【正文】 ....................................................69附錄 1 畢業(yè)實習報告 .................................................................................................70 西南交通大學本科畢業(yè)設計(論文) 第 0 頁第 1 章 緒論 水箱溫度液位壓力流量控制系統(tǒng)綜述水箱控制是工業(yè)控制中廣泛應用的控制方案，工業(yè)中很多控制問題都可以歸結(jié)于水箱控制問題，因此研究水箱控制系統(tǒng)具有很好的科研和實用價值。溫度、液位、壓力、流量是水箱控制中最常用的控制量，可以應用于很多控制方案中。隨著控制技術(shù)的發(fā)展，越來越多的自動控制技術(shù)被應用到工業(yè)中。由于單片機技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的相當成熟，其價格及相應的配套硬件的價格都相當便宜。這種控制系統(tǒng)被廣泛的應用于飛機上各種儀表的控制, 計算機的網(wǎng)絡通訊與數(shù)據(jù)傳輸, 工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理, 普遍使用的各種智能卡, 民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng), 錄像機、攝像機、全自動洗衣機的控制 , 以及程控玩具、電子寵物機器人、智能儀表、醫(yī)療器械等等?；趩纹瑱C的工業(yè)水箱溫度、液位、壓力、流量控制系統(tǒng)在各種應用有一定的實用價值，比如：在農(nóng)村已有很多家庭都搭建了自來水供水系統(tǒng)，一般都是在自家樓頂安裝一個水箱或者水塔并在樓下用抽水機把水抽到水箱中然后使用。因此，搭建一個小型的水位自動控制系統(tǒng)會省去很多麻煩，這個在工業(yè)應用中尤為重要。因此恒溫自動控制就很有必要。本系統(tǒng)具有通用性，可以很方便的轉(zhuǎn)移到其他的控制系統(tǒng)中。 西南交通大學本科畢業(yè)設計(論文) 第 1 頁 單片機控制系統(tǒng)綜述　　 單片機也被稱為微控制器（Microcontroller ） ，最早被用在工業(yè)控制領域。它具有一個完整計算機所需要的大部分部件：CPU、內(nèi)存、內(nèi)部和外部總線系統(tǒng)，目前大部分還會具有外存?，F(xiàn)在已被廣泛的應用于各個控制領域。1975 年美國德州儀器（TI）公司推出 TMS1000，Intel 公司推出 4004 4 位單片機。將 8 位單片機的推出作為起點，那么單片機的發(fā)展歷史大致可分為以下幾個階段：第一階段（19761978）：單片機的探索階段。MCS48 的推出是在工控領域的探索，參與這一探索的公司還有Motorola 、Zilog 等，都取得了滿意的效果。 第二階段（19781982）單片機的完善階段。它在以下幾個方面奠定了典型的通用總線型單片機體系結(jié)構(gòu)。MCS51 設置了經(jīng)典的 8 位單片機的總線結(jié)構(gòu)，包括8 位數(shù)據(jù)總線、16 位地址總線、控制總線及具有多機通信功能的串行通信接口。3） 體現(xiàn)工控特性的位地址空間及位操作方式。 第三階段（19821990）：8 位單片機的鞏固發(fā)展及 16 位單片機的推出階段，也是單片機向微控制器發(fā)展的階段。隨著 MCS51 系列的廣應用，許多電氣廠商競相使用 80C51 為內(nèi)核，將許多測控系統(tǒng)中使用的電路技術(shù)、接口技術(shù)、多通道A/D 轉(zhuǎn)換部件、可靠性技術(shù)等 應用到單片機中，增強了外圍電路功能，強化了智能控制的特征。隨著單片機在各個領域全面深入地發(fā)展和應用，出現(xiàn)了高速、大尋址范圍、強運算能力的 8 位/16 位/32 西南交通大學本科畢業(yè)設計(論文) 第 2 頁位通用型單片機，以及小型廉價的專用型單片機。另外還有 LG 公司也生產(chǎn)單片機，單片機發(fā)展到今天可以說種類繁多性能各異。下面是單片機的主要發(fā)展趨勢。CMOS 芯片除了低功耗特性之外，還具有功耗的可控性，使單片機可以工作在功耗精細管理狀態(tài)。低功耗化的效應不僅是功耗低，而且?guī)砹水a(chǎn)品的高可靠性、高抗干擾能力以及產(chǎn)品的便攜化。允許使用的電壓范圍越來越寬，一般在 3～6V 范圍內(nèi)工作。目前 供電的單片機已經(jīng)問世。 大容量化：以往單片機內(nèi)的 ROM 為 1KB～4KB，RAM 為 64～128B。為了適應這種領域的要求，須運用新的工藝，使片內(nèi)存儲器大容量化。 