基于單片機(jī)的異型水箱仿真裝置

1、題 目：基于單片機(jī)的異型水箱仿真裝置畢業(yè)設(shè)計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文），是我個人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 使用授權(quán)說明本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有

2、權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。作者簽名： 日 期： 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同

3、意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日注 意 事 項1.設(shè)計（論文）的內(nèi)容包括：1）封面（按教務(wù)處制定的標(biāo)準(zhǔn)封面格式制作）2）原創(chuàng)性聲明3）中文摘要（300字左右）、關(guān)鍵詞4）外文摘要、關(guān)鍵詞 5）目次頁（附件不統(tǒng)一編入）6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結(jié)論7）參考文獻(xiàn)8）致謝9）附錄（對論文支持必要時）2.論文字?jǐn)?shù)要求：理工類設(shè)計（論文）

4、正文字?jǐn)?shù)不少于1萬字（不包括圖紙、程序清單等），文科類論文正文字?jǐn)?shù)不少于1.2萬字。3.附件包括：任務(wù)書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）。4.文字、圖表要求：1）文字通順，語言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無錯別字，不準(zhǔn)請他人代寫2）工程設(shè)計類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計算機(jī)繪制，所有圖紙應(yīng)符合國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準(zhǔn)用徒手畫3）畢業(yè)論文須用a4單面打印，論文50頁以上的雙面打印4）圖表應(yīng)繪制于無格子的頁面上5）軟件工程類課題應(yīng)有程序清單，并提供電子文檔5.裝訂順序1）設(shè)計（論文）2）附件：按照任務(wù)書、開題報告、外

5、文譯文、譯文原文（復(fù)印件）次序裝訂3）其它基于單片機(jī)的異型水箱仿真裝置摘要本設(shè)計的研究對象是以單片機(jī)為核心的異型水箱仿真裝置，在為這一系統(tǒng)進(jìn)行軟硬件設(shè)計的過程中，發(fā)現(xiàn)和總結(jié)了一些實際問題，并通過解決這些問題，就異型水箱數(shù)學(xué)模型的建立、仿真裝置硬件設(shè)計、軟件設(shè)計展開討論，力爭在理論分析和實際應(yīng)用上有所創(chuàng)新。異型水箱仿真裝置的核心是圍繞異型水箱的數(shù)學(xué)模型來體現(xiàn)異型水箱的特性，并通過軟件實現(xiàn)整個異型水箱的工作狀態(tài)和功能。對異型水箱數(shù)學(xué)模型的建立是本文工作的重點。異型水箱屬于過程控制系統(tǒng)實驗裝置中的被控對象。由于被控對象的特性直接影響到整個系統(tǒng)的控制質(zhì)量，所以其數(shù)學(xué)模型的建立非常重要。設(shè)計中通過機(jī)理演

6、繹法推導(dǎo)并建立了其數(shù)學(xué)模型，并設(shè)計出了仿真裝置。關(guān)鍵詞：單片機(jī)；異型水箱；數(shù)學(xué)模型 study on the simulation set of shaped water box based on mcuabstractthe object of this paper is a simulation set of shaped water box based on mcu.in the process of designing on software and hardware for the system,a few practical problems have been found.to

7、solve these problems,we discuss the mathematical model building,the designing on hardware and software,and want to develop some new conclusions in practice and theory. the core of the simulation set of shaped water box is to show the characteristic of shaped water box according to its mathematic mod

8、el,and realizes its duty and function by software designing. the highlight of this paper is to build up the mathematical model of the shaped water box.the shaped water box belongs to a controlled member of process control system in the experiment installation.since the characteristic of the controll

9、ed member directly influences the quality of the whole system,so it is very important that the mathematical model of the shaped water box is built.we have deduced and built its mathematic model by adopt the deductive method,and we have designed the device to simulate the shaped water box. key words:

10、 mcu; shaped water box; mathematic model 目 錄摘要iabstractii第一章 緒論11.1 研究背景11.2 課題的目的及研究的主要內(nèi)容11.3 課題的意義2第二章 異型水箱數(shù)學(xué)模型的建立42.1 過程建模的介紹42.2 單容過程的建模62.3 異型水箱數(shù)學(xué)模型的建立92.3.1 建立異型水箱數(shù)學(xué)模型的方法92.3.2 異型水箱數(shù)學(xué)模型的建立11第三章 基于單片機(jī)的異型水箱仿真裝置硬件設(shè)計163.1 系統(tǒng)硬件的總體設(shè)計163.2 中央控制部件163.2.1 中央控制部件的選擇163.2.2 at89c52的封裝形式與引腳173.2.3 at89c52

11、的基本電路183.2.4 at89c52的口線分配193.3 串行程序存儲器203.3.1 x25045的引腳排列及引腳說明203.3.2 x25045芯片功能223.3.3 x25045工作原理223.3.4 x25045與at89c52的接口電路233.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換部件233.4.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換部件的選擇233.4.2 tlc0832引腳分配243.4.3 tlc0832配置位說明243.4.4 tlc0832時序分析253.4.5 tlc0832與at89c52的接口電路263.5 人機(jī)接口部件263.5.1 輸出顯示263.5.2 鍵盤輸入283.5.3 液位報警33第四章 基于單片機(jī)的

