阴电极电解毕业论文

第4章 电化学原理及应用 5课时 教学目标及基本要求 1. 明确原电池及相关的概念。了解电极的分类，了解电极电势的概念。 2. 能用能斯特方程式进行有关计算。能应用电极电势的数据判断氧化剂、还原剂的相对强弱及氧化还原反应自发进行的方向和程度。 3. 了解摩尔吉布斯自由能变与原电池电动势，标准摩尔吉布斯自由能变与氧化还原反应平衡常数的关系。 4. 了解电解、电镀、电抛光的基本原理，了解它们在工程上的应用。了解金属腐蚀及防护原理。 教学重点 1. 原电池符号的书写 2. 影响电极电势的因素 3. 电极电势与吉布斯的关系 4. 电极电势的应用 教学难点 1. 电极类型 2. 能斯特方程及相关计算 3. 应用电极电势判断氧化剂、还原剂的相对强弱 本章教学方式（手段）及教学过程中应注意的问题 本章采用多媒体结合板书的方式进行教学。 在教学过程中注意 1. 原电池的设计 2. 浓度、酸度对电极电势的影响 3. 电极电势的应用 主要教学内容 原电池（Electrochemical cell） 任何自发进行的氧化还原 (oxidation-reduction) 反应，只要设计适当，都可以设计成原电池 用以产生电流。 原电池的结构与工作原理 Zn(s)+Cu2+(aq)=Zn2+(aq)+Cu(s) 负极 Zn(s) → Zn2+(aq)+2e-(Oxidation) 正极 Cu 2+(aq)+2e-→ Cu(s) (Reduction) 总反应： Zn(s)+ Cu2+(aq) → Zn2+(aq)+ Cu(s) 原电池的符号（图式） (cell diagram) 表示 : 如铜 - 锌原电池 , : Zn ∣ ZnSO 4(c1) ┊┊ CuSO 4(c2) ∣ Cu 规定： (1) 负极 (anode) 在左边，正极 (Cathode) 在右边，按实际顺序从左至右依次排列出各个相的组成及相态; (2) 用单实竖线 表示相界面 , 用双虚竖线 表示盐桥; (3) 溶液注明浓度，气体注明分压; (4) 若溶液中含有两种离子参加电极反应, 可用逗号隔开，并加上惰性电极. 电极类型 按氧化态、还原态物质的状态分类： 第一类电极： 元素与含有这种元素离子的溶液一起构成的电极。 (1) 金属──金属离子电极： Zn 2+| Zn ；Cu 2+| Cu ；Ni 2+| Ni (2) 气体 —— 离子电极： H + |H2(g) | Pt 2H + + 2e-＝ H 2(g) Cl -| Cl2(g) | PtCl2(g) + 2e-＝2Cl - 第二类电极： (1) 金属──金属难溶盐电极： 甘汞电极： Cl -|Hg2Cl 2(s)| Hg Hg 2Cl 2(s) + 2e-＝ 2 Hg (s) + 2 Cl- 银－氯化银电极： Cl -| AgCl(s) | Ag AgCl(s) + e-＝ Ag (s) + Cl- (2) 金属──难溶金属氧化物电极： 锑 — 氧化锑电极： H ,H2O(g) | Sb2O 2(s) |Sb Sb 2O 2(s) + 6 H+ + 6 e-＝ 2Sb +3H2O(g) 第三类电极 : 氧化还原电极： MnO 4-，Mn 2+| Pt 2 MnO4-+ 16H+ + 10e-→ 2Mn2++8H2O 电极电势 + 双电层理论 原电池能够产生电流说明在电池的两个电极之间有电势差，构成原电池的两个电极各自具有不同的电势。 -Z+ M(s) - Ze --> M （aq ） 在金属表面与附近溶液间形成双电层，产生电势差。 每一个电极的电势称为电极电势 。 电极电势的测量 电极电势是强度性质。同时不能测定电极电势的绝对值，只能用电位差计测出两电极电势的差值。 通常选择标准氢电极作为比较的标准，规定标准氢电极电势为零。 标准氢电极的组成如图 将镀有铂黑的铂片浸入 c （H +）=的溶液中，通入压力为 100kPa 的纯氢气流，使氢气冲打铂片并建立平衡： 2H +（aq ）+2e-H 2（g ） 标准氢电极表示为： H +() │ H2(100kPa) │ Pt 并规定，标准氢电极电势恒为零。记为 ; =0V 测定其他电极的标准电极电势时，可将标准态的待测电极与标准氢电极组成原电池，测定原电池的电动势，即可确定电极的标准电极电势 E （电极） E Θ= E Θ( 正 )- E Θ( 负 ) 例 E θ(Cu2+/ Cu ) 的测量 Pt|H2(g, 105Pa)|H+()|| Cu2+()|Cu 测出 E θ＝ Θ E ＝ E (Cu/ Cu ) － E (H/ H2) E (Cu/ Cu ) ＝ E ＋ E (H/ H2) ＝ － 0 ＝ ( 电极电势的测定 ) θ 2+ θ θ + θθ2+θ+ 由于氢标准电极携带不便，常用饱和甘汞电极来代替。饱和甘汞电极由糊状的 Hg 2Cl 2和 KCl 饱和溶液组成。表示为 Cl -( 饱和 )| Hg2Cl 2(s)|Hg 电极反应 : Hg2Cl 2 (s)+2e-2Hg+2Cl 时 E{ Hg2Cl 2 (s)/Hg }= 附表 11 列出了标准电极电势 电极电势的影响因素 （1） Nernst 方程式 非标准状态下的电极电势不仅与电极自身的组成有关，还与所处的条件有关 ( 温度，浓度 , pH 值等 ). 电极反应通式： aO+ze-bR 热力学研究表明 , 非标准态下的电极电势为 : - E (electrode) = E -1 -1 (electrode) + () R= ; T-K; z- 电极反应中电子的化学计量数 ; F= 96485C .mol 简化式 : -1 E( 电极 )= E ( 电极 )+ () 应用 Nernst 方程式应注意： 1）浓度以化学计量数为指数 2）纯 l 、 s 物质的浓度不列入方程中： 例： Cu （s ） +2Ag+(aq)=2Ag(s)+Cu2+ (aq) 3） 气体用相对分压 ， 浓度用相对浓度 - 例： O 2(g)+2H2O(l)+4e←→4OH 4） 有 H 或 OH 参与反应，应列入 Nernst 方程中 MnO 4-/Mn2+电对 MnO 4 (aq)+8H(aq)+5e←→Mn(aq)+4H2 O(l) -+ 2+ + - 5） E （ O/R ）的 值与电极反应方程式书写无关 例，计算 OH -浓度为 ·dm -3时，氧的电极电势 [P(O2)=100Kpa T=] 解： O 2(g)+2H2O(l)+4e←→4OH- (aq) =·dm -3时 = = 电极反应写成： 1/2 O2(g)+H2O(l)+2e=2OH- (aq) 从上可知， 电极电势 与反应式书写无关 （2） Nernst 方程式讨论： • c(O) ——氧化态一侧各物质浓度的乘积 c(R ) ——还原态一侧各物质浓度的乘积 • 固体、纯液体（ H 2O ）不列入方程式中 • • • • 改变物质的浓度可以改变电极电势的大小 电极物质自身浓度发生变化 溶液的酸度发生变化 生成沉淀使电极物质浓度发生变化 • 生成配合物使电极物质浓度发生变化 例 计算 Cr 2O 72-/Cr3+电对在 pH=1 和 pH=6 是的电极电势。 