高性能化：主要是指進一步改進 CPU 的性能，加快指令運算的速度和提高系統(tǒng)控制的可靠性。現(xiàn)指令速度最高者已達100MIPS（Million Instruction Per Seconds，即兆指令每秒） ，并加強了位處理功能、中斷和定時控制功能。這類單片機的用途是把以往用數(shù)字邏輯集成電路組成的控制電路單片化，可廣泛用于家電產(chǎn)品。隨著集成度的不斷提高，有可能把眾多的各種外圍功能器件集成在片內(nèi)。串行擴展技術(shù)：在很長一段時間里，通用型單片機通過三總線結(jié)構(gòu)擴展外圍器件成為單片機應用的主流結(jié)構(gòu)。特別是 I C、SPI 等串行總線的引入，可以使單片機的引腳設計得更少，單片機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡化及規(guī)范化。它的應用遍及各個領域，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：1. 單片機在智能儀表中的應用單片機廣泛地用于各種儀器儀表，使儀器儀表智能化，并可以提高測量的自動化程度和精度，簡化儀器儀表的硬件結(jié)構(gòu)，提高其性能價格比。單片機作為產(chǎn)品中的控制器，能充分發(fā)揮它的體積小、可靠性高、功能強等優(yōu)點，可大大提高機器的自動化、智能化程度。例如，在工業(yè)測控、航空航天、尖端武器、機器人等各種實時控制系統(tǒng)中，都可以用單片機作為控制器。4. 單片機在分布式多機系統(tǒng)中的應用 西南交通大學本科畢業(yè)設計(論文) 第 4 頁在比較復雜的系統(tǒng)中，常采用分布式多機系統(tǒng)。單片機在這種系統(tǒng)中往往作為一個終端機，安裝在系統(tǒng)的某些節(jié)點上，對現(xiàn)場信息進行實時的測量和控制。5. 單片機在人類生活中的應用自從單片機誕生以后，它就步入了人類生活，如洗衣機、電冰箱、電子玩具、收錄機等家用電器配上單片機后，提高了智能化程度，增加了功能，倍受人們喜愛。 西南交通大學本科畢業(yè)設計(論文) 第 5 頁第 2 章 系統(tǒng)總體設計 總體功能設計分析本次畢業(yè)設計是以工業(yè)水箱作為模型（其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 21） ，基于單片機系統(tǒng)對其溫度，液位，壓力，流量進行控制。考慮到工業(yè)水箱的通用功能和實際設計需要，本系統(tǒng)應該具有如下功能：1） 是一個獨立的控制模塊，應該具有抗外界干擾能力，并且安裝方便。當溫度高了的時候控制繼電器停止加熱，當溫度低了的時候打開繼電器加熱。3） 能夠進行恒壓控制，使水箱壓力輸出恒定。4） 能夠進行流量恒定控制，使輸出流量恒定。5） 能夠進行液位的控制。6） 本系統(tǒng)要求具有模擬量采集，A/D 轉(zhuǎn)換，參數(shù)輸入， LCD 顯示，時鐘日歷顯示，自動報警等功能。各個模塊及功能如下：1) 單片機控制模塊，是系統(tǒng)的核心，主要用于系統(tǒng)運算和控制。3) 8155 I/O 擴展模塊，由于系統(tǒng) I/O 資源有限，必須進行 I/O 口擴展。5) LCM12232A 液晶模塊，主要用于文字和數(shù)據(jù)顯示。7) 液位傳感器模塊，主要用于液位信號的采集及其電信號輸出。9) 流量傳感器模塊，主要用于液位信號的采集及其電信號輸出。2) A/D 采樣及信號轉(zhuǎn)換模塊，將從傳感器采集到的模擬信號進行轉(zhuǎn)換并且輸出數(shù)字信號。4) 控制模塊，對溫度、液位、壓力、流量進行恒定控制，并且在超出報警 上限或下限是提供聲光報警。 西南交通大學本科畢業(yè)設計(論文) 第 8 頁第三章 系統(tǒng)主要硬件配置 控制系統(tǒng)主要硬件介紹由系統(tǒng)總體設計可知，控制系統(tǒng)主要用到的硬件模塊有：單片機控制模塊，ADC0809 模塊，8155 I/O 擴展模塊，DS12887 時鐘模塊，LCM12232A 液晶模塊。 單片機控制模塊單片機控制模塊采用 MCS51 單片機，芯片為 8031，其引腳如圖 31 所示。MCS51 系列的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分以下幾個部分:1. 中央處理器中央處理器(CPU)是整個單片機的核心部件，主要由運算器和控制器組成運算器由 8 位算術(shù)邏輯運算單元 ALU（Arithmetic Logic Unit ） 、8 位累加器ACC（Accumulator） 、8 位寄存器 B、程序狀態(tài)字寄存器 PSW（Program Status Word） 、8 位暫存寄存器 TMP1 和 8 位暫存寄存器 TMP2 等組成。 