【正文】 …………………… ……………… 16 圖 38 DS1302引腳圖 …………………………………………………… ………………… 17 圖 39 時(shí)間單元電路…………………………………… ……………… ………………… 17 圖 310 ADC0804引腳圖 …………………………………………………… ……………… 18 圖 311 A/D轉(zhuǎn)換單元電路圖………………………………… …………………………… 19 圖 312 MAX485引腳圖 …………………………………………………… ……………… 19 圖 313 串行通信模塊電路圖…………………………… ……………………………… 20 圖 314 繼電器部分電路圖……………………………… ……………………………… 20 圖 315 電源指示燈電路圖……………………… ……………………………………… 21 圖 41 主程序流程圖…………………………………… ………………………………… 23 圖 42 鍵盤程序流程圖………………………………… ………………………………… 25 圖 43 液位檢測(cè)流程圖………………………………… ………………………………… 27 金小龍：基于單片機(jī)的液位 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) VIII 圖 44 通信檢測(cè)流程圖………………………………… ………………………………… 28 圖 45 上位機(jī)軟件界面效果圖………………………… ………………………………… 33 圖 46 水箱液位控制結(jié)構(gòu)圖…………………………… … ……………………………… 33 圖 51 MATLAB繪制圖形………………………………………… ………………………… 36 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） IX 表格清單 表 31 端口引腳第二功能 …………………………………………………… …………… 12 表 41 初始化參數(shù)及含義……………………………… ………………………………… 22 表 42 A/D轉(zhuǎn)換幅值數(shù)據(jù)關(guān)系對(duì)照表……………………… …………………………… 24 表 43 通信協(xié)議 …………………………………………………… ……………………… 28 表 44 RS狀態(tài)標(biāo)志及含義 …… …………………………………………………… …… 29 表 45 界面功能描述…………………………………… ………………………………… 31 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 引 言 上世紀(jì) 40 年代，電子計(jì)算機(jī)的誕生，標(biāo)志著人類電子技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的階段 。1976 年單片機(jī)的推出為電子電路設(shè)計(jì)提供了新的思路，也促進(jìn)了模擬電路向數(shù)字電路發(fā)展的歷程。它在一片芯片上集成了完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 。 從它的發(fā)展來看，低功耗 CMOS 化、微型單片化、主流與多品種共存的發(fā)展趨勢(shì)更進(jìn)一步促使了單片機(jī)在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用。這些應(yīng)用，很大一方面體現(xiàn)在工業(yè)控制中。 在 工業(yè)上 ， 使用單片機(jī)可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 單片機(jī)應(yīng)用發(fā)展迅速而廣泛。在過程控制中，單片機(jī)既可作為主計(jì)算機(jī)，又可作為分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的前端機(jī)，完成模擬量的采集和開關(guān)量的輸入、處理和控制計(jì)算，然后輸出控制信號(hào)。單片機(jī)廣泛用于儀器儀表中，與不同類型的傳感器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度、流量、速度、厚度、壓力、溫度等物理量的測(cè)量；在家用電器設(shè)備中，單片機(jī)已廣泛用于電視機(jī)、錄音機(jī)、電冰箱、電飯鍋、微波爐、洗衣、高級(jí)電子玩具、家用防盜報(bào)警等各種家電設(shè)備中。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信、醫(yī)用設(shè)備、工商 、金融、科研、教育、國(guó)防、航空航天等領(lǐng)域都有著十分廣泛的應(yīng)用。 工程應(yīng)用中液位的測(cè)量常用方法主要有超聲波、激光紅外測(cè)距、機(jī)械浮子、壓力傳感器測(cè)距等幾種。這些測(cè)量方式對(duì)一般液位的測(cè)量來說各有各的優(yōu)點(diǎn)，可根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合和要求進(jìn)行選擇。