【文章內容簡介】 能組合在單個芯片之內，大大簡化了硬件設計，提高了系統的可靠性，減少了對印制電路板的空間要求，降低了成本和系統功 耗，是一種理想的單片機外圍芯片。 X25045 引腳如圖 314所示。 圖 314 X25045引腳圖 其引腳功能如下 ： ⑴ CS ：片選擇輸入； ⑵ SO：串行輸出，數據由此引腳逐位輸出； ⑶ SI：串行輸入，數據或命令由此引腳逐位寫入 X25045； ⑷ SCK：串行時鐘輸入，其上升沿將數據或命令寫入，下降沿將數據輸出； ⑸ WP ：寫保護輸入。當它低電平時，寫操作被禁止； ⑹ Vss：地； ⑺ Vcc：電源電壓； ⑻ RESET：復位輸出。 X25045 在讀寫操作之前，需要先向它發(fā)出指令，指令名及指令格式如表 37所示 華北科技學院畢業(yè)設計 第 17 頁 共 47 頁 表 37 X25045的指令及其含義 指令名 指令格式 操作 WREN 00000110 設置寫使能鎖存器（允許寫操作） WRDI 00000100 復 位寫使能鎖存器（禁止寫操作） RDSR 00000101 讀狀態(tài)寄存器 WRSR 00000001 寫狀態(tài)寄存器 READ 0000A8011 把開始于所選地址的存儲器中的數據讀出 WRITE 0000A8010 把數據寫入開始于所選地址的存儲器 基于單片機的液 位控制器設計 第 18 頁 共 47 頁 4 系統硬件設計 系統設計原理和系統框圖 設計原理 本設計采用筒式電容傳感器采集液位的高度。主要利用其兩電極的覆蓋 面積隨被測液體液位的變化而變化 ， 從而引起對應電容量變化的關系進行液位測量。 由 于從傳感器得出的電壓一般在 0～ 30mv之間，太小不易 測量，所以要通過放大電路進行放大。從放大電路出來的是模擬量， 送入 ADC0809轉換成數字量， ADC0809連接于單片機，把信號送入單片機。通過單片機控制水泵的運轉。顯示電路連接于單片機用于顯示水位的高度。該顯示接口用一片 MC14499和單片機連接 以驅動數碼管。 系統框圖 圖 41 系統框圖 ⑴ 被測物理量：主要是指非電的物理量，在這里為水位。 ⑵ 電容式傳感器：將輸入的物理量轉換成相應的電信號輸出，實現非電量到電量的變換。傳感器的精度直接影響到整個系統的性能，所以是系統中一個重要的部件。 ⑶ 放大，整形，濾波：傳感器的輸出信號一般不適合直接去轉換數字量，通常要進行放大，濾波等環(huán)節(jié)的預處理來完成。 ⑷ A/D轉換器：實現將模擬量轉換成數字量，常用的是并行比較型、逐次逼近式、積分式等。在此用到逐次逼近式。 ⑸ 單片機：目前的數據采集系統功能和性能 日趨完善，因此主控部分一般都采用單片機。 ⑹ 顯示設備：在此用到 8 段數碼管。 ⑺ 控制設備：控制電動機的運行或關閉。 被測物理量 電容式 傳感器 放大，整形，濾波 A/D 轉換器 單片機 控制設備 顯示設備 華北科技學院畢業(yè)設計 第 19 頁 共 47 頁 由上圖可觀察到傳感器通過對液面進行測量，輸出模擬信號，再通過模數轉換器把輸入的模擬信號轉換成數字信號，通過 8051 單片機的運算控制， 再 通過 LED 進行顯示 ,通過報警裝置進行報警 ,報警顯示之后再通過對閥門的開啟實現對 水體 的液位進行調節(jié)控制 ,閥門的驅動設備是電動機。 液位傳感器設計 在 液體 液位控制系統中 ,傳感器的選擇是非常重要的 ,傳感器是能感受規(guī)定的被測量 ,并按照一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置 ,它通常由敏感元件和轉換元件組成 ,它的性能直接影響到整個檢測系統 ,對檢測精確度起著重要的作用。 傳感器的種類很多 ,有溫度傳感器 ,加速度傳感器 ,光學傳感器 ,壓力傳感器的 ,本設計主要采用 電容式 液位 傳感器 進行控制， 再 把檢測的電信號通過 ADC0809 輸入 到單片機進行分析 ，再 由 LED 進行顯示和鍵盤控制 ,實行對液位 的 報警。 