液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（完整版）資料(可以直接使用，可編輯優(yōu)秀版資料，歡迎下載）

目錄液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（完整版）資料(可以直接使用，可編輯優(yōu)秀版資料，歡迎下載）摘要………………31前言……………41.1課題背景………………………41.2國(guó)內(nèi)外研究的現(xiàn)狀……………41.3使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)水體液位控制的優(yōu)點(diǎn)…………………51.4系統(tǒng)的總體研究方案………51.4.1系統(tǒng)硬件總體方案…………1.4.2系統(tǒng)軟件總體方案…………設(shè)計(jì)的研究進(jìn)程……………62系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)…………………72.1核心芯片8051單片機(jī)………72.2液位傳感器設(shè)計(jì)……………102.3光電傳感器的基本特性…………………….132.4DAC0832D/A轉(zhuǎn)換器和ADC0809A/D轉(zhuǎn)換器…………2.4.1D/A轉(zhuǎn)換

基本原理及特征……2.4.2ADC0809轉(zhuǎn)換芯片……………2.5鍵盤及顯示接口……………192.6報(bào)警裝置……………………213軟件的設(shè)計(jì)……………………223.1軟件設(shè)計(jì)流程圖…………….233.2水位檢測(cè)的主程序………….244結(jié)論……………26致謝………………27參考文獻(xiàn)…………28摘要本文主要設(shè)計(jì)了一種液位控制器，它以8051作為控制器，通過8051單片機(jī)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器等硬件系統(tǒng)和軟件設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)具有液位檢測(cè)報(bào)警和控制雙重功能，并對(duì)液位值進(jìn)行顯示。本系統(tǒng)是基于單片機(jī)的液位控制，在設(shè)計(jì)中主要有水位檢測(cè)、按鍵控制、水位控制、顯示部分、故障報(bào)警等幾部分組成來實(shí)現(xiàn)液位控制。主要用水位傳感器檢測(cè)水位，用六個(gè)控制按鍵來實(shí)現(xiàn)按健控制，用三位7段LED顯示器來完成顯示部分，用變頻器來控制循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速，并且通過模數(shù)轉(zhuǎn)換把這些信號(hào)送入單片機(jī)中。把這些信號(hào)與單片機(jī)中內(nèi)部設(shè)定的值相比，以判斷單片機(jī)是否需要進(jìn)行相應(yīng)的操作，即是否需要開啟補(bǔ)水泵或排水泵，來實(shí)現(xiàn)對(duì)液面的控制,從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)自動(dòng)控制液面的目的。本設(shè)計(jì)用單片機(jī)控制，易于實(shí)現(xiàn)液位的控制,而且有造價(jià)低、程序易于調(diào)試、一部分出現(xiàn)故障不會(huì)影響其他部分的工作、維修方便、等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：8051單片機(jī);模數(shù)轉(zhuǎn)換;水位控制;自動(dòng)控制1前言1.1課題背景液位控制系統(tǒng)是以液位為被控參數(shù)的控制系統(tǒng)，它在工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，有很多地方需要對(duì)容器內(nèi)的介質(zhì)進(jìn)行液位控制，使之高精度地保持在給定的數(shù)值，如在建材行業(yè)中，玻璃窯爐液位的穩(wěn)定對(duì)窯爐的使用壽命和產(chǎn)品的質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。液位控制一般指對(duì)某一液位進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，使其達(dá)到所要求的控制精度。液體的液位的自動(dòng)控制,是近年來新開發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù),它是微型計(jì)算機(jī)軟件、硬件、自動(dòng)控制等幾項(xiàng)技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物,工程作業(yè)采用的是微機(jī)控制和原有的儀表控制,微機(jī)控制有以下明顯優(yōu)勢(shì):1)直觀而集中的顯示各運(yùn)行參數(shù),能顯示液位狀態(tài)。2)在運(yùn)行中可以隨時(shí)方便的修改各種各樣的運(yùn)行參數(shù)的控制值,并修改系統(tǒng)的控制參數(shù),可以方便的改變液位的上限、下限。3)具有水體控制過程的自動(dòng)化處理以及監(jiān)控軟件良好的人機(jī)界面，操作人員在監(jiān)控計(jì)算機(jī)上能根據(jù)控制效果及時(shí)修運(yùn)行參數(shù)，這樣能有效地減少工人的疲勞和失誤，提高生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)性、安全性綜合以上的種種優(yōu)點(diǎn)可以預(yù)見采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是行業(yè)的大勢(shì)所趨。單片機(jī)是在一塊芯片上集成了一片微型計(jì)算機(jī)所需的CPU、存儲(chǔ)器、輸入、輸出等部件。單片機(jī)自問世以來,性能不斷提高和完善,體積小、速度快、功耗低的特點(diǎn)使它的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛。一般,工業(yè)控制系統(tǒng)的工作環(huán)境差,干擾強(qiáng),利用單片機(jī)控制就能克服這些缺點(diǎn),因此單片機(jī)在控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用,使用單片機(jī)控制液體液位是很好的選擇。1.2國(guó)內(nèi)外研究的現(xiàn)狀目前我國(guó)在單片機(jī)測(cè)控裝置研究、生產(chǎn)、應(yīng)用中,取得了很大的成績(jī),總結(jié)了很多經(jīng)驗(yàn),但是各行業(yè)仍處于發(fā)展期,經(jīng)調(diào)查,更多科研究所在這方面開展的工作更看重的是理論和算法,數(shù)年來這方面的研究的論文較多,著重生產(chǎn)實(shí)際的很少。在上海,新型的單片機(jī)測(cè)控裝置與系統(tǒng)研究的生產(chǎn)基礎(chǔ)較雄厚,在生產(chǎn)過程中需要新型的測(cè)控裝置與系統(tǒng),因此在不斷的努力研究與開發(fā)。上海的工程技術(shù)研究人員更著重的是生產(chǎn)實(shí)際研究,對(duì)理論、算法和成果的論文較少;深圳在研制新型的測(cè)控裝置與系統(tǒng)領(lǐng)域也比較有成就,盡管與其他國(guó)家比較尚有差距,但是,深圳的高校、研究院所的最大的特點(diǎn)就是實(shí)際,與生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目無關(guān)的問題基本不去考慮,主要考慮選取什么材料,測(cè)控什么物理量,優(yōu)點(diǎn)是什么,與機(jī)器設(shè)備的通訊接口等等。一些發(fā)達(dá)國(guó)家在單片機(jī)新型系統(tǒng)研究、制造和應(yīng)用上,已積累了很多經(jīng)驗(yàn),奠定了基礎(chǔ),進(jìn)入了國(guó)際市場(chǎng)。我國(guó)在新型測(cè)控裝置與系統(tǒng)研究、制造、應(yīng)用和經(jīng)驗(yàn)上,與其他發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在差距,但是我國(guó)的研究人員已經(jīng)克服很多困難,并在不斷的摸索中前進(jìn),有望在相關(guān)領(lǐng)域趕上甚至超過發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)水平,這是發(fā)展趨勢(shì)。1.3使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)水體液位控制的優(yōu)點(diǎn)使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)水體液位控制具有較高的實(shí)用價(jià)值和穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。采用高亮二極管和光敏三級(jí)管所組成的液位傳感器測(cè)量水位，可有效保證水位的自動(dòng)控制，能更好地對(duì)水體水位進(jìn)行自動(dòng)化控制,避免了工作人員在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)操控,方便了人員對(duì)液位系統(tǒng)的控制,控制方便且系統(tǒng)穩(wěn)定性能好；單片機(jī)不僅有體積小，安裝方便，功能較齊全等優(yōu)點(diǎn)，而且有很高的性價(jià)比，應(yīng)用前景廣，同時(shí)有助于發(fā)現(xiàn)可能存在的故障，通過微機(jī)實(shí)現(xiàn)給水系統(tǒng)的自動(dòng)控制與調(diào)節(jié)，維持穩(wěn)定系統(tǒng)，保證安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。本文就是采用8051單片機(jī)為核心芯片的一種水體水位控制系統(tǒng)，具有較高的實(shí)用價(jià)值和優(yōu)越性。本系統(tǒng)與PLC控制系統(tǒng)相比大大降低了使用成本,提高了控制運(yùn)行速度。根據(jù)仿真模擬運(yùn)行的結(jié)果表明,該系統(tǒng)能很好的運(yùn)行,將液位控制在給定的范圍內(nèi),對(duì)過高和過低進(jìn)行安全報(bào)警,穩(wěn)定性能好,容易操作和控制,保證了生產(chǎn)的正常進(jìn)行。1.4系統(tǒng)的總體研究方案本設(shè)計(jì)是采用8051單片機(jī)為核心芯片,及其相關(guān)硬件來實(shí)現(xiàn)的水體液位控制系統(tǒng),在用液位傳感器測(cè)液位的同時(shí),CPU循環(huán)檢測(cè)傳感器輸出狀態(tài),并用3位七段LED顯示示液位高度,檢測(cè)液位數(shù)據(jù),實(shí)施報(bào)警安全提示,當(dāng)水體液位低于用戶設(shè)定的值時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)打開泵上水,當(dāng)水位到達(dá)設(shè)定值時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉水泵或打開排水泵。系統(tǒng)硬件總體方案系統(tǒng)的原理是采用高亮二極管和光敏三級(jí)管所組成的液位傳感器對(duì)液面進(jìn)行控制,通過四對(duì)傳感器分別安裝在現(xiàn)場(chǎng)的四個(gè)不同的位置，由上至下測(cè)量水體的液位值,。并把這四個(gè)液位狀態(tài)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809傳到單片機(jī)中,在通過3位七段LED顯示器顯示出液位的四種狀態(tài)及報(bào)警安全提示。用LED顯示是因?yàn)樗哂酗@示清晰、亮度高、使用電壓低、光電轉(zhuǎn)換效能高、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，根據(jù)當(dāng)前的液位值和用戶設(shè)定的水位決定是否進(jìn)行開、關(guān)水泵,需要是否開啟和關(guān)閉驅(qū)動(dòng)閥門的電動(dòng)機(jī)。本設(shè)計(jì)主要運(yùn)用了液位傳感器測(cè)液位,第三章將著重介紹。