水位自動檢測與控制系統(tǒng)的設計

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上1 引 言11 研究背景在社會經(jīng)濟飛速發(fā)展的今天，水在人們生活和生產(chǎn)中起著越來越重要的作用。一旦斷水，輕則給人民生活帶來極大的不便，重則可能造成重大的生產(chǎn)事故及損失。因此，對水位的自動檢測及控制的研究，有著極其重要的地位。任何時候都能提供足夠的水量，平穩(wěn)的水壓，合格的水質(zhì)，是對供水系統(tǒng)的基本要求。就目前而言，多數(shù)工業(yè)生活供水系統(tǒng)，都采用水塔，層頂水箱等基本儲水設備，由一級二級水泵從地下市政水管補給，因此如何建立一個可靠安全又利于維護的給水系統(tǒng)是值得我們研究的課題?，F(xiàn)今社會，自動化裝置無所不在，在控制技術需求的推動下，控制理論本身也取得了顯著的進步。水塔水位的監(jiān)測和控制

2、，再也不需要人工進行操作。實踐證明，自動化操作，具有不可替代的應用價值。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及日常生活應用中，常常會需要對容器中的液位（水位）進行自動控制。比如自動控制水箱、水池、水槽、鍋爐等容器中的蓄水量，生活中抽水馬桶的自動補水控制、自動電熱水器、電開水機的自動進水控制等。雖然各種水位控制的技術要求不同，精度不同，但基本的控制原理都可以歸納為一般的反饋控制方式，就是利用傳感器對于信號的提供通過單片機對數(shù)碼顯示、電機控制、報警控制部分的控制1。本設計從分析水塔水位報警器的原理和設計方法入手，主要基于單片機的硬件電路和語言程序設計,實現(xiàn)一種能夠?qū)崿F(xiàn)水位自動控制、具有自動保護、自動聲光報警功能的控制系

3、統(tǒng)。本控制系統(tǒng)由A/D轉(zhuǎn)換部分、單片機控制部分、數(shù)碼顯示部分、電機驅(qū)動部分、電機控制部分等構(gòu)成。這是個簡單而靈敏的監(jiān)測報警電路，操作簡單，接通電源即可工作。因為大部分電路采用數(shù)字電路，所以本水位監(jiān)測報警器還具有耗能低、準確性高的特點。該系統(tǒng)設計新穎、簡易，靈敏度高，工作穩(wěn)定，能夠自動檢測與顯示當前水位、高低水位報警等功能水位自動控制電路是通過水位傳感器將水位高度轉(zhuǎn)換為010V的直流電壓，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，將轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量送入單片機進行處理來達到對水位進行自動控制的目的。通過對電壓和水位的轉(zhuǎn)換關系，最終利用單片機進行精確的控制，實現(xiàn)對水位高度的顯示、電機和報警裝置的控制。主要的工作原理是通過

4、水位傳感器將水位信號轉(zhuǎn)變成電信號，在通過A/D轉(zhuǎn)換部分位傳感器的電信號進行轉(zhuǎn)換處理。提供給單片機，利用單片機連接顯示系統(tǒng)，電機系統(tǒng)和報警系統(tǒng)完成對水位的檢測與控制。此項設計有利工業(yè)和生活用水的控制2。12 項目研究意義單片機是計算機家族中既年輕卻又十分重要的成員，雖然它的問世比第一代計算機整整晚了30年，在整體功能和價格水平等方面也遠不如其它類型的計算機，但無論是尖端科技，如航空、航天、軍事、通信、能源、交通IT，還是現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、辦公自動化和日用家電等諸多領域都離不開單片機，其使用率和普及率之高，遠遠的超過了其他類型的計算機 。課堂上我們雖然也學習了關于單片機的理論知識，但只有在實際的制作

5、中才能讓我們真正掌握單片機技術。目前應用較廣泛的單片機有51系列單片機、AVR單片機以及PIC單片機，單片機又稱單片微控制器，它不是完成某一個邏輯功能的芯片，而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。這種計算機是把智能賦予各種機械的單片機。顧名思義，這種計算機的最小系統(tǒng)只用了一片集成電路，即可進行簡單運算和控制。它體積小，在整個裝置中，起著有如人類頭腦的作用。單片機的誕生是計算機發(fā)展史上的一個新的里程碑，近年來，隨著單片機檔次的不斷提高，功能的不斷完善，其應用日趨成熟、應用領域日趨擴大，特別是工業(yè)測控、尖端武器和日用家電等領域更是因為有了單片機而升輝增色?，F(xiàn)在，這種單片機的使用領域已十分廣泛，如智