时，设 c(Cr2O 7)=c (Cr) 1mol·dm 。 2-+3+ 解： Cr 2O 7+14H+6e-= 2Cr+ 7H2O 2-3+ -3 E(Cr2O 7/Cr) = E(Cr2O 7/Cr) + () lg= () lg {c( H+) /cθ} 14 = － 当 pH=1 时， E(Cr2O 72-/Cr3+) ＝ 当 pH=6 时， E(Cr2O 7/Cr) ＝ 可见：含氧酸及含氧酸盐的电极电势极大地受酸度的影响。 电动势电极电势 E 与 的关系 ) 等于原电池可做的最大功 W max. 2-3+ 2-3+θ2-3+ 在等温等压下，吉布斯自由能的减小 (- - 即 : = W max =QE=z () FE () 若过程处于标准状态，则 , 电极电势的应用 （1）比较氧化剂和还原剂的相对强弱 . () 越小， Re 还原强 若 Ox/Re 在标态下： 越大， Ox 氧化性强 /V 电极反应 例：电对 标准电极电势 Sn 4+/Sn2++ Sn4++2e←→Sn2+ Cu 2+/ Cu + Cu2++2e←→Cu Fe 3+/Fe2++ Fe3++e←→Fe2+ 最大 Fe 3+是最强氧化剂 最小 Sn 2+是最强还原剂 •判断反应发生的方向 任一反应判据：ΔG 而 ΔG = - zFE ≤ 0 而 z > 0 F > 0 反应自发性的判据为： E > 0 自发 即： E （正） > E（负） 反应自发 例： pH= 介质中判断下列反应进行的方向 2MnO 4-(aq)+16H+(aq)+10Cl-(aq) = 2Mn2+(aq)+5Cl2(g)+8H2O(l) 解：已知： = + 假设其反应正向进行，则 Cl 2/Cl作负极， MnO 4/Mn为正极 MnO 4-+8H+(aq)+5e = Mn2++4H2 O(l) --2+ = + 故 Cl 2/Cl-应为正极； 所以，反应逆向进行 • 氧化还原进行程度的判断 () 例：由标准钴电极与标准氯电极组成原电池测得其电动势为 . 此时钴电极为负极。已知 = 问 （1） =? （2） 反应方向 . （3） =? （4） 当 [Co2+]= mol·dm -3时 E= ？ 解： Co+Cl2==Co2++ 2Cl- • = – 如 E （+） > E （-） 则反应 自发 而 (3) (正 ) = > （负） = – ∴ 正向自发 (4) = 化学电源 干电池 （1）锌锰干电池 负极： 锌片（锌皮） 正极： MnO 2、石墨棒（碳棒） 电解质： NH 4Cl 、 ZnCl 2、淀粉 电极反应 负极： Zn - 2e-= Zn 正极： MnO 2+ 2 NH4+ +2e-→ Mn2O 3+ 2NH3+ H2O 总反应： Zn + MnO2+ 2 NH4+→ Zn2++ Mn2O 3+ 2NH3+H2O 电池符号 Zn │ ZnCl2、 NH 4Cl │ MnO2， C 碱性锌锰电池： Zn │ ZnCl2、 KOH │ MnO2， C 电压： （2） 锌汞电池 负极： Zn （汞齐） 正极： HgO 、碳粉 电解质： 饱和 ZnO 、 KOH 糊状物 电极反应 负极： Zn (汞齐) + 2 OH→ ZnO + H2O + 2e 正极： HgO + H2O +2e-→ Hg +2OH- 总反应： Zn (汞齐) + HgO → ZnO + Hg 电池符号： Zn (汞齐) │ KOH ( 糊状，含饱和 ZnO) │ HgO （C ） 电压： 蓄电池 铅蓄电池 负极： Pb-Sb 格板中填充海绵状 Pb 正极： Pb-Sb 格板的孔穴中填充 PbO2 电解质：稀硫酸（30% 密度： .cm-3） --2+ 放电时的电极反应 负极 (Pb 极 ) ： Pb + SO4 = PbSO4+ 2e( 氧化 ) 正极（PbO 2极）： PbO 2+ 4H++ SO42- + 2e-= PbSO4+ 2H2O （还原） 总反应： PbO 2+ Pb + 2H2SO 4= 2 PbSO4+ 2H2O 充电时的电极反应 负极 (Pb 极 ) ： PbSO 4+ 2e-= Pb + SO42- 正极（PbO 2极）： PbSO 4+ 2H2O = PbO2+ 4H+ + SO42- + 2e- 2-- 总反应： 2 PbSO4+ 2H2O = PbO2+ Pb + 2H2SO 4 电动势： 新型燃料电池和高能电池 • 燃料电池 还原剂（燃料）： H 2联氨（ NH 2-NH 2） CH 3OH CH 4—— 负极 氧化剂 ： O 2空气 —— 正极 电极材料： 多孔碳、多孔镍， Pt Pd Ag 等贵金属（催化剂） 电解质： 碱性、酸性、固体电解质、高分子等 碱性氢 — 氧燃料电池 负极（燃料极） —— 多孔碳或多孔镍（吸附H 2） 正极（空气极） —— 多孔性银或碳电极（吸附O 2） 电解液 ——30%KOH 溶液，置于正负极之间。 电池符号： （C ） Ni │ H2│ KOH (30%) │ O2│ Ag (C) 电池反应： 负极 2H 2+ 4OH-= 4H2O + 4e-（氧化） 正极 O 2+ 2H2O + 4e-= 4OH-（还原） 总反应 2H 2+ O2= 2H2O 电动势： (2) 高能电池 —— 具有高―比能量‖和高―比功率‖的电池 比能量、比功率 —— 按电池的单位质量或单位体积计算的电池所能提供的电能和功率。 锂电池 E Θ ( Li + /Li ) = Li —MnO 2非水电解质电池 ： 负极 —— 片状金属 Li 正极 ——MnO 2 电解质 ——LiClO 4+ 混合有机溶剂（碳酸丙烯脂 + 二甲氧基乙烷） 隔膜 —— 聚丙烯 电池符号： Li │ LiClO4│ MnO2│ C 电池反应： 负极 Li = Li+ e 正极 MnO 2+ Li++ e-= LiMnO2 总反应 Li + MnO2= LiMnO2 电池的电动势： 电解 + - 电解现象 将直流电通过电解液使电极上发生氧化还原反应的过程叫电解。借助电流引起化学变化，将电能转变为化学能的装置，叫做电解池。电解池中与外界电源的负极相接的极叫做阴极，和外界电源正极相接的极叫做阳极，电子从电源负极流出，进入电解池的阴极，经电解质，由电解池的阳极流回电源的正极。在电解中正离子向阴极移动，负离子向阳 极移动，阴极上发生还原反应，阳极上发生氧化反应。 电解池是把电能转变成化学能的装置。 非自发 ： Cu +2Cl =Cu(s)+Cl2 (q) = kJ·mol -1 >>0 • 分解电压 分解电压——使电解顺利进行所必需的最小外加电压。 产生分解电压的原因： 在电解过程进行时 , 电极上产物与电解池溶液组成原电池 , 其电动势与外加电源的电势方向相反 , 这种电动势称为反电动势。 例如 , 用 Pt 作惰性导体电解 ·dm -3 NaOH 溶液，阳极上析出 O 2 , 阴极上析出氢， O 2 和 H 2 组成电池 : Pt ︱ H 2 (g) ︱ NaOH(·dm -3 ) ︱ O 2(g) ︱ Pt 电池的电动势与工作电池的电动势 E w 正相反。 