基于單片機(jī)的水箱液位控制與報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、基于單片機(jī)的游艇水箱液位控制與報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的游艇水箱液位控制與報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 摘摘 要要 液位測(cè)量廣泛應(yīng)用于工業(yè)、經(jīng)濟(jì)、生活等領(lǐng)域。本設(shè)計(jì)以水箱供水為模型，用于 對(duì)水箱液位信號(hào)進(jìn)行測(cè)量監(jiān)控記錄。 基于單片機(jī)的液位測(cè)量裝置具有測(cè)量準(zhǔn)確、重復(fù)性好、功耗低、使用壽命長(zhǎng)的特 點(diǎn)，是廣泛采用的技術(shù)。在深入學(xué)習(xí)科學(xué)發(fā)展觀的同時(shí)，電子設(shè)備的設(shè)計(jì)也需融入可 持續(xù)發(fā)展的設(shè)計(jì)理念。故此，在基于單片機(jī)的液位測(cè)量裝置基礎(chǔ)上，擴(kuò)展實(shí)時(shí)監(jiān)控、 數(shù)據(jù)采集、計(jì)算機(jī)串行通信等功能，從而能夠通過(guò)科學(xué)的方法將液位測(cè)量與統(tǒng)計(jì)科學(xué) 結(jié)合，合理調(diào)度水資源，降低能源消耗。 本文從系統(tǒng)方案選擇與論證，硬件電路設(shè)計(jì)，系統(tǒng)軟件與上位

2、機(jī)軟件設(shè)計(jì)等幾個(gè) 方面介紹了基于單片機(jī)的液位測(cè)量監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，最終實(shí)現(xiàn)了液位的實(shí)時(shí)測(cè)量 與監(jiān)控。最后，本文總結(jié)了設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題及解決方法，簡(jiǎn)要敘述了所獲數(shù)據(jù) 的處理方法，引出了進(jìn)一步設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的思路。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；液位測(cè)量；實(shí)時(shí)監(jiān)控；串口通信 The Design of Liquid Level Control System Based on MCU Abstract The liquid level measurement is widely used in industry, economy, life and other fields. This design ta

3、ke the water tank water supply as a model, uses in carries on the survey to the water tank fluid position signal to monitor the record. The liquid level measurement device base on MCU is widely used because of many characteristics such as high measurement accuracy, good repeatability, low power cons

4、umption and long useful time. When we study Scientific Outlook on Development thoroughly, the design of electronic aid should include the thought of sustainable development. So, beyond the liquid level measurement device based on MCU, expand the functions of real-time monitoring, data acquisition, s

5、erial communication. Through the new functions, the scientific method of the liquid level measurement could be combined with Statistical Science, be used to manage the water resources reasonable, reduce energy consumption. This thesis introduces the design process of the liquid level control system

6、by several parts as system schema, the design of hardware circuit, the software of host computer and system software, ultimately achieved the level of real-time measurement and monitoring. Finally, the paper summarizes the problems and solutions of the design process, describes briefly the method of

7、 data processing, and leads to ideas of the further design and development. Keywords：MCU；Liquid Level Measurement；Real-time monitoring；Serial Communication 目目 錄錄 引言引言 .1 第第 1 1 章章 緒論緒論 .2 1.1 課題背景與研究意義.2 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展.2 1.3 本課題主要研究?jī)?nèi)容.3 第第 2 2 章章 系統(tǒng)總體方案系統(tǒng)總體方案 .4 2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求.4 2.2 系統(tǒng)框圖.4 2.3 硬件設(shè)計(jì)方案.4

8、2.3.1 主控模塊設(shè)計(jì)方案.5 2.3.2 鍵盤模塊設(shè)計(jì)方案.5 2.3.3 顯示模塊設(shè)計(jì)方案.6 2.3.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)方案.6 2.3.5 時(shí)間模塊設(shè)計(jì)方案.7 2.3.6 A/D 轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)方案 .8 2.3.7 通信模塊設(shè)計(jì)方案.9 2.3.8 電機(jī)控制模塊設(shè)計(jì)方案.10 第第 3 3 章章 硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì) .11 3.1 AT89S52 硬件設(shè)計(jì) .11 3.2 按鍵設(shè)計(jì).13 3.3 顯示單元硬件設(shè)計(jì).14 3.4 存儲(chǔ)單元硬件設(shè)計(jì).15 3.5 時(shí)間單元硬件設(shè)計(jì).17 3.6 A/D 轉(zhuǎn)換單元硬件設(shè)計(jì) .18 3.7 通信單元硬件設(shè)計(jì).19 3.8 其他外圍電

9、路的設(shè)計(jì).20 第第 4 4 章章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) .22 4.1 系統(tǒng)軟件.22 4.1.1 系統(tǒng)軟件編譯開(kāi)發(fā)環(huán)境.22 4.1.2 系統(tǒng)主程序流程圖.22 4.1.3 系統(tǒng)初始化.22 4.1.4 顯示與 A/D 轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)處理.24 4.1.5 按鍵部分軟件設(shè)計(jì).25 4.1.6 顯示模塊的軟件設(shè)計(jì).26 4.1.7 A/D 轉(zhuǎn)換模塊軟件設(shè)計(jì) .26 4.1.8 電機(jī)控制模塊軟件設(shè)計(jì).26 4.1.9 通信協(xié)議及通信模塊軟件設(shè)計(jì).27 4.1.10 時(shí)間模塊軟件設(shè)計(jì).29 4.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì).30 4.2.1 上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)編譯環(huán)境.30 4.2.2 上位機(jī)軟件的界面設(shè)計(jì).

