【正文】 常應(yīng)用于自動(dòng)化的控制電路中，它實(shí)際上是用小電流去控制大電流運(yùn)作的一種“自動(dòng)開關(guān)”。故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。本次設(shè)計(jì)過程中需要一個(gè)繼電器來控制電磁閥的工作。由于需要工作電壓在5V左右。所以選擇了型號(hào)為JZC36F的繼電器，其工作電壓在4V～45V之間[5]。閥門是在流體系統(tǒng)中，用來控制流體的方向、壓力、流量的裝置。閥門是使配管和設(shè)備內(nèi)的介質(zhì)（液體、氣體、粉末）流動(dòng)或停止并能控制其流量的裝置。閥門是管路流體輸送系統(tǒng)中控制部件，它是用來改變通路斷面和介質(zhì)流動(dòng)方向，具有導(dǎo)流、截止、節(jié)流、止回、分流或溢流卸壓等功能。用于流體控制的閥門，從最簡(jiǎn)單的截止閥到極為復(fù)雜的自控系統(tǒng)中所用的各種閥門，其品種和規(guī)格相當(dāng)繁多。由于本設(shè)備采用單片機(jī)控制，并且電磁閥是由開關(guān)信號(hào)控制的，與單片機(jī)控制電路連接十分的方便，所以決定采用電磁閥作為閥門[6]。電磁閥從原理上分為三大類： (1) 直動(dòng)式電磁閥： 　　原理：通電時(shí)，電磁線圈產(chǎn)生電磁力把關(guān)閉件從閥座上提起，閥門打開；斷電時(shí)，電磁力消失，彈簧把關(guān)閉件壓在閥座上，閥門關(guān)閉。 特點(diǎn)：在真空、負(fù)壓、零壓時(shí)能正常工作，但通徑一般不超過25mm。 (2) 分步直動(dòng)式電磁閥： 原理：它是一種直動(dòng)和先導(dǎo)式相結(jié)合的原理，當(dāng)入口與出口沒有壓差時(shí)，通電后，電磁力直接把先導(dǎo)小閥和主閥關(guān)閉件依次向上提起，閥門打開。當(dāng)入口與出口達(dá)到啟動(dòng)壓差時(shí)，通電后，電磁力先導(dǎo)小閥，主閥下腔壓力上升，上腔壓力下降，從而利用壓差把主閥向上推開；斷電時(shí)，先導(dǎo)閥利用彈簧力或介質(zhì)壓力推動(dòng)關(guān)閉件，向下移動(dòng)，使閥門關(guān)閉。 特點(diǎn)：在零壓差或真空、高壓時(shí)亦可動(dòng)作，但功率較大，要求必須水平安裝。 (3) 先導(dǎo)式電磁閥： 原理：通電時(shí)，電磁力把先導(dǎo)孔打開，上腔室壓力迅速下降，在關(guān)閉件周圍形成上低下高的壓差，流體壓力推動(dòng)關(guān)閉件向上移動(dòng)，閥門打開；斷電時(shí)，彈簧力把先導(dǎo)孔關(guān)閉，入口壓力通過旁通孔迅速腔室在關(guān)閥件周圍形成下低上高的壓差，流體壓力推動(dòng)關(guān)閉件向下移動(dòng)，關(guān)閉閥門。 　　特點(diǎn)：流體壓力范圍上限較高，可任意安裝（需定制）但必須滿足流體壓差條件。由于直動(dòng)式電磁閥結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，動(dòng)作可靠，而且設(shè)備需要在斷電條件下鐵芯始終保持在關(guān)閉狀態(tài)，所以選用常閉型的直動(dòng)式電磁閥。具體為YCSM31系列的二位二通直動(dòng)式電磁閥（常閉型）。在顯示器的選擇上，雖然LED數(shù)碼管消耗電力比液晶顯示器多一點(diǎn)，但是LED數(shù)碼管顯示更加清晰，更加適合在白天等強(qiáng)光條件下顯示。液晶顯示極其省電，但是使用有溫度范圍限制，且因是反光式的，在外界光線很明亮的情況下很容易看不清楚。 另外，LED數(shù)碼管的價(jià)格與液晶顯示器相比較為低廉，故本次設(shè)計(jì)采用LED數(shù)碼管[7]。4. 硬件電路設(shè)計(jì)AT89C51單片機(jī)芯片內(nèi)部設(shè)有一個(gè)反相放大器所構(gòu)成的振蕩器，XTAL1和XTAL2分別為振蕩電路的輸入端和輸出端。在XTAL1和XTAL2引腳上外接定時(shí)元件，內(nèi)部振蕩電路就產(chǎn)生自激振蕩。定時(shí)元件常常是用石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。