纪永录毕业设计.doc

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1、保定铝厂铝电解控制系统输出通道接口设计第一章 前言铝具有特殊的化学、物理特性，是当今最常用的工业金属之一，不仅重量轻、质地坚，而且具有良好的延展性、导电性、导热性、耐热性和耐核辐射性。铝是国民经济发展的重要基础原材料之一。然而，我国每年生产的铝还远不能满足国民经济建设的需要，所以提高铝的产量和质量势在必行。计算机控制技术在铝电解生产过程的应用，是现代铝电解工业技术进步的重要标志之一。实践证明，采用计算机控制系统不仅减轻了工人繁重的体力劳动，而且大大提高了劳动生产率。本设计来源于保定铝厂计算机控制系统真实课题，系统采用两级分布式计算机控制系统结构，将管理和控制分开，实现信息管理集中化，而控制分散

2、化的目标。下位机采用STD总线工业计算机。其主要功能是实时采集系列电流和电解槽工作电压等相关参数，根据电解槽不同的工作状态，采用不同的控制策略，使铝电解工作在最佳的工作状态，并对故障及时报警。此次设计主要内容是铝电解控制系统的总体方案设计以及控制系统下位机输出通道接口设计。其中通道接口包括A/D转换模板、开关量输出通道、过压保护电路。A/D转换模板为4路8位，采用光电隔离技术并符合STD总线标准，用户可选接口地址和输出方式。开关量输出模板同样符合STD总线标准并采用光电隔离技术。在本设计中开关量输出模板可驱动放光二极管，控制直流电机、交流电机，有8路和32路两种。过压保护电路利用比较器实现，当

3、系统正常运行时，电压正常输出；当输入电压超过设定值时，电压输出值以一定的比例衰减，该电路并向CPU发送中断信号。此控制系统可实现对铝电解生产的过程的控制、参数优化及故障检测报警等功能，同样适用于其他中小型铝厂。第二章铝电解生产工艺2.1电解铝生产原理铝电解的原理是使直流电通过以氧化铝为原料、冰晶石为溶剂组成的电解质，在950970下使电解质溶液中的氧化铝分解为铝和氧，其反应式可用化学反应式2-1表示。 2-1由于比重的差别在阴极上析出的铝液汇集于电解槽槽底，而在阳极上析出二氧化碳和一氧化碳气体，铝液从电解槽中吸出，经过净化去除氢气、非金属和金属杂质并澄清后，铸成各种铝锭。霍尔埃鲁铝电解法的问世

4、是铝冶炼的一次革命性突破，铝生产从此步入大工业化生产。从此，生产成本逐年下降，产量大幅度上升，从而使铝能够迅速广泛应用于生产和生活的各个领域。1956 年全世界的铝产量开始超过铜跃居有色金属的首位，成为仅次于铁的第二大金属。2001 年全球原铝生产能力达2600万吨，产量超过2 450 万吨。2.2电解铝生产技术工业铝电解槽大体上可分为侧插阳极棒自焙槽、上插阳极棒自焙槽和预焙阳极槽三类。1923年世界首次开始使用侧插阳极棒自焙槽生产电解铝。这种生产工艺具有投资省、技术装备简单、建设周期短的特点，但也有烟气无法处理，污染环境严重，机械化困难，劳动强度大，不易大型化，单槽产量低等一些不易克服的缺点

5、。20世纪30年代后期，电解槽的电流强度上升到25 KA，直流电耗下降到2000025000kwh吨铝。到了50年代，普基铝业公司开发出上插阳极棒自焙槽，不但提高了电解槽机械化操作程度，而且烟气收集率也有较大提高。进入60年代，电解槽的电流强度从100KA发展到180KA，吨铝电耗进一步下降，达到14500kwh吨铝左右，而且劳动强度大为下降，生产效率大幅度提高。80年代对上插阳极棒自焙槽的改进又取得了新进展，电耗进一步下降到约13700kwh吨铝，但自焙槽固有的许多不足仍无法得到有效改善。小型预焙电解槽的问世，使电流下降到8KA以下，但直流电耗仍高达42000kwh吨铝。而随着大型预焙槽的研

6、制成功使电解槽的单槽产量大幅增加，既可自动化打壳与加料，也可用计算机进行自动化控制，特别是电解槽可在全密闭状态下进行操作，烟气收集率大于90，甚至可达99，粉尘排放等可满足当前最严格的环保法规要求。目前国际上约80的原铝是由预焙槽生产的，在运转的预焙阳极槽超过70种，一些大型的现代化电解铝企业都采用了中间加料的大型预焙槽，槽的电流强度达到了350KA。2.3中国电解铝的生产中国电解铝工业50年的发展历程大致可以分为三个阶段：第一阶段从中国第一家电解铝厂抚顺铝厂1952年4月开工建设到70年代末期，可以认为是中国电解铝工业的发展初期。1952年当抚顺铝厂一期工程开工建设时，其设计产能仅为年产1.