10、31 4.2.3 上位機(jī)串口通信功能的實(shí)現(xiàn).32 4.2.4 上位機(jī)軟件中的數(shù)據(jù)處理.34 結(jié)論與展望結(jié)論與展望 .35 致謝致謝 .37 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) .38 附錄附錄 A A 系統(tǒng)電路原理圖系統(tǒng)電路原理圖.39 附錄附錄 B B 外文文獻(xiàn)及譯文外文文獻(xiàn)及譯文.40 附錄附錄 C C 主要參考文獻(xiàn)的題錄及摘要主要參考文獻(xiàn)的題錄及摘要.49 附錄附錄 D D 系統(tǒng)軟件源代碼系統(tǒng)軟件源代碼.52 插圖清單插圖清單 圖 2-1 系統(tǒng)總體框圖 1 圖 3-1 AT89S52 引腳及網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào) 11 圖 3-2 復(fù)位電路及時(shí)鐘電路13 圖 3-3 系統(tǒng)按鍵電路14 圖 3-4 74LS273 及 7

11、4LS47 引腳圖 14 圖 3-5 顯示部分電路圖15 圖 3-6 62256 引腳圖 16 圖 3-7 存儲(chǔ)的單元電路16 圖 3-8 DS1302 引腳 圖17 圖 3-9 時(shí)間單元電路17 圖 3-10 ADC0804 引腳 圖18 圖 3-11 A/D 轉(zhuǎn)換單元電路 圖19 圖 3-12 MAX485 引腳圖 19 圖 3-13 串行通信模塊電路圖 20 圖 3-14 繼電器部分電路圖 20 圖 3-15 電源指示燈電路圖 21 圖 4-1 主程序流程圖23 圖 4-2 鍵盤程序流程圖25 圖 4-3 液位檢測(cè)流程圖27 圖 4-4 通信檢測(cè)流程圖28 圖 4-5 上位機(jī)軟件界面效果

12、圖33 圖 4-6 水箱液位控制結(jié)構(gòu)圖33 圖 5-1 MATLAB 繪制圖 形36 表格清單表格清單 表 3-1 端口引腳第二功能12 表 4-1 初始化參數(shù)及含義22 表 4-2 A/D 轉(zhuǎn)換幅值數(shù)據(jù)關(guān)系對(duì)照表 24 表 4-3 通信協(xié)議28 表 4-4 RS 狀態(tài)標(biāo)志及含義 29 表 4-5 界面功能描述31 引引 言言 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。 1976 年單片機(jī)的推出為電子電路設(shè)計(jì)提供了新的思路，也促進(jìn)了模擬電路向數(shù)字電 路發(fā)展的歷程。它在一片芯片上集成了完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。從它的發(fā)展來(lái)看，低 功耗 CMOS 化、微型單片化、主流與多

13、品種共存的發(fā)展趨勢(shì)更進(jìn)一步促使了單片機(jī) 在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用。這些應(yīng)用，很大一方面體現(xiàn)在工業(yè)控制中。在工業(yè)上，使用 單片機(jī)可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 單片機(jī)應(yīng)用發(fā)展迅速而廣泛。在過(guò)程控制中，單片機(jī)既可作為主計(jì)算機(jī)，又可 作為分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的前端機(jī)，完成模擬量的采集和開(kāi)關(guān)量的輸入、處理 和控制計(jì)算，然后輸出控制信號(hào)。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。在計(jì)算

14、 機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信、醫(yī)用設(shè)備、工商、金融、科研、教育、國(guó)防、航空航天等領(lǐng)域都有 著十分廣泛的應(yīng)用。 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。這些測(cè)量方式對(duì)一般液位的測(cè)量來(lái)說(shuō)各有各的優(yōu)點(diǎn)，可根據(jù) 不同的應(yīng)用場(chǎng)合和要求進(jìn)行選擇。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。 隨著科技的發(fā)展，液位測(cè)量技術(shù)趨于智能化、微型化、可視化。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。該

15、設(shè)計(jì)要求具有一定的智能化，可操作性和穩(wěn)定性好。 第第 1 章章 緒論緒論 1.1 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。隨著國(guó)家工業(yè)的迅速發(fā)展，液位測(cè)量 技術(shù)被廣泛應(yīng)用到石油、化工、醫(yī)藥、食品等各行各業(yè)中。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。 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展 液位測(cè)量的方法比較多，依據(jù)測(cè)量方式的不同可分

