家电、仪器仪表等各个领域，并且随着大规模集成电路技术的不断发展，微处理器的性能越来越高，体积越来越小，系列越来越多，价格也越来越便宜。而在测量系统中的典型应用主要包括单片机(MCU)和数字信号处理器(DSP)>单片机实际上是一块集成电路，它在一块硅片上集成了中央处理器CPU、存储器RAM, ROM或EPROM和各种输入、输出接口，甚至定时器、计数器、并行口、串行口、A/D转换器等。它实际上是一台微型计算机。由于单片机具有功耗小、抗干扰能力强，体积小、功能全、价格低、软件丰富、面向控制、开发应用方便、容易产品化等优点，能够方便地嵌入到产品内部，组成各种智能式测量控制系统，因此得到极其广泛的应用。

DSP在本质上也是一种单片机，主要应用在需要大规模数字信号处理领域，例如通信、图像、语音处理，因此集成了更加适合于数字信号处理的软件和硬件资源，可以进行复杂的大规模运算，并且能够灵活地组成各种应用系统。DSP在功能上比单片机更加强大，相应地系统开发也较复杂，并且价格也比单片机系统要高。而在本测量系统的应用中，出厂水余氯是变化十分缓慢的量，并且系统中只进行少量的数字信号处理。因此对系统的数据采集，数据处理等的速度要求不高，单片机系统完全能够满足要求，因此本测量仪器采用单片机系统。

第一节 测量系统总体设计

硬件系统的设计要保证测量数据的准确性，不受外界环境的干扰;要保证测量的范围能够满足实际的需要:还要保证数据的采集速度能够满足需要，并且能够实现必要的人机交互。按照以上硬件设计要求，设计该在线余氯测量仪的整体系统框图原理图如图3.1所示。

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AT89C52 8155 键盘及显示 D/A 转换 调理电路 4-20mA A/D转换 i-v转换及 放大电路 余氯 传感器

图3.1 系统总体框图

系统测量的工作原理是，在余氯传感器中次氯酸HCIO被还原，产生还原电流I，电流I转换为电压V并经过放大滤波等处理，经A/D转换为数字信号后送入微控制器AT89C52，控制器对数据进行处理后，显示，并输出一个用于控制的4-20mA标准信号。以下就各部分的设计分别进行阐述。

第二节 传感器电路设计

3.2.1 传感器选型

在此次设计中选用499ACL-01余氯传感器。

499ACL-01型传感器，是一种隔膜覆盖的电流传感器，其由（铂）阴极、（银）阳极和电解液构成，阴极上覆盖着一层允许气体渗透的多孔隔膜。传感器工作期间，被测溶液中的余氯（次氯酸与次氯酸根离子）通过隔膜扩散至阴极上，施加在阴极上的极化电压将余氯(CL)还原成氯离子(CL-1)，进而在阴、阳电极之间产生能由分析仪器检测出来的电流，该电流与余氯扩散到阴极的速率成正比，即最终与被测溶液中余氯的浓度成正比。

 不需要预处理系统，不需要繁琐、昂贵的反应试剂；  自动修正溶液pH值（最高可达pH 9.5）  隔膜更换方便，无需专用工具；

 自动补偿由于温度变化对传感器隔膜渗透性的影响；

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 自动压力平衡，防止隔膜变形；

 可以与Detla和Rosemount Analytical决大多数分析仪器配套使用；  VP电缆接头，使传感器更换时，无需更换电缆。 传感器技术规格

 测量范围 ：0-10ppm（mg 余氯/L）

 湿材料* ：Noryl，Viton，铂或聚四氟乙烯（只适用于-56 选型代码）  阴 电 极 ：铂（通常的湿材料*）  精 度 ：取决于化学比对测试仪器的精度  适用的pH 值修正范围：6.0-9.5pH  采样电导率 ：>50μs/cm

 响应时间 ：25°C 时，22 秒完成最终读数的95%  压力 ：0-65psig（0-549KPa，绝压）  温度 ：32-122°F（0-50°C）  过程连接 ：1”MNPT  电解液 ：约25毫升

 电解液使用寿命：约3个月，要想获得最好的测量结果，请每月更换电解液  电缆长度（标准一体化电缆）：25英尺（7.6米）  电缆长度（最长）：300英尺（91米）  采样流量/流速 ：如表3-1：

流通式 明渠通道（敞开水池） 低流量流通池（PN 24091-00） 低流量流通池（PN 24091-01）

1-5克/分钟（3.8-19升/分钟） 1英尺/秒（0.3米/秒） 8-15克/小时（30-57升/小时） 2-5克/小时（8-19升/小时） 3.2.2传感器结构

