【正文】 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)。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?！窆饫w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)。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。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)。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。限于篇幅，下面僅簡(jiǎn)單介紹電容測(cè)量法的基本原理。人工檢尺法可用于測(cè)量油罐液位，其歷史十分悠久。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。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。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?！穹墙佑|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。下面簡(jiǎn)單介紹超聲波法和微波法的測(cè)量原理。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。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。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。具有實(shí)時(shí)液位測(cè)量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理等功能。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)。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。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。2) 單片機(jī)的增強(qiáng)功能。5) 工作溫度范圍，工業(yè)級(jí)還是商業(yè)機(jī)。8) 供貨渠道暢通。12) 單片機(jī)匯編語(yǔ)言支持。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Atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。 顯示模塊設(shè)計(jì)方案顯示器是計(jì)算機(jī)的主要輸出設(shè)備，在簡(jiǎn)單的工業(yè)控制系統(tǒng)中，常用的顯示器有數(shù)碼管顯示器（LED），液晶顯示器（LCD）等，該系統(tǒng)僅需顯示液位高度，即數(shù)字量，采用LED顯示器已能滿足系統(tǒng)要求。靜態(tài)顯示法的優(yōu)點(diǎn)是顯示程序十分簡(jiǎn)單，顯示亮度大，由于CPU不必經(jīng)常掃描顯示器，所以節(jié)約了CPU的工作時(shí)間。由于74LS47譯碼為共陽(yáng)極數(shù)碼管的碼表，因而選用8段（帶小數(shù)點(diǎn)）共陽(yáng)極LED用于數(shù)據(jù)顯示。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可選擇的種類繁多，常用的有隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）、只讀存儲(chǔ)器（ROM）與閃存（FLASH）。ROM又分一次性固化、光擦除和電擦除重寫兩種類型。NAND閃存的缺點(diǎn)在于讀速度較慢，它的I/O端口只有8個(gè)，比NOR要少多了。NOR的傳輸效率很高，在1～4MB的小容量時(shí)具有很高的成本效益，但是很低的寫入和擦除速度大大影響了它的性能。FLASH是一個(gè)不錯(cuò)的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)在不掉電的工作環(huán)境下；軟件上，上位機(jī)軟件對(duì)數(shù)據(jù)提取后即可保存在PC機(jī)中，5000項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間上的緩沖是充足的。DS1302是DALLAS公司推出的涓流充電時(shí)鐘芯片，內(nèi)含有一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷和31字節(jié)靜態(tài)RAM，通過簡(jiǎn)單的串行接口與單片機(jī)進(jìn)行通信。DS1302工作時(shí)功耗很低，保持?jǐn)?shù)據(jù)和時(shí)鐘信息時(shí)功率小于1mW。l 31*8位暫存數(shù)據(jù)存儲(chǔ)RAM。l 讀/寫時(shí)鐘或RAM數(shù)據(jù)時(shí)有兩種傳送方式單字節(jié)傳送和多字節(jié)傳送字符組方式。l 可選工業(yè)級(jí)溫度范圍－40至＋85攝氏度。 A/D轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)方案A/D器件和芯片是實(shí)現(xiàn)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集的常用外圍器件。1) A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)的確定，應(yīng)該從數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)平滑性這兩個(gè)方面進(jìn)行考慮。10位以下的A/D芯片誤差較大，11位以上對(duì)減小誤差并無太大貢獻(xiàn)，但對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器的要求卻提得過高。