在线软测量仪表的设计和开发
摘要
城市尘活和工业废水处理一直是环境保护领域的一个重要的课题。但是目前还没有一个合适的仪器仪表能对废水的一些重要工业指标，如BOD、COD等作实时的监测，因此对废水处理实施自动控制的难度是非常大的。在这种情况下，很多废水处理厂的生产都是利用生产人员的经验来控制的，自动化水平很低，其直接后果就是出水水质无法保证和能源的巨大消耗。
本文提出的软测量仪表，利用软测量原理，根据一些易测变量(温度、溶解氧浓度、PH值、浊度等)和BOD、COD等难测变量之间的数学关系(软测量模型)，通过测量易测变量和数学计算得到难测变量，从而实现对难测变量的测量。
本文的主要介绍了软测量仪表较完整的设计开发工作：
第一章：介绍软测量技术在工业上运用的意义和实现软测量技术的可行性，软测量技术的应用场合、数学模型的建立和校正这三个要素，软测量仪表的现状。和软测量技术对过程检测和控制系统的影响。
第二章：根据本软测量仪表的实际运用要求给出的总体结构，同时也给出对各部分电气的具体要求。
第三章：介绍数码管显示仪表、CRT显示仪表和LCD显示仪表；以及有关键盘的特性和方式，同时确定所采用的显示媒体和键盘的方式，并在此基础上对软测量仪表的人机交互画面作出规划。
第四章：介绍三类仪表常采用的A／D转换类型和与此相关的一些A／D转换芯片，并最终确定使用V／F转换为本仪表的测量数据输入方式。
第五章：介绍和对比了三类仪表常采用的通信方式：20mA电流环，RS-232和RS-485通信标准，并最终确定采用RS-485通信方式。
第六章：对目前6类存储器的有关特性和存取方式作了个介绍，对比了两类下载程序的执行方式，以及对算法的可靠性进行了设计。
Treatment of the waste water from city life and industry is always an important problem in protection of environment. At present time, there isn't any instrument can measure some important parameters of the waste water, such as BOD. COD. in real-time. So it's very difficult to use auto-control techniques in the w^aste water treatment industry. In this condition, most waste water treatment factory control their production by workers' experiences, so the quality of the treated water is hard to be guaranteed and wasting of the resources is another disadvantage.
In this thesis, we present a programmed instrument. By using the program, it establishes a mathematic relation between some parameters measured easily (such as temperature, concentration of dissolved oxygen. PH) and the parameters measured hard we need. By measuring those parameters easily measured and calculation, we can get the results of parameters we need almost in real-time. In this thesis, we introduce the design of this instrument:
In chapter one, we introduce some background knowledge, including the Soft-Sensing Technique, the situation of the Soft-Sensing instruments model nowadays, and how this instrument will play its' role in so many instruments.
In chapter two, we give an integrant design of the Online Softsensoring Instrument. Also a design suggestion is given for each part.
I n chapter three, we introduce three kinds of instruments, and we decide to design the instrument with LCD - liquid crystal displayer. Later a mainly interface of the instrument is given.
In chapter four, we introduce some methods of A/D conversion, and we take V/F as our A/D conversion.
In chapter five, we introduce some knowledge of standard communication protocols, and we finally take the RS-485 mode.
In chapter six. we introduce six types of memory, two running ways of the download program, and which is our choice. Later we also discussed security the download program and the security of the main program.
本文提出的软测量仪表，利用软测量原理，根据一些易测变量(温度、溶解氧浓度、PH值、浊度等)和BOD、COD等难测变量之间的数学关系(软测量模型)，通过测量易测变量和数学计算得到难测变量，从而实现对难测变量的测量。
本文的主要介绍了软测量仪表较完整的设计开发工作：
第一章：介绍软测量技术在工业上运用的意义和实现软测量技术的可行性，软测量技术的应用场合、数学模型的建立和校正这三个要素，软测量仪表的现状。和软测量技术对过程检测和控制系统的影响。
第二章：根据本软测量仪表的实际运用要求给出的总体结构，同时也给出对各部分电气的具体要求。
第三章：介绍数码管显示仪表、CRT显示仪表和LCD显示仪表；以及有关键盘的特性和方式，同时确定所采用的显示媒体和键盘的方式，并在此基础上对软测量仪表的人机交互画面作出规划。
第四章：介绍三类仪表常采用的A／D转换类型和与此相关的一些A／D转换芯片，并最终确定使用V／F转换为本仪表的测量数据输入方式。
第五章：介绍和对比了三类仪表常采用的通信方式：20mA电流环，RS-232和RS-485通信标准，并最终确定采用RS-485通信方式。
第六章：对目前6类存储器的有关特性和存取方式作了个介绍，对比了两类下载程序的执行方式，以及对算法的可靠性进行了设计。
Treatment of the waste water from city life and industry is always an important problem in protection of environment. At present time, there isn't any instrument can measure some important parameters of the waste water, such as BOD. COD. in real-time. So it's very difficult to use auto-control techniques in the w^aste water treatment industry. In this condition, most waste water treatment factory control their production by workers' experiences, so the quality of the treated water is hard to be guaranteed and wasting of the resources is another disadvantage.