6、能儀表、實時工控、通訊設備、導航系統(tǒng)、家用電器等。各種產(chǎn)品一旦用上了單片機，就能起到使產(chǎn)品升級換代的功效，常在產(chǎn)品名稱前冠以形容詞“智能型”3。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)。隨著低價位OTP（One Tim Programmable）及各種類型片內(nèi)程序存儲器的發(fā)展，加之處圍接口不斷進入片內(nèi)，推動了單片機“單片”應用結(jié)構(gòu)的發(fā)展。特別是I2C、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，通過本次設計，使我們加深了串行總線的工作原理和使用方法4。通過該課題的研究，溫習了數(shù)模電知識，了解了多種芯片的運用，加強

7、了使用Protel軟件繪制電氣原理圖和印制版圖的能力，收集資料、消化資料和綜合資料的能力,及綜合利用專業(yè)及基礎知識，解決實際工程技術問題的能力。本課題研究設計了一種基于單片機技術的自動控制系統(tǒng)。該自動控制系統(tǒng)通過采用STC89C52單片機為工作處理器核心，外接壓力傳感器，能夠通過對水壓的大x小測定來得到水位的高度，并將其轉(zhuǎn)化為相應的電信號輸出，通過對水位的精確測量來控制水位19。該自動控制系統(tǒng)的最大特點就是使用戶能夠操作簡單、易懂、靈活；且安裝方便、智能性高、誤報率低，同時它的信號經(jīng)過單片機系統(tǒng)處理后方便和PC機通信，便于多用戶統(tǒng)一管理。隨著現(xiàn)代人們安全意識的增強以及科學技術的快速發(fā)展，相信這

8、種自動控制系統(tǒng)必將在更廣闊的領域得到更深層次的應用5。13 發(fā)展方向從消費者的角度來看，智能化自動化的儀器市場的需求已經(jīng)逐漸明朗：就是以實用為核心，力求實用、易用、人性化，自動化。雖然科技飛速發(fā)展，信息技術日新月異，但是如何將這些技術引入智能劃產(chǎn)品之中，如何打造出真正實用的智能劃產(chǎn)品，這才是最值得關注的問題。如智能劃產(chǎn)業(yè)界所體現(xiàn)的兩大技術趨勢正是發(fā)展方向：1、領先的自動控制技術；2、不依靠PC的獨立形態(tài)。致力于智能劃產(chǎn)品的應用接軌，很多問題并不在于技術水平的高低，而在于怎樣去做到實用、易用、人性化，只有更加貼近實用、易用和人性化的智能劃概念，才能真正提高人們的生活品質(zhì)，才能真正體現(xiàn)智能劃的價值

9、，這也是現(xiàn)代科技價值的核心所在?？梢钥隙?，智能劃將在未來的電子產(chǎn)業(yè)占據(jù)非常重要的地位，本課題即是從中獲得啟發(fā)而確定，以實用、易用、人性化為設計標準。本課題所設計的簡易水位自動檢測及控制系統(tǒng)，非常符合現(xiàn)代人的日常生活所需，有著廣大的發(fā)展前景。2 設計的任務、要求和研究設想課題擬設計一款基于單片機而制作的智能型水位自動檢測及控制系統(tǒng)。要求利用51單片機完成水位自動檢測及控制系統(tǒng)設計，當水位自動檢測及控制系統(tǒng)進入工作狀態(tài)后， CPU不斷檢查觸發(fā)開關的狀態(tài)，當水位達到最低點時，警報器發(fā)出低水位警報一段時間，黃燈亮，電機自動開始抽水。當加水到最高水位時紅燈亮，報警器報警，電機停止工作。當水位在正常水位內(nèi)

10、，電機和報警器都不工作。具體設計需要達到的要求和實現(xiàn)的功能如下：( 1 )可實現(xiàn)自動報警。( 2 )可實現(xiàn)自動加水和自動停止加水。( 3 )可通過水位變化，實現(xiàn)向外界報警。本設計包括硬件和軟件設計兩個部分。硬件部分包括采樣處理部分、單片機控制部分、數(shù)碼顯示部分、電機驅(qū)動部分、電機控制部分等構(gòu)成。處理器采用52系列單片機STC89C52。整個系統(tǒng)是在系統(tǒng)軟件控制下工作的?；谡{(diào)查本課題設計一款簡單實用，經(jīng)濟的高塔水位檢測報警控制系統(tǒng)。本設計過程中主要采用了傳感技術、單片機技術、光報警技術以及弱電控制強電的技術。在高塔的內(nèi)部我們設計一個簡易的水位探測傳感器用來探測水位，即低水位，正常水位，高水位。

