【文章內(nèi)容簡介】 可選擇節(jié)電模式?？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。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。 鍵盤模塊設(shè)計(jì)方案金小龍：基于單片機(jī)的液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 6 鍵盤在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中是一個(gè)很關(guān)鍵的部件，它能實(shí)現(xiàn)向單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)、發(fā)送命令等功能，是人工干預(yù)單片機(jī)系統(tǒng)的主要手段?？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。 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。系統(tǒng)中，要求測量范圍≤5m，測量精度為10%，假設(shè)測量范圍為 5m，在10%精度的要求下，其測量的有效值為5*10%= 。因而采用 2位LED 顯示器便能滿足設(shè)計(jì)要求。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)顯示法和動態(tài)顯示法。靜態(tài)顯示法的優(yōu)點(diǎn)是顯示程序十分簡單，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。但靜態(tài)顯示也有其缺點(diǎn)，主要是占用I/O口資源較多，硬件成本較高。所以靜態(tài)顯示法常用在顯示器數(shù)目較少的應(yīng)用系統(tǒng)中。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)動芯片 74LS47連接，減少對系統(tǒng)資源的占用時(shí)間。由于74LS47譯碼為共陽極數(shù)碼管的碼表，因而選用8段（帶小數(shù)點(diǎn)）共陽極LED用于數(shù)據(jù)顯示。高位顯示米單位，低位顯示分米單位，且高位小數(shù)點(diǎn)常亮。單片機(jī)使用1位I/O口控制數(shù)據(jù)的鎖存。 數(shù)據(jù)存儲模塊設(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)存儲器進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。數(shù)據(jù)存儲器可選擇的種類繁多，常用的有隨機(jī)存取存儲器（RAM）、只讀存儲器（ROM）與閃存（FLASH ）。RAM是存儲單元的內(nèi)容可按需隨意取出或存入，且存取的速度與存儲單元的位置無關(guān)的存儲器。這種存儲器在斷電時(shí)將丟失其存儲內(nèi)容，故主要用于存儲短時(shí)間使用的程序。ROM通常指固化存儲器（一次寫入，反復(fù)讀?。?，它的特點(diǎn)與RAM相反。ROM又分一次性固化、光擦除和電擦除重寫兩種類型。閃存則是一種不揮發(fā)性（NonVolatile ）內(nèi)存，在沒有電流供應(yīng)的條件下也能夠長久地保持?jǐn)?shù)據(jù)，其存儲特性相當(dāng)于硬盤，這項(xiàng)特性正是閃存得以成為各類便攜型數(shù)字設(shè)備的存儲介質(zhì)的基礎(chǔ)。NOR和NAND是現(xiàn)在市場上兩種主要的非易失閃存技術(shù)。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(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。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。這安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 區(qū)區(qū)8個(gè)I/O 端口只能以信號輪流傳送的方式完成數(shù)據(jù)的傳送，速度要比NOR閃存的并行傳輸模式慢得多。再加上NAND閃存的邏輯為電子盤模塊結(jié)構(gòu)，內(nèi)部不存在專門的存儲控制器，一旦出現(xiàn)數(shù)據(jù)壞塊將無法修，可靠性較NOR閃存要差。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。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。NAND結(jié)構(gòu)能提供極高的單元密度，可以達(dá)到高存儲密度，并且寫入和擦除的速度也很快。應(yīng)用NAND的困難在于FLASH的管理和需要特殊的?？梢钥闯鯮OM的存儲復(fù)雜，不適宜實(shí)時(shí)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲。FLASH是一個(gè)不錯(cuò)的解決方案。鑒于系統(tǒng)的復(fù)雜程度，暫時(shí)不考慮使用FLASH 作為存儲單元。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，記錄某一記錄點(diǎn)（電機(jī)狀態(tài)改變時(shí)刻）的狀態(tài)與時(shí)間需要6字節(jié)數(shù)據(jù)，即年（20222099年）、月（112月）、日（131日）、時(shí)（023時(shí)）、分（059分）、狀態(tài)（0或1）這些數(shù)據(jù)，如果系統(tǒng)長時(shí)間的工作，將會有大批量的數(shù)據(jù)產(chǎn)生，假若數(shù)據(jù)存儲空間不夠大，將會產(chǎn)生數(shù)據(jù)的覆蓋，從而降低了對數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性。