7、5万吨。1958年中共中央、国务院分布了关于大力发展铜铝工业的指示，铝被定为国民经济的第二大金属材料。从此，国家开始对铝工业的发展给予了巨大的政策支持和资金扶持，使中国铝电解工业开始走上了发展轨道。这一时期，兰州铝厂、包头铝厂、贵州铝厂、青铜峡铝厂、连城铝厂、郑州铝厂电解分厂等相继建成投产，初步形成了八大铝厂的生产格局。电解技术基本是以旁插和上插自焙阳极铝电解槽（HSS、VSS）工艺和设备为主，产量达到了36万吨。5060年代中国电解自焙槽主要缺点是电流效率低、能耗高、劳动生产力低，特别是电解槽密闭性能差，电解烟气中含有大量的沥青挥发物，对生产操作和环境污染影响极大。70年代中后期，我国自行设

8、计并建造了135KA中间下料预焙阳极铝电解槽系列。在1979年贵州铝厂扩建过程中，引进了日本当时还处于试验阶段的160KA中间下料预焙阳极电解槽技术。从此，中国电解铝工业的技术水平开始有了很大的提高。第二阶段从80年代改革开放到90年代初，是中国电解铝工业步入常规发展时期。1982年在国家“优先发展铝”的方针指导下，一些建于6070年代的铝厂开始纷纷进行改扩建，以提高生产规模和效率。如贵州铝厂与贵阳铝镁设计研究院合作开发了186KA 大容量、高效能预焙槽；包头铝厂兴建了135KA预焙槽系列；青海铝厂在吸收消化贵州铝厂技术的基础上建成了20万吨电解铝厂等。这一系列项目的相继建成，预示着中国铝工业

9、开始向规模化大生产方向发展。与此同时，在市场利益的驱动下，一些具有电力优势和铝土矿优势的地区也纷纷投资兴建了一批小型60KA自焙槽电解铝厂。这段时期，全国电解铝的产量由70年代末的36万吨发展到1992年的109万吨，使中国电解铝生产首次突破丁l00万吨大关。第三阶段从1992年到跨入新世纪，是中国电解铝工业步入世界铝工业生产大国阶段。这一阶段主要有四个特征：一是发展速度跃居世界前列。仅用10年时间，中国电解铝产量就从1992年的109万吨迅速发展到2001年的342.46万吨，形成了中国铝业公司、青铜峡铝业公司、兰州铝业公司、山东铝业公司、包头铝业公司、山西关铝公司、焦作万方铝业公司等为代表

10、的大型铝生产企业。全球排名从1991年的第六位跃居为2001年第二，成为世界生产大国，并首次由净进口国成为净出口国；二是技术趋于先进。近几年中国新建和改扩建的电解铝工程都采用200 KA以上的大型预焙槽，230KA、280KA、300KA 预焙槽型、干法净化、氧化铝自动下料和浓相输送、电解槽智能化控制等先进技术被广泛应用，2001年160KA以上电解槽产量超过150万吨，占全部产量的45左右，技术经济指标达到或接近国际水平；三是生产规模日趋扩大。截至2002年底，我国有131家电解铝厂，年生产能力达510万吨：其中年生产能力10万吨及以上企业为17家，合计产能255.7万吨，占全国产能的50.