比如，常見的液位控制系統(tǒng)多采用浮標(biāo)、電極等，這種控制形式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低廉，但是控制精度不高，不能進(jìn)行數(shù)值顯示；另外容易引起誤操作，與上位機(jī)進(jìn)行信息交互比較困難。 金小龍：基于單片機(jī)的液位 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2 隨著科技的發(fā)展，液位測(cè)量技術(shù)趨于智能化、微型化、可視化。本設(shè)計(jì)思想是用單片機(jī)做下位機(jī)， PC 機(jī)做上位機(jī)，單片機(jī)和 PC機(jī) 相結(jié)合對(duì)水 箱 液位進(jìn)行測(cè)量和監(jiān)控。該設(shè)計(jì)要求具有一定的智能化，可操作性和穩(wěn)定性好。 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 第 1 章 緒論 課題背景與研究意義 在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，常常需要測(cè)量液體液位。 隨著國(guó)家工業(yè)的迅速發(fā)展，液位測(cè)量技術(shù)被廣泛應(yīng)用到石油、化工、醫(yī)藥、食品等各行各業(yè)中。 低溫液體 （ 液氧、液氮、液氬、液化天然氣及液體二氧化碳等 ） 得到廣泛的應(yīng)用，作為貯存低溫液體的容器要保證能承受其載荷；在發(fā)電廠、煉鋼廠中，保持正常的鍋爐汽包水位、除氧器水位、汽輪機(jī)凝氣器水位、高、低壓加熱器水位等，是設(shè)備安全運(yùn)行的保證；在教學(xué)與科學(xué)研究中，也經(jīng)常碰 到需要進(jìn)行液位控制的實(shí)驗(yàn)裝置。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展 液位測(cè)量的方法比較多， 依據(jù)測(cè)量方式的不同可分為接觸式與非接觸式兩種類型。 ● 接觸式 測(cè)量法 接觸式 測(cè)量法 是指測(cè)量用傳感器直接與容器內(nèi)存儲(chǔ)液體相接觸，從而獲得測(cè)量參數(shù)的方法。 人工檢尺法可用于測(cè)量油罐液位，其歷史十分悠久。它利用浸入式刻度鋼皮尺測(cè)量液位， 這種方法具有測(cè)量簡(jiǎn)單、可靠性高、直觀、成本低的優(yōu)點(diǎn)，但人為讀數(shù)誤差大、無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和操作。 金小龍：基于單片機(jī)的液位 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4 常見的有電阻法 、 光電法、測(cè)重法 、電容法、浮標(biāo)法及聲光電的反射回波法等。 無論怎樣，這些方法的關(guān)鍵是 利用液位傳感器 將液位的相對(duì)位移量轉(zhuǎn)換成為電壓、電流、阻抗等便于進(jìn)行電處理的物理量。 限于篇幅，下面僅簡(jiǎn)單介紹電容測(cè)量法的基本原理。 本方法所使用的電容通常由兩塊圓柱形極板或一個(gè)探極與罐壁構(gòu)成。當(dāng)液位不同時(shí)，電容器的介電常數(shù)就不同，故電容量也不同。 在此基礎(chǔ)上可以把電容量轉(zhuǎn)化為電壓、相移、頻率、脈寬等物理量，再進(jìn)行測(cè)量。 電容式液位測(cè)量裝置通常結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、穩(wěn)定性好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，適合于惡劣的工作環(huán)境，生產(chǎn)成本也不高；但電容液位測(cè)量器需要考慮溫度補(bǔ)償，且介質(zhì)的成分、水分、溫度、密度等 不確定變化因素直接影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，另外檢測(cè)電路比較復(fù)雜，尤其是檢測(cè)微小電容量的變化。 ●非接觸式測(cè)量法 非接觸式測(cè)量法包括超聲波法、調(diào)制型光學(xué)法、微波法等。其特點(diǎn)是測(cè)量手段并不采用浮子之類的固態(tài)物，而是利用聲、光、射線、磁場(chǎng)等的能量。 液位傳感器不和被測(cè)介質(zhì)接觸，不受被測(cè)介質(zhì)影響，也不影響被測(cè)介質(zhì)，故適用范圍廣泛。特別是接觸式測(cè)量裝置不能適用的特殊場(chǎng)合，如高粘度、強(qiáng)腐蝕性、污染性強(qiáng)，易結(jié)晶的介質(zhì)。 下面簡(jiǎn)單介紹超聲波法和微波法的測(cè)量原理。 超聲波法：換能裝置將電功率脈沖轉(zhuǎn)換為超聲波，射向液面，經(jīng)液面反射后 再由換能器將該超聲波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，超聲波法可用于多液面的測(cè)量。 超聲波是機(jī)械波，傳播衰減小，界面反射信號(hào)強(qiáng)，且發(fā)射和接收電路簡(jiǎn)單，因而應(yīng)用較為廣泛；但超聲波的傳播速度受介質(zhì)的密度、濃度、溫度、壓力等因素影響，其測(cè)量精度往往較低。 