12、異型水箱仿真裝置軟件設(shè)計344.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計344.2 a/d轉(zhuǎn)換設(shè)計364.3 數(shù)據(jù)處理設(shè)計374.3.1 數(shù)字濾波設(shè)計374.3.2 標(biāo)度變換設(shè)計394.4 鍵盤控制設(shè)計424.5 液位報警設(shè)計43第五章 課題總結(jié)及設(shè)想455.1 課題總結(jié)455.2 課題設(shè)想46參考文獻(xiàn)47附錄a 基于單片機(jī)的異型水箱仿真裝置硬件電路圖49附錄b 基于單片機(jī)的異型水箱仿真裝置源程序50致謝59第一章 緒論1.1 研究背景隨著工業(yè)自動化的飛速發(fā)展、生產(chǎn)過程的需求、控制理論的開拓和控制技術(shù)工具及手段的進(jìn)展要求過程控制系統(tǒng)不斷的發(fā)展和完善。在過程控制系統(tǒng)中被控對象的對象特性直接影響系統(tǒng)的控制品質(zhì)，所以對于

13、被控對象的研究實驗也成為發(fā)展過程控制系統(tǒng)的重要手段之一。本設(shè)計就是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的以單片機(jī)為核心的異型水箱仿真裝置實驗。對被控對象進(jìn)行認(rèn)真和透徹的研究，對從事自動控制系統(tǒng)的工程技術(shù)人員來說，具有很重要的意義。單容水箱作為被控對象的實驗系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用背景。依據(jù)其不同的實際背景設(shè)計隨機(jī)出水的單水箱供液系統(tǒng)以及隨機(jī)入水的單水箱排液系統(tǒng)，并對這些系統(tǒng)的建模進(jìn)行研究是很有意義的。1.2 課題的目的及研究的主要內(nèi)容基于單片機(jī)的異型水箱仿真裝置是應(yīng)用單片機(jī)控制技術(shù)，以at89c52單片機(jī)為核心實現(xiàn)異型水箱的特性。異型水箱是通過在水位分界點處其數(shù)學(xué)模型的不同來實現(xiàn)異型水箱所具有的異型及非線性特性，同時設(shè)計

14、相應(yīng)的硬件電路來模擬異型水箱仿真裝置并通過軟件編程實現(xiàn)異型水箱的實際工作狀態(tài)。國內(nèi)外所研究的水箱控制系統(tǒng)基本上是：單容水箱系統(tǒng)、雙容水箱系統(tǒng)與三容水箱系統(tǒng)，其中單容水箱可以作為單輸入單輸出一階對象；雙容水箱可以作為單輸入單輸出一階對象、二階對象、雙輸入雙輸出對象；三容水箱可以作為單輸入單輸出一階對象、二階對象、三階對象、雙輸入雙輸出對象1。異型水箱系統(tǒng)是單容水箱系統(tǒng)。單片機(jī)的發(fā)展，使其越來越多的被應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)過程控制中，但由于工業(yè)生產(chǎn)中的實際操作都比較復(fù)雜而且龐大，為了使研究的成本降到最低，我們通過實驗的方法對實際生產(chǎn)中的過程進(jìn)行模擬和參數(shù)的標(biāo)定，從而得出結(jié)論，經(jīng)過研究和整定，應(yīng)用到實際的生

15、產(chǎn)過程中，這就達(dá)到了研究的目的。 1.3 課題的意義在工業(yè)生產(chǎn)的實踐中，人們普遍要求產(chǎn)品的質(zhì)量“穩(wěn)定”，而所謂產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定實質(zhì)上是指產(chǎn)品的某些最關(guān)鍵性的指標(biāo)必須達(dá)到預(yù)定的要求，但是產(chǎn)品的性能指標(biāo)的穩(wěn)定往往是與產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的工藝過程、工藝條件及工藝參數(shù)的穩(wěn)定密不可分的。難以想象，在一個不穩(wěn)定的、多變的生產(chǎn)條件下，能夠生產(chǎn)出質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品。事實上，在許多領(lǐng)域，過程控制的主要目的在于消除或減小外界的干擾對被控量的影響，使被控量能夠穩(wěn)定在給定值上。一個良好的控制系統(tǒng)不但要保護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和整個生產(chǎn)的安全，滿足一定的約束條件，而且應(yīng)該帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。因此，對于過程控制系統(tǒng)的設(shè)計，已不能

16、采用單一基于定量的數(shù)學(xué)模型的傳統(tǒng)控制理論和控制技術(shù)，必須進(jìn)一步開發(fā)高級的過程控制系統(tǒng)，研究先進(jìn)的過程控制規(guī)律。所以基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)在過程控制的生產(chǎn)實踐中，發(fā)揮了越來越重要的作用?；趩纹瑱C(jī)控制的特點：1. 單片微機(jī)體積小，實際應(yīng)用系統(tǒng)簡單實用，成本低，效益好。2. 系統(tǒng)配置以滿足對象的控制要求為出發(fā)點，使得系統(tǒng)具有較高的性能價格比。3. 應(yīng)用系統(tǒng)通常將程序駐留在rom中，無需軟硬磁盤做軟件載體，使系統(tǒng)不易受到干擾，可靠性高，使用方便。4. 應(yīng)用系統(tǒng)所用存儲器芯片可選用eprom、e2prom、otp芯片或利用掩膜形式生產(chǎn)，便于成批開發(fā)和應(yīng)用，許多單片微機(jī)如68系列和80c51系列，開發(fā)芯片