11、1；年产能在510万吨（不含10万吨）的企业19家，合计产能113万吨，占全国产能的22。其中中铝公司2001年产量达69.58 万吨，占全国产量的20.3。采用大型预焙阳极电解槽的企业有16家，总生产能力218万吨；四是除国家重点铝厂迅速发展之外，以各种渠道集资筹办的地方铝厂（私人资本、中外合资、乡镇企业、地方国营等）发展更加迅猛。2.4保定铝厂铝电解生产工艺保定铝厂采用的电解技术是以上插自焙阳极铝电解槽（HSS、VSS）工艺和设备为主，其年产量达到40万吨。保定铝厂的生产过程采用冰晶石氧化铝融盐电解法。熔融冰晶石是溶剂，氧化铝作为溶质，以碳素体作为阳极，铝液作为阴极，通入强大的100kA直

12、流电后，在950970下，在电解槽内的两极上进行电化学反应，即电解。阳极产物主要是二氧化碳和一氧化碳气体，其中含有一定量的氟化氢等有害气体和固体粉尘。为保护环境和人类健康，需对阳极气体进行净化处理，除去有害气体和粉尘后排入大气。阴极产物是铝液，铝液从槽内抽出，送往铸造车间，在保温炉内经净化澄清后，浇铸成铝锭或直接加工成线坯、型材等。其生产工艺流程如下图2-1所示。图2-1保定铝厂铝电解工艺流程图现针对该厂其中一个铝电解生产系列进行介绍，该系列由48个电解槽串联而成，如图2-2所示。图2-2 保定铝厂某铝电解生产系列铝电解生产过程的相关量： 槽电压U：碳阳极的底面与铝液面之间的距离为槽距，槽距之

13、间的电压称为槽电压； 系列电压：第一个碳阳极与第48个碳阳极之间的电压； 系列电流I：所有槽电流为同一电流。保定铝厂铝电解生产过程如图2-3所示。该装置由电解槽、碳阳极、交流电机、直流电机、直流调速电机、传送带、料斗、料斗阀门等组成。其中直流电机控制传送带向料斗送料；直流调速电机控制料斗阀门，使料斗向电解槽以适当的速度添加氧化铝、氟化盐粉末。交流电机控制碳阳极的升降，进而控制槽电压（维持在4.2V左右）。图2-3铝电解生产过程图第三章 铝电解计算机控制系统总体方案设计3.1计算机控制系统的组成计算机控制系统由两大部分组成，即控制计算机和被控对象，如图3-1所示。控制计算机又由硬件和软件两部分组

14、成。3-1 计算机控制系统组成框图计算机控制系统硬件主要包括：过程通道、主机外部设备和自动化仪表等组成。如图3-2所示。过程通道是计算机控制过程的输入输出通道，输入通道有模拟量输入通道和数字量输入通道。通过它把生产过程中的各种参数和执行机构的运行状态，转换成计算机能够识别的二进制数码，并输入给计算机，以便计算机进行运算和处理；输出通道有模拟量输出通道和数字量输出通道，通过它，计算机把运行的结果及发出的各种控制命令转换成操作执行机构的控制信号，以便通过执行机构去控制生产过程。图3-2 计算机控制系统组成细框图“外部”设备是人机联系设备，通常由视频显示器、打印机、磁盘和键盘组成。通过它可把操作人员

15、的指令送给计算机执行，例如启动或停止操作、查询结果、修改程序等；并把生产过程的运行状态和计算机的运行状态报告给操作人员。工业自动化仪表包括检测仪表、显示仪表和执行器等。过程输入输出设备必须通过这些仪表才能与被控对象联系。“主机”是计算机控制系统的核心，其主要任务是：根据过程通道检测出来的生产过程相关参数和操作人员通过外部设备送来的控制信息，按照预先设定好的控制算法，通过运算和处理，然后向“外围”发出控制命令，向“外部”发出系统信息，以便完成对生产过程的控制和与操作人员的联系。计算机必须具备比较完善的程序系统（或称为软件），软件可分为系统软件和应用软件。系统软件包括操作系统、监控程序等，它带有一

16、定的通用性，由计算机制造厂或专业供应商提供。应用软件具有专用性，用它来实现生产过程的控制。用户根据需要，按照一定的控制算法和数学模型来编制应用程序。本设计主要针对过程通道中的输出通道。3.2集散控制系统计算机参与生产过程有各种不同的控制方案，计算机控制系统的类型可分为：计算机数据采集系统、直接数字控制系统、计算机监督系统、分级控制系统、集散控制系统、现场总线控制系统。本设计采用的是集散控制系统。20世纪70年代中期出现的集散控制系统（Distributed Control System），或称分布式控制系统，由若干微分处理器或微机分别承担部分任务，并通过高速数据通道把各个分散点的信息集中起来，

