【文章內容簡介】 二節(jié) 模數(shù)轉換 當壓力傳感器檢測出水塔的液位高度轉換成電信號輸出時，此信號為模擬信號仍然不能直接送給單片機進行分析比較，需要在送 單片機之前進行模數(shù)轉換（ AD 轉換） ,將模擬信號轉換成數(shù)字信號再傳送給單片機。 天津科技大學 2021 屆本科畢業(yè)設計 8 一、 AD 轉換器的分類 （ 1）按數(shù)字輸入方式可分為并行 AD 轉換器和串行 AD轉換器。 （ 2）按工作原理及特點可分為積分型、逐次逼近型、并行比較型 /串并行型、∑△調制型、 VF變換型等。 （ 3）按輸出極性可分為單極性和雙極性。 二、 串并行 AD 轉換器的選取 串行 AD轉換器比并行 AD轉換器節(jié)約串口資源，沒有并行 8位通道間的相互干擾，現(xiàn)在已被越來越廣泛的應用于電子設計中，故本次設計選用的就是串行模數(shù)轉換器。 三、 AD 轉換器芯片型號的選取 串行 AD轉換器的集成芯片也是種類繁多，其中 TLC0832 與 TLC0834 都是被廣泛應用的芯片。 TLC0832 是美國德州儀器公司生產的串行控制模數(shù)轉換器，有兩個多路選擇的輸入通道，與單片機或控制器通過三線接口連接，具有 8位分辨率， 5V單電源供電，輸入與輸出電平與 TTL 和 CMOS 兼容等特點。而 TLC0834 同樣是 8位分辨率， 5V單電源供電，輸入輸出電平與 TTL 和 CMOS 兼容的串行逐次逼近型 AD 轉換器，但是 TLC0834 在模數(shù)轉換過程中采用光電隔離方式，使其具有較強的抗干擾性能，故本次 水塔水位智能控制系統(tǒng)設計中采用的是 TLC0834芯片。 第三節(jié) 控制模塊 本文對水塔水位所設計控制模塊主要包括以單片機為核心的，通過繼電器控制的水泵的工作過程的設計。對水泵電機控制的設計雖然多種多樣，但是考慮繼電器的特點是小電流控制大電流，不僅是一種可以自動控制的電器，而且對系統(tǒng)線路還兼有保護作用，同時，通過繼電器控制電機啟停技術已被廣泛應用于此類設計中，相對安全可靠，深受設計者喜愛。 一、 繼電器的介紹 繼電器是具有隔離功能的自動開關元件，在本次設計當中主要來做自動控制作用，系統(tǒng)采用 +5V 的直流電來控制 220V 的交流電，以達到控制水泵的作用，因為是在這里是以一種弱電來控制強電，所以安裝和使用的過程當中一定要注意用電安全注意事項。 磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產生電磁效應，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。當線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反 作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）吸合。這樣吸合、釋放，從而達到了在電路中的導通、切斷的目的。對于繼電器的“常開、 天津科技大學 2021 屆本科畢業(yè)設計 9 常閉”觸點，可以這樣來區(qū)分：繼電器線圈未通電時處于斷開狀態(tài)的靜觸點，稱為“常開觸點”；處于接通狀態(tài)的靜觸點稱為“常閉觸點”。 常用的繼電器可分為電流繼電器、電壓繼電器、中間繼電器、時間繼電器、熱繼電器以及干簧繼電器等。 （ 1） 熱繼電器是一種通過電流簡介反應被控電器發(fā)熱狀態(tài)的防護器件。 （ 2）干簧繼電器是一種新型密封觸點的繼電器，它既能導磁又能導電，兼有普通電磁繼電器的觸點和磁 路系統(tǒng)的雙重作用，具備快速動作、靈敏度高、穩(wěn)定可靠和消耗功率低等優(yōu)點。 （ 3）時間繼電器是在電路中對動作時間起控制作用的繼電器。 （ 4）中間繼電器具有觸點多、觸點電流大和動作靈敏等特點，常用于某一電器與被控電路之間，以擴大電器的控制觸點數(shù)量和容量。 （ 5）電流繼電器和電壓繼電器屬于常用的電磁繼電器之一。如果繼電器是按通入線圈的電流的大小而動作的，就是電流繼電器，電流繼電器是串聯(lián)在負載中使用的，其線圈匝數(shù)少、內阻低，可以保護線路不因電流過大而收到損壞；如果繼電器是按照施加到線圈上的電壓大小來動作的，就是電 壓繼電器，電壓繼電器與負載電路并聯(lián)工作，所以線圈匝數(shù)較多、阻抗較高。故本次對于水泵電機的控制選用的是電流繼電器。 第四節(jié) 顯示模塊 測控系統(tǒng)中常用的測量數(shù)據的顯示器有發(fā)光二極管顯示器（ LED）和液晶顯示器（ LCD）兩種。 一、 LED 顯示器 LED 顯示器通常是由多位 LED 數(shù)碼管排列而成，每位數(shù)碼管內部有 8個半導體發(fā)光二極管，其中七個發(fā)光二極管擺成七筆字形“８”，還有一個發(fā)光二極管用來顯示小數(shù)點。