【文章內(nèi)容簡介】 開發(fā)利用單片機(jī)系統(tǒng)以獲得很高的經(jīng)濟(jì)效益。雖然單片機(jī)的引入使控制系統(tǒng)大大“軟化”，但與其它計算機(jī)應(yīng)用問題相比，單片機(jī)控制應(yīng)用中的硬件內(nèi)容仍然較多，所以說單片機(jī)控制應(yīng)用有軟硬件相結(jié)合的特點(diǎn)。為此，在單片機(jī)的應(yīng)用設(shè)計中需要軟、硬件統(tǒng)籌考慮，設(shè)計者不但要熟練掌握匯編語言等編程技術(shù)，而且還要具備較扎實的單片機(jī)硬件方面的理論和實踐知識。更重要的意義是單片機(jī)的應(yīng)用改變了控制系統(tǒng)傳統(tǒng)的設(shè)計思想和方法。以前采用硬件電路實現(xiàn)的大部分控制功能，正在用單片機(jī)通過軟件方法來實現(xiàn)。這種以軟件結(jié)合硬件或取代硬件并能提高系統(tǒng)性能的控制技術(shù)稱為微控制技術(shù)。例如，本文所要論述的基于單片機(jī)的智能水塔控制系統(tǒng)。二、系統(tǒng)的整體方案設(shè)計 功能要求實際供水過程中要確保水位在允許的范圍內(nèi)浮動，應(yīng)采用水位傳感器測量水位變化，從而控制水泵，保證水位正常。因此，這里給出以 STC89C52 單片機(jī)為核心器件的水塔水位檢測控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實現(xiàn)水塔水位檢測、LCD12864 顯示當(dāng)前流量、距離、溫度功能以及蜂鳴器鳴笛報警功能，實現(xiàn)過低和正常警戒水位報警、過低和正常警戒水位處理、以及自動加熱的系統(tǒng)要求。 設(shè)計要求單片機(jī)系統(tǒng)上電，啟動燈閃爍。按下系統(tǒng)啟動按鈕，啟動燈常亮.按下啟動按鈕 LCD12864 依次顯示如下畫面：重慶三峽職業(yè)學(xué)院、歡迎參觀水塔智能項目實驗、機(jī)械與電子工程系；最后畫面停留在水的流速、傳感器里的轉(zhuǎn)速、超聲波測量的距離、熱水的溫度畫面并將相關(guān)的參數(shù)顯示出來。檢測最底層低液位的情況如果是低液位，蜂鳴器響，啟動燈閃爍。最底層不是低液位然后檢測最頂層低液位情況，如果最頂層是低液位，水泵啟動，水流速、當(dāng)前的轉(zhuǎn)速顯示。到達(dá)最頂層低液位水泵停止如果檢測失去效果那到達(dá)頂層最高液位時水泵停止。檢測中層冷水最低位狀態(tài)，如果是最低位狀態(tài)冷水的電磁閥就打開放水，當(dāng)冷水達(dá)到低液位時超聲波檢測是否達(dá)到設(shè)計的距離，如果達(dá)到設(shè)計的距離就停止冷水電磁閥進(jìn)水。檢測中層熱水最低位狀態(tài)，如果是最低位狀態(tài)熱水的電磁閥就打開放水，當(dāng)熱水達(dá)到低液位時檢測當(dāng)時的溫度并且停止熱水電磁閥進(jìn)水，如果沒有達(dá)到設(shè)計的溫度就啟動加熱棒加熱，當(dāng)達(dá)到設(shè)計的溫度就停止加熱。系統(tǒng)循環(huán)檢測運(yùn)行。第 3 頁 共 54 頁 系統(tǒng)基本方案選擇和論證 此系統(tǒng)可以采用多種的方式設(shè)計，能采用液罐液壓檢測的方式來做，這樣在不同的水位時因為有不同的壓力值，所以我們可以根據(jù)不同的壓力值來確定到底水位在某個狀態(tài)，但是這樣的系統(tǒng)設(shè)計理念用處比較狹窄，因為這樣的設(shè)計理念的前提必須是一個液壓的封閉系統(tǒng)，這樣才能有精確的壓力值傳送，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但是目前很多用到的水塔水位控制系統(tǒng)都不是封閉的水罐，所以這個方案有一定局限性。 而采用特殊的水位傳感器，就可以克服上述的困難。因為液位檢測器可以很精確的檢測到液位系統(tǒng)，同樣達(dá)到預(yù)期的目的，且系統(tǒng)的應(yīng)用面很廣，而且系統(tǒng)的安全性能很好，因此我們采取檢測液位作為系統(tǒng)的設(shè)計思想。 