基于單片機的水箱水位控制系統(tǒng)

基于單片機的水箱水位控制系統(tǒng)摘要大型水箱是很多公司生產(chǎn)過程中必不可少的部件，它的性能和工作質量的優(yōu)良不僅僅對生產(chǎn)有著巨大的影響，而且也關系著生產(chǎn)的平安。在過去，大量的對水箱操作是由相應的人員進行操作的，這樣的人工方式帶來了很大的弊端，比方水位的控制，時刻監(jiān)控水箱的環(huán)境，夜間的監(jiān)控等等，操作員稍有疏忽，或者簡易的監(jiān)那么器件損壞，將帶來無法彌補的損失，更嚴重的會危機到生產(chǎn)人員的人身平安等。所以，對水箱控制，如果能夠使用精密的而且完全會嚴格按照生產(chǎn)規(guī)定運行的自動化系統(tǒng)，可以最大限度的防止事故的幾率，同時也能節(jié)省資源并能有效提高生產(chǎn)的效率。本單片機系統(tǒng)設計的目的是應用單片機控制技術，以8051單片機為核心控制水箱的水位，并實現(xiàn)了報警和手動、自動切換功能。該系統(tǒng)操作方便、性能良好，比擬符合電廠生產(chǎn)用水系統(tǒng)控制的需要。關鍵詞：單片機水位控制報警BasedonthesinglechipmicrocomputercontrolsystemofthewatertankAbstractLargewatertanksarealotofcompaniesessentialtotheproductionprocessofparts,itsperformanceandthequalityofworknotonlyonproductionofthefinehasenormousinfluence,butalsothesafetyofproduction.Inthepast,manyofthetanksareoperatedbythestafftooperate,sothatartificialmeansalotofdrawbacks,suchasthewaterlevelcontrol,watertanksatalltimestomonitortheenvironment,andsoonthenightofmonitoring,theoperatorslightlynegligence,ordamagetotheSummaryofthemonitoringdevicewillbringirreparabledamagewillbeevenmoreseriouscrisisinproduction,suchasthepersonalsafetyofstaff.Therefore,controlofwatertanks,iftheuseofsophisticatedandcantotallyberuninstrictaccordancewiththeprovisionsoftheautomatedproductionsystemthatcanmaximizethechancesofavoidingaccidents,butalsosaveresourcesandcaneffectivelyimprovetheefficiencyofproduction.Thepurposeofsingle-chipsystemdesignistheapplicationofsingle-chipcontroltechnology,to8051asthecoretocontrolthewaterlevelinwatertanks,andimplementationofthealarmandmanual,automaticswitchingfunction.Thesystemiseasytooperate,goodperformance,moreinlinewiththepowertocontroltheproductionofthenecessarywatersystem.Keywords:Single-chiplevelControlAlarm目錄1緒論11.1水箱控制系統(tǒng)研究背景及意義11.1.1水箱控制系統(tǒng)研究背景11.1.2水箱控制系統(tǒng)研究意義11.2水箱控制系統(tǒng)國內外研究現(xiàn)狀21.3水箱水位控制系統(tǒng)研究開展方向32單片機水箱控制系統(tǒng)原理42.180C51單片機控制系統(tǒng)原理42.1.180C51單片機水箱控制系統(tǒng)工作原理42.1.280C51單片機控制局部結構說明52.1.380C51引腳電路及其功能103系統(tǒng)硬件設計133.180C51單片機水箱控制系統(tǒng)硬件簡介133.1.1數(shù)據(jù)采集及處理模塊133.1.2時序163.1.3光電隔離173.1.4給水泵電機主控回路介紹203.1.5二級管顯示電路設計213.280C51水箱控制系統(tǒng)主控硬件部署方案213.2.180C51單片機實現(xiàn)系統(tǒng)功能說明223.2.2相關器件223.2.3相關電路224系統(tǒng)軟件設計274.1程序概要設計274.2系統(tǒng)程序原理27系統(tǒng)主要程序及流程框圖274.2.2自動模式子程序原理及流程框圖284.2.2手動模式子程序原理及流程框圖305調試仿真356總結與展望40參考文獻41致謝431緒論1.1水箱水位控制系統(tǒng)研究背景及意義水箱水位控制系統(tǒng)研究背景在工農業(yè)生產(chǎn)中，常常需要控制液體水位。隨著國家工業(yè)的迅速開展，水位控制技術被廣泛應用到石油、化工、醫(yī)藥、食品等各行各業(yè)中。低溫液體〔液氧、液氮、液氬、液化天然氣及液體二氧化碳等〕得到廣泛的應用，作為貯存低溫液體的容器要保證能承受其載荷；在發(fā)電廠、煉鋼廠中，保持正常的鍋爐汽包水位、除氧器水位、汽輪機凝氣器水位、高、低壓加熱器水位等，是設備平安運行的保證；在教學與科學研究中，也經(jīng)常碰到需要進行水位控制的實驗裝置。水箱水位控制系統(tǒng)研究意義大型水箱是很多公司生產(chǎn)過程中必不可少的部件，它的性能和工作質量的優(yōu)良不僅僅對生產(chǎn)有著巨大的影響，而且也關系著生產(chǎn)的平安。在過去，大量的對水箱操作是由相應的人員進行操作的，這樣的人工方式帶來了很大的弊端，比方水位的控制，時刻監(jiān)控水箱的環(huán)境，夜間的監(jiān)控等等，操作員稍有疏忽，或者簡易的監(jiān)那么器件損壞，將帶來無法彌補的損失，更嚴重的會危機到生產(chǎn)人員的人身平安等。所以，對水箱控制，如果能夠使用精密的而且完全會嚴格按照生產(chǎn)規(guī)定運行的自動化系統(tǒng)，可以最大限度的防止事故的幾率，同時也能節(jié)省資源并能有效提高生產(chǎn)效率。從水資源節(jié)約方面考慮，以往的人工控制在很多情況下，造成資源不必要的浪費，大局部原因是水箱內部水位沒有及時的反應信息到操作員，從而使控制上有一定的延遲，從而造成了水量過多或者沒能及時補水而導致資源的浪費或生產(chǎn)出現(xiàn)異常。而對水箱水位的監(jiān)控以及自動化的引入可以很好的改善補水過多和及時補水的情況，可以很好的節(jié)約資源有效的降低本錢。單片機，一小塊芯片上集成了一個微型計算機的各個組成局部，它的誕生使眾多自動化控制系統(tǒng)得以實現(xiàn)。80C51以它功能強大，設計簡單，制造廉價，支持指令集較多。所以應用到眾多嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中。