【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(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 。在深入學(xué)習(xí)科學(xué)發(fā)展觀的同時(shí)，電子設(shè)備的設(shè)計(jì)也需融入可持續(xù)發(fā)展的設(shè)計(jì)理念。安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I 基于單片機(jī)的液位控制系統(tǒng) 的 設(shè)計(jì) 摘 要 液位測(cè)量廣泛應(yīng)用于工業(yè)、經(jīng)濟(jì)、生活等領(lǐng)域。故此，在基于單片機(jī)的液位測(cè)量裝置基礎(chǔ)上，擴(kuò)展實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、計(jì)算機(jī)串行通信等功能，從而能夠通過科學(xué)的方法將液位測(cè)量與統(tǒng)計(jì)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(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。 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)。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(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。 隨著國家工業(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。 人工檢尺法可用于測(cè)量油罐液位，其歷史十分悠久。 限于篇幅，下面僅簡(jiǎn)單介紹電容測(cè)量法的基本原理。 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。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)。 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。 ●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)。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。 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) 。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 。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。 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。 例如速度 、 程序存儲(chǔ)器容量 、 I/O引腳數(shù)量 等。 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。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。 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(jī)的液位 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 10 Flash存儲(chǔ)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(jì)實(shí)際需要的按鍵較少，故采用獨(dú)立式鍵盤接口電路即可。 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中， LED顯示器的現(xiàn)實(shí)方法有兩種：靜態(tài)顯示法和動(dòng)態(tài)顯示法。為了解決靜態(tài)顯示占用 I/O口資源的缺點(diǎn)，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(gè) 8位鎖存器 74LS273與兩個(gè) BCD數(shù)碼顯示譯碼驅(qū)動(dòng)芯片 74LS47連接，減少對(duì)系統(tǒng)資源的占用時(shí)間。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)方案 使用 AT89S52內(nèi)部 256字節(jié)的數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)器記錄數(shù)據(jù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因而需要擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。 ROM通常指固化存儲(chǔ)器 （ 一次寫入，反復(fù)讀取 ） ，它的特點(diǎn)與 RAM相反。 NAND閃存的存儲(chǔ)單元?jiǎng)t采用串行結(jié)構(gòu)，存儲(chǔ)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(chǔ)存塊， NAND的存儲(chǔ)塊大小為 8到 32KB），這種結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)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(yùn)行 ， 不必再把代碼讀到系統(tǒng) RAM中 。 可以看出 ROM的存儲(chǔ)復(fù)雜，不適宜實(shí)時(shí)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。因此選用 32K字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，可以記錄大于 5000項(xiàng)記錄點(diǎn)數(shù)據(jù)，考慮到水 箱 上水與耗水的頻繁程度 不高 ， 5000項(xiàng)數(shù)據(jù)已基本滿足后期數(shù)據(jù)處理的需求。 目前市場(chǎng)上的時(shí)鐘芯片很多，如 DS1302/DS1307/HT1380/HT1381/PCF8563 等。時(shí)鐘 /RAM 的讀、寫數(shù)據(jù)以一個(gè)字節(jié)或多達(dá) 31 個(gè)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(shí)時(shí)時(shí)鐘具有能計(jì)算 2100年之前的秒 、 分 、 時(shí) 、 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(shí)間芯片完全滿足設(shè)計(jì)的需求。 基本上，可以根據(jù)以下幾個(gè)方面的指標(biāo)選擇一個(gè) 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(cè)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(dòng)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(shí)間。根據(jù)采樣定理和實(shí)際需要，一個(gè)周期的波形需采 10個(gè)樣點(diǎn)，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(hào)。對(duì)于其他模擬信號(hào)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(shí)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(shí)際上可達(dá) 3000米，另外RS232C接口在總線上只允許連接 1個(gè)收發(fā)器，即單站能力。 