【正文】 ……………………………… …………… 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（論文） 1 引 言 上世紀(jì) 40 年代，電子計算機的誕生，標(biāo)志著人類電子技術(shù)進(jìn)入了一個新的階段 。在深入學(xué)習(xí)科學(xué)發(fā)展觀的同時，電子設(shè)備的設(shè)計也需融入可持續(xù)發(fā)展的設(shè)計理念。安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） I 基于單片機的液位控制系統(tǒng) 的 設(shè)計 摘 要 液位測量廣泛應(yīng)用于工業(yè)、經(jīng)濟、生活等領(lǐng)域。故此，在基于單片機的液位測量裝置基礎(chǔ)上，擴展實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、計算機串行通信等功能，從而能夠通過科學(xué)的方法將液位測量與統(tǒng)計科學(xué)結(jié)合，合理調(diào)度水資源，降低能源消耗。1976 年單片機的推出為電子電路設(shè)計提供了新的思路，也促進(jìn)了模擬電路向數(shù)字電路發(fā)展的歷程。 在 工業(yè)上 ， 使用單片機可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在計算機網(wǎng)絡(luò)和通信、醫(yī)用設(shè)備、工商 、金融、科研、教育、國防、航空航天等領(lǐng)域都有著十分廣泛的應(yīng)用。 金小龍：基于單片機的液位 控制系統(tǒng)的設(shè)計 2 隨著科技的發(fā)展，液位測量技術(shù)趨于智能化、微型化、可視化。 隨著國家工業(yè)的迅速發(fā)展，液位測量技術(shù)被廣泛應(yīng)用到石油、化工、醫(yī)藥、食品等各行各業(yè)中。 人工檢尺法可用于測量油罐液位，其歷史十分悠久。 限于篇幅，下面僅簡單介紹電容測量法的基本原理。 電容式液位測量裝置通常結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、穩(wěn)定性好、動態(tài)響應(yīng)快，適合于惡劣的工作環(huán)境，生產(chǎn)成本也不高；但電容液位測量器需要考慮溫度補償，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量結(jié)果的準(zhǔn)確性，另外檢測電路比較復(fù)雜，尤其是檢測微小電容量的變化。特別是接觸式測量裝置不能適用的特殊場合，如高粘度、強腐蝕性、污染性強，易結(jié)晶的介質(zhì)。 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（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，然后由二次電路計算發(fā)射信號與接收信號的時間差得出液位。 ●光纖測量法 光纖液位檢測是近年來出現(xiàn)的一種新技術(shù)。在某些工業(yè)控制系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的測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 對大批數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，對其進(jìn)行后期處理分析， 實現(xiàn)差錯控制、工藝改善、資源優(yōu)化等一系列工作。 本課題 主要 研究內(nèi)容 本設(shè)計以水 箱 供水為模型，鑒于單片機液位測量裝置的測量準(zhǔn)確、重復(fù)性能好、功金小龍：基于單片機的液位 控制系統(tǒng)的設(shè)計 6 耗低、使用壽命長等特點，設(shè)計以單片機為基礎(chǔ)的液位測量監(jiān)控記錄系統(tǒng) 。它具有實時測量監(jiān)控水 箱 液位高度并顯示的 功能，并根據(jù)實時水量與設(shè)置的上、下液位參數(shù)的比較，啟動電機供水 或停止 水泵 。同時可以獲取設(shè)備運行時記錄的數(shù)據(jù)，并能夠?qū)?shù)據(jù)保存。 硬件設(shè)計方案 主控模塊設(shè)計方案 單片機作為主控模塊，使得 在 對單片機選型上有了較大的空間。 例如速度 、 程序存儲器容量 、 I/O引腳數(shù)量 等。 電機控制模塊 A/D 轉(zhuǎn)換 模塊 按鍵與顯示模塊 時間模塊 存儲模塊 通信模塊 單片機主控模塊 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 4) 封裝 ： DIP（雙列直插） ,PLCC（ PLCC有對應(yīng)插座）還是貼片。例如設(shè)計電視機遙控器 ， 2節(jié)干電池供電 ,至少應(yīng)該能在 ~電壓范圍內(nèi)工作。 11) 仿真器。 15) 和其他外設(shè)芯片放在一起的綜合考慮。 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：基于單片機的液位 控制系統(tǒng)的設(shè)計 10 Flash存儲器。另外， AT89S52可降至 0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持 2種軟件可選擇節(jié)電模 式?？紤]到本設(shè)計實際需要的按鍵較少，故采用獨立式鍵盤接口電路即可。 在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中， LED顯示器的現(xiàn)實方法有兩種：靜態(tài)顯示法和動態(tài)顯示法。為了解決靜態(tài)顯示占用 I/O口資源的缺點，在軟件上采用壓縮 BCD碼輸出顯示數(shù)據(jù)，硬件上使用一個 8位鎖存器 74LS273與兩個 BCD數(shù)碼顯示譯碼驅(qū)動芯片 74LS47連接，減少對系統(tǒng)資源的占用時間。 