魚(yú)塘水位水質(zhì)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、 編號(hào) 畢畢業(yè)業(yè)論論文文題 目魚(yú)塘水位水質(zhì)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)魚(yú)塘水位水質(zhì)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)二九年十月摘 要I摘摘 要要將基于單片機(jī)的水位水質(zhì)自動(dòng)控制系統(tǒng)用于魚(yú)塘養(yǎng)殖，大大提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，節(jié)省了人力資源。因此，這項(xiàng)技術(shù)在農(nóng)村有很大的實(shí)際意義，加快農(nóng)村的自動(dòng)化的進(jìn)程。單片機(jī)質(zhì)量輕、功耗小、安全性強(qiáng)，易于操作，避免了與強(qiáng)電打交道。利用光電耦合原理，實(shí)現(xiàn)弱電控制強(qiáng)電。此項(xiàng)目中，浮球帶動(dòng)開(kāi)關(guān)相當(dāng)于鍵盤(pán)輸入，不同位置的浮球打開(kāi)不同的開(kāi)關(guān)，對(duì)于單片機(jī)來(lái)說(shuō)，輸入了不同的指令，在單片機(jī)軟件的作用下，輸出不同的命令，魚(yú)塘保持水位，滿(mǎn)足了魚(yú)對(duì)生存環(huán)境的要求。另外，當(dāng)魚(yú)塘缺氧時(shí)，測(cè)氧傳感器向單片機(jī)發(fā)出信號(hào)，單片機(jī)立刻向

2、執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出命令，氧氣泵運(yùn)行。其中，測(cè)氧傳感器在正常情況下，即魚(yú)不缺氧的情況下，對(duì)單片機(jī)保持高電平，當(dāng)魚(yú)塘缺氧時(shí)，測(cè)氧傳感器在化學(xué)反應(yīng)的作用下，電路得到一個(gè)低電平，單片機(jī)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出命令，氧氣泵啟動(dòng)，當(dāng)魚(yú)塘不缺氧時(shí)，傳感器始終給單片機(jī)的是高電平，單片機(jī)向氧氣泵發(fā)出停機(jī)的命令。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：80C51 單片機(jī) 步進(jìn)電機(jī) 測(cè)氧傳感器目錄II目目 錄錄摘摘 要要.I目目 錄錄.II第一章第一章 緒論緒論.11.1 魚(yú)塘水位水質(zhì)自動(dòng)控制的發(fā)展現(xiàn)狀 .11.2 魚(yú)塘水位水質(zhì)實(shí)現(xiàn)并改善自動(dòng)控制的意義.1第二章第二章 水位水質(zhì)自動(dòng)控制系統(tǒng)組成及工作原理水位水質(zhì)自動(dòng)控制系統(tǒng)組成及工作原理.22.1.系統(tǒng)總體

3、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).22.2 主要芯片的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn).32.2.1 80C51 單片機(jī)（如圖 2-1 所示）.32.2.2 測(cè)氧傳感器工作原理.32.2.3 光電隔離.42.2.4 差動(dòng)放大器.6第三章第三章 水位水質(zhì)自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)水位水質(zhì)自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì).83.1 魚(yú)塘水位水質(zhì)自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu).83.2 水位檢測(cè)和水質(zhì)檢測(cè)、報(bào)警等接口電路.93.3 鍵盤(pán)及其接口技術(shù).93.3.1 鍵盤(pán)輸入的特點(diǎn).93.3.2 按鍵的確認(rèn).103.3.3 消除按鍵抖動(dòng)的措施.10第四章第四章 水位水質(zhì)自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)水位水質(zhì)自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).114.1 主程序設(shè)計(jì) .11第五章第五章 硬件抗干擾技術(shù)

4、措施硬件抗干擾技術(shù)措施.135.1 硬件抗干擾技術(shù)措施.135.2 軟件抗干擾措施.135.3 系統(tǒng)誤差分析.155.3.1 測(cè)量誤差的來(lái)源.155.3.2 計(jì)數(shù)誤差的影響.15第六章第六章 總結(jié)與展望總結(jié)與展望.16致致 謝謝.17參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).18 緒論1第一章第一章 緒論緒論1.1 魚(yú)塘水位水質(zhì)自動(dòng)控制的發(fā)展現(xiàn)狀魚(yú)塘水位水質(zhì)自動(dòng)控制的發(fā)展現(xiàn)狀目前我國(guó)的農(nóng)村魚(yú)塘養(yǎng)殖業(yè)仍處于原始狀態(tài)，大大束縛了農(nóng)村勞動(dòng)力，關(guān)于魚(yú)塘水位控制，農(nóng)村應(yīng)用較多的是浮球，往往直接與高壓相連，一旦漏電會(huì)造成人身傷亡。下面就介紹一些水位控制的電路。電纜式浮球，該裝置通過(guò)一彈性電線(xiàn)與水泵連接，可用于水塔、水池水位高低的