17、和應(yīng)用芯片相互配套，使應(yīng)用系統(tǒng)成本大大降低。5. 由于系統(tǒng)小巧玲瓏，控制功能強(qiáng)、體積小，便于安裝于被控設(shè)備之內(nèi)，大大推動了機(jī)電一體化產(chǎn)品的開發(fā)。單片微機(jī)在許多過程控制設(shè)備和產(chǎn)品中都得到廣泛的應(yīng)用。不僅有常用的8位機(jī)，而且4位單片機(jī)和16位單片機(jī)也得到了普及，隨著過程控制精度要求的增加和運算速度的增快，32位單片機(jī)也得到了進(jìn)一步的應(yīng)用。第二章 異型水箱數(shù)學(xué)模型的建立2.1 過程建模的介紹1 過程建模的基本概念被控過程的數(shù)學(xué)模型，是反映被控過程的輸出量與輸入量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)描述。或者說，是描述被控過程因輸入作用導(dǎo)致輸出量（被控變量）變化的數(shù)學(xué)表達(dá)式。被控過程可能既受控制輸入的作用，也受擾動量影響。

18、控制輸入總是力圖使被控過程按照某種期望的規(guī)律變化，而擾動量一般總是影響被控過程偏離期望運行狀態(tài)。但從系統(tǒng)角度來看，無論是控制輸入還是擾動，都屬于輸入量，因為它們都會影響輸出的變化。2 數(shù)學(xué)模型的作用與要求 被控過程數(shù)學(xué)模型的作用很多，歸納起來主要有以下幾點7：（1）設(shè)計過程控制系統(tǒng)及整定調(diào)節(jié)器參數(shù)在設(shè)計過程控制系統(tǒng)時，選擇控制通道、確定控制方案、分析質(zhì)量指標(biāo)、探討最佳工況以及調(diào)節(jié)器參數(shù)的最佳整定等都是以被控過程的數(shù)學(xué)模型為重要依據(jù)。尤其是實現(xiàn)生產(chǎn)過程的最優(yōu)控制，如果沒有充分掌握被控過程的數(shù)學(xué)模型，就無法實現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計。因此，建立數(shù)學(xué)模型也是實現(xiàn)最優(yōu)控制的必要前提。（2）指導(dǎo)生產(chǎn)工藝及其設(shè)備的設(shè)計

19、與操作通過對生產(chǎn)工藝過程及其相關(guān)設(shè)備數(shù)學(xué)模型的分析或仿真，可以確定有關(guān)因素對整個被控過程特性的影響，從而指導(dǎo)生產(chǎn)工藝及其設(shè)備的設(shè)計與操作。（3）對被控過程進(jìn)行仿真研究通過對過程的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真試驗，在計算機(jī)上進(jìn)行計算、分析，以獲取代表或逼近真實過程的定量關(guān)系，可以為過程控制系統(tǒng)的設(shè)計與調(diào)試提供所需的信息數(shù)據(jù)，從而大大降低設(shè)計試驗成本，加快設(shè)計進(jìn)程。對建立被控過程數(shù)學(xué)模型的具體要求，隨其用途不同而異，但總的來說，一是應(yīng)該盡量簡單，二是應(yīng)該正確可靠。3 建立過程數(shù)學(xué)模型的途徑建立被控過程數(shù)學(xué)模型的方法目前主要有三種：一是機(jī)理演繹方法；二是實驗辨識方法；三是機(jī)理演繹與實驗辨識相結(jié)合的混合方法，下面

20、分別加以說明。（1）用機(jī)理演繹法建立被控過程的數(shù)學(xué)模型 所謂機(jī)理演繹法又稱解析法，它是根據(jù)被控過程的內(nèi)在機(jī)理，運用已知的靜態(tài)和動態(tài)物料平衡、能量平衡等關(guān)系，用數(shù)學(xué)推理的方法求取被控過程的數(shù)學(xué)模型。通常的靜態(tài)物料或能量的平衡關(guān)系是單位時間內(nèi)進(jìn)入被控過程的物料或能量等于單位時間內(nèi)從被控過程流出的物料或能量。通常的動態(tài)物料或能量的平衡關(guān)系是單位時間內(nèi)進(jìn)入被控過程的物料或能量減去單位時間內(nèi)從被控過程流出的物料或能量等于被控過程內(nèi)物料或能量貯存量的變化率。由過程機(jī)理推到數(shù)學(xué)模型需要有足夠和可靠的驗前知識，否則，推導(dǎo)的結(jié)果就可能出現(xiàn)失真。這種方法的突出優(yōu)點是在過程控制系統(tǒng)沒有建立之前就先推導(dǎo)出數(shù)學(xué)模型，對

21、于系統(tǒng)的事先設(shè)計和方案論證是十分有利的。（2）用實驗辨識方法求取被控過程的數(shù)學(xué)模型實驗辨識方法又稱系統(tǒng)辨識與參數(shù)估計方法，即根據(jù)過程輸入、輸出的實驗測試數(shù)據(jù)，通過過程辨識和參數(shù)估計得出數(shù)學(xué)模型。過程辨識是根據(jù)測試數(shù)據(jù)確定模型結(jié)構(gòu)（包括形式、方程階次及時滯情況等）。在已定模型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，再由測試數(shù)據(jù)確定模型的參數(shù)稱為參數(shù)估計。也有人將此統(tǒng)稱為系統(tǒng)辨識。實驗辨識方法最常用的有三種，即相應(yīng)曲線法、相關(guān)統(tǒng)計法以及最小二乘法。在采用實驗辨識方法獲取被控過程的數(shù)學(xué)模型時，存在一個開環(huán)辨識還是閉環(huán)辨識的問題。目前常用的辨識方法一般是在開環(huán)條件下進(jìn)行的。2.2 單容過程的建模此單容過程的建模采用解析方法。所