正极： 2H 2 O + O2 ((g) + 4e = 4OH 负极： 2H 2 = H+ ＋ 4e - 电池反应： 2H 2 (g) + O2(g) =2 H2 O 理论分解电压的计算 理论上，分解电压应等于电解池两极的反电动势，故称理论分解电压 E 理分 。 E(+)=E (O2 /OH- ) = Eθ(O2 /OH- ) +() lg(P(O2 )/ Pθ)/ {c( OH- )/cθ}4 = () lg(1 / )4 = E(－)=E (H+/ H2 ) = Eθ(H+/ H2 ) +() lg{c(H+)/cθ} 4 /{( P(O2 )/ Pθ)} 2 -134 = 0+ () lg(10 ) = －0 .77V E 理分 ＝ E(+) － E(－) ＝ -()= • 超电势 某一电流密度下的电极电势与平衡电势之差的绝对值称该电极的超电势，有时也叫超电压，符号 η 。 阳极超电势 η (阳)=E(阳) ﹣ E(阳, 平) 阴极超电势 η( 阴 )=E(阴 , 平) ﹣ E(阴 ) --2+ - 根据产生超电势的原因不同，超电势又分浓差超电势，化学超电势，电阻超电势等等。 浓差极化 发生电极反应时，电极表面附近溶液浓度与主体溶液浓度不同所产生的现象称为极化。 可通过增大电极面积，减小电流密度，提高溶液温度，加速搅拌来减小浓差极化。 电化学极化 主要由电极反应动力学因素决定。由于分步进行的反应速度由最慢的反应所决定，即克服活化能要求外加电压比可逆电动势更大反应才能发生。 电镀 电镀是应用电解的原理将一种金属镀到另一种金属表面的过程。 阴极——被镀件（铜棒） 电镀 阳极——镀层金属（Zn 片） 电解液——含有欲镀金属的盐溶液。（一般不选用简单离子的盐溶液，会使镀层粗糙、厚薄不匀。） 以镀锌为例，电镀液为： ZnO ＋ NaOH ＋添加剂 ZnO ＋ NaOH ＋ H 2O=Na2 [Zn(OH)4 ] [Zn(OH)4]2-= Zn2+ ＋ 4OH - 配离子的形成，降低了 Zn 2+ 的浓度，使金属锌在镀件上析出的过程中有了一个适宜的速率，可得到紧密光滑的镀层。两极的主要反应为： 阴极： Zn ＋ 2e = Zn 阳极： Zn － 2e = Zn2+ 电抛光及电解加工 • 电抛光： 电抛光是金属表面精加工的方法之一。 原理：在电解过程中，利用金属表面上凸出部分的溶解速率大于金属表面凹入部分的溶解速率，从而使金属表面平滑光亮。 阴极——铅板 电抛光 阳极——欲抛光工件（钢铁） 2+ 电解液：磷酸＋硫酸＋铬酐（CrO 3） 电抛光时铁因氧化而发生溶解 阳极： Fe － 2e = Fe2+ 产生的 Fe 与溶液中的 Cr 2O 7发生氧化 - 还原反应： 6Fe 2+ ＋ Cr 2O 72-＋ 14H + = 6Fe3+ ＋ 2Cr 3+ ＋ 7H 2 O Fe 3+ 又进一步与溶液中的 HPO 42- 、 SO 42- 形成 Fe 2 (HPO4) 3和 Fe 2 (SO4) 3，由于阳极附近盐浓度不断增加，在金属表面形成一种粘性薄膜，且分布不均匀。凸起部分薄膜较薄，凹入部分薄膜较厚，因而阳极表面各处的电阻有所不同，凸起部分电阻较小，电流密度较大；这2+2- 样就使凸起部分比凹入部分溶解得快，于是粗糙的平面逐渐得以平整。 阴极主要反应： Cr 2O 7＋ 14H ＋ 6e = 2Cr ＋ 7H 2 O 2H + +2e- = H2 2-+-3+ （ 2 ）电解加工：利用电解方法，使作为阳极的金属材料在电解过程中部分区域适当溶解，让其几何形状满足预定的要求。特点两极间距较小。 电化学课件动画（ 电解加工） 阳极氧化 阳极氧化过程的应用： 装饰、修饰、防腐 阳极氧化膜的特点： 厚度均匀、结合牢 阳极： 2Al + 6OH- =Al2O 3 + H2O + 6e- 4OH - = 2H2 O + O2 (g) + 4e- 阴极： 2H + ＋ 2e - = H2 金属腐蚀与防护 化学腐蚀与电化学腐蚀 • 化学腐蚀 由金属与介质直接起化学反应而造成的腐蚀称为化学腐蚀。 影响化学腐蚀的因素有：温度、压力等。 • 电化学腐蚀 由于电化学作用而引起的腐蚀称为电化学腐蚀。 1) 析氢腐蚀 析氢——在 酸性介质中，腐蚀过程中有 H 2析出。 以钢铁的析氢腐蚀为例： 电化学反应为：阳极（Fe ）： Fe － 2e = Fe2+ Fe + OH = Fe(OH)2 阴极（杂质）： 2H + +2e- = H2 总反应： Fe ＋ 2H 2O = Fe(OH)2＋ H 2 电化学课件动画 （ 析氢腐蚀） 2) 吸氧腐蚀 吸氧——在中性及弱酸性介质中，由于溶解氧的作用而引起的腐蚀。 电化学反应为：阳极（Fe ）： 2Fe － 4e = 2Fe2+ 阴极（杂质）： O 2(g)+2H2O(l)+4e = 4OH (aq) 总反应： 2Fe+ O2(g)+2H2O = 2Fe(OH)2 例：在铁钉中部紧绕铜丝，放在含有 K 3[Fe(CN)6] 和酚酞的胨胶中，形成腐蚀电池。其中铜丝为 阴 极，其电极反应为 O 2(g)+2H2O(l)+4e = 4OH- (aq) （吸氧），故铜丝附近显 红 色；铁钉为 阳 极，其电极反应为 Fe －2e = Fe 2+ ，铁钉附近显兰绿色，这是由于生成了 Fe 3[Fe(CN)6]2。 电化学课件动画 （ 吸氧腐蚀） 3) 氧浓差腐蚀 由于在不同部位 O 2浓度差而引起的腐蚀。 当金属插入水或泥沙中时，由于与含 O 2量不同的液体接触，各部分电极的 E （电极）不一样， O 2电极的 E （电极）与 O 2的分压有关。 由电极反应方程式： O 2(g)+2H2O(l)+4e = 4OH(aq) 在溶液中，O 2浓度小的地方，E （O 2/OH-）小，成为阳极，金属发生氧化而溶解腐蚀；O 2浓度大的地方，E （O 2/OH-）大，成为阴极，却不会被腐蚀； 图片 4) 生物腐蚀 由于细菌及藻类、贝壳等生物体的活动和新陈代谢而引起的对金属的腐蚀破坏。 与土壤、天然水、海水、石油产品等接触的金属容易发生。 由于生物体摄取食物而加速金属的腐蚀。 生物体的新陈代谢加速金属的腐蚀。 由于生物体耗氧而引起差异充气腐蚀 金属腐蚀的防护 选择恰当的金属材料： 覆盖保护层法： 在金属表面覆盖一层保护层，以断绝金属与外界物质接触，达到耐腐蚀的效果。（油脂、油漆、搪瓷、塑料、电镀金属、氧化成致密的氧化膜） 阴极保护法： 牺牲阳极方法 外加阴极电流 缓蚀剂： 无机缓蚀剂——中性，碱性介质（重铬酸盐） 有机缓蚀剂——酸性介质中（乌洛托品） 作业 :P109-111 1, （3），4, 7, 9, 11 - -2+-