也就是說，一方面要求量化誤差在總誤差中所占的比重要小，使它不顯著地?cái)U(kuò)大測(cè)量誤差；另一方面必須根據(jù)目前測(cè)量裝置的精度水平，對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)提出恰當(dāng)?shù)囊?。轉(zhuǎn)換時(shí)間的倒數(shù)就是每秒鐘能完成的轉(zhuǎn)換次數(shù)，稱為轉(zhuǎn)換速率。把轉(zhuǎn)換時(shí)間減小，信號(hào)頻率可提高。如果信號(hào)頻率不高，A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間短，即采樣高速A/D時(shí)，也可不用采樣/保持器。在使用中，影響A/D轉(zhuǎn)換器量程的因素有：量程變換和雙極性偏置；雙基準(zhǔn)電壓；A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部比較器輸入端的正確使用。量化間隔： （21）絕對(duì)量化誤差： （22）相對(duì)量化誤差： （23）在液位傳感器誤差與參考電壓誤差不大的情況下，ADC0804是完全滿足設(shè)計(jì)誤差要求的。典型的串行通訊標(biāo)準(zhǔn)是RS232和RS485，它們定義了電壓，阻抗等，但不對(duì)軟件協(xié)議給予定義。接口信號(hào)電平比RS232C降低了，就不易損壞接口電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL電路連接。而RS485接口在總線上是允許連接多達(dá)128個(gè)收發(fā)器。MAX485接口芯片是Maxim公司的一種RS485芯片。選用繼電器作為電機(jī)控制的元件。是指繼電器正常工作時(shí)線圈所需要的電壓。3) 吸合電流。4) 釋放電流。5) 觸點(diǎn)切換電壓和電流。第3章 硬件電路設(shè)計(jì) AT89S52硬件設(shè)計(jì)AT89S52引腳定義及功能介紹如圖31。當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。P1口：P1口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。l 引腳號(hào)第二功能：（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的外部計(jì)數(shù)輸入），時(shí)鐘輸出（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號(hào)和方向控制） MOSI （在系統(tǒng)編程用） MISO （在系統(tǒng)編程用） SCK （在系統(tǒng)編程用）P2口：P2口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。在這種應(yīng)用中，P2口使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送1。對(duì)P3端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。RST——復(fù)位輸入。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過一個(gè)ALE脈沖。此外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置ALE禁止位無效。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的指令。為了便于接下來的說明，單片機(jī)各管腳網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)定義如圖31。由于單片機(jī)P0口作普通I/O口時(shí)不能輸出高電平，因此需接上拉電阻，實(shí)際電路中，使用8*10KΩ電阻作為上拉電阻。在程序查詢方式下，通過I/O端口讀入按鍵狀態(tài)，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，相應(yīng)的I/O端口變?yōu)榈碗娖?，而未被按下的按鍵在上拉電阻作用下為高電平，這樣通過讀I/O口的狀態(tài)判斷是否有按鍵按下。具體來說，SS4分別實(shí)現(xiàn)數(shù)字的增一與減一，SS5則作為高低警戒液位的模式選擇和確認(rèn)鍵。A0~A3是BCD輸入，分解74LS273輸出的高、低四位。上文中已敘述，使用32KRAM作為存儲(chǔ)芯片，因此選用與51系列兼容的62256隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。按照常規(guī)的連接方法設(shè)計(jì)電路圖37如示。DS1302由Vcc1或Vcc2兩者中電壓較大者供電。RST輸入有兩種功能：首先RST接通控制邏輯，允許地址/命令序列送入移位寄存存器；其次，RST提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。只有在SCLK為低電平時(shí)，才能將RST置為高電平。 A/D轉(zhuǎn)換單元硬件設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換模塊是系統(tǒng)中較為重要的一部分，由于涉及到模擬部分，A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。/WR 用來啟動(dòng)轉(zhuǎn)換的控制輸入，相當(dāng)于ADC的轉(zhuǎn)換開始（/CS=0時(shí)），當(dāng)/WR由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，轉(zhuǎn)換器被清除；當(dāng)/WR回到高電平時(shí)，轉(zhuǎn)換正式開始。輸入單端正電壓時(shí),VIN()接地；而差動(dòng)輸入時(shí),直接加入VIN(+) VIN()。VCC 電源供應(yīng)以及作為電路的參考電壓。常用的阻抗電壓轉(zhuǎn)換法如歐姆法。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)調(diào)試過程，使用系統(tǒng)內(nèi)部5V電壓作為模擬輸入，VIN()直接接地，通過接入傳感器分壓將阻抗轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，接入電位器可實(shí)現(xiàn)模擬輸入。