16、為接觸式與非接觸式兩種類型。 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。 1.人工檢尺法 人工檢尺法可用于測(cè)量油罐液位，其歷史十分悠久。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。 2.電參數(shù)測(cè)量法 常見(jiàn)的有電阻法、光電法、測(cè)重法、電容法、浮標(biāo)法及聲光電的反射回波法等。 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。限于篇幅，下面僅簡(jiǎn)單介紹電容測(cè)量法的基本 原理。 本方法所使用的電容通常由兩塊

17、圓柱形極板或一個(gè)探極與罐壁構(gòu)成。當(dāng)液位不同 時(shí)，電容器的介電常數(shù)就不同，故電容量也不同。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。 電容式液位測(cè)量裝置通常結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、穩(wěn)定性好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，適合于 惡劣的工作環(huán)境，生產(chǎn)成本也不高；但電容液位測(cè)量器需要考慮溫度補(bǔ)償，且介質(zhì)的 成分、水分、溫度、密度等不確定變化因素直接影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，另外檢測(cè)電 路比較復(fù)雜，尤其是檢測(cè)微小電容量的變化。 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。其特點(diǎn)是測(cè)量手段并 不采用浮子之類的固態(tài)物，而是利用聲、光、射線、磁場(chǎng)等的能量。液位傳感器不和 被測(cè)介

18、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。特別是接 觸式測(cè)量裝置不能適用的特殊場(chǎng)合，如高粘度、強(qiáng)腐蝕性、污染性強(qiáng)，易結(jié)晶的介質(zhì)。 下面簡(jiǎn)單介紹超聲波法和微波法的測(cè)量原理。 超聲波法：換能裝置將電功率脈沖轉(zhuǎn)換為超聲波，射向液面，經(jīng)液面反射后再由 換能器將該超聲波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，超聲波法可用于多液面的測(cè)量。 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。 微波法：微波通過(guò)天線輻射出去，經(jīng)液面反射后被天線接收，然后由二次電路計(jì) 算發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)的時(shí)間差得出液位

19、。 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。當(dāng)壓力 超過(guò)規(guī)定數(shù)值時(shí)，壓力對(duì)液位測(cè)量精度將產(chǎn)生顯著影響。對(duì)波導(dǎo)管的銹蝕、彎曲和傾 斜都會(huì)影響測(cè)量精度。 光纖測(cè)量法 光纖液位檢測(cè)是近年來(lái)出現(xiàn)的一種新技術(shù)。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。 光纖液位測(cè)量有以下優(yōu)點(diǎn)：精度高、靈敏度好、抗電磁干擾、耐腐蝕、電絕緣性 好、檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)電、光路有抗擾性以及便于與計(jì)算機(jī)連接，便于與光纖傳輸系統(tǒng)組成 網(wǎng)絡(luò)等。 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

20、的液位測(cè)量裝置并不多。在某些工業(yè)控制系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的測(cè)量這一基本功能 已不能滿足現(xiàn)代工業(yè)的要求，往往需要對(duì)大批數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，對(duì)其進(jìn)行后期處理分析， 實(shí)現(xiàn)差錯(cuò)控制、工藝改善、資源優(yōu)化等一系列工作。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。在液位測(cè)量這一領(lǐng)域中，如江河 湖海、城市用水等方面，大量數(shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)間，多網(wǎng)點(diǎn)的采集記錄分析具有普遍的意義。 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。 1.3 本課題主要研究?jī)?nèi)容 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

21、基礎(chǔ)的液位測(cè)量監(jiān)控記錄系統(tǒng)。具有實(shí) 時(shí)液位測(cè)量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理等功能。 設(shè)計(jì)具體內(nèi)容分為以下幾個(gè)方面： （1（系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)以及單片機(jī)選型； （2（系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)； （3（上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)以及上位機(jī)與下位機(jī)通信設(shè)計(jì)。 第第 2 2 章章 系統(tǒng)總體方案系統(tǒng)總體方案 2.1 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)。它具有 實(shí)時(shí)測(cè)量監(jiān)控水箱液位高度并顯示的功能，并根據(jù)實(shí)時(shí)水量與設(shè)置的上、下液位參數(shù) 的比較，啟動(dòng)電機(jī)供水或停止水泵。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)。液位測(cè)量高度

22、5米，測(cè)量精度10%，AC220V供電。 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)。 同時(shí)可以獲取設(shè)備運(yùn)行時(shí)記錄的數(shù)據(jù)，并能夠?qū)?shù)據(jù)保存。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。 2.2 系統(tǒng)框圖 根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，采用單片機(jī)為主控芯片，通過(guò)單片機(jī)數(shù)據(jù)地址總線及I/O端 口，擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、顯示模塊、時(shí)間模塊、串口通信模塊以及A/D 轉(zhuǎn)換、電機(jī)控制等外圍電路，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需的設(shè)計(jì)功能

