基于單片機(jī)的異型水箱仿真裝置

1、內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文）題 目：基于單片機(jī)的異型水箱仿真裝置59基于單片機(jī)的異型水箱仿真裝置摘要本設(shè)計(jì)的研究對(duì)象是以單片機(jī)為核心的異型水箱仿真裝置，在為這一系統(tǒng)進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)的過程中，發(fā)現(xiàn)和總結(jié)了一些實(shí)際問題，并通過解決這些問題，就異型水箱數(shù)學(xué)模型的建立、仿真裝置硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)展開討論，力爭(zhēng)在理論分析和實(shí)際應(yīng)用上有所創(chuàng)新。異型水箱仿真裝置的核心是圍繞異型水箱的數(shù)學(xué)模型來體現(xiàn)異型水箱的特性，并通過軟件實(shí)現(xiàn)整個(gè)異型水箱的工作狀態(tài)和功能。對(duì)異型水箱數(shù)學(xué)模型的建立是本文工作的重點(diǎn)。異型水箱屬于過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置中的被控對(duì)象。由于被控對(duì)象的特性直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的控制質(zhì)量，所以其數(shù)

2、學(xué)模型的建立非常重要。設(shè)計(jì)中通過機(jī)理演繹法推導(dǎo)并建立了其數(shù)學(xué)模型，并設(shè)計(jì)出了仿真裝置。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；異型水箱；數(shù)學(xué)模型 study on the simulation set of shaped water box based on mcuabstractthe object of this paper is a simulation set of shaped water box based on mcu.in the process of designing on software and hardware for the system,a few practical problems

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

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

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

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

7、式與引腳173.2.3 at89c52的基本電路183.2.4 at89c52的口線分配193.3 串行程序存儲(chǔ)器203.3.1 x25045的引腳排列及引腳說明203.3.2 x25045芯片功能223.3.3 x25045工作原理223.3.4 x25045與at89c52的接口電路233.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換部件233.4.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換部件的選擇233.4.2 tlc0832引腳分配243.4.3 tlc0832配置位說明243.4.4 tlc0832時(shí)序分析253.4.5 tlc0832與at89c52的接口電路263.5 人機(jī)接口部件263.5.1 輸出顯示263.5.2 鍵盤輸入283.5

8、.3 液位報(bào)警33第四章 基于單片機(jī)的異型水箱仿真裝置軟件設(shè)計(jì)344.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)344.2 a/d轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)364.3 數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)374.3.1 數(shù)字濾波設(shè)計(jì)374.3.2 標(biāo)度變換設(shè)計(jì)394.4 鍵盤控制設(shè)計(jì)424.5 液位報(bào)警設(shè)計(jì)43第五章 課題總結(jié)及設(shè)想455.1 課題總結(jié)455.2 課題設(shè)想46參考文獻(xiàn)47附錄a 基于單片機(jī)的異型水箱仿真裝置硬件電路圖49附錄b 基于單片機(jī)的異型水箱仿真裝置源程序50致謝59內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文）第一章 緒論1.1 研究背景隨著工業(yè)自動(dòng)化的飛速發(fā)展、生產(chǎn)過程的需求、控制理論的開拓和控制技術(shù)工具及手段的進(jìn)展要求過程控制系統(tǒng)不斷的

9、發(fā)展和完善。在過程控制系統(tǒng)中被控對(duì)象的對(duì)象特性直接影響系統(tǒng)的控制品質(zhì)，所以對(duì)于被控對(duì)象的研究實(shí)驗(yàn)也成為發(fā)展過程控制系統(tǒng)的重要手段之一。本設(shè)計(jì)就是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的以單片機(jī)為核心的異型水箱仿真裝置實(shí)驗(yàn)。對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行認(rèn)真和透徹的研究，對(duì)從事自動(dòng)控制系統(tǒng)的工程技術(shù)人員來說，具有很重要的意義。單容水箱作為被控對(duì)象的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用背景。依據(jù)其不同的實(shí)際背景設(shè)計(jì)隨機(jī)出水的單水箱供液系統(tǒng)以及隨機(jī)入水的單水箱排液系統(tǒng)，并對(duì)這些系統(tǒng)的建模進(jìn)行研究是很有意義的。1.2 課題的目的及研究的主要內(nèi)容基于單片機(jī)的異型水箱仿真裝置是應(yīng)用單片機(jī)控制技術(shù)，以at89c52單片機(jī)為核心實(shí)現(xiàn)異型水箱的特性。異型水箱是通過

10、在水位分界點(diǎn)處其數(shù)學(xué)模型的不同來實(shí)現(xiàn)異型水箱所具有的異型及非線性特性，同時(shí)設(shè)計(jì)相應(yīng)的硬件電路來模擬異型水箱仿真裝置并通過軟件編程實(shí)現(xiàn)異型水箱的實(shí)際工作狀態(tài)。國(guó)內(nèi)外所研究的水箱控制系統(tǒng)基本上是：?jiǎn)稳菟湎到y(tǒng)、雙容水箱系統(tǒng)與三容水箱系統(tǒng)，其中單容水箱可以作為單輸入單輸出一階對(duì)象；雙容水箱可以作為單輸入單輸出一階對(duì)象、二階對(duì)象、雙輸入雙輸出對(duì)象；三容水箱可以作為單輸入單輸出一階對(duì)象、二階對(duì)象、三階對(duì)象、雙輸入雙輸出對(duì)象1。異型水箱系統(tǒng)是單容水箱系統(tǒng)。單片機(jī)的發(fā)展，使其越來越多的被應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)過程控制中，但由于工業(yè)生產(chǎn)中的實(shí)際操作都比較復(fù)雜而且龐大，為了使研究的成本降到最低，我們通過實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)實(shí)際

