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正文內(nèi)容

基于單片機(jī)的液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)論文(編輯修改稿)

2024-07-24 20:05 本頁(yè)面
 

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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。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(hào)。把轉(zhuǎn)換時(shí)間減小,信號(hào)頻率可提高。對(duì)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(dòng)、存數(shù)據(jù)、循環(huán)計(jì)數(shù)等已經(jīng)比較困難了。3) 采樣/保持器采集直流和變化非常緩慢的模擬信號(hào)時(shí)可不用采樣保持器。對(duì)于其他模擬信號(hào)一般都要加采樣保持器。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。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(hào)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(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)與理想輸入信號(hào)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。 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。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(guò)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(duì)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(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì),RS(Emeded Standard)代表推薦標(biāo)準(zhǔn),232是標(biāo)識(shí)號(hào),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(hào)功能及傳送過(guò)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(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。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(dòng)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(zhǎng)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(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。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(dòng)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(dòng)開關(guān)”。故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。繼電器主要產(chǎn)品技術(shù)參數(shù):1) 額定工作電壓。是指繼電器正常工作時(shí)線圈所需要的電壓。根據(jù)繼電器的型號(hào)不同,可以是交流電壓,也可以是直流電壓。2) 直流電阻。是指繼電器中線圈的直流電阻,可以通過(guò)萬(wàn)能表測(cè)量。3) 吸合電流。是指繼電器能夠產(chǎn)生吸合動(dòng)作的最小電流。在正常使用時(shí),給定的電流必須略大于吸合電流,這樣繼電器才能穩(wěn)定地工作。而對(duì)于線圈所加的工作電壓,否則會(huì)產(chǎn)生較大的電流而把線圈燒毀。4) 釋放電流。是指繼電器產(chǎn)生釋放動(dòng)作的最大電流。當(dāng)繼電器吸合狀態(tài)的電流減小到一定程度時(shí),繼電器就會(huì)恢復(fù)到未通電的釋放狀態(tài)。這時(shí)的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于吸合電流。5) 觸點(diǎn)切換電壓和電流。是指繼電器允許加載的電壓和電流。它決定了繼電器能控制電壓和電流的大小,使用時(shí)不能超過(guò)此值,否則很容易損壞繼電器的觸點(diǎn)。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。 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。圖31 AT89S52引腳及網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)P0口:P0口是一個(gè)8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口,每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P0端口寫“1”時(shí),引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問(wèn)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。在這種模式下,P0具有內(nèi)部上拉電阻。在FLASH編程時(shí),P0口也用來(lái)接收指令字節(jié);在程序校驗(yàn)時(shí),輸出指令字節(jié)。程序校驗(yàn)時(shí),需要外部上拉電阻。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。對(duì)P1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。作為輸入使用時(shí),被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因,將輸出電流(IIL)。此外,()和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的觸發(fā)輸入(),具體如下所示:l 在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí),P1口接收低8位地址字節(jié)。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。對(duì)P2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。作為輸入使用時(shí),被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因,將輸出電流(IIL)。在訪問(wèn)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。在這種應(yīng)用中,P2口使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用8位地址(如MOVX @RI)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí),P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí),P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號(hào)。