5、自動(dòng)控制和缺水保護(hù)，允許接的用電器是 220V,10A 左右，平衡錘或彈性電線(xiàn)的某一固定點(diǎn)到浮筒間的電線(xiàn)長(zhǎng)度，決定水位的高低。這種水位開(kāi)關(guān)價(jià)格便宜，對(duì)于一些要求不太嚴(yán)格的場(chǎng)合適用，有一定耐污能力。但存在這樣的問(wèn)題：浮球易受外界雜物影響其穩(wěn)定性，特別是纖維狀的雜物纏繞而有失誤，同一小水箱里不宜使用多個(gè)，否則會(huì)相纏繞。使用壽命相對(duì)短些，而且多數(shù)直接接 220V,存在一定的安全隱患，終有一天因?yàn)殡娋€(xiàn)破損而漏電電人。所以電纜式浮球開(kāi)關(guān)一般有這樣的警告：電源線(xiàn)是本裝置的完整部分，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)電線(xiàn)受損，本裝置應(yīng)被替換，不準(zhǔn)對(duì)電線(xiàn)進(jìn)行修理。因此，不通過(guò)弱電控制的電路有一定的危險(xiǎn)性，在本項(xiàng)目中，通過(guò)單片機(jī)的應(yīng)用增

6、強(qiáng)整個(gè)電路的安全性，而且單片機(jī)的耗電量小，節(jié)約了能源。另外，單片機(jī)會(huì)根據(jù)浮球的起落，即水位的高低及時(shí)啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，達(dá)到了自動(dòng)而且及時(shí)灌排水。1.2 魚(yú)塘水位水質(zhì)實(shí)現(xiàn)并改善自動(dòng)控制的意義魚(yú)塘水位水質(zhì)實(shí)現(xiàn)并改善自動(dòng)控制的意義魚(yú)塘水位水質(zhì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的完善，不但節(jié)約了人力，財(cái)力，讓人們創(chuàng)造更多的財(cái)富，而且保證了養(yǎng)殖產(chǎn)量，更重要的是一個(gè)時(shí)期的社會(huì)機(jī)械化程度的提高，人們可以有更多的時(shí)間享受現(xiàn)代科技帶來(lái)的便捷，1本設(shè)計(jì)報(bào)告中沿用了以前的思想，即用浮球閉合開(kāi)關(guān)的方法，節(jié)約成本，適合野外環(huán)境，耐污能力強(qiáng)；2運(yùn)用單片機(jī)控制水位的辦法，提高控制準(zhǔn)確度，節(jié)省了人力；3 單片機(jī)、光電耦合器、AD620 放大器接入低電壓

7、電路，節(jié)省電量，更保護(hù)了人的安全。推而廣之，此方法可以用在水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域，工廠(chǎng)的鍋爐水位自動(dòng)控制系統(tǒng)中，提高生產(chǎn)效率，提高我國(guó)的自動(dòng)化水平，從而提高我國(guó)的綜合國(guó)力； 4運(yùn)用傳感器知識(shí)原理，正常情況時(shí)，覆膜原電池式測(cè)氧傳感器保持高電平，當(dāng)魚(yú)塘在缺氧的情況下，發(fā)出一個(gè)低電平信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)處理后，向氧氣泵發(fā)出啟動(dòng)的命令，魚(yú)塘進(jìn)入增氧狀態(tài)；當(dāng)魚(yú)塘不缺氧時(shí)，測(cè)氧傳感器上電流增大，繼續(xù)發(fā)出高電平，氧氣泵停止工作。改變了以往單靠人觀(guān)察時(shí)已經(jīng)很晚的后果，或者，氧氣補(bǔ)充過(guò)量造成浪費(fèi)。提高增氧的及時(shí)性，經(jīng)濟(jì)性。 水位水質(zhì)自動(dòng)控制系統(tǒng)組成及工作原理2第二章第二章 水位水質(zhì)自動(dòng)控制系統(tǒng)組成及工作原理水位水質(zhì)自動(dòng)控制系統(tǒng)

8、組成及工作原理2.1.系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)該系統(tǒng)有兩部分組成，如圖 2-1 所示，即水位和水質(zhì)自動(dòng)控制系統(tǒng)。1水位控制系統(tǒng)包括：初級(jí)電路、光電耦合器、AD620 放大器、單片機(jī)、水泵。2水質(zhì)控制系統(tǒng)包括：測(cè)氧傳感器、光電耦合器、AD620 放大器、單片機(jī)、氧氣泵等硬件設(shè)備。水位水質(zhì)控制系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)向執(zhí)行元件發(fā)出命令，完成真正意義上的自動(dòng)檢測(cè)控制。圖 2-1 系統(tǒng)框架圖工作原理：1水位下降到下限開(kāi)關(guān)時(shí)，浮球使水位初級(jí)電路的開(kāi)關(guān)閉合，導(dǎo)通，這時(shí)單片機(jī)得到一個(gè)命令，蜂鳴器報(bào)警，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，水池開(kāi)始灌水2水位上漲到中限開(kāi)關(guān)時(shí)，浮球使水位初級(jí)電路的開(kāi)關(guān)閉合，導(dǎo)通，這時(shí)單片機(jī)得到一個(gè)命令，電

9、動(dòng)機(jī)停止，水池停止灌水；3當(dāng)遇到水位上漲（下大雨天時(shí)）到上限開(kāi)關(guān)時(shí)，同樣道理啟動(dòng)排水泵，蜂鳴器開(kāi)始報(bào)警，水池開(kāi)始排水，到另外一個(gè)中限開(kāi)關(guān)時(shí)，排水結(jié)束；4當(dāng)水中的側(cè)氧傳感器檢測(cè)到水中缺氧時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)給單片機(jī)，單片機(jī)給一個(gè)命令，通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換，啟動(dòng)氧氣泵，一段時(shí)間后關(guān)閉氧氣泵，既節(jié)省了能源又解放了人力。水位檢測(cè)電路測(cè)氧傳感器AD620 放大器光電耦合器80c51 單片機(jī)AD620 放大器光電耦合器 執(zhí)行機(jī)構(gòu)灌水機(jī)排水機(jī)蜂鳴器氧氣泵 水位水質(zhì)自動(dòng)控制系統(tǒng)組成及工作原理32.2 主要芯片的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)主要芯片的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)2.2.1 80C51 單片機(jī)1.80C51 單片機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖 2-1 所示：圖