系統(tǒng)軟件總體方案水位檢測(cè)是通過四對(duì)由高亮二極管和光敏三極管所組成的液位傳感器分別安裝在四個(gè)不同的位置，由上至下四個(gè)輸出端口分別接單片機(jī)的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3口，實(shí)時(shí)對(duì)水位進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)水位到達(dá)某一光敏三極管的位置時(shí)，其輸出端口就向單片機(jī)輸出高電平；當(dāng)水位低于此光敏三極管的位置時(shí)，其輸出端口就向單片機(jī)輸出低電平。由上至下的第一個(gè)位置為水位上限報(bào)警線，即當(dāng)水位高于此位置時(shí)，開水閥控制系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警，提醒工作人員注意，加水電磁閥有可能出故障；第二個(gè)位置是自動(dòng)停止加水線，即當(dāng)水位高于此位置時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉加水電磁閥，停止加水；第三個(gè)位置是自動(dòng)加水線，即當(dāng)水位低于此位置時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)接通加水電磁閥，開始加水；第四個(gè)位置是水位下限報(bào)警線，即當(dāng)水位低于此位置時(shí)，控制系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警，提醒工作人員注意，加水電磁閥可能出故障。本系統(tǒng)所使用的傳感器性能穩(wěn)定,測(cè)量準(zhǔn)確,大大簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)安裝,具有較高的性價(jià)比,有較大的工程應(yīng)用價(jià)值,而且利用計(jì)算機(jī)與組態(tài)軟件技術(shù)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程進(jìn)行自動(dòng)控制有著重要的意義。其優(yōu)越性主要在于：首先，通過對(duì)水體液位進(jìn)行的簡(jiǎn)易方便的操縱，可以準(zhǔn)確得控制水泵進(jìn)行添加水或放水以適應(yīng)工作的需要，操作簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)效益好。其次，水體控制過程的自動(dòng)化處理以及監(jiān)控軟件良好的人機(jī)界面，操作人員在監(jiān)控計(jì)算機(jī)上能根據(jù)控制效果及時(shí)修運(yùn)行參數(shù)，這樣能有效地減少工人的疲勞和失誤，提高生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)性、安全性。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用的普及、可靠性的提高及價(jià)格的下降，工業(yè)以及其他方面的微機(jī)控制必將得到更加廣泛的應(yīng)用。設(shè)計(jì)的研究進(jìn)程本設(shè)計(jì)第二章對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行硬件分析,主要介紹了本設(shè)計(jì)所使用的核心芯片8051,重要對(duì)其端口進(jìn)行介紹,介紹其功能與用途,還介紹了液位傳感器、數(shù)模轉(zhuǎn)換ADC0809、執(zhí)行設(shè)備、LED顯示和報(bào)警裝置,介紹了他們的原理、結(jié)構(gòu)和電路連接，另外我著重介紹了本設(shè)計(jì)所使用的傳感器,因?yàn)閭鞲衅鞯男阅茉谡麄€(gè)系統(tǒng)中起著非常重要的作用,尤其對(duì)檢測(cè)精確度起著重要的作用。第三章我介紹了整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)廣泛的液位控制系統(tǒng)包括對(duì)水體的液位，壓力等的控制，本系統(tǒng)只側(cè)重于介紹液位的控制。液位控制是利用由高亮二級(jí)管和光敏三級(jí)管所組成的液位傳感器，把液位的狀態(tài)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào),再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809把輸出狀態(tài)直接接到單片機(jī)的I/O接口，單片機(jī)經(jīng)過運(yùn)算控制，輸出數(shù)字信號(hào)，輸出接口接LED進(jìn)行顯示,實(shí)現(xiàn)液位的報(bào)警和鍵盤的顯示與控制；下圖即是液位控制系統(tǒng)：CCPULED顯示傳感器LED顯示傳感器報(bào)警裝置報(bào)警裝置控制執(zhí)行裝置控制執(zhí)行裝置圖2-1基于單片機(jī)的液位控制系統(tǒng)由上圖可觀察到傳感器通過對(duì)液面進(jìn)行測(cè)量，輸出模擬信號(hào)，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器把輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過8051單片機(jī)的運(yùn)算控制，在通過LED進(jìn)行顯示,通過報(bào)警裝置進(jìn)行報(bào)警,報(bào)警顯示之后再通過對(duì)閥門的開啟實(shí)現(xiàn)對(duì)水體的液位進(jìn)行調(diào)節(jié)控制,閥門的驅(qū)動(dòng)設(shè)備是電動(dòng)機(jī)。2.1核心芯片8051單片機(jī)計(jì)算機(jī)芯片MCS-51是一個(gè)電腦晶片,英特爾公司生產(chǎn)系列。它是在MCS-48系列的基礎(chǔ)上發(fā)展的高性能的8位單片機(jī)。所出的系列產(chǎn)品有8051、8031、8751。其代表就是8051。其他系列的單片機(jī)都以它為核心,所以本設(shè)計(jì)采用的核心芯片是8051單片機(jī)。CPU是它的核心設(shè)備,從功能上看,CPU包括兩個(gè)部分:運(yùn)算器和控制器,它執(zhí)行對(duì)輸入信號(hào)的分析和處理。整個(gè)系統(tǒng)電控部分以ATMEL公司的8051為核心芯片，控制信號(hào)采集、處理、輸出三個(gè)過程。這種芯片內(nèi)置4KEPROM，因?yàn)橄到y(tǒng)要求控制線較多，如果采用8031外置EPROM程序控制結(jié)構(gòu)，則造成控制線不夠；而8051卻可以利用P0、P2口作控制總線，大大簡(jiǎn)化了硬件結(jié)構(gòu)，并可以直接控制鍵盤參數(shù)輸入、LED數(shù)據(jù)顯示，方便現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和維護(hù)，使整個(gè)系統(tǒng)的通用性和智能化得到了很大的提高。系統(tǒng)的原理是采用液位式傳感器測(cè)量液體的液位值,通過單片機(jī)的轉(zhuǎn)換與分析在LED上顯示及輸出控制;根據(jù)當(dāng)前的液位值和用戶設(shè)定的水位決定是否進(jìn)行開關(guān)水泵,以及是否到達(dá)危險(xiǎn)高、低水位,需要關(guān)閉閥門。圖2-28051引腳圖上圖是8051的引腳配置，40個(gè)引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時(shí)鐘線兩根，4組8位共32個(gè)I/O口，中斷口線與P3口線復(fù)用。現(xiàn)在我們對(duì)這些引腳的功能加以說明：Pin40:正電源腳，正常工作或?qū)ζ瑑?nèi)EPROM抄寫程序時(shí)，接+5V電源。Pin19:時(shí)鐘XTAL1腳，片內(nèi)振蕩電路的輸入端。Pin18:時(shí)鐘XTAL2腳，片內(nèi)振蕩電路的輸出端。8051的時(shí)鐘有兩種方式，一種是片內(nèi)時(shí)鐘振蕩方式，但需在18和19腳外接石英晶體(2-12MHz)和振蕩電容,振蕩電容的值一般取10p-30p。另外一種是外部時(shí)鐘方式，即將XTAL1接地，外部時(shí)鐘信號(hào)從XTAL2腳輸入。本設(shè)計(jì)采用外部時(shí)鐘電路，外接晶振和電容組成振蕩器。輸入輸出(I/O)引腳：Pin39-Pin32為P0.0-P0.7輸入輸出腳，Pin1-Pin1為P1.0-P1.7輸入輸出腳,Pin21-Pin28為P2.0-P2.7輸入輸出腳，Pin10-Pin17為P3.0-P3.7輸入輸出腳。在對(duì)單片機(jī)設(shè)計(jì)中，P0口作為程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展口，且是擴(kuò)展并行輸入/輸出接口的接口，另外也作為模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)傳輸口,P2口為程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展口的高八位地址總線口，P1口為輸入/輸出口。Pin9:RESET/Vpd復(fù)位信號(hào)復(fù)用腳，當(dāng)8051通電，時(shí)鐘電路開始工作，在RESET引腳上出現(xiàn)24個(gè)時(shí)鐘周期以上的高平，系統(tǒng)即初始復(fù)位。初始化后，程序計(jì)數(shù)器PC指向0000H，P0-P3輸出口全部為高電平，堆棧指鐘寫入07H，其它專用寄存器被清“0”。RESET由高電平下降為低電平后，系統(tǒng)即從0000H地址開始執(zhí)行程序。然而，初始復(fù)位不改變RAM（包括工作寄存器R0-R7）的狀態(tài)，8051的初始態(tài)如下表2-1寄存器初始狀態(tài)特殊功能寄存器初始態(tài)特殊功能寄存器初始態(tài)ACCPSW07HDPLIPIETMODSCONP0-P300H00H00H00Hxxx00000B0x00000B00HxxxxxxxxB1111111BBSPTH0TL0TH1TL1TCONSBUFPCON00H07H00H00H00H00H00H00H0xxxxxxxB8051的復(fù)位方式可以是自動(dòng)復(fù)位，也可以是手動(dòng)復(fù)位，見圖2-3。此外，RESET/Vpd還是一復(fù)用腳，Vcc掉電期間，此腳可接上備用電源，以保證單片機(jī)內(nèi)部RAM的數(shù)據(jù)不丟失,此設(shè)計(jì)采用自動(dòng)復(fù)位電路。圖2-3復(fù)位電路Pin30:ALE/當(dāng)訪問外部程序器時(shí)，ALE(地址鎖存)的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。而訪問內(nèi)部程序存儲(chǔ)器時(shí)，ALE端將有一個(gè)1/6時(shí)鐘頻率的正脈沖信號(hào)，這個(gè)信號(hào)可以用于識(shí)別單片機(jī)是否工作，也可以當(dāng)作一個(gè)時(shí)鐘向外輸出。更有一個(gè)特點(diǎn)，當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器，ALE會(huì)跳過一個(gè)脈沖。如果單片機(jī)是EPROM，在編程其間,prog將用于輸入編程脈沖。Pin29:當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器時(shí),此腳輸出負(fù)脈沖選通信號(hào)，PC的16位地址數(shù)據(jù)將出現(xiàn)在P0和P2口上，外部程序存儲(chǔ)器則把指令數(shù)據(jù)放到P0口上，由CPU讀入并執(zhí)行。在編程時(shí)，EA/Vpp腳還需加上21V的編程電壓。2.2液位傳感器設(shè)計(jì)在液體液位控制系統(tǒng)中,傳感器的選擇是非常重要的,傳感器是能感受規(guī)定的被測(cè)量,并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置,它通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成,它的性能直接影響到整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng),對(duì)檢測(cè)精確度起著重要的作用。