粘胶纤维生产废水治理的改进工艺摘要：粘胶纤维生产废水的污染物质主要有酸、碱、锌离子、硫化物、COD等。通常采用的方法是酸、碱废水混合曝气吹脱除硫化物，加石灰乳中和沉淀除锌的一级物化处理，但很难达到排放标准，主要是锌和COD超标。当增设二级生化处理后，可全面提高出水水质，使COD等各项指标达到国家一级排放标准。介绍了物化-生化两级处理粘胶纤维生产废水的工艺流程、主要构筑物(设备)及设计参数、工艺的优越性、存在问题和建议等。在常规的物化+生化处理工艺的基础上引入浅层气浮和铁碳过滤的粘胶纤维生产废水治理的新工艺，并阐释了其工艺原理。中试结果表明：该工艺特别适合该项废水的治理，处理后的出水水质能稳定地达到国家一级排放标准。关键词：粘胶纤维废水；浅层气浮；铁碳过滤；新工艺Abstract:Wastewaters of viscose fiber production containing acid, alkali, Zn ion, sulfides and COD are usually treated by primary treatment including mixing of acid and alkali discharges, aerated stripping to remove sulfides, liming neutralization and sedimentation for Zn removal. The effluent of primary treatment with higher Zn and COD residues will not be enough to meet the discharge standard. The situation will be improved by further secondary biological treatment, the COD and other indicators of the secondary effluent shall be quite fair to meet the requirement of class I of the national discharge standard. In this paper the full two-stage treatment scheme of physical and biological treatment processes including the main structures (facilities), design parameters, the advantages, problems and recommendations are presented. Engineering Design and Performance Analysis of High Concentration new treatment process of shallow air-floatation and Fe-C filtration based on the traditional process of physicochemical and biological treatment is introduced to treat the wastewater from viscose fiber principle of the process is pilot-scale experiments were carried out,the results showed that the new process is very suitable for treatment of the wastewater from viscose fiber production,and the effluent quality can steadily meet the requirementof national integrated wastewater discharge standards : viscose fiber wastewater;shallow air-floatation;Fe-C filtration;new process引言：随着水污染的日益严重，资源短缺日益成为当今经济和社会发展的制约因素，通过污水资源化途径实现大部分水的循环再用，这是解决水资源短缺的必由之路。为了克服常规处理工艺的不足，满足不断提高的废水的排放标准，对常规处理工艺出水在进行深度净化将成为以后的选择之一。物化+生化两级处理粘胶纤维生产废水的工艺目前已作为废水深度净化的一个重要途径而被水工业界重视。目前，全世界粘胶纤维产量占化纤总产量的1/3左右，我国粘胶纤维年产达几十万吨，是主要的化纤品种。粘胶纤维的生产过程中会产生大量的酸、碱废水，其直接排放将造成严重的水污染和大量纤维资源的流失浪费。由于粘胶纤维生产混合废水的酸性很强且富含锌盐和硫化物，治理难度较大，采用常规的物化+生化治理工艺存在运行效果不够稳定、占地面积大和投资高等问题，急需研究开发既可靠又经济的治理新工艺。1.粘胶纤维生产废水概况 废水来源粘胶纤维生产废水主要包括酸性和碱性废水两大类，其中酸性废水主要来源于纺丝车间和酸站，包括塑化浴溢流水、洗纺丝机水、酸站过滤器洗涤水、洗丝水和后处理酸洗水等；碱性废水主要来源于碱站排水、原液车间废水胶槽及设备洗涤水、滤布洗涤水、换喷丝头时的带出水和后处理的脱硫废水等。〔1〕 废水水量及特征污染物粘胶纤维生产过程中废水排放总量大致为：短纤维300m3/t，长纤维1200m3/t。粘胶纤维生产混合废水中的特征污染物为硫酸、硫化物、锌盐和纤维素。其中硫酸、硫化物(主要是H2S、CS2等)和锌盐污染主要来自粘胶成形工段废水，且锌盐主要以硫酸锌和纤维素磺酸锌的形式存在；纤维素主要是由于碱性废水中的粘胶纤维素与酸性废水混合后酸析而产生。2.粘胶纤维生产废水的常规治理工艺 一级物化处理目前，国内粘胶纤维生产废水的一级物化处理工艺普遍采用如图1所示的流程。粘胶纤维生产过程中产生的酸性废水和碱性废水经混合中和、曝气吹脱硫化物、加石灰乳除锌和沉淀澄清后，出水很难达到国家排放标准，尤其是废水的S2-、Zn2+和COD等不易达标。 存在的问题：（1）废水经混合后酸性仍较强(pH＝2～3)，此时原废水中的粘胶纤维素大量地被酸析出来，而纤维素体积质量小，以常规的沉淀方式难以彻底去除，从而影响出水水质，造成COD超标和资源的流失浪费。（2）该工艺主要通过曝气吹脱方式去除硫化物(如H2S、CS2等)，但受到诸多因素的影响，吹脱效率不是很高，出水常会出现S2-超标的现象。（3）在加石灰乳除锌的沉淀过程中，由于其沉淀反应的最佳pH值范围较窄(pH＝8～9)，反应条件难于控制，加上人工投药，出水常出现Zn2+超标的现象。（4） 由于混合废水的pH值较低，要达到后续的沉淀反应条件需投加大量的石灰乳液，这一则增加了运行费用，二则产生的大量石灰渣增加了后续沉淀池的负荷，从而也增加了整个治理过程中的污泥处理量和处置难度。 二级生化处理 为全面提高粘胶纤维生产废水治理后的出水水质，达到国家一级排放标准，丹东化纤厂和山东高密化纤厂在国内率先采用了在一级物化处理的基础上再加活性污泥二级生化处理工艺(如图2所示)。 粘胶纤维生产废水经一级物化处理后，一些主要污染物(如COD、SO2-4、Zn2+和硫化物等)有相当一部分被去除，再经后续的活性污泥二级生化处理，使得废水中BOD5、COD等得以进一步去除，正常运行时出水可达国家一级排放标准。稳定运行90d后，由环境监测中心站进行验收监测，监测数据见表1。