In this thesis, we present a programmed instrument. By using the program, it establishes a mathematic relation between some parameters measured easily (such as temperature, concentration of dissolved oxygen. PH) and the parameters measured hard we need. By measuring those parameters easily measured and calculation, we can get the results of parameters we need almost in real-time. In this thesis, we introduce the design of this instrument:
In chapter one, we introduce some background knowledge, including the Soft-Sensing Technique, the situation of the Soft-Sensing instruments model nowadays, and how this instrument will play its' role in so many instruments.
In chapter two, we give an integrant design of the Online Softsensoring Instrument. Also a design suggestion is given for each part.
I n chapter three, we introduce three kinds of instruments, and we decide to design the instrument with LCD - liquid crystal displayer. Later a mainly interface of the instrument is given.
In chapter four, we introduce some methods of A/D conversion, and we take V/F as our A/D conversion.
In chapter five, we introduce some knowledge of standard communication protocols, and we finally take the RS-485 mode.
In chapter six. we introduce six types of memory, two running ways of the download program, and which is our choice. Later we also discussed security the download program and the security of the main program.
引文
[1] 徐科军，陈荣保，张崇巍，“自动检测和仪表中的共性问题”，2000，清华大学出版社，北京
[2] 俞金寿，刘爱伦，张克进，软测量技术及其在石油化工中的应用，2000，化学工业出版社，北京
[3] 李海青，黄志尧等，“软测量技术原理及应用”，化学工业出版社，2000．9。
[4] 于静江，周春晖，“过程控制中的软测量技术”，控制理论与应用，1996．13(2)：137～144。
[5] 荣冈，金晓明，王树青，“先进控制技术及应用·第三讲．软测量技术及其应用”，化工自动化及仪表，1999．26(4)：70～72。
[6] 张希衡主编，“废水治理工程”，冶金工业出版社，1984．6。
[7] 侯宇光，杨凌真，黄川友，“水环境保护”，成都科技大学出版社，1990．4。
[8] 张勇，吴铁军，“废水生物处理生化反应的建模和辨识”，无锡轻工大学学报，2000．19(6)：587～560。
[9] 常凤娥，张锡纯，“数字仪表显示器的性能和选用”，电测与仪表，1994．8：43～48。
[10] 何立民编著，“MCS-51系列单片机应用系统设计——系统配置与接口技术”，北京航空航天大学出版社，1990．1。
[11] 孙涵芳，徐爱卿编著，“MCS-51/96系列单片机原理及应用(修订版)”，北京航空航天大学出版社，1996．4。
[12] 马家辰，孙玉德，张颖，“MCS-51单片机原理及接口技术”，哈尔滨工业大学出版社，1998
[13] 马忠梅，籍顺心，张凯，马岩编著，“单片机的C语言应用程序设计”，北京航空航天大学出版社，1999．1。
[14] 胡明超，陈志祥，“点阵式液晶显示器与单片机的接口及编程”，自动化与仪器仪表，1996．5：20～23。
[15] 彭佩珍等，“智能仪器中的图形式液晶显示”，自动化仪表，1995．16(1)：20～23。