17、进行集中的监视和操作，并实现复杂的的控制和优化。如图3-3所示，即采用分散控制和集中管理的控制理念与网络化的控制结构，灵活地将控制设备、服务器、基础自动化单元等联系在一起。克服了常规仪表控制过于分散和人机联系困难的缺点。传统的DCS是专用网络系统，各生产厂家的产品不具有兼容性和互联性。但现代DCS的底层越来越多地应用于现代总线（Fieldbus）技术，与FCS（现场总线控制系统）融为一体。图3-3 DCS原理框图3.3 STDPC工业计算机STD总线1978年推出不久便被确立为国际标准。以STD总线为基础的工业控制机发展很快，国际上已有数百家生产厂，应用产品已超过50万套。我国的STD产品也已

18、形成规模，年销售额到1991年突破亿元大关，成为世界上第二生产大国。可见STD总线机很适合国内企业设备比较落后陈旧、资金短缺又急需改造的特点，而易被接受。STD总线具有以下特点： 价格低廉容易购置。 小巧玲珑便于安装。STD总线上的插件几何尺寸为宽11.4cm、长16.5cm，箱笼有8 槽、12槽、16槽等各种规格，携带安装都很方便。 STD总线机采用两套总线制。CPU板内部采用与各种微处理器统一的内部总线，而与外部连结采用STD总线，便于I/O及存储器的扩充。 适应工业恶劣环境。一般STD总线机的箱笼都有插件锁紧装置，可以防震抗震。机箱上可以安装通风电扇，可以有较宽的温度适应范围，有的产品可

19、以在40到85间正常工作。抗干扰能力获自三个方面：一是箱笼为金属制品，应用得当的话本身可具有抗电磁干扰能力；二是总线上地线宽度加大，条数增多，也可抑制干扰；三是线间距离较大，减少了信号间的相互干扰。 总线考虑周全，适用于工控环境。STD总线总共56条线，其中有地线4条，5V线两条，12V线各一条，数据线8条，地址线16条，其余为控制线和备用线。线间距离为3.175cm，比双列直插组件的标准间距2.54cm增加25%的宽度。 可以连接监视器、打印机、PC机，提高了应用的方便性。一般STD总线机都备有RS232通信口，通过这个口可以和PC机相连用来检查程序、调试程序等。 STD总线机的运行是以RO

20、M为基础，将CPU与I/O设备集成为一个系统以提供智能化的工业控制。程序的调出执行时间就是ROM的读出时间，感觉不到读外存中程序的那种等待时间，运行快实时性好，并且一加电就可以进入程序运行状态，操作极为简便。上述优点使STD总线成为具有高可靠性、高度灵活、价格低廉及应用方便的智能工业控制机，很适合小型化嵌入式控制系统。STD总线机也有它的局限性，除了控制生产过程外很难用来做些文件处理及管理方面的工作；也不能直接用来开发应用程序，需要在PC机和编程器的支持下才能进行，等等。STD总线工业PC机是美国首先推出的，近两年来国内也开始跟上来，出现了STDA、STD386、STDXT等各种产品，逐步把P

21、C机的大量功能同STD总线结合起来。开始，STD总线针对8位微型机定义了56个信号。随着技术的发展和应用的需求，经改进，STD总线采用复用技术使原定义的56个信号既可支持8位机又可支持16位机。尽管在后来STD总线发展为114个信号，甚至发展为可以支持32位的136个信号的STD总线标准，但国内大多还是采用56个信号的8位、16位兼容的STD总线，其信号定义如表3-1所示。表3-1 STD引脚定义元件面焊接面引脚信号方向及说明引脚信号方向及说明1VCCI，逻辑电源5 V2VCCI，逻辑电源5 V3GNDI，逻辑地4GNDI，逻辑地5VBB1/VBATI，偏置/电池6VBB2/DCPDI，偏置/

22、掉电电源7D3/A19I/O，数据/地址8D7/A23I/O，数据/地址9D2/A1810D6/A2211D1/A1712D5/A2113D0/A1614D4/A2015A7O，地址16A15/D1517A618A14/D1419A520A13/D1321A422A12/D1223A324A11/D1125A226A10/D1027A128A9/D929A030A8/D831I，写控制32RDO33I，I/O地址选择34MEMRQO35I/O，I/O控制36MEMEXI/O37O，刷新定时38MCSYNCO，CPU，39O，CPU状态40STATUSO，CPU41O，总线响应42BUSRQI，