傳感器原理 電容式液位傳感器系統 ， 通過傳感器測量電路將液位高度變化轉換成相應的電壓脈沖寬度變化 , 再由單片機進行 測量并轉換成相應的液位高度進行顯示 ,該系統對液位深度具有測量、顯示與設定功能 , 并具有結構簡單、成本低廉、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。 傳感器的組成 圖 42為傳感器部分的結構原理圖。它主要是由細長的不銹鋼管 (半徑為 R1 ) 、同軸絕緣導線 (半徑為 R0 ) 以及其被測液體共同構成的金屬圓柱形電容器構成。該傳感器主要利用其兩電極的覆蓋面積隨被測液體液位的變化而變化 , 從而引起對應電容量變化的關系進行液位測量。 圖 42 傳感器原理圖 基于單片機的液 位控制器設計 第 20 頁 共 47 頁 測量原理 由圖 42 可知 ,當可測量液位 H=0 時 ,傳感器處于空載狀態(tài)，此時電容量為最小。 不銹鋼管與同軸絕緣導線構成的金屬圓柱形電容器之間存在電容 0C ,此時 得到電容量為 : )0/1ln(2 00 RR LC ??? （ 41） 式中 , 0C 為 電容量 ,單位為 F； 0? 為絕對 介電常數 （約為 1210? F/m） ； L 為液位最大高度 ； R1為不銹鋼管半徑 ； R0為絕緣導 線半徑 , 單位為 m 。 當可測量液位 為 H 時 , 傳感器處于滿載狀態(tài)，此時電容量為最大 ，即： LRRC )0/1ln( 0m ax ???? 式中 , ? 為被測液體的相對 介電常數 , 單位為 F/m 。 當 0HL 時，傳感器的電容量為： )()0/1l n( 2)0/1l n( 2 00 HLRRHRRC H ??? ????? (42) 因此 , 當傳感器內液位由零增加到 H 時 , 其電容的變化量Δ C 可由式 （ 41） 和式（ 42） 得 HRRCCC H )0/1ln( )1(2 00 ????? ??? (43) 由式可知 , 參數 ? ， 0? , R1 , R0 都是定值。所以電容的變化量Δ C 與液位變化量H 呈近似線性關系。 可見 , 傳感器的電容量值 HC 的大小與電容器浸入液體的深度 H 成線性關系。由此 , 只要測出電容值便能計算出水位。 將電容轉化成電信號部分 采用運算法測量電路來轉化。該電路由傳感器 XC 和固定的標準電容 OC 以及運算放大器 NE5532 組成，如圖 43 所示 ，其中 U 為信號源電壓， 0U 為輸出電壓 。 華北科技學院畢業(yè)設計 第 21 頁 共 47 頁 + 5V17 4n FCX32184N 1AN E 5 53 2C016 0n FV C C 圖 43 運算放大器測量電路原理圖 運算放大器的反饋原理可知，當運算放大器的輸入阻抗很高、增益也很大時，則可以認為運算放大器的輸入電流 I=0, U=0,并且001CjZ ?? ,XX CjZ ?1? ,得出下列公式 000 CCZZUU XX ???? (45) 于是可 得 UCCU X00 ?? （ 46） 在液位測量中，將電容 XC 變化量代入式 (46)得到 0U 與液位 H成正比關系，即 HCRRU 000 )0/1ln( )1(2 ??? ??? (47) 式 （ 47） 結果是在假設運算放大器的開環(huán)增益 ??A 的條件下得出來的。實際上，運算放大器的一般不會滿足上述條件，所以信號輸出仍然有一定的非線 性誤差。但是，當增益和輸入阻抗足夠大時，這種誤差就會相當小。 電信號放大電路設計 由于從傳感器得出的電壓一般在 0～ 30mv 之間，太小不易測量，所以要通過放大電路進行放大，如圖 44所示，采用最基本的反相比例運算 放大電路 。 