11、生產(chǎn)中的過程進(jìn)行模擬和參數(shù)的標(biāo)定，從而得出結(jié)論，經(jīng)過研究和整定，應(yīng)用到實(shí)際的生產(chǎn)過程中，這就達(dá)到了研究的目的。 1.3 課題的意義在工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)踐中，人們普遍要求產(chǎn)品的質(zhì)量“穩(wěn)定”，而所謂產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定實(shí)質(zhì)上是指產(chǎn)品的某些最關(guān)鍵性的指標(biāo)必須達(dá)到預(yù)定的要求，但是產(chǎn)品的性能指標(biāo)的穩(wěn)定往往是與產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的工藝過程、工藝條件及工藝參數(shù)的穩(wěn)定密不可分的。難以想象，在一個(gè)不穩(wěn)定的、多變的生產(chǎn)條件下，能夠生產(chǎn)出質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品。事實(shí)上，在許多領(lǐng)域，過程控制的主要目的在于消除或減小外界的干擾對(duì)被控量的影響，使被控量能夠穩(wěn)定在給定值上。一個(gè)良好的控制系統(tǒng)不但要保護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和整個(gè)生產(chǎn)的安全，滿足一定的約束條

12、件，而且應(yīng)該帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。因此，對(duì)于過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，已不能采用單一基于定量的數(shù)學(xué)模型的傳統(tǒng)控制理論和控制技術(shù)，必須進(jìn)一步開發(fā)高級(jí)的過程控制系統(tǒng)，研究先進(jìn)的過程控制規(guī)律。所以基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)在過程控制的生產(chǎn)實(shí)踐中，發(fā)揮了越來越重要的作用?；趩纹瑱C(jī)控制的特點(diǎn)：1. 單片微機(jī)體積小，實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)簡(jiǎn)單實(shí)用，成本低，效益好。2. 系統(tǒng)配置以滿足對(duì)象的控制要求為出發(fā)點(diǎn)，使得系統(tǒng)具有較高的性能價(jià)格比。3. 應(yīng)用系統(tǒng)通常將程序駐留在rom中，無需軟硬磁盤做軟件載體，使系統(tǒng)不易受到干擾，可靠性高，使用方便。4. 應(yīng)用系統(tǒng)所用存儲(chǔ)器芯片可選用eprom、e2prom、otp芯片或利用掩膜

13、形式生產(chǎn)，便于成批開發(fā)和應(yīng)用，許多單片微機(jī)如68系列和80c51系列，開發(fā)芯片和應(yīng)用芯片相互配套，使應(yīng)用系統(tǒng)成本大大降低。5. 由于系統(tǒng)小巧玲瓏，控制功能強(qiáng)、體積小，便于安裝于被控設(shè)備之內(nèi)，大大推動(dòng)了機(jī)電一體化產(chǎn)品的開發(fā)。單片微機(jī)在許多過程控制設(shè)備和產(chǎn)品中都得到廣泛的應(yīng)用。不僅有常用的8位機(jī)，而且4位單片機(jī)和16位單片機(jī)也得到了普及，隨著過程控制精度要求的增加和運(yùn)算速度的增快，32位單片機(jī)也得到了進(jìn)一步的應(yīng)用。第二章 異型水箱數(shù)學(xué)模型的建立2.1 過程建模的介紹1 過程建模的基本概念被控過程的數(shù)學(xué)模型，是反映被控過程的輸出量與輸入量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)描述?；蛘哒f，是描述被控過程因輸入作用導(dǎo)致輸出量

14、（被控變量）變化的數(shù)學(xué)表達(dá)式。被控過程可能既受控制輸入的作用，也受擾動(dòng)量影響?？刂戚斎肟偸橇D使被控過程按照某種期望的規(guī)律變化，而擾動(dòng)量一般總是影響被控過程偏離期望運(yùn)行狀態(tài)。但從系統(tǒng)角度來看，無論是控制輸入還是擾動(dòng)，都屬于輸入量，因?yàn)樗鼈兌紩?huì)影響輸出的變化。2 數(shù)學(xué)模型的作用與要求 被控過程數(shù)學(xué)模型的作用很多，歸納起來主要有以下幾點(diǎn)7：（1）設(shè)計(jì)過程控制系統(tǒng)及整定調(diào)節(jié)器參數(shù)在設(shè)計(jì)過程控制系統(tǒng)時(shí)，選擇控制通道、確定控制方案、分析質(zhì)量指標(biāo)、探討最佳工況以及調(diào)節(jié)器參數(shù)的最佳整定等都是以被控過程的數(shù)學(xué)模型為重要依據(jù)。尤其是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的最優(yōu)控制，如果沒有充分掌握被控過程的數(shù)學(xué)模型，就無法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì)。