單片機(jī)芯片的選擇方案論證目前市場上的單片機(jī)的種類有很多種，最多的 51 單片機(jī)、avr 單片機(jī)，和 Msp430，以及 PIC 單片機(jī)，但是由于單片機(jī)的種類很多，功能各不一樣，我們不需要多先進(jìn)，功能多強(qiáng)大的單片機(jī)，我們設(shè)計的要求就是夠用即可，因為性能低劣了，系統(tǒng)功能實現(xiàn)不了，并且系統(tǒng)的穩(wěn)定性很差，用的單片機(jī)性能太好了，由于高性能的單片機(jī)不只是價錢昂貴，且有很多資源都不會用到，這樣造成了很大的浪費(fèi)。因此我們選用目前市場上用到比較多的、且可以滿足系統(tǒng)設(shè)計要求的 51 單片機(jī)。 因為 Atmel 公司的 51 單片機(jī)需要專門的編程器，這樣無形中加重了系統(tǒng)的成本，而 STC 公司單片機(jī)不僅支持 ISP,還支持 IAP 等多種下載程序的方式，并且 STC 公司單片機(jī)工作在寬電壓范圍內(nèi)，電壓的波動對系統(tǒng)的影響不大，這樣提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，另外 STC 單片機(jī)的加密性能也由于其他單片機(jī)，并且 STC 的單片機(jī)是增強(qiáng)型的 51 單片機(jī)。因此我們選用 STC89C52 單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控芯片。 顯示模塊選擇方案論證顯示模塊是系統(tǒng)的人機(jī)交互模塊，增加了顯示模塊增加了系統(tǒng)的交互性。目前市場上用到的顯示模塊有很多種，有數(shù)碼管顯示，還有液晶顯示，因為數(shù)碼管只是顯示數(shù)字，不能顯示字符，而此系統(tǒng)需要用到顯示當(dāng)前的流速等。這樣就必須要用到字符顯示的液晶顯示器，液晶顯示器也有很多種，但根據(jù)系統(tǒng)的需要我們選用的是 LCD12864,很大程度上增加了系統(tǒng)的人機(jī)交互功能，讓使用者可以得到更多系統(tǒng)工作的信息，更方便的使用此系統(tǒng)。 溫度模塊選擇方案論證方案一： 由于本設(shè)計是測溫電路，可以使用熱敏電阻之類的器件利用其感溫效應(yīng)，在將隨被測溫度變化的電壓或電流采集過來，進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換后，就可以用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，在顯示電路上，就可以將被測溫度顯示出來，這種設(shè)計需要用到 A/D 轉(zhuǎn)換電路，感溫電路比較麻煩。方案設(shè)計框圖如下：第 4 頁 共 54 頁 熱敏電阻組成的感溫電路 AD 轉(zhuǎn)換 顯示電路 圖 2 1 方案設(shè)計框圖方案二：考慮到用溫度傳感器，在單片機(jī)電路設(shè)計中，大多都是使用傳感器，所以這是非常容易想到的，所以可以采用一只溫度傳感器 DS18B20，此傳感器，可以很容易直接讀取被測溫度值，進(jìn)行轉(zhuǎn)換，就可以滿足設(shè)計要求。從以上兩種方案，很容易看出，采用方案二，電路比較簡單，軟件設(shè)計也比較簡單，故采用了方案二。 測量水位模塊選擇方案論證方案一：用超聲波傳感器進(jìn)行水位測量。超聲波傳感器的原理是：超聲波由壓電陶瓷超聲波傳感器發(fā)出后，遇到障礙物便反射回來，再被超聲波傳感器接收。超聲波傳感器在避障的設(shè)計中被廣泛應(yīng)用。但是超聲波傳感器需要 40KHz 的方波信號來工作，因為超聲波傳感器對工作頻率要求較高，偏差在 1％內(nèi)，所以用模擬電路來做方波發(fā)生器比較難以實現(xiàn)。方案二：用漫反射式光電開關(guān)進(jìn)行水位測量。光電開關(guān)的工作原理是根據(jù)光線發(fā)射頭發(fā)出的光束，被物體反射，其接收電路據(jù)此做出判斷反應(yīng)，物體對紅外光由同步回路選通而檢測物體的有無。當(dāng)有光線反射回來時，輸出低電平。當(dāng)沒有光線反射回來時，輸出高電平。考慮到本系統(tǒng)只需要簡單的檢測到水位并且超聲波相對用的比較廣泛且價格也便宜。綜上情況選擇方案一，但是為了使偏差減小所以直接購買 HCSR04 模塊。 流量模塊選擇方案論證方案一：用超聲波流量傳感器、渦輪流量傳感器、靶標(biāo)流量傳感器、渦街流量傳感器測量水泵工作時候的流量，但是都是體積不適合雖然精度很高但是電路復(fù)雜選用其他方案。