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 微波法：微波通過天線輻射出去，經(jīng)液面反射后被天線接收，然后由二次電路計(jì)算發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)的時(shí)間差得出液位。 微波速度受傳播介質(zhì)、溫度、壓力、液體介電常數(shù)的影響很小，但液體界面的波動(dòng)、液體表面的泡沫、液體介質(zhì)的介電常數(shù)對(duì)微波反射信號(hào)強(qiáng)弱有很大影響。當(dāng)壓力超過規(guī)定數(shù)值時(shí)，壓力對(duì)液位測(cè) 量精度將產(chǎn)生顯著影響。對(duì)波導(dǎo)管的銹蝕、彎曲和傾斜都會(huì)影響測(cè)量精度。 ●光纖測(cè)量法 光纖液位檢測(cè)是近年來出現(xiàn)的一種新技術(shù)。根據(jù)光導(dǎo)纖維中光在不同介質(zhì)中傳輸特性的改變對(duì)液位進(jìn)行測(cè)量。 光纖液位測(cè)量有以下優(yōu)點(diǎn)：精度高、靈敏度好、抗電磁干擾、耐腐蝕、電絕緣性好、檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)無電、光路有抗擾性以及便于與計(jì)算機(jī)連接，便于與光纖傳輸系統(tǒng)組成網(wǎng)絡(luò)等。 目前，市面上進(jìn)行液位測(cè)量的儀表種類繁多，但是同時(shí)具有測(cè)量、監(jiān)控、數(shù)據(jù)記錄及 處理的液位測(cè)量裝置并不多。在某些工業(yè)控制系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的測(cè)量這一基本功能已不能滿足現(xiàn)代工業(yè)的要求，往往需要 對(duì)大批數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，對(duì)其進(jìn)行后期處理分析， 實(shí)現(xiàn)差錯(cuò)控制、工藝改善、資源優(yōu)化等一系列工作。為了獲得大批量的數(shù)據(jù)，得到可靠的分析資料，往往需要長(zhǎng)期、多網(wǎng)點(diǎn)的監(jiān)控記錄。在液位測(cè)量這一領(lǐng)域中，如江河湖海、城市用水等方面，大量數(shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)間，多網(wǎng)點(diǎn)的采集記錄分析具有普遍的意義。液位的變化分析，有助于人們進(jìn)一步對(duì)自然環(huán)境、天氣變化甚至是災(zāi)害預(yù)警提供可靠的支持。 本課題 主要 研究?jī)?nèi)容 本設(shè)計(jì)以水 箱 供水為模型，鑒于單片機(jī)液位測(cè)量裝置的測(cè)量準(zhǔn)確、重復(fù)性能好、功金小龍：基于單片機(jī)的液位 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 6 耗低、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)以單片機(jī)為基礎(chǔ)的液位測(cè)量監(jiān)控記錄系統(tǒng) 。具有實(shí)時(shí)液位測(cè)量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理等功能。 設(shè)計(jì)具體內(nèi)容分為以下幾個(gè)方面： （ 1） 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)以及單片機(jī)選型 ； （ 2） 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)； （ 3） 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)以及上位機(jī)與下位機(jī)通信設(shè)計(jì)。 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 第 2 章 系統(tǒng)總體方案 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 本設(shè)計(jì)以水 箱 供水為模型，鑒于單片機(jī)液位測(cè)量裝置的測(cè)量準(zhǔn)確、重復(fù)性能好、功耗低、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)以單片機(jī)為基礎(chǔ)的液位測(cè)量監(jiān)控記錄系統(tǒng)。它具有實(shí)時(shí)測(cè)量監(jiān)控水 箱 液位高度并顯示的 功能，并根據(jù)實(shí)時(shí)水量與設(shè)置的上、下液位參數(shù)的比較，啟動(dòng)電機(jī)供水 或停止 水泵 。在啟動(dòng)電機(jī)與停止 水泵 時(shí)，實(shí)時(shí)記錄時(shí)間點(diǎn)與 電機(jī)狀態(tài)。液位測(cè)量高度 ≤5米，測(cè)量精度 10%， AC220V供電。 