[16] 金荣泰，许昌，“DMF5001点阵式液晶显示器数据、汉字及曲线的显示方法设计”，仪器仪表，1998．5：15～19。
[17] 杨日杰，赵俊谓，“DMF5001系列液晶显示模块与接口技术”，电子技术应用，1995．6：37～39。
[18] 王华，王琪，杨国胜，“点阵式LCD在汉字显示中的应用”，电子技术，1994．21(8)：27～29。
[19] 崔亦七，何京敏，“智能仪表的人机对话与定时器设计”，微处理机，1993．4：45～47。
[20] 陆晓峰，“薄膜编码键盘在51系列单片机中的应用及编程”，电子技术应用，1993．4：5～7。
[21] 彭希南，“跨越2000年的时钟芯片DS12887/DS12C887”，电子技术，1999．8：34～38。
[22] 龙可微，“X25045芯片及其应用”，电子技术应用，1999．9：70～72。
[23] 李莉，“可编程看门狗监控EEPROM芯片X25043/45原理及应用”，电子技术应用，1999．5：67～69。
[24] 卢廷勋，李正孝，“FLASH MEMORY技术”，微处理机，1995．3：8～11。
[25] 沈兰荪，“智能仪器与信号处理技术”，科学出版社，1990。
[26] 黄赛清，“双积分型A/D转换器与MCS-51系列单片机的接口”，电子技术，1993．20(7)：14～15。
[27] 徐雁，“MCS-51单片机测量频率的两种实用方法”，电测与仪表，1995．3：16～18。
[28] 李军，“利用V/F变换实现8031的高性能串行模数转换”，电测与仪表，1994．8：32～34。
[29] 林健，“LM331的V/F电路调试中的若干问题分析”，集成电路应用，1995．2：36～39。
[2] 俞金寿，刘爱伦，张克进，软测量技术及其在石油化工中的应用，2000，化学工业出版社，北京
[3] 李海青，黄志尧等，“软测量技术原理及应用”，化学工业出版社，2000．9。
[4] 于静江，周春晖，“过程控制中的软测量技术”，控制理论与应用，1996．13(2)：137～144。
[5] 荣冈，金晓明，王树青，“先进控制技术及应用·第三讲．软测量技术及其应用”，化工自动化及仪表，1999．26(4)：70～72。
[6] 张希衡主编，“废水治理工程”，冶金工业出版社，1984．6。
[7] 侯宇光，杨凌真，黄川友，“水环境保护”，成都科技大学出版社，1990．4。
[8] 张勇，吴铁军，“废水生物处理生化反应的建模和辨识”，无锡轻工大学学报，2000．19(6)：587～560。
[9] 常凤娥，张锡纯，“数字仪表显示器的性能和选用”，电测与仪表，1994．8：43～48。
[10] 何立民编著，“MCS-51系列单片机应用系统设计——系统配置与接口技术”，北京航空航天大学出版社，1990．1。
[11] 孙涵芳，徐爱卿编著，“MCS-51/96系列单片机原理及应用(修订版)”，北京航空航天大学出版社，1996．4。
[12] 马家辰，孙玉德，张颖，“MCS-51单片机原理及接口技术”，哈尔滨工业大学出版社，1998
[13] 马忠梅，籍顺心，张凯，马岩编著，“单片机的C语言应用程序设计”，北京航空航天大学出版社，1999．1。
[14] 胡明超，陈志祥，“点阵式液晶显示器与单片机的接口及编程”，自动化与仪器仪表，1996．5：20～23。
[15] 彭佩珍等，“智能仪器中的图形式液晶显示”，自动化仪表，1995．16(1)：20～23。
[16] 金荣泰，许昌，“DMF5001点阵式液晶显示器数据、汉字及曲线的显示方法设计”，仪器仪表，1998．5：15～19。
[17] 杨日杰，赵俊谓，“DMF5001系列液晶显示模块与接口技术”，电子技术应用，1995．6：37～39。
[18] 王华，王琪，杨国胜，“点阵式LCD在汉字显示中的应用”，电子技术，1994．21(8)：27～29。
[19] 崔亦七，何京敏，“智能仪表的人机对话与定时器设计”，微处理机，1993．4：45～47。
[20] 陆晓峰，“薄膜编码键盘在51系列单片机中的应用及编程”，电子技术应用，1993．4：5～7。
[21] 彭希南，“跨越2000年的时钟芯片DS12887/DS12C887”，电子技术，1999．8：34～38。
[22] 龙可微，“X25045芯片及其应用”，电子技术应用，1999．9：70～72。
[23] 李莉，“可编程看门狗监控EEPROM芯片X25043/45原理及应用”，电子技术应用，1999．5：67～69。
[24] 卢廷勋，李正孝，“FLASH MEMORY技术”，微处理机，1995．3：8～11。
[25] 沈兰荪，“智能仪器与信号处理技术”，科学出版社，1990。
[26] 黄赛清，“双积分型A/D转换器与MCS-51系列单片机的接口”，电子技术，1993．20(7)：14～15。
[27] 徐雁，“MCS-51单片机测量频率的两种实用方法”，电测与仪表，1995．3：16～18。
[28] 李军，“利用V/F变换实现8031的高性能串行模数转换”，电测与仪表，1994．8：32～34。
[29] 林健，“LM331的V/F电路调试中的若干问题分析”，集成电路应用，1995．2：36～39。