方案二：用霍爾傳感器測量，在單片機(jī)電路設(shè)計中，大多都是使用傳感器，所以這是非常容易想到的，而且電路簡單，我們也學(xué)習(xí)過霍爾測量轉(zhuǎn)速對于課本知識的銜接教緊密從以上兩種方案，很容易看出，采用方案二，電路比較簡單，軟件設(shè)計也比較簡單，故采用了方案二。三、系統(tǒng)的硬件設(shè)計 電路設(shè)計框圖系統(tǒng)的總體框圖主要由主控芯片基本電路、超聲波、18B20 溫度、霍爾流量計、按鍵第 5 頁 共 54 頁電路、水泵和蜂鳴器驅(qū)動電路、液晶顯示電路組成。除主控芯片電路外，其他的都是外圍功能性電路。蜂鳴器和指示燈電路驅(qū)動原理基本相同，都為三極管驅(qū)動電路，按鍵電路為平常的獨(dú)立按鍵電路，液晶電路參考設(shè)計手冊既可。電路設(shè)計框圖如圖 31 所示：圖 3 1 電路設(shè)計框圖 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖本水塔系統(tǒng)采用工業(yè)鋁材作為承重的支架，水箱的材料采用有機(jī)玻璃制作，管道也采用有機(jī)玻璃管。水泵選擇可以調(diào)節(jié)水大小的 24V 三相直流水泵最大功率 、最大揚(yáng)程 、最大流量 2450L/H?？刂浦袑永渌崴M(jìn)水的是電磁閥控制。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見下圖： 主控制器芯片 STC89C52 概述STC89C52 是一款完全兼容 8051 內(nèi)核指令的芯片，是宏晶科技公司的新一代增強(qiáng)性的 8051 單片機(jī)。采用最新的加密技術(shù)解決了全球 89 系列單片機(jī)都被解密的困惑。并且管腳完全兼容，性能更好，驅(qū)動力更強(qiáng)，功耗更低，價格也比傳統(tǒng)的 89 系列低[10]。STC89C52 的引腳說明圖如圖 31。STC89C52 單片機(jī)的特點(diǎn)如下： 6 時鐘/機(jī)器周期，12 時鐘/機(jī)器周期 8051 CPU：,4v（5v 單片機(jī)）/(3V 單片機(jī))：040MHZ,相當(dāng)于普通 8051 的 080MHZ，實際工作頻率可達(dá)48MHZ 4K/8K/13K/16K/20K/32K/64K,字節(jié)片上集成 1280 字節(jié)/512 字節(jié)RAM第 6 頁 共 54 頁圖 3 2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 I/O 口（32//36 個），復(fù)位后為：P1/P2/P3/P4 是準(zhǔn)雙向口/若上拉（普通 8051傳統(tǒng) I/O 口。 P0 口是開漏輸出，作為總線擴(kuò)展用時，不用加上拉電阻，作為 I/0 口用時，需要上拉電阻。（在系統(tǒng)可編程）/IAP( 在應(yīng)用可編程)，無需專用編程器 /仿真器可通過串口（）之下載用戶程序，8K 程序 3 秒即可完成一片。 16 位定時器/計數(shù)器，其中定時器 0 還可以當(dāng)成 2 個 8 為定時器使用 4 路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷，Power Down 模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒（UART）,還可用定時器軟件實現(xiàn)多個 UART. Flash 擦寫次數(shù)為 100,000 次以上，STC89C51RC/RD+ 系類單片機(jī)加密性強(qiáng)，出廠時就已經(jīng)加密。第 7 頁 共 54 頁圖 3 3 STC89C52 引腳圖 液晶屏 LCD12864帶中文字庫的 128X64 是一種具有 4 位/8 位并行、2 線或 3 線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標(biāo)一級、二級簡體中文字庫的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為 12864, 內(nèi)置 8192 個 16*16 點(diǎn)漢字，和 128 個 16*8 點(diǎn) ASCII 和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面。