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图3.2 传感器结构示意图 1-腹膜 2-工作电极WE, 3-反电极CE,

4-电解液,5-参考电极RE

传感器采用覆膜式探头，内充满pH值恒定的电解质溶液，用一层渗透膜将电解质溶液与被测介质隔离1f来水无法通过覆膜渗透到电解液内，但次氯酸却可以。探头内装止电极，分别为工作电极(Au)，反电极(Ag/AgCl)和参考电极，电极浸入电解质溶液内。

覆膜材料选用聚四氟乙烯PTFF(俗称铁氟龙、塑料王)，聚四氟乙烯是一种乳白色的合成材料，它的化学稳定性极好，即使在“王水”、浓碱中也不起变化，而且.不溶于任何已知有机溶剂，其性能比玻璃更为稳定，是目前化学稳定性最佳的合成材料。它的温度适用范围也很宽，为-195-2000C目聚四氟乙烯具有强烈的憎水性，因此可以防止被测介质内的水分侵入到探头内部。由此可以看出聚四氟乙烯仆常适合作为探头的覆膜材料 3.2.3 传感器电路设计

传感探头内的前置转换放大电路示意图如下图4.2所示。

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图3.3 前置转化放大电路

为解决信号稳定问题，在传感器上设置一个第三电极即参考电极RE,RE电极的主要作用是控制WE电极和CE电极之间的电位，使其处于某一选定值，R2,R1,C1.IC1构成恒电位仪电路，Vbias为偏置电压。工作电极WE将扩散电流引出，经过放大器IC2放大滤波，再经过CMOS模拟开关CD4053来选择器放大倍数，R3,R4之比严格满足9: 1，使其放大倍数的变化为10倍，从而可以在两个量之间进行切换。输出的信号经过AD转换后送入处理芯片。

第三节 A/D转换器模块设计

3.3.1AD转换器选型

余氯量通过传感器转换后是电压信号，属于模拟量，只有转换成数字量之后才能被处理器采集进行分析运算等操作，因此要选择合适的A/D转换器。转换器的种类很多，根据转换原理可分为逐次逼近式、双积分式、电荷平衡式等。逐次逼近式A/D速度较快，而双积分和电荷平衡式的转换速度较慢，但转换精度。

选择A/D要考虑的主要是A/D 转换器的主要技术指标，有转换精度（包括分辨率和转换误差）、转换速度等。选择A/D 转换器时，除考虑这两项技术指标外，还应注意满足其输入电压的范围、输出数字的编码、工作温度范围和电压稳定度等方面的要求。 1、分辨率

分辨率是指A/D转换器所能分辨的模拟输入信号的最小变化量。设A/D 转换器的位数为n满量程电压为FSR，则A/D 转换器的分辨率定义为

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分辨率=

FSR 2n由上式可以看出，输出二进制数的位数n越多，A/D 转换的分辨率数值越小，分辨能力越高。位数越高，分辨率越高

另外也可以用百分数来表示分辨率，此时的分辨率称为相对分辨率。相对分辨率定义为：

相对分辨率=分辨率1100%n100% FSR2目前一般都简单地用A/D转换器的位数n来间接代表分辨率。如12 位分辨率A/D 转换 2、 转换误差

转换误差通常是以输出误差的最大值形式给出。它表示A/D 转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。常用最低有效位LSB 的倍数表示。例如给出相对误差LSB，这就表明实际输出的数字量和理论上应得到的2输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。 3、 转换时间

转换时间是指A/D 转换器从转换控制信号到来开始到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。一般微秒（us ）或毫秒（ms） 来表示通常转换时间是根据模拟输入电压值来规定的。 2.3.2 选择结果

本测量选用了双积分式A/D转换器ICL7135，余氯量的变化是十分缓慢的，因此对A/D转换的速率要求不高，选用可满足要求。

ICL7135是四位半CMOS双积分A/D转换器，采用28脚双列直插式封装，双电源±5V供电，量程为2V,A/D结果为0～1.9999V，精度±1，以多路BCD码形式输出结果，具有数据输出选通脉冲，方便与微处理器的接口。 1、主要性能  CMOS集成电路；  双积分变换技术；  单一参考电压；  采用BCD码扫描输出；