為了節(jié)省單片機(jī)I/O口資源，將RE和DE引腳連在一起，輸入低電平時(shí)，MAX485處于接收狀態(tài)；輸入高電平時(shí)，其處于發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)。由于使用單片機(jī)I/O口的驅(qū)動(dòng)電流較弱，不滿足繼電器吸合電流參數(shù)的要求，所以需使用三極管驅(qū)動(dòng)繼電器吸合。圖314 繼電器部分電路圖圖315 電源指示燈電路圖第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件 系統(tǒng)軟件編譯開發(fā)環(huán)境8051系類單片機(jī)共擁有111條系統(tǒng)指令，可實(shí)現(xiàn)51種基本操作。用C語(yǔ)言來編寫目標(biāo)系統(tǒng)軟件，會(huì)大大縮短開發(fā)周期，增加軟件的可讀性，便于改進(jìn)和擴(kuò)充。 系統(tǒng)主程序流程圖系統(tǒng)主程序的功能主要是完成對(duì)單片機(jī)的初始化，設(shè)置警戒液位的上下限，實(shí)時(shí)顯示液位值以及鍵盤掃描等工作。表41 初始化參數(shù)及含義模塊變量/端口初始值功能控制端口初始化adRD/1A/D轉(zhuǎn)換芯片數(shù)據(jù)讀入控制，初始為不讀入adWR/0A/D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換控制，初始為停止E/0通信接收發(fā)送控制，初始為接收DIS/0顯示數(shù)據(jù)鎖存控制，初始為保持RELAY/1繼電器控制，初始狀態(tài)為斷開波特率發(fā)生器初始化TMOD0x22單片機(jī)片內(nèi)定時(shí)/計(jì)數(shù)器工作在方式二SCON0x40串行口為8位UART工作方式TH10xf4波特率設(shè)置為4800bpsTL10xf4IE0禁止定時(shí)器中斷TR11啟動(dòng)定時(shí)器REN1允許串行口接收數(shù)據(jù)時(shí)間初始化sec0x00初始化系統(tǒng)時(shí)間為2011年1月1日0時(shí)0分0秒星期六其中sec,min,hr,date,mon,day,year依次為秒、分、時(shí)、日、月、星期、年min0x00hr0x00date0x01mon0x01day0x06year0x11數(shù)據(jù)參數(shù)初始化xmark0x7531數(shù)據(jù)存儲(chǔ)狀態(tài)標(biāo)志字節(jié)指針numtab0x0001數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)指針uplq0xCF高液位警戒高度，初始值downlq0x10低液位警戒高度，初始值初始化過程中，調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換模塊獲得首次液位數(shù)據(jù)，同時(shí)將其顯示，完成初始化工作開始CPU初始化參數(shù)設(shè)定是否有按鍵采樣子程序顯示實(shí)時(shí)液位數(shù)據(jù)處理子程序控制電機(jī)啟停按鍵處理是否圖41 主程序流程圖 顯示與A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，顯示輸出的要求為壓縮BCD碼，而A/D轉(zhuǎn)換輸入的數(shù)據(jù)是8位16進(jìn)制碼，因此在實(shí)現(xiàn)顯示之前需要編碼的轉(zhuǎn)換。顯示轉(zhuǎn)換部分程序簡(jiǎn)略如下：uchar dis_transform(uchar num){uchar ac, quotient, play, mid 。ac=quotient%10。} 按鍵部分軟件設(shè)計(jì)由于使用的按鍵較少，所以本文采用了獨(dú)立式鍵盤，即每個(gè)按鍵單獨(dú)占用一根口線。0x3c圖42 鍵盤程序流程圖調(diào)用相應(yīng)子程序下面給出鍵盤掃描的主程序，其分支程序省略。 /*讀取鍵值*/switch（Key_value）{case 0x38:delay(30000)。} /*調(diào)用子函數(shù)*/else break。break。硬件設(shè)計(jì)中使用了74LS273鎖存數(shù)據(jù)。_nop_()。_nop_()。該模塊分為兩個(gè)階段，第一階段是為A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)控制，通過adWR復(fù)位→延遲→置位完成。其程序流程圖如圖43所示。_nop_()。 key==1){RELAY=1。amp。}}啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換讀取液位數(shù)據(jù)開始實(shí)際液位≥高警戒液位且電機(jī)已啟動(dòng)關(guān)閉電機(jī)記錄數(shù)據(jù)實(shí)際液位≤低警戒液位且電機(jī)關(guān)閉返回啟動(dòng)電機(jī)記錄數(shù)據(jù)是否是否圖43 液位檢測(cè)流程圖 通信協(xié)議及通信模塊軟件設(shè)計(jì)1) 通信協(xié)議為了使PC上位機(jī)與設(shè)備實(shí)現(xiàn)有意義的通信，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單的通信協(xié)議。軟件設(shè)計(jì)上，系統(tǒng)以查詢的方式檢測(cè)上位機(jī)的命令控制字，并及時(shí)進(jìn)入各響應(yīng)函數(shù)予以響應(yīng)。發(fā)送的過程：置E為1，使系統(tǒng)處于發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)；將數(shù)據(jù)寫入串行通信緩沖區(qū)SBUF；等待，直到發(fā)送完畢，將E清0，返回接收狀態(tài)。其中：l CH： 時(shí)鐘停止位寄存器2的第7位12/24小時(shí)標(biāo)志CH=0 振蕩器工作允許bit7=1，12小時(shí)模式CH=1 振蕩器停止bit7=0，24小時(shí)模式l WP： 寫保護(hù)位寄存