23、总线要求43O，中断响应44INTRQI，中断请求45I，等待请求46NMIRQI，非屏蔽中断请求47O，系统复位48PBRESETI，按钮复位49CLOCKO，处理时钟50CNTRLI，辅助定时51PCOO，优先级链输出52PCII，优先级链输入53AUXGNDI，辅助地54AUXGNDI，辅助地55AUX+VI，辅助电源+12V56AUX-VI，辅助电源-12V3.4保定铝厂的计算机控制系统计算机控制技术的精确使用对铝电解生产过程影响较大，如电解质中氧化铝的浓度是否合理、有效的控制在有效区内（1.5%3%）、槽电压是否恒定在4.2V左右则完全由计算机控制。本设计采用集散控制系统，由于生产规

24、模较小，故采用两级控制系统。它将控制和管理分开，实现信息管理集中化而控制分散化的目标。上位管理机主要功能是接收下位控制机传送的数据，对数据进行处理，实时显示、存档备查和打印各种报表等，并设有故障诊断和报警功能。三台下位控制机采用小型化、模块化、组合化、可扩展、可维护性好和抗干扰能力强、可靠性高的STD工业控制机。其主要功能是实时采集系列电压、系列电流和电解槽工作电压等数据，根据电解槽不同的工作状态，采用不同的控制策略，使铝电解工作在最佳的工作状态，并对故障及时报警。其系统结构图如3-4，该系统对48个电解槽的生产进行控制，上位机对三台工控机进行管理，每个工控机控制16个电解槽的生产。图3-4

25、铝电解生产集散控制系统结果图现针对一台工控机设计控制系统。控制要求：控制交流电机进而控制碳阳极的升降，使槽电压恒定在4.2V左右。控制直流电机向料斗送料。控制直流调速电机进而控制料斗阀门，使电解槽中氧化铝粉末的浓度的恒定在适当值。对各种开关量的检测。包括：对交流电机状态的检测，如继电器触点状态、手动/自动控制、电机故障检测；料斗状态的检测。检测各种模拟信号，包括：系列电流、槽电压、系列电压。对病槽信号、阳极效应信号、系列电流异常信号、出铝信号的显示。如图3-2所示的各种信号统计。表3-2 各种信号量的统计输入开关量输入继电器触点状态手动/自动控制交流机故障检测料斗状态合计路数161616166

26、4A/D转换器系列电流槽电压系列电压电解槽氧化铝浓度路数116161649输出开关量输出病槽信号显示系列电流异常显示出铝信号阳极效应显示路数1616161664电机交流电机直流电机调速电机台数16161648根据控制要求和各种信号的统计便得系统总体方案设计，如图3-5所示。32路D/A转换器2块；32路开关量输出板2块；4路A/D转换器4块；直流电机控制板1块（每块板可控制16台直流电动机）；交流电机控制板2块（每块板可控制8台交流电机）；32路开关量输出板2块。图3-5 铝电解总体方案设计原理框图第四章 D/A转换模板4.1 D/A转换模板概述在计算机控制系统中，模拟量输出接口是实现控制输出

27、的关键，它的任务是把计算机输出的数字量信号转换成模拟电压或电流信号，以控制调节阀或控制相应的执行机构，达到计算机控制的目的。D/A转换模板一般由接口电路、控制电路、数/模转换器和电压/电流变换器等构成。其核心是数/模转换器，简称DAC。通常也把模拟量输出接口简称为D/A通道。 本设计的D/A转换器是控制直流调速电机的。4.1.1 D/A转换器位数的选择D/A转换器位数的选择取决于系统的输出精度，通常要比执行精度要求的最低分辨率高一位；另外还与使用对象有关，一般工业控制用812位，实验室用1416位。D/A转换器输出一般通过功率放大器推动执行机构。设执行机构的最大输出值为，灵敏度为，D/A转换器

28、的位数计算式如公式4-1所示。nlog（1+ U） 4-1即D/A转换器的输出应满足执行机构动态范围的要求。一般情况下，可选D/A位数小于或等于A/D的位数。4.1.2 D/A转换器模板的通用性为了方便使用，设计D/A转换模板应具有通用性，它主要体现在三个方面：符合总线标准，用户可选接口地址和输出方式。 符合总线标准：计算机采用内部总线结构，每块电路模板都应符合总线标准，以便组成完整的计算机系统。例如，用于工业PC的输入输出模板应符合工业标准体系结构（industry standard architecture，ISA）和外围部件互连（periheral component interconn