10、2-1 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖2.80C51 單片機(jī).特點(diǎn)：80C51 單片機(jī) 8 位的 CPU， 片內(nèi)有振蕩器和時(shí)鐘電路,工作頻率為 112MHz（Atmel 89Cxx 為 024MHz）片內(nèi)有 128/256 字節(jié) RAM片內(nèi)有 0K/4K/8K 字節(jié) 程序存儲(chǔ)器 ROM可尋址片外 64K 字節(jié) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM可尋址片外 64K 字節(jié) 程序存儲(chǔ)器 ROM片內(nèi) 21/26 個(gè) 特殊功能寄存器（SFR）4 個(gè) 8 位 的并行 I/O 口（PIO）1 個(gè) 全雙工串行口（SIO/UART）2/3 個(gè) 16 位 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（TIMER/COUNTER）可處理 5/6 個(gè)中斷源，兩級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)內(nèi)

11、置 1 個(gè)布爾處理器和 1 個(gè)布爾累加器（Cy）MCS-51 指令集含 111 條指令2.2.2 測(cè)氧傳感器工作原理溶解氧的測(cè)量方法主要有吸收容量法洲頁(yè)磁法、紫外吸收法、固體電解質(zhì)法以及電化學(xué)法等，本系統(tǒng)使用的覆膜原電池式氧傳感器，采用的是極譜式薄膜電極法，它屬于電化學(xué)法測(cè)氧的一種。 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文4覆膜原電池式氧傳感器本質(zhì)上是一種氧電池，陰極為氧，陽(yáng)極為適當(dāng)?shù)慕饘佟Ｒ蜓跣杞柚饘俜烹?，通常這種氧電池的陰極為銀，陽(yáng)極為鉛，內(nèi)充膠體狀酸性電解質(zhì)，并以覆膜與外界分隔。其電池反應(yīng)如下所示:陰極: 陽(yáng)極: 電池總反應(yīng): 因覆膜氧傳感器是一種電流型測(cè)量元件，電流與氧濃度。的關(guān)系可表示為

12、其中，n 為反應(yīng)電子數(shù)，F(xiàn) 為法拉第常數(shù)，A 為陰極表面積，D 為氧擴(kuò)散系數(shù)， 為透氣膜外表至陰極表面的距離。當(dāng)電池的材料與結(jié)構(gòu)確定、溫度不變的情況下，n,F, A, D, 均保持不變，即電流與氧濃度成正比，為線(xiàn)性元件，容易測(cè)量與計(jì)算。另外，在測(cè)氧傳感器內(nèi)還設(shè)置有溫度傳感器，此溫度傳感器既可以測(cè)量水溫，又可以為測(cè)氧提供溫度補(bǔ)償。由于測(cè)氧傳感器為精密儀器，生產(chǎn)成本較高，一套自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)只有一個(gè)測(cè)氧傳感器，因此在應(yīng)用時(shí)應(yīng)將氧傳感器探頭置于魚(yú)塘非投食區(qū)水下 0.5m 深的位置。因?yàn)橥妒硡^(qū)魚(yú)的密度高，食物殘?jiān)捕?，魚(yú)的排泄物較集中，此水域溶解氧的變化快、幅度大，而非投食區(qū)的溶解氧變化較平穩(wěn)，較具有代表

13、性。另水表層的溶氧偏高，0.5m 以下的區(qū)域溶氧又偏外低故水下 0.5m 處為宜。2.2.3 光電隔離光電隔離器（optical coupler，英文縮寫(xiě)為 OC）亦稱(chēng)光耦合器，簡(jiǎn)稱(chēng)光耦。光耦合器以光為媒介傳輸電信號(hào)。它對(duì)輸入、輸出電信號(hào)有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應(yīng)用。目前它已成為種類(lèi)最多、用途最廣的光電器件之一。光電耦合原理圖如圖 2-2 所示。光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大。輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（LED） ，使之發(fā)出一定波長(zhǎng)的光，被光探測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電光電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由

14、于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號(hào)傳輸具有單向性等特點(diǎn)，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強(qiáng)的共模抑制能力。所以，它在長(zhǎng)線(xiàn)傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計(jì)算機(jī)數(shù)字通信及實(shí)時(shí)控制中作為信號(hào)隔離的接口器件，可以大大增加計(jì)算機(jī)工作的可靠性。 光耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)是：信號(hào)單向傳輸，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離隔離，輸出信號(hào)對(duì)輸入端無(wú)影響，抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，無(wú)觸點(diǎn)，使用壽命長(zhǎng)，傳輸效率高。光耦合器是 70 年代發(fā)展起來(lái)產(chǎn)新型器件，現(xiàn)已廣泛用于電氣絕緣、電平轉(zhuǎn)換、級(jí)間耦合、驅(qū)動(dòng)電路、開(kāi)關(guān)電路、斬波器、多諧振蕩 水位水