表1废水处理站进出水监测结果（mg/L） pH COD BOD5 进水 出水 进水 出水 进水 出水9月3日 291 278 295 292 月4日 248 261 238 250 总均值 — — 269 出口执行标准 — 6～9 — 100 — 20处理效率（%） 评价结果 达标 达标 达标存在的问题：（1）由于仅是在物化处理的基础上增加了一道活性污泥生化处理工艺，故原物化处理过程中的一些问题(如资源的流失浪费、运行费用高、泥量大)仍然存在。（2）由于前面物化处理过程的自动化控制程度不高，运行效果不稳定，使得一级处理后的出水时常出现SO2-4、Zn2+超标的现象，而通常当SO2-4＞1000mg/L或Zn2+＞20mg/L时，微生物的生长会受到明显抑制，这大大影响了后续生化处理的效率。（3） 由于前面物化处理过程对COD的去除效率不高，使得废水中酸析出的大量轻质纤维素进入后续的活性污泥生化处理时，污染负荷较大，活性污泥质量不高，需要较长的停留时间(～ h)，这使整个基建投资和运行成本较高，占地面积也较大。3.粘胶纤维生产废水处理后的改进 改进工艺及中试效果根据目前国内粘胶纤维生产废水治理工艺存在的一些不足，结合该废水的实际水质水量情况，通过中试试验研究，提出了在常规的物化+生化处理工艺的基础上增添浅层气浮+铁屑过滤的改进新工艺(如图3所示)。 主要工艺原理（1） 浅层气浮工艺原水从气浮池中心的旋转进水管进水，通过旋转布水管布水，布水管的移动速度和进水流速相同，这样就产生了“零速度”，在这种状态下进水不会对池水产生扰动，使得颗粒的悬浮和沉降都在一相对静止的状态下进行，且这类气浮装置的池深一般不超过650 mm。正是依据“零速理论”和“浅池理论”，使得该装置的进水停留时间短(仅3～5min)，表面负荷高达～12m3/(m2•h)，悬浮物的去除效率可达85%以上。（2）铁屑过滤工艺铁屑过滤系统是用废铁屑经预处理和活化后作填料，利用其产生的电化学反应的氧化还原、电附集、催化、混凝、吸附过滤等综合效应达到处理效果〔2〕，其中主要作用是氧化还原和电附集。废铁屑的主要成分是铁和碳，当将其浸入电解质溶液中时，由于铁和碳之间存在的电极电位差，因而会形成无数的微电池系统，在其作用空间构成一个电场〔3〕，其电极反应如下： 阳极 Fe¬¬¬—2e－→Fe2+ 阴极 2H+＋2 e－→2〔H〕→H2↑ O2+4H++4 e－→2H2O O2+2H2O+4 e－→4OH-阳极反应生成大量的Fe2+进入废水，形成具有较高吸附絮凝活性的絮凝剂；阴极反应产生大量新生态的H•，在偏酸性的条件下，新生态的H•能与废水中的许多组分发生氧化还原反应，使有机大分子发生断链降解，提高废水的可生化性，且阴极反应消耗了大量的H+生成了大量的OH-，这使得废水的pH值也有所提高。 工艺说明（1）粘胶纤维生产中产生的酸性和碱性废水按配比混合至pH＝2～3后进入吹脱反应池，酸析出大量呈悬浮状的粘胶纤维素，大部分H2S、CS2等成分也得以吹脱去除。（2）吹脱反应池出水进入浅层气浮，大量纤维素得以较为彻底的去除并回收，这既降低了后续处理的污染负荷，也实现了粘胶纤维素的资源回收。[4]（3）气浮池出水经铁屑过滤产生了氧化还原和电附集作用，废水中的主要污染物(纤维素磺酸锌)发生了断链脱锌反应，利于后续处理对Zn2+的彻底沉淀去除，废水的pH值和可生化性均得到了提高(pH＝5～6)，大大减少了后续中和沉淀的投碱量和污泥产量，也有利于生化处理过程。与此同时，该过程产生的大量Fe2+既可兼作絮凝剂，使后续沉淀过程中不必外加絮凝剂，又可使废水中残留的S2-以FeS沉淀的方式得以彻底去除。（4） 铁屑过滤塔出水进入曲颈槽与电石乳液(代替石灰乳，节省药剂费用)充分混合反应，然后进入初沉池沉淀。通过pH值自动控制投药系统的控制，反应pH值控制在8～，此时废水中的Zn2+被彻底沉淀去除，废水中的绝大部分Fe2+也得到沉淀去除。经铁屑塔处理后的废水，沉淀性能好(仅需～即可完全沉淀下来)，大大减少了沉淀池的池容；另外，出水中含有的极少量Fe2+，它是生物氧化酶的重要组成部分，同时在Fe2+→←Fe3+的过程中，电子传递对生化反应有刺激作用，从而使生化反应速度有所提高。（5） 初沉后的出水进入好氧池进行生物处理，由于废水的可生化性得到了提高，使废水中残余的COD、BOD5能在很短时间内得到进一步的降解去除，出水再经二沉池沉淀后达标排放。（6）初沉池和二沉池中的污泥，先经污泥泵泵入污泥浓缩池浓缩，再经脱水机脱水(因纤维素含量少，其脱水性能好)，产生的泥饼外运，浓缩池的上清液回流至好氧池进行生化处理。 治理效果 在南平天元化纤厂现场进行了粘胶纤维废水的中试，原水水质情况见表2。表2粘胶纤维废水水质 碱性和酸性废水按1∶混合，经处理后出水水质能达到国家一级排放标准。试验结果见表3。表3粘胶纤维废水处理中试结果 ① 经浅层气浮后的出水，其COD含量能降至250mg/L，COD的去除率能达到以上的水平，这充分说明了浅层气浮在本工艺中运用的合理性和优越性。[5]② 废水在铁屑过滤塔中反应，停留30min左右后，出水Zn2+的含量＜，硫化物的含量＜，这充分说明了铁屑过滤完全满足本工艺对Zn2+和硫化物的治理要求。4 .结论通过改进工艺的中试研究，可得出以下结论：（1） 采用改进工艺处理粘胶纤维生产废水切实经济可行，出水水质能稳定地达到国家一级排放标准，且能回收纤维素资源，值得在实践中推广应用。[6]（2）实践证明：浅层气浮和铁屑过滤在粘胶纤维生产废水治理过程中的运用是合理、先进的，彻底解决了常规处理中时常会出现的COD、Zn2+和S2-等超标的问题。（3） 结合粘胶纤维生产废水的实际水质情况，充分发挥浅层气浮和铁屑过滤的特点和优势，整个工程投资和占地面积较常规方法均能节省1/3左右，也无需另外投加絮凝剂，用电石乳废液代替石灰乳使投加量大为减少，故投药费用也能节省近2/3。（4）采用改进工艺能使处理过程中产生的污泥量大为减少，大大降低了污泥的处置费用和难度。（5）改进工艺设施操作简单方便、运行可靠、自动化程度较高。（6）对粘胶纤维厂现有的物化+生化治理设施，利用本改进工艺能很容易地实现技术改造。参考文献：〔1〕罗院生.物化—生化法两级处理粘胶纤维厂酸碱废水工艺设计〔J〕.给水排水，1999，(9)：34-37〔2〕曹曼.铁屑固定床及其在废水中处理的运用〔J〕.上海环境科学，1994，(2)：43-44.〔3〕祁梦兰.铁屑微电解法处理经编厂染色废水〔J〕.环境保护，1993，(7)：14-16. 〔4〕 刘章富，熊杨，侯铁．同步生物除磷脱氮的几种实用新工艺．中国给水排水，2002，18(9):65～68．〔5〕 陈新宇，陈翼孙，李长兴．水解酸化-生物接触氧化处理合成橡胶废水实验研究．化工环保，1997，17(4):221～225．〔6〕 张自杰．环境工程手册（水污染防治卷）．北京:高等教育出版社，1996．

