【正文】 可通過(guò)上位機(jī)軟件，可與監(jiān)控記錄系統(tǒng)進(jìn)行通信，能夠從PC機(jī)獲取當(dāng)前液位高度、電機(jī)狀態(tài)、設(shè)備系統(tǒng)時(shí)間、上下液位高度等數(shù)據(jù)，并可根據(jù)需要改變系統(tǒng)默認(rèn)的參數(shù)。能夠根據(jù)一定的算法，計(jì)算分析單位時(shí)間水箱消耗水量，繪制圖形，通過(guò)計(jì)算分析的結(jié)果，可以進(jìn)行區(qū)域用水統(tǒng)籌，降低能源的消耗。系統(tǒng)總體方案框圖如圖21：電機(jī)控制模塊A/D轉(zhuǎn)換模塊按鍵與顯示模塊時(shí)間模塊存儲(chǔ)模塊通信模塊單片機(jī)主控模塊圖21 系統(tǒng)總體框圖圖中，信號(hào)流向僅指示了通過(guò)數(shù)據(jù)地址總線或I/O口上發(fā)生的數(shù)據(jù)信號(hào)，不包括控制信號(hào)。單片機(jī)在30多年的發(fā)展歷程中，形成了多公司、多系列、多型號(hào)“百家爭(zhēng)鳴”的局面。大致總結(jié)出以下幾點(diǎn)：1) 單片機(jī)的基本參數(shù)。2) 單片機(jī)的增強(qiáng)功能。3) Flash和OTP（一次性可編程）。5) 工作溫度范圍，工業(yè)級(jí)還是商業(yè)機(jī)。 7) 工作電壓范圍。8) 供貨渠道暢通。10) 燒錄器價(jià)格，能否ISP（在線系統(tǒng)編程）。12) 單片機(jī)匯編語(yǔ)言支持。14) 抗干擾性能好。根據(jù)以上因素：系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求不高，因而運(yùn)算速度無(wú)需很快，且系統(tǒng)規(guī)模不大，采用分時(shí)復(fù)用的方式使用總線，對(duì)I/O口的數(shù)量可以要求進(jìn)一步降低。綜上所述，采用與MCS51兼容的AT89S52單片機(jī)滿足設(shè)計(jì)要求。使用Atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時(shí)器，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。 鍵盤模塊設(shè)計(jì)方案鍵盤在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中是一個(gè)很關(guān)鍵的部件，它能實(shí)現(xiàn)向單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)、發(fā)送命令等功能，是人工干預(yù)單片機(jī)系統(tǒng)的主要手段。 顯示模塊設(shè)計(jì)方案顯示器是計(jì)算機(jī)的主要輸出設(shè)備，在簡(jiǎn)單的工業(yè)控制系統(tǒng)中，常用的顯示器有數(shù)碼管顯示器（LED），液晶顯示器（LCD）等，該系統(tǒng)僅需顯示液位高度，即數(shù)字量，采用LED顯示器已能滿足系統(tǒng)要求。因而采用2位LED顯示器便能滿足設(shè)計(jì)要求。靜態(tài)顯示法的優(yōu)點(diǎn)是顯示程序十分簡(jiǎn)單，顯示亮度大，由于CPU不必經(jīng)常掃描顯示器，所以節(jié)約了CPU的工作時(shí)間。所以靜態(tài)顯示法常用在顯示器數(shù)目較少的應(yīng)用系統(tǒng)中。由于74LS47譯碼為共陽(yáng)極數(shù)碼管的碼表，因而選用8段（帶小數(shù)點(diǎn)）共陽(yáng)極LED用于數(shù)據(jù)顯示。單片機(jī)使用1位I/O口控制數(shù)據(jù)的鎖存。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可選擇的種類繁多，常用的有隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）、只讀存儲(chǔ)器（ROM）與閃存（FLASH）。這種存儲(chǔ)器在斷電時(shí)將丟失其存儲(chǔ)內(nèi)容，故主要用于存儲(chǔ)短時(shí)間使用的程序。ROM又分一次性固化、光擦除和電擦除重寫兩種類型。NOR和NAND是現(xiàn)在市場(chǎng)上兩種主要的非易失閃存技術(shù)。NAND閃存的缺點(diǎn)在于讀速度較慢，它的I/O端口只有8個(gè)，比NOR要少多了。再加上NAND閃存的邏輯為電子盤模塊結(jié)構(gòu)，內(nèi)部不存在專門的存儲(chǔ)控制器，一旦出現(xiàn)數(shù)據(jù)壞塊將無(wú)法修，可靠性較NOR閃存要差。NOR的傳輸效率很高，在1～4MB的小容量時(shí)具有很高的成本效益，但是很低的寫入和擦除速度大大影響了它的性能。應(yīng)用NAND的困難在于FLASH的管理和需要特殊的。FLASH是一個(gè)不錯(cuò)的解決方案。