22、謂單容過程，是指只有一個貯蓄容量的過程。單容過程可分為自衡單容過程與無自衡單容過程。所謂自衡過程，是指被控過程在擾動作用下，平衡狀態(tài)被破壞后，不需要操作人員或儀表的干預(yù)，依靠自身能夠恢復(fù)平衡的過程。反之，稱為無自衡過程。1單容自衡過程數(shù)學(xué)模型的建立某單容液位過程如圖2.1所示。圖2.1 單容自衡液位過程符號說明：q1水箱流入量；q2水箱流出量；a水箱截面積；h水箱液位高度；q1、q2、h分別為某平衡狀態(tài)q10、q20、h0的增量。根據(jù)動態(tài)物料平衡關(guān)系，故有 (2-1)表示成增量形式則為 (2-2)靜態(tài)時應(yīng)有q1=q2，dh/dt=0，q1發(fā)生變化，液位h也隨之而變，使貯蓄罐出口處的靜壓發(fā)生變化

23、，q2也要發(fā)生變化。假定q2與h近似成線性關(guān)系，與閥門處的靜壓液阻r成反比關(guān)系，則有 (2-3)將式（2-3）代入式（2-2）中，經(jīng)整理可得 (2-4)式（2-4）即為單容液位被控過程的微分方程增量表示形式。將式（2-4）進(jìn)行拉氏變換，寫成傳遞函數(shù)形式則有 (2-5)為了更一般起見，將式（2-5）寫成 (2-6)式中，t為過程的時間常數(shù)，t=rc；k為過程的放大系數(shù)，k=r；c為過程的容量系數(shù)，或稱過程容量，此處c=a。 2 單容無自衡過程數(shù)學(xué)模型的建立某單容液位過程如圖2.2所示。圖2.2 單容無自衡液位過程符號說明：q1水箱流入量；q2水箱流出量；a水箱截面積；h水箱液位高度；q1、q2、

24、h分別為某平衡狀態(tài)q10、q20、h0的增量。根據(jù)動態(tài)物料平衡關(guān)系，故有 (2-7) (2-8) 由于q2為定值，故。依此將式（2-8）寫成 (2-9)上式（2-9）即為該過程的輸出輸入關(guān)系。將此關(guān)系寫成傳遞函數(shù)即為 (2-10)式中，t為過程的積分時間常數(shù)，t=a。 2.3 異型水箱數(shù)學(xué)模型的建立2.3.1 建立異型水箱數(shù)學(xué)模型的方法1異型水箱的數(shù)學(xué)模型分析 異型水箱如圖2.3所示，其系統(tǒng)方框圖如圖2.4所示。圖2.3 異型水箱圖2.4 異型水箱系統(tǒng)方框圖圖2.3中，當(dāng)異型水箱液位hh1時，圖2.4中開關(guān)閉合，干擾加入到系統(tǒng)中，這個干擾實際上就是第二個孔處的流出量。水箱流出量的變化將引起水位

25、的變化，反之當(dāng)水位發(fā)生變化時，水位的變化將使流出量發(fā)生變化，此處的流出量不僅是第一個流出口的流量，同時也包括第二個流出口的流量。而第二個流出口的流量正是引入的干擾，所以引入的干擾通道將與輸出構(gòu)成一個負(fù)反饋回路。這樣經(jīng)變化的系統(tǒng)框圖如圖2.5。圖2.5 經(jīng)變化的系統(tǒng)方框圖2響應(yīng)曲線的建立圖2.6 一階無時延階躍響應(yīng)設(shè)階躍輸入變化量為x，可求得一階無時延環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)為 (2-11)式中，k為過程的放大系數(shù)，t為時間常數(shù)。對于式（2-11），考慮到 (2-12)根據(jù)式（2-11）和（2-12）可有 (2-13) 令t分別為t=t/2、t、2t.則、以及根據(jù)以上數(shù)據(jù)繪出響應(yīng)曲線如圖2.6所示。2.3

26、.2 異型水箱數(shù)學(xué)模型的建立為作出異型水箱，在標(biāo)準(zhǔn)水箱的不同高度打尺寸相同的流出口，在不同高度上閥門處的靜壓液阻不同。用機(jī)理演繹法建立異型水箱的數(shù)學(xué)模型。1 當(dāng)液位hh1時圖2.7 異型水箱hh1時圖2.9 異型水箱液位過程圖2.10 異型水箱液位過程階躍響應(yīng)當(dāng)液位達(dá)到分界點h1時，加入了第二個孔的流量，整個過程的穩(wěn)態(tài)值將發(fā)生變化，把整個過程近似為單容自衡過程，如圖2.9。符號說明：q1水箱流入量；水箱第一個出口的流出量；水箱第二個出口的流出量；q水箱的總流出量；r1水箱閥門1處的靜壓液阻；r2水箱閥門2處的靜壓液阻；a水箱截面積；h1分界點液位；h水箱液位高度。根據(jù)動態(tài)物料平衡關(guān)系，故有 (