11、低水位時送給單片機一個高電平，驅(qū)動水泵加水，黃燈亮；到達正常范圍的水位時，水泵繼續(xù)加水，黃燈不亮；高水位時，水泵不加水，紅燈亮。通過這樣一個簡單使用的電路系統(tǒng)從而實現(xiàn)對水位的自動監(jiān)測與控制。3 系統(tǒng)設計3.1 方案設計 方案一：如圖3.1所示為方案一框圖。本方案采用555電路進行控制，即當水位探測傳感器探測到低水位時送一個低于1/3VCC的低電平給NE555芯片，555的輸出即為高電平驅(qū)動水泵加水；當在正常的水位時候，送給NE555為1/3VCC2/3VCC的電平，即保持前一個水泵不加水的狀態(tài)；當水位居于高水位時，給NE555電路一個高電平，這時NE555輸出電平翻轉(zhuǎn)為低電平，不能驅(qū)動水泵，水

12、泵停止加水。555電路電源電路水塔水箱圖3.1 方案一框圖方案二：如圖3.2所示為方案二框圖。本方案采用單片機STC89C52作為我們的控制芯片，主要工作過程是當高塔中的水在低水位時，水位探測傳感器送給單片機一個高電平，然后單片機驅(qū)動水泵加水和顯示系統(tǒng)使紅燈變亮；當水位在正常范圍內(nèi)時，水泵加水，綠燈亮；當水位在高水位時，單片機不能驅(qū)動水泵加水，黃燈亮。水位傳感器A/D轉(zhuǎn)換單 片 機電機控制鍵盤報警控制數(shù)碼顯示圖3.2 方案二框圖第一種方案設計使用起來比較方便也簡單，不用編程等軟件方面的設計，但是沒有穩(wěn)壓電路，使輸入NE555芯片的電平十分不穩(wěn)定，容易發(fā)生誤判水位引起混亂的情況，且NE555電路

13、只有一個輸出端，不能接顯示系統(tǒng)，所以不能完成顯示功能。第二種方案中使用了單片機處理，單片機技術是信息時代用于精密測量的一種新技術。此系統(tǒng)使用過程中采用穩(wěn)壓電路能夠準確地把輸入的電平送給單片機不會產(chǎn)生誤判的情況，由于STC89C52單片機有40端口32引腳能夠非常方便地設計顯示系統(tǒng)。綜上，已經(jīng)清楚地看到了兩種方案的優(yōu)劣，要能夠很好地完成本次設計的各個指標和達到設計的目的，選擇第二種方案作為本課題的設計方案。3.2 各部件的選擇3.2.1傳感器選擇方案傳統(tǒng)的水位檢測通過設檢測點來完成對水位的檢測。通常，由于受檢測點物理體積的影響，水位檢測點的數(shù)目有限，從而影響了后續(xù)電路控制的精度。本設計中，采用S

14、Y-9411L-D型變送器，它內(nèi)部含有1個壓力傳感器和相應的放大電路。壓力傳感器是美國SM公司生產(chǎn)的555-2型OEM壓阻式壓力傳感器，其有全溫度補償及標定(070)，傳感器經(jīng)過特殊加工處理，用堅固的耐高溫塑料外殼封裝。其引腳分布如圖3.3所示。1、2腳為信號輸出；3腳為激勵電壓；4腳為接地地。圖3.3 SY-9411L-D型變送器在水箱底部安裝1根直徑為5mm的軟管，一端安裝在水箱底部；另一端與傳感器連接。水箱水位高度發(fā)生變化時，引起軟管內(nèi)氣壓變化，然后傳感器把氣壓轉(zhuǎn)換成電壓信號，輸送到AD轉(zhuǎn)換器。3.2.2 A/D轉(zhuǎn)換方案通過對傳感器的選擇，可知由傳感器輸出的水位高度信號是010V的直流電

15、壓。在設計中，可以通過采樣、保持電路對這一信號進行處理，將模擬信號轉(zhuǎn)換為多個采樣點信號。但這種處理方法由于受電路規(guī)模和采樣精度的影響，不可能對水位信號作出精確的處理，近而也無法對電機、水位高度顯示和報警作出精確的控制。因此，本設計中采用集成芯片TLC549對010V的直流電壓進行處理?？梢赃_到：（1）電路簡潔、明了。（2）高轉(zhuǎn)換精度。（3）高控制精確。3.2.3單片機復位方案RST/VPD：復位/備用電源線，可以使單片機處于復位（即初始化）工作狀態(tài)。通常，單片機的復位有自動上電復位和人工按鈕復位兩種，圖3.4給出了它們的電路。考慮到，水塔與居民生活密切相關，當因特殊原因?qū)е聠纹瑱C掉電，需單片機