基于单片机的仪表车床简易数控系统的实现第2章 数控系统的设计要求概述该数控系统是为了适应国内众多的普通机床改造而设计的主要考虑四个方面：①经济性既然是用于普通机床的数控化改造，因此，必须充分考虑系统的成本，这是保证达到系统设计目的的关键。这里的成本包括整个系统的成本，包括数控系统、伺服驱动系统及机械传动系统等，其核心在于数控系统的方案选择。②方便性数控系统的方便性，又叫“宜人性”，主要反映在系统的编辑部分。编辑(编程)部分是人和系统直接打交道的部分，即所谓的“人机界面”。人机界而应当对用户友好，也就是说编辑(编程)部分应当尽量给用户提供力便、快捷舒适的操作使用环境。系统需从以下几个途径来体现：●汉化按键，方便各种层次的操作者使用。●输入、检索、修改尽量一体化。即输入时可以检索、修改，检索时可以修改、输入，并且自动显示程序段号。●快速检索，即能对程序进行上下翻页显示。③实用性经济则数控系统的设计不应追求功能的大而全，应以实用为原则。一般的机械加工只要能具有以下功能即可满足需要：●直线、圆弧插补。插补速度要充分考虑被机床本身的内在素质，如刚性、抗震性、耐磨性等，不宜过高。●速度衔接技术，即速度升／降速控制。速度衔接技术可以保证系统在加工过程中实现2段程序间的速度平滑连接，从而避免造成加工刀痕或平台，保证精度。●动态坐标显示。●加工程序的掉电保护能力。●电动刀架控制。采用电动刀架，用软件进行控制，可以提高生产效率。●细分技术。细分技术是当今经济型数控系统的一项重要技术。它可以有效解决步近电机的低频振荡问题，同时使机床脉冲当量细化，提高控制精度；另外，还可以提高低速加工时的出刀。④可靠性由于数控系统工作环境十分恶劣，必须有足够的可靠性才能保证系统稳定运行。数控系统的性能指标按照广述设计要求及设想，数控系统的性能指标可归纳为：●X，Z两轴联动，开环控制方式。●ISO国际数控标准格式代码编程。●快速定位。●具有直线、圆弧插补能力。●能与上价机串行通信、具有简单的联网能力。●最大编程尺寸，z轴脉冲当量，x轴脉冲当量，最大进给速度为（5m/min）。●预留螺纹加工功能的接口。●具有连动、点动2种手动加工方式，以及自动连续加工方式。第3章 总体方案的确定系统总体方案本系统在研制过程中，紧紧围绕可靠性、方便性、低成本等设计要求。确定总体方案如下：基于单片机的系统结构按照上述设计思想，本系统采用基于单片机的系统结构。这种方案结构简单，成本低。考虑到扩展性，主系统采用89S58单片机。AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。1.一个个8位的CPU2、26个特殊功能寄存器（Special Function Register）3、一个片内振荡器及时钟电路4、全静态工作：0Hz-24KHz5、32条可编程I/O线6、2个16位可编程定时计数器7、5个中断优先级2层中断嵌套中断8、2个全双工串行通信口9、电源控制模式：低功耗的闲置和掉电模式10、8031 CPU与MCS-51 兼容11、4个8位并行（Parallel）I/O口12、三级程序存储器保密锁定13、128B 内部RAM14、内部硬件看门狗电路15、4k Bytes Flash片内程序存储器(寿命：1000写/擦循环)16、一个SPI串行接口,用于芯片的在系统编程17、可寻址64KB的外部ROM和外部RAM的控制电路这些我们称为单片机的资源（Souce），单片机的应用就是怎么充分合理地利用这些资源，来解决实际中的问题人机界面(1)采用液晶显示界面作为一个简易型数控系统，采用了12232汉字图形点阵液晶显示模块，带背光字符型液晶模块作为主显示界面，不采用数码管显示。这样做的目的有3个：●液晶显示方式具有显示容量大、可以显示所有字符及自定义字符的能力。至于不能显示图形以实现加工曲线动态显示的缺陷，可以通过上仪机模拟仿真加工来弥补。●液晶显示模块自身具有控制器，可以减轻主CPU的负担。●使系统具有菜单驱动的基本素质。采用菜单驱功方式实现编辑模块的全屏幕编辑功能，达到友好的人机界面要求。●可显示汉字和图形。(2)采用双功能按键设计，简化键盘系统设计中充分考虑功能的需要、操作方便的需要及系统复杂性的要求三者之间的关系确定系统的大多数按键为双功能键，使得整个系统界面简洁。采用开环控制方式系统设计的目的决定了系统只能采用开环控制方式。在开环型位置控制系统中，只能采用步进电机作为伺服执行单元。这是由步进电机车身的特性决定的。关于步进电机的特性等详细内容参见本章后续有关章节。开环控制系统的数控机床结构简单，成本较低，仅适用于加工精度要求不很高的中小型数控机床，特别是简易经济型数控机床。这类系统比较简单，价格最便宜，可以用于小型车床、铣床、钻床和线切割机床。如下图是常见的两坐标简易数控系统的组成框图。系统软件固化在单片机的存储器中，加工程序可通过键盘或磁带机输入，经系统软件进行编辑处理后输出一个系列脉冲，再经光电隔离，功率放大后大驱动两台步进电机，分别控制机床两个方向的运动，完成位置、轨迹和速度的控制。根据需要，微机还可通过继电器电路，实现对诸如主轴起停、变速、各种辅助电机起停、刀架转位、工件爽紧松开等动作的自动控制，使整个加工过程自动进行。图3-1开环步进电机与单片机连接电路单片机控制步进电机拖动的开环系统具有价廉，技术成熟等优点，因而使用较多。但这种系统还存在拖动力矩偏小，过载能力差、速度偏低，精度不够高及其价格随力矩增加成指数卜升等缺点。为此，选用时要注意在适当的范围内发挥其优势。一般主要适用于拖动力矩小于15Nm的小型机床，如C616，C618，C620，C6140等普通车床。对于转矩要求大、功能要求多的机床(如铣床、镗床、钻床及镗铣床)和高精度机床(如坐标镗床)就难于使用，需要开发与其适应的其他经济型数控系统。功能精简，提高可靠性设计具备简易型数控系统必需的基本功能●直线、圆弧插补能力。●端面、台阶的循环加工。●点动、连动、自动3种运行方式。●申行通信能力。系统功能模块及其分析系统功能模块与总体框架(1)系统操作界面按照上述图3-2 系统的人机界面图复位——系统在死机、工作出错等情况下的总清键，使系统回复设计的原始状态。运行——自动运行用户的零件加工程序，包括程序的语法检查、数据处理、编译、插补运算及步进电机控制等。暂停一—自动加工的暂停，是一个乒乓键，按一次，加工暂停，再按一次，继续加工。换刀一—用于手工换刀，每按一次．电动刀架转一个工位，本系统中为90度。手动——与“←、↑、→、↓”配合，以实现动作台的连动；在编辑程序时为光标移动键。数字1—9均为双功能键、用于程序输入、用“上下档”键进行切换。G—一准备功能键，用于ISO加工程序输入。M——辅助功能键，用于冷却泵的启/停、程序的结束等程序段的输入。插入—一用于程序编辑过程中“插入修改”方式的切换。也是乒乓键，用块光标或下划线光标指示。删除——在插入方式下，删除当前的字符；在修改方式下，删除当前光标位置字符。上页一—程序上翻到上一程序段。相当PC机的PageUp键。下页——程序下翻到下一程序段。与上页键一样是一个屏幕编辑键。相当PC机的PageDown键。回车——确认键。Esc——相当于PC机的Esc键。(2)系统功能模块与总体框架系统从总体上分为人机界面模块、伺服执行模块、电动刀架拧制模块、串行通信模块及基于AT89S51单片机的主控模块等5大模块，参见图3-2。各模块的功能分别是：图3-3 系统模块与总体框架①人机界面模块该模块主要完成人机的对话与交流，物理上表现为显示器与键盘，核心功能是加工程序的编辑。