【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 26 1 1 單片機(jī) 89C52 概述 本設(shè)計(jì)主要針對(duì) AT89C52 單片機(jī)芯片來(lái)設(shè)計(jì)的。 AT89C52 單片機(jī)芯利用設(shè)計(jì)并制作一個(gè)智能化的液體點(diǎn)滴速度監(jiān)測(cè)與控制裝置。該裝置由水滴速度測(cè)試系統(tǒng)、水速控制系統(tǒng)、顯示裝置、單片 機(jī)系統(tǒng)、鍵盤(pán)和報(bào)警等系統(tǒng)組成。應(yīng)用水的壓強(qiáng)隨著高度差的變化而變化的原理，利用控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的升降來(lái)控制點(diǎn)滴速度。點(diǎn)滴速度可用鍵盤(pán)來(lái)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?cè)O(shè)定值起到點(diǎn)滴速度基本穩(wěn)定整個(gè)過(guò)程的調(diào)整時(shí)間小于 3分鐘。同時(shí)在水到達(dá)警戒線(xiàn)以下時(shí)能發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 AT89C52 單片機(jī) AT89 單片機(jī)系列是世界上著名的半導(dǎo)體公司之一的美國(guó) ATMEL 公司生產(chǎn)的。 ATMEL89C系列單片機(jī)可分為低檔型、標(biāo)準(zhǔn)型和高檔型三類(lèi)。 89C52 單片機(jī)是由微處理器（含運(yùn)算器 和控制器）、存儲(chǔ)器、 I/O 接口以及特殊功能寄存器等構(gòu)成，作為 89C52 單片機(jī)核心部分的微處理器是一個(gè) 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(jī)的各功能部件執(zhí)行指定的運(yùn)算或操作，它主要由運(yùn)算器和控制器兩部分構(gòu)成。 89C52 單片機(jī)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(shí)鐘電路；總線(xiàn)控制邏輯；（ 2）存儲(chǔ)器系統(tǒng)： 4K 字節(jié)的程序存儲(chǔ)器（ ROM/EPTOM/FLASH，可外擴(kuò) 64K）； 256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM，可再外擴(kuò) 64K）；特殊功 能寄存器 SFR；（ 3） I/O口和其他功能單元： 4 個(gè)并行 I/O 口； 2 個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器； 1 個(gè)全雙工異步串行口；中斷系統(tǒng)（ 5個(gè)中斷源、 2個(gè)優(yōu)先級(jí)）。 89C52 單片機(jī)有微處理器（含運(yùn)算器控制器）、存儲(chǔ)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(jī)的應(yīng)用模式有總線(xiàn)型單片機(jī)應(yīng)用模式和非總線(xiàn)型單片機(jī)應(yīng)用模式。通常的微處理器芯片都設(shè)有單獨(dú)的地址總線(xiàn)、數(shù)據(jù)總線(xiàn)和控制總線(xiàn)。但單片機(jī)由于芯片引腳數(shù)量的限制，數(shù)據(jù)總線(xiàn)與地址總線(xiàn)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(jiǎn)介 （ 1） P0 口（ 39～ 32腳）： ～ 統(tǒng)稱(chēng)為 P0口。在不接片外存儲(chǔ)器與不擴(kuò)展 I/O口時(shí)，可作為準(zhǔn)雙向輸入 /輸出口。在接有片外存儲(chǔ)器或擴(kuò)展 I/O 口時(shí)， P0 口分時(shí)復(fù)用為低 8位地址總線(xiàn)和雙向數(shù)據(jù)總線(xiàn)。 （ 2） P1 口（ 1～ 8 腳）： ～ 統(tǒng)稱(chēng)為 P1 口，可作為準(zhǔn)雙向 I/O 口使用。對(duì)于52 子系列， 與 還有第二功能： 可用作定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 2 的計(jì)數(shù)脈沖輸入端T2， 可用作定時(shí)器 /計(jì)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(chǔ)器或擴(kuò)展 I/O口且尋址范圍超過(guò) 256 字節(jié)時(shí)， P2 口用作高 8位地址總線(xiàn)。 （ 4） P3口（ 10～ 17 腳）： ～ 統(tǒng)稱(chēng)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(dú)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(shí)，要保持 RST 腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 （ 6） ALE/PROG：當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，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(shí)， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè) ALE 脈沖。