15、質(zhì)自動(dòng)控制系統(tǒng)組成及工作原理5器、信號(hào)隔離、級(jí)間隔離 、脈沖放大電路、數(shù)字儀表、遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器(SSR)、儀器儀表、通信設(shè)備及微機(jī)接口中。在單片開(kāi)關(guān)電源中，利用線(xiàn)性光耦合器可構(gòu)成光耦反饋電路，通過(guò)調(diào)節(jié)控制端電流來(lái)改變占空比，達(dá)到精密穩(wěn)壓目的。選用 AI-LNK（艾林科）P-581 工業(yè)級(jí) RS232 轉(zhuǎn) 485 串口光電隔離器圖 2-2 光電耦合器控制原理圖是一款專(zhuān)為工業(yè)設(shè)計(jì)的帶隔離的 RS-232 與 RS-485 雙向轉(zhuǎn)換器, 將 RS-232信號(hào)透明的轉(zhuǎn)換成 RS-485 信號(hào)，它可以延長(zhǎng) RS-232 的傳輸距離，而且通過(guò) 485總線(xiàn)可以輕松把多個(gè)串口或 485

16、設(shè)備連成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。由于該產(chǎn)品內(nèi)部帶有光電隔離和浪涌保護(hù)模塊，可以有效的保護(hù)接口不被雷擊或強(qiáng)電磁信號(hào)損壞。 產(chǎn)品參數(shù)：傳輸距離：1.2 km （9600 bps） 傳輸速率：300-115200 bps 總線(xiàn)負(fù)載：總線(xiàn)上可掛接 32 個(gè)設(shè)備 工作模式：異步半雙工（RS485) 隔離電壓：1000V 連續(xù) 浪涌保護(hù)：RS485 每線(xiàn)都具有 600W 雷擊、浪涌保護(hù) 電氣接口：RS232 為 DB9 孔 RS485 為接線(xiàn)端子 電源為接線(xiàn)端子和 3.5 插座 工作溫度：-30C-85C 工作濕度：5- 95% 輸入電壓：+8-+15V 直流電源（具有反接保護(hù)） 功耗：小于 1W 體積：75x64x2

17、4 (mm) 安裝方式：壁掛式和工業(yè) DIN 導(dǎo)軌（選配）使用方法：DB9 孔端引腳定義：淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文6引腳引腳235RS-232 定定義義TXDRXDGND接線(xiàn)端子引腳定義：RS-485TX+TX-電源（電源（8-15V）VCCGND P-581 與 RS-232/485 設(shè)備的連接： RS-232 連接連接 RS-485 連接連接 P-581 232設(shè)備 P-581 485設(shè)備 TXD RXD 485+ 485+ RXD TXD 485- 485- GND GND 在使用時(shí)通常 DB9 孔直接插到 PC 機(jī)的串口上，也可根據(jù)引腳定義連到單片機(jī)或其他終端上。RS-485

18、信號(hào)從另一邊的綠色端子引出，之后通過(guò)電線(xiàn)直接連到 485 設(shè)備上，或者接到 485 總線(xiàn)上。其接線(xiàn)方法如下圖：圖 2-3 RS-485 網(wǎng)絡(luò)接線(xiàn)圖當(dāng)傳輸距離比較遠(yuǎn)時(shí)，為了避免信號(hào)的反射和回波，建議在接收末端接入終端匹配電阻，其阻值一般介于 100 至 140 之間，典型值為 120，1/4W。指示燈說(shuō)明：PWR 指示燈：當(dāng)接上電源后，紅色 PWR 燈點(diǎn)亮，代表轉(zhuǎn)換器供電正常。 TXD/RXD 指示燈：當(dāng) RS-232 這邊有數(shù)據(jù)收、發(fā)時(shí)，綠色 RXD、TXD 燈會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)頻率閃爍。 水位水質(zhì)自動(dòng)控制系統(tǒng)組成及工作原理72.2.4 差動(dòng)放大器本文采用的信號(hào)放大器是 AD620 差動(dòng)放大器，它是一

19、款低價(jià)格、高精密度的放大器，它只需一個(gè)外接電阻，就能方便地進(jìn)行各種增益的調(diào)整。該芯片具有體積小、功耗低、精度高、噪聲低和輸入偏置電流低的特點(diǎn)，在電池供電的便攜式設(shè)備、精密的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、ECG 和醫(yī)療儀器、傳感器接口、工業(yè)過(guò)程控制、多路轉(zhuǎn)換應(yīng)用系統(tǒng)、稱(chēng)重和微控制器應(yīng)用系統(tǒng)中的前置放大器等領(lǐng)域中獲得廣泛應(yīng)用。1 主要性能僅需一個(gè)外接電阻即可獲得 1 一 1000 范圍內(nèi)的任意增益;極寬的電源工作范圍(士 2.3V 一士 18V);比三片運(yùn)放組成的電路性能高;功耗低，最大電源電流僅為 1.3mA;最大輸入失調(diào)電壓 125 刀 V;最大輸入失調(diào)漂移 1 刀 V/;最大輸入偏置電流 20nA;2 引腳

20、名稱(chēng) AD620 引腳圖示如圖 2-4。 圖 2-4 AD620 引腳圖1，8 引腳：增益調(diào)節(jié)器，該引腳接不同的電阻即可得到不同的增益；GR2，3 引腳-IN，+IN：運(yùn)算放大器反向輸入和同向輸入；4，7 引腳，：SVSV電源正負(fù)輸入端；5 引腳 REF：參考電壓端；6 引腳 OUTPUT：運(yùn)算放大器輸出端。 水位水質(zhì)自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)8第三章第三章 水位水質(zhì)自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)水位水質(zhì)自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 魚(yú)塘水位水質(zhì)自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)魚(yú)塘水位水質(zhì)自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)魚(yú)塘水位水質(zhì)自動(dòng)控制系統(tǒng)如圖 3-1 所示： 圖 3-1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖+5VP0.00P0.10P0.2P1.0P

