【正文】 單片機(jī)是采用高性能的靜態(tài)80C51設(shè)計(jì)，由先進(jìn)CMOS工藝制造并帶有非易失性Flash程序存儲(chǔ)器，支持12時(shí)鐘和6時(shí)鐘操作。片上包含128字節(jié)RAM、4K字節(jié)FLASH（RAM和ROM均可尋址64K字節(jié)）、32條I/O口線、2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、6輸入4優(yōu)先級(jí)嵌套中斷結(jié)構(gòu)、1個(gè)串行I/O口線（可用于多機(jī)通信I/O擴(kuò)展或全雙工UART）、片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。此外由于器件采用了靜態(tài)設(shè)計(jì)可以提供很寬的操作頻率范圍（頻率可降至0），可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)由軟件選擇的節(jié)電模式————空閑模式和掉電模式；空閑模式凍結(jié)CPU但RAM、定時(shí)器、串口和中斷系統(tǒng)仍然工作；掉電模式保存RAM的內(nèi)容但是凍結(jié)振蕩器，導(dǎo)致所有其它的片內(nèi)功能停止工作。由于設(shè)計(jì)是靜態(tài)的，時(shí)鐘可以停止而不會(huì)丟失用戶數(shù)據(jù)。運(yùn)行可以從時(shí)鐘停止處恢復(fù)。[20]從本課題設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，目前現(xiàn)有的51系列單片機(jī)技術(shù)比較成熟，可以縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間；AT89C51單片機(jī)與MCS51系列產(chǎn)品系列的指令完全兼容，片內(nèi)4K的Flash EPROM，能實(shí)現(xiàn)快速擦寫(xiě)，為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)調(diào)試提供了方便；價(jià)格便宜，性價(jià)比比較高，能有利于節(jié)約成本。如圖42所示為單片機(jī)的最小系統(tǒng)。系統(tǒng)采用內(nèi)部時(shí)鐘，XTAL1和XTAL2外接16晶振，晶振兩端接33PF的電容，用以穩(wěn)定頻率。圖42單片機(jī)最小系統(tǒng)MCS單片機(jī)都采用40引腳的雙列直插封裝方式。40條引腳說(shuō)明如下：（1）主電源引腳Vss和Vcc① Vss接地② Vcc正常操作時(shí)為+5伏電源（2）外接晶振引腳XTAL1和XTAL2① XTAL1內(nèi)部振蕩電路反相放大器的輸入端，是外接晶體的一個(gè)引腳。當(dāng)采用外部振蕩器時(shí)，此引腳接地。 ② XTAL2內(nèi)部振蕩電路反相放大器的輸出端。是外接晶體的另一端。當(dāng)采用外部振蕩器時(shí)，此引腳接外部振蕩源。（3）控制或與其它電源復(fù)用引腳RST/VPD，ALE/，和/Vpp① RST/VPD 當(dāng)振蕩器運(yùn)行時(shí)，在此引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平（由低到高跳變），將使單片機(jī)復(fù)位在Vcc掉電期間，此引腳可接上備用電源，由VPD向內(nèi)部提供備用電源，以保持內(nèi)部RAM中的數(shù)據(jù)。② ALE/ 正常操作時(shí)為ALE功能（允許地址鎖存）提供把地址的低字節(jié)鎖存到外部鎖存器，ALE 引腳以不變的頻率（振蕩器頻率的）周期性地發(fā)出正脈沖信號(hào)。因此，它可用作對(duì)外輸出的時(shí)鐘，或用于定時(shí)目的。但要注意，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，ALE 端可以驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）八個(gè)LSTTL電路。 對(duì)于EPROM型單片機(jī)，在EPROM編程期間，此引腳接收編程脈沖（功能）③ 外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)輸出端，在從外部程序存儲(chǔ)取指令（或數(shù)據(jù)）期間，在每個(gè)機(jī)器周期內(nèi)兩次有效。