如想禁止 ALE的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時(shí)， 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(wú)效。 （ 7） /PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次 /PSEN 有效。但在訪(fǎng) 問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 /PSEN 信號(hào)將不出現(xiàn)。 （ 8） /EA/Vpp：內(nèi)外存儲(chǔ)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(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式 1時(shí)， /EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng) /EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。 （ 9） XTAL1：晶體振蕩器接入的一個(gè)引腳。 （ 10） XTAL2：晶體振蕩器接入的另一個(gè)引腳，來(lái)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(chǔ)器配置 89C52 的片內(nèi)集成有一定容量的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ 256B）。當(dāng)然，還可以根據(jù)需要對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行外部擴(kuò)展。 ， 89C52 的存儲(chǔ)器有 4 個(gè)存儲(chǔ)空間：片內(nèi)程序存儲(chǔ)器、片外程序存儲(chǔ)器、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 ， 89C52 有 3 個(gè)存儲(chǔ)器地址空間：片內(nèi)外統(tǒng)一的 64KB 的程序存儲(chǔ)器地址空間、 256B 的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間（其中 128B 的專(zhuān)用寄存器地址空間，僅有部分字節(jié)有實(shí)際意義）和 64KB 的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間。 了區(qū)分不同的存儲(chǔ)器空間，在用指令訪(fǎng)問(wèn)這三個(gè)不同的邏輯空間時(shí)采用了不同形式的指令 電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器（ E2PROM） E2PROM 是一種可用電氣方法在線(xiàn)擦除和再編程的只讀存儲(chǔ)器。它既有 RAM 在聯(lián)機(jī)操作中可讀可改寫(xiě)的特性，只是寫(xiě)操作需要較長(zhǎng)的時(shí)間；又具有非易失性存儲(chǔ)器 ROM 在掉電后仍然能保存原存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)。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(xiě)操作脈沖定時(shí)、編程，使用方便。 后研制的快擦寫(xiě)（ Flash）存儲(chǔ)器，其存儲(chǔ)容量大，變成速度快，獲得廣 泛應(yīng)用。對(duì)于 Flash Mmemory 有不同的腳法，有的半導(dǎo)體器件手冊(cè)稱(chēng)之為“閃光”存儲(chǔ)器、“閃爍”存儲(chǔ)器、“快閃”存儲(chǔ)器或者“閃速”存儲(chǔ)器。這種存儲(chǔ)器既不會(huì)閃光，也不會(huì)“閃爍”，也不是說(shuō)此類(lèi)存儲(chǔ)器是“極高速的”，從其命名的本意說(shuō)，這類(lèi)存儲(chǔ)器相對(duì)于 E2PROM 芯片，可以用電氣的方法快速的進(jìn)行擦寫(xiě)，因此，稱(chēng)之為快擦寫(xiě)存儲(chǔ)器比較貼切，簡(jiǎn)稱(chēng) Flash 存儲(chǔ)器。 由于 Flash Mmemory 不需要存儲(chǔ)用的電容，相對(duì) DRAM 來(lái)說(shuō)，集成度高，制造成本低。它使用方便，既具有 SRAM 讀寫(xiě)靈活和較快的訪(fǎng)問(wèn)速度，又具有 ROM 斷 電后不丟失信息的特點(diǎn)，所以 Flash Mmemory 的技術(shù)發(fā)展很快。 4 2 方案 方案比較 ，設(shè)計(jì)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(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。但模擬控制方式難以把精度做得很高，難以實(shí)現(xiàn)題中鍵盤(pán)設(shè)定和動(dòng)態(tài)顯示滴速及遠(yuǎn)程通信的功能。如圖 1： 圖 1 方案二：此方案采用 89C52 單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，可用軟件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法和控制。