15、因此，建立數(shù)學(xué)模型也是實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制的必要前提。（2）指導(dǎo)生產(chǎn)工藝及其設(shè)備的設(shè)計(jì)與操作通過對(duì)生產(chǎn)工藝過程及其相關(guān)設(shè)備數(shù)學(xué)模型的分析或仿真，可以確定有關(guān)因素對(duì)整個(gè)被控過程特性的影響，從而指導(dǎo)生產(chǎn)工藝及其設(shè)備的設(shè)計(jì)與操作。（3）對(duì)被控過程進(jìn)行仿真研究通過對(duì)過程的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真試驗(yàn)，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行計(jì)算、分析，以獲取代表或逼近真實(shí)過程的定量關(guān)系，可以為過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試提供所需的信息數(shù)據(jù)，從而大大降低設(shè)計(jì)試驗(yàn)成本，加快設(shè)計(jì)進(jìn)程。對(duì)建立被控過程數(shù)學(xué)模型的具體要求，隨其用途不同而異，但總的來說，一是應(yīng)該盡量簡(jiǎn)單，二是應(yīng)該正確可靠。3 建立過程數(shù)學(xué)模型的途徑建立被控過程數(shù)學(xué)模型的方法目前主要有三種：一

16、是機(jī)理演繹方法；二是實(shí)驗(yàn)辨識(shí)方法；三是機(jī)理演繹與實(shí)驗(yàn)辨識(shí)相結(jié)合的混合方法，下面分別加以說明。（1）用機(jī)理演繹法建立被控過程的數(shù)學(xué)模型 所謂機(jī)理演繹法又稱解析法，它是根據(jù)被控過程的內(nèi)在機(jī)理，運(yùn)用已知的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)物料平衡、能量平衡等關(guān)系，用數(shù)學(xué)推理的方法求取被控過程的數(shù)學(xué)模型。通常的靜態(tài)物料或能量的平衡關(guān)系是單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入被控過程的物料或能量等于單位時(shí)間內(nèi)從被控過程流出的物料或能量。通常的動(dòng)態(tài)物料或能量的平衡關(guān)系是單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入被控過程的物料或能量減去單位時(shí)間內(nèi)從被控過程流出的物料或能量等于被控過程內(nèi)物料或能量貯存量的變化率。由過程機(jī)理推到數(shù)學(xué)模型需要有足夠和可靠的驗(yàn)前知識(shí)，否則，推導(dǎo)的結(jié)果就可能

17、出現(xiàn)失真。這種方法的突出優(yōu)點(diǎn)是在過程控制系統(tǒng)沒有建立之前就先推導(dǎo)出數(shù)學(xué)模型，對(duì)于系統(tǒng)的事先設(shè)計(jì)和方案論證是十分有利的。（2）用實(shí)驗(yàn)辨識(shí)方法求取被控過程的數(shù)學(xué)模型實(shí)驗(yàn)辨識(shí)方法又稱系統(tǒng)辨識(shí)與參數(shù)估計(jì)方法，即根據(jù)過程輸入、輸出的實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，通過過程辨識(shí)和參數(shù)估計(jì)得出數(shù)學(xué)模型。過程辨識(shí)是根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)確定模型結(jié)構(gòu)（包括形式、方程階次及時(shí)滯情況等）。在已定模型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，再由測(cè)試數(shù)據(jù)確定模型的參數(shù)稱為參數(shù)估計(jì)。也有人將此統(tǒng)稱為系統(tǒng)辨識(shí)。實(shí)驗(yàn)辨識(shí)方法最常用的有三種，即相應(yīng)曲線法、相關(guān)統(tǒng)計(jì)法以及最小二乘法。在采用實(shí)驗(yàn)辨識(shí)方法獲取被控過程的數(shù)學(xué)模型時(shí)，存在一個(gè)開環(huán)辨識(shí)還是閉環(huán)辨識(shí)的問題。目前常用的辨識(shí)方法一

18、般是在開環(huán)條件下進(jìn)行的。2.2 單容過程的建模此單容過程的建模采用解析方法。所謂單容過程，是指只有一個(gè)貯蓄容量的過程。單容過程可分為自衡單容過程與無自衡單容過程。所謂自衡過程，是指被控過程在擾動(dòng)作用下，平衡狀態(tài)被破壞后，不需要操作人員或儀表的干預(yù)，依靠自身能夠恢復(fù)平衡的過程。反之，稱為無自衡過程。1單容自衡過程數(shù)學(xué)模型的建立某單容液位過程如圖2.1所示。圖2.1 單容自衡液位過程符號(hào)說明：q1水箱流入量；q2水箱流出量；a水箱截面積；h水箱液位高度；q1、q2、h分別為某平衡狀態(tài)q10、q20、h0的增量。根據(jù)動(dòng)態(tài)物料平衡關(guān)系，故有 (2-1)表示成增量形式則為 (2-2)靜態(tài)時(shí)應(yīng)有q1=q2

19、，dh/dt=0，q1發(fā)生變化，液位h也隨之而變，使貯蓄罐出口處的靜壓發(fā)生變化，q2也要發(fā)生變化。假定q2與h近似成線性關(guān)系，與閥門處的靜壓液阻r成反比關(guān)系，則有 (2-3)將式（2-3）代入式（2-2）中，經(jīng)整理可得 (2-4)式（2-4）即為單容液位被控過程的微分方程增量表示形式。將式（2-4）進(jìn)行拉氏變換，寫成傳遞函數(shù)形式則有 (2-5)為了更一般起見，將式（2-5）寫成 (2-6)式中，t為過程的時(shí)間常數(shù)，t=rc；k為過程的放大系數(shù)，k=r；c為過程的容量系數(shù)，或稱過程容量，此處c=a。 2 單容無自衡過程數(shù)學(xué)模型的建立某單容液位過程如圖2.2所示。圖2.2 單容無自衡液位過程符號(hào)說