同樣可以驅(qū)動(dòng)八LSTTL輸入。④ /Vpp 、 /Vpp為內(nèi)部程序存儲(chǔ)器和外部程序存儲(chǔ)器選擇端。當(dāng)/Vpp為高電平時(shí)，訪問(wèn)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，當(dāng)/Vpp 為低電平時(shí)，則訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器。對(duì)于EPROM型單片機(jī)，在EPROM編程期間，此引腳上加21伏EPROM編程電源（Vpp）。（4）輸入/ ， ， ， 。① P0口（ ）是一個(gè)8位漏極開(kāi)路型雙向I/O口，在訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，它是分時(shí)傳送的低字節(jié)地址和數(shù)據(jù)總線，P0口能以吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)八個(gè)LSTTL負(fù)載。② P1口（ ）是一個(gè)帶有內(nèi)部提升電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口。能驅(qū)動(dòng)(吸收或輸出電流)四個(gè)LSTTL負(fù)載。③ P2口（ ）是一個(gè)帶有內(nèi)部提升電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口，在訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，它輸出高8位地址。P2口可以驅(qū)動(dòng)(吸收或輸出電流)四個(gè)LSTTL負(fù)載。④ P3口（ ）是一個(gè)帶有內(nèi)部提升電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口。能驅(qū)動(dòng)(吸收或輸出電流)四個(gè)LSTTL負(fù)載。P3口還用于第二功能請(qǐng)參看表41。表41 P3口的第二功能端 口 功 能第 二 功 能RXD串行輸入（數(shù)據(jù)接收）口TXD串行輸出（數(shù)據(jù)發(fā)送）口外部中斷0輸入線外部中斷1輸入線T0 定時(shí)器0外部輸入T1 定時(shí)器1外部輸入外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通信號(hào)輸出外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)輸入 脈沖計(jì)數(shù)磁致伸縮傳感器是通過(guò)測(cè)量脈沖發(fā)射和回波接收之間的時(shí)間間隔T來(lái)確定液面的位置，扭轉(zhuǎn)波在波導(dǎo)絲中的的傳播速度V恒定，由L=VT可知，液位測(cè)量的高精度主要取決于對(duì)時(shí)間量的精確計(jì)量。為此，數(shù)字接口應(yīng)是最佳選擇。選用高時(shí)鐘頻率得到時(shí)間計(jì)量的高分辨力，從而實(shí)現(xiàn)液位測(cè)量的高精度。本設(shè)計(jì)采用由高頻晶振與計(jì)數(shù)器構(gòu)成的時(shí)間量檢測(cè)電路。高頻晶振作為計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖輸入，單片機(jī)發(fā)出發(fā)射電流脈沖的同時(shí)控制計(jì)數(shù)器開(kāi)始對(duì)計(jì)數(shù)脈沖計(jì)數(shù)，回波脈沖到達(dá)后，單片機(jī)控制計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。所以計(jì)數(shù)器的晶振頻率決定了傳感器的測(cè)量分辨力，計(jì)數(shù)頻率越高，單個(gè)計(jì)數(shù)脈沖所代表的時(shí)間當(dāng)量就越小，分辨力就越高。[21]已知扭轉(zhuǎn)波在波導(dǎo)絲中的傳播速度約為1950m/S，，選用16位計(jì)數(shù)器，則可選用的計(jì)數(shù)器的脈沖的頻率的上上限為： （41）下面介紹以下單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)系統(tǒng)(1). 