傳感器的種類很多,有溫度傳感器,加速度傳感器,光學(xué)傳感器,壓力傳感器的,本設(shè)計(jì)主要采用的是由高亮二級(jí)管和光敏三級(jí)管所組成的光電傳感器來對(duì)液位進(jìn)行控制，在把檢測(cè)的電信號(hào)通過ADC0809輸入到單片機(jī)進(jìn)行分析,在由LED進(jìn)行顯示和鍵盤控制,實(shí)行對(duì)液位的報(bào)警。光電傳感器是一種小型電子設(shè)備，它可以檢測(cè)出其接收到的光強(qiáng)的變化。早期的用來檢測(cè)物體有無的光電傳感器是一種小的金屬圓柱形設(shè)備，發(fā)射器帶一個(gè)校準(zhǔn)鏡頭，將光聚焦射向接收器，接收器出電纜將這套裝置接到一個(gè)真空管放大器上。在金屬圓筒內(nèi)有一個(gè)小的白熾燈作為光源。這些小而堅(jiān)固的白熾燈傳感器就是今天光電傳感器的雛形。光電檢測(cè)方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測(cè)參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形式靈活多樣，因此,光電式傳感器在檢測(cè)和控制中應(yīng)用非常廣泛。我采用的是四對(duì)高亮二極管和光敏三極管所組成的液位傳感器，這種液位傳感器如下圖圖2-4液位傳感器由圖2-4可知，液位傳感器的主要元件是高亮二極管和光敏三極管,它們都屬于光電元件,光電元件主要采用的是光電效應(yīng),光電效應(yīng)分外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。我們知道，光電效應(yīng)的原理是PN結(jié)加反向電壓時(shí)，反向電流的大小取決于P區(qū)和N區(qū)中少數(shù)載流子的濃度，無光照時(shí)P區(qū)中少數(shù)載流子(電子)和N區(qū)中的少數(shù)載流子(空穴)都很少，因此反向電流很小。但是當(dāng)光照PN結(jié)時(shí)，只要光子能量h大于材料的禁帶寬度，就會(huì)在PN結(jié)及其附近產(chǎn)生光生電子、空穴對(duì)，從而使P區(qū)和N區(qū)少數(shù)載流子濃度大大增加，它們?cè)谕饧臃聪螂妷汉蚉N結(jié)內(nèi)電場(chǎng)作用下定向運(yùn)動(dòng)，分別在兩個(gè)方向上渡越PN結(jié)，使反向電流明顯增大。如果入射光的照度變化，光生電子,空穴對(duì)的濃度將相應(yīng)變動(dòng)，通過外電路的光電流強(qiáng)度也會(huì)隨之變動(dòng)，光電效應(yīng)的原理就是光電二極管的原理,光敏二極管就把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成了電信號(hào),它是最簡(jiǎn)單的光學(xué)元件。而光敏三極管有兩個(gè)PN結(jié)，因而可以獲得電流增益，它比光敏二極管具有更高的靈敏度，也是把光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。其結(jié)構(gòu)如圖2-11所示。光敏三級(jí)管是由高亮二極管進(jìn)行發(fā)光的,高亮二極管是一種把電能轉(zhuǎn)變成光能的半導(dǎo)體器件。它的原理和光敏二極管相似,也是產(chǎn)生光電效應(yīng)。只不過原理正好相反,當(dāng)有電流導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生光電流,照射在PN結(jié)上,在內(nèi)部產(chǎn)生光電流,它具有體積小、功耗低、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)快、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，并能和集成電路相匹配。因此，廣泛地用于計(jì)算機(jī)、儀器儀表和自動(dòng)控制設(shè)備中。由光通量對(duì)光電元件的作用原理不同所制成的光學(xué)測(cè)控系統(tǒng)是多種多樣的，按光電元件(光學(xué)測(cè)控系統(tǒng))輸出量性質(zhì)可分二類，即模擬式光電傳感器和脈沖(開關(guān))式光電傳感器。模擬式光電傳感器是將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流，它與被測(cè)量間呈單值關(guān)系。而我設(shè)計(jì)的液位傳感器的主要組成光敏三級(jí)管就是屬于模擬式光電傳感器。通過吸收高亮二極管的光來測(cè)量液位的高度,在轉(zhuǎn)化成光電流傳到模擬傳感器ADC0809中。a光敏三極管的結(jié)構(gòu)示意圖b基本電路當(dāng)光敏三極管按圖2—8的形式進(jìn)行電路連接時(shí)，它的集電結(jié)反向偏置，發(fā)射結(jié)正向偏置。無光照時(shí)僅有很小的穿透電流流過，當(dāng)光線通過透明窗口照射集電結(jié)時(shí)，和光敏二極管的情況相似，將使流過集電結(jié)的反向電流增大，這就造成基區(qū)中正電荷的空穴的積累，發(fā)射區(qū)中的多數(shù)載流子(電子)將大量注人基區(qū)，由于基區(qū)很薄，只有一小部分從發(fā)射區(qū)注入的電子與基區(qū)的空穴復(fù)合，而大部分電子將穿過基區(qū)流向與電源正極相接的集電極，形成集電極電流IC。這個(gè)過程與普通三極管的電流放大作用相似，它使集電極電流IC是原始光電流的(l+β)倍。這樣集電極電流IC將隨入射光照度的改變而更加明顯地變化。光電傳感器通常由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成,如下圖光電傳感器框圖:圖2-10光電傳感器框圖光電傳感器通常由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成，如圖2-12所示。圖中，Ф1是光源發(fā)出的光信號(hào)，Ф2是光電器件接受的光信號(hào)，被測(cè)量可以是x1或者x2，它們能夠分別造成光源本身或光學(xué)通路的變化，從而影響傳感器輸出的電信號(hào)I。光電傳感器設(shè)計(jì)靈活，形式多樣，在越來越多的領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。水位檢測(cè)是通過四對(duì)高亮二極管和光敏三極管分別安裝在四個(gè)不同的位置，由上至下四個(gè)輸出端口分別接單片機(jī)的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3口，實(shí)時(shí)對(duì)水位進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)水位到達(dá)某一光敏三極管的位置時(shí)，其輸出端口就向單片機(jī)輸出高電平；當(dāng)水位低于此光敏三極管的位置時(shí)，其輸出端口就向單片機(jī)輸出低電平。由上至下的第一個(gè)位置為水位上限報(bào)警線，即當(dāng)水位高于此位置時(shí)，開水房控制系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警，提醒工作人員注意，加水電磁閥有可能出故障；第二個(gè)位置是自動(dòng)停止加水線，即當(dāng)水位高于此位置時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉加水電磁閥，停止加水；第三個(gè)位置是自動(dòng)加水線，即當(dāng)水位低于此位置時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)接通加水電磁閥，開水加水；第四個(gè)位置是水位下限報(bào)警線，即當(dāng)水位低于此位置時(shí)，開水房控制系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警，提醒工作人員注意，加水電磁閥可能出故障。2.3光電式傳感器的基本特性1)光譜特性在入射光照度一定時(shí)，光敏晶體管的相對(duì)靈敏度隨光波波長(zhǎng)的變化而變化，一種光敏晶體管只對(duì)一定波長(zhǎng)范圍的人射光敏感，這就是光敏晶體管的光譜特性，見圖2-11。由曲線可以看出，當(dāng)入射光波長(zhǎng)增加時(shí)，相對(duì)靈敏度要下降，這是因?yàn)楣庾幽芰刻?，不足以激發(fā)電子—空穴對(duì)。當(dāng)人射光波長(zhǎng)太短時(shí)，光波穿透能力下降，光子只在半導(dǎo)體表面附近激發(fā)電子—空穴對(duì)，卻不能達(dá)到PN結(jié)，因此相對(duì)靈敏度也下降。從曲線還可以看出，不同材料的光敏晶體管，光譜峰值波長(zhǎng)不同。硅管的峰值波長(zhǎng)為0.9μm左右，鍺管的峰值波長(zhǎng)為1.5μm左右。由于鍺管的暗電流比硅管大，因此鍺管性能較差。因此在探測(cè)可見光或赤熱物體時(shí)，多采用硅管。但對(duì)紅外光進(jìn)行探測(cè)時(shí)，采用鍺管較為合適。2)伏安特性光敏三極管在不同照度下的伏安特性，就象普通三極管在不同基極電流下的輸出特性一樣，如圖2-11所示。在這里改變光照就相當(dāng)于改變一般三極管的基極電流，從而得到這樣一簇曲線。3)光電特性它指外加偏置電壓一定時(shí)，光敏晶體管的輸出電流和光照度的關(guān)系。一般說來，光敏二極管光電特性的線性較好，而光敏三極管在照度小時(shí)，光電流隨照度增加較小，并且在光照足夠大時(shí)，輸出電流有飽和現(xiàn)象。這是由于光敏三極管的電流放大倍數(shù)在小電流和大電流時(shí)都下降的緣故。4)溫度特性溫度的變化對(duì)光敏晶體管的亮電流影響較小，但是對(duì)暗電流的影響卻十分顯著，如圖所示。因此，光敏晶體管在高照度下工作時(shí)，由于亮電流比暗電流大得多，溫度的影響相對(duì)來說比較小。但在低照度下工作時(shí)，因?yàn)榱岭娏鬏^小，暗電流隨溫度變化就會(huì)嚴(yán)重影響輸出信號(hào)的溫度穩(wěn)定性。在這種情況下，應(yīng)當(dāng)選用硅光敏管，這是因?yàn)楣韫艿陌惦娏饕孺N管小幾個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)還可以在電路中采取適當(dāng)?shù)臏囟妊a(bǔ)償措施，或者將光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，對(duì)輸出的電信號(hào)采用交流放大，利用電路中隔直電容的作用，就可以隔斷暗電流，消除溫度的影響。5)頻率特性光敏晶體管受調(diào)制光照射時(shí)，相對(duì)靈敏度與調(diào)制頻率的關(guān)系稱為頻率特性。如圖2-12所示。減少負(fù)載電阻能提高響應(yīng)頻率，但輸出降低。一般來說，光敏三極管的頻響比光敏二極管差得多，鍺光敏三極管的頻響比硅管小一個(gè)數(shù)量級(jí)。圖2-11光敏晶體管的光譜特性圖2-12光敏三極管的伏安特性光電傳感器的敏感范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了電感、電容、磁力、超聲波傳感器的敏感范圍。此外，光電傳感器的體積很小，而敏感范圍很寬，加上機(jī)殼有很多樣式，幾乎可以到處使用。最后，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，光電傳感器在價(jià)錢方面可以同用其他技術(shù)制造的傳感器競(jìng)爭(zhēng)。2.4ADC0809A/D轉(zhuǎn)換器A/D是把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),把由傳感器傳來的液位控制的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),然后再通過8051單片機(jī)的分析處理進(jìn)行LED顯示和液位和壓力的報(bào)警。2.4D／A轉(zhuǎn)換接口技術(shù)是應(yīng)用系統(tǒng)后向通道典型應(yīng)用技術(shù)之一。它涉及了D/A轉(zhuǎn)換芯片的選擇參考電壓源的配置、數(shù)字輸入碼與模擬輸出電壓的極性等問題，而其中最核心的問題是D／A轉(zhuǎn)換芯片的選擇與應(yīng)用問題。D／A轉(zhuǎn)換器的基本功能是將一個(gè)用二進(jìn)制表示的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量。實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的基本方法是對(duì)應(yīng)于二進(jìn)制的每一位，產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的電流，而這個(gè)電流的大小正比于相應(yīng)的二進(jìn)制位的權(quán)。D／A轉(zhuǎn)換器主要由三部分構(gòu)成，即加權(quán)電阻解碼網(wǎng)、受輸入數(shù)字量控制的電子開關(guān)組和由運(yùn)算放大器構(gòu)成的電流轉(zhuǎn)換器。電子開關(guān)組受輸入二進(jìn)制數(shù)據(jù)D7～DO控制，當(dāng)某一位為“1”時(shí)，則電子開關(guān)閉合，基準(zhǔn)電壓Vin接電阻解碼網(wǎng)絡(luò)，使某一支路電阻上有電流流過。當(dāng)某一位為“0”時(shí)，則電子開關(guān)斷開，該支路電阻上無電流流過。加權(quán)電阻解碼網(wǎng)絡(luò)各支路的電阻值與二進(jìn)制數(shù)據(jù)D7～DO的“權(quán)”相對(duì)應(yīng)，“權(quán)”大的電阻值小，“權(quán)”小的電阻值大。因此各支路的電流不僅決定于輸入數(shù)字量的值(0或1)，還決定于“權(quán)”，各支路的電流如下：

