【文章內(nèi)容簡介】 26 1 1 單片機 89C52 概述 本設(shè)計主要針對 AT89C52 單片機芯片來設(shè)計的。 AT89C52 單片機芯利用設(shè)計并制作一個智能化的液體點滴速度監(jiān)測與控制裝置。該裝置由水滴速度測試系統(tǒng)、水速控制系統(tǒng)、顯示裝置、單片 機系統(tǒng)、鍵盤和報警等系統(tǒng)組成。應(yīng)用水的壓強隨著高度差的變化而變化的原理，利用控制步進電動機的升降來控制點滴速度。點滴速度可用鍵盤來設(shè)定，設(shè)定范圍為 20~150(滴 /分 )，控制誤差范圍在 10% 1 滴左右。從改變設(shè)定值起到點滴速度基本穩(wěn)定整個過程的調(diào)整時間小于 3分鐘。同時在水到達警戒線以下時能發(fā)出報警信號。 AT89C52 單片機 AT89 單片機系列是世界上著名的半導(dǎo)體公司之一的美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的。 ATMEL89C系列單片機可分為低檔型、標(biāo)準(zhǔn)型和高檔型三類。 89C52 單片機是由微處理器（含運算器 和控制器）、存儲器、 I/O 接口以及特殊功能寄存器等構(gòu)成，作為 89C52 單片機核心部分的微處理器是一個 8 位的高性能中央處理器（ CPU）。它的作用是讀入并分析每條指令，根據(jù)各指令的功能控制單片機的各功能部件執(zhí)行指定的運算或操作，它主要由運算器和控制器兩部分構(gòu)成。 89C52 單片機主要由以下幾部分組成：（ 1） CPU 系統(tǒng)： 8 位 CPU，含布爾處理器；時鐘電路；總線控制邏輯；（ 2）存儲器系統(tǒng)： 4K 字節(jié)的程序存儲器（ ROM/EPTOM/FLASH，可外擴 64K）； 256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器（ RAM，可再外擴 64K）；特殊功 能寄存器 SFR；（ 3） I/O口和其他功能單元： 4 個并行 I/O 口； 2 個 16 位定時 /計數(shù)器； 1 個全雙工異步串行口；中斷系統(tǒng)（ 5個中斷源、 2個優(yōu)先級）。 89C52 單片機有微處理器（含運算器控制器）、存儲器、I/O 接口以及特殊功能寄存器 SFR 等構(gòu)成。 51 系列單片機的應(yīng)用模式有總線型單片機應(yīng)用模式和非總線型單片機應(yīng)用模式。通常的微處理器芯片都設(shè)有單獨的地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。但單片機由于芯片引腳數(shù)量的限制，數(shù)據(jù)總線與地址總線經(jīng)常采用復(fù)用方式，且許多引腳還要與并行 I/O 口引腳兼用。 89C52 輸入 /輸 出引腳簡介 （ 1） P0 口（ 39～ 32腳）： ～ 統(tǒng)稱為 P0口。在不接片外存儲器與不擴展 I/O口時，可作為準(zhǔn)雙向輸入 /輸出口。在接有片外存儲器或擴展 I/O 口時， P0 口分時復(fù)用為低 8位地址總線和雙向數(shù)據(jù)總線。 （ 2） P1 口（ 1～ 8 腳）： ～ 統(tǒng)稱為 P1 口，可作為準(zhǔn)雙向 I/O 口使用。對于52 子系列， 與 還有第二功能： 可用作定時器 /計數(shù)器 2 的計數(shù)脈沖輸入端T2， 可用作定時器 /計數(shù)器 2的外部控制端 T2EX。 （ 3） P2 口（ 21～ 28 腳）： ～ P2 口，一般可作為準(zhǔn)雙向 I/O 口使用； 2 在接有片外存儲器或擴展 I/O口且尋址范圍超過 256 字節(jié)時， P2 口用作高 8位地址總線。 （ 4） P3口（ 10～ 17 腳）： ～ 統(tǒng)稱為 P3 口。除作為準(zhǔn)雙向 I/O 口使用外，還可以將每一位用于第二功能，而且 P3 口的每一條引腳均可以獨立定義為第一功能的輸入輸出或第三功能。 （ 5） RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間。 （ 6） ALE/PROG：當(dāng)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(dāng)用作外部數(shù)據(jù)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。 （ 7） /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(jù)存儲器時，這兩次有效的 /PSEN 信號將不出現(xiàn)。 （ 8） /EA/Vpp：內(nèi)外存儲器選擇引腳 /片內(nèi) EPROM 編程電壓輸入引腳。當(dāng) /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(nèi)部程序存儲器。注意加密方式 1時， /EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng) /EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。 （ 9） XTAL1：晶體振蕩器接入的一個引腳。 （ 10） XTAL2：晶體振蕩器接入的另一個引腳，來自反向振蕩器的輸出。 （ 11） Vcc：電源接入引腳。 （ 12） Vss：接地引腳。 圖為 AT89C52 的芯片 3 89C52 的存儲器配置 89C52 的片內(nèi)集成有一定容量的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器（ 256B）。當(dāng)然，還可以根據(jù)需要對存儲器進行外部擴展。 ， 89C52 的存儲器有 4 個存儲空間：片內(nèi)程序存儲器、片外程序存儲器、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器和片外數(shù)據(jù)存儲器。 ， 89C52 有 3 個存儲器地址空間：片內(nèi)外統(tǒng)一的 64KB 的程序存儲器地址空間、 256B 的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器地址空間（其中 128B 的專用寄存器地址空間，僅有部分字節(jié)有實際意義）和 64KB 的外部數(shù)據(jù)存儲器地址空間。 了區(qū)分不同的存儲器空間，在用指令訪問這三個不同的邏輯空間時采用了不同形式的指令 電可擦除可編程只讀存儲器（ E2PROM） E2PROM 是一種可用電氣方法在線擦除和再編程的只讀存儲器。它既有 RAM 在聯(lián)機操作中可讀可改寫的特性，只是寫操作需要較長的時間；又具有非易失性存儲器 ROM 在掉電后仍然能保存原存儲數(shù)據(jù)的優(yōu)點。目前， E2PROM 已在片內(nèi)集成了需要的所有外圍電路、數(shù)據(jù)鎖存緩沖器和地址鎖存器、擦除和寫操作脈沖定時、編程，使用方便。 后研制的快擦寫（ Flash）存儲器，其存儲容量大，變成速度快，獲得廣 泛應(yīng)用。對于 Flash Mmemory 有不同的腳法，有的半導(dǎo)體器件手冊稱之為“閃光”存儲器、“閃爍”存儲器、“快閃”存儲器或者“閃速”存儲器。這種存儲器既不會閃光，也不會“閃爍”，也不是說此類存儲器是“極高速的”，從其命名的本意說，這類存儲器相對于 E2PROM 芯片，可以用電氣的方法快速的進行擦寫，因此，稱之為快擦寫存儲器比較貼切，簡稱 Flash 存儲器。 由于 Flash Mmemory 不需要存儲用的電容，相對 DRAM 來說，集成度高，制造成本低。它使用方便，既具有 SRAM 讀寫靈活和較快的訪問速度，又具有 ROM 斷 電后不丟失信息的特點，所以 Flash Mmemory 的技術(shù)發(fā)展很快。 4 2 方案 方案比較 ，設(shè)計與論證 控制方案比較 方案一：此方案是傳統(tǒng)的二位模擬控制方案，其優(yōu)點是電路簡單，易于實現(xiàn)。但模擬控制方式難以把精度做得很高，難以實現(xiàn)題中鍵盤設(shè)定和動態(tài)顯示滴速及遠程通信的功能。