方式控制寄存器TMOD其地址為89H，控制字格式如如表42：表42 方式控制寄存器TMOD位定義D7D6D5D4D3D2D1D0GATEC/M1M0GATEC/M2M1D4到D7是T1方式控制字，D0到D3是T0方式控制字。表43 M1，M0是方式選擇M1M0工作方式00方式0，為13位定時(shí)/計(jì)數(shù)器01方式1，為16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器10方式2，為自動(dòng)重裝常數(shù)的8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器11方式3，僅用于T0，分成2個(gè)8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器M1，M0是方式選擇如表43：C/是定時(shí)/計(jì)數(shù)方式選擇位；為0是TIME定時(shí)，為1是COUNT計(jì)數(shù)。(2). 運(yùn)行控制寄存器TCON其地址是88H，控制字格式如表44：表44 運(yùn)行控制寄存器TCON位定義D7D6D5D4D3D2D1D0TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0其中：TF1是定時(shí)/計(jì)數(shù)器T1的溢出標(biāo)志。發(fā)生溢出時(shí)TF1置1。 TR1為定時(shí)/計(jì)數(shù)器的運(yùn)行控制位。當(dāng)TMOD中的GATE位為0且TR1=1時(shí)，允許T1計(jì)數(shù)；TR1=0時(shí)禁止T1計(jì)數(shù)。當(dāng)GATE為1時(shí)，僅當(dāng)TR1=1且/INT1輸入為高電平時(shí)才允許T1計(jì)數(shù)；當(dāng)TR1=0或?yàn)榈碗娖綍r(shí)都禁止T1計(jì)數(shù)。 TF0，TR0分別與TF1，TR1相似。 IE1是外中斷/INT1的中斷申請(qǐng)標(biāo)志。當(dāng)檢測(cè)到上存在有效的中斷申請(qǐng)時(shí)，又硬件使IE1置位，當(dāng)CPU轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序時(shí)，由硬件使IE1中斷申請(qǐng)標(biāo)志清0。 IT1是選擇外中斷的中斷觸發(fā)方式。IT1=0為電平觸發(fā)方式，低電平有效。IT1=1為負(fù)邊沿觸發(fā)方式，腳上的負(fù)跳變有效。IT1的狀態(tài)可以用指令來(lái)置1或清0。IE0，IT0分別和IE1，IT1相似。綜上所述，結(jié)合本次設(shè)計(jì)的實(shí)際要求，本設(shè)計(jì)選擇定時(shí)器0的方式1。相關(guān)寄存器的值按照上述位定義進(jìn)行設(shè)置，即寄存器TMOD的值為0x01（00000001B）。 脈沖發(fā)射電路 脈沖發(fā)射電路參數(shù)分析由于單片機(jī)產(chǎn)生的TTL電平脈沖無(wú)法提供足夠大的電流，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)磁致伸縮波導(dǎo)絲產(chǎn)生較強(qiáng)的垂直于軸向的環(huán)向磁場(chǎng)，來(lái)使磁致伸縮波導(dǎo)絲產(chǎn)生足夠大的扭轉(zhuǎn)變形，因此必須通過(guò)脈沖放大電路進(jìn)行放大，得到足夠強(qiáng)度的電流脈沖。由磁致伸縮液位傳感器的測(cè)量機(jī)理可知，發(fā)射電流脈沖的時(shí)間間隔，即發(fā)射電流脈沖的頻率應(yīng)該根據(jù)測(cè)量的最低液位而定，電流脈沖的波形、脈寬、以及電流強(qiáng)度都要有一定的要求。電流脈沖的發(fā)射波形由頻譜分析得知，每一種脈沖波都是復(fù)波。因此，不同頻率成分的波將以不同的群速度進(jìn)行傳播，這就使得脈沖波隨著傳播距離的增大而產(chǎn)生一定程度的畸變。在要求分辨力較高且測(cè)量范圍不大時(shí)，我們選擇單個(gè)脈沖作為發(fā)射脈沖。但是隨著傳播距離的增大，脈沖寬度將變得越來(lái)越寬，脈沖前沿變得越來(lái)越平坦，脈沖開(kāi)始部分的頻率較后面的部分要高。對(duì)于寬度較長(zhǎng)的等幅余弦波列脈沖，頻譜較純，大部分聲能集中在載波頻率上，它在頻散媒質(zhì)中傳播時(shí)的波形畸變較小，中間的一段脈沖波形可以保持和原來(lái)一致，這一部分能量最大，且以恒定群速度傳播。