基于單片機(jī)的汽包液位檢測(cè)與顯示

1、基于單片機(jī)的汽包液位檢測(cè)與顯示摘 要本次設(shè)計(jì)是以煤氣發(fā)生爐中汽包為背景的，煤氣發(fā)生爐生成的水煤氣作為燃料，具有解決冒黑煙，二氧化硫超標(biāo)和燃油，天然氣鍋爐運(yùn)行成本高的優(yōu)點(diǎn)，在生產(chǎn)中具有重要作用，汽包是煤氣發(fā)生爐的重要組成部分，汽包液位在正常范圍內(nèi)是設(shè)備正常運(yùn)行的一項(xiàng)重要的工作指標(biāo)和安全性能指標(biāo)，所以液位的準(zhǔn)確檢測(cè)與顯示就尤為重要。本文介紹了以液位傳感器，A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809，以及MCS51單片機(jī)作為主控元件的液位檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。本文分別從液位檢測(cè)，A/D轉(zhuǎn)換，LED顯示，超限報(bào)警等幾個(gè)方面對(duì)硬件電路進(jìn)行了比較詳細(xì)的介紹，然后對(duì)A/D轉(zhuǎn)換程序，LED顯示程序，超限報(bào)警程序等做了比較詳細(xì)

2、的闡述，并用流程圖做進(jìn)一步的解釋。通過(guò)軟件和硬件的聯(lián)合調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了在一定范圍內(nèi)對(duì)液位的調(diào)節(jié)，動(dòng)態(tài)顯示出液位結(jié)果，完全實(shí)現(xiàn)了任務(wù)書(shū)上的要求。關(guān)鍵詞：液位檢測(cè)、A/D轉(zhuǎn)換、液位傳感器目錄第1章 緒論11.1應(yīng)用環(huán)境簡(jiǎn)介 11.2本次課程設(shè)計(jì)的意 11.3 本次課程設(shè)計(jì)的任務(wù) 2第2章 硬件電路設(shè)計(jì)32.1 硬件電路工作原理 32.2 硬件電路設(shè)計(jì) 32.2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖 32.2.2 核心部件的介紹 42.3 硬件電路各模塊設(shè)計(jì)102.3.1 電源電路設(shè)計(jì)102.3.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)102.3.3 顯示電路設(shè)計(jì)112.3.4 液位傳感器的接口電路設(shè)計(jì)122.3.5 AT89C51

3、與ADC0809的接口電路設(shè)計(jì)132.3.6 報(bào)警電路設(shè)計(jì)142.4 硬件電路總結(jié)14第3章 軟件設(shè)計(jì) 153.1 AT89C51的I/O口應(yīng)用 153.1.1 P0口的信號(hào)輸入 153.1.2 P1口的信號(hào)輸入 163.1.3 P2口的信號(hào)輸入 163.1.4 P3口的信號(hào)輸入 163.2 軟件模塊設(shè)計(jì)173.2.1 主程序的設(shè)計(jì)173.2.2 A/D轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)183.2.3 顯示子程序的設(shè)計(jì)203.2.4 報(bào)警子程序的設(shè)計(jì)223.3 軟件設(shè)計(jì)總結(jié)24第4章 調(diào)試254.1 仿真電路調(diào)試 254.2軟件程序調(diào)試264.3軟件程序調(diào)試出現(xiàn)的問(wèn)題及解決方法 27第5章 結(jié)論28參考文獻(xiàn) 28附錄

4、 29第1章 緒 論 1.1 應(yīng)用環(huán)境簡(jiǎn)介 此次課程設(shè)計(jì)是應(yīng)用與煤氣發(fā)生爐中汽包的液位檢測(cè)與顯示。煤氣發(fā)生爐是為機(jī)械、冶金、建材、輕工、化工、耐材等行業(yè)熱加工車(chē)間提供混合發(fā)生爐煤氣的設(shè)備。煤氣發(fā)生爐工作原理是以煤為原料生產(chǎn)煤氣，供燃?xì)庠O(shè)備使用的裝置。固體原料煤從爐頂部加入，隨煤氣爐的運(yùn)行向下移動(dòng)，在與從爐底進(jìn)入的氣化劑（空氣、蒸汽）逆流相遇的同時(shí)，受爐底燃料層高溫氣體加熱，發(fā)生物理、化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生粗煤氣。此粗煤氣（即熱煤氣）經(jīng)粗除塵后可直接供燃燒設(shè)備使用。汽包的概念是指氣壓通過(guò)水循環(huán)導(dǎo)致氣壓下降或上升，也可以理解為汽包是氣體和水分融合后形成的氣壓變化，極限壓力中的空氣與水分子會(huì)提高氣體的壓力上

5、升，導(dǎo)致高壓達(dá)到一定數(shù)值后產(chǎn)生的壓力集分子。工業(yè)中汽包罐是能夠承受汽包產(chǎn)生的空氣壓力和水位壓力的一種工業(yè)設(shè)備。汽包的作用主要有：1：是工質(zhì)加熱、蒸發(fā)、過(guò)熱三過(guò)程的連接樞紐，保證鍋爐正常的水循環(huán)；2：內(nèi)部有汽水分離裝置和連續(xù)排污裝置，保證鍋爐蒸汽品質(zhì)；3：有一定水量，具有一定蓄熱能力，緩和汽壓的變化速度；4：汽包上有壓力表、水位計(jì)、事故放水、安全閥等設(shè)備，保證鍋爐安全運(yùn)行。1.2 本次課程設(shè)計(jì)的意義本次設(shè)計(jì)是以煤氣發(fā)生爐中汽包為背景的，煤氣發(fā)生爐生成的水煤氣作為燃料，具有解決冒黑煙，二氧化硫超標(biāo)和燃油，天然氣鍋爐運(yùn)行成本高的優(yōu)點(diǎn)，在生產(chǎn)中具有重要作用，汽包是煤氣發(fā)生爐的重要組成部分，汽包液位在正