數(shù)據(jù)存儲模塊設(shè)計方案 使用 AT89S52內(nèi)部 256字節(jié)的數(shù)據(jù)存 儲器記錄數(shù)據(jù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因而需要擴展數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。 ROM通常指固化存儲器 （ 一次寫入，反復(fù)讀取 ） ，它的特點與 RAM相反。 NAND閃存的存儲單元則采用串行結(jié)構(gòu)，存儲單元的讀寫是以頁和塊為單位來進(jìn)行（一頁包含若干字節(jié)，若干頁則組成儲存塊， NAND的存儲塊大小為 8到 32KB），這種結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點在于容量可以做得很大，超過 512MB容量的 NAND產(chǎn)品相當(dāng)普遍， NAND閃存的成本較低，有利于大規(guī)模普及。 NOR的特點是芯片內(nèi)執(zhí)行 (XIP, eXecute In Place)， 這樣應(yīng)用程序可以直接在 flash閃存內(nèi)運行 ， 不必再把代碼讀到系統(tǒng) RAM中 。 可以看出 ROM的存儲復(fù)雜，不適宜實時系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲。因此選用 32K字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器，可以記錄大于 5000項記錄點數(shù)據(jù)，考慮到水 箱 上水與耗水的頻繁程度 不高 ， 5000項數(shù)據(jù)已基本滿足后期數(shù)據(jù)處理的需求。 目前市場上的時鐘芯片很多，如 DS1302/DS1307/HT1380/HT1381/PCF8563 等。時鐘 /RAM 的讀、寫數(shù)據(jù)以一個字節(jié)或多達(dá) 31 個字節(jié)的字符組方式通信。下面將主要的性能指標(biāo)作一綜合： ? 實時時鐘具有能計算 2100年之前的秒 、 分 、 時 、 日期 、 星期 、 月 、 年的能力 ，還有閏年調(diào)整的能力。 ? 工作電流 ， 小于 300nA。 ? 與 TTL兼容 Vcc=5V。 綜上所述，選用 DS1302時間芯片完全滿足設(shè)計的需求。 基本上，可以根據(jù)以下幾個方面的指標(biāo)選擇一個 A/D器件。一般把 8位以下的 A/D轉(zhuǎn)換器歸為低分辨率 A/D轉(zhuǎn)換器， 9~12位的稱為中分辨率轉(zhuǎn)換器， 13位以上的稱為高分辨率轉(zhuǎn)換器。 A/D轉(zhuǎn)換器的精度應(yīng)與測量裝置的精度相匹配。 2) A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率 A/D轉(zhuǎn)換器從啟動轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換結(jié)束，輸出穩(wěn)定的數(shù)字量，需要一定的轉(zhuǎn)換時間。根據(jù)采樣定理和實際需要，一個周期的波形需采 10個樣點，那么這樣的 A/D轉(zhuǎn)換器最高也只有處理頻率為 1KHz的模擬信號。對于其他模擬信號一般都要加采樣保持器。有的轉(zhuǎn)換器提供了不同量程的引腳，只有正確使用，才能保證轉(zhuǎn)換精度。 ADC0804是單路 8位逐次比較型雙極性輸入 A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間小于 s?100 。 不同設(shè)備間串口通信的過程中，需要采用相同的的接口標(biāo)準(zhǔn)才能通信。 區(qū)別于 RS232， RS485的特性包括： 1) RS485的電氣特性：邏輯 “ 1” 以兩線間的電壓差為 ＋ （ 2~6） V表示；邏輯 “ 0”以兩線間的電壓差為 － （ 2~6） V表示。 4) RS485接口的最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為 4000英尺，實際上可達(dá) 3000米，另外RS232C接口在總線上只允許連接 1個收發(fā)器，即單站能力。 PC機作為上位機，一般情況下帶有 RS232C通信接口，鑒于 RS485接口的優(yōu)點與系統(tǒng)實際工作環(huán)境的需要，系統(tǒng)采用 RS485接口標(biāo)準(zhǔn)，使用 RS232/RS485轉(zhuǎn)換器與 PC機連接進(jìn)行通信。 電機控制模塊設(shè)計方案 由于設(shè)計中 沒有 規(guī)定水泵電機的參數(shù)規(guī)格，而且不同型號的水泵參數(shù)不盡相同，電氣參數(shù)的不同使得在電路上的設(shè)計差異較大，因此在此僅作理論演示。 繼電器主要產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)： 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 1) 額定工作電壓。是指繼電器中線圈的直流電阻，可以通過萬能表測量。而對于線圈所加的工作電壓，一般不要 超過額定工作電壓的 ，否則會產(chǎn)生較大的電流而把線圈燒毀。這時的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于吸合電流。 根據(jù)以上的參數(shù)，結(jié)合設(shè)計的演示性，選用額定工作電壓 120VAC/24VDC，工作電流3A，控制電壓 5VDC的小型繼電器。對 P0端口寫 “ 1” 時，引腳用作高阻抗輸入。程序校驗時，需要外部上拉電阻。