21、0.30P1.1P1.2P1.3P1.480C51測(cè)氧傳感器OCOCKA3KA2KA1KM1MMKM3KM2MN蜂鳴器+5V 水位水質(zhì)自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)93.2 水位檢測(cè)和水質(zhì)檢測(cè)、報(bào)警等接口電路水位檢測(cè)和水質(zhì)檢測(cè)、報(bào)警等接口電路1水位、含氧量檢測(cè)和接口電路為了便于實(shí)現(xiàn)水位檢測(cè)功能，用三個(gè)開(kāi)關(guān)來(lái)作用，正常情況時(shí)，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，給單片機(jī)的信號(hào)是低電平（即 0） ，單片機(jī)此時(shí)不發(fā)出命令；浮球隨水位的漲落，當(dāng)水位到達(dá)下限水位時(shí)，開(kāi)關(guān) SQ1 閉合，這時(shí)單片機(jī)檢測(cè)到 P0.0 為高電平（即1） ，P1.0 發(fā)出命令，執(zhí)行機(jī)構(gòu)讓灌水機(jī)進(jìn)水；當(dāng)水位到中限，此時(shí)水位正好，SQ2 閉合，這時(shí)單片機(jī)檢測(cè)到 P0.

22、1 為高電平，給單片機(jī)一個(gè)停水信號(hào)，P1.1 輸出停水信號(hào)，停機(jī)；當(dāng)水位漲到上限水位時(shí)，SQ3 閉合，單片機(jī)檢測(cè)到 P0.2 為高電平后，排水機(jī)開(kāi)始工作，到達(dá) SQ2 時(shí)，停機(jī)。當(dāng)測(cè)氧傳感器輸出一個(gè)高電平給單片機(jī)的 P0.4 腳，P1.4 輸出信號(hào)，氧氣泵啟動(dòng)，一段時(shí)間后，泵停。2報(bào)警接口電路為了避免系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，水位失去控制造成嚴(yán)重后果，在超出、低于警戒界水位時(shí)，報(bào)警信號(hào)直接從高、低警界水位電極獲得。單片機(jī) P0.0 端口為啟動(dòng)電機(jī)命令輸出端口，P0.0=1 為高電平，與電機(jī)的另一端接地導(dǎo)通，啟動(dòng)電機(jī)工作；P0.1=1 為高電平，反之，電機(jī)停止工作。水位過(guò)高時(shí) P0.2=1 為高電平，排水

23、電機(jī)啟動(dòng)；當(dāng) P13 為高電平時(shí)蜂鳴器報(bào)警。水位超過(guò)高警戒水位，單片機(jī)控制系統(tǒng)使電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，向魚(yú)塘內(nèi)供水工作也停止。3存儲(chǔ)器擴(kuò)展接口電路為了便于系統(tǒng)擴(kuò)展，存放大容量應(yīng)用程序，系統(tǒng)設(shè)計(jì)擴(kuò)展一片程序存儲(chǔ)器，用于存放源程序代碼。74LS373 用于鎖存地址，單片機(jī)的 P00P07 通過(guò)復(fù)用方式分別接鎖存器 74LS373 的 DOD7 和存儲(chǔ)器 2732 的 D0D7 端，地址鎖存信號(hào)線(xiàn) ALE 接鎖存器的 OE 端，通過(guò)軟件設(shè)置實(shí)現(xiàn)地址和數(shù)據(jù)信息的傳輸，鎖存器的輸出端 OQ0O7 與存儲(chǔ)器地址線(xiàn) A0A7 相連，剩余的 3 根地址線(xiàn)A8A11 接 P20P22單片機(jī)選通引腳麗接存儲(chǔ)器 OE 端，

24、因只擴(kuò)展一片存儲(chǔ)器，片選端 CE 接地。3.3 鍵盤(pán)及其接口技術(shù)鍵盤(pán)及其接口技術(shù)3.3.1 鍵盤(pán)輸入的特點(diǎn)鍵盤(pán)實(shí)質(zhì)上是一組按鍵開(kāi)關(guān)的集合。通常，按鍵所用開(kāi)關(guān)為機(jī)械彈性開(kāi)關(guān)，均利用了機(jī)械觸點(diǎn)的合斷作用。一個(gè)電壓信號(hào)通過(guò)機(jī)械觸點(diǎn)的斷開(kāi)、閉合過(guò)程，其波形如圖 3-3-1 所示。由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用，一個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)在閉合時(shí)不會(huì)馬上穩(wěn)定地接通，在斷開(kāi)時(shí)也不會(huì)一下子斷開(kāi)。因而在閉合及斷開(kāi)的瞬間均伴有一連串的抖動(dòng)，抖動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短由按鍵的機(jī)械特性決定，一般為 510ms，這是一個(gè)很重要的時(shí)間參數(shù)，在很多場(chǎng)合都要用到。魚(yú)塘的水位初級(jí)檢測(cè)電路相當(dāng)于鍵盤(pán)輸入，因此要采取消抖措施?；窗残畔⒙殬I(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)103.