23、。系統(tǒng)總體方案框圖如圖 2-1： 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 2-1 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)。 2.3 硬件設(shè)計(jì)方案 2.3.1 主控模塊設(shè)計(jì)方案 單片機(jī)作為主控模塊，使得在對(duì)單片機(jī)選型上有了較大的空間。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。因而，選擇一 個(gè)合適的單片機(jī)有時(shí)真的不太容易，要考慮的方面太多。大致總結(jié)出以下幾點(diǎn)： 1) 單片機(jī)的基本參數(shù)。例如速度、程序存儲(chǔ)器容量、I/O引腳數(shù)量等。 2) 單片機(jī)的增

24、強(qiáng)功能。例如看門狗、雙指針、雙串口、RTC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘）、 EEPROM、擴(kuò)展RAM、CAN接口、I2C接口、SPI接口、USB接口。 3) Flash和OTP（一次性可編程）。 4) 封裝：DIP（雙列直插）,PLCC（PLCC有對(duì)應(yīng)插座）還是貼片。 5) 工作溫度范圍，工業(yè)級(jí)還是商業(yè)機(jī)。 6) 功耗。 7) 工作電壓范圍。例如設(shè)計(jì)電視機(jī)遙控器，2節(jié)干電池供電,至少應(yīng)該能在 1.83.6V電壓范圍內(nèi)工作。 8) 供貨渠道暢通。 9) 價(jià)格。 10) 燒錄器價(jià)格，能否ISP（在線系統(tǒng)編程）。 11) 仿真器。 12) 單片機(jī)匯編語(yǔ)言支持。 13) 資料盡量豐富。 14) 抗干擾性能好。 15)

25、和其他外設(shè)芯片放在一起的綜合考慮。 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。使用4路8位 I/O接口即可滿足設(shè)計(jì)要求；系統(tǒng)中需要擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量 為32KB已滿足要求，因此采用16位或準(zhǔn)16位地址總線的單片機(jī)即可滿足設(shè)計(jì)需要；由 于是實(shí)驗(yàn)階段，采用DIP（雙列直插）封裝的芯片便于實(shí)驗(yàn)，暫不考慮實(shí)際工業(yè)控制中 的對(duì)外界環(huán)境的具體要求；系統(tǒng)采用AC220V供電，且對(duì)功耗沒(méi)有具體要求，使用 DC5V為芯片供電，便于系統(tǒng)外圍電路的設(shè)計(jì)；芯片支持ISP可節(jié)省仿真器的投入。 綜上所述

26、，采用與MCS-51兼容的AT89S52單片機(jī)滿足設(shè)計(jì)要求。 AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS工藝的8位微控制器，具有8K在線系統(tǒng)可編 程Flash存儲(chǔ)器。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。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器，使 得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 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。另外

27、，AT89S52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可 選擇節(jié)電模式?？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。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止， 直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。 2.3.2 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?？紤]到本設(shè)計(jì)實(shí)際需要的按鍵較 少，故采用獨(dú)立式鍵盤接口電路即可。 2.3.3 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

28、（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。 系統(tǒng)中，要求測(cè)量范圍5m，測(cè)量精度為10%，假設(shè)測(cè)量范圍為5m，在10%精度的 要求下，其測(cè)量的有效值為5*10%=0.5m。因而采用2位LED顯示器便能滿足設(shè)計(jì)要求。 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，LED顯示器的現(xiàn)實(shí)方法有兩種：靜態(tài)顯示法和動(dòng)態(tài)顯示法。 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。但靜態(tài)顯示也有其缺點(diǎn)，主要是占用I/O口資源較多，硬 件成本較高。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。為了解決靜態(tài)顯 示占用I/O口資源的缺點(diǎn)，在軟

29、件上采用壓縮BCD碼輸出顯示數(shù)據(jù)，硬件上使用一個(gè)8 位鎖存器74LS273與兩個(gè)BCD數(shù)碼顯示譯碼驅(qū)動(dòng)芯片74LS47連接，減少對(duì)系統(tǒng)資源的 占用時(shí)間。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。高位顯示米單位，低位顯示分米單位，且高位小數(shù)點(diǎn)常亮。單片 機(jī)使用1位I/O口控制數(shù)據(jù)的鎖存。 2.3.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)方案 使用AT89S52內(nèi)部256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器記錄數(shù)據(jù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因而需要擴(kuò)展數(shù) 據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。 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）。 RAM是存儲(chǔ)