此外， /計數(shù)器 2的外部計數(shù)輸入（ ）和 定 時器 /計數(shù)器 2的觸發(fā)輸入（ ），具體如下所示 ： ? 在 FLASH編程和校驗時， P1口接收低 8位地址字節(jié)。在訪問外部程序存儲器或用 16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行 MOVX DPTR）時， P2口送出高八位地址。 P3口 ： P3口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O口， P3輸出緩沖器能驅(qū)動 4個 TTL邏輯電平。 表 31 端口引腳第二功能 端口號 第二功能 RXD（ 串行輸入口 ) TXD(串行輸出口 ) INTO(外中斷 0) INT1(外中斷 1) TO(定時 /計數(shù)器 0) T1(定時 /計數(shù)器 1) WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 ) RD(外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通 ) 此外， P3口還接收一些用于 FLASH閃存編程和程序校驗的控制信號。一般情況下， ALE仍以時鐘振蕩頻率的 1/6輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。該位置位后，只有一條 MOVX和 MOVC指令才能將 ALE激活。需注意的是：如果加密位 LB1被編程，復(fù)位時內(nèi)部會鎖存 EA端狀態(tài)。 XTAL2： 振蕩器反相放大器的輸出端。根據(jù)電路設(shè)計規(guī)范和 AT89S52芯片手冊，設(shè)計時鐘電路與復(fù)位電路如 圖 32： 金小龍：基于單片機的液位 控制系統(tǒng)的設(shè)計 24 圖 32 復(fù)位電路及時鐘電路 圖中網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號 RST連接單片機 RST引腳，具有上電復(fù)位與手動復(fù)位的功能； XTAL1與XTAL2連接單片機 XTAL1和 XTAL2引腳，且并聯(lián)兩個 30pF匹配電容使晶振起振。它是將每個獨立按鍵 按一對一的方式直接接到單片機的I/O口上 ，通過程序掃描查詢方式實現(xiàn)與單片機系統(tǒng)交互的。其作用就是通過按動它們實現(xiàn)對高低警戒液位的設(shè)置 。 74LS47上 BI/ROB， LI， RBI引腳為控制引腳，主要用于測試和脈沖控制，均為低電平有效，設(shè)計上不適用此項功能，因此均接高電平。 根據(jù)以上的設(shè)計思路，設(shè)計電路圖如 圖 35： 存儲單元硬件設(shè)計 存儲模塊的硬件設(shè)計比較簡單，由于 AT89S52單片機為數(shù)據(jù)線與低 8位地址線復(fù)用，需要使用地址鎖存芯片 74LS373。 74LS273 也可以作為地址鎖存器來用， 作 鎖存器時，對 273 來說， 1（ CLR）腳必須接高電平， ALE 信號經(jīng) 過反相后接 11 腳 （ 因為單片機的 ALE 信號是以下降沿方式出現(xiàn) ） 對 373來說， 1腳接低電平，保證使能， 11腳直接接單片機的 ALE信號。在主電源關(guān)閉的情況下，也能保持時鐘的連續(xù)運行。 RST是復(fù)位 /片選線，通過把 RST輸入驅(qū)動置高電平來啟動所有的數(shù)據(jù)傳輸。上電運行時，在 Vcc≥ ， RST必須保持低電平。根據(jù) DS1302的特點，設(shè)計電路如圖 39： 圖 39 時間單元電路 在實際應(yīng)用中，起控制、輸入輸出的三個端口上拉較弱，容因產(chǎn)生信號串?dāng)_，因此加上了上拉電阻與單片機 P1口相連，加強信號的穩(wěn)定性；為了保證時鐘的可靠性，在 Vcc1上使用了 CR2032紐扣電池 作為備用電源，輸出電壓為 3V，從而保證了系統(tǒng)掉電狀態(tài)下，時鐘能夠繼續(xù)保持運行。 /RD為高電平時， DB0~DB7處于高阻抗： /RD為低電平時，數(shù)據(jù)才會輸出。 VIN(+) VIN() 差動模擬電壓輸入 。 DB0~DB7 8位的數(shù)字輸出。 另外，以阻抗型液位 傳感器為模型，液位傳感器阻值變化與液位的高度是成正比的，安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 33 因此需要將電阻值轉(zhuǎn)換為電壓值匹配 A/D轉(zhuǎn)換器。因此，液位高度的變化同樣正比于輸入電壓， 故 而 A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)據(jù)正比于液位高度。由于 MAX485 為半雙工通信方式，不能同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，只能通過控制 RE和 DE 引腳的狀態(tài)來進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。 硬件電路如圖 313： 圖 313 串行通信模塊電路圖 其他外圍電路的設(shè)計 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 35 繼電器電路設(shè)計。 電源 指示燈設(shè)計如圖 315。 它 兼顧了多種高級語言的特點，并具備匯編語言的功能。 本設(shè)計使用 KEIL C51 μVision3為開發(fā)編譯環(huán)境，使用 C語言編寫程序，實現(xiàn)各模塊功能設(shè)計。具體分為以下幾個模塊列表描述。為了將這個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為為壓縮 BCD碼，再將 10/1n ，得到的商左移四位（ 相當(dāng)于乘以 16）為壓縮 BCD碼高四位，余數(shù)為壓縮 BCD碼低四位，二者相加，就是最終的結(jié)果。對 8