16、立即自動復位（如：夜間短時間停電，導致本系統(tǒng)停止工作），故本設計采用上電復位方式。 圖3.4 復位電路3.2.4單片機起振方案XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器，石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。也可以采用外部時鐘源驅(qū)動器件。考慮到設計、使用的方便，本設計中采用片內(nèi)時鐘驅(qū)動。即XTAL1和XTAL2只需外接晶振（配上相應的電容），便可以給單片機提供相應的時鐘頻率。3.2.5驅(qū)動顯示方案 本設計中需顯示水塔水位的高度，具體的顯示方案有兩種選擇：(1)利用74LS48驅(qū)動數(shù)碼管：與單片機連接較為復雜，需占用單片機8個端口。且在與數(shù)碼管連接時需附加上拉電阻

17、，用以完成數(shù)碼管的驅(qū)動。(2)利用LCD1602液晶顯示：a.顯示質(zhì)量高由于液晶顯示器每一個點在收到信號后就一直保持那種色彩和亮度，恒定發(fā)光，而不像陰極射線管顯示器（CRT）那樣需要不斷刷新新亮點。因此，液晶顯示器畫質(zhì)高且不會閃爍。b.數(shù)字式接口液晶顯示器都是數(shù)字式的，和單片機系統(tǒng)的接口更加簡單可靠，操作更加方便。c.體積小、重量輕液晶顯示器通過顯示屏上的電極控制液晶分子狀態(tài)來達到顯示的目的，在重量上比相同顯示面積的傳統(tǒng)顯示器要輕得多。d.功耗低相對而言，液晶顯示器的功耗主要消耗在其內(nèi)部的電極和驅(qū)動IC上，因而耗電量比其它顯示器要少得多?？紤]到本設計中，若利用MAX7219驅(qū)動數(shù)碼管，MAX7

18、219芯片價格較高，采用后大大提高成本支出將造成資源浪費，且。同時，隨著MAX7219的使用（對MAX7219的編程）將提高源程序的復雜度，對編譯、調(diào)試和單片機運行效率都將造成影響。故設計中采用LCD1602液晶顯示。3.2.6電機選擇方案電動機有直流流、交流之分。異步電動機屬于交流電機的一種；另一種交流電機是同步電機。異步電機由于結(jié)構(gòu)簡單，維護方便，價格便宜，所以應用最為廣泛。本設計中，采用異步三相交流電機。3.3 總體思路水位高度的檢測：利用水位傳感器完成。傳感器輸出信號處理：傳感器輸出信號，有直流電壓和直流電流之分。設計中需將這一信號進行處理，以便單片機能夠接收和處理。單片機控制：單片機

19、將由前級輸入的檢測信號進行分析和處理，從而產(chǎn)生相應的控制信號。數(shù)碼顯示、電機驅(qū)動和報警電路根據(jù)單片機產(chǎn)生的控制信號，作出相應的動作。電機控制電路根據(jù)電機驅(qū)動電路的狀態(tài)作出相應的動作。4 硬件設計4.1 系統(tǒng)組成水位自動控制器由7個部分組成，即水位傳感器、A/D轉(zhuǎn)換、鍵盤、單片機、顯示部分、電機控制、報警控制部分。系統(tǒng)框圖可參考圖3.2。4.2 單元模塊設計4.2.1單片機介紹選用STC89C52作為控制芯片，其引腳圖如圖4.1所示。(1) STC89C52是宏晶科技推出的新一代超強抗干擾、高速、低功耗單片機，指令代碼完全兼容Intel 8051單片機。(2) STC89C52的封裝STC89C

20、52的封裝如圖4.2所示。圖4.1 STC89C52引腳圖 圖4.2 STC89C52封裝圖(1)STC89C52各引腳功能及管腳電壓STC89C52為40腳雙列直插封裝的8 位通用微處理器，采用工業(yè)標準的C51內(nèi)核，在內(nèi)部功能及管腳排布上與通用的8XC51相同，其主要用于會聚調(diào)整時的功能控制。功能包括對會聚主IC內(nèi)部寄存器、數(shù)據(jù)RAM及外部接口等功能部件的初始化，會聚調(diào)整控制，會聚測試圖控制，紅外遙控信號IR的接收解碼及與主板CPU通信等。主要管腳有：XTAL1（19腳）和XTAL2（18腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接12MHz晶振。RST/VPD（9腳）為復位輸入端口，外接電阻電容組成的復