如圖 1： 圖 1 方案二：此方案采用 89C52 單片機系統(tǒng)來實現(xiàn)，可用軟件實現(xiàn)復(fù)雜的算法和控制。此方案方便的實現(xiàn)了題中鍵盤設(shè)定和動態(tài)顯示滴速等的功能，并且可以實現(xiàn)主從站通信的擴展功能。本設(shè)計采用了方案二。如圖 2： 圖 2 液滴檢測方案比較 方案一 :采用電容傳感器實現(xiàn)。電容是由兩個電極中間加絕緣介質(zhì)構(gòu)成的。在滴斗的兩側(cè)固定兩個半圓型的金屬片做極板，成為一個變介質(zhì)的電容傳感器。在沒有水滴時，電容值較小。當(dāng)水滴從兩個極板中穿過時，兩極板間介質(zhì)發(fā)生變化，電容值將發(fā)生變化?？刹捎秒姌螂娐穪頊y試，也可采用 LC 振蕩器，通過電容變化改變振蕩頻率。但此種方法電 5 路復(fù)雜，靈敏度低。 方案二：不調(diào)制的紅外對射傳感器。由于直接采用直流電壓對發(fā)光管進行供電，考慮到平均功率的限制，工作電流不能高于元件的額定值，對透壁照射有一定的困難且 容易受到外部光源等干擾。 方案三：脈沖調(diào)制的紅外對射傳感器。紅外發(fā)射管的最大工作電流是由平均電流決定的，采用占空間比小的調(diào)制信號，在平均電流不變的情況下，瞬間電流會達到很大，大大提高了信噪比，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。在光電器件的選擇方面，有可見光（如激光、發(fā)光二極管等），其優(yōu)點是可見，容易調(diào)試。但由于與外界干擾光源光譜接近，易于受到干擾。紅外光源為不可見光源，由于紅外線在空氣中的折射率小于在水中的折射率，水對紅外光吸收較大。將液滴漏斗固定在一個黑色塑料盒里 , 在滴斗左右端安裝一個紅外發(fā)射頭和一個接收頭， 紅 外發(fā)光二極管與接收管處于同軸線上，一方面避免了燈光等信號的干擾，另一方面提高了紅外光的強度，當(dāng)液滴下落通過漏斗時，由于液滴可近似考慮成小圓滴，它對紅外線的吸收較大，其外表面對紅外光又有反射作用 ,使透過水滴的紅外光強度受到衰減，因此通過光電檢測及信號處理可有效地檢測點滴的信號。 根據(jù)以上分析，我們采用方案三。此方案的水滴檢測示意圖如圖 3： 圖 3：水滴經(jīng)過光束前后的光強變化情況 點滴速度控制方案 方案一：對滴速夾進行松緊控制 對滴速夾進行松緊控制就是通過對滴 速夾的松緊調(diào)節(jié)，改變塑料點滴管的形狀以控制液體的流速。這樣的方法雖然直觀，但存在很多的缺點。首先由于對管壁施壓改變其形狀，其所施加的壓力與流量改變的關(guān)系呈非線性，這給流量控制帶來了難度。此外要在限定的時間內(nèi)完成滴速夾的制作有一定困難?？偨Y(jié)上述原因，不采用此控制方法。 方案二：高度調(diào)節(jié)控制方案 題目要求在 3min 之內(nèi)，控制系統(tǒng)本身能夠根據(jù)設(shè)定值調(diào)節(jié)點滴速度并穩(wěn)定。而速度 6 設(shè)定范圍為 20～ 150滴 /分。桿高 。 如果使用方案圖 4，即采用電動機拉動點滴瓶高度來調(diào)節(jié)點滴的速度，由于要在 3min之內(nèi)有可能從最小調(diào) 整到最大值，點滴瓶的運行距離就要通過計算來設(shè)定。 根據(jù)流速正比于根號下液面高度，如果假設(shè) 150 滴 /分速度點滴瓶的位置在 處。出去人體血液壓力等效產(chǎn)生 的液位壓頭。實際可調(diào)節(jié)距離為 ，則 20 滴 /分的點滴速度，點滴瓶就應(yīng)該在 +（ 20/150） 2 ≈ 。也就是說電機的最大單向位移要接近 。加上超調(diào)量、裕量等，考慮在最壞情況下（設(shè)定值從 20 滴 /分到 150 滴 /分變化），電機總共需要移動的距離為 (加上 20％的超調(diào)， 10％的裕量 )。 方案三：電動機速度牽引改變點滴瓶高度 控制滴液速度。 使用一臺小型電動機，通過一個定滑輪由步進電機帶動儲液瓶使儲液瓶上升或下降改變滴斗到受液瓶的高度 h，來調(diào)節(jié)點滴的速度，由于滴液的速度近似正比于高度到根高冪，即 d∝ h1/2,進而控制點滴速度。 