可以顯示 84 行 1616點(diǎn)陣的漢字. 。 基本特性（1）、低電源電壓（VDD:++）（2）、顯示分辨率:12864 點(diǎn) （3）、內(nèi)置漢字字庫，提供 8192 個 1616 點(diǎn)陣漢字(簡繁體可選)（4）、內(nèi)置 128 個 168 點(diǎn)陣字符（5）、2MHZ 時鐘頻率 （6）、顯示方式：STN、半透、正顯 （7）、驅(qū)動方式：1/32DUTY，1/5BIAS （8）、視角方向：6 點(diǎn) （9）、背光方式：側(cè)部高亮白色 LED，功耗僅為普通 LED 的 1/5—1/10 第 8 頁 共 54 頁（10）、通訊方式：串行、并口可選 （11）、內(nèi)置 DCDC 轉(zhuǎn)換電路，無需外加負(fù)壓 （12）、無需片選信號，簡化軟件設(shè)計（13）、工作溫度: 0℃ +55℃ ,存儲溫度: 20 ℃ +60℃模塊接口說明：*注釋 1：如在實際應(yīng)用中僅使用串口通訊模式，可將 PSB 接固定低電平，也可以將模塊上的 J8 和“GND”用焊錫短接。*注釋 2：模塊內(nèi)部接有上電復(fù)位電路，因此在不需要經(jīng)常復(fù)位的場合可將該端懸空。*注釋 3：如背光和模塊共用一個電源，可以將模塊上的 JA、JK 用焊錫短接。 并行接口表 3 1 并行接口管腳號 管腳名稱 電平 管腳功能描述1 VSS 0V 電源地2 VCC +5V 電源正3 V0 對比度（亮度）調(diào)整4 RS(CS） H/L RS=“H”,表示 DB7——DB0 為顯示數(shù)據(jù)RS=“L”,表示 DB7——DB0 為顯示指令數(shù)據(jù)5 R/W(SID) H/LR/W=“H”,E=“H”,數(shù)據(jù)被讀到 DB7——DB0R/W=“L”,E=“H→L”, DB7——DB0 的數(shù)據(jù)被寫到 IR 或 DR6 E(SCLK) H/L 使能信號7 DB0 H/L 三態(tài)數(shù)據(jù)線8 DB1 H/L 三態(tài)數(shù)據(jù)線9 DB2 H/L 三態(tài)數(shù)據(jù)線10 DB3 H/L 三態(tài)數(shù)據(jù)線11 DB4 H/L 三態(tài)數(shù)據(jù)線12 DB5 H/L 三態(tài)數(shù)據(jù)線13 DB6 H/L 三態(tài)數(shù)據(jù)線14 DB7 H/L 三態(tài)數(shù)據(jù)線15 PSB H/L H：8 位或 4 位并口方式，L：串口方式（見注 釋 1）16 NC 空腳17 /RESET H/L 復(fù)位端，低電平有效（見注釋 2）18 VOUT LCD 驅(qū)動電壓輸出端19 A VDD 背光源正端（+5V ）（見注釋 3）20 K VSS 背光源負(fù)端（見注釋 3）*注釋 1：如在實際應(yīng)用中僅使用并口通訊模式，可將 PSB 接固定高電平，也可以將第 9 頁 共 54 頁模塊上的 J8 和“VCC”用焊錫短接。*注釋 2：模塊內(nèi)部接有上電復(fù)位電路，因此在不需要經(jīng)常復(fù)位的場合可將該端懸空。 *注釋 3：如背光和模塊共用一個電源，可以將模塊上的 JA、JK 用焊錫短接。塊主要硬件構(gòu)成說明　 控制器接口信號說明表 3 2 RS，R/W 的配合選擇決定控制界面的 4 種模式RS R/W 功能說明L L MPU 寫指令到指令暫存器（ IR）L H 讀出忙標(biāo)志（BF ）及地址記數(shù)器（AC）的狀 態(tài)H L MPU 寫入數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)暫存器（DR ）H H MPU 從數(shù)據(jù)暫存器（DR）中讀出數(shù)據(jù)表 3 3 E 信號E 狀態(tài) 執(zhí)行動作 結(jié)果高—— 低 I/O 緩沖——DR 配合 /W 進(jìn)行寫數(shù)據(jù)或指令高 DR——I/O 緩沖 配合 R 進(jìn)行讀數(shù)據(jù)或指令低/低——高 無動作● 忙標(biāo)志 :BF BF =1 表示模塊在進(jìn)行內(nèi)部操作,此時模塊=0 時,模塊為準(zhǔn)備狀態(tài),STATUS RD 指令,可以將 BF 讀到 DB7 總線,從而檢驗?zāi)K之工作狀態(tài).● 字型產(chǎn)生 ROM（CGROM ） 字型產(chǎn)