可通過上位機(jī)軟件，可與監(jiān)控記錄系統(tǒng) 進(jìn)行 通信，能夠從 PC機(jī)獲取當(dāng)前液位高度、電機(jī)狀 態(tài)、設(shè)備系統(tǒng)時(shí)間、上下液位高度等數(shù)據(jù)，并可根據(jù)需要改變系統(tǒng)默認(rèn) 的參數(shù)。同時(shí)可以獲取設(shè)備運(yùn)行時(shí)記錄的數(shù)據(jù)，并能夠?qū)?shù)據(jù)保存。能夠根據(jù)一定的算法，計(jì)算分析單位時(shí)間水 箱 消耗水量，繪制圖形，通過計(jì)算分析的結(jié)果，可以進(jìn)行區(qū)域用水統(tǒng)籌，降低能源的消耗。 系統(tǒng)框圖 根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，采用單片機(jī)為主控芯片，通過單片機(jī)數(shù)據(jù)地址總線及 I/O端口，擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、 A/D轉(zhuǎn)換模塊、顯示模塊、時(shí)間模塊、串口通信模塊以及 A/D轉(zhuǎn)換、電機(jī)控制等外圍電路 ，從而 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需的設(shè)計(jì)功能。系統(tǒng)總體方案框圖如圖 21： 金小龍：基于單片機(jī)的液位 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 8 圖 21 系統(tǒng)總體框圖 圖中，信號(hào)流向僅指示了通過數(shù)據(jù)地址總線或 I/O口上發(fā)生的數(shù)據(jù)信號(hào)，不包括控制信號(hào)。 硬件設(shè)計(jì)方案 主控模塊設(shè)計(jì)方案 單片機(jī)作為主控模塊，使得 在 對(duì)單片機(jī)選型上有了較大的空間。 單片機(jī) 在 30多年的發(fā)展歷程中，形成了多公司、 多系列、多型號(hào) “ 百家爭(zhēng)鳴 ” 的局面。因而， 選擇一個(gè)合適的單片機(jī)有時(shí)真的不太容易 ， 要考慮的方面太多。大致總結(jié)出以下幾點(diǎn)： 1) 單片機(jī)的基本參數(shù) 。 例如速度 、 程序存儲(chǔ)器容量 、 I/O引腳數(shù)量 等。 2) 單片機(jī)的增強(qiáng)功能 。 例如看門狗 、 雙指針 、 雙串口 、 RTC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘）、 EEPROM、擴(kuò)展 RAM、 CAN接口、 I2C接口、 SPI接口、 USB接口。 3) Flash和 OTP（一次性可編程）。 電機(jī)控制模塊 A/D 轉(zhuǎn)換 模塊 按鍵與顯示模塊 時(shí)間模塊 存儲(chǔ)模塊 通信模塊 單片機(jī)主控模塊 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 4) 封裝 ： DIP（雙列直插） ,PLCC（ PLCC有對(duì)應(yīng)插座）還是貼片。 5) 工作溫度范圍 ， 工業(yè)級(jí)還是商業(yè)機(jī)。 6) 功耗。 7) 工 作電壓范圍。例如設(shè)計(jì)電視機(jī)遙控器 ， 2節(jié)干電池供電 ,至少應(yīng)該能在 ~電壓范圍內(nèi)工作。 8) 供貨渠道暢通。 9) 價(jià)格。 10) 燒錄器價(jià)格 ， 能否 ISP（在線系統(tǒng)編程）。 11) 仿真器。 12) 單片機(jī)匯編語(yǔ)言支持。 13) 資料盡量豐富。 14) 抗干擾性能好。 15) 和其他外設(shè)芯片放在一起的綜合考慮。 根據(jù)以上因素：系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求不高，因而運(yùn)算速度無需很快，且系統(tǒng)規(guī)模不大，采用 分 時(shí)復(fù)用的方式使用總線，對(duì) I/O口的數(shù)量可以要求進(jìn)一步降低。使用 4路 8位 I/O接口即可滿足設(shè)計(jì)要求；系統(tǒng)中 需要擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量為 32KB已滿足要求，因此采用 16位或準(zhǔn) 16位地址總線的單片機(jī)即可滿足設(shè)計(jì)需要；由于是實(shí)驗(yàn)階段，采用 DIP（雙列直插）封裝的芯片 便于 實(shí)驗(yàn)，暫不考慮實(shí)際工業(yè)控制中的對(duì)外界環(huán)境的具體要求；系統(tǒng)采用 AC220V供電，且對(duì)功耗沒有具體要求， 使用 DC5V為芯片供電，便于系統(tǒng)外圍電路的設(shè)計(jì)；芯片支持 ISP可節(jié)省仿真器的投入。 綜上所述，采用與 MCS51兼容的 AT89S52單片機(jī)滿足設(shè)計(jì)要求。 AT89S52是一種低功耗、高性能 CMOS工藝的 8位微控制器，具有 8K在線系統(tǒng)可編 程金小龍：基于單片機(jī)的液位 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 10 Flash存儲(chǔ)器。使用 Atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè) 8