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，記錄某一記錄點(diǎn)（電機(jī)狀態(tài)改變時(shí)刻）的狀態(tài)與時(shí)間需要6字節(jié)數(shù)據(jù)，即年（20002099年）、月（112月）、日（131日）、時(shí)（023時(shí)）、分（059分）、狀態(tài)（0或1）這些數(shù)據(jù)，如果系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間的工作，將會(huì)有大批量的數(shù)據(jù)產(chǎn)生，假若數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間不夠大，將會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)的覆蓋，從而降低了對(duì)數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性。在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)在不掉電的工作環(huán)境下；軟件上，上位機(jī)軟件對(duì)數(shù)據(jù)提取后即可保存在PC機(jī)中，5000項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間上的緩沖是充足的。 時(shí)間模塊設(shè)計(jì)方案通過(guò)單片機(jī)的定時(shí)器，可以設(shè)計(jì)時(shí)間功能，然而單片機(jī)自身的產(chǎn)生時(shí)間數(shù)據(jù)大大占用了系統(tǒng)的資源，降低了工作效率，甚至影響了其他功能的實(shí)現(xiàn)，因此在本設(shè)計(jì)方案中，采用了外部芯片提供時(shí)間信號(hào)，用以系統(tǒng)記錄時(shí)間信息。DS1302是DALLAS公司推出的涓流充電時(shí)鐘芯片，內(nèi)含有一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷和31字節(jié)靜態(tài)RAM，通過(guò)簡(jiǎn)單的串行接口與單片機(jī)進(jìn)行通信。DS1302與單片機(jī)之間能簡(jiǎn)單地采用同步串行的方式進(jìn)行通信，僅需用到三個(gè)口線(1) RES（復(fù)位），(2) I/O（數(shù)據(jù)線），(3) SCLK（串行時(shí)鐘）。DS1302工作時(shí)功耗很低，保持?jǐn)?shù)據(jù)和時(shí)鐘信息時(shí)功率小于1mW。它廣泛應(yīng)用于電話、傳真、便攜式儀器以及電池供電的儀器儀表等產(chǎn)品領(lǐng)域。l 31*8位暫存數(shù)據(jù)存儲(chǔ)RAM。l ~。l 讀/寫時(shí)鐘或RAM數(shù)據(jù)時(shí)有兩種傳送方式單字節(jié)傳送和多字節(jié)傳送字符組方式。l 簡(jiǎn)單3線接口。l 可選工業(yè)級(jí)溫度范圍－40至＋85攝氏度。l 在DS1202基礎(chǔ)上增加的特性：對(duì)Vcc1有可選的涓流充電能力；雙電源管用于主電源和備份電源供應(yīng)；備份電源管腳可由電池或大容量電容輸入；附加的7字節(jié)暫存存儲(chǔ)器。 A/D轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)方案A/D器件和芯片是實(shí)現(xiàn)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集的常用外圍器件。選擇A/D轉(zhuǎn)換器件需要考慮器件本身的品質(zhì)和應(yīng)用的場(chǎng)合要求。1) A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)的確定，應(yīng)該從數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)平滑性這兩個(gè)方面進(jìn)行考慮。量化誤差與A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)有關(guān)。10位以下的A/D芯片誤差較大，11位以上對(duì)減小誤差并無(wú)太大貢獻(xiàn)，但對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器的要求卻提得過(guò)高。由于模擬信號(hào)先經(jīng)過(guò)測(cè)量裝置，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后才進(jìn)行處理，因此，總的誤差是由測(cè)量誤差和量化誤差共同構(gòu)成的。也就是說(shuō)，一方面要求量化誤差在總誤差中所占的比重要小，使它不顯著地?cái)U(kuò)大測(cè)量誤差；另一方面必須根據(jù)目前測(cè)量裝置的精度水平，對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)提出恰當(dāng)?shù)囊?。?dāng)有特殊的應(yīng)用時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換器要求更多的位數(shù)，這時(shí)往往可采用雙精度的轉(zhuǎn)換方案。轉(zhuǎn)換時(shí)間的倒數(shù)就是每秒鐘能完成的轉(zhuǎn)換次數(shù)，稱為轉(zhuǎn)換速率。例如，如果用轉(zhuǎn)換時(shí)間為100us的A/D轉(zhuǎn)換器，則其轉(zhuǎn)換速率為10KHz。把轉(zhuǎn)換時(shí)間減小，信號(hào)頻率可提高。3) 采樣/保持器采集直流和變化非常緩慢的模擬信號(hào)時(shí)可不用采樣保持器。