29、ection，PCI）总线标准。本设计采用STD总线。 可选接口地址：D/A转换器的接口地址由基址和片址组成，其中基址由用户选择。 可选输出方式：D/A转换器输出方式一般分为电流输出和电压输出两种，其中电流输出又分为010mA DC和4mA20mA DC两种，电压输出又分为单极性和双极性两种。4.1.3 D/A转换模板的设计原则要根据用户对D/A转换通道的技术要求，合理地选择通道结构，恰当地选择所需D/A转换器芯片及有关集成电路芯片，并根据它们的使用说明，正确的设计出符合各项技术的D/A转换电路。在设计中，一般没有复杂的电路参数计算，但需要掌握各类集成电路芯片的外特性及其功能，以及与D/A转换

30、模板连接的CPU或计算机总线的功能及其特点。在硬件设计的同时还必须考虑软件的设计，并充分利用CPU的软件资源。只有做到硬件与软件的和理结合，才能在较少硬件投资的情况下，设计出功能较强的D/A转换模板。D/A转换模板的设计原则是多种因素的综合，主要应考虑以下几点。 安全可靠性：尽量选用性能好的元器件，并采用光电隔离技术。 性能与经济的统一：一个好的设计不仅能体现在性能上达到预定的指标，还必须考虑设计的经济性。在选择集成电路芯片时，应综合考虑转换速度、精度、工作环境温度和经济性等诸因素。例如，一般集成电路芯片适用于070，CMOS集成电路芯片适用于-40+85，后者适用于恶劣的工作环境，抗干扰能力

31、强，但价格比前者高。 通用性：为了便于使用，D/A转换模板应符合总线标准，用户可选接口地址和输出方式。4.2 D/A转换板的设计D/A转换模板的设计步骤是，确定性能指标，设计电路，设计和制造电路板，焊接和调试电路板。首先按照设计原则和性能指标来设计电路和选择集成电路芯片。在设计电路板时，应注意数字电路和模拟电路分别排列走线。，尽量避免交叉，连线要尽量短。模拟地（AGND）和数字地（DGND）分别走线，通常在总线引脚附近接地。如果采用光电隔离，那么隔离前、后电源线和地线要独立。然后进行焊接，在焊接之前必须严格筛选元器件，并保证焊接质量。最后分布调试，一般先调数字电路部分，再调模拟电路部分，并按性

32、能指标逐项考核。图4-1 4路8位D/A转换原理框图图4-1是采用STD总线标准的4路D/A转换模板原理框图，其电路如图4-2所示，简要介绍如下,主要性能指标: 通道数：4路； 分辨率：8位； 输出方式：010mA DC或4mA20mA DC； 输出阻抗：010mA DC时，小于或等于1.2；4mA20mA DC时，小于或等于0.6 ; 转换时间：约50（其中光电耦合器延时8，D/A转换2，V/I转换约40）。该电路由数据缓冲器、控制电路、数据寄存器、控制寄存器、光电耦合器U、D/A转换器DAC0832和电压/电流变换器（V/I）等组成，如图4-1和图4-2所示。用户可根据需要通过开关来设置接

33、口基址（），当CPU传来的地址信号与之相符并且和均为低电平时，由控制电路产生片选信号。当=0、=0时，第一片DAC0832工作；当=0、=1时，第二片DAC0832工作；当 =1、=0时，第三片DAC0832工作；当=1、=1时，第四片DAC0832工作。CPU首先把D/A转换数存入据寄存器U（74LS273），再通过光电耦合器（TLP-521-4）分别为D/A转换器DAC0832提供被转换数据和控制信号。在D/A转换器后加有电压/电流转换器，由于D/A转换器的输出直接与被控对象相连，容易通过公共地线造成引入干扰，必须采取隔离措施。通常采用光电耦合器。利用光电耦合器的线性区可使D/A转换器的输

34、出电压经光电耦合器变成输出电流，既满足了光电隔离，又实现了电压/电流的变换。图4-2 4路8位D/A转换模板接线原理图4.3器件的选择与介绍4.3.1输入缓冲器输入缓冲器用来对外部输入信号器缓冲、暂存、和选通作用，CPU通过一定的端口地址和读信号来读缓冲器，以取得输入数据。本设计采用的是74LS244（三态八缓冲器/线驱动器/线接收器），74LS244由2组、每组四路输入、输出构成。每组有一个控制端，由控制端的高或低电平决定该组数据被接通还是断开。74LS244的内部结构如图4-3所示，真值表如表4-1所示。 图4-3 74LS244 内部结构图74LS244管脚功能：当、是H时，O为高阻抗；