21、位電路。VCC（40腳）和VSS（20腳）為供電端口，分別接+5V電源的正負端。P0P3為可編程通用I/O腳，其功能用途由軟件定義，在本設計中，P0端口（3239腳）被定義為N1功能控制端口，分別與N1的相應功能管腳相連接，13 腳定義為IR輸入端，10 腳和11腳定義為I2C總線控制端口，分別連接N1的SDAS（18腳）和SCLS（19腳）端口，12 腳、27腳及28腳定義為握手信號功能端口，連接主板CPU的相應功能端，用于當前制式的檢測及會聚調(diào)整狀態(tài)進入的控制功能6。 P0口P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動8個TTL

22、邏輯門電路，對端口P0寫“1”時，可作為高阻抗輸入端用在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在Flash編程時，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。P1 口P1 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流(IIL)。與STC89C52不同之處是，P1.0和P1.1還可分別作為定時/

23、計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入（P1.0/T2）和輸入（P1.1/T2EX），F(xiàn)lash編程和程序校驗期間，P1接收低8位地址。表4.1 P1.0和P1.1的第二功能引腳號功能特性P1.0T2，時鐘輸出P1.1T2EX（定時/計數(shù)器2）P2 口P2 是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口P2寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流(IIL)。在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVXDPTR 指令）時，P2口送

24、出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行MOVXRI指令）時，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。Flash編程或校驗時，P2亦接收高位地址和一些控制信號。P3 口P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL 邏輯門電路。對P3口寫入“1”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流（IIL）。P3口除了作為一般的I/O口線外，更重要的用途是它的第二功能P3口還接收一些用于Flash閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。 RST復位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將

25、使單片機復位。 ALE/PROG當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，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仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE 脈沖。對Flash存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。 如有必要，可通過對特殊功能寄存器（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，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應設置ALE 禁止位無效。 PSEN程序儲存允許（

26、PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT89C52由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次PSEN信號。 EA/VPP外部訪問允許。欲使CPU 僅訪問外部程序存儲器（地址為0000H-FFFFH），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，復位時內(nèi)部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接VCC端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。 Flash存儲器編程時，該引腳加上+12V的編程允許電源VPP，當然這必須是該器件是使用12V 編程電壓VPP。 XTAL1振蕩器反相放大器的

27、及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。 XTAL2振蕩器反相放大器的輸出端。特殊功能寄存器在AT89C52 片內(nèi)存儲器中，80H-FFH共128個單元為特殊功能寄存器（SFE），SFR 的地址空間映象如表2 所示。 并非所有的地址都被定義，從80HFFH共128個字節(jié)只有一部分被定義，還有相當一部分沒有定義。對沒有定義的 單元讀寫將是無效的，讀出的數(shù)值將不確定，而寫入的數(shù)據(jù)也將丟失。不應將數(shù)據(jù)“1”寫入未定義的單元，由于這些單元在將來的產(chǎn)品中可能賦予新的功能，在這種情況下，復位后這些單 元數(shù)值總是“0”。 STC89C52除了與STC89C51所有的定時/計數(shù)器0和定時/計數(shù)器1外，還增加了一個定時/計數(shù)

28、器2。定時/計數(shù)器2的控制和狀態(tài)位位于T2CON，T2MOD，寄存器對（RCAO2H、RCAP2L）是定時器2在16位捕獲方式或16位自動重裝載方式下的捕獲/自動重裝載寄存器。4.2.2 A/D轉(zhuǎn)換設計TLC549是美國德州儀器公司生產(chǎn)的8位串行A/D轉(zhuǎn)換器芯片，可與通用微處理器、控制器通過CLK、CS、POUT三條口線進行串行接口。具有4MHz片內(nèi)系統(tǒng)時鐘和軟、硬件控制電路，轉(zhuǎn)換時間最長17s， TLC549為40 000次/s?？偸д{(diào)誤差最大為±0.5LSB，典型功耗值為6mW。采用差分參考電壓高阻輸入，抗干擾，可按比例量程校準轉(zhuǎn)換范圍，V(REF-)接地，V(REF+)(VRE

29、F-)1V，可用于較小信號的采樣17。a.芯片簡介TLC549的內(nèi)部框圖和引腳名稱如圖4.3所示。圖4.3 A/D轉(zhuǎn)換器引腳極限參數(shù)TLC549的極限參數(shù)如下：電源電壓：6.5V；輸入電壓范圍：0.3VVCC0.3V；輸出電壓范圍：0.3VVCC0.3V；峰值輸入電流(任一輸入端)：±10mA；總峰值輸入電流(所有輸入端)：±30mA；工作溫度： TLC549C：070 TLC549I：4085 TLC549M：55125b.工作原理TLC549均有片內(nèi)系統(tǒng)時鐘，該時鐘與I/O CLOCK是獨立工作的，無須特殊的速度或相位匹配。當CS為高時，數(shù)據(jù)輸出(POUT)端處于高阻狀