因此，總電流為Iout：該總電流經(jīng)電流轉(zhuǎn)換器后有:其中由式（2-6）看出，盡管使用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不同，但對(duì)于D／A轉(zhuǎn)換器的輸入輸出來說是等效的。就8位D／A轉(zhuǎn)換器而言，每一數(shù)字輸入位所代表的輸出模擬量是其相鄰的2倍，這樣就組成二進(jìn)制數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換器。D／A轉(zhuǎn)換芯片的主要性能指標(biāo)如下:1)分辨率。表征D／A轉(zhuǎn)換器對(duì)微小輸入量的敏感程度，通常用數(shù)字量的數(shù)位表示，如8位、12位、14位等。分辨率為10位的D／A轉(zhuǎn)換器，表示它可以對(duì)滿量程的1／1024的增量做出反應(yīng)。2)相對(duì)精度。在滿刻度已校準(zhǔn)的前提下，在整個(gè)刻度范圍內(nèi)，對(duì)于任一數(shù)碼的模擬量輸出與它的理論值之差。通常用偏差幾個(gè)ISB來表示和該偏差相對(duì)滿刻度的百分比表示。3)轉(zhuǎn)換時(shí)間。數(shù)字變化量是滿刻度時(shí)，達(dá)到終值±LSB／2所需要的時(shí)間，通常為幾十納秒至幾微秒。4)非線性誤差。通常給出在一定溫度下的最大非線性度，一般為0.l％～0.03％。其工作過程是：比較開始時(shí)，首先對(duì)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器(輸出鎖存器)的最高位置“1”，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)換、比較判斷。若模擬輸入U(xiǎn)in大于Ui，比較器輸出為1，則使輸出鎖存器的最高位保持為1。然后對(duì)較低的位依次按照該辦法進(jìn)行比較和調(diào)整，無論哪種情況，均應(yīng)繼續(xù)比較下一位，直到最末位為止。此時(shí)D／A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸入(輸出鎖存器內(nèi)容)即為對(duì)應(yīng)模擬輸入信號(hào)的數(shù)字量。將此數(shù)字量輸出就完成了A／D轉(zhuǎn)換過程。這種方法好比用天平稱一個(gè)物體的重量，第一次放最大的砝碼，若不合適，就改放小一號(hào)的，依次類推。一旦天平指示砝碼太重說明剛才放進(jìn)去的那個(gè)應(yīng)當(dāng)取走，顯然對(duì)于n位的轉(zhuǎn)換器，總共需要重復(fù)這種過程n次。2.4本開發(fā)系統(tǒng)的A／D轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)硬件主要是由ADC0809轉(zhuǎn)換芯片和四個(gè)可變電位器組成的。ADC0809是8位8通路逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器，輸入電壓在(O～5)V，最大不可調(diào)誤差小±1LSB，它具有高速、高精度、溫度依賴度低以及在長(zhǎng)期工作條件下能耗小、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。ADC0809芯片的引腳圖如圖2-6所示。由圖2-6可看芯片主要是由一個(gè)8位A／D轉(zhuǎn)換器、8路模擬輸入選通開關(guān)、地址鎖存及譯碼電路工作和三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器組成。為實(shí)現(xiàn)8路模擬通道能有條不紊地工作，首先通過地址譯碼鎖存器選通所要開通的8路模擬通道中的一路開關(guān)，將模擬信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換器中實(shí)現(xiàn)A/D的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)放到三態(tài)數(shù)據(jù)鎖存器中等待CPU來取，取后由CPU啟動(dòng)新一次的地址譯碼，重復(fù)以上完成新一次的A/D轉(zhuǎn)換。ADC0809芯片提供了高轉(zhuǎn)換速度、高精密度、環(huán)境影響小和低功耗等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。下圖為ADC0809芯片的引腳圖。圖2-6ADC0809芯片的引圖ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及與微型計(jì)算機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS組件，其轉(zhuǎn)換方法為逐次逼近型。在A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部含有一個(gè)高阻抗斬波穩(wěn)定比較器，一個(gè)帶有模擬開關(guān)樹組的256電阻分壓器，以及一個(gè)逐次逼近型寄存器。8路的模擬開關(guān)由地址鎖存器和譯碼器控制，可以在8個(gè)通道中任意訪問一個(gè)通道的模擬信號(hào)。由于多路開關(guān)的地址輸入部分能夠進(jìn)行鎖存和譯碼，而且三態(tài)TTL輸出也可以鎖存，所以它易于與微型計(jì)算機(jī)接口。2.5鍵盤及顯示接口顯示部分我采用三位7段LED顯示器，LED顯示器是單片機(jī)應(yīng)用中最常用的輸出部件，它是由若干發(fā)光二極管組成，當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)，相應(yīng)的一個(gè)點(diǎn)或一個(gè)筆畫發(fā)光，不同組合的二極管導(dǎo)通，就能顯示出各種字符。用LED是因?yàn)樗哂酗@示清晰、亮度高、使用電壓低、光電轉(zhuǎn)換效能高、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。LED（發(fā)光二極管）最早出現(xiàn)在19世紀(jì)60年代，現(xiàn)在我們可以經(jīng)常在電氣和電子設(shè)備上看到這些二極管作為指示燈來用。LED就是一種半導(dǎo)體元件，其電氣性能與普通二極管相同，不同之處在于當(dāng)給LED通電流時(shí)，它會(huì)發(fā)光。由于LED是固態(tài)的，所以它能延長(zhǎng)傳感器的使用壽命。因而使用LED的光電傳感器能被做得更小，且比白熾燈傳感器更可靠。不像白熾燈那樣，LED抗震動(dòng)抗沖擊，并且沒有燈絲。另外，LED所發(fā)出的光能只相當(dāng)于同尺寸白熾燈所產(chǎn)生光能的一部分。在微型機(jī)系統(tǒng)中，LED常用的顯示方法有兩種。一種是靜態(tài)顯示，一種是動(dòng)態(tài)顯示。所謂的靜態(tài)顯示是由單片機(jī)一次輸出后就能顯示后就能保持，直到下次送新的顯示模式為止。這種顯示占用機(jī)少，顯示可靠；缺點(diǎn)是使用元件多，且線路比較復(fù)雜，因而成本比較高。這種顯示器顯示方式的每一個(gè)七位顯示器需要一個(gè)八位輸出控制，我的設(shè)計(jì)就是采用的就是靜態(tài)顯示。所謂動(dòng)態(tài)顯示就是單片機(jī)定時(shí)的對(duì)顯示器進(jìn)行掃描。這種方法中，顯示器件分時(shí)工作，每次只能有一個(gè)器件顯示，但由于人的視覺暫留現(xiàn)象，所以，仍感覺到所有的器件都“同時(shí)”顯示。這種顯示方法的優(yōu)點(diǎn)是使用硬件少，因而價(jià)格低，但占用機(jī)時(shí)多，只要單片機(jī)不執(zhí)行顯示程序，就立刻停止顯示。動(dòng)態(tài)顯示的亮度與導(dǎo)電電流有關(guān)，也與點(diǎn)亮?xí)r間和間隔時(shí)間比例有關(guān)。鍵盤是有若干按鍵組成的開關(guān)矩陣，它是最簡(jiǎn)單的單片機(jī)輸入設(shè)備，通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)或命令，來實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)對(duì)話。鍵盤可分為非編碼鍵盤和編碼鍵盤兩種。非編碼鍵盤有并行接口掃描和串聯(lián)接口掃描，我采用的是串行接口，它的組成是由移位寄存器74LS164和六個(gè)鍵組成，74LS164是一個(gè)14位腳的寄存器，集成電路芯片，由8051串行接口的TXD端輸出列掃描信號(hào)到74LS164的1、2引腳，鍵閉合信號(hào)則用端口P3.3、P3.4、P3.5輸入8051單片機(jī)，由8051單片機(jī)的TXD引腳輸出移位時(shí)鐘脈沖到74LS164的時(shí)針輸入端（CLK）。還有非前者用軟件來識(shí)別和產(chǎn)生代碼，后者則用鍵盤來識(shí)別，鍵盤處理程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)鍵盤的管理，顯示具體見下圖。圖2-7LED顯示器2.6自動(dòng)報(bào)警電路下列二種情況發(fā)生系統(tǒng)報(bào)警。1)當(dāng)水位達(dá)到上限極限水位時(shí)報(bào)警，水位到達(dá)上限極限水位時(shí)系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警；2)當(dāng)水位達(dá)到下限極限水位時(shí)報(bào)警，水位到達(dá)下限極限水位時(shí)系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警圖2-8自動(dòng)報(bào)警電路的接線圖3系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)該系統(tǒng)硬件系統(tǒng)完全，但系統(tǒng)的運(yùn)算與控制必須靠軟件支持，系統(tǒng)硬件組態(tài)完后，根據(jù)I/O地址分配和功能要求便可以進(jìn)行軟件編程。軟件編程是系統(tǒng)完成控制的一個(gè)重要部分。系統(tǒng)軟件程序主要完成初始化工作，輸入輸出控制，子程序主要完成數(shù)據(jù)采集處理的功能包括采集的液位數(shù)據(jù)與給定的液位值的比較，是否需要報(bào)警，以及處理完成顯示部分與調(diào)節(jié)閥的信號(hào)輸出。在該系統(tǒng)的軟件部分的設(shè)計(jì)中，第一部分主要是對(duì)流程圖的介紹，其中包括了對(duì)水位的檢測(cè)，對(duì)補(bǔ)水泵的控制開和關(guān)，以及補(bǔ)水泵是否正常工作的報(bào)警。通過對(duì)水體液位進(jìn)行的簡(jiǎn)易方便的操縱，可以準(zhǔn)確得控制水泵進(jìn)行添加水或放水以適應(yīng)工作的需要，并可防止故障的發(fā)生；第二部分是系統(tǒng)工作程序的編程內(nèi)容，由于全部編程部分較多，只取最重要的水位檢測(cè)主程序段。本程序段主要實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)ADC0809轉(zhuǎn)換器，并從A/D轉(zhuǎn)換器采集信號(hào)的功能。