因此，基于80C51單片機的水箱水位控制系統(tǒng)研究有著重要的意義。水位控制一般指對某一水位進行控制調節(jié)，使其到達所要求的控制精度。液體的水位自動控制，是近年來新開發(fā)的一項新技術，它是微型計算機軟件、硬件、自動控制等幾項技術緊密結合的產(chǎn)物，工程作業(yè)采用的是微機控制和原有的儀表控制，危機控制有以下明顯優(yōu)勢：1〕直觀而集中的顯示運行參數(shù)，能顯示水位狀態(tài)。2〕在運行中可以隨時方便的修改各種各樣的運行參數(shù)的控制值，并修改系統(tǒng)的控制參數(shù)，可以方便的改變水位的上限、下限。3〕具有水體控制過程的自動化處理以及監(jiān)控軟件良好的人機界面，操作人員在監(jiān)控計算機上能根據(jù)控制效果及時修改運行參數(shù)，這樣能有效地減少工人的疲勞和失誤，提高生產(chǎn)過程的實時性、平安性。綜合以上的種種優(yōu)點可以預見采用計算機控制系統(tǒng)是行業(yè)的大勢所趨。單片機在一塊芯片上集成了一片微型計算機所需的CPU、存儲器、輸入、輸出等部件。單片機自問世以來，性能不斷提高和完善，體積小、速度快、功耗低的特點使它的應用領域日益廣泛。一般工業(yè)控制系統(tǒng)的工作環(huán)境差，干擾強，利用單片機控制就能克服這些缺點，因此單片機在控制領域得到廣泛的應用，使用單片機控制水箱水位是很好的選擇。1.2水箱水位控制系統(tǒng)國內外研究現(xiàn)狀目前，水箱控制系統(tǒng)已不僅僅局限于大型的電廠、煤炭、鋼鐵等大型企業(yè)領域，它以自身的自動化控制系統(tǒng)的平安優(yōu)勢，已經(jīng)慢慢深入到一些民用水箱產(chǎn)品。但是目前階段，它的本錢還很高。比方把一臺純手工家用水箱設計成自動化控制的水箱，從硬件的設計和鋪設，對于民用化產(chǎn)品實施的性價比擬高。因此大規(guī)模的使用仍受到經(jīng)濟上的限制。但是，從長遠來看，隨著自動化技術的改良和硬件本錢的降低，以及人們對資源浪費的重視。水箱控制系統(tǒng)仍然有大規(guī)模推廣的前景。我國仍然處于生產(chǎn)型開展中國家，所有幾乎在能源相關的所有領域中，水箱是比不可少的部件，即使是興旺國家也不例外。它性能的優(yōu)良與否關系直接關系到企業(yè)的生產(chǎn)平安和效益。隨著我國嵌入式技術的開展，我國控制系統(tǒng)技術已經(jīng)到達國際水平，但是在中小型企業(yè)以及民用產(chǎn)品，大量的水箱控制任然通過專職的人員進行控制。隨著我國單片機開發(fā)技術的逐漸成熟，以及單片機生產(chǎn)本錢的下降，基于單片機的水箱控制系統(tǒng)應用到中小型以及民用產(chǎn)品有著交大的開展空間[1]。而且越來越多的水箱生產(chǎn)廠商開始聘用單片機開發(fā)人員和電路設計人員，將控制系統(tǒng)成為水箱設計的一局部，以提高自身產(chǎn)品的平安性能和科技含量來提高產(chǎn)品在市場中的競爭力。一些興旺國家在單片機新型系統(tǒng)研究、制造和應用上，已經(jīng)積累了很多的經(jīng)驗，奠定了根底，進入了國際市場。我國在新型測控裝置與系統(tǒng)研究、制造、應用和經(jīng)驗上，與其他興旺國家相比還存在差距，但是我國研究人員已經(jīng)克服很多困難，并在不斷摸索中前進，有望在相關領域趕上甚至超越興旺國家的技術水平，這是開展趨勢。1.3水箱水位控制系統(tǒng)研究開展方向縱觀我們現(xiàn)在生活的各個領域，從導彈的導航裝置，到飛機上各種儀表的控制，從計算機的網(wǎng)絡通訊與數(shù)據(jù)傳輸，到工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理，以及我們生活中廣泛使用的各種智能IC卡、電子寵物等，這些都離不開單片機。以前沒有單片機時，這些東西也能做，但是只能使用復雜的模擬電路，然而這樣做出來的產(chǎn)品不僅體積大，而且本錢高，并且由于長期使用，元器件不斷老化，控制的精度自然也會達不到標準。在單片機產(chǎn)生后，我們就將控制這些東西變?yōu)橹悄芑?，我們只需要在單片機外圍接一點簡單的接口電路，核心局部只是由人為的寫入程序來完成。這樣產(chǎn)品的體積變小了，本錢也降低了，長期使用也不會擔憂精度達不到了。所以，它的魔力不僅是在現(xiàn)在，在將來將會有更多的人來接受它、使用它。據(jù)統(tǒng)計，我國的單片機年容量已達3億片，且每年以大約20%的速度增長，但相對于世界市場我國的占有率還不到1%[2]。特別是沿海地區(qū)的玩具廠等生產(chǎn)產(chǎn)品多數(shù)用到單片機，并不斷地輻射向內地。所以，學習單片機在我國是有著廣闊前景的。2單片機水箱控制系統(tǒng)原理2.180C51單片機控制系統(tǒng)原理本論文主要研究水箱水位控制器系統(tǒng)。實現(xiàn)了水位報警和手動、自動切換功能。操作方便、性能良好。水箱給水設備系統(tǒng)由兩臺給水泵機組、水箱和三只浮球開關組成，其系統(tǒng)結構如圖2.1：圖2.1水箱給水系統(tǒng)結構其中M1、M2為給水泵機組，LG、LD、LDD分別為水位高、水位低、水位低低浮球開關，當水位高〔大于90%〕時，LG閉合，當水位低〔小于75%〕時，LD閉合，當水位低低〔小于50%〕時，LDD閉合。2.1.180C51單片機水箱控制系統(tǒng)工作原理當水箱水位低時，起動M1、M2給水，水位上升到90%，停M1；當水箱水位低低〔小于50%〕時，同時起動M1、M2；當水位上升到50%以上75%以下時，停M2，M1繼續(xù)運行到水位上升到90%以上才停止工作。經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計，得到以下數(shù)據(jù)：水位從50%--75%，兩臺泵運行需要約10分鐘；水位從75%--90%，一臺泵運行需要約15分鐘。水箱的水位一般保持在75%--90%。報警控制如下：當水位高于90%的時候，由傳感器經(jīng)變送器發(fā)送信號，LG閉合，系統(tǒng)水位高報警。當水位低于75%的時候，由傳感器經(jīng)變送器發(fā)送信號，LD閉合，系統(tǒng)水位低報警。當水位低于50%的時候，由傳感器經(jīng)變送器發(fā)送信號，LDD閉合，系統(tǒng)水位低低報警。手動/自動模式轉換控制如下：全自動模式下，系統(tǒng)自動判斷水位的狀況，選擇不同的工作狀態(tài)。手動的模式下，兩臺給水泵的運行控制可由人工自己操作。其局部原理圖如圖2.2所示圖2.2水位控制電路原理圖開關K1,K2,K3,K4,K5,K6分別與單片機引腳P3.0,P3.1,P3.2,P3.3,P3.4,P3.5相連，他們的功能分別是：K1:DD自動正轉加水M1M2;K2:手動反轉抽水M1M2;K3:GG自動停止M1M2;K4:手動正轉加水M1M2;K5:手動停止;K6:D自動正轉加水M1.2.1.280C51單片機控制局部結構說明MCS-51是Intel公司生產(chǎn)的一個單片機系列的名稱。該公司繼1976年推出MCS-48系列8位單片機之后，又于1980年推出了MCS-51系列高檔8位單片機。屬于這一系列的單片機芯片有個單片機系統(tǒng)有以下幾局部組成：〔1〕一個8位的微處理器(CPU)?！?〕片內數(shù)據(jù)存儲器RAM(128B/256B)，用以存放可以讀/寫的數(shù)據(jù)，如運算的中間結果，最終結果以及欲顯示的數(shù)據(jù)等?！?