25、3.2 按鍵的確認(rèn)鍵的閉合與否，反應(yīng)在電壓上就是呈現(xiàn)出高電平或低電平，如果高電平表示閉合的話(huà)，那么低電平則表示斷開(kāi)，所以通過(guò)電平的高低狀態(tài)的檢測(cè)，便可確認(rèn)按鍵按下與否。魚(yú)塘水位的檢測(cè)根據(jù)這一原理，達(dá)到檢測(cè)控制水位的目的。當(dāng)浮球上浮和下降，使開(kāi)關(guān)閉合和斷開(kāi)，來(lái)給單片機(jī)高低電平。3.3.3 消除按鍵抖動(dòng)的措施1硬件消抖(1)雙穩(wěn)態(tài)消抖雙穩(wěn)態(tài)消抖電路用兩個(gè)與非門(mén)構(gòu)成一個(gè) RS 觸發(fā)器。當(dāng)按鍵未按下時(shí)，輸出為 1，當(dāng)鍵按下時(shí)，輸出為 0.此時(shí)即使因按鍵的機(jī)械性能，使按鍵因彈性抖動(dòng)而產(chǎn)生瞬時(shí)不閉合（抖動(dòng)跳開(kāi) b） ，只要按鍵不返回原狀態(tài) a，雙穩(wěn)態(tài)電路的狀態(tài)不改變，輸出保證為 0，不會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)的波形。就

26、是說(shuō)即使 b 點(diǎn)的電壓波形是抖動(dòng)的，單經(jīng)雙穩(wěn)態(tài)之后，其輸出為正規(guī)的矩形方波，這一點(diǎn)很容易通過(guò)分析 RS觸發(fā)器的工作過(guò)程得到驗(yàn)證。(2)濾波消抖電路因?yàn)?RC 積分電路具有吸收干擾脈沖的作用，所以只要選擇好適當(dāng)?shù)臅r(shí)間常數(shù)，讓按鍵抖動(dòng)信號(hào)通過(guò)此濾波電路，便可消除抖動(dòng)的影響。當(dāng) K 未按下時(shí)，電容兩端電壓為 0，與非門(mén)輸出為 1.當(dāng) K 按下時(shí)，由于 C兩端電壓不能突變，即使在接觸過(guò)程中出現(xiàn)抖動(dòng)，只要 C 兩端的充電電壓波動(dòng)不超過(guò)門(mén)的開(kāi)啟電壓（TTL 為 0.8V 左右） ，門(mén)的輸出將不會(huì)改變，這可通過(guò)適當(dāng)選取 R1、R2 和 C 的值來(lái)實(shí)現(xiàn)。同樣，K 在斷開(kāi)過(guò)程中，即使出現(xiàn)抖動(dòng)，由于 C 兩端電壓

27、不能突變，它要經(jīng)過(guò) R2 放電，只要 C 兩端的放電電壓波動(dòng)不超過(guò)的門(mén)的關(guān)閉電壓，門(mén)的輸出也不會(huì)改變。所以，關(guān)鍵在于 R1、R2 和 C 時(shí)間常數(shù)的選取，必須保證 C 由穩(wěn)態(tài)電壓充電到開(kāi)啟電壓或關(guān)閉電壓的延遲時(shí)間大于或等于 10ms。這既可由計(jì)算確定，也可由實(shí)驗(yàn)確定。2軟件消抖如果按鍵較多，硬件消抖將無(wú)法勝任，因此常采用軟件的方法進(jìn)行消抖。在第一次檢測(cè)到有鍵按下時(shí)，執(zhí)行一段延時(shí) 10ms 的子程序后再確認(rèn)該鍵電平是否仍保持閉合狀態(tài)電平，如果保持閉合狀態(tài)電平則確認(rèn)為真正有鍵按下，從而消除了抖動(dòng)的影響。第四章 水位水質(zhì)自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)11第四章第四章 水位水質(zhì)自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)水位水質(zhì)自動(dòng)控

28、制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 主程序設(shè)計(jì)主程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分，只有在它的指揮控制下硬件電路才能進(jìn)行工作，完成相應(yīng)的功能，而且部分硬件電路的缺陷還可以通過(guò)軟件編程加以彌補(bǔ)。根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，軟件是用 MCS96 匯編語(yǔ)言，采用模塊化結(jié)構(gòu)，由主程序、自動(dòng)檢測(cè)跟蹤子程序、校準(zhǔn)子程序等組成。在本系統(tǒng)中，高精度測(cè)量的實(shí)現(xiàn)在很大程度上是由軟件來(lái)保證的。主程序包括系統(tǒng)參數(shù)初始化和循環(huán)工作過(guò)程，是本系統(tǒng)中軟件部分的核心。它主要完成的任務(wù)是：首先，對(duì)單片機(jī)狀態(tài)參量和程序自定義的狀態(tài)參量進(jìn)行系統(tǒng)初始化；其次，對(duì)各子程序進(jìn)行管理和控制，安排相應(yīng)的指令，提供子程序的入口數(shù)據(jù)，以達(dá)到完成系統(tǒng)功能的目的，