方案原理框圖如圖 4： 圖 4 方案三：改變點滴管道管阻 使用多級齒輪降速來驅(qū)動輪軸，輪軸通過螺桿前后運動壓迫點滴塑料管道截面改變點滴管道的管阻阻力，從而使點滴速度得到控制。方案原理框如圖 5： 圖 5 由于采用了減速機構(gòu)，因此大大提高了驅(qū)動能力。 比較方案二、三，方案圖 4要求電機的速度較快，每分鐘至少可 以移動 m，但是 7 太快的電機拖動速度根據(jù) P=F V 意味著很低的拖動力。由 于廉價的小型電機功率有限，很難做到拖動力和拖動速度兼顧，而方案 5 采用了降速，提高了驅(qū)動能力，加上方案圖 5的位移范圍很小，在位移精確定位的條件下同時可以得到相對較高的移動速度。 因此，本設(shè)計采用方案三 儲液液面檢測方案 方案一：采用超聲波脈沖回波方法測液位。測出超聲波脈沖從發(fā)射聲波到接收所需的時間，根據(jù)超聲波的聲速及其發(fā)射傳感器與夜面之間的距離計算出液位高度。由于短距離內(nèi)超聲波在盲區(qū)影響精度，且超聲波檢測裝置安裝復(fù)雜，不 太適合點滴速度監(jiān)控裝置。 方案二：采用電容傳感測液位。在儲液瓶的瓶身正對著貼兩塊金屬薄片作為傳感電容。因為水的介電常數(shù)是空氣的七十多倍，水位的變化引起介電常數(shù)的變化，從而引起電容值變化，儲液液面下降，電容兩極間的介電常數(shù)減小，電容值隨之減小，經(jīng)過電容 /電壓變換器后輸出電壓上升。當(dāng)儲液液面降到警戒線時，轉(zhuǎn)換電壓高于回差比較器閥值電壓，比較器翻轉(zhuǎn)輸出開關(guān)信號。不同種類的滴液由于介電常數(shù)不同，因而對測量精度有一定影響。 方案三 ：利用液面對光的反射原理來檢測儲液瓶的液位變化，當(dāng)光線成一定角度由光密媒質(zhì)（滴液）射入光 疏媒質(zhì)（空氣）滿足全反射條件。在儲液瓶外面固定一個與水平面成一定角度的半導(dǎo)體激光器（斜向上），當(dāng)達到警戒水位時，激光通過液面反射 ,反射光投射到硅光電池上（見圖 3）。激光器驅(qū)動可采用直流或 20kHz 頻率脈沖。直流驅(qū)動簡單，但易受干擾，采用恒頻脈沖激勵，在接收端采用選頻放大，可有效地消除背景光的干擾。此方案簡單、易行、可靠性高。 因此，本設(shè)計采用方案三。如圖 6： 圖 6 通信方案比較 方案一：并行方式。采用并行方式通信速率最快 ，但不適合于遠距離通信。 方案二：使用 CAN 總線方式。 CANbus 總線在通信能力、可靠性、實時性、靈活性、易用性、傳輸距離遠。但與 I2C 總線一樣，一般單片機還沒配備，外接功能芯片會占用較多 I/O口，用于此性價比不高。 方案三：使用 RS— 485 總線方式。 RS— 485 作為一種多點差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)碾姎庖?guī)范被應(yīng)用在許多不同的領(lǐng)域作為數(shù)據(jù)傳輸鏈路。目前在我國應(yīng)用的工業(yè)控制現(xiàn)場中，大多使用RS— 485 半雙工或全雙工異步通信總線，它也是被各個研發(fā)機構(gòu)廣泛使用的數(shù)據(jù)通信總線。 8 但是，基于在 RS— 485 總線上只能有一個主機的特 點，它往往應(yīng)用在集中控制樞紐與分散控制單元之間。由于 RS— 485 總線本身存在點許多局限性，隨著科技的發(fā)展， RS— 485 的總線效率低、系統(tǒng)的實時性差、通信的可靠性低、后期維護成本高、網(wǎng)絡(luò)工程調(diào)試復(fù)雜、傳輸距離不理想、單總線可掛接的節(jié)點少、應(yīng)用不靈活等缺點慢慢的暴露出來。 方案四：采用一般芯片都有異步串行總線。兩根信號傳輸線加一條公共地線即可實現(xiàn)主站于 256個從站間的雙向數(shù)據(jù)通訊，且軟件編程容易實現(xiàn)，通信協(xié)議可根據(jù)需要靈活定義。當(dāng)需要遠距離傳輸時刻采用電流環(huán)來增強抗干擾性能，從而大大延長通信距離。 因此，采用方 案四。 主從機網(wǎng)絡(luò)通訊構(gòu)建方案 方案一：輻射型網(wǎng)絡(luò) 為了使分散在各處的的從機的信息能夠簡單、及時、可靠的傳送到