因此，在測(cè)量量程較大時(shí)，我們選擇列脈沖波形。本設(shè)計(jì)的測(cè)量最大值為12米，因此選用單個(gè)脈沖波形，在一定程度上可以減少干擾。電流脈沖的發(fā)射頻率根據(jù)測(cè)量機(jī)理，在單片機(jī)控制下由脈沖發(fā)射電路向磁致伸縮波導(dǎo)絲發(fā)射電流脈沖，電流脈沖遇到浮子中的永久磁鐵的軸向磁場(chǎng)時(shí)，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)波，扭轉(zhuǎn)波返回接收端被磁致伸縮換能器接收轉(zhuǎn)換為電脈沖。由于電流傳輸?shù)乃俣群芸欤梢院雎圆挥?jì)，所以只要測(cè)出發(fā)射脈沖和返回脈沖的時(shí)間間隔就可以計(jì)算出浮子的位置，也就是液面位置。所以，兩個(gè)發(fā)射脈沖的時(shí)間間隔應(yīng)該大于返回脈沖所經(jīng)過(guò)的最大距離，也就是經(jīng)過(guò)波導(dǎo)絲的總長(zhǎng)度所用時(shí)間。課題選用的最大量程I為12米，而扭轉(zhuǎn)波在波導(dǎo)絲中的傳播速度為1950m/s，則返回脈沖經(jīng)過(guò)波導(dǎo)絲的最大時(shí)間間隔為t=I/V=12m/(1950m/s)=所以，發(fā)射脈沖的時(shí)間間隔T應(yīng)該大于t，即T，即發(fā)射脈沖的發(fā)射頻率f應(yīng)該小于I/t=2000HZ，由于脈沖還要經(jīng)過(guò)處理和計(jì)算，綜合考慮，本設(shè)計(jì)取發(fā)射脈沖頻率為100HZ，通過(guò)單片機(jī)控制脈沖發(fā)射電路發(fā)射電流脈沖。發(fā)射脈沖的脈寬和電流強(qiáng)度發(fā)射電流脈沖的寬度 過(guò)大則會(huì)影響傳感器的測(cè)量精度，過(guò)小則會(huì)增大波導(dǎo)絲的截止頻率，影響傳感器的正常工作。根據(jù)有關(guān)資料，脈寬 在2到6S為宜，在設(shè)計(jì)中去3S，可以通過(guò)軟件控制單片機(jī)端口高電平的時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)磁致伸縮傳感器測(cè)量機(jī)理，為了使波導(dǎo)絲產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)變形，波導(dǎo)絲中的電流脈沖必須產(chǎn)生較強(qiáng)的垂直于波導(dǎo)絲軸向的環(huán)向磁場(chǎng)，因此脈沖發(fā)射電路要向波導(dǎo)絲加載足夠強(qiáng)度的電流脈沖。，并且電流大小與測(cè)量范圍無(wú)關(guān)。 脈沖發(fā)射電路設(shè)計(jì)脈沖發(fā)射電路設(shè)計(jì)的作用是將單片機(jī)發(fā)來(lái)的TTL電平的窄脈沖進(jìn)行放大，使其能產(chǎn)生足夠強(qiáng)度的電流脈沖。脈沖發(fā)射電路如圖43所示。圖43脈沖發(fā)射電路電路中，脈沖發(fā)射電路與單片機(jī)之間接一個(gè)光電耦合器TLP5211，將二者進(jìn)行隔離，防止單片機(jī)受到發(fā)射電路的干擾。光電耦合器中的發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電流一般在10到20MA，不能直接由單片機(jī)的I/O口來(lái)驅(qū)動(dòng)，所以使用三極管Q1來(lái)提高驅(qū)動(dòng)能力，QQ3為開(kāi)關(guān)管，Q4為功率放大管，起功率放大作用。功率放大管選用場(chǎng)效應(yīng)管IRF840，耐壓值為500V，可以承受8A電流，功率為125W，柵源電壓范圍為VGS=+20V，漏極與源極之間的導(dǎo)通電阻為R=。工作時(shí)，當(dāng)輸入脈沖為低電平時(shí)候，對(duì)Q1管，U，Q1管不導(dǎo)通，起到開(kāi)關(guān)的作用，Q2管也不導(dǎo)通，Q3管導(dǎo)通，Q4柵極為低電平，Q4不工作，波導(dǎo)絲上沒(méi)有電流；當(dāng)輸入脈沖為高電平時(shí)，對(duì)于Q1管，U0，Q1管導(dǎo)通，Q2管也導(dǎo)通，Q3管不導(dǎo)通，此時(shí)Q4的柵極電壓為高電平（柵極電壓值可以通過(guò)變阻器R7來(lái)調(diào)節(jié)），Q4管工作，波導(dǎo)絲上加載了脈沖電流。 