30、態(tài)，此時I/O CLOCK不起作用。這種CS控制作用允許在同時使用多片TLC549時，共用I/O CLOCK，以減少多路(片)A/D并用時的I/O控制端口。c.一組通常的控制時序為： (1)將CS置低。內(nèi)部電路在測得CS下降沿后，再等待兩個內(nèi)部時鐘上升沿和一個下降沿后，然后確認這一變化，最后自動將前一次轉(zhuǎn)換結(jié)果的最高位(D7)位輸出到DATA OUT端上。(2) 前四個I/O CLOCK周期的下降沿依次移出第2、3、4和第5個位(D6、D5、D4、D3)，片上采樣保持電路在第4個I/O CLOCK下降沿開始采樣模擬輸入。(3)接下來的3個I/O CLOCK周期的下降沿移出第6、7、8(D2、D

31、1、D0)個轉(zhuǎn)換位，(4)最后，片上采樣保持電路在第8個I/O CLOCK周期的下降沿將移出第6、7、8(D2、D1、D0)個轉(zhuǎn)換位。保持功能將持續(xù)4個內(nèi)部時鐘周期，然后開始進行32個內(nèi)部時鐘周期的A/D轉(zhuǎn)換。第8個I/O CLOCK后，CS必須為高，或I/O CLOCK保持低電平，這種狀態(tài)需要維持36個內(nèi)部系統(tǒng)時鐘周期以等待保持和轉(zhuǎn)換工作的完成。如果CS為低時I/O CLOCK上出現(xiàn)一個有效干擾脈沖，則微處理器/控制器將與器件的I/O時序失去同步；若CS為高時出現(xiàn)一次有效低電平，則將使引腳重新初始化，從而脫離原轉(zhuǎn)換過程。在36個內(nèi)部系統(tǒng)時鐘周期結(jié)束之前，實施步驟(1)(4)，可重新啟動一次新

32、的A/D轉(zhuǎn)換，與此同時，正在進行的轉(zhuǎn)換終止，此時的輸出是前一次的轉(zhuǎn)換結(jié)果而不是正在進行的轉(zhuǎn)換結(jié)果。若要在特定的時刻采樣模擬信號，應使第8個I/O CLOCK時鐘的下降沿與該時刻對應，因為芯片雖在第4個I/O CLOCK時鐘下降沿開始采樣，卻在第8個I/O CLOCK的下降沿開始保存。STC89C52與ADC接口時三個注意事項：要給START線送一個100ns寬的啟動脈沖。獲取EOC線上的狀態(tài)信息，因為它是A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束的標志。要給“三態(tài)輸出鎖存器”分配一個端口地址，也就是給OE線上送一個地址譯碼器輸出信號。STC89C52和ADC接口通常采用查詢和中斷兩種方式。采用查詢法傳送數(shù)據(jù)時STC89C

33、52應對EOC線查詢它的狀態(tài)：若查詢到EOC變?yōu)楦唠娖?，則給OE線送一個高電平，以便從D0D7線上提取A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。采用中斷方式傳送數(shù)據(jù)時，EOC線作為CPU的中斷請求線。CPU響應中斷后，應在中斷服務程序中使OE線變?yōu)楦唠娖?，以提取A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。A/D轉(zhuǎn)換器串行I/O接口如圖4.4所示。圖4.4 A/D轉(zhuǎn)換器串行I/O接口4.2.3起振電路設計石英晶振起振后，應能在XTAL2線上輸出一個3V左右的正弦波，以使STC89C52片內(nèi)的OSC電路按石英晶振相同頻率自激振蕩。通常，OSC的輸出時鐘頻率FOSC為0.516MHz，典型值為12MHz或11.0592MHz。電容C1和C2

34、可以幫助起振，典型值為30pf，調(diào)節(jié)它們可以達到微調(diào)FOSC的目的。本設計中，晶振采用12MHz，CI和C2取30pf。其連接電路如圖4.5起振電路所示9。圖4.5 晶振4.2.4顯示設計LCD1602液晶本設計中由于要對水位進行顯示，所以選擇液晶顯示屏1602模塊作為輸出。1602字符型LCD通常有14條引腳線或16條引腳線的LCD，多出來的2條線是背光電源線。它可以顯示兩行，每行16個字符，采用單+5V電源供電，外圍電路配置簡單，價格便宜，具有很高的性價比。1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器（CGROM)已經(jīng)存儲了160個不同的點陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯數(shù)字、英文字母的大小寫、常用