這種顯示塊有共陰極和共陽極兩種，八個二極管的陰極并接成一個公共端稱為共陰極；八個二極管的陽極并接成一個公共端，稱 為共陽極。其主要是通過這些發(fā)光二級管的亮滅來顯示字符。 為了在 LED 上顯示數(shù)字，必須將要顯示的數(shù)字轉換成相應的段選碼，這可通過硬件譯碼或軟件譯碼來實現(xiàn)，硬件譯碼電路由鎖存器、譯碼器、驅動器組成，鎖存器用于所存每位要顯示數(shù)字的四位二進制代碼或 BCD 碼，譯碼器通過驅動器與 LED 顯示器的 8 個發(fā)光二極管相連，使相應段的二極管點亮，顯示出數(shù)字或字符。 二、 LCD 顯示器 液晶顯示品種多，內部結構復雜，字符型液晶顯示電路板有兩種點陣顯示字符： 5 7 和 5 10；每種點陣又分為 1行、 2行和 4 行三類，沒行有 1 80等多種字符位長度， LCD液晶顯示器主要是在兩片平行的玻璃當中放置液 天津科技大學 2021 屆本科畢業(yè)設計 10 態(tài)的晶體，它兼有液體的流動性和晶體的光學特性，兩片玻璃中間有許多垂直和水平的細小電線，透過通電與否來控制桿狀水晶分子改變方向，將光線折射出來產生顯示畫面。 LCD 顯示器具有低壓功耗小，顯示信息量大，壽命長等特點。 LCD 顯示器的缺點 缺點 一：可視偏轉角度小。 缺點二：容易產生影像拖尾現(xiàn)象 (例如鼠標指針快速晃動 )，這是由于普通液晶屏多為 60Hz(每秒顯示 60 幀 )，而 CRT 多為 85Hz(每秒 85 幀 )。不過這個問題主要出現(xiàn)在液晶顯示器剛流行時的游戲中（即 “ 畫面撕裂 ” ），之后已經基本解決，如果仍然出現(xiàn)可利用 垂直同步 解決。 缺點三： 液晶顯示 器 的亮度和對比度不是很好。 缺點四： 液晶 “ 壞點 ” 問題。 缺點五：壽命有限 [2]。 缺點六：當分辨率低于顯示器的默認分辨率時，畫面模糊會非常明顯，而CRT 即使當前分辨率低于默認 1 倍也不會十分明顯。 缺點七：當分辨率大于顯示器的默認分辨率時（需要軟件強制設定），細節(jié)處的色彩會丟失，而 CRT 是屏幕閃爍嚴重且畫面明顯模糊。 在單片機系統(tǒng)中應用晶液顯示器作為輸出器件有以下幾個優(yōu)點： 顯示質量高由于液晶顯示器每一個點在收到信號后就一直保持那種色彩和亮度，恒定發(fā)光，而不像陰極射線管顯示器（ CRT）那樣需要不斷刷新新亮點。因此，液晶顯示器畫質高且不會閃爍。 數(shù)字式接口 液晶顯示器都是數(shù)字式的，和單片機系統(tǒng)的接口更加簡單可靠，操作更加方便。 體積小、重量輕 液晶顯示器通過顯示屏上的電極控制液晶分子狀態(tài)來達到顯示的目的，在重量上比相同顯示面積的傳統(tǒng)顯示器要輕得多。 功耗低 相對而言，液晶顯示器的功耗主要消耗在其內部的電極和驅動 IC 上，因而耗電量比其它顯示器要少得多。 所以本次設計針對水塔水位高度的顯示選用了 LCD 顯示器。此次顯示水位用的是5 7 點陣 2行 16 位字符長度的 1602 液晶顯示器。 第 三 章 系統(tǒng)硬件設計 第一節(jié) 單片機 AT89C51 AT89C51 是一種帶 4K字節(jié) FLASH 存儲器 （ FPEROM— Flash Programmable and 天津科技大學 2021 屆本科畢業(yè)設計 11 Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能 CMOS 8 位 微處理器 ，俗稱 單片機 。 AT89C2051 是一種帶 2K 字節(jié) 閃存可編程可擦除 只讀存儲器 的 單片機 。 單 片機 的可擦除 只讀存儲器 可以反復擦除 1000 次。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器 制造技術制造，與工業(yè)標準的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃速 存儲器 組合在單個芯片 中。 一、 主要特性 與 MCS51 兼容 4K 字節(jié)可編程 FLASH 存儲器 壽命： 1000 寫 /擦循環(huán) 數(shù)據保留時間： 10年 全靜態(tài)工作： 0Hz24MHz 三級 程序存儲器 鎖定 1288 位內部 RAM 32 可編程 I/O 線 兩個 16 位 定時器 /計數(shù)器 5 個 中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內振蕩器和時鐘電路 二、 特性概述 AT89C51 提供以下標準功能： 4k字節(jié) Flash閃速存儲器 ， 128字節(jié)內部 RAM，32 個 I/O 口線，兩個 16位定時 /計數(shù)器，一個 5向量兩級中斷結構，一個全雙工 串行通信 口，片內振蕩器及 時鐘電路 。