〕片內程序存儲器ROM/EPROM(4KB/8KB)，用以存放程序，一些原始數(shù)據(jù)和表格。但也有一些單片機內部不帶ROM/EPROM，如8031，8032等?！?〕四個8位并行I/O接口P0～P3，每個口既可以用作輸入，也可以用作輸出?！?〕兩個定時器/計數(shù)器，每個定時器/計數(shù)器都可以設置成計數(shù)方式，用以對外部件進行計數(shù)，也可以設置成定時方式，并可以根據(jù)計數(shù)或定時的結果實現(xiàn)計算機的控制?！?〕五個中斷源的中斷控制系統(tǒng)?！?〕一個全雙工UART〔通用異步接收發(fā)送器〕的串行I/O口，用于實現(xiàn)單片機之間或單片機與微機之間的串行通信?！?〕片內振蕩器和時鐘產(chǎn)生電路，但石英晶體和微調電容需要外接。最高允許振蕩頻率為12MHZ。以上各局部是通過內部數(shù)據(jù)總線相連接的。其中，CPU是單片機的核心，是計算機的控制和指揮中心，有運算器和控制器等部件組成。運算器包括一個可進行8位算術運算和邏輯運算的單元ALU，8位的暫存器1，暫存器2，8位的累加器ACC，存放器B和程序狀態(tài)存放器PSW等.累加器ACC經(jīng)常作為一個運算數(shù)經(jīng)暫存器2進入的輸入端，與另一個來自暫存器1的運算數(shù)進行運算，運算結果又回送ACC。除此之外，ACC在8051內部經(jīng)常作為數(shù)據(jù)傳送的中轉站。同一般微處理器一樣，它是最繁忙的一個存放器了。在指令中助記符A來表示?？刂破靼ǔ绦蛴嫈?shù)器，指令存放，指令譯碼，振蕩器及定時電路等。程序計數(shù)器有兩個8位的計數(shù)器組成，共16位。它實際上是程序的字節(jié)地址計數(shù)器，PC中內容是將要執(zhí)行的下一條指令地址。改變它的內容就可改變程序執(zhí)行的方向。在8051單片機內有振蕩電路，只需外接石英晶體和頻率微調電容，其頻率范圍是1.2MHZ～12MHZ.該脈沖信號就作為8051工作的根本節(jié)拍，即時間的最小單位。8051片內有ROM〔程序存儲器，只能讀〕和RAM〔數(shù)據(jù)存儲器，可讀可寫〕兩類,它們有各自獨立的存儲地址空間，與一般微機的存儲器配置方式不相同。程序存儲器8051及8751的片內程序存儲器容量為4KB，地址從0000H開始，用于存放程序和表格常數(shù)。數(shù)據(jù)存儲器8051及8751、8031片內數(shù)據(jù)存儲器均為128B，地址偽007FH，用于存放運算的中間結果，數(shù)據(jù)暫存以及數(shù)據(jù)緩沖等。在這128B的RAM中，有32個字節(jié)單元可指定為工作存放器，這同一般微處理器不同，8051的片內RAM和工作存放器排在一個隊列里同一編址。另外MCS-51系列單片機與一般微機的存儲器配置方式很不相同。一般微機通常只有一個地址空間，ROM和RAM可以隨意安排在這一地址范圍內不同空間，即ROM和RAM的地址同在一個隊列里分配不同的地址空間。訪問存儲器時，一個地址對應唯一的存儲器單元，可以是ROM，也可以是RAM，并用同類訪問指令。此種存儲器結構稱為普林斯頓結構。8051的存儲器在物理結構上分為程序存儲器空間和數(shù)據(jù)存儲器空間，共有四個存儲空間：片內程序存儲和片外程序存儲空間以及片內數(shù)據(jù)存儲器和片外數(shù)據(jù)存儲器空間，這種程序器和數(shù)據(jù)存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開的結構形式，稱為哈佛結構。但從用戶使用角度，8051存儲器地址空間分為三類[3]：〔1)片內，片外統(tǒng)一編址0000H～FFFFH〔用16位地址〕。〔2)64KB片外數(shù)據(jù)存儲器地址空間，地址也從0000H～FFFFH〔用16位地址〕編址?！?)256B數(shù)據(jù)存儲器地址空間〔用8位地址〕。前述的三個存儲器空間地址是重疊的，為了區(qū)分起見在8051的指令系統(tǒng)設計了不同數(shù)據(jù)傳送指令符號：CPU訪問片內，片外ROM指令用MOVC，訪問片外RAM指令用MOVX，訪問片內RAM指令用MOV。8051單片機有四個8位并行I/O端口，稱P0,P1,P2和P3。每個端口都是8位準雙向口，共占32只引腳。每一條I/O線都能獨立地用作輸入和輸出。每個端口都包括一個鎖存器〔即特殊功能存放器〕，一個輸出驅動器和一輸入緩沖器。作輸出時數(shù)據(jù)可以鎖存，作輸入時數(shù)據(jù)可以緩沖，但這四個通道的功能不完全相同。在無片外擴展存儲器的系統(tǒng)中，這四個端口都可以作為準雙向通用I/O口使用。在具有片外擴展存儲器的系統(tǒng)中，P2口送出高8位地址；P0口為雙向總線，分時送出低8位地址和數(shù)據(jù)的輸入/輸出。8051單片機四個I/O端口的電路設計非常巧妙。熟悉I/O端口邏輯電路，不但有利于正確合理地使用端口，而且會對設計單片機外圍邏輯電路有所啟發(fā)。端口的負載能力和接口都有一定要求，由于P0口的輸出級與P1～P3口的輸出級在結構上是不同的，因此，它門的負載能力和接口要求也各不相同。P0口與其他口不同，它的輸出級無上拉電阻。當把它用作通用口使用時，輸出級是開漏電路，故用其輸出去驅動NMOS輸入時需外接上拉電阻。用作輸入時，應先向口鎖存器寫“1〞。P0口的每一位輸出可驅動8個LS型TTL負載.P1口也是一個準雙向口，用作通用I/O。其電路的輸出局部與P0口不同，內部有上拉負載電阻與電源相連。實質上，電阻是兩個場效應管FET并在一起：一個FET為負載管，其電阻固定。另一個可工作在導止或截止兩種狀態(tài)，使其總電阻值變化近似0或阻值很大兩種情況。當電阻近似為0時，可將引腳快速上拉至高電平；當電阻值很大時，P1口為高阻輸入狀態(tài)。當P1口輸出高電平時，能向外提供拉電流負載，所以不必再接上拉電阻。在端口用作輸入時，也必須先向對應的鎖存器寫入1，使FET截止。由于片內負載電阻較大約20千歐姆～40千歐姆，所以不會對輸入的數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。P2口某位的結構與P0口類似，有MUX開關。驅動局部與口類似，但比P1口多了一個轉換控制局部。P3口是一個多功能端口，它比P1口多了“與非〞門3和緩沖器4。正是這兩局部，使得它除了具有P1口的準雙向功能之外，還可以使用各引腳所具有的第二功能?！芭c非〞門3的作用實際上是一個開關，決定是輸出鎖存器上的數(shù)據(jù)還是輸出第二功能的信號。當W=1時，輸出Q端信號；當Q=1時，可輸出W線信號。編程時，可不必軟件設置P3口為第一功能還是第二功能。當CPU對P3口進行SFR尋址〔位或字節(jié)〕訪問時，有內部硬件自動將第二功能輸出/輸入線時，有內部硬件鎖存器Q=1。P3口的工作原理與P1口類似。P1～P3口的輸出級接有內部上拉負載電阻，它們的每一位輸出可驅動4個LS型TTL負載。作為輸入口時，任何TTL或NMOS電路都能以正常的方式驅動8051單片機的P1～P3口。由于它們的輸出級具有上拉電阻，也可以被集電極開路或漏極開路所驅動，而無需外接上拉電阻。I/O口也都是準雙向口。作為輸入時，必須先對相應端口鎖存器寫1。對于80C51單片機，端口只能提供幾毫安的輸出電流，故當作輸出口去驅動一個普通晶體管的基極時，應在端口與晶體管基極間串聯(lián)一個電阻，以限制高電平輸出時的電流。復位是單片機的初始化操作。其主要功能是把PC初始化為0000H，使單片機從0000H單元開始執(zhí)行程序。