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 能用闪烁显示的方式表示超量程状态；

 具有6路输入输出（I/O）辅助信号，可以与微控制器相连，进行复杂控制；  具有自动转换量程的超量程和欠量程信号；  允许差分输入；

 具有自动极性判别功能和自动校零电路；  双电源供电；

 准确度高：0.005%±1个字；  输入漏电流低：1pA；  分辨率高：14位；

 零读数漂移低：0.5V/0C；  输入阻抗高：109；  转换速度慢：3次/s；  噪声低：15V 2、极限参数

 正电源电压：+6V。  负电源电压：–9V。  模拟输入电压： V~V  参考电压：V~V

 时钟输入电压： DGND~V  存储温度范围：-65～+1600C.  功耗：

陶瓷封装：1000mW; 塑料封装：800mW。

引线焊接温度（10s）：+3000C。

3、7135主要特点如下：

 在每次A/D转换前，内部电路都自动进行调零操作。  在±2000字（2V满量程）范围内，保证转换精度±1字。  具有自动极性转换功能。

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 输出电流典型值1PA。  所有输出端和TTL电路相容。

 有过量程（OR)和欠量程（UR)标志信号输出，可用作自动量程转换的控制信号。

 输出为动态扫描BCD码。

 对外提供六个输入,输出控制信号(R/H,BUSH,ST,POL,OR,UR),因此除用于数字电压表外,还能与异步接收 /发送器,微处理器或其它控制电路连接使用。  采用28外引线双列直插式封装，外引线功能端排列如图4.4所示。

图3.4 ICL7135外引线功能端排列

各外引线功能端文字符号说明如下：  V- ——负电源端，

 V+ ——外接基准电压输入端，  AGND——模拟地，

 INT——积分器输出，外接积分电容（Cint)端，  AZ——外接调零电容（Caz)端，

 BUF——缓冲器输出，外接积分电阻（Rint)端，  Rr+、Rr-——外接基准电压电容（Cr)端，

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 INTO、INHI——被测电压（低、高）输入端，  V+——正电源端，

 D5、D4、D3、D2、D1——位扫描选通信号输出端，其中D5（MSD）对应万位数选通，其余依次为D4、D3、D2、D1（LSD，个位），

 B8、B4、B2、B1——BCD码输出端，采用动态扫描方式输出，  BUST——指示积分器处于积分状态的标志信号输出端，  CLK——时钟信号输入端，  DGNG——数字电路接地端，  R/H——转换/保持控制信号输入端，

 ST——选通信号输出端，主要用作外部寄存器存放转换结果的选通控制信号  OR——过量程信号输出端，  UR——欠量程信号输出端。

在电路内部，CLK和R/H两个输入端上分别设置了非门和场效应管的输入电路，以保证该两端在悬空时为高电平。

V+ = +5V，V- =-5V，TA=25℃，时钟频率为120KHz时，每秒可转换3次。 功耗：1000mW（MAX）；电源电压：V+：+6V（MAX）；V-：-6V（MAX） 4、ICL7135数字部分

数字部分主要由计数器、锁存器、多路开关及控制逻辑电路等组成。ICL7135一次A/D转换周期分为四个阶段：

1、自动调零（AZ）； 2、被测电压积分（INT）； 3、基准电压反积分（DE）； 4、积分回零（ZI）。

具体内部转换过程这里不做详解，主要介绍引脚的使用。  R/H（25脚）

当R/H=“1”（该端悬空时为“1”）时，7135处于连续转换状态，每40002个时钟周期完成一次A/D转换。若R/H由“1”变“0”，则7135在完成本次A/D转换后进入保持状态，此时输出为最后一次转换结果，不受输入电压变化的影响。因此利用R/H端的功能可以使数据有保持功能。若把R/H端用作启动功能时，只

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要在该端输入一个正脉冲（宽度300ns），转换器就从AZ阶段开始进行A/D转换。注意：第一次转换周期中的AZ阶段时间为9001-10001个时钟脉冲，这是由于启动脉冲和内部计数器状态不同步造成的。  /ST（26脚）

每次A/D转换周期结束后，ST端都输出5个负脉冲，其输出时间对应在每个周期开始时的5个位选信号正脉冲的中间，ST负脉冲宽度等于1/2时钟周期，第一个ST负脉冲在上次转换周期结束后101个时钟周期产生。因为每个选信号（D5--D1）的正脉冲宽度为200个时钟周期（*只有AZ和DE阶段开始时的第一个D5的脉冲宽度为201个CLK周期），所以ST负脉冲之间相隔也是200个时钟周期。需要注意的是，若上一周期为保持状态（R/H=“0”）则ST无脉冲信号输出。

ST信号主要用来控制将转换结果向外部锁存器、UARTs或微处理器进行传送。

 BUSY（21脚）

在双积分阶段（INT+DE），BUSY为高电平，其余时为低电平。因此利用BUSY功能，可以实现A/D转换结果的远距离双线传送，其还原方法是将BUSY和CLK“与”后来计数器，再减去10001就可得到原来的转换结果。  OR（27脚）