30、單元的內(nèi)容可按需隨意取出或存入，且存取的速度與存儲(chǔ)單元的位置 無(wú)關(guān)的存儲(chǔ)器。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通常指固化存儲(chǔ)器（一次寫入，反復(fù)讀取），它的特點(diǎn)與RAM相反。ROM 又分一次性固化、光擦除和電擦除重寫兩種類型。 閃存則是一種不揮發(fā)性（Non-Volatile）內(nèi)存，在沒(méi)有電流供應(yīng)的條件下也能夠長(zhǎng) 久地保持?jǐn)?shù)據(jù)，其存儲(chǔ)特性相當(dāng)于硬盤，這項(xiàng)特性正是閃存得以成為各類便攜型數(shù)字 設(shè)備的存儲(chǔ)介質(zhì)的基礎(chǔ)。 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閃存的存儲(chǔ)單元?jiǎng)t采用串行結(jié)構(gòu)，存儲(chǔ)單元的讀寫是以頁(yè)和塊為單位來(lái)進(jìn) 行（一頁(yè)包含若

31、干字節(jié)，若干頁(yè)則組成儲(chǔ)存塊，NAND的存儲(chǔ)塊大小為8到32KB），這 種結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點(diǎn)在于容量可以做得很大，超過(guò)512MB容量的NAND產(chǎn)品相當(dāng)普遍， NAND閃存的成本較低，有利于大規(guī)模普及。 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。這 區(qū)區(qū)8個(gè)I/O端口只能以信號(hào)輪流傳送的方式完成數(shù)據(jù)的傳送，速度要比NOR閃存的并 行傳輸模式慢得多。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的特點(diǎn)是芯片內(nèi)執(zhí)行(XIP, eXecute In Place)，這樣應(yīng)用程序可以直接在fla

32、sh閃 存內(nèi)運(yùn)行，不必再把代碼讀到系統(tǒng)RAM中。NOR的傳輸效率很高，在14MB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。 NAND結(jié)構(gòu)能提供極高的單元密度，可以達(dá)到高存儲(chǔ)密度，并且寫入和擦除的速 度也很快。應(yīng)用NAND的困難在于FLASH的管理和需要特殊的。 可以看出ROM的存儲(chǔ)復(fù)雜，不適宜實(shí)時(shí)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。 FLASH是一個(gè)不錯(cuò)的解決方案。鑒于系統(tǒng)的復(fù)雜程度，暫時(shí)不考慮使用FLASH作 為存儲(chǔ)單元。 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（2000-2099年）、月（1-12月）、日（1-31日）、時(shí)（0-23

33、時(shí)）、分（0-59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。因此 選用32K字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，可以記錄大于5000項(xiàng)記錄點(diǎn)數(shù)據(jù)，考慮到水箱上水與耗水 的頻繁程度不高，5000項(xiàng)數(shù)據(jù)已基本滿足后期數(shù)據(jù)處理的需求。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。為節(jié)省CPU的工作時(shí)間，且由于RAM存儲(chǔ)速 度快、使用方便等特點(diǎn)，從而可以忽略了RAM掉電數(shù)據(jù)丟失的缺點(diǎn)。 2.3.5 時(shí)間模塊設(shè)計(jì)方案 通

34、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。 目前市場(chǎng)上的時(shí)鐘芯片很多，如 DS1302/DS1307/HT1380/HT1381/PCF8563 等。 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。實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷電路提供 秒、分、時(shí)、日期、日、月、年的信息，每月的天數(shù)和閏年的天數(shù)可自動(dòng)調(diào)整，時(shí)鐘 操作可通過(guò) AM/PM 指示決定采用 2

35、4 或 12 小時(shí)格式。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） 。時(shí)鐘/RAM 的讀、寫數(shù)據(jù)以一個(gè)字節(jié)或多達(dá) 31 個(gè)字節(jié)的字符組 方式通信。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。 DS1302是由DS1202改進(jìn)而來(lái)，增加了以下的特性雙電源管腳用于主電源和備份電 源供應(yīng)，Vcc1為可編程涓流充電電源，附加七個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)器。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。下面將主要的性能指標(biāo)作一綜 合： 實(shí)時(shí)時(shí)鐘具有能計(jì)

36、算2100年之前的秒、分、時(shí)、日期、星期、月、年的能力， 還有閏年調(diào)整的能力。 31*8位暫存數(shù)據(jù)存儲(chǔ)RAM。 串行I/O口方式使得管腳數(shù)量最少。 寬范圍工作電壓2.05.5V。 工作電流2.0V時(shí)，小于300nA。 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。 8腳DIP封裝或可選的8腳SOIC封裝。 簡(jiǎn)單3線接口。 與TTL兼容Vcc=5V。 可選工業(yè)級(jí)溫度范圍40至85攝氏度。 與DS1202兼容。 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

37、儲(chǔ)器。 綜上所述，選用DS1302時(shí)間芯片完全滿足設(shè)計(jì)的需求。 2.3.6 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。A/D轉(zhuǎn)換器的品種繁多、 性能各異，在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)，首先碰到的就是如何選擇合適的A/D轉(zhuǎn)換器以滿足 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的問(wèn)題。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。 基本上，可以根據(jù)以下幾個(gè)方面的指標(biāo)選擇一個(gè)A/D器件。 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。從靜態(tài)精度方面來(lái)說(shuō)，要考慮輸入信號(hào)的原始誤差傳遞到輸出所產(chǎn)生的誤 差，它是模擬信號(hào)數(shù)字化時(shí)產(chǎn)生誤