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。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。作為輸入使用時(shí),被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因,將輸出電流(IIL)。P3口亦作為AT89S52特殊功能(第二功能)使用,如下表所示。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)。RST——復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí),RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。ALE/PROG——當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí),ALE(地址鎖存允許)輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。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。要注意的是:每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。對(duì)FLASH存儲(chǔ)器編程期間,該引腳還用于輸入編程脈沖(PROG)。如有必要,可通過(guò)對(duì)特殊功能寄存器(SFR)區(qū)中的8EH單元的D0位置位,可禁止ALE操作。該位置位后,只有一條MOVX和MOVC指令才能將ALE激活。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(wú)效。PSEN——程序儲(chǔ)存允許(PSEN)輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào),當(dāng)AT89S52由外部程序存儲(chǔ)器取指令(或數(shù)據(jù))時(shí),每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN有效,即輸出兩個(gè)脈沖,在此期間,當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,將跳過(guò)兩次PSEN信號(hào)。EA/VPP——外部訪問(wèn)允許,欲使CPU僅訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器(地址為0000H~FFFFH),EA端必須保持低電平(接地)。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)。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。FLASH存儲(chǔ)器編程時(shí),該引腳加上+12V的編程允許電源Vpp,當(dāng)然這必須是該器件是使用12V編程電壓Vpp。XTAL1:振蕩器反相放大器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路的輸入端。XTAL2:振蕩器反相放大器的輸出端。為了便于接下來(lái)的說(shuō)明,單片機(jī)各管腳網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)定義如圖31。要使單片機(jī)按照設(shè)計(jì)要求正常工作,完整單片機(jī)最基本的工作要求,考慮到系統(tǒng)無(wú)需精確地定時(shí)功能,且為了方便串口通信波特率的計(jì)算。并附加復(fù)位電路,組成單片機(jī)最小系統(tǒng)。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: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。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。 按鍵設(shè)計(jì)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)系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)、發(fā)送命令等功能,是人工干預(yù)單片機(jī)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。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(guò)程序掃描查詢方式實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)系統(tǒng)交互的。在程序查詢方式下,通過(guò)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(guò)讀I/O口的狀態(tài)判斷是否有按鍵按下。系統(tǒng)按鍵電路如圖33所示。下圖中,S2~S5便是控制顯示用的按鍵。其作用就是通過(guò)按動(dòng)它們實(shí)現(xiàn)對(duì)高低警戒液位的設(shè)置。具體來(lái)說(shuō),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。圖33 系統(tǒng)按鍵電路 顯示單元硬件設(shè)計(jì)在顯示單元上,使用了74LS273帶公共時(shí)鐘復(fù)位八位觸發(fā)器與74LS47共陽(yáng)極BCD顯示譯碼驅(qū)動(dòng)芯片。兩個(gè)芯片的管腳圖如圖34:圖34 74LS273及74LS47引腳圖74LS273與74LS47引腳功能說(shuō)明:74LS273:1腳是復(fù)位CLR,低電平有效,當(dāng)1腳是低電平時(shí),輸出腳2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)全部輸出0,即全部復(fù)位;當(dāng)1腳為高電平時(shí),11(CLK)腳是鎖存控制端,并且是上升沿觸發(fā)鎖存,當(dāng)11腳有一個(gè)上升沿,立即鎖存輸入腳11118的電平狀態(tài),并且立即呈現(xiàn)在在輸出腳2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)上。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。A0~A3是BCD輸入,分解74LS273輸出的高、低四位。a~g用于共陽(yáng)極數(shù)碼管的相應(yīng)管腳的連接。為了保護(hù)LED數(shù)碼管,在74LS47與LED之間添加限流電阻,以滿足數(shù)碼管的工作需要。根據(jù)以上的設(shè)計(jì)思路,設(shè)計(jì)電路圖如圖35:圖35 顯示部分電路圖 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。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。該模塊中使用的兩個(gè)芯片管腳功如圖36:在62256中,A0~A14管腳為地址總線,共15位,尋址范圍可達(dá)到32kB;I/O0~I/O7為8位三態(tài)雙向數(shù)據(jù)接口;Vcc,Vss為電源和地;CS是片選接口,低電平有效;OE/WE分別是讀選通和寫選通數(shù)據(jù)輸入輸入線,低電平有效。圖36 62256引腳圖圖37 存儲(chǔ)的單元電路74LS373引腳位置和功能與74LS273差異不大,區(qū)別在于其1腳是輸出使能(OE),是低電平有效,當(dāng)1腳是高電平時(shí),不管輸入11118如何,也不管11腳(鎖存控制端,G)如何,輸出2(Q
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