除了進入系統(tǒng)的正常初始化之外，當由于程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為擺脫困境，也需按復位鍵重新啟動。在8051中RST引腳是復位信號的輸入端。復位信號是高電平有效，其有效時間應持續(xù)24個振蕩周期〔即二個機器周期〕以上。假設使用頻率6兆赫茲的晶振，那么復位信號持續(xù)時間應超過4微妙才能完成復位操作。圖2.3產(chǎn)生復位信號的電路邏輯圖整個復位電路包括芯片內、外兩局部。外部電路產(chǎn)生的復位信號(RST)送至施密特觸發(fā)器，再有片內復位電路在每個機器周期的S5P2時刻對施密特觸發(fā)器的輸出進行采樣，然后才得到內部復位操作所需的信號。一般復位電路中的電阻，電容參數(shù)適用于6晶振，能保證復位信號高電平持續(xù)時間大于2個機器周期。復位電路雖然簡單，但其作用非常重要。一個單片機系統(tǒng)能否正常運行，首先要檢查是否能復位成功。初步檢查可用示波器探頭監(jiān)視引腳，按下復位鍵，觀察是否有足夠幅度的波形輸出〔瞬時的〕，還可以通過改變復位電路阻容值進行實驗。本系統(tǒng)采用8051單片機，引腳具體控制如下：P1口和P3口為輸入輸出檢那么信號和控制信號。P1.0：水位低低輸入信號?！驳?，高1〕

P1.1：水位低輸入信號。〔低0，高1〕P1.2：水位高輸入信號?！哺?，低0〕P1.3：手動與自動轉換輸入信號?！彩謩?，自動0〕P1.4：M1起動KM1控制輸出信號?！彩謩?，自動0〕P1.5：M2起動KM1控制輸出信號?！彩謩?，自動0〕P1.6：M1開關狀態(tài)輸入信號?！查_0，關1〕P1.7：M2開關狀態(tài)輸入信號?！查_0，關1〕P3.0：水位低低報警輸出信號。P3.1：水位低報警輸出信號。P3.2：水位高報警輸出信號。P3.4：手動起動M1輸入信號，低電頻有效動作。P3.5：手動起動M2輸入信號，低電頻有效動作。P3.6：手動停M1輸入信號，低電頻有效動作。P3.7：手動停M2輸入信號，低電頻有效動作。2.1.380C51引腳電路及其功能MCS—51系列單片機的40個引腳中有2個專用于主電源引腳，2個外接晶振的引腳，4個控制或與其它電源復用的引腳，以及32條輸入輸出I/O引腳[4]。下面按引腳功能分為4個局部表達個引腳的功能。①電源引腳Vcc和VssVcc〔40腳〕：接+5V電源正端；Vss〔20腳〕：接+5V電源正端。②外接晶振引腳XTAL1和XTAL2XTAL1〔19腳〕：接外部石英晶體的一端。在單片機內部，它是一個反相放大器的輸入端，這個放大器構成采用外部時鐘時，對于HMOS單片機，該引腳接地；對于CHOMS單片機，該引腳作為外部振蕩信號的輸入端。XTAL2〔18腳〕：接外部晶體的另一端。在單片機內部，接至片內振蕩器的反相放大器的輸出端。當采用外部時鐘時，對于HMOS單片機，該引腳作為外部振蕩信號的輸入端。對于CHMOS芯片，該引腳懸空不接。③控制信號或與其它電源復用引腳控制信號或與其它電源復用引腳有RST/VPD、ALE/P、PSEN和EA/VPP等4種形式?！睞〕．RST/VPD〔9腳〕：RST即為RESET，VPD為備用電源，所以該引腳為單片機的上電復位或掉電保護端。當單片機振蕩器工作時，該引腳上出現(xiàn)持續(xù)兩個機器周期的高電平，就可實現(xiàn)復位操作，使單片機復位到初始狀態(tài)。當VCC發(fā)生故障，降低到低電平規(guī)定值或掉電時，該引腳可接上備用電源VPD〔+5V〕為內部RAM供電，以保證RAM中的數(shù)據(jù)不喪失。〔B〕．ALE/P〔30腳〕：當訪問外部存儲器時，ALE〔允許地址鎖存信號〕以每機器周期兩次的信號輸出，用于鎖存出現(xiàn)在P0口的低〔C〕．PSEN(29腳):片外程序存儲器讀選通輸出端,低電平有效。當從外部程序存儲器讀取指令或常數(shù)期間，每個機器周期PESN兩次有效，以通過數(shù)據(jù)總線口讀回指令或常數(shù)。當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器期間，PESN信號將不出現(xiàn)?！睤〕．EA/Vpp〔31腳〕：EA為訪問外部程序儲器控制信號，低電平有效。當EA端保持高電平時，單片機訪問片內程序存儲器4KB〔MS—52子系列為8KB〕。假設超出該范圍時，自動轉去執(zhí)行外部程序存儲器的程序。當EA端保持低電平時，無論片內有無程序存儲器，均只訪問外部程序存儲器。對于片內含有EPROM的單片機，在EPROM編程期間，該引腳用于接21V的編程電源Vpp。④輸入/輸出〔I/O〕引腳P0口、P1口、P2口及P3口(A).P0口〔39腳～22腳〕：P0.0～P0.7統(tǒng)稱為P0口。當不接外部存儲器與不擴展I/O接口時，它可作為準雙向8位輸入/輸出接口。當接有外部程序存儲器或擴展I/O口時，P0口為地址/數(shù)據(jù)分時復用口。它分時提供8位雙向數(shù)據(jù)總線。對于片內含有EPROM的單片機，當EPROM編程時，從P0口輸入指令字節(jié)，而當檢驗程序時，那么輸出指令字節(jié)。(B).P1口〔1腳～8腳〕：P1.0～P1.7統(tǒng)稱為P1口，可作為準雙向I/O接口使用。對于MCS—52子系列單片機，P1.0和P1.1還有第2功能：P1.0口用作定時器/計數(shù)器2的計數(shù)脈沖輸入端T2；P1.1用作定時器/計數(shù)器2的外部控制端T2EX。對于EPROM編程和進行程序校驗時，P0口接收輸入的低8位地址。(C).P2口〔21腳～28腳〕：P2.0～P2.7統(tǒng)稱為P2口，一般可作為準雙向I/O接口。當接有外部程序存儲器或擴展I/O接口且尋址范圍超過256個字節(jié)時，P2口用于高8位地址總線送出高8位地址。對于EPROM編程和進行程序校驗時，P2口接收輸入的8位地址。(D).P3口〔10腳～17腳〕：P3.0～P3.7統(tǒng)稱為P3口。它為雙功能口，可以作為一般的準雙向I/O接口，也可以將每1位用于第2功能，而且P3口的每一條引腳均可獨立定義為第1功能的輸入輸出或第2功能。P3口的第2功能見表2.1。表2.1單片機P3.0管腳含義綜上所述，MCS—51系列單片機的引腳作用可歸納為以下兩點[4]：

1.單片機功能多，引腳數(shù)少，因而許多引腳具有第2功能；

2.單片機對外呈3總線形式，由P2、P0口組成16位地址總線；由P0口分時復用作為數(shù)據(jù)總線。附:89C51的引腳如圖圖2.451單片機引腳分布3系統(tǒng)硬件設計3.180C51單片機水箱控制系統(tǒng)硬件簡介3.1.1數(shù)據(jù)采集及處理模塊數(shù)據(jù)采集是一切測試測量過程的第1步，在整個系統(tǒng)中占有重要的地位。此模塊主要是對采集設備的采樣參數(shù)〔包括通道的選擇、信號輸入范圍、采樣模式、采樣頻率以及每通道采樣數(shù)等〕進行設置。并對采集卡的驅動程序自動攜帶可以嵌入Lab-VIEW的DAQ程序模塊庫。因此在設計數(shù)據(jù)采集程序時可以直接使用此模塊庫進行編輯。采樣頻率是信號采集過程中非常重要的一個關鍵問題。采樣頻率過低或過高都會對信號采集產(chǎn)生一定的負面影響。采樣率過低可能導致采集的信號頻率發(fā)生畸變，從而產(chǎn)生混頻現(xiàn)象。根據(jù)奈奎斯特定律，為了防止發(fā)生混頻，最低采樣頻率必須是信號頻率的2倍[5]。而采樣率過高又可能導致沒有足夠的內存或者硬盤存儲數(shù)據(jù)，不利一般設置位輸出信號最高頻率的7-10倍，就可以正確地復原波形。