当输入电压超出量程范围（20000），OR将会变高。该信号在BUSY信号结束时变高。在DE阶段开始时变低。  UR（28脚）

当输入电压等于或低于满量程的9%（读数为1800），则一当BUST信号结束，UR将会变高。该信号在INT阶段开始时变低。  POL（23脚）

该信号用来指示输入电压的极性。当输入电压为正，则POL等于“1”，反之则等于“0”。该信号DE阶段开始时变化，并维持一个A/D转换调期。  位驱动信号D5、D4、D3、D2、D1（12、17、18、19、20脚）

每一位驱动信号分别输出一个正脉冲信号，脉冲宽度为200个时钟周期，其中D5对应万位选通，以下依次为千、百、十、个位。在正常输入情况下，D5--D1

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输出连续脉冲。当输入电压过量程时，D5--D1在AZ阶段开始时只分别输出一个脉冲，然后都处于低电平，直至DE阶段开始时才输出连续脉冲。利用这个特性，可使得显示器件在过程时产生一亮一暗的直观现象。  B8、B4、B2、B1（16、15、14、13脚）

该四端为转换结果BCD码输出，采用动态扫描输出方式，即当位选信号D5=“1”时，该四端的信号为万位数的内容，D4=“1”时为千位数内容，其余依次类推。在个、十、百、千四位数的内容输出时，BCD码范围为0000--1001，对于万位数只有0和1两种状态，所以其输出的BCD码为“0000”和“0001”。当输入电压过量程时，各位数输出全部为零，这一点在使用时应注意。

最后还要说明一点，由于数字部分以DGNG端作为接地端，所以所有输出端输出电平以DGNG作为相对参考点。

基准电压，基准电压的输入必须对于模拟公共端COM是正电压。 3.3.2A/D转换器电路设计 1、设定工作方式：

(1)ICL7135有两种转换方式，由A/D转换控制端R/H确定，当R/H接低电平时，转换结束后保持转换结果，输入一个正脉冲侯(宽度大于300ns)，启动ICL7135开始另一次转换;当R/H接高电平时，R/H自动连续转换，周期为40002个时钟。在本系统中采用连续转换方式，R/H接+5V高电平。

(2)转换结果的读取:以中断形式读取A/D转换结果，ICL7135的STROB端接AT89C52外部中断INT，完成一次A/D转换后，该引脚输出5个负脉冲 ，分 别选通新的A/D转换结果的高位至低位的BCD码数据输出，供AT89C52读取。 (3)时钟设定: 将AT89C52芯片的ALE输出脉冲进行1/16分频后接到ICL7135的时钟输入端CLOCK，由于在本系统中AT89C52时钟频率采用12MHz，则ICL7135

12M125k=125kHz，这时转换速度为3.12，即每秒钟3次左的工作时钟为

61640002右，这对于测量余氯量是适合的. 2、AD转换器外围电路

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3、A/D转换器采样时钟的单片机控制电路

单片机的ALE端输出的1MHZ的输出脉冲经过74LS393进行1/16分频后接到7135的CLK端，并且由单片机和8155的时钟共同控制，具体电路如下图：

第四节 数据处理系统设计

3.4.1单片机选型

根据CPU的字长(即数据运算和传送的位数)，目前应用比较多的低档单片机有4位机、8位机、16位机等，高端的有32位单片机，例如目前最通用的32位RISC处理器--ARM7处理器系列。32位单片机主要应用在多媒体演播机、机顶盒、路由器和调制解调器等Internet设备。4位机适用于比较简单的控制场合，例如玩具，简单的智能电器等。

通过分析各型单片机性能结合本系统的实际需要，本测量仪选用了ATMEL公司生产的AT89C52单片机，它是一种低功耗、高性能8位CMOS型微处理器。 主要功能特性如下:  兼容MCS51指令系统

 8k可反复擦写(>1000次)Flash ROM  32个双向I/0口  256×8bit内部RAM

 3个16位可编程定时/计数器中断

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 时钟频率0～24MHz  2个串行中断

 2.7-6V宽工作电压范围  2个外部中断源

 内置一个模拟比较放大器  2个读写中断口线  3级加密位  低功耗睡眠功能  软件设置睡眠和唤醒功能  可编程串行通道

可反复擦写的8k bytes F1nsh存储器可有效地降低开发成本，256bytes的随机存取数据存储器(RAM),可以充分满足需要，无需另外扩展存储器;器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容最常用的MCS-51指令系统，方便了软件程序的开发。 3.4.2单片机功能介绍