由于采用全程菜单驱动形式．使该模块具有较好的友善性。②伺服执行模块该模块主要由脉冲分配器、伺服驱动及步进电机等组成，是一个执行单元，按照主机的指令完成工作台与刀具的相对运动，实现车削加工。其速度特性、矩频特性等直接影响加工的精度和速度。③电动刀架控制模块采用2继电器方式的4方电动刀架．用软件完成刀架的换刀动作，即刀架电机的正转拾刀→换刀→反转锁紧，是经济型数控系统必不可少的部分，可以提高加工效率，大大减少在加工过程中因手工换刀带来的误差。④串行通信模块该模块的功能是完成与上位机的串行通信，采用三线制方式，使系统具有基本的组网能力。⑤主控模块主要包括零片微处理器(也括监控程序)、加工程序存储单元及与其他模块的接口电路要完成程序编辑、加工程序处理、软件插补达贸、电动刀架饺制及行程限位保护等。系统软件框架如图3-4展示了系统软件框图。系统上电后，执行初始化程序、键盘扫描程序。如有“计数显示”、“计数清零”、“点动”等功能键按下，执行其各自的工作子程序后返回初始化程序，并显示其相应的提示符。顺序控制程序也设计成子程序模块，它的主要功能是读入各行程开关及压力继电器的信号状态组合，经分析判断，输出一系列控制信号，完成对工件的自动加工。如按下“点动”键，则显示点动提示符，执行顺序控制程序，即返回初始化程序，如按下“连动”功能键，则首先置连动工作标记（此时，除“返回”键外，其余各键均用软件屏蔽），然后开中断，等待，刀具检测信号，收到中断请求信号后，执行中断服务程序。在中断服务控制中，先后执行顺序控制子程序，键盘扫描及显示子程序，并记录和显示数据。完成一次顺序控制或有“返回”键按下，则返回主程序。回到主程序后，仍判断是否有“返回”键按下，如有，则返回初始化程序。否则，重新等待中断。采用模块化设计：①点动，连动，换刀该模块主要实现工作台在x，z两轴上正、反2个方向的点动、连动操作，以及手动控制换刀等，用于方便对刀、工作原点设置等。②自动该模块主要实现加工程序的处理(包括程序语法检查、程序编译、数据处理等)、插补运算步进电机的控制及自动换刀控制等。③参数设置该模块主要实现刀具补偿参数设置、间隙补偿参数设置等自动加工参数的设置。④编辑模块该模块主要实现零件加工程序的键盘编辑、输入。⑤通信模块该模块主要实现与上位机或其他智能设备的串行通信，可用于加工程序的传送等。图3-4 系统软件原理框图第4章 硬件系统设计主模块设计主模块中关键器件及其选型(1)单片机本系统采用PHILIPS公司的8位单片机AT89S51为控制核心。AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元,全静态工作，RAM可扩展到64K字节，5个中断优先级，2层中断嵌套中断，32个外部双向输入/输出（I/O）口，2个16位可编程定时计数器。外接一片2764EPROM，作为监控程序的程序存储器和存放常用零件的加工程序。再选用一片6264RAM用于存放需要随机修改的零件程序、工作参数。采用译码法对扩展芯片进行寻址，采用74LS138译码器完成此功能。8279作为系统的输入输出口扩展，分别接键盘的输入、输出显示，8255接步进电机的环形分配器，分别并行控制X轴和Z轴的步进电机。另外，还要考虑机床与单片机之间的光电隔离，功率放大电路等.图4-1单片机系统原理框图(2)数据存储器的选用系统采用单片机作为控制核心，最高速度为33MHz，我们用到。速度高对外部电路特别是外部数据，程序存储器扩展电路要求很高。必须满足在CPU读数据或程序指令时，外部数据或程序指令已准备好了。所以必须进行芯片的时序校验。为了使系统工作可靠我们也进行存储器的校验。首先，对存储器作一介绍。单片机存储器分为内部存储器和外部存储器，内部存储器又分为内部数据存储器和程序存储器，同样，外部存储器也分为程序和数据存储器。本系统采用AT89S51为核心单元，其本身带有128B的RAM和4KB的Flash内部程序存储器。对于数据存储器，内外两部分是独立编址的，用不同指令来访问不同的数据存储器，即，MOV访问片内，MOVC访问片外，外部可扩展到64K，由于在外部数据存储器和I/0是统一编址的，应给I/0留一定的空间，且本系统要求留有一定的扩展空间，所以本系统扩展采用的芯片是6264。Y62256是HUNDAI公司的一种高速低功耗32K的CMOS的静态RAM，采用现代公司的高速CMOS工艺技术。HY62265具有数据保持模式，以确保在最低供电电压下2V数据有效。使用CMOS技术，电源电压在之间，数据保持电流几乎没有影响。HY62256适合使用在低压和电池供电工作环境。M28256用于扩展程序存储器，是一种采用ST微电子公司拥有知识产权的多极性硅技术制造的。在3V或}V供电条件下具有快谏低功耗工作模式。电路已被设计成可提供与微控制器柔性接口特征。可使用软件或硬件进行数据循环测试或位功能锁定。可以使用标准的JEDEG运算法则进行软件数据保护。电路扩展如图4-2所示。图4-2 存储器扩展(3)总线驱动、数据、地址锁存及译码电路由于单片机的数据线和低位地址线共用必须加地址锁存器进行低位地址锁存。使用74LS373作为地址锁存器，当应用系统规模过大，扩展所接芯片过多，超过总线的驱动能力时，系统将不能可靠工作，此时应加用总线驱动器来减少读数据的持续时间。整个系统可扩展的外部数据总共为64K，由于单片机外部数据存贮器和工/0是统一编址的，我们将低32K作为外部扩展的数据存储器，高译码电路采用两片74LS138,用了32K作为I/0使用或留给以后扩展用。由于外设使可编程器件，所以在使用138作译码时需要产生两种译码地址:一种是地址连续，一种是段地址连续。其中Ll,L5可作为系统再次扩展时用。译码地址输出在图4-3中已给出，Y0-Y7作为单地址芯片片选信号，Y8-Y15可作为可编程芯片片选信号，如8254可编程计数器。译码电路如图4-3.图4-3译码电路主模块电原理图设计本系统选用AT89S51CPU作为数控系统的中央处理机。主程序框图如图4-4。外接一片2764EPROM，作为监控程序的程序存储器和存放常用零件的加工程序。再选用一片6264RAM用于存放需要随机修改的零件程序、工作参数。采用译码法对扩展芯片进行寻址，采用74LS138译码器完成此功能。8279作为系统的输入输出口扩展，分别接键盘的输入、输出显示，8255接步进电机的环形分配器，分别并行控制X轴和Z轴的步进电机。另外，还要考虑机床与单片机之间的光电隔离，功率放大电路等。8255A可编程并行I/O口扩展芯片可以直接与MCS系列单片机系统总线连接，它具有三个8位的并行I/O口，具有三种工作方式，通过编程能够方便地采用无条件传送、查询传送或中断传送方式完成CPU与外围设备之间的信息交换。CPU对8279的控制是先读回8279的状态字，查看PIFORAM中有无字符 ，若有将根据字符个数读出所有字符，并进行相应处理；若无，则直接返回。CPU对8279的监视采用查询方式，对8279分配的数据口地址为8000H，状态口地址为8001H，CPU每隔10ms定时中断查询一次，所有显示采用查询段码表的方式实现，简化了程序设计过程，提高了程序质量。