35、的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是B（41H），顯示時模塊把地址41H中的點陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“A”。管腳功能如表4.2所示18：表4.2 LCD1602引腳功能引腳符號功能說明1VSS一般接地2VDD接電源（+5V）3V0液晶顯示器對比度調(diào)整端。4RSRS為寄存器選擇。5R/WR/W為讀寫信號線。6EE(或EN)端為使能(enable)端，下降沿使能。7DB0底4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 0位（最低位）8DB1底4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 1位9DB2底4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 2位10DB3底4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 3位11

36、DB4高4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 4位12DB5高4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 5位13DB6高4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 6位14DB7高4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 7位（最高位）LCD1602主要管腳介紹：V0為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生鬼影使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度。RS為寄存器選擇端，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器，低電平時選擇指令寄存器。RW為讀寫信號線端，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和RW共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址；當RS為高電平RW為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。E為使能端，當E端由高電平跳變成低電

37、平時，液晶模塊執(zhí)行命令。 LCD1602液晶顯示電路圖4.6 LCD1602顯示電路將LCD1602的RS端和P2.0，R/W端和P2.1，E端和P2.2相連，當RS=0時，對LCD1602寫入指令；當RS=1時，對LCD1602寫入數(shù)據(jù)。當R/W端接高電平時芯片處于讀數(shù)據(jù)狀態(tài)，反之處于寫數(shù)據(jù)狀態(tài)，E端為使能信號端。當R/W為高電平,E端也為高電平，RS為低電平時，液晶顯示屏顯示需要顯示的示數(shù)。圖4.6為1602液晶顯示屏與單片機的硬件連接圖10。4.2.5電機控制圖4.7為三相電動機單向啟動控制圖。三相電機的工作控制電路是三相交流電源開關QS->熔斷器->繼電器->電動機M

38、。電源開關控制電機的電源，熔斷器就是電阻絲，防止電路的意外短路造成對電機的損壞。繼電器是實現(xiàn)單片機對電機的智能化控制如圖4.7所示異步電動機接入電網(wǎng)的瞬間，啟動電流大約是額定電流的47倍。過大的啟動電流會造成電網(wǎng)電壓的變化過大；對于啟動時間較長的電機，過大的啟動電流對電機會造成損害。所以除了小型異步電動機外，大多數(shù)異步電動機采用壓降啟動方式，以減小啟動電流。常見的降壓啟動方式有Y/降壓啟動、沿邊三角形降壓啟動、自耦變壓器降壓啟動等11。本設計采用Y/降壓啟動。4.2.6報警電路報警電路蜂鳴器發(fā)聲原理是電流通過電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場來驅(qū)動振動膜發(fā)出聲音，因此就需要一定的電流才能驅(qū)動它，又由

39、于單片機I/O引腳輸出的電流較小，單片機輸出的TTL電平基本上驅(qū)動不了蜂鳴器，因此需要增加一個電流放大的電路。在電路中通過一個三極管9015來放大驅(qū)動蜂鳴器，圖4.4報警電路，蜂鳴器的負極接地，蜂鳴器的正極接到三極管的發(fā)射極E，三極管的基級B經(jīng)過限流電阻R5后由單片機的P3.5引腳控制，當P3.5輸出高電平時，三極管T1截止，沒有電流流過線圈，蜂鳴器不發(fā)聲；當P3.5輸出低電平時，三極管導通，這樣蜂鳴器的電流形成回路，發(fā)出聲音。因此，我們可以通過程序控制P3.5腳的電平來使蜂鳴器來實現(xiàn)報警的功能12。圖4.8 蜂鳴報警電路蜂鳴器通過一個三極管來驅(qū)動，這里選用9015。電路如圖4.8所示：4.2

40、.7 鍵盤電路本鍵盤電路采用獨立鍵設計，三個鍵接到單片機的三個中斷源上。當按下時為低電平。其中K1“模式”鍵、K2為“減一”鍵、K3“加一”鍵，電路如圖4.9所示：圖4.9 鍵盤電路4.3 系統(tǒng)整機分析整機電路圖見附錄。本設計是通過水位傳感器對水位高度（010m）進行采樣、量化后，輸出010V的直流電壓。再經(jīng)過信號處理電路將這一直流模擬量轉(zhuǎn)換為8位的并行數(shù)字量，并送入單片機進行處理。在單片機中將輸入的8位數(shù)字量進行量化數(shù)為100的量化處理，并根據(jù)這一量化將水位高度控制轉(zhuǎn)化為對狀態(tài)0099的控制，其中狀態(tài)00對應0.0m、狀態(tài)01對應0.1m、 狀態(tài)99對應9.9m。根據(jù)這一對應關系，設置兩個水