ATMEL公司是美国20世纪08年代中期成立并发展起来的半导体公司。该公司的技术优势在于推出发Flash存储器技术和高质量、高可靠性的生产技术，它率先将独特的Fhash存储技术注入于单片机产品中。其推出的AT89系列单片机，在世界电子技术行业中引起了极大的反响，在国内也受到广大用户欢迎。 AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能cmos8位单片机，片内含8k bytes。的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和256k byte.随机存取数据存储器(RAM)。器件采用六TMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51的指令系统及8052产品引脚兼容，32个可编程I/O口线、3个16位定时/计数器、三级加密程序存储器、低功耗空闲和掉电模式、片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元。其功能方框图如图4.3: 引脚功能说明: . Vcc:电源电压 . GND:地

. P0口:P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。 作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”

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时，可作为高阻抗输入端用。

图4.3 AT89C52引脚图

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址(低8位)和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

在Flash编程时，PO口接收指令字节，而在程序校验时.输出指令字节，校验时要求外接上拉电阻。

. P1口:P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口.做输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个

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引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。

. P2口:P2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对端口P2写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。做输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时，此口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口输出锁存器的内容.Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。

P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。 P3口除了作为一般的I/O口线，更重要的用途时它的第二功能，如下表所示：

表4-2 P3口的第二功能

端口引线 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 第二功能 RXD(串行输入口) TXD（串行输出口） INT0（外中断0） INT1（外中断1） T0（定时/计数0） T1（定时计数1） WR（外部数据存储器xie选通） RD（外部数据存储器读选通） 此外，P3口还接收一些用于FLASH闪速存储器编程和程序校验的控制信号。  RST:复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将

使单片机复位。

 PSEN:程序存储允许(PSEN)输出是外部程序存储器的读选通信号，当

AT89c52由外部程序存储器取指令(或数据)时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲.在此期间，当访问外部数据存储器时，将跳过两次PSEN 27

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信号。

 ALE/PROG:当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE(地址锁存允许)

输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是，每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲。(PROG)  EA/Vpp:外部访问允许.欲使CPU仅访问外部程序存储器(地址为0000H～

FFFFH)，EA端必须保持低电平(接地)。须注意的是，如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。

如AE端为高电平(接Vcc端)，CPU则执行内部存储器中的指令.

Flash存储器编程时，该引脚加上编程允许电源VPP, XTAL1:振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。 XTAL2:振荡器反相放大器输出端.

第五节 键盘显示模块设计

3.5.1芯片选择

由于单片机I/O口的限制，故采用8155对其进行扩展，通过译码器74Ls47、74LS138进行译码输出控制。 2.4.1 8155介绍

1.8155 各引脚功能说明如下：

RST：复位信号输入端，高电平有效。复位后，3个I/O口均为输入方式。 AD0～AD7：三态的地址/数据总线。与单片机的低8位地址/数据总线（P0口）相连。单片机与8155之间的地址、数据、命令与状态信息都是通过这个总线口传送的。

RD：读选通信号，控制对8155的读操作，低电平有效。 WR：写选通信号，控制对8155的写操作，低电平有效。 CE：片选信号线，低电平有效。

IO/M：8155的RAM存储器或I/O口选择线。当IO/M＝0时，则选择8155的片内RAM，AD0～AD7上地址为8155中RAM单元的地址（00H～FFH）；当IO/M＝1

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时，选择 8155的I/O口，AD0～AD7上的地址为8155 I/O口的地址。 ALE：地址锁存信号。8155内部设有地址锁存器，在ALE的下降沿将单片机P0口输出的低8位地址信息及CE，IO/M的状态都锁存到8155内部锁存器。因此，P0口输出的低8位地址信号不需外接锁存器。

PA0～PA7：8位通用I/O口，其输入、输出的流向可由程序控制。 PB0～PB7：8位通用I/O口，功能同A口。

PC0～PC5：有两个作用，既可作为通用的I/O口，也可作为PA口和PB口的控制信号线，这些可通过程序控制。 TIMER IN：定时/计数器脉冲输入端。 TIMER OUT：定时/计数器输出端。 VCC：＋5V电源。

2、8155的地址编码及工作方式

在单片机应用系统中，8155是按外部数据存储器统一编址的，为16位地址，其高8位由片选线CE提供，CE＝0，选中该片。

当CE＝0，IO/M＝0时，选中8155片内RAM，这时8155只能作片外RAM使用，其RAM的低8位编址为00H～FFH；当CE＝0，IO/M＝1时，选中8155的I/O口，其端口地址的低8位由AD7～AD0确定，如表4-3所示。这时，A、B、C口的口地址低8位分别为01H、02H、03H（设地址无关位为0）。