系統(tǒng)選擇了12MHz的晶振片，兩個(gè)30pF的電容C7和C8。晶振電路如圖41所示。圖41 晶振電路本設(shè)計(jì)采用的按鍵復(fù)位電路，當(dāng)要系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位時(shí)，只需要按住S7按鍵，此時(shí)電源Vcc經(jīng)過電阻RR2分壓，并且在RST端產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位的高電平。同樣，只要保證RST端保持高電壓的時(shí)間大于兩個(gè)機(jī)器周期時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)能實(shí)現(xiàn)正常復(fù)位。復(fù)位電路如圖42所示：圖42 AT89C51單片機(jī)的復(fù)位電路單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路如圖43所示：圖43單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖所示，AT89C5單片機(jī)的RST引腳連接復(fù)位電路，～，XTAL1和XTAL2引腳連接晶振電路，～～[8]。系統(tǒng)采用非編碼鍵盤，按鍵電路主要由5個(gè)按鍵S1~S5組成，采用獨(dú)立式的按鍵形式。各按鍵的功能見表44：表44 按鍵功能對(duì)照表按鍵編號(hào)功能連接端口S1SWITCHS2UPS3DOWNS4CLEARS5OK按鍵電路如圖45所示，按照?qǐng)D中的電路連接方法，判斷是否有鍵按下的方法是：查詢每一根接按鍵的I/O口線的輸入電平，如果是低電平則說明這個(gè)接口線連接的按鍵處于按下狀態(tài)。相反，若為高電平則說明按鍵處于非按下狀態(tài)。圖45 按鍵電路系統(tǒng)采用兩個(gè)七段發(fā)光數(shù)碼顯示器HS3461BS2，HS3461BS2它是共陽極的數(shù)碼顯示器。 處于工作狀態(tài)的數(shù)碼管，~，其七個(gè)口分別連接著數(shù)碼管的七個(gè)筆畫。例如要在數(shù)碼管DS1中顯示1，而數(shù)碼管DS2處于非工作狀態(tài)，，,～。字形段碼表如表46所示：表46 數(shù)碼管段碼表顯示字符共陰極字型碼五班03FH C0H106H F9H25BHA4H34FHB0H466H99H56DH92H67DH82H707HF8H87FH80H96FH90H根據(jù)上面的7段字形碼表可以進(jìn)行編碼，從而控制數(shù)碼管的顯示。LED顯示電路如圖47所示圖47數(shù)碼管顯示電路如下圖所示Q3為一個(gè)PNP三極管，D1為普通二極管，K1為JZC36F繼電器，M電動(dòng)機(jī)符號(hào)來表示電磁閥。在繼電器失電的狀態(tài)下，動(dòng)合觸點(diǎn)斷開，動(dòng)斷觸點(diǎn)閉合，當(dāng)繼電器得電后，動(dòng)合觸點(diǎn)閉合，動(dòng)斷觸點(diǎn)斷開，利用繼電器的觸電開關(guān)作用可以控制設(shè)備或者傳送邏輯電平信號(hào)。動(dòng)合觸點(diǎn)是指繼電器(或功能電器)中有預(yù)定激勵(lì)時(shí)閉合，無激勵(lì)時(shí)斷開的觸點(diǎn)，而動(dòng)斷觸點(diǎn)則是繼電器(或功能電器)中有規(guī)定的激勵(lì)時(shí)斷開，無規(guī)定的激勵(lì)時(shí)閉合的觸點(diǎn)。在本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用了動(dòng)合觸電開關(guān)，使繼電器在失電狀態(tài)下保持?jǐn)嚅_的狀態(tài)，然而在得電的狀態(tài)下保持閉合狀態(tài)。即當(dāng)Q3基極得到一個(gè)低電平則繼電器開關(guān)立即閉合，在處于高電平時(shí)繼電器開關(guān)保持?jǐn)嚅_狀態(tài)[9]。 當(dāng)繼電器的開關(guān)閉合時(shí)，電磁閥則處于一個(gè)通路的狀態(tài)下，進(jìn)而電磁閥開始工作，系統(tǒng)設(shè)備開始澆水。