图4-4主程序框图输入/输出模块设计 I／O模块电原理图设计8279作为系统的输入输出口扩展，分别接键盘的输入、输出显示。8279是可编程接口芯片，通过编程使其实现相应的功能，编程的过程实际上就是CPU向8279发送控制指令的过程。在软件设计中，显示方式采用了8个字符显示，左入方式，编码扫描键盘，双键锁定。I／O模块电原理图如图4-5所示。图4-5 I/O模块电原理图图4-6 8279工作程序框图步进电机控制接口X，Z两轴采用3相6拍步进电机，并口8255向控制端口写控制字，PUSLE来实现对步进电机的控制。8255接步进电机的环形分配器，通过3片4N25光电隔离，分别形成X、Z所需的3相控制信号，送往步进电机驱动电源，分别并行控制X轴和Z轴的步进电机。芯片YB013实现硬件环分任务，；达林顿光隔离管4N25实现计算机弱点部分和步进电机强电部分的隔离，既起功率放大作用，又充当无触点开关，实现对计算机的保护。单片机控制步进电机连接如图4-7所示。图4-7 单片机控制步进电机刀具控制接口(1)电动刀架及其工作原理电动刀架的机械部分类似于蜗轮机构，实现刀具的抬升、旋转(交换刀具位置)及下降锁紧，这里着重讨论实现上述动作所必须的硬件条件和电路原理。在图4-8中，继电器KA1，KA2实现电动刀架的动作切换控制，主要完成刀架电机的正、反转切换。在刀架旋转过程中，每个工位上的霍尔元件会依次切换为有效状态，系统根据T1，T2，T3及T4状态的变化，可以推断出目前的刀号，并判断是否为当前所选用刀具，一旦符合，则电机反向旋转，锁紧刀具。电动刀架各时序的切换反间隔是系统控制的关键，反向锁紧所用时间取决于电动刀架生产厂家的推荐指标，过长会引起电机发热甚至烧毁。为保证电动刀架安全运行，在电动刀架交流380V进线处加装快速熔断器和热继电器。图4-8电动刀架的电原理图(2)电动刀架与单片机的接口电动刀架与系统的硬件接口主要是控制电机正、反转信号J1，J2及刀号反馈信号TI，T2，T3和T4。上述信号均光电隔离后与单片机系统接口。电动刀架软件控制流程如图4-9所示，采用查询方式。图4-9电动刀架控制流程程序为：#include <>#include <>#define N1 XBYTE[ ]typedef unsigned char ucharvoid adc0809(uchar idata *x);void delay();void main(){static uchar idata ad[4];adc0809(ad);}void adc0809(uchar idata *x){uchar i,*ad_adr;uchar motor=1;ad_adr=&N1;for(i=0;i<4;i++){If(*ad_adr=i){delay1( );KA1=1;delay2( );return();}else KA1=0}}void delay1(motor==0){uchar j;for(j=0;j<20000;j++){;}}void delay2(void){uchar j;for(j=0;j<150000;j++){;}}急停、暂停、行程限位接口电路限位开关为常开状态；因此，X十，X一，Z十，Z一正常输人为低电平状态。因此如果行程开关被压合，向INT0发出中断信号，系统进行复位，步进电机的脉冲消失，也就无法继续前行，起到保护机床的目的。本系统采用三输入端与非门74HC10的输出端作为一个共用的中断信号接至单片机的INT0，用于实时处理紧急停车、暂停、限位报警功能。电路如图4-8所示：串行通信电路本系统由两部分构成，上位机系统和下位机系统，由于上位机主要完成管理显示等工作，下位机完成控制功能，所以上位机和下位机的数据传输实时性要求不高，我们采用串口通信。使用RS232标准，MAX232进行电频的转换。串口RS232标准，它是美国电子工业协会(Electronic Industry Association)的推荐标准。本系统采用9针连接器，其定义见表4-1。本系统采用三线制TXD,RXD,GND连接，以使电路简单。表4-1 连接器定义表串口通讯电路主要由MAX 232电平转换电路构成。MAX232是MAXIM公司产品，一种电平转换芯片。可以将TTL转换成RS232，或RS232转换成TTL。满足单片机和普通计算机的通讯电平转换要求。电路如图4-10所示。图4-10 通信接口电路人机界面模块设计单片机应用系统中常用显示方式及其比较在单片机应用系统中，目前比较常用的显示介质有数码管(LED)、液晶显示(LCD)及CRT等，在家用电器中用的比较多的是真空荧光屏(VFD)。现就各自特点简述如下：(1)数码管数码管是一种主动发光器件。所谓主动发光．是指环境越暗越清晰。分为7段数码管和“米”字数码管2种。前者用于显示ARCⅡ码，显示信息量小；后者除了可显示ARCⅡ字符外，还可显示一些自定义的比较复杂的字符。数码管按驱动电流分，又可分为普通亮度、高亮、超高亮等。数码管由于其廉价而且扩展方便等特性，—直是单片机系统中用得最多、最广的一种显示器件。国内有不少型号的数控系统、尤其是早期的数控系统，广泛采用数码管作为显示界面。(2)液晶显示液晶显示器是一种被动发光器件。所谓被动发光，是指环境越亮越清晰，黑暗环境下必须加入背光才能清晰显示。分为字段型液晶显示器、字符型液晶显示器及图形点阵液晶显示器。字段型只能显示ASCII字符，字符型可以显示ASCII字符，显示效果比字段型好，而且可以显示少量的自定义字符；图形点阵液晶显示器是目前在单片机系统中比较流行的新型显示器件，可以显示所有字符及图形，由于其可以显示汉字的特性，被广泛用于国内智能设备中，国内的数控系统也开始广泛采用。(3)CRTCRT显示器分为单色和彩色2种，在数控系统中，尤其是高档数控系统中应用日益广泛。其特点是成本低、显示容量大；可以显示所合字符、图形及汉字；采用视频专用接口电路MC6847等与单片机接口，比较复杂，因而在—般的应用中比较少见。(4)真空荧光屏真空荧光屏简称VFD(vacuunm fluorescent display module)，是一种新型的显示器件。它由3个基本电极——阴极(灯丝)、阳极及栅做封装在一个真空的玻璃容器内构成。阴极是涂敷了金属氧化物的钨丝；栅极是极细的金属网；阳极为段或点阵型的导电电极，它上面的荧光物质可显示相应的字符或符号。栅极和阳极之间加有正电压，从阴极发射出来的电子被这个正电压加速，碰擅到阳极表面的荧光物质产生辐射，发出波长为505nm左右的谈绿色荧光。通过按制栅极和阳极之间的电压，就可以显示各种字符。VFD由于其以下特点而被广泛应用于家用电器、商场POS机以及新型的仪器仪表中。①亮度高，并且不存在视角问题，②工作温度范围宽、寿命长；②外围电路简单，只需十5v电源就可以工作，提供准8位数据总线接口；④功耗低。但这种显示器目前用在数控系统上还比较少。点阵液晶显示模块(1)字符型液晶显示模块本数控系统采用字符点阵液晶显示模块DM12232。该模块具有以下特点：●能显示122列32行●电源（内置升压电路，无需负压）●与微处理器接8位或4位并行/ 3位串行●多种软件功能：自定义字符、画面移动、光标显示、睡眠模式等功能●配置LED背光}