表4-3 8155芯片的I/O口地址

AD7～AD0 A7 × × × × × × A6 × × × × × × A5 × × × × × × A4 × × × × × × A3 × × × × × × A2 0 0 0 0 1 1 A1 0 0 1 1 0 0 A0 0 1 0 1 0 1 选择I/O口 命令/状态寄存器 A口 B口 C口 定时器低8位 定时器高6位及方式 8155的A口、B口可工作于基本I/O方式或选通I/O方式。C口可工作于

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基本I/O方式，也可作为A口、B口在选通工作方式时的状态控制信号线。当C口作为状态控制信号时，其每位线的作用如下： PC0：AINTR（A口中断请求线） PC1：ABF（A口缓冲器满信号） PC2：ASTB（A口选通信号） PC3：BINTR（B口中断请求线） PC4：BBF（B口缓冲器满信号） PC5：BSTB（B口选通信号）

8155的I/O工作方式选择是通过对8155内部命令寄存器设定控制字实现的。命令寄存器只能写入，不能读出，命令寄存器的格式如图4.5所示。 在ALT1～ALT4的不同方式下，A口、B口及C口的各位工作方式如下： ALT1：A口，B口为基本输入/输出，C口为输入方式。 ALT2：A口，B口为基本输入/输出，C口为输出方式。

ALT3：A口为选通输入/输出，B口为基本输入/输出。PC0为AINTR，PC1为ABF，PC2为ASTB，PC3～PC5为输出。

ALT4：A口、B口为选通输入/输出。PC0为AINTR，PC1为ABF，PC2为ASTB，PC3为BINTR，PC4为BBF，PC5为BSTB。

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00：空操作 01：停止计数 10：时间到则停止计数 11：置入工作方式和计数长度后立即启动计数，若正在计数，溢出后按新的方式和长度计数 0：禁止B口中断 1：允许B口中断 0：禁止A口中断 1：允许A口中断 定义端口A 0：输入 1：输出 定义端口B 0：输入 1：输出 定义端口C 00：ALT1、A口、B口基本输入输出，C口输入 01：ALT1、A口、B口基本输入输出，C口输出 10：ALT3，A口选通输入输出，B口基本输入输出 PC0：AINTR PC1：ABF PC2：ASTB PC3～PC5：输入输出 PC0：AINTR PC1：ABF PC2：ASTB PC3：BINTR PC4：BBF PC5：BSTB

图4.5 8155命令寄存器格式

8155内还有一个状态寄存器，用于锁存输入/输出口和定时/计数器的当前状态，供CPU查询用。状态寄存器的端口地址与命令寄存器相同，低8位也是00H，状态寄存器的内容只能读出不能写入。所以可以认为8155的I/O口地址00H是命令/状态寄存器，对其写入时作为命令寄存器；而对其读出时，则作为状态寄存器。

状态寄存器的格式如图4-6所示。

× A口中断标志请求 A口缓冲器满空标志 A口中断允许标志 B口中断标志请求 B口缓冲器满空标志 B口中断允许标志 定时器中断标志，定时器计数到 指定长度置“1”，读状态后清“0”

图4-6 8155状态寄存器格式

3、8155的定时/计数器

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8155内部的定时/计数器实际上是一个14位的减法计数器，它对TIMER IN端输入脉冲进行减1计数，当计数结束（即减1计数“回0”）时，由TIMER OUT端输出方波或脉冲。当TIMER IN接外部脉冲时，为计数方式；接系统时钟时，可作为定时方式。

定时/计数器由两个8位寄存器构成，其中的低14位组成计数器，剩下的两个高位（M2，M1）用于定义输出方式。其格式如下：

图4-7 定时/计数器输出格式

3.5.2显示电路设计

3．5．2．1显示方式的选择

LED显示器是单片机应用系统中最常用的输出器件。它是由若干个发光二极管组成的，当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发亮。控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符。常用的LED显示器有7段和“米”字段之分。在次显示转速数值用7段显示管即可。这种显示器有共阳极和共阴极两种。共阴极LED显示器的发光二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地。当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。同样，共阳极LED显示器的发光二极管的阳极连接在一起，通常此公共阳极接正电压，当某个发光二圾管的阴极接低电平时，发光二极管被点亮，相应的段被显示。其实设计选用共阴或共阳都是一样的只是个人喜欢问题。

LED数码管显示器有二种工作方式，即动态显示方式和静态显示方式。在动态显示方式中，各位数码管的各个端并连在一起，与单片机系统的一个I/O口相连，从该I/O口输出显示代码。每只数码管的共阳极或共阴极则与另一I/O口相连，控制被点亮的位。动态显示的特点是：每一时刻只能有1位数码管被点亮，各位依次轮流放点亮；对于每一位来说，每隔一段时间点亮一次。为了每位数码管能够充分被点亮，二极管应持续发光一段时间。利用发光二极管的余辉和人眼的驻留效应，通过适当地调整每位数码管被点亮的时间间隔（一般为1mS），可以观察到稳定的显示输出。