38、差的主要部分。量化誤差與A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)有關(guān)。一 般把8位以下的A/D轉(zhuǎn)換器歸為低分辨率A/D轉(zhuǎn)換器，912位的稱為中分辨率轉(zhuǎn)換器， 13位以上的稱為高分辨率轉(zhuǎn)換器。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。因此，取10位或11位是合適的。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。A/D轉(zhuǎn)換器的精度應(yīng)與測(cè)量裝置的精度相匹配。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

39、數(shù)提出恰當(dāng)?shù)囊蟆?目前，大多數(shù)測(cè)量裝置的精度值不小于0.1%0.5%，故A/D轉(zhuǎn)換器的精度取0.05% 0.1%即可，相應(yīng)的二進(jìn)制碼為1011位，加上符號(hào)位，即為1112位。當(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。 2) A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率 A/D轉(zhuǎn)換器從啟動(dòng)轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換結(jié)束，輸出穩(wěn)定的數(shù)字量，需要一定的轉(zhuǎn)換時(shí)間。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。 確定A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率時(shí)，應(yīng)考慮系統(tǒng)的采樣速率。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。根據(jù)采樣定理和實(shí)際需要，一個(gè)周期的 波形需采10個(gè)樣

40、點(diǎn)，那么這樣的A/D轉(zhuǎn)換器最高也只有處理頻率為1KHz的模擬信號(hào)。 把轉(zhuǎn)換時(shí)間減小，信號(hào)頻率可提高。對(duì)一般的單片機(jī)而言，要在采樣時(shí)間內(nèi)完成A/D轉(zhuǎn) 換以外的工作，如讀數(shù)據(jù)、再啟動(dòng)、存數(shù)據(jù)、循環(huán)計(jì)數(shù)等已經(jīng)比較困難了。 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。對(duì)于其他模擬信號(hào)一 般都要加采樣保持器。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。 4) A/D轉(zhuǎn)換器量程 A/D轉(zhuǎn)換時(shí)需要的是雙極性的，有時(shí)是單極性的。輸入信號(hào)最小值有的從零開(kāi)始， 也有從非零開(kāi)始的。有的轉(zhuǎn)換器提供了不同量程的引腳，只有正確使用，才能保證轉(zhuǎn) 換精度

41、。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。 5) 滿刻度誤差 滿度輸出時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)與理想輸入信號(hào)值之差。 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。 ADC0804是單路8位逐次比較型雙極性輸入A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間小于。量s100 化間隔： （2-1）mV V 53125.19 2 5 8 絕對(duì)量化誤差： （2-2）mV765625 . 9 2 相對(duì)量化誤差： （2-3）%195 . 0 2 1 18 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。 2.3.7

42、 通信模塊設(shè)計(jì)方案 AT89S52單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)全雙工異步串行I/O接口，占用P3.0和P3.1兩個(gè)引腳。 利用該接口，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與上位機(jī)的通信。 不同設(shè)備間串口通信的過(guò)程中，需要采用相同的的接口標(biāo)準(zhǔn)才能通信。 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。 RS-232C標(biāo)準(zhǔn)（協(xié)議）的全稱是EIA-RS-232C標(biāo)準(zhǔn)，其中EIA（Electronic Industry Association）代表美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)，RS（Ecommeded Standard）代表推薦標(biāo)準(zhǔn)，232 是標(biāo)識(shí)號(hào)，C代表RS232的最新一次修改（1969），在這之前，

43、有 RS232B、RS232A。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。 區(qū)別于RS232，RS485的特性包括： 1) RS-485的電氣特性：邏輯“1”以兩線間的電壓差為（26）V表示；邏輯 “0”以兩線間的電壓差為（26）V表示。接口信號(hào)電平比RS-232-C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。 2) RS-485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps。 3) RS-485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。 4) RS-485接口的最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為4000英尺，實(shí)際上可達(dá)3000米，

44、另外RS- 232-C接口在總線上只允許連接1個(gè)收發(fā)器，即單站能力。而RS-485接口在總線上是允 許連接多達(dá)128個(gè)收發(fā)器。即具有多站能力，這樣用戶可以利用單一的RS-485接口方便 地建立起設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。 因RS-485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。 PC機(jī)作為上位機(jī)，一般情況下帶有RS-232C通信接口，鑒于RS-485接口的優(yōu)點(diǎn)與 系統(tǒng)實(shí)際工作環(huán)境的需要，系統(tǒng)采用RS-485接口標(biāo)準(zhǔn)，使用RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器與PC 機(jī)連接進(jìn)行通信。 MAX485接口芯片是Maxim公司的一種RS-485芯片。采用單一電源5V工作，額 定