27、2-20) 表示成增量形式則為 (2-21)靜態(tài)時應(yīng)有,，發(fā)生變化，液位也隨之而變，使貯蓄罐出口處的靜壓發(fā)生變化，q也要發(fā)生變化。假定q與近似成線性關(guān)系，與閥門處的靜壓液阻成反比關(guān)系，則有 (2-22)將式（2-22）代入式（2-21）中，經(jīng)整理可得 (2-23) 式（2-23）即為單容液位被控過程的微分方程增量表示形式。將式（2-23）進(jìn)行拉氏變換，寫成傳遞函數(shù)形式則有 (2-24) 為了更一般起見，將式（2-24）寫成 (2-25)式中，t為過程的時間常數(shù)，；k為過程的放大系數(shù)，；c為過程的容量系數(shù)，或稱過程容量，此處c=a。 此過程輸入為單位階躍信號，響應(yīng)曲線如圖2.10。第三章 基于單

28、片機(jī)的異型水箱仿真裝置硬件設(shè)計3.1 系統(tǒng)硬件的總體設(shè)計基于單片機(jī)的異型水箱仿真裝置硬件設(shè)計的原理框圖如圖3.1所示。其硬件電路圖見附錄a。圖3.1 異型水箱仿真裝置電路框圖 系統(tǒng)硬件部分由a/d轉(zhuǎn)換電路、鍵盤輸入、電源監(jiān)測及看門狗x25045、單片機(jī)、輸出顯示以及報警指示電路組成。將采集來的水箱進(jìn)水處流量經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換送入單片機(jī)處理并輸出顯示異型水箱的實際水位。其中，鍵盤設(shè)置參數(shù)模擬水箱特性。3.2 中央控制部件3.2.1 中央控制部件的選擇由圖3.1硬件設(shè)計原理圖可知，在對水位信號處理的整個過程中，單片機(jī)是一個最繁忙部分，是整個控制系統(tǒng)的核心，本設(shè)計中選用atmel公司生產(chǎn)的89系列單片機(jī)a

29、t89c52。此單片機(jī)是以8031核構(gòu)成的，與8051系列單片機(jī)兼容，因此設(shè)計者很容易以8051為基礎(chǔ)進(jìn)行構(gòu)造設(shè)計。用在這里不僅使電路大大簡化，省去了許多元器件,而且使電路的智能性與靈活性也大大提高。此外，89系列單片機(jī)還具有一些很明顯的優(yōu)點16：內(nèi)部含flash存儲器、和80c51插座兼容、靜態(tài)時鐘方式、錯誤編程亦無廢品產(chǎn)生、可反復(fù)進(jìn)行系統(tǒng)試驗。3.2.2 at89c52的封裝形式與引腳at89c52有pdip、pqfp/tqfp及plcc等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。at89c52的pqfp或tqfp封裝為扁平的44個引腳封裝，這種封裝的體積很小、成本較低，為目前商品的主流，但在學(xué)

30、?；蚺嘤?xùn)機(jī)構(gòu)中，這是行不通的。plcc（塑料有引線芯片載體）封裝也是at89c52常用的封裝方式，這也是44個表面粘著式引腳（smt）的封裝，其中包括4個空引腳，其引腳編號與qfp封裝非常類似（相容）。一般來說，采用這種封裝的部件，可直接應(yīng)用在電路板上，而不必鉆孔。在研發(fā)、實驗或教學(xué)時，還可利用插座，以縮短開發(fā)與生產(chǎn)的差距。本設(shè)計中at89c52的封裝是40個引腳雙并排的封裝，簡稱dip40。由于現(xiàn)在都是采用較便宜的塑料封裝，所以又叫做pdip。在dip封裝里，俯視圖左上方有記號者為第一腳，然后逆時針排序，分別為2、340腳。相鄰兩只腳的間距為0.1英尺，而兩排引腳之間距為0.6英寸，剛好可插

31、在面包板或40pin的插座上，特別適用于學(xué)校、培訓(xùn)機(jī)構(gòu)里。不過，由于針腳式封裝體積較大、電路板制作成本較高，已很少用在商品里。at89c52的40個引腳中包括電源引腳vcc，輸入/輸出口port0、port1、port2、port3，復(fù)位引腳reset，頻率引腳（就是時鐘脈沖引腳）xtal1、xtal2，存儲器引腳（時，系統(tǒng)使用內(nèi)部存儲器；時，系統(tǒng)使用外部存儲器。）外部存儲器控制引腳ale（地址鎖存允許信號）、（程序存儲器允許輸出端）。其引腳圖如圖3.2所示。圖3.2 at89c52引腳圖3.2.3 at89c52的基本電路圖3.3 at89c52的基本電路at89c52的整個基本電路圖如圖3

32、.3所示。1電源沒有電路是不需要電源的，at89c52亦是如此。首先將40腳接vcc，也就是+5v，20腳接地gnd。如圖3.3中所示。2時鐘脈沖at89c52內(nèi)部已具備振蕩電路，只要在接地引腳上面的兩個引腳（即19、18腳）連接簡單的石英振蕩晶體（crystal）即可。如圖3.3中所示。 3復(fù)位電路at98c52的復(fù)位引腳是第九腳，當(dāng)此引腳連接高電平超過2個機(jī)器周期（一個機(jī)器周期為6個時鐘脈沖），即可產(chǎn)生復(fù)位的動作。12mhz的時鐘脈沖，每個時鐘脈沖1s，兩個機(jī)器周期2s，因此，在第九腳上連接一個2s以上的高電平脈沖，即可產(chǎn)生復(fù)位的動作。通常，還會在電容兩端并連一個按鈕開關(guān)，如圖3.5所示，