41、位控制點，分別為：10、80。：當狀態(tài)在0010時：電機工作，報警電路工作。：當狀態(tài)在1080時：電機工作，報警電路停止工作。：當狀態(tài)在8099時：電機停止工作，報警電路工作。：根據(jù)狀態(tài)0099的不同，分別將0099輸出到液晶顯示部分。 根據(jù)上述狀態(tài)，即可分別對液晶顯示、蜂鳴器和電動機實現(xiàn)單片機的自動化控制13。5 PCB制板51 PCB板圖的繪制在PCB的設計中，其實在正式布線前還有幾個步驟15：（1） 系統(tǒng)規(guī)格 （2） 系統(tǒng)功能區(qū)塊圖 （3） 將系統(tǒng)分割成幾個PCB （4） 決定使用封裝方法和各PCB的大小 （5） 繪出所有PCB的電路圖 （6） 初步設計的仿真運作 （7） PCB上的布局

42、、布線 （8） 布線厚電路測試 （9） 建立制作檔案 PCB的設計流程分8個步驟16： （1） PCB設計準備 （2） 網(wǎng)表輸入 （3） 規(guī)則設置 （4） 元器件布局 （5） 布線 （6） 檢查 （7） 復查 （8） 設計輸出52 元件安裝焊接及系統(tǒng)調(diào)試5.2.1 元件安裝元件安裝的基本要求：（1） 保證導通與絕緣的電氣特性。（2） 保證機械強度。5.2.2 焊接注意的基本事項焊接是電子產(chǎn)品裝配中的一個重要步驟，每一個焊接點的質(zhì)量都關系著整個電子產(chǎn)品的質(zhì)量，它要求每一個焊接點都有一定的機械強度和良好的電氣性能，所以它是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關鍵環(huán)節(jié)。要完成一個良好的焊點主要取決與以下幾點：（1）被焊的

43、金屬材料應具有良好的可焊性：銅的導電性能良好且易于焊接所以通常用銅制作元器件的引腳、導線及印制電路板上的焊點。（2）被焊的金屬表面要保持清潔：在被焊的金屬表面上一旦生成氧化物或有污垢，就會嚴重阻礙焊點的形成。（3）使用合適的助焊劑：助焊劑是一種帶略酸性的易熔物質(zhì)，它在焊接過程中起清除被焊的金屬表面上的氧化物和污垢的作用。（4）焊接過程要有一定的時間和溫度焊接時間一般不要超過3秒，時間過長則易損壞被焊元件，但時間過短，則容易形成虛焊和假焊。焊點的質(zhì)量檢查標準可以從焊點外觀和焊點的機械強度與電氣性能等方面進行檢查，主要看焊點的光亮度、被焊接用錫量的多少、焊點的形狀有無毛刺、氣泡，焊點有無虛焊，有無

44、兩個焊點橋連等。專心-專注-專業(yè)結(jié) 論本系統(tǒng)主要由水位檢測傳感器，單片機控制部分，水位顯示部分，A/D轉(zhuǎn)換部分，電機驅(qū)動，電機部分，鍵盤設置部分組成，系統(tǒng)簡單，安裝方便。本系統(tǒng)的工作過程是當水位處于低水位的時候，傳感器檢測到水位在設定水位以下時，有一串數(shù)字信號送入單片機的P2.2口，單片機經(jīng)過分析，在P1.6口輸出一個低電平，驅(qū)動黃色發(fā)光二極管發(fā)光，同時，P2.0口輸出一個高電平，使蜂鳴器報警，P3.1口有一個信號使繼電器閉合，使水泵轉(zhuǎn)動，并向水塔加水；當水位處于中等水位的時候，水泵繼續(xù)工作，P2.0口輸出一個低電平，驅(qū)動蜂鳴器不報警；當水位處于高水位時，在P1.7口輸出一個低電平，驅(qū)動紅色發(fā)光二極管發(fā)光，在P2.0口輸出一個低電平，使繼電器不能閉合，水泵不能自動抽水。本課題中對于繼電器的驅(qū)動是通過三極管驅(qū)動的。我在后面的學習中發(fā)現(xiàn)假如換用光電耦合器會更加的精準。光電耦合器具有體積小、使用壽命長、工作溫度范圍寬、抗干擾性能強無觸點且輸入與輸出在電氣上完全隔離等。通過光電耦合器的驅(qū)動可以使得繼電器的工作更加靈敏。致 謝此次設計自己在理論