45、電流為300A，采用半雙工通訊方式。它完成將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-485電平的功能。 2.3.8 電機(jī)控制模塊設(shè)計(jì)方案 由于設(shè)計(jì)中沒(méi)有規(guī)定水泵電機(jī)的參數(shù)規(guī)格，而且不同型號(hào)的水泵參數(shù)不盡相同， 電氣參數(shù)的不同使得在電路上的設(shè)計(jì)差異較大，因此在此僅作理論演示。 選用繼電器作為電機(jī)控制的元件。 繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng) （又稱輸出回路），通常應(yīng)用于自動(dòng)控制電路中，它實(shí)際上是用較小的電流去控制較 大電流的一種“自動(dòng)開(kāi)關(guān)”。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。 繼電器主要產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)： 1) 額定工作電壓。是指繼電器正常工作時(shí)線圈所需要的電壓。根

46、據(jù)繼電器的型號(hào) 不同，可以是交流電壓，也可以是直流電壓。 2) 直流電阻。是指繼電器中線圈的直流電阻，可以通過(guò)萬(wàn)能表測(cè)量。 3) 吸合電流。是指繼電器能夠產(chǎn)生吸合動(dòng)作的最小電流。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。而對(duì)于線圈所加的工作電壓， 一般不要超過(guò)額定工作電壓的1.5倍，否則會(huì)產(chǎn)生較大的電流而把線圈燒毀。 4) 釋放電流。是指繼電器產(chǎn)生釋放動(dòng)作的最大電流。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)。這時(shí)的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于吸合電 流。 5) 觸點(diǎn)切換電壓和電流。是指繼電器允許加載的電壓和電流。它決定了繼電器能 控制電壓和電流的

47、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)。 根據(jù)以上的參數(shù)，結(jié)合設(shè)計(jì)的演示性，選用額定工作電壓120VAC/24VDC，工作 電流3A，控制電壓5VDC的小型繼電器。 第第 3 3 章章 硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì) 3.1 AT89S52硬件設(shè)計(jì) AT89S52引腳定義及功能介紹如圖3-1。 P0口口：P0口是一個(gè)8位漏極開(kāi)路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏 輯電平。對(duì)P0端口寫“1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。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。在這種模式下，P0具有內(nèi)部上拉電阻。在FLASH 編程時(shí)，P0口也用來(lái)接收指令字節(jié)；在程序校

48、驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。程序校驗(yàn)時(shí)，需 要外部上拉電阻。 P1口口：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。對(duì)P1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。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）。 此外，P1.0和P1.2分別作定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的外部計(jì)數(shù)輸入（P1.0/T2）和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2 的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX），具體如下所示： 在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口接收低8位地址字節(jié)。 引腳號(hào)第二功能： P1.0/T2 （定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的外部計(jì)數(shù)輸入），時(shí)鐘輸出 P1.1/T2

49、EX （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） 圖 3-1 AT89S52 引腳及網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào) P1.5 MOSI （在系統(tǒng)編程用） P1.6 MISO （在系統(tǒng)編程用） P1.7 SCK （在系統(tǒng)編程用） P2口口：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。對(duì)P2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。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）。 在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行MOVX DPTR） 時(shí)，P2口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，P2口使用很

50、強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用8 位地址（如MOVX RI）訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。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)。 P3口口：P3口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P3輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè) TTL邏輯電平。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。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）。 P3口亦作為AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。 表3-1 端口引腳第二功能 端口號(hào)第二功能 P3.0RXD（串行輸入口) P3.1TXD(串行輸出口) P3

51、.2INTO(外中斷0) P3.3INT1(外中斷1) P3.4TO(定時(shí)/計(jì)數(shù)器0) P3.5T1(定時(shí)/計(jì)數(shù)器1) P3.6WR(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通) P3.7RD(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通) 此外，P3口還接收一些用于FLASH閃存編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。 RST復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使 單片機(jī)復(fù)位。 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)。一般情況下，ALE仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6輸出固 定的脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)訪問(wèn)外部 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)

52、將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。對(duì)FLASH存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編 程脈沖（PROG）。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。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令才能將ALE激 活。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。 PSEN程序儲(chǔ)存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng) AT89S52由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN有效，即輸 出兩個(gè)脈沖，在此期間，當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，將跳過(guò)兩次PSEN信號(hào)。 EA/VPP外部訪問(wèn)允許，欲使CPU僅訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器

53、（地址為 0000HFFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編 程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存EA端狀態(tài)。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。FLASH存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上12V的編程允許電源Vpp，當(dāng)然 這必須是該器件是使用12V編程電壓Vpp。 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。 XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。 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3-1。 要使單片機(jī)按照設(shè)計(jì)要求正常工作，完整單片機(jī)最基本的工作要求，考慮到系統(tǒng) 無(wú)需精確地定時(shí)功能，且為了方便串口通信波特率的計(jì)算，采用11