在静态显示方式下，每位数码管的各个端与一个8位的I/O口相连。要在

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某一位数码管上显示字符时，只要从对应的I/O口输出并锁存其显示代码即可。其特点为：各数码管同时点亮，数码管中的发光二极管恒定地导通或截止，直到显示字符改变为止。

相比而言，动态显示方式更节省硬件资源和I/O口，一般系统都会选择该种显示方式。故经综合考虑，决定选用LED数码管动态显示方式。 3．5．2．2显示电路连接图

显示部分采用8155并行扩展口构成系统的显示电路。显示部分采用七段数码管显示，A口的PA0、PA1、PA2、PA3输出BCD码经过驱动器7447作为显示器段码，PA4、PA5、PA6通过译码器74LS138口输出显示器位选码。 显示电路连接图如下图：

3.5.3键盘模块设计

键盘是计算机不可缺少的输入设备，是实现人机对话的纽带，借助键盘可以向计算机系统输入程序、置数、送操作命令、控制程序的执行走向等。 3.5.3.1键盘形式选择 1、独立式键盘

独立式按键是指直接用I/O接口线构成的单个按键电路。每个独立式按键单

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独占有一根I/O接口线，每根I/O接口线的工作状态不会影响其它I/O接口线的工作状态。独立式按键电路配置灵活、软件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口线，在按键数量较多时，I/O口线浪费较大，故只在按键数量不多时采用这种按键电路。此电路中，按键输入都采用低电平有效，上拉电阻保证了按键断开时，I/O口线上有确定的高电平。当I/O口内部有上拉电阻时，外电路可以不配置上拉电阻。

2、矩阵式键盘

将I/O接口线的一部分作为行线，另一部分作为列线，按键设置在行线和列线的交叉点上，这就构成了行列式键盘。行列式键盘中按键的数量可达行线数n乘以列线数m，如4行、4列行列式键盘的按键数可以达到4×4＝16个。由此可以看到行列式键盘在按键较多时，可以节省I/O口线。8条I/O口线分为4条行线和4条列线，按键设置在行线和列线交点上，即按键开关的两端分别接在行线和列线上。行线通过一个上拉电阻接到+5V电源上，在没有键按下时，行线处于高电平状态。若向所有的列线I/O口输出低电平，然后将行线的电平状态读入累加器A中，若无键按下，行线仍保持高电平状态，若有键按下，行线至少应有一条为低电平。

若确定有键按下后，即可进行求键码的过程。其方法是：依次从一条列线上输出低电平，然后检查各行线的状态，若全为高电平，说明闭合键不在该列，若不全为1，则说明闭合键在该列，且在变为低电平的行的交点的行的交点上。 若在键盘处理程序中，给每个键都赋予一个键号，由从列线I/O口输出的数据和从行线I/O口读入的数据即可求出闭合键的键号，完成对键盘的扫描工作。

本设计中只用到了7个键盘，由于应用独立式键盘相对比较简单，故采用独立式键盘。

3.5.3.2 键盘连接电路

键盘部分采用8155并行扩展口构成系统的键盘电路，采用8155的PB0～PB6口作为独立按键式键盘的输入口。

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第六节 标准信号输出电路

3.6.1 D/A转换器选择

数/模(D/A)转换器是智能化仪器中用于模拟输出的必备电路，选择一个好的DAC有三个重要标准:分辨率、准确度和转换速度。

1.分辨率:当输入的数字信号发生单位数码变化，即最低位(LSB)产生一次变化时，所对应的输出模拟量(电压或电流)的变化量。实际应用中采用输入数字量的位数来表示分辨率。

2.精度:若不考虑D/A转换器的误差，D/A转换的精度即为其分辨率的大小因此要获得一定精度的D/A转换结果，应首先选择足够分辨率的D/A转换器。精度另外还与外电路以及电源有关。

3.转换速度:用建立时间来衡量D/A转换快慢，指输入的数字量变化后，输出的模拟量稳定到相应的数字范围内(士0.5L SB) 所需的时间 3.6.2 选择结果

根据余氯信号变化缓慢的特点，选用串行D/A可以满足要求，并能够简化的电路设计。在本系统中选择DAC7611芯片。DAC7611是12位串行输入D/A转

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换器。

数字/模拟转换器DAC7611是美国BURR-BROWN公司生产的一种具有串行接口的1212位串行输入数字/模拟转换器。DAC7611具有片内参考电压源，它的封装形式之一位PDIP8,如图