因此選用32K字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器，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。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。為節(jié)省CPU的工作時(shí)間，且由于RAM存儲速度快、使用方便等特點(diǎn)，從而可以忽略了RAM掉電數(shù)據(jù)丟失的缺點(diǎn)。 時(shí)間模塊設(shè)計(jì)方案通過單片機(jī)的定時(shí)器，可以設(shè)計(jì)時(shí)間功能，然而單片機(jī)自身的產(chǎn)生時(shí)間數(shù)據(jù)大大占用了系統(tǒng)的資源，降低了工作效率，甚至影響了其他功能的實(shí)現(xiàn)，因此在本設(shè)計(jì)方案中，采用了外部芯片提供時(shí)間信號，用以系統(tǒng)記錄時(shí)間信息。目前市場上的時(shí)鐘芯片很多，如 DS1302/DS1307/HT1380/HT1381/PCF8563 等。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，通過簡單的串行接口與單片機(jī)進(jìn)行通信。實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷電路提供秒、分、時(shí)、日期、日、月、年的信息，每月的天數(shù)和閏年的天數(shù)可自動調(diào)整，時(shí)鐘操作可通過 AM/PM 指示決定采用 24 或 12 小時(shí)格式。DS1302 與單片機(jī)之間能簡單地采用同步串行的方式進(jìn)行通信，僅需用到三個(gè)口線(1) RES（復(fù)位） ，(2) I/O（數(shù)據(jù)線） ，(3) SCLK（串行時(shí)鐘） 。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。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。DS1302是由DS1202改進(jìn)而來，增加了以下的特性雙電源管腳用于主電源和備份電源供應(yīng)，Vcc1為可編程涓流充電電源，附加七個(gè)字節(jié)存儲器。它廣泛應(yīng)用于電話、傳真、便攜式儀器以及電池供電的儀器儀表等產(chǎn)品領(lǐng)域。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。? 31*8位暫存數(shù)據(jù)存儲RAM。? 串行I/O 口方式使得管腳數(shù)量最少。? ~。金小龍：基于單片機(jī)的液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 8 ? ，小于300nA。? 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。? 8腳DIP封裝或可選的8腳SOIC封裝。? 簡單3線接口。? 與TTL 兼容 Vcc=5V。? 可選工業(yè)級溫度范圍－40至＋85攝氏度。? 與DS1202兼容。? 在DS1202基礎(chǔ)上增加的特性：對Vcc1有可選的涓流充電能力；雙電源管用于主電源和備份電源供應(yīng)；備份電源管腳可由電池或大容量電容輸入；附加的7字節(jié)暫存存儲器。綜上所述，選用DS1302時(shí)間芯片完全滿足設(shè)計(jì)的需求。 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。 A/D轉(zhuǎn)換器的品種繁多、性能各異，在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)，首先碰到的就是如何選擇合適的A/D 轉(zhuǎn)換器以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的問題。選擇A/D轉(zhuǎn)換器件需要考慮器件本身的品質(zhì)和應(yīng)用的場合要求?；旧?，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。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)精度和動態(tài)平滑性這兩個(gè)方面進(jìn)行考慮。從靜態(tài)精度方面來說，要考慮輸入信號的原始誤差傳遞到輸出所產(chǎn)生的誤差，它是模擬信號數(shù)字化時(shí)產(chǎn)生誤差的主要部分。量化誤差與A/D 轉(zhuǎn)換器位數(shù)有關(guān)。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。10位以下的A/D 芯片誤差較大，11位以上對減小誤差并無太大貢獻(xiàn)，但對A/D轉(zhuǎn)換器的要求卻提得過高。因此，取 10位或11位是合適的。由于模擬信號先經(jīng)過測量裝置，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后才進(jìn)行處理，因此，總的誤差是由測量誤差和量化誤差共同構(gòu)成的。A/D轉(zhuǎn)換器的精度應(yīng)與測量裝置的精度相匹配。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)大測量誤差；另一方面必須根據(jù)目前測量裝置的精度水平，對A/D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)提出恰當(dāng)?shù)囊?。目前?~%，故A/D % ~ %即可，相應(yīng)的二進(jìn)制碼為 10~11位，加上符號位，即為 11~12位。當(dāng)有特殊的應(yīng)用時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換器要求更多的位數(shù)，這時(shí)往往可采用雙精度的轉(zhuǎn)換方案。