如果信號(hào)頻率不高，A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間短，即采樣高速A/D時(shí)，也可不用采樣/保持器。輸入信號(hào)最小值有的從零開始，也有從非零開始的。在使用中，影響A/D轉(zhuǎn)換器量程的因素有：量程變換和雙極性偏置；雙基準(zhǔn)電壓；A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部比較器輸入端的正確使用。6) 線性度實(shí)際轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)移函數(shù)與理想直線的最大偏移。量化間隔： （21）絕對(duì)量化誤差： （22）相對(duì)量化誤差： （23）在液位傳感器誤差與參考電壓誤差不大的情況下，ADC0804是完全滿足設(shè)計(jì)誤差要求的。利用該接口，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與上位機(jī)的通信。典型的串行通訊標(biāo)準(zhǔn)是RS232和RS485，它們定義了電壓，阻抗等，但不對(duì)軟件協(xié)議給予定義。它規(guī)定連接電纜和機(jī)械、電氣特性、信號(hào)功能及傳送過(guò)程。接口信號(hào)電平比RS232C降低了，就不易損壞接口電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL電路連接。3) RS485接口是采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強(qiáng)，即抗噪聲干擾性好。而RS485接口在總線上是允許連接多達(dá)128個(gè)收發(fā)器。因RS485接口具有良好的抗噪聲干擾性，長(zhǎng)的傳輸距離和多站能力等上述優(yōu)點(diǎn)就使其成為首選的串行接口。MAX485接口芯片是Maxim公司的一種RS485芯片。它完成將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS485電平的功能。選用繼電器作為電機(jī)控制的元件。故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。是指繼電器正常工作時(shí)線圈所需要的電壓。2) 直流電阻。3) 吸合電流。在正常使用時(shí)，給定的電流必須略大于吸合電流，這樣繼電器才能穩(wěn)定地工作。4) 釋放電流。當(dāng)繼電器吸合狀態(tài)的電流減小到一定程度時(shí)，繼電器就會(huì)恢復(fù)到未通電的釋放狀態(tài)。5) 觸點(diǎn)切換電壓和電流。它決定了繼電器能控制電壓和電流的大小，使用時(shí)不能超過(guò)此值，否則很容易損壞繼電器的觸點(diǎn)。第3章 硬件電路設(shè)計(jì) AT89S52硬件設(shè)計(jì)AT89S52引腳定義及功能介紹如圖31。作為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯電平。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FLASH編程時(shí)，P0口也用來(lái)接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。P1口：P1口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。作為輸入使用時(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）。l 引腳號(hào)第二功能：（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的外部計(jì)數(shù)輸入），時(shí)鐘輸出（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號(hào)和方向控制） MOSI （在系統(tǒng)編程用） MISO （在系統(tǒng)編程用） SCK （在系統(tǒng)編程用）P2口：P2口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。作為輸入使用時(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）。在這種應(yīng)用中，P2口使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號(hào)。對(duì)P3端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。P3口亦作為AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。RST——復(fù)位輸入。ALE/PROG——當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。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。如有必要，可通過(guò)對(duì)特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。此外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置ALE禁止位無(wú)效。