相反，當(dāng)繼電器的開關(guān)斷開時(shí)，電磁閥處于一個(gè)斷路的狀態(tài)下，則電磁閥不工作，從而系統(tǒng)設(shè)備也不工作。電磁閥電路如圖48所示。圖48 電磁閥電路總電路主要由：晶振電路,復(fù)位電路，按鍵設(shè)置電路， LED顯示電路，電磁閥電路，以及電源電路等幾個(gè)部分。通過這幾個(gè)分電路的分工合作，能夠使得系統(tǒng)具有顯示功能，并且具備鍵盤調(diào)整功能，同時(shí)能夠?qū)﹄姶砰y進(jìn)行有效的控制。從而使設(shè)備順利的進(jìn)行工作。整體電路圖見附錄1。5. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)在編寫程序代碼之前，必須先對(duì)系統(tǒng)通盤考慮，事先設(shè)計(jì)好系統(tǒng)的軟件架構(gòu)。軟件架構(gòu)是指在一定的設(shè)計(jì)原則基礎(chǔ)上，從不同角度對(duì)組成系統(tǒng)的各部分進(jìn)行搭配和安排，形成系統(tǒng)的多個(gè)結(jié)構(gòu)而組成架構(gòu)，它包括該系統(tǒng)的各個(gè)組件，組件的外部可見屬性及組件之間的相互關(guān)系。對(duì)本系統(tǒng)而言，就是要設(shè)計(jì)好每一個(gè)功能最合理的實(shí)現(xiàn)方法，不要等到代碼寫到一半才發(fā)現(xiàn)某個(gè)功能難以實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致全部重寫或是迫不得已采用有隱患的的實(shí)現(xiàn)方法。一般而言，軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)要達(dá)到如下的目標(biāo)：可靠性（Reliable）、安全性（Secure）、可擴(kuò)展性（SCAlable）、可定制化（CuSTomizable）、可擴(kuò)展性（Extensible）和可維護(hù)性（MAIntainable）等[10]。在本系統(tǒng)中，主要的部分有按鍵處理、數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示和工作時(shí)間的計(jì)算。這三個(gè)任務(wù)都是必須連續(xù)工作的。如果按鍵處理相關(guān)程序暫停運(yùn)行，用戶按下按鍵時(shí)就沒有反應(yīng)；如果數(shù)碼管相關(guān)的程序暫停運(yùn)行，顯示的數(shù)字就會(huì)出現(xiàn)異常。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件架構(gòu)要求的目標(biāo)（主要是可靠性、可擴(kuò)展性和可維護(hù)性），采用了這樣的軟件結(jié)構(gòu)：在主程序中讀取按鍵輸入以及進(jìn)行相應(yīng)按鍵的處理；用定時(shí)器TIMER0定時(shí)出發(fā)中斷，在定時(shí)器的終端服務(wù)程序中進(jìn)行數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)掃描顯示；另一個(gè)定時(shí)器TIMER1用來計(jì)算工作間隔時(shí)間和工作持續(xù)時(shí)間。主程序指的是單片機(jī)上電以后就開始運(yùn)行的程序，與中斷服務(wù)程序相區(qū)分。主程序進(jìn)行了兩個(gè)操作，首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)置，然后進(jìn)入一個(gè)循環(huán)結(jié)構(gòu)，掃描按鍵是否被按下，當(dāng)有鍵按下以后就執(zhí)行相應(yīng)的按鍵處理程序[11]。流程圖見圖51。單片機(jī)復(fù)位以后（無論上電復(fù)位還是按鍵復(fù)位）將從程序存儲(chǔ)器的0000H地址開始運(yùn)行程序。在這里必須寫一條跳轉(zhuǎn)指令，引導(dǎo)程序跳轉(zhuǎn)到主程序的起始地址。為了使程序更清晰，提高可讀性，采用了模塊化的思想來指導(dǎo)程序的編寫。也就是將各功能封裝成子程序，在使用時(shí)直接調(diào)用。