20、明：q1水箱流入量；q2水箱流出量；a水箱截面積；h水箱液位高度；q1、q2、h分別為某平衡狀態(tài)q10、q20、h0的增量。根據(jù)動(dòng)態(tài)物料平衡關(guān)系，故有 (2-7) (2-8) 由于q2為定值，故。依此將式（2-8）寫成 (2-9)上式（2-9）即為該過程的輸出輸入關(guān)系。將此關(guān)系寫成傳遞函數(shù)即為 (2-10)式中，t為過程的積分時(shí)間常數(shù)，t=a。 2.3 異型水箱數(shù)學(xué)模型的建立2.3.1 建立異型水箱數(shù)學(xué)模型的方法1異型水箱的數(shù)學(xué)模型分析 異型水箱如圖2.3所示，其系統(tǒng)方框圖如圖2.4所示。圖2.3 異型水箱圖2.4 異型水箱系統(tǒng)方框圖圖2.3中，當(dāng)異型水箱液位h<h1時(shí)，圖2.4中的開關(guān)

21、打開，整個(gè)系統(tǒng)就是一個(gè)單輸入單輸出的回路，把它近似為單容自衡過程，系統(tǒng)的微分方程為。圖2.3中，當(dāng)h>h1時(shí)，圖2.4中開關(guān)閉合，干擾加入到系統(tǒng)中，這個(gè)干擾實(shí)際上就是第二個(gè)孔處的流出量。水箱流出量的變化將引起水位的變化，反之當(dāng)水位發(fā)生變化時(shí)，水位的變化將使流出量發(fā)生變化，此處的流出量不僅是第一個(gè)流出口的流量，同時(shí)也包括第二個(gè)流出口的流量。而第二個(gè)流出口的流量正是引入的干擾，所以引入的干擾通道將與輸出構(gòu)成一個(gè)負(fù)反饋回路。這樣經(jīng)變化的系統(tǒng)框圖如圖2.5。圖2.5 經(jīng)變化的系統(tǒng)方框圖2響應(yīng)曲線的建立圖2.6 一階無時(shí)延階躍響應(yīng)設(shè)階躍輸入變化量為x，可求得一階無時(shí)延環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)為 (2-11)

22、式中，k為過程的放大系數(shù)，t為時(shí)間常數(shù)。對(duì)于式（2-11），考慮到 (2-12)根據(jù)式（2-11）和（2-12）可有 (2-13) 令t分別為t=t/2、t、2t.則、以及根據(jù)以上數(shù)據(jù)繪出響應(yīng)曲線如圖2.6所示。2.3.2 異型水箱數(shù)學(xué)模型的建立為作出異型水箱，在標(biāo)準(zhǔn)水箱的不同高度打尺寸相同的流出口，在不同高度上閥門處的靜壓液阻不同。用機(jī)理演繹法建立異型水箱的數(shù)學(xué)模型。1 當(dāng)液位h<h1時(shí)圖2.7 異型水箱h<h1時(shí)液位過程 圖2.8 異型水箱液位過程階躍響應(yīng)當(dāng)液位低于分界點(diǎn)h1時(shí)，把異型水箱近似為一個(gè)單容自衡過程，如圖2.7所示。符號(hào)說明：q1水箱流入量；水箱第一個(gè)出口的流出量；

23、水箱第二個(gè)出口的流出量；r1水箱閥門1處的靜壓液阻；r2水箱閥門2處的靜壓液阻；a水箱截面積；h1分界點(diǎn)液位；h水箱液位高度。根據(jù)動(dòng)態(tài)物料平衡關(guān)系，故有 (2-14)表示成增量形式則為 (2-15)靜態(tài)時(shí)應(yīng)有，發(fā)生變化，液位h也隨之而變，使貯蓄罐出口處的靜壓發(fā)生變化，也要發(fā)生變化。假定與h近似成線性關(guān)系，與閥門處的靜壓液阻成反比關(guān)系，則有 (2-16)將式（2-16）代入式（2-15）中，經(jīng)整理可得 (2-17)式（2-17）即為單容液位被控過程的微分方程增量表示形式。將式（2-17）進(jìn)行拉氏變換，寫成傳遞函數(shù)形式則有 (2-18)為了更一般起見，將式（2-18）寫成 (2-19)式中，t為過

24、程的時(shí)間常數(shù)，；k為過程的放大系數(shù)，；c為過程的容量系數(shù)，或稱過程容量，此處c=a。 此過程輸入為單位階躍信號(hào)，響應(yīng)曲線如圖2.8所示。2當(dāng)液位h>h1時(shí)圖2.9 異型水箱液位過程圖2.10 異型水箱液位過程階躍響應(yīng)當(dāng)液位達(dá)到分界點(diǎn)h1時(shí)，加入了第二個(gè)孔的流量，整個(gè)過程的穩(wěn)態(tài)值將發(fā)生變化，把整個(gè)過程近似為單容自衡過程，如圖2.9。符號(hào)說明：q1水箱流入量；水箱第一個(gè)出口的流出量；水箱第二個(gè)出口的流出量；q水箱的總流出量；r1水箱閥門1處的靜壓液阻；r2水箱閥門2處的靜壓液阻；a水箱截面積；h1分界點(diǎn)液位；h水箱液位高度。根據(jù)動(dòng)態(tài)物料平衡關(guān)系，故有 (2-20) 表示成增量形式則為 (2-