傳統(tǒng)測試系統(tǒng)的工作流程是數(shù)據(jù)的采集、分析顯示3個任務在同一線程上按照順序一次執(zhí)行。即當1個任務運行的同時其他2個任務就不能運行。處于等待狀態(tài)中，這樣是比會造成疏忽采集的不完整性。為了解決這一傳統(tǒng)的弊端，在編制程序時采用多線程技術。當運行多線程程序時。才做系統(tǒng)為每個獨立線程安排CPU時間，單處理器系統(tǒng)以輪轉方式按線程的優(yōu)先級別提供時間片，每個線程在使用完時間片后交出控制權，系統(tǒng)再將CPU時間片分配給下一個線程，多處理器系統(tǒng)在多個處理器上都能夠通知運行多個獨立的線程，減少了線程切換所帶來的時間消耗，從而極大地提高系統(tǒng)的執(zhí)行速度，進行運算。在本系統(tǒng)中把數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)分析以及結果顯示放在3個獨立的線程中。這樣3個While循環(huán)式并行運行的，可以保證數(shù)據(jù)采集不受其他2個程序的影響，從而可以采集到完整的數(shù)據(jù)，而程序當中的“獲取通知器引用VI〞、“發(fā)送通知器VI〞、“取消通知VI〞和“釋放統(tǒng)治區(qū)引用VI〞主要是用來實現(xiàn)個線程之間的數(shù)據(jù)傳遞。這類似于全局變量或局部變量，不同的是，對于通知器，在沒有通知消息產(chǎn)生時。程序框圖處于等待狀態(tài)。這就防止了無休止的循環(huán)檢測和檢測周期過快或過慢導致的數(shù)據(jù)重復或喪失，減少了計算機資源的浪費為了實現(xiàn)高速地聯(lián)系采集并保存數(shù)據(jù)，在這以緩解采用了循環(huán)緩存技術和高速數(shù)據(jù)流技術。使用循環(huán)緩存時，每次數(shù)據(jù)只存放在緩存區(qū)的一局部。當?shù)竭_緩存區(qū)的底部時。它就轉向緩存區(qū)頂部再次填充同一個緩存區(qū)與此同時，緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)一跨可以快被讀出來。這就形成了亂序采集過程。在這個過程中包保證程序沖緩存區(qū)的摸個位置，這樣才能有可供讀取的數(shù)據(jù)，尚未讀取的數(shù)據(jù)頁不會被更新的數(shù)據(jù)覆蓋掉。這樣就允許軟件將數(shù)據(jù)處理于數(shù)據(jù)采集并行展開。要使數(shù)據(jù)能夠被連續(xù)地采集必須保證程序重緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)的速度不能比數(shù)據(jù)放進緩存區(qū)的熟讀快，當然也不能不能太慢。要解決這個問題就需要合理地這只緩存區(qū)的大小，掃描率和一次讀取掃描數(shù)3個參數(shù)。經(jīng)過大量實驗證明，緩沖區(qū)的大小至少應該是掃描率的2倍，最好是10倍。二掃描率即每通道采樣率一般來說應為輸入信號最高頻率的7-10倍。單片機是測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的中心，該系統(tǒng)采用的是80C51單片機，全靜態(tài)工作時振蕩器頻率為0～12MHz[6]。目前，8051單片機在工業(yè)檢測控制領域中得到了廣泛的應用，因此我們可以在許多單片機應用領域中，配接各種外部設備，完成工業(yè)自動化的實現(xiàn)。89C51是Intel公司生產(chǎn)的一種單片機，在一小塊芯片上集成了一個微型計算機的各個組成局部。每一個單片機包括：一個8位的微型處理器CPU；一個256K的片內數(shù)據(jù)存儲器RAM；片內程序存儲器ROM；四個8位并行的I/O接口P0-P3；兩個定時器/記數(shù)器；五個中斷源的中斷控制系統(tǒng)；一個全雙工UART的串行I/O口；片內振蕩器和時鐘產(chǎn)生電路，但石英晶體和微調電容需要外接。最高允許振蕩頻率是12MHZ。以上各個局部通過內部總線相連接。下面簡單介紹下其各個局部的功能。中央處理器CPU是單片微型計算機的指揮、執(zhí)行中心，由它讀入用戶程序，并逐條執(zhí)行指令，它是由8位算術/邏輯運算部件(簡稱ALU)、定時/控制部件，假設干存放器A、B、SP以及16位程序計數(shù)器(PC)和數(shù)據(jù)指針存放器(DM)等主要部件組成。算術邏輯單元的硬件結構與典型微型機相似。它具有對8位信息進行+、-、x、/四那么運算和邏輯與、或、異或、取反、清“0〞等運算，并具有判跳、轉移、數(shù)據(jù)傳送等功能，此外還提供存放中間結果及常用數(shù)據(jù)存放器?？刂破鞑考怯芍噶畲娣牌?、程序計數(shù)器PC、定時與控制電路等組成的。指令存放器中存放指令代碼。當執(zhí)行指令時，從程序存儲器中取來經(jīng)譯碼器譯碼后，根據(jù)不同指令由定時與控制電路發(fā)出相應的控制信號，送到存儲器、運算器或I/O接口電路，完成指令功能。程序計數(shù)器PC程序計數(shù)器PC用來存放下一條將要執(zhí)行的指令，共16位．可對以K字節(jié)的程序存儲器直接尋址C指令執(zhí)行結束后，PC計數(shù)器自動增加，指向下一條要執(zhí)行的指令地址。數(shù)據(jù)存儲器，RAM，片內為128B,片外最多可外擴64KB。數(shù)據(jù)存儲器來存儲單片機運行期間的工作變量、運算的中間結果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖、標志位等。片內的128B的RAM，以高速RAM的形式集成在單片機內，可以加快單片機運行的速度，而且這種結構的RAM還可以降低功耗[7]。圖3.1單片機8051的內部結構程序存儲器，ROM，用來存儲程序，80C51為4KBROM。如果片內只讀存儲器的容量不夠，那么需要用擴展片只讀存儲器，片外最多可以擴展到64KB。定時器/計數(shù)器，片內有2個16位的定時器/計數(shù)器，具有4種工作方式。在單片機的應用中，往往需要精確的定時，或對外部事件進行計數(shù)，因而需在單片機內部設置定時器/計數(shù)器部件。串行口，1個全雙工的串行口，具有4中工作方式?？捎脕磉M行串行通信，擴展并行I/O口，甚至與多個單片機相連構成多機系統(tǒng)，從而使單片機的功能更強且應用更廣。特殊功能存放器，SFR，共有21個，用于CPU對片內各功能部件進行管理、控制、監(jiān)視。CPU功能，總的來說是以不同的方式，執(zhí)行各種指令。不同的指令其功自略異。有的指令涉及到枷各存放器之間的關系；有的指令涉及到單片機核心電路內部各功能部件的關系；有的那么與外部器件如外部程序存儲器發(fā)生聯(lián)系。事實上，cRJ是通過復雜的時序電路完成不同的指令功能。所謂cRJ的時序是指控制器控照指今功能發(fā)出一系列在時間上有一定次序的信號，控制和啟動一局部邏輯電路，完成某種操作。3.1.2時序①時鐘電路MCS—51片內設有一個由反向放大器所構成的振蕩電路，XTALI和XTAL2分別為振蕩電路的輸入端和輸出端。時鐘可以由內部方式產(chǎn)生或外部方式產(chǎn)生。采用內部方式時，在C1和C2引腳上接石英晶體和微調電容可以構成振蕩器，振蕩頻率的選擇范圍為1.2—12MHZ在使用外部時鐘時，XTAL2用來輸入外部時鐘信號，而XTALI接地。