EA/VPP——外部訪問(wèn)允許，欲使CPU僅訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000H~FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的指令。XTAL1：振蕩器反相放大器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路的輸入端。為了便于接下來(lái)的說(shuō)明，單片機(jī)各管腳網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)定義如圖31。并附加復(fù)位電路，組成單片機(jī)最小系統(tǒng)。由于單片機(jī)P0口作普通I/O口時(shí)不能輸出高電平，因此需接上拉電阻，實(shí)際電路中，使用8*10KΩ電阻作為上拉電阻?？紤]到本設(shè)計(jì)實(shí)際需要的按鍵較少，故采用獨(dú)立式鍵盤接口電路。在程序查詢方式下，通過(guò)I/O端口讀入按鍵狀態(tài)，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，相應(yīng)的I/O端口變?yōu)榈碗娖?，而未被按下的按鍵在上拉電阻作用下為高電平，這樣通過(guò)讀I/O口的狀態(tài)判斷是否有按鍵按下。下圖中，S2~S5便是控制顯示用的按鍵。具體來(lái)說(shuō)，SS4分別實(shí)現(xiàn)數(shù)字的增一與減一，SS5則作為高低警戒液位的模式選擇和確認(rèn)鍵。兩個(gè)芯片的管腳圖如圖34：圖34 74LS273及74LS47引腳圖74LS273與74LS47引腳功能說(shuō)明：74LS273:1腳是復(fù)位CLR，低電平有效，當(dāng)1腳是低電平時(shí)，輸出腳2（Q0）、5（Q1）、6（Q2）、9（Q3）、12（Q4）、15（Q5）、16（Q6）、19（Q7）全部輸出0，即全部復(fù)位；當(dāng)1腳為高電平時(shí)，11(CLK)腳是鎖存控制端，并且是上升沿觸發(fā)鎖存，當(dāng)11腳有一個(gè)上升沿，立即鎖存輸入腳11118的電平狀態(tài)，并且立即呈現(xiàn)在在輸出腳2（Q0）、5（Q1）、6（Q2）、9（Q3）、12（Q4）、15（Q5）、16（Q6）、19（Q7）上。A0~A3是BCD輸入，分解74LS273輸出的高、低四位。為了保護(hù)LED數(shù)碼管，在74LS47與LED之間添加限流電阻，以滿足數(shù)碼管的工作需要。上文中已敘述，使用32KRAM作為存儲(chǔ)芯片，因此選用與51系列兼容的62256隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。圖36 62256引腳圖圖37 存儲(chǔ)的單元電路74LS373引腳位置和功能與74LS273差異不大，區(qū)別在于其1腳是輸出使能（OE），是低電平有效，當(dāng)1腳是高電平時(shí)，不管輸入11118如何，也不管11腳（鎖存控制端，G）如何，輸出2（Q0）、5（Q1）、6（Q2）、9（Q3）、12（Q4）、15（Q5）、16（Q6）、19（Q7）全部呈現(xiàn)高阻狀態(tài)（或者叫浮空狀態(tài)）；當(dāng)1腳是低電平時(shí)，只要11腳（鎖存控制端，G）上出現(xiàn)一個(gè)下降沿，輸出2（Q0）、5（Q1）、6（Q2）、9（Q3）、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)立即呈現(xiàn)輸入腳11118的狀態(tài)。按照常規(guī)的連接方法設(shè)計(jì)電路圖37如示。此次設(shè)計(jì)采用DIP8封裝，管腳功能如圖38：圖38 DS1302引腳圖其中Vcc1為后備電源，Vcc2為主電源。DS1302由Vcc1或Vcc2兩者中電壓較大者供電。X1和X2是振蕩源接口。RST輸入有兩種功能：首先RST接通控制邏輯，允許地址/命令序列送入移位寄存存器；其次，RST提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。如果傳送過(guò)程中RST置為低電平，則會(huì)終止此次傳輸，I/O引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。只有在SCLK為低電平時(shí)，才能將RST置為高電平。SCLK始終是輸入端，用來(lái)輸入串行時(shí)鐘信號(hào)。 A/D轉(zhuǎn)換單元硬件設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換模塊是系統(tǒng)中較為重要的一部分，由于涉及到模擬部分，A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。/RD 外部讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果的控制輸出信號(hào)。/WR 用來(lái)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換的控制輸入，相當(dāng)于ADC的轉(zhuǎn)換開始（/CS=0時(shí)），當(dāng)/WR由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，轉(zhuǎn)換器被清除；當(dāng)/WR回到高電平時(shí)，轉(zhuǎn)換正式開始。/INTR 中斷請(qǐng)求信號(hào)輸