基于單片機的液 位控制器設計 第 22 頁 共 47 頁 32184N 2AN E 5 53 232184N 3AN E 5 53 2R23kR350 0kR41kR53KR61kR750 0V C CV C C0 ～ 30 m vI N 0 圖 44比例放大電路 根據 反相比例運算放大電路的 公式 0U = （ R2/R1） iU ， 于是 第一個運放 選擇 R1=3K，R2=500K， R4=R1//R2。 R3=R5=1K， R6=R3//R5， 可知第二個運放是一個反相器，把第一個運放得到的電壓反相成正的。于是將 30mV 電壓放大成 5V。 A/D0809 模數轉換 本設計采用 A/D轉換器 ADC0809。 ADC0809是 CMOS單片型逐次逼近式 A／ D轉換器，由于輸出級有 8位三態(tài)輸出鎖存器，因而 ADC0809的數據輸出端可以直接與單片機的數據總線連接。 ADC0809的工作過程是：首先輸入 3位地址，并使 ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經譯碼選通 8路模擬輸入之一到比較器。 START上升沿將逐次逼近寄存器復位。下降沿啟動 A/D轉換，之后 EOC輸出信號變低，指示轉換正在進行。直到 A/D轉換完成， EOC變?yōu)楦唠娖?，指?A/D轉換結束，結果數據已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請 。當 OE輸入高電平時，輸出三態(tài)門打開，轉換結果的數字量輸出到數據總線上 . ADC0809轉換是采用逐次比較的方法完成 A/D轉換的，由單一的 +5V供電，片內帶有鎖存功能的 8路選一的模擬開關，由 A， B， C引腳的編碼來確定所選通道。 ADC0809完成一次轉換需要 100us左右，輸出具有 TTL三態(tài)鎖存緩沖器，可直接連到 MCS51的數據總線上，通過適當的外接電路， ADC0809可 對 05V的模擬信號進行轉換。 華北科技學院畢業(yè)設計 第 23 頁 共 47 頁 ADC0809 與單片機的接口電路 如圖 45 所示， 其中 D 觸發(fā)器對單片機的頻率 進行 分頻 作用 ， 74ls373 將地址信號從地址 /數據總線中分離出來，以實現總線的分時復用 I N 026m s b 2 1212 220I N 1272 3192 418I N 2282 582 615I N 312 714l s b2 817I N 42E O C7I N 53A D D A25I N 64A D D B24A D D C23I N 75A L E22r e f ( )16E N A B L E9S T A R T6r e f ( + )12C L O C K10D03Q02D14Q15D27Q26D38Q39D413Q412D514Q515D617Q616D718Q719OE1LE1174 L S 37 3A D C 08 09E A / V P31X119X218R E S E T9RD17WR16I N T 012I N T 113T014T115P 101P 112P 123P 134P 145P 156P 167P 178P 0039P 0138P 0237P 0336P 0435P 0534P 0633P 0732P 2021P 2122P 2223P 2324P 2425P 2526P 2627P 2728P S E N29A L E / P30T X D11R X D1080 51D1C L K2Q3Q4D D DN O TD0D1D2D3D4D5D6D7D1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D7D047 0Ω 8 圖 45 ADC0809與單片機的接口電路 顯示電路的設計 發(fā)現需要 3位的 LED足可滿足本設計的顯示精度要求 ,為了減少所需的 I/O數量 ,降低成本 ,采用動態(tài)顯示控制方式。通過對顯示接口電路的綜合分析 ,發(fā)現測距儀利用串行輸入 BCD碼 — 十進制譯碼驅動顯示器件 MC14499來完