②時序MCS—5l單片機的一個執(zhí)器周期由6個狀態(tài)(s1—s6)組成，每個狀態(tài)又持續(xù)2個接蕩周期，分為P1和P2兩個節(jié)拍。這樣，一個機器周期由12個振蕩周期組成。假設采用12MHz的晶體振蕩器，那么每個機器周期為1us，每個狀態(tài)周期為1/6us；在一數(shù)情況下，算術和邏輯操作發(fā)生在N期間，而內部存放器到存放器的傳輸發(fā)生在P2期間。對于單周期指令，當指令操作碼讀人指令存放器時，使從S1P2開始執(zhí)行指令。如果是雙字節(jié)指令，那么在同一機器周期的s4讀人第二字節(jié)。假設為單字節(jié)指令，那么在51期間仍進行讀，但所讀入的字節(jié)操作碼被忽略，且程序計數(shù)據(jù)也不加1。在加結束時完成指令操作。多數(shù)Mcs—51指令周期為1—2個機器周期，只有乘法和除法指令需要兩個以上機器周期的指令，它們需4個機器周期。對于雙字節(jié)單機器指令，通常是在一個機器周期內從程序存儲器中讀人兩個字節(jié)，但Movx指令例外，Movx指令是訪問外部數(shù)據(jù)存儲器的單字節(jié)雙機器周期指令，在執(zhí)行Movx指令期間，外部數(shù)據(jù)存儲器被訪問且被選通時跳過兩次取指操作。下面是51單片機的振蕩電路圖：圖3.251單片機振蕩電路圖3.1.3光電隔離光電隔離器,亦稱光電耦合器、光耦合器，簡稱光耦。光耦合器以光為媒介傳輸電信號。它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應用。光耦合器一般由三局部組成：光的發(fā)射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅動發(fā)光二極管〔LED〕，使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進一步放大后輸出。這就完成了電—光—電的轉換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點，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，因而具有很強的共模抑制能力。所以，它在長線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比[8]。在計算機數(shù)字通信及實時控制中作為信號隔離的接口器件，可以大大增加計算機工作的可靠性。光耦合器的主要優(yōu)點是：信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實現(xiàn)了電氣隔離，輸出信號對輸入端無影響，抗干擾能力強，工作穩(wěn)定，無觸點，使用壽命長，傳輸效率高。光耦合器是70年代開展起來產(chǎn)新型器件，現(xiàn)已廣泛用于電氣絕緣、電平轉換、級間耦合、驅動電路、開關電路、斬波器、多諧振蕩器、信號隔離、級間隔離、脈沖放大電路、數(shù)字儀表、遠距離信號傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器(SSR)、儀器儀表、通信設備及微機接口中。在單片開關電源中，利用線性光耦合器可構成光耦反應電路，通過調節(jié)控制端電流來改變占空比，到達精密穩(wěn)壓目的。根本工作特性〔以光敏三極管為例〕1、共模抑制比很高在光電耦合器內部，由于發(fā)光管和受光器之間的耦合電容很小〔2pF以內〕所以共模輸入電壓通過極間耦合電容對輸出電流的影響很小，因而共模抑制比很高。2、輸出特性光電耦合器的輸出特性是指在一定的發(fā)光電流IF下，光敏管所加偏置電壓VCE與輸出電流IC之間的關系，當IF=0時，發(fā)光二極管不發(fā)光，此時的光敏晶體管集電極輸出電流稱為暗電流，一般很小。當IF>0時，在一定的IF作用下，所對應的IC根本上與VCE無關。IC與IF之間的變化成線性關系，用半導體管特性圖示儀測出的光電耦合器的輸出特性與普通晶體三極管輸出特性相似。3、光電耦合器可作為線性耦合器使用。在發(fā)光二極管上提供一個偏置電流，再把信號電壓通過電阻耦合到發(fā)光二極管上，這樣光電晶體管接收到的是在偏置電流上增、減變化的光信號，其輸出電流將隨輸入的信號電壓作線性變化。光電耦合器也可工作于開關狀態(tài)，傳輸脈沖信號。在傳輸脈沖信號時，輸入信號和輸出信號之間存在一定的延遲時間，不同結構的光電耦合器輸入、輸出延遲時間相差很大。光電耦合器的測試1、用萬用表判斷好壞，斷開輸入端電源，用R×1k檔測1、2腳電阻，正向電阻為幾百歐，反向電阻幾十千歐，3、4腳間電阻應為無限大。1、2腳與3、4腳間任意一組，阻值為無限大，輸入端接通電源后，3、4腳的電阻很小。調節(jié)RP，3、4間腳電阻發(fā)生變化，說明該器件是好的。注：不能用R×10k檔，否那么導致發(fā)射管擊穿。2、簡易測試電路，當接通電源后，LED不發(fā)光，按下SB，LED會發(fā)光，調節(jié)RP、LED的發(fā)光強度會發(fā)生變化，說明被測光電耦合器是好的。光電耦合器具體應用1.組成開關電路電路中，當輸入信號ui為低電平時，晶體管V1處于截止狀態(tài)，光電耦合器B1中發(fā)光二極管的電流近似為零，輸出端Q11、Q12間的電阻很大，相當于開關“斷開〞；當ui為高電平時，v1導通，B1中發(fā)光二極管發(fā)光，Q11、Q12間的電阻變小，相當于開關“接通〞．該電路因Ui為低電平時，開關不通，故為高電平導通狀態(tài)．同理，因無信號(Ui為低電平)時，開關導通，故為低電平導通狀態(tài)。2．組成邏輯電路電路為“與門〞邏輯電路。其邏輯表達式為P=A．B.圖中兩只光敏管串聯(lián)，只有當輸入邏輯電平A=1、B=1時，輸出P=1．同理，還可以組成“或門〞、“與非門〞、“或非門〞等邏輯電路。3．組成隔離耦合電路這是一個典型的交流耦合放大電路．適中選取發(fā)光回路限流電阻Rl，使B4的電流傳輸比為一常數(shù)，即可保證該電路的線性放大作用。4．組成高壓穩(wěn)壓電路驅動管需采用耐壓較高的晶體管(圖中驅動管為3DG27)。當輸出電壓增大時，V55的偏壓增加，B5中發(fā)光二極管的正向電流增大，使光敏管極間電壓減小，調整管be結偏壓降低而內阻增大，使輸出電壓降低，而保持輸出電壓的穩(wěn)定。5.組成門廳照明燈自動控制電路。A是四組模擬電子開關〔S1~S4〕：S1，S2，S3并聯(lián)〔可增加驅動功率及抗干擾能力〕用于延時電路，當其接通電源后經(jīng)R4，B6驅動雙向可控硅VT，VT直接控制門廳照明燈H；S4與外接光敏電阻Rl等構成環(huán)境光線檢測電路。當門關閉時，安裝在門框上的常閉型干簧管KD受到門上磁鐵作用，其觸點斷開，S1，S2，S3處于數(shù)據(jù)開狀態(tài)。晚間主人回家翻開門，磁鐵遠離KD，KD觸點閉合。此時9V電源整流后經(jīng)R1向C1充電，C1兩端電壓很快上升到9V，整流電壓經(jīng)S1，S2，S3和R4使B6內發(fā)光管發(fā)光從而觸發(fā)雙向可控硅導通，VT亦導通，H點亮，實現(xiàn)自動照明控制作用。房門關閉后，磁鐵控制KD，觸點斷開，9V電源停止對C1充電，電路進入延時狀態(tài)。C1開始對R3放電，經(jīng)一段時間延遲后，C1兩端電壓逐漸下降到S1，S2，S3的開啟電壓〔1.5v)以下，S1，S2，S3恢復斷開狀態(tài)，導致B6截止，VT亦截止，H熄來，實現(xiàn)延時關燈功能。水箱的控制器由8051系統(tǒng)構成。