回波接受電路回波接受電路的作用是將磁致伸縮液位傳感器的磁致伸縮換能器感應(yīng)線圈上所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)脈沖信號(hào)進(jìn)行放大和整形，輸出TTL電平脈沖信號(hào)，以提供給單片機(jī)，作為計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)的信號(hào)。對(duì)回波接受電路的要求是放大倍數(shù)要大，噪聲抑制能力要強(qiáng)。由于接受電路要安裝在傳感器的內(nèi)部，所以電路在滿足要求的前提下，要盡可能的簡(jiǎn)單，體積盡可能的要小，以節(jié)省空間。由于返回電脈沖的幅度很小，需要放大倍數(shù)較大。圖44回波接受電路回波接受電路如圖44。整個(gè)接受電路分為三部分：差分放大電路、比較整形電路和二級(jí)放大電路。第一部分差分放大電路使用了AD公司的低功耗、高精度儀表放大器AD620，對(duì)來(lái)自磁致伸縮換能器的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)進(jìn)行放大。AD620對(duì)共模干擾具有較強(qiáng)的抑制能力，低電壓，低漂移，體積小，可以應(yīng)用于精密儀表采集系統(tǒng)；噪聲低，偏置電流低，低功耗，非常適合做儀器儀表的前置放大級(jí)。AD620只需一個(gè)外加電阻就可以設(shè)置放大倍數(shù)，在圖中為電阻，AD620的增益計(jì)算式為:G=(R+R)/R+I （42），使得放大器增益可以由外部電阻凡確定:G=+I （43） AD620的增益是通過(guò)改變電阻R來(lái)實(shí)現(xiàn)的，為了使AD620設(shè)計(jì)提供精確增益，%誤差的電阻，保持增益的高穩(wěn)定性，避免高的增益漂移，外加電阻R應(yīng)選用溫度系數(shù)小的金屬膜電阻或薄膜電阻。在本設(shè)計(jì)中，電阻R選用100的變阻器，實(shí)驗(yàn)中調(diào)節(jié)R使輸出達(dá)到要求值，量出變阻器的阻值，用相應(yīng)阻值的金屬膜電阻代替。第二部分為整形電路，主要由放大器AD648組成，用以消除不需要的雜波，得到有用信號(hào)?；鶞?zhǔn)電壓值應(yīng)比經(jīng)AD620放大的有用返回脈沖電壓值稍低，由電阻和穩(wěn)壓管組成的電路提供，電容Cl為交流禍合電容。，經(jīng)AD620放大后，有效信號(hào)在5V以上。第三部分電路由三級(jí)管Q1和Q2組成，光電禍合器經(jīng)三級(jí)管Q3驅(qū)動(dòng)，用以隔離放大電路和單片機(jī)。，控制計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)?；夭ń邮针娐泛蛦纹瑱C(jī)之間接光電禍合器TLP5211進(jìn)行隔離。 溫度測(cè)量電路磁致伸縮液位傳感器采用浮子作為液位感應(yīng)的元件，因此當(dāng)燃油密度變化時(shí)，將給測(cè)量準(zhǔn)確度帶來(lái)影響。當(dāng)燃油牌號(hào)一定時(shí)，主要是溫度變化引起燃油密度變化，使浮子浸在燃油中的高度發(fā)生變化，給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)誤差，必須加以修正。本設(shè)計(jì)將溫度傳感器置于燃油中，對(duì)燃油的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，將所得電壓模擬量通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送入單片機(jī)進(jìn)行處理，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正，確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。溫度傳感器選用DS18B20 ，DS18B20是美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司繼DS1820之后最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器。與傳統(tǒng)的熱