33、此按鈕開關(guān)是手動的reset開關(guān)（強(qiáng)制reset）。如圖3.3中所示。4存儲器設(shè)定電路基本電路的最后部分是存儲器的設(shè)定，如果把31腳（）接地，則采用外部存儲器；如果把31腳（）接vcc，則采用內(nèi)部存儲器。在本設(shè)計中采用內(nèi)部存儲器，所以把31腳（）與vcc相連。如圖3.3中所示。3.2.4 at89c52的口線分配現(xiàn)在把單片機(jī)at89c52口線的具體分配方法列表3.1如下：表3.1 at89c52口線分配i/o線功能分配所屬模塊p1.0tlc0832的cs端模數(shù)轉(zhuǎn)換p1.2tlc0832的do/di端模數(shù)轉(zhuǎn)換p1.4x25045的復(fù)位端內(nèi)存擴(kuò)展p1.5x25045的cs端內(nèi)存擴(kuò)展p1.6x250

34、45的時鐘端內(nèi)存擴(kuò)展p0.0數(shù)碼顯示輸入端人機(jī)接口p0.2數(shù)碼顯示時鐘端人機(jī)接口p0.5控制揚聲器人機(jī)接口p2.0p2.7按鍵輸入口人機(jī)接口3.3 串行程序存儲器現(xiàn)代單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)要求功能齊全、結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉。在單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計中，設(shè)計人員必須考慮單片機(jī)系統(tǒng)的抗干擾能力和數(shù)據(jù)長期可靠保存，并且具有看門狗功能、斷電后能保存數(shù)據(jù)和上電、掉電時的復(fù)位功能。近幾年來，產(chǎn)品設(shè)計變化很快。體積更小、可編程、高性能的產(chǎn)品需求飛漲。過去通常用來提高系統(tǒng)可靠性的三種電路分別為：看門狗定時器、低壓復(fù)位和上電復(fù)位電路。通過聯(lián)合這些電路的特性，美國xiocr公司為系統(tǒng)設(shè)計師們提供了一個更小、功能更強(qiáng)、花銷更少的

35、芯片x25045。該芯片就是將單片機(jī)測控系統(tǒng)中常用的功能：看門狗定時器；電源電壓監(jiān)控；上電復(fù)位；單行e2prom集成在一起的集成芯片。3.3.1 x25045的引腳排列及引腳說明x25045引腳排列如圖3.4。 圖3.4 x25045引腳圖其引腳功能說明如下：so：串行輸出引腳。在讀周期內(nèi)，數(shù)據(jù)在此引腳輸出，數(shù)據(jù)由串行時鐘的下降沿同步輸出。si：串行輸人引腳。所有操作碼、字節(jié)地址以及儲存器的數(shù)據(jù)在此引腳上輸人。數(shù)據(jù)由串行時鐘的上升沿鎖存。sck：串行時鐘控制，用于數(shù)據(jù)輸人和輸出的串行總線定時。操作碼、地址或出現(xiàn)在si引腳上的數(shù)據(jù)在時鐘輸人的上升沿鎖定，而so引腳上的數(shù)據(jù)在時鐘輸人的下降沿之后發(fā)

36、生改變。：芯片選擇引腳。當(dāng)cs為高電平時，x25045不被選擇，so輸出腳處于高阻狀態(tài)；當(dāng)為低電平時，x25045開始工作。應(yīng)當(dāng)注意，在上電之后，在任何操作開始之前，需要從高電平至低電平的跳變。：寫保護(hù)引腳。當(dāng)為低電平時，x25045的非易失性寫操作被禁止，但是芯片的其它功能正常。當(dāng)保持高電平時，所有的功能，包括非易失性寫操作都正常。在仍為低電平時變?yōu)榈碗娖綄⒅袛鄬25045的寫操作。reset：復(fù)位引腳。x25045的reset引腳是高電平有效，漏極開路的輸出端。只要vcc下降至低于最小vcc檢測電平，reset將變?yōu)楦唠娖?。它將保持高電平直至vcc上升到最小vcc檢測電平200ms為止。

37、如果允許看門狗定時器工作且保持高電平或低電平的時間長于看門狗超時周期，那么reset也變?yōu)楦唠娖健５南陆笛貙?fù)位看門狗定時器。vss：地。vcc：電源電壓。3.3.2 x25045芯片功能x25045有三種常用的功能：看門狗定時器、電壓監(jiān)控和e2prom。1看門狗看門狗定時器對微機(jī)控制系統(tǒng)提供了獨立的保護(hù)系統(tǒng)。它提供了三種定時間，可編程選擇200ms、600ms、1.4s。在設(shè)定的時間內(nèi)如果沒有對x25045進(jìn)行訪問，則看門狗以reset信號做輸出響應(yīng)，即變?yōu)楦唠娖剑訒r約200ms后，reset由高電平變?yōu)榈碗娖?，進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位。2電壓監(jiān)控上電時，電源電壓超過4.5v后，經(jīng)過約200ms的穩(wěn)定

