【文章內(nèi)容簡介】 圖 2. 4 排阻式水位檢測系統(tǒng)示意圖 方案二： RC 充放電式水位傳感器測量電路其基本形狀如圖 所示。 [3] 圖 RC 充放電式水位傳感器示意圖 從圖 中我們可以看到傳感器外很形很普通，該傳感器一共只有兩個端口，第一個端口是公共水位，第二個端口是實際水位端口。觀察傳感器可知水位傳感器 有 5 個與水接觸點，我們從上到下依次命名它們?yōu)?1— 5 觸點。我們分別測量了觸點不同接法時公共和水位 兩端口之間的電阻，輸出電阻值表如下表 。 公共 水位 CD 4069 74LS244 AT89S52 水箱 5 表 輸出電阻值表 短接方式 無短接 2 3 4 5 輸出電阻值 極大值 25kΩ kΩ kΩ 方案選擇 以 RC 充放電式水位傳感器來測量水位有較大優(yōu)勢， RC 充放電式水位傳感器只要兩根線就可以，這里相對于排阻法就省下不少的導線，另一方面占用較少的 I/O 口，僅需兩個 I/O 口就能完成水位檢 測任務(wù)，極大地節(jié)約了單片機的 I/O 口資源。 綜上比較可見選用第二種方案較為優(yōu)越。 單片機的選擇 AT89S52 選擇和其功能性能 AT89S52 是一種低功耗、高性能 CMOS 的 8 位微控制器 [4]，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash存儲器。 在單芯片上，擁有 靈巧的 8 位 CPU和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 AT89S52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52 與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完 全兼容 得益于它使用高密度非易失性存儲器制造技術(shù) 。 單片機 AT89S52 標準功能： 8K Flash ROM（數(shù)據(jù)存儲器）， 256B RAM（程序存儲器）， 32 個外部雙向輸入 /輸出（ I/O）口，三個可編程 16 位定時器 /計數(shù)器，一個“看門狗”（ WDT）定時器，一個 6 向量 2 級中斷結(jié)構(gòu)，兩個數(shù)據(jù)指針，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。此外， AT89S52 如果降至 8Hz 靜態(tài)邏輯操作，可支持兩種軟件可選擇節(jié)點模式：在掉電保護方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。在空閑的模式下，CPU 暫停工作，而 RAM 定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作。 AT89S52 引腳功能介紹 AT89S52 單片機采用雙列直排的 40 條引腳的封裝形式。 AT89S52 的 40 條引腳中，有 2 條只用于主電源的引腳，還有 2 條外接晶振的引腳，另外 4 條控制和其它電源復(fù)用的引腳， 32 條 I/O 引腳。 如圖 是 AT89S52 單片機引腳圖。 6 12345678RST91011121314151617XTAL218XTAL119VSS202122232425262728PSEN29ALE30EA/VPP313233343536373839VCC40U1AT89S52 圖 AT89S52 單片機引腳圖 AT89S52 引腳的名稱和功能： ? Vcc：接 +5V 的電源。 ? GND：為接地。 ? XTAL1：接在外部晶振的一端。在單片機內(nèi)部是反相放大器的輸入端，該放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。 ? XTAL2：接在外部 晶振的另一端。在單片機內(nèi)部接至上述的振蕩器的反相放大器的輸出端，振蕩器的頻率是晶體振蕩頻率。 控制信號引腳 RST、 ALE/PROG、 PSEN 和 EA/Vpp ? RST： 9 腳也就是 RESET， 復(fù)位輸入 ，單片機上電后如果要使單片機復(fù)位，只要在該引腳輸入 24 個振蕩周期寬度以上的高電平就可達到。圖 為該單片機的復(fù)位電路圖。在通電瞬間，電容 C 通過電阻 R 進行充電， RST 端出現(xiàn)正脈沖，用以復(fù)位。 當振蕩器工作時， RST 引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將 使得 單片機復(fù)位 。