3.1軟件設(shè)計(jì)流程圖本軟件流程圖設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易合理，方便易于操控，能夠針對(duì)水位的不同狀態(tài)和不同外界條件進(jìn)行控制,水位運(yùn)行穩(wěn)定、控制品質(zhì)良好、控制效果明顯改善;同時(shí)大大提高了控制系統(tǒng)的抗干擾能力,保證了工業(yè)水體液位方面作業(yè)的穩(wěn)定運(yùn)行。下圖即為軟件設(shè)計(jì)流程圖補(bǔ)水泵1有故障嗎？補(bǔ)水泵1有故障嗎？水位下限水位嗎？開啟補(bǔ)水泵1進(jìn)行補(bǔ)水水位檢測(cè)YNN補(bǔ)水泵2工作Y開始返回檢測(cè)水位為上限水位嗎？補(bǔ)水泵1停止補(bǔ)水YN檢測(cè)水位為上限水位嗎？補(bǔ)水泵2停止補(bǔ)水YN故障報(bào)警圖4-1軟件設(shè)計(jì)流程圖3.2水位檢測(cè)的主程序本控制系統(tǒng)采用的是控制，由于模糊控制量的求取是采用查表法，因此軟件程序較簡(jiǎn)單，整個(gè)軟件部分較多，現(xiàn)取最重要的水位檢測(cè)主程序。這是程序運(yùn)行的主要程序段，主要實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)ADC0809轉(zhuǎn)換器，并從A/D轉(zhuǎn)換器采集信號(hào)，SHUICPM:MOVA,P1ANLA,#0FHMOV30H,#0FH;00001111CJNEA,30H,AAA1SETBP2.0SETB20H.1;setb水位狀態(tài)標(biāo)志位AJMPOUT2AAA1:MOV30H,#0EH;00001110CJNEA,30H,AAA2SETBP2.0CLR20H.1AJMPOUT2AAA2:MOV30H,#0CH;00001100CJNEA,30H,AAA3CLR20H.1CLRp2.0AJMPOUT2AAA3:MOV30H,#08H;00001000CJNEA,30H,AAA4CLRP2.0CLR20H.1AJMPOUT2AAA4:MOV30H,#00H;00000000CJNEA,30H,AAA5setbP2.0SETB20H.1AJMPOUT2AAA5:SETB20H.2RETOUT2:CLR20H.2RETBAOJING:JB20H.3,OUT6MOVA,20HMOV30H,#00HCJNEA,30H,OUT5AJMPOUT6OUT5:SETBP3.6JB20H.4,OUT9SETBP0.1OUT10:JB20H.2,OUT11SETBP0.2OUT12:JB20H.1,OUT13SETBP0.3OUT14:JB20H.0,OUT15SETBP0.4OUT16:RETOUT6:CLRP3.6RETOUT9:CLRP0.1AJMPOUT10OUT11:CLRP0.2AJMPOUT12OUT13:CLRP0.3AJMPOUT14OUT15:CLRP0.4AJMPOUT164結(jié)論本系統(tǒng)主要介紹了水體的液位檢測(cè)控制，介紹了8051單片機(jī)和其它一些單片機(jī)在液位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，介紹了它們的引腳和在系統(tǒng)中的電路圖，本設(shè)計(jì)還采用了多種傳感器來對(duì)液位的信號(hào)采集，利用LED來進(jìn)行信號(hào)的輸出顯示,我設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化,系統(tǒng)精度高，具有良好的人機(jī)交互功能,并設(shè)有液位報(bào)警和閥門失靈等故障報(bào)警，有問題立即就能發(fā)現(xiàn)。通過自動(dòng)調(diào)節(jié)控制液位并實(shí)現(xiàn)水體的液位報(bào)警。液位控制在設(shè)定值上正常運(yùn)行不需要人工干預(yù)，操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度小。采用單片機(jī)設(shè)計(jì)出的工業(yè)水位控制器,能夠針對(duì)水位的不同狀態(tài)和不同外界條件進(jìn)行控制,水位運(yùn)行穩(wěn)定、控制品質(zhì)良好、控制效果明顯改善;同時(shí)大大提高了控制系統(tǒng)的抗干擾能力,保證了工業(yè)水體液位方面作業(yè)的穩(wěn)定運(yùn)行。控制裝置具有成本低、抗干擾能力強(qiáng)、控制性能好等優(yōu)點(diǎn),且系統(tǒng)硬、軟件維護(hù)簡(jiǎn)單方便,尤其適用于工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng),具有良好的應(yīng)用前景。本系統(tǒng)所采用的傳感器性能穩(wěn)定,測(cè)量準(zhǔn)確,大大簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)安裝,具有較高的性價(jià)比,有較大的工程應(yīng)用價(jià)值,而且利用計(jì)算機(jī)單片機(jī)技術(shù)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程進(jìn)行自動(dòng)控制有著重要的意義。其優(yōu)越性主要在于：首先，通過對(duì)水體液位進(jìn)行的簡(jiǎn)易方便的操縱，可以準(zhǔn)確得控制水泵進(jìn)行添加水或放水以適應(yīng)工作的需要，可以產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。其次，水體控制過程的自動(dòng)化處理以及監(jiān)控軟件良好的人機(jī)界面，操作人員在監(jiān)控計(jì)算機(jī)上能根據(jù)控制效果及時(shí)修運(yùn)行參數(shù)，這樣能有效地減少工人的疲勞和失誤，提高生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)性、安全性。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用的普及、可靠性的提高及價(jià)格的下降，工業(yè)以及其他方面的微機(jī)控制必將得到更加廣泛的應(yīng)用。致謝在此畢業(yè)課題設(shè)計(jì)完成之際，向?yàn)榇水厴I(yè)設(shè)計(jì)傾注了大量心血田老師和同班級(jí)的同學(xué)表示深深地敬意和謝意。指導(dǎo)老師田艷兵在此課題的研究方向、收集資料、設(shè)計(jì)過程中傾注了悉心的指導(dǎo)和盡心所能的幫助，他的那嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和寬廣的胸懷使我受益匪淺，在此特表示誠(chéng)摯地感謝。在同班級(jí)的同學(xué)幫我一同研究課題，查閱資料，給我提出很多寶貴意見，在遇到難題灰心的時(shí)候給我了很到的鼓勵(lì)，在此也為我們一起學(xué)習(xí)的同學(xué)表示誠(chéng)摯地感謝。在本課題的研究過程中，也得到了院系的大力支持和同學(xué)的大力指導(dǎo)與熱情幫助，院系開放單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室，通過網(wǎng)絡(luò)收集各方面的前沿信息，給我們創(chuàng)造一個(gè)良好的學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)環(huán)境。在此向?qū)嶒?yàn)室的各位老師表示由衷的謝意。最后，再次向所有關(guān)心和幫助我的老師、同學(xué)表達(dá)真誠(chéng)的謝意。參考文獻(xiàn)[1]王文琦.工業(yè)鍋爐的檢測(cè)與控制技術(shù)[M].成都:四川科學(xué)技術(shù)出版社,1986.[2]王驥程.化工過程控制工程[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1981.[3]王文琦.工業(yè)鍋爐的檢測(cè)與控制技術(shù)〔M〕.成都:四川科學(xué)技術(shù)出版社,1986.[4]王驥程.化工過程控制工程〔M〕.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1981.[5]謝自美.電子線路設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)與測(cè)試[M].華中科技大學(xué)出版社，2003.[6]楊國(guó)志,王立峰,楊東光,王輝林等.實(shí)用電子制作實(shí)例[M].福建科學(xué)技術(shù)出版社，2000.[7]金偉正.單線數(shù)字溫度傳感器的原理及用[M].電子工業(yè)出版社，2000.[8]王永平，陳建華.基于S7—200PLC的高性能電熱鍋爐控制系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2002.[9]潘新民,王艷芳微.型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M].高等教育出版社，2002.[10]談?wù)穹?自動(dòng)控制專業(yè)英語(yǔ)[M].哈爾濱工程大學(xué)出版社,1999.[11]楊智,明麗萍.21世紀(jì)燃?xì)忮仩t在中國(guó)的發(fā)展前景[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào),2001.[12]袁希光等.傳感器技術(shù)手冊(cè)[M].北京國(guó)防工業(yè)出版社,1986.[13]張洪潤(rùn),張亞凡.傳感技術(shù)與應(yīng)用教程[M].清華大學(xué)出版社,2005.[14]李光飛,樓然苗.單片機(jī)課程設(shè)計(jì)實(shí)例指導(dǎo)[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2004.[15]李明,徐向東.用容錯(cuò)技術(shù)提高鍋爐控制系統(tǒng)的可靠性[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào),1999.[16]吳春旺.鍋爐汽包水位調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[A].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.[17]何立民.MCS-51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)配置與接口技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2001.[18]周航慈.單片機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1991.[19]錢新賢，楊猛，VisualC++編程疑難詳解，北京：人們郵電出版社，2000。[20]方崇智，蕭德云，過程辨識(shí)，北京：清華大學(xué)出版社，1988。[21]史令，李建平，軟件技術(shù)基礎(chǔ)使用教程，北京：人民郵電出版1998。河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院課程設(shè)計(jì)溫度監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)系別：機(jī)電工程系專業(yè)名稱：機(jī)電一體化學(xué)生姓名：張奇美學(xué)號(hào)：0202180432指導(dǎo)教師姓名：田林紅完成日期2021年3月30日溫度監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)摘要溫度是日常生活中無時(shí)不在的物理量，溫度的控制在各個(gè)領(lǐng)域都有積極的意義。很多行業(yè)中都有大量的用電加熱設(shè)備，如用于熱處理的加熱爐，用于融化金屬的坩鍋電阻爐及各種不同用途的溫度箱等，采用單片機(jī)對(duì)它們進(jìn)行控制不僅具有控制方便、簡(jiǎn)單、靈活性大等特點(diǎn)，而且還可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，智能化溫度控制技術(shù)正被廣泛地采用。本溫度設(shè)計(jì)采用現(xiàn)在流行的AT89S51單片機(jī)，配以DS18B20數(shù)字溫度傳感器，該溫度傳感器可自行設(shè)置溫度上下限。單片機(jī)將檢測(cè)到的溫度信號(hào)與輸入的溫度上、下限進(jìn)行比較，由此作出判斷是否啟動(dòng)繼電器以開啟設(shè)備。本設(shè)計(jì)還加入了常用的數(shù)碼管顯示及狀態(tài)燈顯示燈常用電路，使得整個(gè)設(shè)計(jì)更加完整，更加靈活。