此方案方便的實(shí)現(xiàn)了題中鍵盤(pán)設(shè)定和動(dòng)態(tài)顯示滴速等的功能，并且可以實(shí)現(xiàn)主從站通信的擴(kuò)展功能。本設(shè)計(jì)采用了方案二。如圖 2： 圖 2 液滴檢測(cè)方案比較 方案一 :采用電容傳感器實(shí)現(xiàn)。電容是由兩個(gè)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(gè)半圓型的金屬片做極板，成為一個(gè)變介質(zhì)的電容傳感器。在沒(méi)有水滴時(shí)，電容值較小。當(dāng)水滴從兩個(gè)極板中穿過(guò)時(shí)，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?lái)測(cè)試，也可采用 LC 振蕩器，通過(guò)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(duì)射傳感器。由于直接采用直流電壓對(duì)發(fā)光管進(jìn)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(duì)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(duì)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(hào)，在平均電流不變的情況下，瞬間電流會(huì)達(dá)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(jiàn)光（如激光、發(fā)光二極管等），其優(yōu)點(diǎn)是可見(jiàn)，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(jiàn)光源，由于紅外線(xiàn)在空氣中的折射率小于在水中的折射率，水對(duì)紅外光吸收較大。將液滴漏斗固定在一個(gè)黑色塑料盒里 , 在滴斗左右端安裝一個(gè)紅外發(fā)射頭和一個(gè)接收頭， 紅 外發(fā)光二極管與接收管處于同軸線(xiàn)上，一方面避免了燈光等信號(hào)的干擾，另一方面提高了紅外光的強(qiáng)度，當(dāng)液滴下落通過(guò)漏斗時(shí)，由于液滴可近似考慮成小圓滴，它對(duì)紅外線(xiàn)的吸收較大，其外表面對(duì)紅外光又有反射作用 ,使透過(guò)水滴的紅外光強(qiáng)度受到衰減，因此通過(guò)光電檢測(cè)及信號(hào)處理可有效地檢測(cè)點(diǎn)滴的信號(hào)。 根據(jù)以上分析，我們采用方案三。此方案的水滴檢測(cè)示意圖如圖 3： 圖 3：水滴經(jīng)過(guò)光束前后的光強(qiáng)變化情況 點(diǎn)滴速度控制方案 方案一：對(duì)滴速夾進(jìn)行松緊控制 對(duì)滴速夾進(jìn)行松緊控制就是通過(guò)對(duì)滴 速夾的松緊調(diào)節(jié)，改變塑料點(diǎn)滴管的形狀以控制液體的流速。這樣的方法雖然直觀(guān)，但存在很多的缺點(diǎn)。首先由于對(duì)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(xiàn)性，這給流量控制帶來(lái)了難度。此外要在限定的時(shí)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(diǎn)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(dòng)機(jī)拉動(dòng)點(diǎn)滴瓶高度來(lái)調(diào)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)滴瓶的運(yùn)行距離就要通過(guò)計(jì)算來(lái)設(shè)定。 根據(jù)流速正比于根號(hào)下液面高度，如果假設(shè) 150 滴 /分速度點(diǎn)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(shí)際可調(diào)節(jié)距離為 ，則 20 滴 /分的點(diǎn)滴速度，點(diǎn)滴瓶就應(yīng)該在 +（ 20/150） 2 ≈ 。也就是說(shuō)電機(jī)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(jī)總共需要移動(dòng)的距離為 (加上 20％的超調(diào)， 10％的裕量 )。 方案三：電動(dòng)機(jī)速度牽引改變點(diǎn)滴瓶高度 控制滴液速度。 使用一臺(tái)小型電動(dòng)機(jī)，通過(guò)一個(gè)定滑輪由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)儲(chǔ)液瓶使儲(chǔ)液瓶上升或下降改變滴斗到受液瓶的高度 h，來(lái)調(diào)節(jié)點(diǎn)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(jìn)而控制點(diǎn)滴速度。 方案原理框圖如圖 4： 圖 4 方案三：改變點(diǎn)滴管道管阻 使用多級(jí)齒輪降速來(lái)驅(qū)動(dòng)輪軸，輪軸通過(guò)螺桿前后運(yùn)動(dòng)壓迫點(diǎn)滴塑料管道截面改變點(diǎn)滴管道的管阻阻力，從而使點(diǎn)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(jī)構(gòu)，因此大大提高了驅(qū)動(dòng)能力。 