PC機(jī)作為上位機(jī)，一般情況下帶有 RS232C通信接口，鑒于 RS485接口的優(yōu)點(diǎn)與系統(tǒng)實(shí)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(jī)連接進(jìn)行通信。 電機(jī)控制模塊設(shè)計(jì)方案 由于設(shè)計(jì)中 沒有 規(guī)定水泵電機(jī)的參數(shù)規(guī)格，而且不同型號(hào)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(jì)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(jì)（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(cè)量。而對(duì)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(huì)產(chǎn)生較大的電流而把線圈燒毀。這時(shí)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(jì)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(duì) P0端口寫 “ 1” 時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。程序校驗(yàn)時(shí)，需要外部上拉電阻。此外， /計(jì)數(shù)器 2的外部計(jì)數(shù)輸入（ ）和 定 時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 2的觸發(fā)輸入（ ），具體如下所示 ： ? 在 FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)， P1口接收低 8位地址字節(jié)。在訪問外部程序存儲(chǔ)器或用 16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行 MOVX DPTR）時(shí)， P2口送出高八位地址。 P3口 ： P3口是一個(gè)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(dòng) 4個(gè) TTL邏輯電平。 表 31 端口引腳第二功能 端口號(hào) 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(shí) /計(jì)數(shù)器 0) T1(定時(shí) /計(jì)數(shù)器 1) WR(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通 ) RD(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(yàn)的控制信號(hào)。一般情況下， ALE仍以時(shí)鐘振蕩頻率的 1/6輸出固定的脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)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(shí)內(nèi)部會(huì)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(jì)規(guī)范和 AT89S52芯片手冊(cè)，設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路與復(fù)位電路如 圖 32： 金小龍：基于單片機(jī)的液位 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 24 圖 32 復(fù)位電路及時(shí)鐘電路 圖中網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào) RST連接單片機(jī) RST引腳，具有上電復(fù)位與手動(dòng)復(fù)位的功能； XTAL1與XTAL2連接單片機(jī) XTAL1和 XTAL2引腳，且并聯(lián)兩個(gè) 30pF匹配電容使晶振起振。它是將每個(gè)獨(dú)立按鍵 按一對(duì)一的方式直接接到單片機(jī)的I/O口上 ，通過程序掃描查詢方式實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)系統(tǒng)交互的。其作用就是通過按動(dòng)它們實(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)試和脈沖控制，均為低電平有效，設(shè)計(jì)上不適用此項(xiàng)功能，因此均接高電平。 根據(jù)以上的設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)電路圖如 圖 35： 存儲(chǔ)單元硬件設(shè)計(jì) 存儲(chǔ)模塊的硬件設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，由于 AT89S52單片機(jī)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(shí)，對(duì) 273 來說， 1（ CLR）腳必須接高電平， ALE 信號(hào)經(jīng) 過反相后接 11 腳 （ 因?yàn)閱纹瑱C(jī)的 ALE 信號(hào)是以下降沿方式出現(xiàn) ） 對(duì) 373來說， 1腳接低電平，保證使能， 11腳直接接單片機(jī)的 ALE信號(hào)。在主電源關(guān)閉的情況下，也能保持時(shí)鐘的連續(xù)運(yùn)行。 RST是復(fù)位 /片選線，通過把 RST輸入驅(qū)動(dòng)置高電平來啟動(dòng)所有的數(shù)據(jù)傳輸。上電運(yùn)行時(shí)，在 Vcc≥ ， RST必須保持低電平。根據(jù) DS1302的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)電路如圖 39： 圖 39 時(shí)間單元電路 在實(shí)際應(yīng)用中，起控制、輸入輸出的三個(gè)端口上拉較弱，容因產(chǎn)生信號(hào)串?dāng)_，因此加上了上拉電阻與單片機(jī) P1口相連，加強(qiáng)信號(hào)的穩(wěn)定性；為了保證時(shí)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(shí)鐘能夠繼續(xù)保持運(yùn)行。 /RD為高電平時(shí)， DB0~DB7處于高阻抗： /RD為低電平時(shí)，數(shù)據(jù)才會(huì)輸出。 VIN(+) VIN() 差動(dòng)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(jì)（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(shí)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(jì) 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 35 繼電器電路設(shè)計(jì)。 電源 指示燈設(shè)計(jì)如圖 315。 它 兼顧了多種高級(jí)語言的特點(diǎn)，并具備匯編語言的功能。 本設(shè)計(jì)使用 KEIL C51 μVision3為開發(fā)編譯環(huán)境，使用 C語言編寫程序，實(shí)現(xiàn)各模塊功能設(shè)計(jì)。具體分為以下幾個(gè)模塊列表描述。為了將這個(gè)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(duì) 8