25、21)靜態(tài)時(shí)應(yīng)有,，發(fā)生變化，液位也隨之而變，使貯蓄罐出口處的靜壓發(fā)生變化，q也要發(fā)生變化。假定q與近似成線性關(guān)系，與閥門處的靜壓液阻成反比關(guān)系，則有 (2-22)將式（2-22）代入式（2-21）中，經(jīng)整理可得 (2-23) 式（2-23）即為單容液位被控過程的微分方程增量表示形式。將式（2-23）進(jìn)行拉氏變換，寫成傳遞函數(shù)形式則有 (2-24) 為了更一般起見，將式（2-24）寫成 (2-25)式中，t為過程的時(shí)間常數(shù)，；k為過程的放大系數(shù)，；c為過程的容量系數(shù)，或稱過程容量，此處c=a。 此過程輸入為單位階躍信號(hào)，響應(yīng)曲線如圖2.10。第三章 基于單片機(jī)的異型水箱仿真裝置硬件設(shè)計(jì)3.1

26、系統(tǒng)硬件的總體設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的異型水箱仿真裝置硬件設(shè)計(jì)的原理框圖如圖3.1所示。其硬件電路圖見附錄a。圖3.1 異型水箱仿真裝置電路框圖 系統(tǒng)硬件部分由a/d轉(zhuǎn)換電路、鍵盤輸入、電源監(jiān)測(cè)及看門狗x25045、單片機(jī)、輸出顯示以及報(bào)警指示電路組成。將采集來的水箱進(jìn)水處流量經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換送入單片機(jī)處理并輸出顯示異型水箱的實(shí)際水位。其中，鍵盤設(shè)置參數(shù)模擬水箱特性。3.2 中央控制部件3.2.1 中央控制部件的選擇由圖3.1硬件設(shè)計(jì)原理圖可知，在對(duì)水位信號(hào)處理的整個(gè)過程中，單片機(jī)是一個(gè)最繁忙部分，是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，本設(shè)計(jì)中選用atmel公司生產(chǎn)的89系列單片機(jī)at89c52。此單片機(jī)是以8031核構(gòu)

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

28、（塑料有引線芯片載體）封裝也是at89c52常用的封裝方式，這也是44個(gè)表面粘著式引腳（smt）的封裝，其中包括4個(gè)空引腳，其引腳編號(hào)與qfp封裝非常類似（相容）。一般來說，采用這種封裝的部件，可直接應(yīng)用在電路板上，而不必鉆孔。在研發(fā)、實(shí)驗(yàn)或教學(xué)時(shí)，還可利用插座，以縮短開發(fā)與生產(chǎn)的差距。本設(shè)計(jì)中at89c52的封裝是40個(gè)引腳雙并排的封裝，簡(jiǎn)稱dip40。由于現(xiàn)在都是采用較便宜的塑料封裝，所以又叫做pdip。在dip封裝里，俯視圖左上方有記號(hào)者為第一腳，然后逆時(shí)針排序，分別為2、340腳。相鄰兩只腳的間距為0.1英尺，而兩排引腳之間距為0.6英寸，剛好可插在面包板或40pin的插座上，特別適用

29、于學(xué)校、培訓(xùn)機(jī)構(gòu)里。不過，由于針腳式封裝體積較大、電路板制作成本較高，已很少用在商品里。at89c52的40個(gè)引腳中包括電源引腳vcc，輸入/輸出口port0、port1、port2、port3，復(fù)位引腳reset，頻率引腳（就是時(shí)鐘脈沖引腳）xtal1、xtal2，存儲(chǔ)器引腳（時(shí)，系統(tǒng)使用內(nèi)部存儲(chǔ)器；時(shí)，系統(tǒng)使用外部存儲(chǔ)器。）外部存儲(chǔ)器控制引腳ale（地址鎖存允許信號(hào)）、（程序存儲(chǔ)器允許輸出端）。其引腳圖如圖3.2所示。圖3.2 at89c52引腳圖3.2.3 at89c52的基本電路圖3.3 at89c52的基本電路at89c52的整個(gè)基本電路圖如圖3.3所示。1電源沒有電路是不需要電源的

30、，at89c52亦是如此。首先將40腳接vcc，也就是+5v，20腳接地gnd。如圖3.3中所示。2時(shí)鐘脈沖at89c52內(nèi)部已具備振蕩電路，只要在接地引腳上面的兩個(gè)引腳（即19、18腳）連接簡(jiǎn)單的石英振蕩晶體（crystal）即可。如圖3.3中所示。 3復(fù)位電路at98c52的復(fù)位引腳是第九腳，當(dāng)此引腳連接高電平超過2個(gè)機(jī)器周期（一個(gè)機(jī)器周期為6個(gè)時(shí)鐘脈沖），即可產(chǎn)生復(fù)位的動(dòng)作。12mhz的時(shí)鐘脈沖，每個(gè)時(shí)鐘脈沖1s，兩個(gè)機(jī)器周期2s，因此，在第九腳上連接一個(gè)2s以上的高電平脈沖，即可產(chǎn)生復(fù)位的動(dòng)作。通常，還會(huì)在電容兩端并連一個(gè)按鈕開關(guān)，如圖3.5所示，此按鈕開關(guān)是手動(dòng)的reset開關(guān)（強(qiáng)制