35、当、为L时，I=O。表4-1 74LS244的真值表HXZHXZLHHLHHLLLLLL4.3.2反相器本设计采用74LS04（六反相器），图4-4为74LS04的逻辑图。表4-2是它的真值表。图4-4 74LS04逻辑图74LS04的逻辑表达式为Y=。表4-2 74LS04的真值表AYHLLH4.3.3 或门本设计采用 74LS32（四2输入或门）。如图4-5所示74LS32的逻辑图，和表4-3的真值表。74LS32的逻辑表达式：Y=图4-5 74LS32逻辑图表4-3 74LS32的真值表输入输出ABYLLLLHHHLHHHH4.3.4 译码器本设计采用74LS139（双2线4线译码器），

36、LS139 用于高性能的存贮译码或要求传输延迟时间短的数据传输系统，在高性能存贮器系统中，用这种译码器可以提高译码系统的效率。将快速赋能电路用于高速存贮器时，译码器的延迟时间和存贮器的赋能时间通常小于存贮器的典型存取时间，这就是说由肖特基钳位的系统译码器所引起的有效系统延迟可以忽略不计。LS139 含有两个单独的2 线4 线译码器，当赋能输入端G 为高电平时，按二进制控制输入码从4 个输出端中译出一个低电平输出。在解调器应用中，低电平有效的赋能输入端用作数据线。图4-6为74LS139的外引线排列图与逻辑图。 图4-6 74LS139的外引线排列图与逻辑图表4-4 74LS139的功能表输入输

37、出使能G选择BAHHHHHLLLLHHHLLHHLHHLHLHHLHLHHHHHL4.3.5 数值比较器本设计采用74LS688（8位数值比较器）。74LS688可对8位字码进行逐位比较；并且指示他们是否相等；当输出为低电平时表示两个八位字完全相等； 允许端可用来实现几块电路之间的级联，从而允许比较大于8位的字码。图4-7为74LS688的管脚图，功能表如4-5图所示。图4-7 74LS688的管脚图表4-5 74LS688的功能表输入输出数据允许P、Q、P=QLLLHPQLLHLPQLLHHHHHH4.3.6 寄存器本设计采用74LS273（8D型触发器）。74LS273是一种带清除功能的8

38、D触发器， 1D8D为数据输入端，1Q8Q为数据输出端，正脉冲触发，低电平清除，常用作8位地址锁存器。如图4-7和表4-6为74LS273的外引线排列图与功能表。图4-8 74LS273的外引线排列图表4-7 74LS273的功能表输入输出Q清除时钟DLXXLHHHHLLHLXQ04.3.7 光电耦合器由于输出设备往往需大电压或大电流来控制，而微型计算机系统输出的开关量大都位TTL（或CMOS）电平。许多外部设备，如大功率直流电机，接触器等在开关过程中会产生很强的电磁干扰信号，如不加隔离可能会使微机控制系统中造成误动作或损坏。最常用的是光电隔离器。本设计采用的是TLP-521-4（4光电耦合器

39、）。如图4-9所示的TLP-521-4的管脚图。 图4-9所示的TLP-521-4的管脚图它是由红外发光二极管和光敏三极管组成。当发光二极管由正向电流通过时，即产生人眼看不见的红外光，其红外光谱范围为7001000nm。光敏三极管接收到光以后便导通。而当电流撤去时，发光二极管熄灭，三极管截止。利用这种特性可达到开关控制的目的。由于该器件是通过电光电的转换来实现对输出设备进行控制，彼此间没有电气连接，因此起到光电隔离作用。4.3.8运算放大器本设计采用的是LF353（双JFET输入运算放大器）。其输入失调电压5mV；温度漂移10/；偏置电流50pA；增益带宽GB=4MHz；转换速率13V/us；

