【正文】 圖 42 鍵盤程序流程圖………………………………… ………………………………… 25 圖 43 液位檢測(cè)流程圖………………………………… ………………………………… 27 金小龍：基于單片機(jī)的液位 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) VIII 圖 44 通信檢測(cè)流程圖………………………………… ………………………………… 28 圖 45 上位機(jī)軟件界面效果圖………………………… ………………………………… 33 圖 46 水箱液位控制結(jié)構(gòu)圖…………………………… … ……………………………… 33 圖 51 MATLAB繪制圖形………………………………………… ………………………… 36 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） IX 表格清單 表 31 端口引腳第二功能 …………………………………………………… …………… 12 表 41 初始化參數(shù)及含義……………………………… ………………………………… 22 表 42 A/D轉(zhuǎn)換幅值數(shù)據(jù)關(guān)系對(duì)照表……………………… …………………………… 24 表 43 通信協(xié)議 …………………………………………………… ……………………… 28 表 44 RS狀態(tài)標(biāo)志及含義 …… …………………………………………………… …… 29 表 45 界面功能描述…………………………………… ………………………………… 31 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 引 言 上世紀(jì) 40 年代，電子計(jì)算機(jī)的誕生，標(biāo)志著人類電子技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的階段 。它在一片芯片上集成了完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 。這些應(yīng)用，很大一方面體現(xiàn)在工業(yè)控制中。 單片機(jī)應(yīng)用發(fā)展迅速而廣泛。單片機(jī)廣泛用于儀器儀表中，與不同類型的傳感器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度、流量、速度、厚度、壓力、溫度等物理量的測(cè)量；在家用電器設(shè)備中，單片機(jī)已廣泛用于電視機(jī)、錄音機(jī)、電冰箱、電飯鍋、微波爐、洗衣、高級(jí)電子玩具、家用防盜報(bào)警等各種家電設(shè)備中。 工程應(yīng)用中液位的測(cè)量常用方法主要有超聲波、激光紅外測(cè)距、機(jī)械浮子、壓力傳感器測(cè)距等幾種。比如，常見(jiàn)的液位控制系統(tǒng)多采用浮標(biāo)、電極等，這種控制形式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低廉，但是控制精度不高，不能進(jìn)行數(shù)值顯示；另外容易引起誤操作，與上位機(jī)進(jìn)行信息交互比較困難。本設(shè)計(jì)思想是用單片機(jī)做下位機(jī)， PC 機(jī)做上位機(jī)，單片機(jī)和 PC機(jī) 相結(jié)合對(duì)水 箱 液位進(jìn)行測(cè)量和監(jiān)控。 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 第 1 章 緒論 課題背景與研究意義 在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，常常需要測(cè)量液體液位。 低溫液體 （ 液氧、液氮、液氬、液化天然氣及液體二氧化碳等 ） 得到廣泛的應(yīng)用，作為貯存低溫液體的容器要保證能承受其載荷；在發(fā)電廠、煉鋼廠中，保持正常的鍋爐汽包水位、除氧器水位、汽輪機(jī)凝氣器水位、高、低壓加熱器水位等，是設(shè)備安全運(yùn)行的保證；在教學(xué)與科學(xué)研究中，也經(jīng)常碰 到需要進(jìn)行液位控制的實(shí)驗(yàn)裝置。 ● 接觸式 測(cè)量法 接觸式 測(cè)量法 是指測(cè)量用傳感器直接與容器內(nèi)存儲(chǔ)液體相接觸，從而獲得測(cè)量參數(shù)的方法。它利用浸入式刻度鋼皮尺測(cè)量液位， 這種方法具有測(cè)量簡(jiǎn)單、可靠性高、直觀、成本低的優(yōu)點(diǎn)，但人為讀數(shù)誤差大、無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和操作。 無(wú)論怎樣，這些方法的關(guān)鍵是 利用液位傳感器 將液位的相對(duì)位移量轉(zhuǎn)換成為電壓、電流、阻抗等便于進(jìn)行電處理的物理量。 本方法所使用的電容通常由兩塊圓柱形極板或一個(gè)探極與罐壁構(gòu)成。 在此基礎(chǔ)上可以把電容量轉(zhuǎn)化為電壓、相移、頻率、脈寬等物理量，再進(jìn)行測(cè)量。 ●非接觸式測(cè)量法 非接觸式測(cè)量法包括超聲波法、調(diào)制型光學(xué)法、微波法等。 液位傳感器不和被測(cè)介質(zhì)接觸，不受被測(cè)介質(zhì)影響，也不影響被測(cè)介質(zhì)，故適用范圍廣泛。 下面簡(jiǎn)單介紹超聲波法和微波法的測(cè)量原理。 超聲波是機(jī)械波，傳播衰減小，界面反射信號(hào)強(qiáng)，且發(fā)射和接收電路簡(jiǎn)單，因而應(yīng)用較為廣泛；但超聲波的傳播速度受介質(zhì)的密度、濃度、溫度、壓力等因素影響，其測(cè)量精度往往較低。 微波速度受傳播介質(zhì)、溫度、壓力、液體介電常數(shù)的影響很小，但液體界面的波動(dòng)、液體表面的泡沫、液體介質(zhì)的介電常數(shù)對(duì)微波反射信號(hào)強(qiáng)弱有很大影響。對(duì)波導(dǎo)管的銹蝕、彎曲和傾斜都會(huì)影響測(cè)量精度。根據(jù)光導(dǎo)纖維中光在不同介質(zhì)中傳輸特性的改變對(duì)液位進(jìn)行測(cè)量。 目前，市面上進(jìn)行液位測(cè)量的儀表種類繁多，但是同時(shí)具有測(cè)量、監(jiān)控、數(shù)據(jù)記錄及 處理的液位測(cè)量裝置并不多。為了獲得大批量的數(shù)據(jù)，得到可靠的分析資料，往往需要長(zhǎng)期、多網(wǎng)點(diǎn)的監(jiān)控記錄。液位的變化分析，有助于人們進(jìn)一步對(duì)自然環(huán)境、天氣變化甚至是災(zāi)害預(yù)警提供可靠的支持。具有實(shí)時(shí)液位測(cè)量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理等功能。 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 第 2 章 系統(tǒng)總體方案 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 本設(shè)計(jì)以水 箱 供水為模型，鑒于單片機(jī)液位測(cè)量裝置的測(cè)量準(zhǔn)確、重復(fù)性能好、功耗低、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)以單片機(jī)為基礎(chǔ)的液位測(cè)量監(jiān)控記錄系統(tǒng)。在啟動(dòng)電機(jī)與停止 水泵 時(shí)，實(shí)時(shí)記錄時(shí)間點(diǎn)與 電機(jī)狀態(tài)。 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： 金小龍：基于單片機(jī)的液位 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 8 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(xiě)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(xiě)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（ 20212099年）、月（ 112月）、日（ 131日）、時(shí)（ 023時(shí)）、分（ 059安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 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。 ? 31*8位暫存數(shù)據(jù)存儲(chǔ) RAM。 ? 寬范圍工作電壓 ~。 ? 讀 /寫(xiě)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 。 ? 簡(jiǎn)單 3線接口 。 ? 可選工業(yè)級(jí)溫度范圍 － 40至 ＋ 85攝氏度 。 ? 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 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 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(kāi)始，也有從非零開(kāi)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 ： mVV 5312 8 ??? （ 21） 絕對(duì)量化誤差 ： 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 mV76 56 2 ???? （ 22） 相對(duì)量化誤差 ： % 18 ?? ?? （ 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