同時， AT89C51 可降至 0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種 軟件 可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止 CPU的工作，但允許RAM，定時 /計數(shù)器， 串行通信 口及 中斷系統(tǒng) 繼續(xù)工作。掉電方式保存 RAM 中的內容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復位。 三、 管腳說明 AT89C51 單片機管腳如圖 31所示 。 天津科技大學 2021 屆本科畢業(yè)設計 12 圖 31AT89C51單片機管腳圖 VCC：供電電源 GND：接地 P0口： P0 口為一個 8位漏極開路雙向 I/O 口，每個引腳可吸收 8個 TTL 門電流。當 P1 口的管腳第一次寫 1時，被定義為高阻輸入。 P0能夠用于外部程序數(shù)據存儲器，它可以被定義為數(shù)據 /地址的第八位。在 FIASH 編程時， P0 口作為原碼輸入口，當 FLASH 進行校驗時， P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。 P1口： P1 口是一個內部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4 個 TTL 門電流。 P1 口管腳寫 1后，被內部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在 FLASH編程和校驗時， P1口作為第八位地址接收。 P2口： P2 口為一個內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出4個 TTL 門電流，當 P2 口被寫“ 1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。 P2口當用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據存儲器進行存取時， P2 口輸出地址的高八位。在給出地址“ 1”時，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據存儲器進行讀寫時， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內容。 P2口在 FLASH 編程和校驗時接收 高八位地址信號和控制信號。 天津科技大學 2021 屆本科畢業(yè)設計 13 P3口： P3 口管腳是 8個帶內部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 TTL 門電流。當 P3口寫入 “1” 后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 P3口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能 ，如 表 31 所示 。 表 31 P3口線的 特殊功能 P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時， ALE只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC 指令是 ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。 /PSEN： 外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次 /PSEN 有效。但在訪問外部數(shù)據存儲器時，這兩次有效的 /PSEN 信號將不出現(xiàn)。 /EA/VPP：當 /EA 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（ 0000HFFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式 1 時， /EA將內部鎖定為 RESET；當/EA 端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于 天津科技大學 2021 屆本科畢業(yè)設計 14 施加 12V 編程電源（ VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的 輸出。 四、 內部結構 如 圖 32 所示 為 AT89C51 內部