西南交通大學本科畢業(yè)設計(論文) 第 9 頁CPU 負責控制、指揮和調(diào)度整個單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運算和控制輸入輸出功能等操作。它不但能夠隨時讀取已存放在其各個存儲單元中的數(shù)據(jù)，而且還能夠隨時寫入新的信息。8031 內(nèi)部 256 個字節(jié)被分為兩個區(qū)域：00~7FH 是真正的 RAM 區(qū)，可以讀寫各種數(shù)據(jù)，而 80H~FFH 是專門用作 21 個特殊功能寄存器（SFR）的區(qū)域。使用定時器來實現(xiàn)定時或延時控制，則 CPU 不必通過等待來實現(xiàn)延時，就可以提高 CPU 的效率。2) 計數(shù)器模值是可變的，當然計數(shù)的最大值是有一定限制的，這取決于計數(shù)器的位數(shù)。3) 可以按照規(guī)定的定時或計數(shù)值，當定時的時間或者計數(shù)終止時，發(fā)出中斷申請，以實現(xiàn)規(guī)定的定時或計數(shù)控制。5. 全雙工串行口 SBUF并行通信一次可以傳送 8 位或者更多位的數(shù)據(jù)，傳送的速度也快，但是需要的傳輸線的數(shù)目也多。這時就需要采用串行通信。6. 中斷系統(tǒng)MCS51 具備較完善的中斷功能，有五個中斷源(兩個外中斷、兩個定時/計數(shù)器中斷和一個串行中斷)，可基本滿足不同的控制要求，并具有 2 級的優(yōu)先級別選擇。 ADC0809 模塊圖 32 ADC0809 引腳圖ADC0809 引腳如圖 32 所示，它是 CMOS 工藝的比較型 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，目前在 8 位微機系統(tǒng)中廣泛使用。0809 可以處理 8 路模擬輸出信號。輸出為 8位數(shù)字量 DB7DB0。加上正脈沖之后，A/D 轉(zhuǎn)換才開始。高電平有效時把三個通道地址信號送入地址鎖存器，并經(jīng)譯碼器得到地址輸出，以選擇相應的模擬輸入通道。轉(zhuǎn)換一開始，EOC 信號變低，轉(zhuǎn)換結(jié)束時 EOC 返回高電平。CLOCK 時鐘信號。和轉(zhuǎn)換速率有關(guān)，時鐘信號頻率越高，轉(zhuǎn)換速率越快，一般取 500KHZ。VCC 電源電壓。8 位模擬開關(guān)的地址輸入和輸入通道的關(guān)系見表 31。當 西南交通大學本科畢業(yè)設計(論文) 第 11 頁通道被選中時，模擬開關(guān)的輸出應該和該通道的模擬輸入盡量一致，以避免模擬失真。正因為速度低，在和 CPU 接口時要求采用查詢方式或者中斷方式。 西南交通大學本科畢業(yè)設計(論文) 第 12 頁 8155 并行 I/O 口擴展模塊圖 33 8155 引腳圖。因此，它可以彌補市場上缺少的 256B 靜態(tài) RAM，從而可滿足 MCS51 系統(tǒng)外擴 256 字節(jié) RAM的需要。另外，8155 和 MCS5l 單片機的連接十分簡單，甚至不需要一般MCS51 擴展連接中所需的 8D 鎖存器。它的內(nèi)部帶有地址鎖存器，因此，可以和 P0 口直接連接。8155 的引腳安排及功能應反映以上特點。若 IO/ =0，則選擇存貯器；否則，若 IO/MM＝1 ，就選擇 I/0 口。使用時，只須將 ALE 引腳和 MCS51 芯片的 ALE 信號直接相連，就能取得所需的控制信號。CPU 通過這 8 條線向 8155 傳送低 8 位地址和8 位數(shù)據(jù)信號。因此，只需把這兩者直接相連就可以了。M：片選信號。CE 西南交通大學本科畢業(yè)設計(論文) 第 13 頁：讀信號。RD：寫信號。WTIN：定時器輸入。TOUT：定時器輸出。RESET：復位信號。二、 8155 I/0 口的工作方式 8155 的 A 口和 B 口都可以工作在輸入方式或輸出方式。8155 的 C 口可以設置成四種工作方式中的一種，即可以設為輸入方式、輸出方式、A 口的控制端口(只用 C 口三條線，還有三條線為輸出方式 )以及作為A 口和 B 口的控制端口。當 C 口工作于ALT3 或者 ALT4 方式時，可以為 A 口及 B 口提供對外的聯(lián)絡信號。在輸入和輸出操作時，聯(lián)絡信號的意義和作用有所不同。在信號恢復為高電平時，INTR 信號變高，向 CPU 申請中斷。讀取數(shù)據(jù)完畢后RD( 信號上升沿)，使 BF 信號恢復低電平，一次數(shù)據(jù)輸入結(jié)束。當外設接收并處理完數(shù)據(jù)后，發(fā)STB出 負脈沖，在變 高之后使 INTR 有效，開始申請中斷，即要求 CPU 發(fā)STB出下一個數(shù)據(jù)。STBA 口和 B 口是否工作在中斷方式，除了由 C 口的方式?jīng)Q定是否提供聯(lián)絡信號之外，還要在初始化中規(guī)定是否允許 A 口或 B 口中斷。8155 沒有