【文章內(nèi)容簡介】 的液位自動控制 8 3 電路硬件設(shè)計 圖 系統(tǒng)總體框圖 系統(tǒng)的主要部分有： a) 中央處理器電路：主站采用 Atmega64 單片機(jī)系統(tǒng)，從站采用 AT89S51 單片機(jī)系統(tǒng)。主站從站之間通過 RS485 總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。 b) 人機(jī)接口電路：從機(jī)和主機(jī)都配備了按鍵和顯 示電路 c) 信號處理線路：液位檢測電路和液位控制電路 d) 報警電路：包括 蜂鳴器 狀態(tài)指示燈 e) 電源電路 : +5V +12V直流電源 3． 2 從機(jī)部分模塊電路設(shè)計 圖 電磁閥液位控制 驅(qū)動 8051 從機(jī) 1 液位檢測點(diǎn) 數(shù)碼顯示 鍵盤電路 RS485 接口電路 聲光報警 主機(jī) 山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 各個模塊具體設(shè)計 控制器部分 AT89S51 芯片 AT89S51 是一個低功耗，高性能 CMOS 8位 單片機(jī) ，片內(nèi)含 4k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復(fù)擦寫 1000 次的 Flash 只讀程序存儲器，器件采用 ATMEL 公司 的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)及 80C51 引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用 8位中央處理器和 ISP Flash 存儲單元 ， AT89S51 在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。 主要性能特點(diǎn) 4k Bytes Flash 片內(nèi)程序存儲器； 128 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM）； 32 個外部雙向輸入 /輸出（ I/O）口； 5個 中斷優(yōu)先級 、 2層 中斷嵌套 中斷； 6個中斷源； 2個 16 位可編程 定時器 /計數(shù)器 ； 2個全雙工串行通信口； 看門狗 （ WDT）電路； 片內(nèi) 振蕩器 和 時鐘電路 ； 與 MCS51 兼容； 1全靜態(tài)工作： 0Hz33MHz； 1三級程序存儲器保密鎖定； 1可編程串行通道； 1低功耗的閑置和掉電模式。 基于 AT89S51 的液位自動控制 10 圖 AT89S51管腳圖 管腳說明 ： VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0 口： P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當(dāng) P1 口的管腳第一次寫 1時，被定義為 高阻 輸入。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH 編程時， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH 進(jìn)行校驗(yàn)時， P0輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。 P1 口： P1 口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL門電流。 P1 口管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗(yàn)時， P1口作為第八位地址接收。 P2 口： P2 口為一個內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4個 TTL 門電流，當(dāng) P2 口被寫 “1” 時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時， P2 口輸出地址的高八位。在給出地址 “1” 時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 P2 口在 FLASH 編程和校驗(yàn)時接收高八位地址信號和控制信號。 P3 口： P3 口管 腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4個 TTL 門電流。當(dāng) P3 口寫入 “1” 后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 P3 口除了作為普通 I/O口，還有第二功能： 山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） /INT0（外部中斷 0） /INT1（外部中斷 1） T0（記時器 0 外部輸入） T1（記時器 1 外部輸入） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） P3 口同時為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號。 I/O 口作為輸入口時有兩種工作方式，即所謂的讀端口與讀引腳。讀端口時實(shí)際上并不從外部讀入數(shù)據(jù)，而是把端口鎖存器的內(nèi)容讀入到內(nèi)部總線，經(jīng)過某種運(yùn)算或變換后再寫回到端口鎖存器。只有讀端口時才真正地把外部的數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)部總線。 89C51的 P0、 P P P3 口作為輸入時都是準(zhǔn)雙向口。除了 P1 口外 P0、 P P3 口都還有其他的功能。 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(jī)器周期的高電平時間。 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。 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(jī)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)。 EA/VPP：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。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（ VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 另外還增加了一片 24C04 來保存數(shù)據(jù)。 