目錄1前言 11.2溫度控制系統(tǒng)的目的 11.3溫度控制系統(tǒng)完成的功能 12總體設(shè)計(jì)方案 22.1方案一 22.2方案二 23DS18B20溫度傳感器簡(jiǎn)介 73.1DS18B20的工作原理 73.2DS18B20工作時(shí)序 73.2ROM操作命令 93.2DS18B20的測(cè)溫原理 93.2.1DS18B20的測(cè)溫原理: 93.2.2DS18B20的測(cè)溫流程 114單片機(jī)接口設(shè)計(jì) 124.1設(shè)計(jì)原則 124.2引腳連接 12晶振電路 12串口引腳 12其它引腳 135系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 145.1系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 14主板電路設(shè)計(jì) 14各部分電路 145.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 16系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)整體思路 16系統(tǒng)程序流圖 175.3調(diào)試 21附錄 24參考文獻(xiàn) 311前言1.1溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的背景、發(fā)展歷史及意義隨著社會(huì)的發(fā)展，科技的進(jìn)步，以及測(cè)溫儀器在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，智能化已是現(xiàn)代溫度控制系統(tǒng)發(fā)展的主流方向。特別是近年來，溫度控制系統(tǒng)已應(yīng)用到人們生活的各個(gè)方面，但溫度控制一直是一個(gè)未開發(fā)的領(lǐng)域，卻又是與人們息息相關(guān)的一個(gè)實(shí)際問題。針對(duì)這種實(shí)際情況，設(shè)計(jì)一個(gè)溫度控制系統(tǒng)，具有廣泛的應(yīng)用前景與實(shí)際意義。溫度是科學(xué)技術(shù)中最基本的物理量之一，物理、化學(xué)、生物等學(xué)科都離不開溫度。在工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)研究中，像電力、化工、石油、冶金、航空航天、機(jī)械制造、糧食存儲(chǔ)、酒類生產(chǎn)等領(lǐng)域內(nèi)，溫度常常是表征對(duì)象和過程狀態(tài)的最重要的參數(shù)之一。比如，發(fā)電廠鍋爐的溫度必須控制在一定的范圍之內(nèi)；許多化學(xué)反應(yīng)的工藝過程必須在適當(dāng)?shù)臏囟认虏拍苷＿M(jìn)行；煉油過程中，原油必須在不同的溫度和壓力條件下進(jìn)行分餾才能得到汽油、柴油、煤油等產(chǎn)品。沒有合適的溫度環(huán)境，許多電子設(shè)備就不能正常工作，糧倉(cāng)的儲(chǔ)糧就會(huì)變質(zhì)霉?fàn)€，酒類的品質(zhì)就沒有保障。因此，各行各業(yè)對(duì)溫度控制的要求都越來越高?？梢姡瑴囟鹊臏y(cè)量和控制是非常重要的。單片機(jī)在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛，在很多的電子產(chǎn)品中也用到了溫度檢測(cè)和溫度控制。隨著溫度控制器應(yīng)用范圍的日益廣泛和多樣，各種適用于不同場(chǎng)合的智能溫度控制器應(yīng)運(yùn)而生。1.2溫度控制系統(tǒng)的目的本設(shè)計(jì)的內(nèi)容是溫度測(cè)試控制系統(tǒng)，控制對(duì)象是溫度。溫度控制在日常生活及工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用相當(dāng)廣泛，比如溫室、水池、發(fā)酵缸、電源等場(chǎng)所的溫度控制。而以往溫度控制是由人工完成的而且不夠重視，其實(shí)在很多場(chǎng)所溫度都需要監(jiān)控以防止發(fā)生意外。針對(duì)此問題，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是實(shí)現(xiàn)一種可連續(xù)高精度調(diào)溫的溫度控制系統(tǒng)，它應(yīng)用廣泛，功能強(qiáng)大，小巧美觀，便于攜帶，是一款既實(shí)用又廉價(jià)的控制系統(tǒng)。1.3溫度控制系統(tǒng)完成的功能本設(shè)計(jì)是對(duì)溫度進(jìn)行48點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并對(duì)其進(jìn)行控制，設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基本的溫度控制功能：當(dāng)溫度低于設(shè)定下限0℃溫度時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)加熱繼電器加溫，使溫度上升，同時(shí)綠燈亮。當(dāng)溫度上升到下限0℃溫度以上時(shí)，停止加溫；當(dāng)溫度高于設(shè)定上限50℃溫度時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)風(fēng)扇降溫，使溫度下降，同時(shí)紅燈亮。當(dāng)溫度下降到上限溫度以下時(shí)，停止降溫。溫度在上下限溫度之間時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)不執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)將溫度控制在0℃～50℃。三個(gè)數(shù)碼管即時(shí)顯示溫度，精確到小數(shù)點(diǎn)一位。2總體設(shè)計(jì)方案2.1方案一測(cè)溫電路的設(shè)計(jì)，可以使用熱敏電阻之類的器件利用其感溫效應(yīng)，在將隨被測(cè)溫度變化的電壓或電流采集過來，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，就可以用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，在顯示電路上，就可以將被測(cè)溫度顯示出來，這種設(shè)計(jì)需要用到A/D轉(zhuǎn)換電路，感溫電路比較麻煩。2.2方案二考慮使用溫度傳感器，結(jié)合單片機(jī)電路設(shè)計(jì)，采用一只DS18B20溫度傳感器，直接讀取被測(cè)溫度值，之后進(jìn)行轉(zhuǎn)換，依次完成設(shè)計(jì)要求。比較以上兩種方案，很容易看出，采用方案二，電路比較簡(jiǎn)單，軟件設(shè)計(jì)容易實(shí)現(xiàn)，故實(shí)際設(shè)計(jì)中擬采用方案二。在本系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)方框圖如圖1.1所示，它由三部分組成:①控制部分主芯片采用單片機(jī)AT89S51；②顯示部分采用3位LED數(shù)碼管以動(dòng)態(tài)掃描方式實(shí)現(xiàn)溫度顯示；③溫度采集部分采用DS18B20溫度傳感器。加熱繼電器電風(fēng)扇繼電器加熱繼電器電風(fēng)扇繼電器單片機(jī)DS18B20LED顯示指示燈圖2－1溫度計(jì)電路總體設(shè)計(jì)方案控制部分單片機(jī)AT89S51具有低電壓供電和體積小等特點(diǎn)，四個(gè)端口只需要兩個(gè)口就能滿足電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要，很適合便攜手持式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)使用，系統(tǒng)應(yīng)用三節(jié)電池供電。2.顯示部分顯示電路采用3位共陽(yáng)LED數(shù)碼管，從P0口送數(shù)，P2口掃描。3.溫度采集部分DS18B20溫度傳感器是美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測(cè)溫元件相比，它能直接讀出被測(cè)溫。這一部分主要完成對(duì)溫度信號(hào)的采集和轉(zhuǎn)換工作，由DS18B20數(shù)字溫度傳感器及其與單片機(jī)的接口部分組成。數(shù)字溫度傳感器DS18B20把采集到的溫度通過數(shù)據(jù)引腳傳到單片機(jī)的P1.0口，單片機(jī)接受溫度并存儲(chǔ)。將48個(gè)DS18B20傳感器并聯(lián)在惟一的三線上，并通過一線總線方式將測(cè)量信號(hào)通過時(shí)序控制送入單片機(jī)，即可實(shí)現(xiàn)48點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)，為下一步的顯示工作提供條件。圖2-2多路溫度傳感器采集模塊此部分只用到DS18B20和單片機(jī)，硬件很簡(jiǎn)單。1)DS18B20的性能特點(diǎn)如下[9]：1)獨(dú)特的單線接口僅需要一個(gè)端口引腳進(jìn)行通信；2)多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)組網(wǎng)功能；3)無須外部器件；4)可通過數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為3.0～5.5V；5)零待機(jī)功耗；6)溫度以3位數(shù)字顯示；7)用戶可定義報(bào)警設(shè)置；8)報(bào)警搜索命令識(shí)別并標(biāo)志超過程序限定溫度（溫度報(bào)警條件）的器件；9)負(fù)電壓特性，電源極性接反時(shí)，溫度計(jì)不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。(2)DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)DS18B20采用3腳PR－35封裝，如圖1.2所示；DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖3所示。圖2－3DS18B20封裝(3)DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成[5]：1)64位光刻ROM。開始8位是產(chǎn)品類型的編號(hào)，接著是每個(gè)器件的惟一的序號(hào)，共有48位，最后8位是前56位的CRC校驗(yàn)碼，這也是多個(gè)DS18B20可以采用一線進(jìn)行通信的原因[10]。64位閃速ROM的結(jié)構(gòu)如下.表2－1ROM結(jié)構(gòu)8b檢驗(yàn)CRC48b序列號(hào)8b工廠代碼（10H）MSBLSBMSBLSBMSBLSB圖2－4DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)2)非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL，可通過軟件寫入用戶報(bào)警上下限值。3)高速暫存存儲(chǔ)，可以設(shè)置DS18B20溫度轉(zhuǎn)換的精度。DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)器還包括一個(gè)高速暫存RAM和一個(gè)非易失性的可電擦除的E2PRAM。高速暫存RAM的結(jié)構(gòu)為8字節(jié)的存儲(chǔ)器，結(jié)構(gòu)如圖1.3所示。頭2個(gè)字節(jié)包含測(cè)得的溫度信息，第3和第4字節(jié)TH和TL的拷貝，是易失的，每次上電復(fù)位時(shí)被刷新。第5個(gè)字節(jié)，為配置寄存器，它的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率。DS18B20工作時(shí)寄存器中的分辨率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的溫度數(shù)值。它的內(nèi)部存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)和字節(jié)定義如圖1.3所示。低5位一直為１，TM是工作模式位，用于設(shè)置DS18B20在工作模式還是在測(cè)試模式。