38、時間后，reset信號由高電平變?yōu)榈碗娖健５綦姇r，如電源電壓低于4.5v，reset信號就立刻由低電平變?yōu)楦唠娖讲⒁恢北３值诫娫措妷夯謴?fù)到穩(wěn)定為止。3e2prom功能x25045芯片內(nèi)部的儲存器采用cmos工藝的4096為串行e2prom，按5128組織，每個字節(jié)可以擦寫10萬次以上，內(nèi)部數(shù)據(jù)可以保存100年以上。芯片具有編程塊鎖定功能。采用簡單的三線總線的串行外設(shè)接口就可以對該芯片進(jìn)行讀寫。3.3.3 x25045工作原理x25045芯片是設(shè)計成直接與許多常用微控制器系列的同步串行外設(shè)接口（spi）相接的5128e2prom。x25045包括一個8位指令寄存器，它可通過si輸人來訪問。數(shù)據(jù)在

39、sck的上升沿由時鐘同步輸人。在整個工作周期內(nèi)，必須是低電平且輸人必須是高電平。x25045監(jiān)視總線，如果在預(yù)置的時間周期內(nèi)沒有總線活動，那么它將提供reset輸出。3.3.4 x25045與at89c52的接口電路x25045與at89c52的接口電路如圖3.5所示。圖3.5 x25045與at89c52的接口電路3.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換部件3.4.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換部件的選擇由于tlc0832性能價格比較高，市場售價較低，購買也很方便，是單片機(jī)控制系統(tǒng)中常用的a/d轉(zhuǎn)換芯片，所以被選為本設(shè)計中模數(shù)轉(zhuǎn)換部件。tlc0832是美國德州儀器公司生產(chǎn)的串行控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器，有兩個可多路選擇的輸入通道，與單片機(jī)或控

40、制器通過三線接口連接。tlc0832是廣泛應(yīng)用的8位a/d轉(zhuǎn)換器，雙通道輸入，并且可以軟件配置成單端或差分輸入。串行輸出可以方便的和標(biāo)準(zhǔn)的移位寄存器及微處理器接口。tlc0832的基準(zhǔn)輸入在片內(nèi)與vcc連接。 tlc0832芯片特點：1. 8位分辨率；2. 5v單電源供電，基準(zhǔn)電壓為5v；3. 輸入模擬信號電壓范圍為05v；4. 輸入和輸出電平與ttl和cmos兼容；5. 可直接和微處理器接口或獨立使用；6. 在250khz時鐘頻率時，轉(zhuǎn)換時間為32；7. 有兩個可多路選擇的模擬輸入通道。應(yīng)用領(lǐng)域：8位轉(zhuǎn)換結(jié)果、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、簡單的微處理器接口、工業(yè)控制、單通道或多通道可配置單端及差分輸入、工

41、廠自動化系統(tǒng)。3.4.2 tlc0832引腳分配tlc0832有soic和dip兩種封裝，dip封裝的tlc0832引腳分配如圖3.6所示。圖3.6 tlc0832引腳圖各引腳說明如下：為片選端，低電平有效；ch0、ch1為模擬信號輸入端；di為多路器地址選擇輸入端；do為模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果串行輸出端；clk為串行時鐘輸入端；gnd為電源地；vcc/ref為正電源端和基準(zhǔn)電壓輸入端。3.4.3 tlc0832配置位說明tlc0832工作時，選擇哪個模擬通道，取決于輸入時序中的配置位。同時，配置位也決定了輸入是單端輸入還是差分輸入。當(dāng)輸入是差分時，要分配輸入通道的極性；兩個輸入通道的任一個通道都可作為

42、正極或負(fù)極。tlc0832的配置位邏輯表如表3.3所列。表3.2中：+表示輸入通道的端點為正極性，表示輸入通道的端點為負(fù)極性，h或l表示高、低電平。輸入配置位時，高位在前，低位在后。表3.2tlc0832的配置位邏輯表配置位選擇通道號ch0chilllhhlhh3.4.4 tlc0832時序分析圖3.7 tlc0832工作時序圖tlc0832的工作時序如圖3.7所示。由時序可以看出，置為低電平時，選中tlc0832，使所有邏輯電路使能。在每個時鐘clk的上升跳變時，di端的數(shù)據(jù)移入tlc0832內(nèi)部的多路器地址移位寄存器。在第一個時鐘期間，di為高，表示啟始位，緊接著要輸入兩位配置位。當(dāng)輸入啟

43、始位和配置位后，選通輸入模擬通道轉(zhuǎn)換開始。轉(zhuǎn)換開始后，先提供一個時鐘，以使選定的通道穩(wěn)定。tlc0832接著輸出轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)輸出時先輸出最高位；輸出完轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)后，又以最低位開始重新輸出一遍數(shù)據(jù)。當(dāng)片選變高時，內(nèi)部所有寄存器清零，輸出變?yōu)楦咦锠顟B(tài)。如果要想再一次模數(shù)轉(zhuǎn)換，片選必須再次要由從高變低的跳變，后面再輸入啟始位和配置位。由于di端只在多路尋址時被檢測，而此時do端仍為高阻狀態(tài)，因此di端和do端可以連在一起。3.4.5 tlc0832與at89c52的接口電路tlc0832與at89c52的接口電路如圖3.8所示。圖3.8 tlc0832與at89c52的接口電路3.5 人機(jī)接口部