31、reset）。如圖3.3中所示。4存儲(chǔ)器設(shè)定電路基本電路的最后部分是存儲(chǔ)器的設(shè)定，如果把31腳（）接地，則采用外部存儲(chǔ)器；如果把31腳（）接vcc，則采用內(nèi)部存儲(chǔ)器。在本設(shè)計(jì)中采用內(nèi)部存儲(chǔ)器，所以把31腳（）與vcc相連。如圖3.3中所示。3.2.4 at89c52的口線分配現(xiàn)在把單片機(jī)at89c52口線的具體分配方法列表3.1如下：表3.1 at89c52口線分配i/o線功能分配所屬模塊p1.0tlc0832的cs端模數(shù)轉(zhuǎn)換p1.2tlc0832的do/di端模數(shù)轉(zhuǎn)換p1.4x25045的復(fù)位端內(nèi)存擴(kuò)展p1.5x25045的cs端內(nèi)存擴(kuò)展p1.6x25045的時(shí)鐘端內(nèi)存擴(kuò)展p0.0數(shù)碼顯示輸

32、入端人機(jī)接口p0.2數(shù)碼顯示時(shí)鐘端人機(jī)接口p0.5控制揚(yáng)聲器人機(jī)接口p2.0p2.7按鍵輸入口人機(jī)接口3.3 串行程序存儲(chǔ)器現(xiàn)代單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)要求功能齊全、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉。在單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員必須考慮單片機(jī)系統(tǒng)的抗干擾能力和數(shù)據(jù)長(zhǎng)期可靠保存，并且具有看門狗功能、斷電后能保存數(shù)據(jù)和上電、掉電時(shí)的復(fù)位功能。近幾年來，產(chǎn)品設(shè)計(jì)變化很快。體積更小、可編程、高性能的產(chǎn)品需求飛漲。過去通常用來提高系統(tǒng)可靠性的三種電路分別為：看門狗定時(shí)器、低壓復(fù)位和上電復(fù)位電路。通過聯(lián)合這些電路的特性，美國(guó)xiocr公司為系統(tǒng)設(shè)計(jì)師們提供了一個(gè)更小、功能更強(qiáng)、花銷更少的芯片x25045。該芯片就是將單片機(jī)測(cè)

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

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

35、低電平的時(shí)間長(zhǎng)于看門狗超時(shí)周期，那么reset也變?yōu)楦唠娖?。的下降沿將?fù)位看門狗定時(shí)器。vss：地。vcc：電源電壓。3.3.2 x25045芯片功能x25045有三種常用的功能：看門狗定時(shí)器、電壓監(jiān)控和e2prom。1看門狗看門狗定時(shí)器對(duì)微機(jī)控制系統(tǒng)提供了獨(dú)立的保護(hù)系統(tǒng)。它提供了三種定時(shí)間，可編程選擇200ms、600ms、1.4s。在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)如果沒有對(duì)x25045進(jìn)行訪問，則看門狗以reset信號(hào)做輸出響應(yīng)，即變?yōu)楦唠娖?，延時(shí)約200ms后，reset由高電平變?yōu)榈碗娖剑M(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位。2電壓監(jiān)控上電時(shí)，電源電壓超過4.5v后，經(jīng)過約200ms的穩(wěn)定時(shí)間后，reset信號(hào)由高電平變?yōu)榈碗?/p>

36、平。掉電時(shí)，如電源電壓低于4.5v，reset信號(hào)就立刻由低電平變?yōu)楦唠娖讲⒁恢北３值诫娫措妷夯謴?fù)到穩(wěn)定為止。3e2prom功能x25045芯片內(nèi)部的儲(chǔ)存器采用cmos工藝的4096為串行e2prom，按512×8組織，每個(gè)字節(jié)可以擦寫10萬次以上，內(nèi)部數(shù)據(jù)可以保存100年以上。芯片具有編程塊鎖定功能。采用簡(jiǎn)單的三線總線的串行外設(shè)接口就可以對(duì)該芯片進(jìn)行讀寫。3.3.3 x25045工作原理x25045芯片是設(shè)計(jì)成直接與許多常用微控制器系列的同步串行外設(shè)接口（spi）相接的512×8e2prom。x25045包括一個(gè)8位指令寄存器，它可通過si輸人來訪問。數(shù)據(jù)在sck的上升沿

37、由時(shí)鐘同步輸人。在整個(gè)工作周期內(nèi)，必須是低電平且輸人必須是高電平。x25045監(jiān)視總線，如果在預(yù)置的時(shí)間周期內(nèi)沒有總線活動(dòng)，那么它將提供reset輸出。3.3.4 x25045與at89c52的接口電路x25045與at89c52的接口電路如圖3.5所示。圖3.5 x25045與at89c52的接口電路3.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換部件3.4.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換部件的選擇由于tlc0832性能價(jià)格比較高，市場(chǎng)售價(jià)較低，購(gòu)買也很方便，是單片機(jī)控制系統(tǒng)中常用的a/d轉(zhuǎn)換芯片，所以被選為本設(shè)計(jì)中模數(shù)轉(zhuǎn)換部件。tlc0832是美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的串行控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器，有兩個(gè)可多路選擇的輸入通道，與單片機(jī)或控制器通過三線接