為防止電機的起停和電源波動時對電路的影響，輸入輸出均采用光電隔離。光電隔離是半導體管敏感器件和發(fā)光二極管組成的一種新器件，它主要功能是實現(xiàn)電信號的傳送。輸入與輸出絕緣隔離，信號單向傳輸，無反應影響?？垢蓴_性強，響應速度快。工作時，把輸入信號加到輸入端，使發(fā)光管發(fā)光，光敏器件在磁光輻射下輸出光電流，從而實現(xiàn)電光點的兩次轉換。輸出通過繼電器，控制水泵機組的起停和報警，其電路圖如圖3.4：圖3.4系統(tǒng)控制電路原理圖3.1.4給水泵電機主控回路介紹給水泵電機主控回路圖3.5如下：圖3.5給水泵電機控制電路原理圖圖中水泵電機主控回路由兩個水泵電機以及二直流電機驅動電路構成，主控回路的控制信號由單片機的P1.0,P1.1,P1.2,P1.3發(fā)出，他們的引腳功能如下：P1.0：M1起動KM1控制輸出信號。〔手動1，自動0〕；P1.1：M1起動KM1控制輸出信號?！彩謩?，自動0〕；P1.2：M2開關狀態(tài)輸入信號?！查_0，關1〕；P1.3：M2開關狀態(tài)輸入信號?！查_0，關1〕。3.1.5二級管顯示電路設計二級管顯示電路如圖3.6所示圖3.6報警電路該電路主要由三個發(fā)光二極管構成，它們分別與單片機的P0.0,P0.1,P0.2端口相連，其中D1是電機加水提示燈，D2是電機抽水提示燈，D3是電機停止提示燈。3.280C51水箱控制系統(tǒng)主控硬件部署方案本系統(tǒng)電路分別由單片機80C51，泵電機M1,M2控制電路，水位反應與報警控制電路三局部組成，通過該電路實現(xiàn)對水箱廢水排放和進水手動、自動切換以及報警功能。其原理圖如下列圖3.8:圖3.7基于80C51單片機的水箱控制系統(tǒng)原理圖3.2.180C51單片機實現(xiàn)系統(tǒng)功能說明80C51為數(shù)據(jù)采集及處理模塊核心，它主要完成系統(tǒng)對水位上下信號是否滿足指標的信息采集[9]，對采集到的水位信號通過系統(tǒng)程序進行對信號的判斷等處理，根據(jù)采集信號的不同，驅動相應信號對應功能的引腳來實現(xiàn)對水箱水位的控制。3.2.2相關器件單片機AT89C51電動機MOTOR差動放大器(TIP32,BC182)LED燈開關模擬水箱3.2.3相關電路圖3.8差分放大器電路圖差分放大器也叫差動放大器是一種將兩個輸入端電壓的差以一固定增益放大的電子放大器，有時簡稱為“差放〞。差分放大器通常被用作功率放大器〔簡稱“功放〞〕和發(fā)射極耦合邏輯電路(ECL,EmitterCoupledLogic)的輸入級。如果Q1Q2的特性很相似，那么Va,Vb將同樣變化。例如，Va變化+1V，Vb也變化+1V，因為輸出電壓VOUT=Va-Vb=0V,即Va的變化與Vb的變化相互抵消。這就是差動放大器可以作直流信號放大的原因。假設差放的兩個輸入為，那么它的輸出Vout為：〔3.1〕其中Ad是差模增益(differential-modegain)，Ac是共模增益(common-modegain)。因此為了提高信/噪比，應提高差動放大倍數(shù)，降低共模放大倍數(shù)。二者之比稱做共模仰制比〔CMRR,common-moderejectionratio〕。共模放大倍數(shù)AC可用下式求出：Ac=2Rl/2Re通常以差模增益和共模增益的比值共模抑制比(CMRR,common-moderejectionratio)衡量差分放大器消除共模信號的能力：〔3.2〕由上式可知，當共模增益Ac→0時，CMRR→∞。Re越大，Ac就越低，因此共模抑制比也就越大。因此對于完全對稱的差分放大器來說，其Ac=0，故輸出電壓可以表示為：〔3.3〕所謂共模放大倍數(shù)，就是Va，Vb輸入相同信號時的放大倍數(shù)。如果共模放大倍數(shù)為0，那么輸入噪聲對輸出沒有影響。要減小共模放大倍數(shù)，加大RE就行通常使用內阻大的恒流電路來帶替RE[10]。差分放大器是普通的單端輸入放大器的一種推廣，只要將差放的一個輸入端接地，即可得到單端輸入的放大器。很多系統(tǒng)在差分放大器的一個輸入端輸入反應信號，另一個輸入端輸入反應信號，從而實現(xiàn)負反應。常用于電機或者伺服電機控制，穩(wěn)壓電源，測量儀器以及信號放大。在離散電子學中，實現(xiàn)差分放大器的一個常用手段是差動放大，見于多數(shù)運算放大器集成電路中的差分電路。圖3.9單端輸出的差動放大電路(不平衡輸出)當Vo被在Q1或Q2的集極C對地取出時，稱為單端Singleended或不平衡輸出UnbalanceOutput。單端較差動輸出之幅度小一倍，使用單端輸出時，共模訊號不能被抑制，因Vi1與Vi2同時增加，VC1與VC2那么減少，而且VC1=VC2，但Vo=VC2，并非于零(產(chǎn)生零點漂移)。但是加大RE阻值可以增大負回輸而抑制輸出，并且抑制共模訊號，因Vi1=Vi2時，Ii1及Ii2也同時增加，IE亦上升而令VE升高，這對Q1和Q2產(chǎn)生負回輸，令Q1和Q2之增益減少，即Vo減少。當差動訊號輸入時，Vi1=-Vi2，IC1增加而IC2減少，總電流IE=IC1+IC2便不變，因此VE也不變，加大RE電阻值之電路會將差動訊號放大，不會對Q1及Q2產(chǎn)生負回輸及抑制。圖3.10使用恒流源的差動放大器實際上，RE不能加得太大，因會使靜態(tài)之IC1和IC2減少，使Q1和Q2得不到適當之偏壓或需要很高之電源電壓。上圖Q3及Q4為電流鏡像恒流源代替電阻RE，使用恒流源可以得到高阻抗及固定電流，B極因R1和R2得到一個固定的偏壓。共模輸入時，Vi1=Vi2，因IE為不變，IC1和IC2也不能改變，故Vo為零，而共模信號被抑制。差動輸入時，Vi1=-Vi2，雖然IE為不變，但IC1和IC2也可改變，因IC1上升而IC2下降，故此Vo不等于零，而將差動信號放大。圖3.11使用電流鏡像作為差動放大器之有源負載主動式負載ActiveLoad(有源負載)作用：a)提高增益：。b)減低功率消耗(相對純電阻來說)。c)提高差動放大之輸出電壓。d)提高共模抑制比CMRR。工作原理：設Vi1增加，那么Vi2減少(但數(shù)量相等，Vi1=Vi2)即差動輸入，那么IC1升而IC2下降(并且，ΔIC1=ΔIC2)因電流鏡像原理，IC4=IC1，故此，Io=IC4IC2=IC1IC2(ΔIo=2ΔIC1或2ΔIC2)這說明了輸出電流是IC1和IC2的相差，即將輸出變?yōu)榫哂须p端差動輸出性能的單端輸出(故對共模訊號之抑制有改善因雙端差動輸出才能產(chǎn)生消除共模訊號作用)。IC2減少使Q2之VCE增加，使Vo上升而IC4增加，使Q4之VCE減少，這也是使Vo增加，故此，Vo上升之幅度是使用電阻為負載之單端輸出電壓大一倍。4系統(tǒng)軟件設計4.1程序概要設計本系統(tǒng)程序開發(fā)，使用的語言給匯編語言。程序實現(xiàn)當水位處于LG(高)、LD(低)或LDD(低低)時，報警信號輸出，判斷泵水方式(自動或手動)。當水位到達規(guī)定容量時，停止泵水。在次程序中，低電平為有效(即0為有效),高電平為無效(即1為無效)。4.2系統(tǒng)程序原理4.2.1系統(tǒng)主要程序及流程框圖主程序要實現(xiàn)的是，對數(shù)據(jù)的初始化，并且判斷用戶是使用自動模式還是手動模式，根據(jù)用戶的具體需求：假設用戶選擇自動模式，那么程序調用自動化子程序；假設用戶選擇手動模式，那么程序調用手動子程序。