【文章內(nèi)容簡介】 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。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(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)。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可選擇的種類繁多，常用的有隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（ RAM）、只讀存儲(chǔ)器（ ROM）與閃存 (FLASH)。 RAM是 存儲(chǔ)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(chǔ)單元的位置無關(guān)的存儲(chǔ)器。這種存儲(chǔ)器在斷電時(shí)將丟失其存儲(chǔ)內(nèi)容，故主要用于存儲(chǔ)短時(shí)間使用的程序。 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。 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4 久地保持?jǐn)?shù)據(jù)，其存儲(chǔ)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(chǔ)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(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。 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。這區(qū)區(qū) 8個(gè) I/O 端口只能以信號(hào)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(chǔ)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(chǔ)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 。 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) 。 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(chǔ)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（ 20212099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(huì)有大批量的數(shù)據(jù)產(chǎn)生，假若數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間不夠大，將會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)的覆蓋，從而降低了對(duì)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(chǔ)器，可以記錄大于 5000項(xiàng)記錄點(diǎn)數(shù)據(jù)，考慮到水塔上水與耗水的頻繁 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(duì)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(chǔ)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(hào)，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 /PCF8583/R5C372/R8025 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 315 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、日期、月、年的信息，每月的天數(shù)和閏年的天數(shù)可自動(dòng)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(chǔ)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(chǔ) RAM。 ? 串行 I/O口方式使得管腳數(shù)量最少 。 ? 寬范圍工作電壓 。 ? 工作電流 ， 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(jí)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(duì) 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(chǔ)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 。 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。 1) A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù) 6 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(dòng)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(hào)的原始誤差傳遞到輸出所產(chǎn)生的誤差，它是模擬信號(hào)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 A/D芯片以下誤差較大， 11位以上對(duì)減小誤差并無太大貢獻(xiàn)，但對(duì) 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(hào)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(duì) A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)提出恰當(dāng)?shù)囊蟆? 目前，大多數(shù)測量裝置的精度值不小于 %~%，故 A/D轉(zhuǎn)換器的精度取%~%即可，相應(yīng)的二進(jìn)制碼為 10~11位，加上符號(hào)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(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 7 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 s?100 .量化間隔 mVV 5312 25 8 ???。絕對(duì)量化誤差 mV76 56 2 ????，相對(duì)量化誤差% 18 ?? ?? 。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(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 RS－ 485芯片。采用單一電源 +5 V工作，額定8 電流為 300μA，采用半雙工通訊方式。它完成將 TTL電平轉(zhuǎn)換為 RS－ 485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，可以通過萬能表測量。 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，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。 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