44、件3.5.1 輸出顯示1. 數(shù)碼管介紹led數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)簡單，分為七段和八段兩種形式，也有共陽和共陰之分。以八段共陰管為例，它有8個發(fā)光二極管(比七段多一個發(fā)光二極管，用來顯示sp即點)，每個發(fā)光二極管的陰極連在一起。這樣，一個led數(shù)碼管就有1根位選線和8根段選線，要想顯示一個數(shù)值，就要分別對它們的高低電平來加以控制。一般的顯示電路由多個數(shù)碼管構(gòu)成，n個數(shù)碼管可以構(gòu)成n位led顯示器，共有n根位選線和8n根段選線。依據(jù)位選線和段選線的連接方式的不同，mcs-51系列單片機(jī)對led顯示管的顯示主要有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種方式。本設(shè)計主要討論4位共陰八段led數(shù)碼顯示管。其中八段led數(shù)碼顯示管

45、外形及引腳如圖3.9所示。圖3.9 八段led數(shù)碼顯示管外形及引腳2. led靜態(tài)顯示方式利用靜態(tài)顯示穩(wěn)定的優(yōu)點，本系統(tǒng)采用串行口輸出的靜態(tài)顯示接口電路，使用mcs-51單片機(jī)的串行口輸出，外接串行轉(zhuǎn)換芯片74ls164作為led顯示器的靜態(tài)顯示接口，把mcs-51的p0.0定義為74ls164的輸出信號，p0.2定義為74ls164的時鐘信號，如圖3.10所示。 74ls164是ttl單向8位移位寄存器，可以實現(xiàn)串行輸入，并行輸出，其引腳圖如圖3.11所示。它的a、b(第1、2腳)為串行數(shù)據(jù)輸入端，兩個引腳按照邏輯與運算規(guī)律輸入信號，若共用一個信號時可以連到一起，共同連接到p0.0端。clk

46、(8腳)為時鐘信號輸入端，本設(shè)計中連接到串行口的p0.2端，每個時鐘的上升沿過來，移位計數(shù)器就移一位，8個時鐘脈沖過后，8位二進(jìn)制數(shù)全部移入74ls164中。為清零復(fù)位端，為低電平時所有輸出端口復(fù)零，為使其不起作用而讓數(shù)據(jù)正常傳輸，加一個高電平。多個74ls164首尾相串聯(lián)。而時鐘信號接在一起，這樣當(dāng)輸入8個脈沖時，從單片機(jī)p0.0端輸入的數(shù)據(jù)就進(jìn)入了第一片74ls164中，下一次8個脈沖到來后，這個數(shù)據(jù)就進(jìn)入了第二片74ls164，而新的數(shù)據(jù)就進(jìn)入了第一片圖3.10靜態(tài)顯示接口電路圖3.11 74ls164引腳圖3.5.2 鍵盤輸入1. 鍵盤掃描原理圖3.12（a）所示為44鍵盤，圖3.14

47、（b）為其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其中包括4行、4列，構(gòu)成一個44的數(shù)組。y0、y1、y2、y3各連接一個電阻到共同點com上。依掃描方式的不同，com可能連接到vcc或gnd，當(dāng)進(jìn)行鍵盤掃描時，則將掃描信號送至y0、y1、y2、y3，再由x0、x1、x2、x3讀取鍵盤狀態(tài)，即可判斷哪個按鍵被按下。鍵盤掃描的方式有兩種，即低電平掃描與高電平掃描。通常以低電平掃描為多。低電平掃描是將共同點com連接vcc，無論哪個按鍵被按下，x0、x1、x2、x3端都能保持為高電平（即1）。送入y0、y1、y2、y3的掃描信號中，只有一個為低電平（即0），其余3個為高電平。整個工作可分為4個階段。（a）44鍵盤外觀（b）44

48、鍵盤內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3.12 44鍵盤第一階段，主要是判斷key3，key2，key1及key0有沒有被按下。首先將1110b信號送入列，緊接著讀取行的狀態(tài)。若為1110，表示key0被按下；若y3、y2、y1、y0為1101，表示key1被按下。若y3、y2、y1、y0為1011，表示key2被按下。若y3、y2、y1、y0為0111，表示key3被按下。若y3、y2、y1、y0為1111，表示key0、key1、key2及key3都沒被按下，進(jìn)入下一階段。第二階段，主要是判斷key7，key6，key5及key4有沒有被按下。首先將1101b信號送入列，緊接著讀取行的狀態(tài)。若y3、y2、y1、y

49、0為1110，表示key4被按下。若y3、y2、y1、y0為1101，表示key5被按下。若y3、y2、y1、y0為1011，表示key6被按下。若y3、y2、y1、y0為0111，表示key7被按下。若y3、y2、y1、y0為1111，表示key4、key5、key6及key7都沒被按下，進(jìn)入下一階段。第三階段，主要是判斷keyb，keya，key9及key8有沒有被按下。首先將1011b信號送入列，緊接著讀取行的狀態(tài)。若y3、y2、y1、y0為1110，表示key8被按下。若y3、y2、y1、y0為1101，表示key9被按下。若y3、y2、y1、y0為1011，表示keya被按下。若y3、y2、y1、y0為0111，表示keyb被按下。若y3、y2、y1、y0為1111，表示key8、key9、keya及keyb都沒被按下，進(jìn)入下一階段。第四階段，主要是判斷keyf，keye，keyd及keyc有沒有被按下。首先將0111b信號送入列，緊接著讀取行的狀態(tài)。若y3、y2、y1、y0為1110，表示keyc被按下。若y3、y2、y1、y0為1101，表示keyd