表2－2DS18B20內(nèi)部存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)Byte0溫度測(cè)量值LSB（50H）Byte1溫度測(cè)量值MSB（50H）E2PROMByte2TH高溫寄存器TH高溫寄存器Byte3TL低溫寄存器TL低溫寄存器Byte4配位寄存器配位寄存器Byte5預(yù)留（FFH）Byte6預(yù)留（0CH）Byte7預(yù)留（IOH）Byte8循環(huán)冗余碼校驗(yàn)（CRC）DS18B20出廠時(shí)該位被設(shè)置為0，用戶要去改動(dòng)，R1和R0決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)，來設(shè)置分辨率,如圖1.4。圖2－3DS18B20字節(jié)定義TMR1R011111由表1.1可見，分辨率越高，所需要的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間越長(zhǎng)。因此，在實(shí)際應(yīng)用中要將分辨率和轉(zhuǎn)換時(shí)間權(quán)衡考慮。高速暫存RAM的第6、7、8字節(jié)保留未用，表現(xiàn)為全邏輯1。第9字節(jié)讀出前面所有8字節(jié)的CRC碼，可用來檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而保證通信數(shù)據(jù)的正確性。當(dāng)DS18B20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開始啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以16位帶符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)在高速暫存存儲(chǔ)器的第1、2字節(jié)。單片機(jī)可以通過單線接口讀出該數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)時(shí)低位在先，高位在后，數(shù)據(jù)格式以0.0625℃當(dāng)符號(hào)位S＝0時(shí)，表示測(cè)得的溫度值為正值，可以直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng)符號(hào)位S＝1時(shí)，表示測(cè)得的溫度值為負(fù)值，要先將補(bǔ)碼變成原碼，再計(jì)算十進(jìn)制數(shù)值。表1.2是一部分溫度值對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制溫度數(shù)據(jù)[6]。表2－4DS18B20溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間表R1R0分辨率/位溫度最大轉(zhuǎn)向時(shí)間/ms00993.750110187.510113751112750表2－5一部分溫度對(duì)應(yīng)值表溫度/℃二進(jìn)制表示十六進(jìn)制表示+125000001111101000007D0H+8500000101010100000550H+25.062500000001100100000191H+10.125000000001010000100A2H+0.500000000000000100008H000000000000010000000H-0.51111111111110000FFF8H續(xù)表2－5-10.1251111111101011110FF5EH-25.06251111111001101111FE6FH-551111110010010000FC90H4)CRC的產(chǎn)生

在64bROM的最高有效字節(jié)中存儲(chǔ)有循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC）。主機(jī)根據(jù)ROM的前56位來計(jì)算CRC值，并和存入DS18B20中的CRC值做比較，以判斷主機(jī)收到的ROM數(shù)據(jù)是否正確。另外，由于DS18B20單線通信功能是分時(shí)完成的，它有嚴(yán)格的時(shí)隙概念，因此讀寫時(shí)序很重要。系統(tǒng)對(duì)DS18B20的各種操作按協(xié)議進(jìn)行。操作協(xié)議為：初使化DS18B20（發(fā)復(fù)位脈沖）→發(fā)ROM功能命令→發(fā)存儲(chǔ)器操作命令→處理數(shù)據(jù)。3DS18B20溫度傳感器簡(jiǎn)介3.1溫度傳感器的歷史及簡(jiǎn)介溫度的測(cè)量是從金屬(物質(zhì))的熱脹冷縮開始。水銀溫度計(jì)至今仍是各種溫度測(cè)量的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)?？墒撬娜秉c(diǎn)是只能近距離觀測(cè)，而且水銀有毒，玻璃管易碎。代替水銀的有酒精溫度計(jì)和金屬簧片溫度計(jì)，它們雖然沒有毒性，但測(cè)量精度很低，只能作為一個(gè)概略指示。不過在居民住宅中使用已可滿足要求。在工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)研究中為了配合遠(yuǎn)傳儀表指示，出現(xiàn)了許多不同的溫度檢測(cè)方法，常用的有電阻式、熱電偶式、PN結(jié)型諧振型等。它們都是基于溫度變化引起其物理參數(shù)(如電阻值，熱電勢(shì)等)的變化的原理。隨著大規(guī)模集成電路工藝的提高，出現(xiàn)了多種集成的數(shù)字化溫度傳感器。3.2DS18B20的工作原理3.2.1DS18B20工作時(shí)序根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，主機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個(gè)步驟：1.每一次讀寫之前都必須要對(duì)DS18B20進(jìn)行復(fù)位；2.復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令；3.最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對(duì)DS18B20進(jìn)行預(yù)定的操作。復(fù)位要求主CPU將數(shù)據(jù)線下拉500微秒，然后釋放，DS18B20收到信號(hào)后等待15～60微秒左右后發(fā)出60～240微秒的存在低脈沖，主CPU收到此信號(hào)表示復(fù)位成功。其工作時(shí)序包括初始化時(shí)序、寫時(shí)序和讀時(shí)序，具體工作方法如圖2.1，2.2，2.3所示。(1)初始化時(shí)序圖3－1初始化時(shí)序總線上的所有傳輸過程都是以初始化開始的，主機(jī)響應(yīng)應(yīng)答脈沖。應(yīng)答脈沖使主機(jī)知道，總線上有從機(jī)設(shè)備，且準(zhǔn)備就緒。主機(jī)輸出低電平，保持低電平時(shí)間至少480us，以產(chǎn)生復(fù)位脈沖。接著主機(jī)釋放總線，4.7KΩ上拉電阻將總線拉高，延時(shí)15～60us，并進(jìn)入接受模式，以產(chǎn)生低電平應(yīng)答脈沖，若為低電平，再延時(shí)480us[12]。(2)寫時(shí)序圖3－2寫時(shí)序?qū)憰r(shí)序包括寫0時(shí)序和寫1時(shí)序。所有寫時(shí)序至少需要60us，且在2次獨(dú)立的寫時(shí)序之間至少需要1us的恢復(fù)時(shí)間，都是以總線拉低開始。寫1時(shí)序，主機(jī)輸出低電平，延時(shí)2us，然后釋放總線，延時(shí)60us。寫0時(shí)序，主機(jī)輸出低電平，延時(shí)60us，然后釋放總線，延時(shí)2us[8]。(3)讀時(shí)序圖3－3讀時(shí)序總線器件僅在主機(jī)發(fā)出讀時(shí)序是，才向主機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，所以，在主機(jī)發(fā)出讀數(shù)據(jù)命令后，必須馬上產(chǎn)生讀時(shí)序，以便從機(jī)能夠傳輸數(shù)據(jù)。所有讀時(shí)序至少需要60us，且在2次獨(dú)立的讀時(shí)序之間至少需要1us的恢復(fù)時(shí)間。每個(gè)讀時(shí)序都由主機(jī)發(fā)起，至少拉低總線1us。主機(jī)在讀時(shí)序期間必須釋放總線，并且在時(shí)序起始后的15us之內(nèi)采樣總線狀態(tài)。主機(jī)輸出低電平延時(shí)2us，然后主機(jī)轉(zhuǎn)入輸入模式延時(shí)12us，然后讀取總線當(dāng)前電平，然后延時(shí)50us[4]3.2.2當(dāng)主機(jī)收到DSl8B20的響應(yīng)信號(hào)后，便可以發(fā)出ROM操作命令之一，這些命令如表2.2：ROM操作命令。3.3DS18B20的測(cè)溫原理3.3.1DS18B20的測(cè)溫原理:每一片DSl8B20在其ROM中都存有其唯一的48位序列號(hào)，在出廠前已寫入片內(nèi)ROM中。主機(jī)在進(jìn)入操作程序前必須用讀ROM(33H)命令將該DSl8B20的序列號(hào)讀出。程序可以先跳過ROM，啟動(dòng)所有DSl8B20進(jìn)行溫度變換，之后通過匹配ROM，再逐一地讀回每個(gè)DSl8B20的溫度數(shù)據(jù)。DS18B20的測(cè)溫原理如圖2.4所示，圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給減法計(jì)數(shù)器1，高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其震蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為減法計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入，圖中還隱含著計(jì)數(shù)門，當(dāng)計(jì)數(shù)門打開時(shí)，DS18B20就對(duì)低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖后進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)而完成溫度測(cè)量。計(jì)數(shù)門的開啟時(shí)間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測(cè)量前，首先將-55℃所對(duì)應(yīng)的基數(shù)分別置入減法計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器中，減法計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在-55℃所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。減法計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)減法計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)溫度寄存器的值將加1，減法計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，減法計(jì)數(shù)器1重新開始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到減法計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度。圖2.3中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過程中的非線性，其輸出用于修正減法計(jì)數(shù)器的預(yù)置值，只要計(jì)數(shù)門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過程，直至溫度寄存器值達(dá)到被測(cè)溫度值.表3－1ROM操作命令指令約定代碼功能讀ROM33H讀DS18B20ROM中的編碼符合ROM55H發(fā)出此命令之后，接著發(fā)出64位ROM編碼，訪問單線總線上與該編碼相對(duì)應(yīng)的DS18B20使之作出響應(yīng)，為下一步對(duì)該DS18B20的讀寫作準(zhǔn)備搜索ROM0F0H用于確定掛接在同一總線上DS18B20的個(gè)數(shù)和識(shí)別64位ROM地址，為操作各器件作好準(zhǔn)備跳過ROM0CCH忽略64位ROM地址，直接向DS18B20發(fā)溫度變換命令，適用于單片工作。續(xù)表3－1告警搜索命令0ECH執(zhí)行后，只有溫度超過設(shè)定值上限或者下限的片子才做出響應(yīng)溫度變換44H啟動(dòng)DS18B20進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)間最長(zhǎng)為500MS，結(jié)果存入內(nèi)部9字節(jié)RAM中讀暫存器0BEH讀內(nèi)部RAM中9字節(jié)的內(nèi)容寫暫存器4EH發(fā)出向內(nèi)部RAM的第3，4字節(jié)寫上、下限溫度數(shù)據(jù)命令，緊跟讀命令之后，是傳送兩字節(jié)的數(shù)據(jù)復(fù)制暫存器48H將E2PRAM中第3，4字節(jié)內(nèi)容復(fù)制到E2PRAM中重調(diào)E2PRAM0BBH將E2PRAM中內(nèi)容恢復(fù)到RAM中的第3，4字節(jié)讀供電方式0B4H讀DS18B20的供電模式，寄生供電時(shí)DS18B20發(fā)送“0”，外接電源供電DS18B20發(fā)送“1”

