【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 圖 2. 4 排阻式水位檢測(cè)系統(tǒng)示意圖 方案二： RC 充放電式水位傳感器測(cè)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(gè)端口，第一個(gè)端口是公共水位，第二個(gè)端口是實(shí)際水位端口。觀察傳感器可知水位傳感器 有 5 個(gè)與水接觸點(diǎn)，我們從上到下依次命名它們?yōu)?1— 5 觸點(diǎn)。我們分別測(cè)量了觸點(diǎn)不同接法時(shí)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(wú)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(lái)測(cè)量水位有較大優(yōu)勢(shì)， RC 充放電式水位傳感器只要兩根線就可以，這里相對(duì)于排阻法就省下不少的導(dǎo)線，另一方面占用較少的 I/O 口，僅需兩個(gè) I/O 口就能完成水位檢 測(cè)任務(wù)，極大地節(jié)約了單片機(jī)的 I/O 口資源。 綜上比較可見(jiàn)選用第二種方案較為優(yōu)越。 單片機(jī)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(chǔ)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(chǔ)器制造技術(shù) 。 單片機(jī) AT89S52 標(biāo)準(zhǔn)功能： 8K Flash ROM（數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器）， 256B RAM（程序存儲(chǔ)器）， 32 個(gè)外部雙向輸入 /輸出（ I/O）口，三個(gè)可編程 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，一個(gè)“看門(mén)狗”（ WDT）定時(shí)器，一個(gè) 6 向量 2 級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，兩個(gè)數(shù)據(jù)指針，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)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(diǎn)模式：在掉電保護(hù)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(shí)計(jì)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(jī)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(jī)引腳圖。 6 12345678RST91011121314151617XTAL218XTAL119VSS202122232425262728PSEN29ALE30EA/VPP313233343536373839VCC40U1AT89S52 圖 AT89S52 單片機(jī)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(jī)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(jī)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(hào)引腳 RST、 ALE/PROG、 PSEN 和 EA/Vpp ? RST： 9 腳也就是 RESET， 復(fù)位輸入 ，單片機(jī)上電后如果要使單片機(jī)復(fù)位，只要在該引腳輸入 24 個(gè)振蕩周期寬度以上的高電平就可達(dá)到。圖 為該單片機(jī)的復(fù)位電路圖。在通電瞬間，電容 C 通過(guò)電阻 R 進(jìn)行充電， RST 端出現(xiàn)正脈沖，用以復(fù)位。 當(dāng)振蕩器工作時(shí)， RST 引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將 使得 單片機(jī)復(fù)位 。單片機(jī)正常工作時(shí)，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(dāng)不訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器程序時(shí) ， ALE 仍以時(shí)鐘振蕩頻率的 1/6 輸出固定的脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過(guò)一個(gè) ALE 脈沖。 ? PSEN： 29 腳， 外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào) ，低點(diǎn)平有效。 當(dāng) AT89S52由外部程序存儲(chǔ)器 執(zhí)行外部代碼 時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期中， PSEN 信號(hào)兩次有效 ，也就是輸出兩個(gè)脈沖 。但在此期間，每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 PSEN 信號(hào)不 出現(xiàn)。 7 ? EA/Vpp： 31 腳， 外部訪問(wèn)允許 /編程電源輸入端。當(dāng) EA 輸入高電平時(shí)（接 Vcc 端） ， CPU 執(zhí)行程序，在低 4KB（ 0000H～ 0FFFH）地址范圍內(nèi)，訪問(wèn)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器； 當(dāng) 程序計(jì)數(shù)器 PC 的值超過(guò) 4KB 地址時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行片外程序存儲(chǔ)器的程序。當(dāng) EA 輸入低電平 （接 GND） 時(shí)， CPU僅訪問(wèn)片外程序存儲(chǔ)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(shí)內(nèi)部會(huì)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(gè)雙向 I/O 口 并且 擁有 8 位漏極開(kāi)路的 ，同時(shí)可以驅(qū)動(dòng)8 個(gè) LS 型的 TTL 負(fù)載。 對(duì) P0 寫(xiě) 1 這個(gè)時(shí)候 引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問(wèn)外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， 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(gè)具有上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 可 驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) LS型的 TTL 電平 。 