ORG0000HAJMPMAINORG0060HMAIN:MOVP1,#FFH；P1P3口初始化置1MOVP3，#FFHJNBP1.3，AUT；假設手動在自動位置，跳到自動模式子程序AJMPMEN；否那么轉到手動模式子程序END主程序框架圖如下：圖4.1主程序流程圖4.2.2自動模式子程序原理及流程框圖自動模式子程序運行的前置條件是，系統(tǒng)開始運行，并且用戶選擇使用自動化控制模式。自動模式子程序首先判斷水位是否高LG，假設水位高于指標，那么運行“水位高報警〞程序，并返回主程序。假設水位不高，那么判斷水位是否低LD，假設水位低，那么試運行“水位低報警〞程序。然后判斷水位是否低低LDD：假設水位沒有到達LDD的指標，那么試判斷“M1是否開啟〞，假設沒有開啟，那么開啟M1;假設“M1開啟〞那么判斷“M2是否開啟〞，假設“M2開啟〞，那么程序運行“停止M2〞程序；假設“M2沒有開啟〞，那么試程序運行“延遲1分鐘〞，一分鐘后程序“返回主程序〞。假設水位到達水位LDD的指標，那么運行“水位低低報警〞，然后程序判斷“M1是否開啟〞，假設“M1未開啟〞那么運行“M1開啟〞程序；假設“M1開啟〞那么程序判斷“M2是否開啟〞，假設“M2未開啟〞那么運行“M2開啟〞程序，假設“M2開啟〞，那么運行“延遲一分鐘〞，一分鐘后程序“返回主程序〞。其程序控制如下所示：ORG0000HAJMPMAINORG0060HMAIN：MOVP1,#FFH；P1P3口初始化置1MOVP3，#FFHJNBP1.3，AUT；假設手動在自動位置，跳到自動模式子程序AJMPMEN；否那么轉到手動模式子程序ENDAUT：NOP；空命令JNBP1.2，LG；水位高-LGJBP1.1，LD；水位沒低-LDCLRP3.1；水位低報警JBP1.0,LDD；水位未低低-LDDCLRP3.0；水位低低報警JNBP1.6,Y1；M1已啟動-Y1CLRP1.4；否那么啟動M1Y1：JNBP1.7,Y2；M2已啟動-Y2CLRP1.5；否那么啟動M2Y2：ACALLDELAY；延時1分鐘AJMPAUT；返回自動模式LDD：JNBP1.6,Y3；單獨運行M1〔LDD〈水位〈LD〕CLRP1.4Y3：JBP1.7，Y2SETBP1.5AJMPY2LG：CLRP3.2；水位高報警LD：AJMPMAIN；返回主程序自動模式子程序原理框圖如圖4.2：圖4.2自動模式子程序原理框圖4.2.2手動模式子程序原理及流程框圖手動模式子程序運行的前置條件是，系統(tǒng)開始運行，并且用戶選擇使用自手動控制模式。手動模式子程序中判斷語句的條件是依據(jù)用戶的具體操作。手動模式子程序首先判斷“水位是否LG〞，假設水位LG到達指標，那么程序返回主程序；假設水位LG未到達指標，那么程序運行“判斷有無鍵合〞：假設“判斷沒有鍵合〞那么子程序進行循環(huán)；假設“判斷鍵合〞，那么程序判斷“M1是否鍵合〞。假設用戶操作“M1鍵合〞，那么程序運行“判斷M1是否開啟〞：假設“M1開啟〞那么子程序進行循環(huán)；假設“判斷M1未開啟〞，那么程序運行“開啟M1〞。假設用戶操作“M1不鍵合〞，那么程序判斷“M2是否鍵合〞：假設用戶操作“M2鍵合〞，那么程序運行“判斷M2是否開啟〞；假設“M2開啟〞那么子程序進行循環(huán)；假設“判斷M2未開啟〞，那么程序運行“開啟M2〞。假設程序判斷用戶均未進行“M1、M2鍵合〞，那么程序要判斷“是否停止M1鍵合〞：假設用戶操作“M1停止鍵合〞，那么程序判斷“M1是否停止〞；假設“M1停止〞，那么子程序循環(huán)；假設“M1沒有停止〞，那么程序運行“停止M1〞。假設用戶不操作“M1停止鍵合〞，那么程序判斷“是否停止M2鍵合〞：假設用戶操作“M2停止鍵合〞，那么程序判斷“M2是否停止〞，假設“M2停止〞，那么子程序循環(huán)；假設“M2沒有停止〞，那么程序運行“停止M2〞。手動模式子程序原理框圖如圖4.3：圖4.3手動模式子程序流圖手動控制子程序MEN：NOPJNBP1.1,MAINACALLKEYCJNEA,#F0H,NNAJMPMENNN:JNBACC.4,HM1JNBACC.5,HM2JNBACC.6,DM1JNBACC.7,DM2AJMPMENHM1:JNBP1.6,MENCLRP1.4AJMPMENHM2:JNBP1.7,MENCLRP1.5AJMPMENDM1:JBP1.6,MENSETBP1.4AJMPMENDM2:JBP1.7,MENSETBP1.5AJMPMENRET延時30S主程序T1M1:MOVR1,#F0HL4:MOVR2,#08HL1:MOVR3,#FAHL2:MOVR4,#FAHL1:DJNZR4,L1DJNZR3,L2DJNZR2,L3DJNZR1,L4RET延時6ms子程序T1M3:MOVR4,#12MM:MOVR5,#248DJNZR5,$DJNZR4,D3RET有無鍵合子程序：KEY：ACALLKS1；有無閉合JNZLK1ACALLTIM3AJMPKEY；無鍵閉合返回LK1：ACALLTIM1ACALLTIM1ACALLKS1JNZLK2ACALLTIM3AJMPKEYLK2：RETKS1：MOVA，P3；掃描ANLA，#F0H；屏蔽低4位RET5調試仿真在Proteus的ISIS7.1sp2軟件環(huán)境下畫出電路原理圖，接下來就是將設計的程序在KeilC51μVision2開發(fā)集成環(huán)境上編譯成機器語言，進入Proteus的ISIS，鼠標左鍵點擊菜單“Debug〞，選中“useromotedebugermonitor〞，便可實現(xiàn)KeilC與Proteus連接調試[11]。首先在Proteus中雙擊單片機80C51,將KeilC下編程生成的.HEX文件導入到8051中,可在Proteus中單擊全速仿真運行按鈕，進行現(xiàn)象的查看,能清楚地觀察到芯片上每一個引腳的電平變化，紅色代表高電平，藍色代表低電平；如果現(xiàn)象不正確，那么在KeilC中單步調試程序，并在Proteus觀察現(xiàn)象，那一步不正確那么對該段的程序進行修改，調試直到仿真完全成功為止。如圖5.1所示，該仿真驗證的過程為，首先按開始按，然后按下按鍵開關K1，這時發(fā)光二極管D1亮了，代表DD自動正轉加水M1M2。圖5.1M1M2自動正轉加水仿真圖按鍵按鍵開關K2，這時放光二極管D2亮了，代表手動反轉抽水M1M2，仿真結果如圖5.2所示。圖5.2M1M2手動反轉抽水仿真圖按下按鍵開關K3，這時發(fā)光二極管D3亮了，代表GG自動停止M1M2，真現(xiàn)象如圖5.3所示。圖5.3M1M2自動停止仿真圖按下按鍵開關K4，這時放光二極管D1亮了，代表手動正轉加水M1M2，仿真結果如圖5.4所示。圖5.4M1M2手動正轉加水仿真圖按下按鍵開關K5，這時發(fā)光二極管D3亮了，代表手動停止M1M2.仿真結果如圖5.5所示。圖5.5M1M2手動停止仿真圖按下按鍵開關K6，這時發(fā)光二極管D1亮了，代表D自動正轉加水M1，仿真結果如圖5.6所示。圖5.6M1自動正轉加水仿真圖6總結與展望縱觀我們現(xiàn)在生活的各個領域，從導彈的導航裝置，到飛機上各種儀表的控制，從計算機的網(wǎng)絡通訊與數(shù)據(jù)傳輸，到工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理，以及我們生活中廣泛使用的各種智能IC卡、電子寵物等，這些都離不開單片機。以前沒有單片機時，這些東西也能做，但是只能使用復雜的模擬電路，然而這樣做出來的產(chǎn)品不僅體積大，而且本錢高，并且由于長期使用，元器件不斷老化，控制的精度自然也會達不到標準。在單片機產(chǎn)生后，我們就將控制這些東西變?yōu)橹悄芑?，我們只需要在單片機外圍接一點簡單的接口電路，核心局部只是由人為的寫入程序來完成。這樣