图4.10 DAC7611的PDIP8封装外形图

DAC7611的串行通信接口包括以下引脚。 引脚3（CLK）：串行时钟输入。

引脚4（SDI）：串行数据输入。在串行时钟的上跳边沿数据被移入DAC7611内部的串行移位寄存器。

引脚5（LD）：控制移入的数据装载到DAC7611内部的DAC寄存器，触发数字/模拟转换的工作过程。该引脚低电平有效，它的工作与串行时钟和下面将要讨论的芯片选择信号无关。

除去上述组成串行通信接口的引脚，DAC7611还提供两个控制引脚。 引脚2（CS）：芯片选择信号输入脚，低电平有效。

引脚6（CLR）：DAC7611内部DAC寄存器的异步清零控制引脚。当该引脚为低电平时，DAC寄存器的内容将变为000H,使得DAC7611的模拟输出电压为零。 引脚2（CS）可以用来在使用多个串行接口器件时实现芯片选择。引脚6（CLR）提供一种简单的输出模拟电压清零的方法，只要引脚值为低电平，DAC7611的输出模拟电压为零

引脚8（VOUT）为模拟电压输出。输出模拟电压的范围为0V~4.095V。DAC7611的数字输入与模拟电压输出之间的关系如表4-4：

表4-4 DAC7611的数字输入与模拟电压输出之间的关系

数字输入 FFFH 801H 800H

模拟输出/V 4.095(满刻度) 2.049（中间刻度+ILSB） 2.048(中间刻度) 36

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7FFH 000H 2.047（中间刻度-ILSB） 0.000（0刻度）

由表可以看出，当DAC7611输入的数字量为000H时，它的模拟输出为零；当输入的数字量为FFFH时，它的模拟输入为4.095V，即它的最大模拟输出电压为4.095V。输入的数字量每改变一位，输出的模拟电压改变1mV。 3.6.3 标准信号输出电路设计

当单片机采集到一个新的余氯量数据之后，CPU将其进行转换，转换后的数据通过8155的PC0口向DAC7611的SDI输入，8155的PC2输出作为移位脉冲，在脉冲上升沿将数据送到串口移位寄存器。当所有数据位都送入移位寄存器后，

LD变为脉冲低电平，以便把数据送到DAC寄存器，经转换后更新输出。DAC7611

输出电压范围设定为1-4V，经过转换后变为4-20mA标准信号输出。具体电路如下图：

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第四章 余氯测量系统的软件设计

第一节 程序流程图

第二节 部分程序设计

#include #include

#define uchar unsigned char #define com8155[FE00] #define PA8155[FE01] #define PB8155[FE02] #define PC8155[FE03] #define unit unsigned int #include< absacc.h> #include< intrins.h> sbit p34=P3^4; sbit p36=P3^6; sbit p37=P3^7; sbit SDI =P2^3; sbitS CLK=P2^4; sbitS LD=P2^5;

uchar code dispbit[]={0x40,0x30,0x20,0x10,0x00}; uchar dispcode,t; Uint dispcunt; unit x,y; bit flag;

Void da7611(uint da ) { uchar i;

da+ = 6; //将 低10位有效数据左移到高位LD=0 ; C LK = O;

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// 定义位选 平顶山工学院毕业设计论文

for (i = O;i <1 2;i ++) //向 移 位 寄 存器 移入12位数据，其中高10位是有效数据位 SDI= (b it)( da &O x8 00 0); CLK=1; da+=1; CLK=O; }

LD=1 //将16位移位寄存器中的10位有效数据锁存于10位DAC寄存器中 }

uchar key() {

P37=0

uchar kvalue;

kvalue=0XFF&PB8155;

if(kvalue==0xFF) mdelay(10);

kvalue=0XFF&PB8155;

if(kvalue==0xFF) P37=1

return kvalue;

}

void kpproce(uchar kvalue) { if(kvalue==0xFE) startend=1; if(kvalue==0xF7) startend=0; if(kvalue==0xEF) updown=1; if(kvalue==0xDF) updown=0; }

void main()

//有键按下 // 消抖 39

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{

com8155=0x06 TMOD=0x03; TH0=20000/256; TL0=20000％256; TR0=1; ET0=1; IT0=1; EX1=1; EA=1; while(1) { P36=0

dispcode=&0x0F;

dispcode=||dispbit[dispcode]; PA8155=dispcode; dispcount++; P36=1 if(dispcount==4) {

dispcount=0; }

Void da7611(uint da ) } }

void int0(void) interrupt 0 {

TH0=20000/256; TL0=20000％256; TR0=1;

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uchar key()

void kpproce(uchar kvalue) }

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