P1 口是專(zhuān)為用戶使用的準(zhǔn)雙向 I/O 口，作為通用的 I/O口輸入時(shí)應(yīng)先向端口鎖存器寫(xiě) 1。 ? P2 口： P2 口是一個(gè) 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(shí)可以輸出高 8 位 到外部存儲(chǔ)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(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或用 16 位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， P2 口送出高 8位地址。在這種應(yīng)用中， P2 口使用 較 強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送 1。 ? P3 口： P3 口是一個(gè) 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(dòng) 4 個(gè) TTL 邏輯電平。對(duì) P3 寫(xiě) 1 時(shí)，內(nèi)部上拉電阻 會(huì) 把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口用。作為輸入 口 使用時(shí)，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(shí)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(jì) 該系統(tǒng)由主控芯片模塊 AT89S5 DS18B20 溫度檢測(cè)模塊、 LCD 液晶顯示模塊、水位檢測(cè)模塊、鍵盤(pán)控制模塊、報(bào)警模塊和電磁閥開(kāi)關(guān)模塊組成。下面分別對(duì)各個(gè) 模塊作具體介紹。 水位檢測(cè)模塊 水位測(cè)量原理 1．檢測(cè)原理圖如圖 。 圖 RC 充放水位傳感器原理圖 它的是利用 4 個(gè)并聯(lián)的電阻 [5]，電阻隨水位變化而變化，每當(dāng)水面接觸一個(gè)鋼針就會(huì)多并聯(lián)一個(gè)電阻，電阻隨水位變化而規(guī)律的變化。因?yàn)閱纹瑱C(jī)會(huì)給電容周期性地充電和放電，然后檢測(cè)接在電容兩邊的電壓的變化。因?yàn)槲覀兺ㄟ^(guò)已學(xué)的知識(shí)可知電容電壓的上升或下降時(shí)間可表示為 t=RC，所以可以通過(guò)記錄下的這個(gè)時(shí)間來(lái)知道電阻的變化，進(jìn)而進(jìn)一步可知水位 的變化并對(duì)其進(jìn)行顯示。 單片機(jī)中的定時(shí)器可以提供電壓變化時(shí)間的紀(jì)錄，接下來(lái)就是如何將電壓的變化傳遞給單片機(jī)。本設(shè)計(jì)與 I/O 隔離并用中斷監(jiān)測(cè)電容電壓的電路，這樣就需要把電容電壓和單片機(jī)端口如圖 這樣隔離開(kāi)來(lái)。 水箱 水位 檢測(cè)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(diǎn)： 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(kāi)路，它的輸出高電平與 LM393 的電源無(wú)關(guān)，但須接外部電源和上拉電阻。 需要電壓跟隨器進(jìn)行隔離的原因和必要性：因?yàn)?AT89S52 單片機(jī)的 INTO、INT1 本身就具備上拉電阻， INTO、 INT1 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)類(lèi)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(duì)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(huì)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(shí)現(xiàn)。由于水的高低也有一定的電阻，如圖 ，當(dāng)水位較低時(shí)，傳感器將信號(hào)傳給單片機(jī) 端口，輸出低電平信號(hào)輸入到 U7A 電壓相應(yīng)變的?。ǖ陀?6v）， 1 腳輸出低電平，經(jīng)過(guò)U7A 電壓跟誰(shuí)器，輸入到 U7B 反相輸入端，與 U7B 同相端電壓進(jìn)行比較，在同相端設(shè)置的基準(zhǔn)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(hào)后，將指 令給 端口，制成高電平，使三極管導(dǎo)通，繼電器吸合，電磁閥門(mén)開(kāi)始工作。當(dāng)水位過(guò)高時(shí)，傳感器將信號(hào)傳個(gè)單片機(jī)，由 輸出一個(gè)高電平信號(hào)， U7A 電壓跟隨器輸出一個(gè) 12V 電壓，輸入給 U7B 電壓比較器反相端，與同相端進(jìn)行電壓比較輸出一個(gè)低電平信號(hào)即（ 端口置成低電平），通過(guò) AT89S52 將指令傳給 端口，將其置成低電平，此時(shí)繼電器斷開(kāi)，電磁閥門(mén)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(xiě)入 讀存儲(chǔ)器 10 12345678RST91011121314151617XTAL218XTAL119VSS202122232425262728PSEN29ALE30EA/VPP313233343536373839VCC40U4AT89C52VCC23418U7ALM393AD48657U7BLM393ADGNDVCC1KR91KR12Res2GNDVCC1K水位傳感器100pFC2CapGND1KR11Res2 圖 水位檢測(cè)電路 溫度檢測(cè)模塊 溫度傳感器的主要特點(diǎn)是功能單一、測(cè)溫 精良 、價(jià)格低廉 （ 10 快錢(qián)左右） 、響應(yīng) 反應(yīng) 快 、 傳輸距離遠(yuǎn)、 功耗 小、易配處理器 等 優(yōu)點(diǎn) ， 非常 適合遠(yuǎn)距離測(cè)溫 和控制，外圍電路簡(jiǎn)單 且 不需要進(jìn)行非線性校準(zhǔn)。 太陽(yáng)能熱水器溫度傳感器有很多，本設(shè)計(jì) 本來(lái) 可選用 熱敏電阻來(lái)使用，他 具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻來(lái)測(cè)水溫，熱敏電阻與普通電阻不同，它具有負(fù)的溫度特性，當(dāng)溫度升高時(shí)，電阻值減小 等優(yōu)點(diǎn)， 它的應(yīng)用是為了 測(cè)量 溫度。 但由于取材方面的原因，也考慮到經(jīng)濟(jì)成本我 選用了型號(hào)為 DS18B20 的溫度傳感器， 這是市場(chǎng)上很多見(jiàn)并且應(yīng)用范圍很廣的一種溫度傳感器， 因?yàn)樗?dú)特的單線接口，且具有精準(zhǔn)度高、 穩(wěn)定性強(qiáng)、廉價(jià) 等 好處，因此我設(shè)計(jì)中用 DS18B20 作為溫度 傳感器。 DS18B20 的簡(jiǎn)介 及特性 [7]： DS18B20 數(shù)字化溫度傳感器 是美國(guó) Dallas 半導(dǎo)體公司 生產(chǎn)