29、如圖 4-1 所示。圖 4-1 軟件設(shè)計(jì)圖N開(kāi)始復(fù)位P0.0=1?P1.0=1P1.3=1P1.1=1P1.3=1P0.2=1?YNYNP0.4=1?P1.4=1YNP0.1=1?Y灌水機(jī)停P0.3=1?Y排水機(jī)停停止供氧淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)12初始化子程序主要用來(lái)對(duì)單片機(jī)的一些寄存器、I/O 口等的初始狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置，對(duì)一些集成電路芯片的電源進(jìn)行開(kāi)/關(guān)。其中主要包括初始化堆棧指針，關(guān)中斷，停止看門(mén)狗，清除中斷標(biāo)志等；對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，對(duì)一些重要參數(shù)校準(zhǔn)存儲(chǔ)，如溫度電橋電阻，運(yùn)算放大器放大倍數(shù)，零點(diǎn)漂移；接著程序進(jìn)入主循環(huán)，開(kāi)啟中斷，進(jìn)入低功耗模式，等待中斷進(jìn)入。當(dāng)水池水位處于上、下限之間

30、時(shí)，P00=0，P02=0，此時(shí)無(wú)論電機(jī)是在帶動(dòng)水泵給水塔供水使水位不斷上升還是電機(jī)沒(méi) 有工作使水位不斷下降，都應(yīng)繼續(xù)維持原有工作狀態(tài)；當(dāng)水位低于下限時(shí)，P00=1，P02=0，此時(shí)啟動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)水泵給水池供水。水位檢測(cè)信號(hào)與輸出控制操作關(guān)系如表 4-1.所列，圖 4-1 為水池水位控制程序流程。表 4-1 水位檢測(cè)信號(hào)與輸出控制操作關(guān)系P1.0P1.1P1.2P1.3輸出控制操作輸出控制操作1000灌水機(jī)啟動(dòng)0010排水機(jī)啟動(dòng)0100停機(jī)0001水位報(bào)警 硬件抗干擾技術(shù)措施13第五章第五章 硬件抗干擾技術(shù)措施硬件抗干擾技術(shù)措施5.1 硬件抗干擾技術(shù)措施硬件抗干擾技術(shù)措施儀器儀表在實(shí)際工作

31、中，其自身各部分及與周?chē)渌娮釉O(shè)備之間，都不可避免的存在各種形式的電磁干擾，輕者使儀器產(chǎn)生誤差或錯(cuò)誤，嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致儀器的損傷。因此在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，抗干擾設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。一方面，它必須有效的避免因外界電磁干擾導(dǎo)致的儀器自身性能的降低；另一方面，還須盡可能地減小儀器自身對(duì)外界的干擾，保證一個(gè)系統(tǒng)中的各個(gè)設(shè)備協(xié)調(diào)無(wú)誤地工作。本設(shè)計(jì)中采用了下列硬件措施來(lái)提高儀器的抗干擾性能:1.從交流電網(wǎng)到穩(wěn)壓電源輸出的直流電包含大量的電磁干擾信號(hào)，接在同一個(gè)電源上的各電子設(shè)備也會(huì)通過(guò)電源饋線(xiàn)的傳導(dǎo)相互干擾。為減小傳導(dǎo)干擾，可在 PCB 板的插件面，用 0.lpF 的電容(表面封裝式)直接接到每個(gè)集

32、成電路芯片的 VCC 端，實(shí)現(xiàn)良好的解藕。2.模擬電路與數(shù)字電路分開(kāi)，模擬地與數(shù)字地僅在唯一一點(diǎn)相連，同時(shí)加粗電源線(xiàn)和地線(xiàn)，消除信號(hào)傳輸中的共模干擾。3.板內(nèi)導(dǎo)線(xiàn)應(yīng)避免采用大環(huán)形的布局方法，在布線(xiàn)時(shí)應(yīng)盡可能將同一輸出而電流相反的導(dǎo)線(xiàn)平行布設(shè)，以減少對(duì)其它導(dǎo)線(xiàn)的磁場(chǎng)禍合。4.信號(hào)線(xiàn)盡可能短，優(yōu)先考慮小信號(hào)線(xiàn)，采用雙面走線(xiàn)，使線(xiàn)間距盡可能寬，布線(xiàn)時(shí)元器件面和焊接面的各印刷引線(xiàn)要相互垂直，以減少寄生電容;盡可能不在集成芯片引腳之間走線(xiàn);易受干擾的部位增設(shè)地線(xiàn)或用寬地線(xiàn)環(huán)繞。5.在允許的前提下，盡可能采用較低速的時(shí)鐘以減弱電磁干擾。6.通訊接口電路采用光電禍合器件以隔離兩個(gè)系統(tǒng)的地線(xiàn)，消除地電位不同所

33、產(chǎn)生的影響;同時(shí)利用光禍還可形成電流環(huán)電路的傳送形式以抑制噪音。當(dāng)串入系統(tǒng)的干擾作用于單片機(jī)內(nèi)的 CPU 部件時(shí)將導(dǎo)致系統(tǒng)失控。典型的故障是破壞程序計(jì)數(shù)器 PC 的狀態(tài)，使程序在地址空間內(nèi)“亂飛” ，或者陷入“死循環(huán)” 。使程序擺脫“亂飛”或“死循環(huán)”狀態(tài)而納入正軌的方法包括軟件陷阱技術(shù)、看門(mén)狗技術(shù)、軟件數(shù)字濾波技術(shù)等。5.2 軟件抗干擾措施軟件抗干擾措施1.軟件陷阱技術(shù)軟件陷阱技術(shù)就是用一條引導(dǎo)指令強(qiáng)行將捕獲的程序引向一個(gè)指定的地址，在那里有一段專(zhuān)門(mén)進(jìn)行出錯(cuò)處理的程序，以使程序按既定目標(biāo)繼續(xù)執(zhí)行。如果淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文14把這段程序的入口標(biāo)號(hào)稱(chēng)為 ERR，軟件陷阱即為一條“LJ