40、噪声16V（1kHz）；消耗电流1.8mA；18V；差模输入电压30V；共模输入电压15V；功耗500mW。其引脚图如图4-10所示。图4-10 LF353的引脚图4.3.9电压调整器本设计采用7910（三端固定输出电压调整器）。在此电路中做稳压作用，即输出电压恒定在-10V。其实物图如图4-11所示。 图4-12 7910实物图其电特性如表4-8所示。表4-8 7910电特性4.3.10 D/A转换器D/A转换器是将数字量转换成模拟量的原件或装置，其模拟量输出（电流或电压）与参考电压和二进制数成正比。常用的D/A转换器的分辨率有8位、10位、12位等，其结构大同小异，通常带有两级缓冲寄存器。

41、本设计采用DAC0832（8位D/A转换器）。DAC0832采用双缓冲方式，可以在输出的同时，采用下一个数据，从而提高转换速度；能够在多个转换器同时工作时，实现多通道D/A的同步转换输出，其主要技术指标如下：8位分辨率，电流输出，稳定时间为1；可双缓冲，单缓冲或直接数字输入；只需在满量程下调节其线性度；低功耗，20；逻辑电平与TTL兼容。DAC0832的内部结构如图4-13（a）所示，它主要由8位输入寄存器，8位DAC寄存器、采用R-2R电阻网络的8位D/A转换器、相应的选通控制逻辑四部分组成。DAC0832采用20脚双列直插式封装，如图4-13（b）所示。D0-D7是DAC0832数字输入端

42、；IOUT +IOUT2=常数C。在输入锁存允许ILE、片选有效时，写选通信号（负脉冲）能将输入数字D锁入8位输入寄存器。在传送控制有效条件下，（负脉冲）能将输入寄存器中的数据传送到DAC寄存器。数据送入DAC寄存器后1us（建立时间），IOUT1和IOUT2稳定。=1时，寄存器直通；=0时，寄存器所存。一般情况下，把和接地（此时DAC寄存器直通），ILE接+5V，总线上写信号作为，接口译码信号作为作为CS信号使DAC0832接为单缓冲方式，数据D写入输入寄存器即可变为其模拟输出。要求多个D/A同步工作（多个模拟输出同时改变）时，将DAC0832结尾双缓冲，此时，和分别受接口地址译码信号、I/

43、O端口信号驱动。RFB为反馈电阻，RFB=15欧。 （a） （b）图4-13 DAC0832的逻辑框图和引脚排列第五章 开关量输出模板5.1开关量的概念及种类可以用两种状态来表示的量称为开关量。在计算机控制系统中，除了模拟量的输入和输出以外，开关量的输入和输出显得同样重要。用它可以检测到过程状态。如开关的开断、触点的闭合以及设备的安全状况等。同样通过开关量的输出，可以实现一系列的逻辑控制功能，如开关的闭合，指示灯的亮灭、设备的启停等。开关量的种类按类型分有电平式、（高电平或低电平）和触点式（闭合或断开）两种。按电源分有有源（直接提供高低电平和无源（即提供物理触点或感应器件）两种。这个开关量输出

44、板可显示病槽信号、阳极效应、系列电流异常信号、出铝信号。一块板可显示8个电解槽相关信号。5.2开关量输出模板的设计图为采用STD总线标准的32路开关量输出模板的原理框图。 图5-1 32路开关量输出模板的原理框图该电路由数据缓冲器U1（74LS244）、接口地址选择电路U3（74LS688）、数据寄存器U4U7（74LS574）、光电耦合器U5U15（TLP521-4）及指示灯组成。其接线原理图如图5-2所示。用户可根据需要通过开关S1S8来设置基口地址（A2A9），当CPU送出的地址与所选的地址一致，且AEN有效时，U3输出端有效，如此时同样有效，则CPU对该开关量输出板操作，地址信号A0、

45、A1经译码器发送片选信号，决定其中的某一片74LS574工作。CPU数据缓冲器U1送出的数据锁入控制寄存器U4U7其中的一片，再经光电耦合器U8U15，驱动指示灯LED动作。当输出数字位为”0”状态时，光电耦合器中的发光二极管亮，光敏三极管驱动指示灯亮；反之，当输出数字位为”1”状态时，光电耦合器中的发光二极管灭，光敏三极管截止，指示灯灭。图5-2 32路开关量输出模板接线原理图5.3器件的选择及介绍数据缓冲器（74LS244）、数值比较器（74LS688）、数据寄存器（74LS574）、光电耦器（TLP521-4）在第四章已介绍，以下不再赘述。5.3.1译码器本设计译码器采用74LS138（3线8线译码器）。当一个选通端（G1）为高