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

39、3.4.2 tlc0832引腳分配tlc0832有soic和dip兩種封裝，dip封裝的tlc0832引腳分配如圖3.6所示。圖3.6 tlc0832引腳圖各引腳說明如下：為片選端，低電平有效；ch0、ch1為模擬信號(hào)輸入端；di為多路器地址選擇輸入端；do為模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果串行輸出端；clk為串行時(shí)鐘輸入端；gnd為電源地；vcc/ref為正電源端和基準(zhǔn)電壓輸入端。3.4.3 tlc0832配置位說明tlc0832工作時(shí)，選擇哪個(gè)模擬通道，取決于輸入時(shí)序中的配置位。同時(shí)，配置位也決定了輸入是單端輸入還是差分輸入。當(dāng)輸入是差分時(shí)，要分配輸入通道的極性；兩個(gè)輸入通道的任一個(gè)通道都可作為正極或負(fù)極。t

40、lc0832的配置位邏輯表如表3.3所列。表3.2中：+表示輸入通道的端點(diǎn)為正極性，表示輸入通道的端點(diǎn)為負(fù)極性，h或l表示高、低電平。輸入配置位時(shí)，高位在前，低位在后。表3.2tlc0832的配置位邏輯表配置位選擇通道號(hào)ch0chilllhhlhh3.4.4 tlc0832時(shí)序分析圖3.7 tlc0832工作時(shí)序圖tlc0832的工作時(shí)序如圖3.7所示。由時(shí)序可以看出，置為低電平時(shí)，選中tlc0832，使所有邏輯電路使能。在每個(gè)時(shí)鐘clk的上升跳變時(shí)，di端的數(shù)據(jù)移入tlc0832內(nèi)部的多路器地址移位寄存器。在第一個(gè)時(shí)鐘期間，di為高，表示啟始位，緊接著要輸入兩位配置位。當(dāng)輸入啟始位和配置位后

41、，選通輸入模擬通道轉(zhuǎn)換開始。轉(zhuǎn)換開始后，先提供一個(gè)時(shí)鐘，以使選定的通道穩(wěn)定。tlc0832接著輸出轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)輸出時(shí)先輸出最高位；輸出完轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)后，又以最低位開始重新輸出一遍數(shù)據(jù)。當(dāng)片選變高時(shí)，內(nèi)部所有寄存器清零，輸出變?yōu)楦咦锠顟B(tài)。如果要想再一次模數(shù)轉(zhuǎn)換，片選必須再次要由從高變低的跳變，后面再輸入啟始位和配置位。由于di端只在多路尋址時(shí)被檢測(cè)，而此時(shí)do端仍為高阻狀態(tài)，因此di端和do端可以連在一起。3.4.5 tlc0832與at89c52的接口電路tlc0832與at89c52的接口電路如圖3.8所示。圖3.8 tlc0832與at89c52的接口電路3.5 人機(jī)接口部件3.5.1

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

43、3.9所示。圖3.9 八段led數(shù)碼顯示管外形及引腳2. led靜態(tài)顯示方式利用靜態(tài)顯示穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)采用串行口輸出的靜態(tài)顯示接口電路，使用mcs-51單片機(jī)的串行口輸出，外接串行轉(zhuǎn)換芯片74ls164作為led顯示器的靜態(tài)顯示接口，把mcs-51的p0.0定義為74ls164的輸出信號(hào)，p0.2定義為74ls164的時(shí)鐘信號(hào)，如圖3.10所示。 74ls164是ttl單向8位移位寄存器，可以實(shí)現(xiàn)串行輸入，并行輸出，其引腳圖如圖3.11所示。它的a、b(第1、2腳)為串行數(shù)據(jù)輸入端，兩個(gè)引腳按照邏輯與運(yùn)算規(guī)律輸入信號(hào)，若共用一個(gè)信號(hào)時(shí)可以連到一起，共同連接到p0.0端。clk(8腳)為時(shí)鐘

44、信號(hào)輸入端，本設(shè)計(jì)中連接到串行口的p0.2端，每個(gè)時(shí)鐘的上升沿過來，移位計(jì)數(shù)器就移一位，8個(gè)時(shí)鐘脈沖過后，8位二進(jìn)制數(shù)全部移入74ls164中。為清零復(fù)位端，為低電平時(shí)所有輸出端口復(fù)零，為使其不起作用而讓數(shù)據(jù)正常傳輸，加一個(gè)高電平。多個(gè)74ls164首尾相串聯(lián)。而時(shí)鐘信號(hào)接在一起，這樣當(dāng)輸入8個(gè)脈沖時(shí)，從單片機(jī)p0.0端輸入的數(shù)據(jù)就進(jìn)入了第一片74ls164中，下一次8個(gè)脈沖到來后，這個(gè)數(shù)據(jù)就進(jìn)入了第二片74ls164，而新的數(shù)據(jù)就進(jìn)入了第一片圖3.10靜態(tài)顯示接口電路圖3.11 74ls164引腳圖3.5.2 鍵盤輸入1. 鍵盤掃描原理圖3.12（a）所示為4×4鍵盤，圖3.14（

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

46、;4鍵盤外觀（b）4×4鍵盤內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3.12 4×4鍵盤第一階段，主要是判斷key3，key2，key1及key0有沒有被按下。首先將1110b信號(hào)送入列，緊接著讀取行的狀態(tài)。若為1110，表示key0被按下；若y3、y2、y1、y0為1101，表示key1被按下。若y3、y2、y1、y0為1011，表示key2被按下。若y3、y2、y1、y0為0111，表示key3被按下。若y3、y2、y1、y0為1111，表示key0、key1、key2及key3都沒被按下，進(jìn)入下一階段。第二階段，主要是判斷key7，key6，key5及key4有沒有被按下。首先將1101b信號(hào)送入