34、MPERR”指令，為加強(qiáng)其捕捉效果，一般還在它前面加兩條 NOP 指令。因此真正的軟件陷阱為: NOP NOP LJMP，ERR 軟件陷阱可設(shè)置在未使用的中斷向量區(qū)、未使用的 ROM 空間、表格的末尾以及 LJMP、SJMP、RET 工等轉(zhuǎn)移和返回指令之后。在正常情況下，程序不會(huì)執(zhí)行到這些地址處，只有程序亂飛時(shí)才會(huì)遇到軟件陷阱。這樣 CPU 就可以準(zhǔn)確地捕獲到亂飛的“程序”而又不會(huì)影響正常執(zhí)行的程序流程。本設(shè)計(jì)中 ERR 代表 000H0，即遇到軟件陷阱立即從頭執(zhí)行程序。2.看門(mén)狗當(dāng)程序進(jìn)入死循環(huán)時(shí)，軟件陷阱也就無(wú)能為力了，這時(shí)可用看門(mén)狗技術(shù)來(lái)補(bǔ)救。本設(shè)計(jì)中采用軟硬件相結(jié)合的看門(mén)狗技術(shù)。在程序

35、正常執(zhí)行時(shí)每隔一段時(shí)間觸發(fā)看門(mén)狗電路(“喂狗”)，使看門(mén)狗電路不產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)；若程序進(jìn)入死循環(huán)，則不能喂狗，看門(mén)狗電路會(huì)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，使程序從頭執(zhí)行。此外，戶(hù)機(jī)和采集器間的低頻通訊，大大降低了干擾的可能。3.數(shù)字濾波法根據(jù)數(shù)據(jù)受干擾性質(zhì)及干擾后果的不同，采取的軟件對(duì)策各不相同，沒(méi)有固定的模式。對(duì)于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為了消除傳感器通道中的干擾信號(hào)，在硬件措施上常采取有源或無(wú)源 RLC 網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成模擬濾波器對(duì)信號(hào)實(shí)現(xiàn)頻率濾波。同樣，運(yùn)用 CPU 的運(yùn)算、控制功能也可以實(shí)現(xiàn)頻率濾波，完成模擬濾波器類(lèi)似的功能，這就是數(shù)字濾波。在許多數(shù)字信號(hào)處理專(zhuān)著中都有專(zhuān)門(mén)論述，可以參考。隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的提高，數(shù)

36、字濾波在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用將愈來(lái)愈廣。在一般數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，可以采用一些簡(jiǎn)單的數(shù)值、邏輯運(yùn)算處理來(lái)達(dá)到濾波的效果。下面介紹幾種常用的方法:(1)算術(shù)平均值法:對(duì)于一點(diǎn)數(shù)據(jù)連續(xù)采樣多次，計(jì)算其算術(shù)平均值，以其平均值作為該點(diǎn)采樣結(jié)果。這種方法可以減少系統(tǒng)的隨機(jī)干擾對(duì)采集結(jié)果的影響;一般 3-5 次平均即可。(2)比較取舍法:當(dāng)控制系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的個(gè)別數(shù)據(jù)存在偏差時(shí)，為了剔除個(gè)別錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，可采用比較取舍法，即對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)連續(xù)采樣幾次，根據(jù)所采數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，確定取舍，從而剔除偏差數(shù)據(jù)。例如， “采三取二”即對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)連續(xù)采樣三次，取兩次相同的數(shù)據(jù)為采樣結(jié)果。(3)中值法:根據(jù)干擾造成采樣數(shù)據(jù)偏

37、大或偏小的情況，對(duì)一個(gè)采樣點(diǎn)連續(xù)采集多個(gè)信號(hào)，并對(duì)這些采樣值進(jìn)行比較，取中值作為該點(diǎn)的采樣結(jié)果。 硬件抗干擾技術(shù)措施155.3 系統(tǒng)誤差分析系統(tǒng)誤差分析5.3.1 測(cè)量誤差的來(lái)源熱量計(jì)系統(tǒng)中，誤差的主要來(lái)源有:溫度傳感器、流量傳感器、A/D 轉(zhuǎn)換、放大器等電路中與精度有關(guān)的元件引起的誤差。其中，溫度傳感器在常溫區(qū)范圍內(nèi)有一定的非線(xiàn)性，引起測(cè)溫誤差。流量傳感器引起的誤差主要來(lái)源于管壁粗糙度不一，葉輪帶有磁鋼，對(duì)水質(zhì)的要求高，微量的鐵屑和細(xì)沙都會(huì)急劇降低測(cè)量精度直至在短期內(nèi)損壞，葉輪軸承的磨損也對(duì)測(cè)量有較大的影響，尤其在我國(guó)供水水質(zhì)一般較差，葉輪式測(cè)流量有一定的誤差。A/D1674 和差動(dòng)放大器 AD520 是高精度，高共模抑制比的集成電路，這些元件引起的誤差很小;放大電路中與測(cè)量結(jié)果有關(guān)的電阻均選用精密線(xiàn)繞電阻，即可保證精度。5.3.2 計(jì)數(shù)誤差的影響圖 5-1 片機(jī)計(jì)數(shù)中的脈沖丟失單片機(jī)對(duì)流量脈沖進(jìn)行測(cè)量時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)圖 5-1 所示的兩次丟失半個(gè)計(jì)數(shù)脈沖的情況。第一次丟失半個(gè)計(jì)數(shù)脈沖