單片機正常工作時，此引腳應(yīng)為不大與 的低電平。 ? ALE/PROG： 30 腳， 地址鎖存使能輸出 /編程脈沖輸入端。， ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位。當不訪問外部存儲器程序時 ， ALE 仍以時鐘振蕩頻率的 1/6 輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個 ALE 脈沖。 ? PSEN： 29 腳， 外部程序存儲器讀選通信號 ，低點平有效。 當 AT89S52由外部程序存儲器 執(zhí)行外部代碼 時，每個機器周期中， PSEN 信號兩次有效 ，也就是輸出兩個脈沖 。但在此期間，每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 PSEN 信號不 出現(xiàn)。 7 ? EA/Vpp： 31 腳， 外部訪問允許 /編程電源輸入端。當 EA 輸入高電平時（接 Vcc 端） ， CPU 執(zhí)行程序，在低 4KB（ 0000H～ 0FFFH）地址范圍內(nèi)，訪問片內(nèi)程序存儲器； 當 程序計數(shù)器 PC 的值超過 4KB 地址時，將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行片外程序存儲器的程序。當 EA 輸入低電平 （接 GND） 時， CPU僅訪問片外程序存儲器。在 flash 編程期間， EA 也接收 12 伏 VPP 電壓。需注意的是：如果加密位 LB1 被編程，復(fù)位時內(nèi)部會鎖存 EA 端狀態(tài) 。 輸入 /輸出（ I/O）引腳 P0、 P P2 和 P3 ? P0 口： P0 口是一個雙向 I/O 口 并且 擁有 8 位漏極開路的 ，同時可以驅(qū)動8 個 LS 型的 TTL 負載。 對 P0 寫 1 這個時候 引腳用作高阻抗輸入。當訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時， P0 口也被作為低 8 位地址 /數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下， P0 具有內(nèi)部上拉電阻。 ? P1 口： P1 口是一個具有上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 可 驅(qū)動 4 個 LS型的 TTL 電平 。 P1 口是專為用戶使用的準雙向 I/O 口，作為通用的 I/O口輸入時應(yīng)先向端口鎖存器寫 1。 ? P2 口： P2 口是一個 雙口功能、字節(jié)地址為 0H、位地址為 A0H~A7H。P2 口作為地址輸出線時可以輸出高 8 位 到外部存儲器，與 P0 輸出的低8 位的地址一齊夠成 16 位地址，可以尋址的地址空間為 64KB。 在訪問外部程序存儲器或用 16 位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器時， P2 口送出高 8位地址。在這種應(yīng)用中， P2 口使用 較 強的內(nèi)部上拉發(fā)送 1。 ? P3 口： P3 口是一個 8 位 雙 向 I/O 口具有內(nèi)部上拉電阻的， P2 輸出緩沖器能驅(qū)動 4 個 TTL 邏輯電平。對 P3 寫 1 時，內(nèi)部上拉電阻 會 把端口拉高，此時可以作為輸入口用。作為輸入 口 使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（ IIL）。 由于 AT89S52 的引腳有限，因此在 P3 電路多了種 特殊功能 即 第二功能。 P3口的每一條引 腳 都 可 分別 定義為第 二 功能的輸入 功能 或第二 輸出 功能。實際在使用中， 一般都是 是先按需 求 優(yōu)先 選擇 它的第二功能，剩下不用的才作為第一功能口線使用。 各引腳的定義如 下： ：串行數(shù)據(jù)輸入口 8 第 3 章 硬件電路設(shè)計 該系統(tǒng)由主控芯片模塊 AT89S5 DS18B20 溫度檢測模塊、 LCD 液晶顯示模塊、水位檢測模塊、鍵盤控制模塊、報警模塊和電磁閥開關(guān)模塊組成。下面分別對各個 模塊作具體介紹。 水位檢測模塊 水位測量原理 1．檢測原理圖如圖 。 