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

48、1、y0為1011，表示keya被按下。若y3、y2、y1、y0為0111，表示keyb被按下。若y3、y2、y1、y0為1111，表示key8、key9、keya及keyb都沒被按下，進(jìn)入下一階段。第四階段，主要是判斷keyf，keye，keyd及keyc有沒有被按下。首先將0111b信號(hào)送入列，緊接著讀取行的狀態(tài)。若y3、y2、y1、y0為1110，表示keyc被按下。若y3、y2、y1、y0為1101，表示keyd被按下。若y3、y2、y1、y0為1011，表示keye被按下。若y3、y2、y1、y0為0111，表示keyf被按下。若y3、y2、y1、y0為1111，表示keyc、key

49、d、keye及keyf都沒被按下，進(jìn)入下一階段,從頭開始掃描。高電平掃描是將共同點(diǎn)com連接gnd，無論哪個(gè)按鍵被按下，行端點(diǎn)都能保持為低電平（即0）。送入列的掃描信號(hào)中，只有一個(gè)為高電平（即1），其余3個(gè)為低電平。整個(gè)工作也可分為4個(gè)階段。2. 鍵盤設(shè)計(jì)需解決的幾個(gè)問題圖3.13 鍵盤與at89c52的接口電路 人機(jī)接口的鍵盤是若干按鍵的集合，是向系統(tǒng)提供操作人員干預(yù)命令及數(shù)據(jù)的接口設(shè)備，考慮到本設(shè)計(jì)的實(shí)際要求選用4×4矩陣鍵盤?？刂奇I盤的8個(gè)引腳分別與單片機(jī)的p2.0p2.7口相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出值的控制。鍵盤與at89c52的接口電路圖如圖3.13所示。鍵盤是計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中一個(gè)重

50、要的組成部分，設(shè)計(jì)時(shí)必須解決下述一些問題。1按鍵的確認(rèn)。鍵盤是一組按鍵開關(guān)的集合，每一個(gè)按鍵就是一個(gè)開關(guān)量輸入裝置。鍵的閉合與否，取決于機(jī)械開關(guān)的通、斷狀態(tài)。反映在電壓上就是呈現(xiàn)出高電平或低電平。所以通過電平狀態(tài)（高，低）的檢測(cè)，便可以確定按鍵是否按下。2重鍵和連擊的處理。按鍵操作中無意同時(shí)或先后按下2個(gè)以上的鍵，系統(tǒng)確認(rèn)哪個(gè)鍵操作是有效的，由設(shè)計(jì)者設(shè)定，如以按下時(shí)間最長(zhǎng)或最先按下為有效，也可以將最后釋放的鍵設(shè)為輸入鍵，這都是由設(shè)計(jì)者的意志決定。3按鍵防抖動(dòng)技術(shù)。鍵盤作為向系統(tǒng)提供操作員的干預(yù)指令的接口，其特定的按鍵序列代表著各種確定的操作命令。所以準(zhǔn)確的確認(rèn)每個(gè)鍵的動(dòng)作及所處的狀態(tài)，是系統(tǒng)能

51、否正常的關(guān)鍵。防抖動(dòng)的方法分為：(1)硬件防抖動(dòng)技術(shù)。通過硬件電路消除按鍵過程中抖動(dòng)的影響，這種方法工作可靠且節(jié)省機(jī)時(shí)。(2)軟件防抖技術(shù)硬件防抖電路的缺點(diǎn)是1個(gè)鍵對(duì)應(yīng)1個(gè)防抖電路，當(dāng)鍵的數(shù)量比較多時(shí)，就要有很多的防抖電路，這種情況下，硬件防抖將無法勝任。于是提出了用軟件的方法進(jìn)行防抖。但第一次檢測(cè)到有鍵按下時(shí)，先用軟件延時(shí)（10ms20ms），而后再確認(rèn)該鍵是否仍維持閉合狀態(tài)的電平。若保持閉合狀態(tài)電平，則確認(rèn)該鍵已按下。3.5.3 液位報(bào)警根據(jù)技術(shù)指標(biāo)和設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了液位聲音報(bào)警。此聲音報(bào)警可用一個(gè)三極管直接把信號(hào)放大來驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器工作。電路連接圖如圖3.14所示。圖3.14 聲音報(bào)警

52、器電路連接圖第四章 基于單片機(jī)的異型水箱仿真裝置軟件設(shè)計(jì)4.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)圖4.1 主程序流程圖系統(tǒng)的主程序設(shè)計(jì)主要完成系統(tǒng)初始化以及判斷調(diào)用各模塊程序，即主要實(shí)現(xiàn)各模塊程序的鏈接程序，是整個(gè)軟件的核心。異型水箱仿真裝置是在程序控制下工作的，該系統(tǒng)的軟件全部采用c語(yǔ)言編寫，以提高系統(tǒng)的快速性和實(shí)時(shí)性。該設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，將該部分設(shè)計(jì)劃分為相應(yīng)的程序模塊，分別進(jìn)行設(shè)計(jì)、編制和調(diào)試，最后通過主程序和中斷處理程序?qū)⒏鞒绦蚰K連接起來。整個(gè)軟件系統(tǒng)主要有以下幾部分：主程序、數(shù)據(jù)采集、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換處理及輸出顯示等程序。本設(shè)計(jì)主程序的設(shè)計(jì)思想：通過建立異型水箱仿真裝置的數(shù)學(xué)模型得出 (4