另外，由于DS18B20單線通信功能是分時(shí)完成的，他有嚴(yán)格的時(shí)隙概念，因此讀寫時(shí)序很重要。系統(tǒng)對(duì)DS18B20的各種操作必須按協(xié)議進(jìn)行。操作協(xié)議為：初始化DS18B20（發(fā)復(fù)位脈沖）→發(fā)ROM功能命令→發(fā)存儲(chǔ)器操作命令→處理數(shù)據(jù)。減法計(jì)數(shù)器減法計(jì)數(shù)器斜坡累加器減到0減法計(jì)數(shù)器預(yù)置低溫度系數(shù)振蕩器高溫度系數(shù)振蕩器計(jì)數(shù)比較器預(yù)置溫度寄存器減到0圖3－4測(cè)溫原理內(nèi)部裝置3.3.2DS18B20的測(cè)溫流程初始化初始化DS18B20跳過ROM匹配溫度變換延時(shí)1S跳過ROM匹配讀暫存器轉(zhuǎn)換成顯示碼數(shù)碼管顯示圖3－5DS18B20測(cè)溫流程.4單片機(jī)接口設(shè)計(jì)4.1設(shè)計(jì)原則DS18B20可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式，此時(shí)DS18B20的1腳接地，2腳作為信號(hào)線，3腳接電源。另一種是寄生電源供電方式，如圖3.1所示單片機(jī)端口接單線總線，為保證在有效的DS18B20時(shí)鐘周期內(nèi)提供足夠的電流，可用一個(gè)MOSFET管來完成對(duì)總線的上拉。本設(shè)計(jì)采用電源供電方式，P1.1口接單線總線為保證在有效的DS18B20時(shí)鐘周期內(nèi)提供足夠的電流，可用一個(gè)MOSFET管和89S51的P1.0來完成對(duì)總線的上拉。當(dāng)DS18B20處于寫存儲(chǔ)器操作和溫度A/D變換操作時(shí)，總線上必須有強(qiáng)的上拉，上拉開啟時(shí)間最大為10μs。采用寄生電源供電方式是VDD和GND端均接地。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接收口必須是三狀態(tài)的。主機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過3個(gè)步驟：初始化；ROM操作指令；存儲(chǔ)器操作指令。4.2引腳連接4.2.1晶振電路單片機(jī)XIAL1和XIAL2分別接30PF的電容，中間再并個(gè)12MHZ的晶振，形成單片機(jī)的晶振電路。4.2.2串口引腳。18B20單片機(jī)18B20單片機(jī)P1.0P1.0VCCVCCGND圖4－1DS18B20與單片機(jī)的接口電路P2口中P2.0、P2.1、P2.2、P2.3分別接到顯示電路的4.7K電阻上，P2.5接蜂鳴器電路，其他引腳懸空P3口中P3.5、P3.6、P3.7接到按鍵電路4.2.3其它引腳ALE引腳懸空，復(fù)位引腳接到復(fù)位電路、VCC接電源、VSS接地、EA接電源5系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)5.1系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)5.1.1主板電路設(shè)計(jì)單片機(jī)的P1.0接DS18B20的2號(hào)引腳，P0口送數(shù)P2口掃描，P1.1、P1.2控制加熱器和電風(fēng)扇的繼電器。如附錄2。5.1.2各部分電路(1)顯示電路顯示電路采用了7段共陰數(shù)碼管掃描電路，節(jié)約了單片機(jī)的輸出端口，便于程序的編寫。圖5－1顯示電路圖(2)單片機(jī)電路圖5－2單片機(jī)電路引腳圖(3)DS18B20溫度傳感器電路圖5-3溫度傳感器電路引腳圖(4)繼電器電路圖中P1.1引腳控制加熱器繼電器.圖5-4繼電器電路圖(5)晶振控制電路圖5-5晶振控制電路圖(6)復(fù)位電路圖5-6復(fù)位電路圖5.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)5.2.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)整體思路一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)要完成各項(xiàng)功能，首先必須有較完善的硬件作保證。同時(shí)還必須得到相應(yīng)設(shè)計(jì)合理的軟件的支持，尤其是微機(jī)應(yīng)用高速發(fā)展的今天，許多由硬件完成的工作，都可通過軟件編程而代替。甚至有些必須采用很復(fù)雜的硬件電路才能完成的工作，用軟件編程有時(shí)會(huì)變得很簡(jiǎn)單，如數(shù)字濾波，信號(hào)處理等。因此充分利用其內(nèi)部豐富的硬件資源和軟件資源，采用與S51系列單片機(jī)相對(duì)應(yīng)的51匯編語(yǔ)言和結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法進(jìn)行軟件編程。程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言有三種：機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言。機(jī)器語(yǔ)言是機(jī)器唯一能“懂”的語(yǔ)言，用匯編語(yǔ)言或高級(jí)語(yǔ)言編寫的程序（稱為源程序）最終都必須翻譯成機(jī)器語(yǔ)言的程序（成為目標(biāo)程序），計(jì)算機(jī)才能“看懂”，然后逐一執(zhí)行。高級(jí)語(yǔ)言是面向問題和計(jì)算過程的語(yǔ)言，它可通過于各種不同的計(jì)算機(jī)，用戶編程時(shí)不必仔細(xì)了解所用的計(jì)算機(jī)的具體性能與指令系統(tǒng)，而且語(yǔ)句的功能強(qiáng)，常常一個(gè)語(yǔ)句已相當(dāng)于很多條計(jì)算機(jī)指令，于是用高級(jí)語(yǔ)言編制程序的速度比較快，也便于學(xué)習(xí)和交流，但是本系統(tǒng)卻選用了匯編語(yǔ)言。原因在于，本系統(tǒng)是編制程序工作量不大、規(guī)模較小的單片機(jī)微控制系統(tǒng)，使用匯編語(yǔ)言可以不用像高級(jí)語(yǔ)言那樣占用較多的存儲(chǔ)空間，適合于存儲(chǔ)容量較小的系統(tǒng)。同時(shí)，本系統(tǒng)對(duì)位處理要求很高，需要解決大量的邏輯控制問題。MCS—51指令系統(tǒng)的指令長(zhǎng)度較短，它在存儲(chǔ)空間和執(zhí)行時(shí)間方面具有較高的效率，編成的程序占用內(nèi)存單元少，執(zhí)行也非常的快捷，與本系統(tǒng)的應(yīng)用要求很適合。而且MCS—51指令系統(tǒng)有豐富的位操作（或稱位處理）指令，可以形成一個(gè)相當(dāng)完整的位操作指令子集，這是MCS—51指令系統(tǒng)主要的優(yōu)點(diǎn)之一。對(duì)于要求反應(yīng)靈敏與控制及時(shí)的工控、檢測(cè)等實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)以及要求體積小、系統(tǒng)小的許多“電腦化”產(chǎn)品，可以充分體現(xiàn)出匯編語(yǔ)言簡(jiǎn)明、整齊、執(zhí)行時(shí)間短和易于使用的特點(diǎn)。本裝置的軟件包括主程序、讀出溫度子程序、復(fù)位應(yīng)答子程序、寫入子程序、以及有關(guān)DS18B20的程序（初始化子程序、寫程序和讀程序）5.2.2系統(tǒng)程序流圖系統(tǒng)程序主要包括主程序，讀出溫度子程序，復(fù)位應(yīng)答子程序，寫入子程序等。1）主程序主程序的主要功能是負(fù)責(zé)溫度的實(shí)時(shí)顯示、讀出并處理DS18B20的測(cè)量的當(dāng)前溫度值，溫度測(cè)量每1s進(jìn)行一次。這樣可以在一秒之內(nèi)測(cè)量一次被測(cè)溫度，其程序流程見圖19所示。通過調(diào)用讀溫度子程序把存入內(nèi)存儲(chǔ)中的整數(shù)部分與小數(shù)部分分開存放在不同的兩個(gè)單元中，然后通過調(diào)用顯示子程序顯示出來圖5-7主程序流程圖DS18B20復(fù)位、應(yīng)答子程序DS18B20復(fù)位、應(yīng)答子程序跳過ROM匹配命令跳過ROM匹配命令寫入子程序?qū)懭胱映绦驕囟绒D(zhuǎn)換命令溫度轉(zhuǎn)換命令寫入子程序?qū)懭胱映绦蝻@示子程序(延時(shí))顯示子程序(延時(shí))DS18B20復(fù)位、應(yīng)答子程序DS18B20復(fù)位、應(yīng)答子程序跳過ROM匹配命令 跳過ROM匹配命令寫入子程序?qū)懭胱映绦蜃x溫度命令子程序讀溫度命令子程序終終止圖5-8讀出溫度子程序2）讀出溫度子程序讀出溫度子程序的主要功能是讀出RAM中的9字節(jié)，在讀出時(shí)需進(jìn)行CRC校驗(yàn)，校驗(yàn)有錯(cuò)時(shí)不進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的改寫。DS18B20的各個(gè)命令對(duì)時(shí)序的要求特別嚴(yán)格，所以必須按照所要求的時(shí)序才能達(dá)到預(yù)期的目的，同時(shí)，要注意讀進(jìn)來的是高位在后低位在前，共有12位數(shù)，小數(shù)4位，整數(shù)7位，還有一位符號(hào)位。3）復(fù)位、應(yīng)答子程序P1.0口清0開始P1.0口清0開始延時(shí)537US延時(shí)537USP1.0口置1P1.0口置1否50US是否有低電平否50US是否有低電平是標(biāo)志位置1P1.0口置1有234US低電平標(biāo)志位置1是標(biāo)志位置1P1.0口置1有234US低電平標(biāo)志位置1終止終止圖5-9復(fù)位、應(yīng)答子程序4）寫入子程序開始開始進(jìn)位C清0進(jìn)位C清0終止R2是否為0P1.0置0延時(shí)46US帶進(jìn)位右移延時(shí)12USP1.0清0終止R2是否為0P1.0置0延時(shí)46US帶進(jìn)位右移延時(shí)12USP1.0清0 圖5-10寫入子程序5)系統(tǒng)總的流程圖開始開始初始化DS18B20顯示當(dāng)前溫度判斷當(dāng)前溫度值超過設(shè)定溫度上限啟動(dòng)風(fēng)扇降低溫度紅燈亮設(shè)定溫度上、下限啟動(dòng)電熱爐升高溫度是否低于設(shè)定溫度下限是綠燈亮否圖5-11系統(tǒng)總的流程圖5.3調(diào)試主程序的功能是：?jiǎn)?dòng)DS18B20測(cè)量溫度，將測(cè)量值與給定值進(jìn)行比較，若測(cè)得溫度小于設(shè)定值0℃，則進(jìn)入加熱階段，置P1.1為低電平，這期間繼續(xù)對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，直到溫度在設(shè)定范圍內(nèi)，置P1.1為高電平斷開可控硅，關(guān)閉加熱器，等待下一次的啟動(dòng)命令。當(dāng)測(cè)得溫度大于設(shè)定值50℃，則進(jìn)入降溫階段，則置P1.2為低電平，這期間繼續(xù)對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，直到溫度在設(shè)定范圍內(nèi)，置P1.2為高電平斷開，關(guān)閉風(fēng)扇，等待下一次的啟動(dòng)命令。而且