圖 RC 充放水位傳感器原理圖 它的是利用 4 個并聯(lián)的電阻 [5]，電阻隨水位變化而變化，每當水面接觸一個鋼針就會多并聯(lián)一個電阻，電阻隨水位變化而規(guī)律的變化。因為單片機會給電容周期性地充電和放電，然后檢測接在電容兩邊的電壓的變化。因為我們通過已學的知識可知電容電壓的上升或下降時間可表示為 t=RC，所以可以通過記錄下的這個時間來知道電阻的變化，進而進一步可知水位 的變化并對其進行顯示。 單片機中的定時器可以提供電壓變化時間的紀錄，接下來就是如何將電壓的變化傳遞給單片機。本設(shè)計與 I/O 隔離并用中斷監(jiān)測電容電壓的電路，這樣就需要把電容電壓和單片機端口如圖 這樣隔離開來。 水箱 水位 檢測口 4*25K 公共 充放電口 9 圖 P1 口的位結(jié)構(gòu) [6] 電壓跟隨器的構(gòu)成：將 LM358 的正向輸入端接入電容電壓正端，反向輸入端則與輸出相連。 電壓跟隨器的特點： 輸入阻抗高，輸出阻抗低 ，使得輸入幾乎不受輸出影響，所以能啟到很好的隔離作用。 ：采用 LM393 為比較器加以 +5V 給其供電，由于 LM393 的輸出為集電極開路，它的輸出高電平與 LM393 的電源無關(guān)，但須接外部電源和上拉電阻。 需要電壓跟隨器進行隔離的原因和必要性：因為 AT89S52 單片機的 INTO、INT1 本身就具備上拉電阻， INTO、 INT1 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)類似于上圖 ，并且 LM393的反相輸入端輸入和同相輸入端輸入間有著相互 鉗 位作用，而 +5V 電源分壓電阻給予 +3V 參考帶電平對反相輸入端輸入有 鉗 位作用，因此接了 LM358 電源跟隨器并且不與電容直接相連，就不會影響 電 容電壓的變化，這便是必須接電壓跟隨器的必要性。電壓跟隨器和比較器的接法如圖 所示。 水位傳感器采用電壓跟隨器與電壓比較電路相結(jié)合實現(xiàn)。由于水的高低也有一定的電阻，如圖 ，當水位較低時，傳感器將信號傳給單片機 端口，輸出低電平信號輸入到 U7A 電壓相應(yīng)變的?。ǖ陀?6v）， 1 腳輸出低電平，經(jīng)過U7A 電壓跟誰器，輸入到 U7B 反相輸入端，與 U7B 同相端電壓進行比較，在同相端設(shè)置的基準電壓為 6V，輸出高電平，作用于 端口制成高電平， AT89S52接受到高電平信號后，將指 令給 端口，制成高電平，使三極管導通，繼電器吸合，電磁閥門開始工作。當水位過高時，傳感器將信號傳個單片機，由 輸出一個高電平信號， U7A 電壓跟隨器輸出一個 12V 電壓，輸入給 U7B 電壓比較器反相端，與同相端進行電壓比較輸出一個低電平信號即（ 端口置成低電平），通過 AT89S52 將指令傳給 端口，將其置成低電平，此時繼電器斷開，電磁閥門停止工作。 D Q 鎖存器 CP Q MUX 地址 /控制 Vcc VCC 讀引腳 內(nèi)部總 線 寫入 讀存儲器 10 12345678RST91011121314151617XTAL218XTAL119VSS202122232425262728PSEN29ALE30EA/VPP313233343536373839VCC40U4AT89C52VCC23418U7ALM393AD48657U7BLM393ADGNDVCC1KR91KR12Res2GNDVCC1K水位傳感器100pFC2CapGND1KR11Res2 圖 水位檢測電路 溫度檢測模塊 溫度傳感器的主要特點是功能單一、測溫 精良 、價格低廉 （ 10 快錢左右） 、響應(yīng) 反應(yīng) 快 、 傳輸距離遠、 功耗 小、易配處理器 等 優(yōu)點 ， 非常 適合遠距離測溫 和控制，外圍電路簡單 且 不需要進行非線性校準。 太陽能熱水器溫度傳感器有很多，本設(shè)計 本來 可選用 熱敏電阻來使用，他 具有負溫度系數(shù)的熱敏電阻來測水溫，熱敏電阻與普通電阻不同，它具有負的溫度特性，當溫度升高時，電阻值減小 等優(yōu)點， 它的應(yīng)用是為了 測量 溫度。 但由于取材方面的原因，也考慮到經(jīng)濟成本我 選用了型號為 DS18B20 的溫度傳感器， 這是市場上很多見并且應(yīng)用范圍很廣的一種溫度傳感器， 因為它獨特的單線接口，且具有精準度高、 穩(wěn)定性強、廉價 等 好處，因此我設(shè)計中用 DS18B20 作為溫度 傳感器。 DS18B20 的簡介 及特性 [7]： DS18B20 數(shù)字化溫度傳感器 是美國 Dallas 半導體公司 生產(chǎn)