比較方案二、三，方案圖 4要求電機(jī)的速度較快，每分鐘至少可 以移動(dòng) m，但是 7 太快的電機(jī)拖動(dòng)速度根據(jù) P=F V 意味著很低的拖動(dòng)力。由 于廉價(jià)的小型電機(jī)功率有限，很難做到拖動(dòng)力和拖動(dòng)速度兼顧，而方案 5 采用了降速，提高了驅(qū)動(dòng)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(shí)可以得到相對(duì)較高的移動(dòng)速度。 因此，本設(shè)計(jì)采用方案三 儲(chǔ)液液面檢測(cè)方案 方案一：采用超聲波脈沖回波方法測(cè)液位。測(cè)出超聲波脈沖從發(fā)射聲波到接收所需的時(shí)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(jì)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(cè)裝置安裝復(fù)雜，不 太適合點(diǎn)滴速度監(jiān)控裝置。 方案二：采用電容傳感測(cè)液位。在儲(chǔ)液瓶的瓶身正對(duì)著貼兩塊金屬薄片作為傳感電容。因?yàn)樗慕殡姵?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(chǔ)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(guò)電容 /電壓變換器后輸出電壓上升。當(dāng)儲(chǔ)液液面降到警戒線(xiàn)時(shí)，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(kāi)關(guān)信號(hào)。不同種類(lèi)的滴液由于介電常數(shù)不同，因而對(duì)測(cè)量精度有一定影響。 方案三 ：利用液面對(duì)光的反射原理來(lái)檢測(cè)儲(chǔ)液瓶的液位變化，當(dāng)光線(xiàn)成一定角度由光密媒質(zhì)（滴液）射入光 疏媒質(zhì)（空氣）滿(mǎn)足全反射條件。在儲(chǔ)液瓶外面固定一個(gè)與水平面成一定角度的半導(dǎo)體激光器（斜向上），當(dāng)達(dá)到警戒水位時(shí)，激光通過(guò)液面反射 ,反射光投射到硅光電池上（見(jiàn)圖 3）。激光器驅(qū)動(dòng)可采用直流或 20kHz 頻率脈沖。直流驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，但易受干擾，采用恒頻脈沖激勵(lì)，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(jiǎn)單、易行、可靠性高。 因此，本設(shè)計(jì)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(yuǎn)距離通信。 方案二：使用 CAN 總線(xiàn)方式。 CANbus 總線(xiàn)在通信能力、可靠性、實(shí)時(shí)性、靈活性、易用性、傳輸距離遠(yuǎn)。但與 I2C 總線(xiàn)一樣，一般單片機(jī)還沒(méi)配備，外接功能芯片會(huì)占用較多 I/O口，用于此性?xún)r(jià)比不高。 方案三：使用 RS— 485 總線(xiàn)方式。 RS— 485 作為一種多點(diǎn)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(guó)應(yīng)用的工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)中，大多使用RS— 485 半雙工或全雙工異步通信總線(xiàn)，它也是被各個(gè)研發(fā)機(jī)構(gòu)廣泛使用的數(shù)據(jù)通信總線(xiàn)。 8 但是，基于在 RS— 485 總線(xiàn)上只能有一個(gè)主機(jī)的特 點(diǎn)，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(xiàn)本身存在點(diǎn)許多局限性，隨著科技的發(fā)展， RS— 485 的總線(xiàn)效率低、系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性差、通信的可靠性低、后期維護(hù)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(xiàn)可掛接的節(jié)點(diǎn)少、應(yīng)用不靈活等缺點(diǎn)慢慢的暴露出來(lái)。 方案四：采用一般芯片都有異步串行總線(xiàn)。兩根信號(hào)傳輸線(xiàn)加一條公共地線(xiàn)即可實(shí)現(xiàn)主站于 256個(gè)從站間的雙向數(shù)據(jù)通訊，且軟件編程容易實(shí)現(xiàn)，通信協(xié)議可根據(jù)需要靈活定義。當(dāng)需要遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)刻采用電流環(huán)來(lái)增強(qiáng)抗干擾性能，從而大大延長(zhǎng)通信距離。 因此，采用方 案四。 主從機(jī)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(jī)的信息能夠簡(jiǎn)單、及時(shí)、可靠的傳送到