54、.0592MHz的晶振提 供系統(tǒng)時(shí)鐘。并附加復(fù)位電路，組成單片機(jī)最小系統(tǒng)。根據(jù)電路設(shè)計(jì)規(guī)范和AT89S52 芯片手冊(cè)，設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路與復(fù)位電路如圖3-2： 圖 3-2 復(fù)位電路及時(shí)鐘電路 圖中網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)RST連接單片機(jī)RST引腳，具有上電復(fù)位與手動(dòng)復(fù)位的功能； XTAL1與XTAL2連接單片機(jī)XTAL1和XTAL2引腳，且并聯(lián)兩個(gè)30pF匹配電容使晶振起 振。 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*10K電阻作為上拉電阻。 3.2 按鍵設(shè)計(jì) 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)系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)、 發(fā)送命令等功能，是人工干預(yù)單片機(jī)的

55、主要手段?？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。它是將每個(gè)獨(dú)立按鍵按一對(duì)一的方式直接接到單片機(jī)的 I/O口上，通過(guò)程序掃描查詢方式實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)系統(tǒng)交互的。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?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。系統(tǒng)按 鍵電路如圖3-3所示。 下圖中，S2S5便是控制顯示用的按鍵。其作用就是通過(guò)按動(dòng)它們實(shí)現(xiàn)對(duì)高低警戒 液位的設(shè)置。具體來(lái)說(shuō)，S3、S4分別實(shí)現(xiàn)數(shù)字的增一與減一，S2、S5則作為高低警戒 液位的模式選擇和確認(rèn)鍵。 圖 3-3 系統(tǒng)按鍵電路

56、3.3 顯示單元硬件設(shè)計(jì) 在顯示單元上，使用了74LS273帶公共時(shí)鐘復(fù)位八位觸發(fā)器與74LS47共陽(yáng)極BCD 顯示譯碼驅(qū)動(dòng)芯片。兩個(gè)芯片的管腳圖如圖3-4： 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3、4、7、8、13、14、17、18的電平狀態(tài)，并且立即呈 圖 3-4 74LS27

57、3 及 74LS47 引腳圖 現(xiàn)在在輸出腳2（Q0）、5（Q1）、6（Q2）、9（Q3）、12（Q4）、15（Q5）、 16（Q6）、19（Q7）上。 74LS47上BI/ROB，LI，RBI引腳為控制引腳，主要用于測(cè)試和脈沖控制，均為低 電平有效，設(shè)計(jì)上不適用此項(xiàng)功能，因此均接高電平。A0A3是BCD輸入，分解 74LS273輸出的高、低四位。ag用于共陽(yáng)極數(shù)碼管的相應(yīng)管腳的連接。 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。 根據(jù)以上的設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)電路圖如圖3-5： 3.4 存儲(chǔ)單元硬件設(shè)計(jì) 存儲(chǔ)模塊的硬件設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，由于 AT89S52 單

58、片機(jī)為數(shù)據(jù)線與低 8 位地址線復(fù) 用，需要使用地址鎖存芯片 74LS373。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 3-5 顯示部分電路圖 該模塊中使用的兩個(gè)芯片管腳功如圖 3-6： 在 62256 中，A0A14 管腳為地址總線，共 15 位，尋址范圍可達(dá)到 32kB；I/O0I/O7 為 8 位三態(tài)雙向數(shù)據(jù)接口；Vcc，Vss 為電源和地；CS 是片選接口， 低電平有效；OE/WE 分別是讀選通和寫選通數(shù)據(jù)輸入輸入線，低電平有效。 圖 3-7 存儲(chǔ)的單元電路 74LS373 引腳位置和功能與 74LS273 差異不大

59、，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 3、4、7、8、13、14、17、18 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 圖 3-6 62256 引腳圖 腳 3、4、7、8、13、

60、14、17、18 的狀態(tài)。74LS273 也可以作為地址鎖存器來(lái)用，作鎖 存器時(shí)，對(duì) 273 來(lái)說(shuō)，1（CLR）腳必須接高電平，ALE 信號(hào)經(jīng)過(guò)反相后接 11 腳（因 為單片機(jī)的 ALE 信號(hào)是以下降沿方式出現(xiàn)）對(duì) 373 來(lái)說(shuō)，1 腳接低電平，保證使能， 11 腳直接接單片機(jī)的 ALE 信號(hào)。 按照常規(guī)的連接方法設(shè)計(jì)電路圖 3-7 如示。 3.5 時(shí)間單元硬件設(shè)計(jì) DS1302 因其較小的體積，占用 I/O 口資源少等特點(diǎn)，是常用的時(shí)間芯片。此次設(shè) 計(jì)采用 DIP-8 封裝，管腳功能如圖 3-8： 圖 3-8 DS1302 引腳圖 其中Vcc1為后備電源，Vcc2為主電源。在主電源關(guān)閉的情況