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(shí)間。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。確定A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率時(shí)，應(yīng)考慮系統(tǒng)的采樣速率。例如，如果用轉(zhuǎn)換時(shí)間為100us的 A/D轉(zhuǎn)換器，則其轉(zhuǎn)換速率為10KHz。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。把轉(zhuǎn)換時(shí)間減小，信號頻率可提高。對一般的單片機(jī)而言，要在采樣時(shí)間內(nèi)完成A/D 轉(zhuǎn)換以外的工作，如讀數(shù)據(jù)、再啟動、存數(shù)據(jù)、循環(huán)計(jì)數(shù)等已經(jīng)比較困難了。安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 3) 采樣 /保持器采集直流和變化非常緩慢的模擬信號時(shí)可不用采樣保持器。對于其他模擬信號一般都要加采樣保持器。如果信號頻率不高，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。4) A/D轉(zhuǎn)換器量程A/D轉(zhuǎn)換時(shí)需要的是雙極性的，有時(shí)是單極性的。輸入信號最小值有的從零開始，也有從非零開始的。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。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。5) 滿刻度誤差滿度輸出時(shí)對應(yīng)的輸入信號與理想輸入信號值之差。6) 線性度實(shí)際轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)移函數(shù)與理想直線的最大偏移。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 。量s?10化間隔： （21）??絕對量化誤差： （22）76.?相對量化誤差： （ 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。 通信模塊設(shè)計(jì)方案AT89S52單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)全雙工異步串行I/O接口，占用 。利用該接口，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與上位機(jī)的通信。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。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，但不對軟件協(xié)議給予定義。RS232C標(biāo)準(zhǔn)（協(xié)議）的全稱是 EIARS232C標(biāo)準(zhǔn)，其中EIA（Electronic Industry Association）代表美國電子工業(yè)協(xié)會，RS（Emeded Standard）代表推薦標(biāo)準(zhǔn)，232是標(biāo)識號，C代表RS232的最新一次修改（1969），在這之前，有RS232B、RS232A。它規(guī)定連接電纜和機(jī)械、電氣特性、信號功能及傳送過程。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。接口信號電平比 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。金小龍：基于單片機(jī)的液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 10 2) RS485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps。3) RS485接口是采用平衡驅(qū)動器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強(qiáng)，即抗噪聲干擾性好。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。而RS485接口在總線上是允許連接多達(dá)128個(gè)收發(fā)器。即具有多站能力，這樣用戶可以利用單一的RS485接口方便地建立起設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。因RS485接口具有良好的抗噪聲干擾性，長的傳輸距離和多站能力等上述優(yōu)點(diǎn)就使其成為首選的串行接口。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。MAX485接口芯片是Maxim公司的一種RS485芯片。采用單一電源＋5V 工作，額定電流為300μA，采用半雙工通訊方式。它完成將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS485電平的功能。 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。選用繼電器作為電機(jī)控制的元件。繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應(yīng)用于自動控制電路中，它實(shí)際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關(guān)”。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。繼電器主要產(chǎn)品技