24C04 是基于 I2C 總線的串行 E2PROM，存儲容量512 個字節(jié)，它占用單片機(jī)資源很少，僅占用兩根 I/O 線，數(shù)據(jù)一旦寫入可保存 100 年，避免了普通 RAM 掉電保護(hù)的麻煩，非常適合于各類儀器儀表和控制裝置的參數(shù)保存。 基于 AT89S51 的液位自動控制 12 液位信號采集電路部分 圖 這套裝置主要由步進(jìn)式電動機(jī)、定滑輪和五個 電極 組成。電動機(jī)選用了 42BYG028 型號的步進(jìn)式電動機(jī)。 工作原理如下： 1. 系統(tǒng)開機(jī)后，由單片機(jī)控制首先進(jìn)行液位參考零點(diǎn)的自動校準(zhǔn)，具體過程：首先控制電動機(jī)逆時針旋轉(zhuǎn)，使電極 1 和電極 2 的中心位置達(dá)到參考零點(diǎn)，如圖顯示。與此同時，觸 點(diǎn) 使行程開關(guān)閉合，產(chǎn)生脈沖信號，單片機(jī)接受到信號，使存儲電機(jī)轉(zhuǎn)動步數(shù)的單元清 0 2. 接著自動檢測初始液位，過程如下：分析電極 1 和電極 2 的可能狀態(tài)，初始液位檢測過程分為以下兩種情況： （ 1） 初始液位在參考零點(diǎn)一下，即電極 1 沒有沒入液體中，或是電極 1與電極 2都沒有沒入液體中，當(dāng)單片機(jī)檢測到這種狀態(tài)的時候，便控制進(jìn)水閥自 動加水使液位達(dá)到上一次檢測液面時所存儲的液面值，同時控制電機(jī)轉(zhuǎn)動使電極 1 與電極 2 的中心店上升到此時液位的位置，此時液位的位置就是初山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 始液位的位置。 （ 2） 初始液位高于參考零點(diǎn)，即電極 1 與電極 2 都沒入液體中，此時單片機(jī)控制電動機(jī)順時針旋轉(zhuǎn)，帶動電極 1 和電極 2 上升，并同時記錄電動機(jī)轉(zhuǎn)動的步數(shù)，當(dāng)達(dá)到電極 1 被拉出液面，電極 2 還在液體狀態(tài)時，單片機(jī)控制電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。通過電機(jī)所轉(zhuǎn)的步數(shù)得出初始的液位值。計算過程如下： 電動機(jī)轉(zhuǎn)動一周的周長為 Xcm,運(yùn)行 1 步轉(zhuǎn)動 度，則轉(zhuǎn)動 1 步所經(jīng)過的距離為：Y=（ ） *X cm 設(shè)轉(zhuǎn)動步數(shù)為 N，則： 初始的液位值 H0=N*Y +校正值 （ 3） 自動控制液位達(dá)到設(shè)定值并實(shí)時顯示液位的過程：假設(shè)設(shè)定的液位高度為B，初始高度為 A，且 BA，即設(shè)定的液位的高度高于初始的液位值。當(dāng)液位 B 被設(shè)定以后，首先要計算電極所要轉(zhuǎn)動的步數(shù)： N=（ BA） /Y , 存儲在單片機(jī)相應(yīng)的存儲單元。單片機(jī)對進(jìn)水閥發(fā)出控制信號，開始加水，同時控制電動機(jī)順時針旋轉(zhuǎn)一步，隨即停止轉(zhuǎn)動，判斷并等待電極 1是否被上升的液面淹沒。當(dāng)單片 機(jī)檢測到電極 1被液面淹沒時，控制電極轉(zhuǎn)動第二下，電極 1再次被拉出水面，單片機(jī)繼續(xù)等待電極 1 被淹沒。 電動機(jī)轉(zhuǎn)動 N 步時，當(dāng)前液位值為： 當(dāng)前液位值 H=初始液位值 A+Y*N ； 單片機(jī)計算并顯示。這樣液面不斷升高，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)過 N 步時，即液位高度達(dá)到所設(shè)定的液位高度時，電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動，關(guān)閉進(jìn)水閥，完成這個過程。 當(dāng)Ａ＞Ｂ時，即設(shè)定的液位值低于初始的液位值的時候，單片機(jī)通過檢測電極２的狀態(tài)來控制電動機(jī)，過程原理與 BA 時相同。根據(jù)題目所要求設(shè)定的精度，電極１電極２，的距離設(shè)定為２ｃｍ，電動機(jī)的步距Ｙ應(yīng)小 于２ｃｍ．精度為 2mm。 根據(jù)檢測的液位值，可以通過單片機(jī)計算當(dāng)前液體的重量并顯示。計算過程：設(shè)容器的底面積為Ｓ，Ｓ為一固定值，當(dāng)前檢測到的液位值為Ｈ，則： 液體當(dāng)前的重量Ｍ＝液體密度（Ｓ＊Ｈ） 基于 AT89S51 的液位自動控制 14 電磁閥的選擇 電磁 閥是用電磁控制的工業(yè)設(shè)備，用在工業(yè)控制系統(tǒng)中調(diào)整 介質(zhì) 的方向、流量、速度和其他的參數(shù)。電磁閥是用電磁的效應(yīng)進(jìn)行控制，主要的控制方式由 繼電器 控制。這樣，電磁閥可以配合不同的 電路 來實(shí)現(xiàn)預(yù)期的控制，而控制的 精度 和靈活性都能夠保證。電磁閥有很多種，不同的電磁閥在控制系統(tǒng)的不同位置發(fā)揮作用，最常用的是單向閥、 安全閥 、方向控制閥、速度 調(diào)節(jié)閥 等。 電磁閥控制電路 圖 電磁閥的主要特點(diǎn) （ 1）外漏堵絕，內(nèi)漏易控，使用安全。內(nèi)外泄漏是危及安全的要素。其它自控閥通常將閥桿伸出，由電動、氣動、液動 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 控制閥芯的轉(zhuǎn)動或移動。這都要解決長期動作閥桿動密封的外泄漏難題；唯有電磁閥是用電磁力作用于密封在電動 調(diào)節(jié)閥 隔磁套管內(nèi)的鐵芯完成，不存在動密封，所以外漏易堵絕。電動閥力矩控制不易，容易產(chǎn)生內(nèi)漏，甚至拉斷閥桿頭部；電磁閥的結(jié)構(gòu)型式容易控制內(nèi)泄漏，直至降為零。所以，電磁閥使用特別安全，尤其適用于腐蝕性、有毒或高低溫的介質(zhì)。 （ 2）系統(tǒng)簡單，便接電腦，價格低謙。電磁閥本身結(jié)構(gòu)簡單，價格也低，比起調(diào)節(jié)閥等其它種類執(zhí)行器易于安裝維護(hù)。更顯著的是所組成的自控系統(tǒng)簡單得多，價格要低得多。由于電磁閥是開關(guān)信號控制，與 工控計算機(jī) 連接十分方便。在當(dāng)今電腦普及，價格大幅下降的時代，電磁閥的優(yōu)勢就更加明顯。 山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 （ 3）動作快遞，功率微小，外形輕巧。電磁閥