在主程序中調(diào)用了兩個(gè)子程序，分別是初始化子程序和按鍵判別與處理子程序，在接下來的幾節(jié)中將會(huì)依次介紹。圖51 主程序流程圖程序開始初始化按鍵判別與處理程序結(jié)束在本系統(tǒng)中，初始化的操作要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目標(biāo)，一是對(duì)單片機(jī)本身的特殊功能寄存器（ISR）進(jìn)行賦值，是單片機(jī)內(nèi)部集成的各功能正常工作，比如定時(shí)器；二是對(duì)單片機(jī)外圍的輸出設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置，防止出現(xiàn)不希望的輸出，比如電磁閥控制的水管。單片機(jī)內(nèi)部的設(shè)置主要集中在定時(shí)器相關(guān)的寄存器。將定時(shí)器0設(shè)為10ms溢出一次，用于數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示；定時(shí)器1也設(shè)為10ms溢出一次，通過軟件計(jì)100個(gè)數(shù)實(shí)現(xiàn)1秒的定時(shí)時(shí)間[12]。外部設(shè)備方面，讓電磁閥不通電，保持關(guān)閉狀態(tài)；，讓其點(diǎn)亮；，讓它不亮；數(shù)碼管段碼選擇端口P0設(shè)為0C0H，讓其顯示“00”，稍后將由定時(shí)器0中斷控制它顯示正確的數(shù)字；~，否則將無法正確讀取按鍵狀態(tài)。初始化子程序見附錄二。初始化子程序流程圖見52。圖52 初始化子程序流程圖程序開始配置定時(shí)器0寄存器配置定時(shí)器1寄存器輸入端口設(shè)為高電平設(shè)置LED2亮LED3滅數(shù)碼管顯示“00”設(shè)置電磁閥關(guān)閉程序結(jié)束=0？=0？=0？=0？=0？程序開始讀取P1消抖處理程序結(jié)束切換顯示當(dāng)前數(shù)加1當(dāng)前數(shù)減1當(dāng)前數(shù)=0保存數(shù)值YYYYYNNNNN圖53 按鍵判別處理子程序流程圖上圖53按鍵判別處理子程序流程圖在這個(gè)子程序內(nèi)，首先讀取P1口的輸入狀態(tài)，~，哪一位變?yōu)?了，就說明其對(duì)應(yīng)的按鍵已經(jīng)被按下，可以跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的按鍵處理程序。按鍵具體的操作連鎖關(guān)系如下[12]：，數(shù)碼管1選中時(shí)，經(jīng)過“UP”，“DOWN”調(diào)節(jié)按鍵調(diào)節(jié)過的顯示數(shù)字存儲(chǔ)與(41)H,其相應(yīng)的P0值存儲(chǔ)與（40）H。，數(shù)碼管2選中時(shí)，經(jīng)過“UP”，“DOWN”調(diào)節(jié)按鍵調(diào)節(jié)過的顯示數(shù)字存儲(chǔ)與(61)H,其相應(yīng)的P0值存儲(chǔ)與（61）H。，數(shù)碼管1選中時(shí)，經(jīng)過“UP”，“DOWN”調(diào)節(jié)按鍵調(diào)節(jié)過的顯示數(shù)字存儲(chǔ)與(51)H,其相應(yīng)的P0值存儲(chǔ)與（51）H。，數(shù)碼管2選中時(shí)，經(jīng)過“UP”，“DOWN”調(diào)節(jié)按鍵調(diào)節(jié)過的顯示數(shù)字存儲(chǔ)與(71)H,其相應(yīng)的P0值存儲(chǔ)與（71）H。為了確保CPU對(duì)一次按鍵動(dòng)作只確定一次，系統(tǒng)采用軟件消除抖動(dòng)的方法。具體為：若CPU檢測(cè)到有鍵按下時(shí)，先執(zhí)行一段延時(shí)程序后再檢測(cè)此按鍵，若仍為按下狀態(tài)，則CPU認(rèn)為此按鍵確實(shí)按下。同樣，在鍵從按下到再次松開時(shí)，若CPU檢測(cè)到有鍵松開，并在延時(shí)一段時(shí)間后仍檢測(cè)到鍵在松開狀態(tài)，則認(rèn)為此鍵確實(shí)松開了[13]。消抖流程圖如圖54所示。