6、常范圍內(nèi)是設(shè)備正常運(yùn)行的一項(xiàng)重要的工作指標(biāo)和安全性能指標(biāo)，所以液位的準(zhǔn)確檢測(cè)與顯示就尤為重要。1.3 本次課程設(shè)計(jì)的任務(wù)以煤氣發(fā)生爐汽包水位控制為背景，利用單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)汽包水位的采集與顯示。具體要求如下：1. 掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中模擬量輸入通道的的設(shè)計(jì)方法，以及程序設(shè)計(jì)方法。2. 選擇合適的液位傳感器，量程為01.2m，要求測(cè)量精度不超過(guò)±1%。3. 掌握常用接口芯片的工作原理與接口設(shè)計(jì)。4. 選用MCS-51單片機(jī)，完成對(duì)汽包水位的定時(shí)采樣和處理，并通過(guò)LED電路顯示。5. 繪制硬件系統(tǒng)原理和軟件程序流程圖，并編寫(xiě)用戶程序。6. 撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)告一份，要求字?jǐn)?shù)3000-5000

7、字。第2章 硬件電路設(shè)計(jì)2.1 硬件電路工作原理該系統(tǒng)以AT89C51作為核心控制部件，外加傳感器，一片A/D轉(zhuǎn)換芯片和數(shù)碼管來(lái)完成系統(tǒng)的預(yù)期任務(wù)，即液位的檢測(cè)、顯示和超限報(bào)警。傳感器實(shí)現(xiàn)液位信號(hào)到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換，再由8位A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)液位信息的輸入，AT89C51從ADC0809讀取液位信息后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和超限判斷，隨后將處理過(guò)的數(shù)據(jù)輸出到數(shù)碼管顯示，設(shè)置最高液位和最低液位，若液位超限則由單片機(jī)報(bào)警。2.2 硬件電路設(shè)計(jì)2.2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖圖21 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖各部分功能：1. 電源部分提供+5V電壓供系統(tǒng)各部分使用。2. 傳感器實(shí)現(xiàn)液位

8、信息到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換。3. ADC0809將傳感器輸出的電壓信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送到單片機(jī)。4. MCS51為處理器，實(shí)現(xiàn)液位信息的接收、數(shù)據(jù)處理、和輸出到數(shù)碼管。5. 蜂鳴器部分在單片機(jī)檢測(cè)到液位超限是由單片機(jī)驅(qū)動(dòng)LED燈亮滅報(bào)警。6. 單片機(jī)對(duì)液位數(shù)據(jù)處理后輸出，數(shù)碼管顯示。2.2.2 核心芯片的介紹（1）單片機(jī)AT89C51MCS-51單片機(jī)是在一塊芯片中集成了CPU，RAM，ROM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和多種功能的I/O線等一臺(tái)計(jì)算機(jī)所需要的基本功能部件。MCS-51單片機(jī)內(nèi)包含下列幾個(gè)部件： 一個(gè)8位CPU； 一個(gè)片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路； 4K字節(jié)ROM程序存儲(chǔ)器； 128字節(jié)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

9、； 兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器； 可尋址64K外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和64K外部程序存儲(chǔ)器空間的控制電路； 32條可編程的I/O線（四個(gè)8位并行I/O端口）； 一個(gè)可編程全雙工串行口； 具有五個(gè)中斷源、兩個(gè)優(yōu)先級(jí)嵌套中斷結(jié)構(gòu)。振蕩器及定時(shí)電路8051CPU4K字節(jié)ROM128字節(jié)RAM2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器64K總線擴(kuò)展控制可編程I/O可編程串行串行口頻率基準(zhǔn)源 計(jì)數(shù)器 中斷 控制 并行 I/O 口 串行輸入 串行輸出 圖2-2 8051單片機(jī)框圖（2）A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809為8路模擬信號(hào)的分時(shí)采集，片內(nèi)有8路模擬選通開(kāi)關(guān)，以及相應(yīng)的通道抵制鎖存用譯碼電路，其轉(zhuǎn)換時(shí)間為

10、100s左右。1 ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：圖23 ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖圖中多路開(kāi)關(guān)可選通8個(gè)模擬通道，允許8路模擬量分時(shí)輸入，共用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這是一種經(jīng)濟(jì)的多路數(shù)據(jù)采集方法。地址鎖存與譯碼電路完成對(duì)A、B、C 3個(gè)地址位進(jìn)行鎖存和譯碼，其譯碼輸出用于通道選擇，其轉(zhuǎn)換結(jié)果通過(guò)三態(tài)輸出鎖存器存放、輸出，因此可以直接與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連，圖24 ADC0809的通道選擇表 圖25 ADC0809引腳圖2 ADC0809功能介紹：分辨率為8位；最大不可調(diào)誤差小于+_1LSB；單一+5V供電，模擬輸入范圍05V；具有鎖存控制的8路模擬開(kāi)關(guān)；可鎖存三態(tài)輸出，輸出與TTL兼容；功耗為

11、15mw；不必進(jìn)行零點(diǎn)和滿度調(diào)整；轉(zhuǎn)換速度取決芯片的始終頻率，它的時(shí)鐘為10kHZ1.2MHZ.當(dāng)時(shí)鐘為500KHZ，轉(zhuǎn)換速度為100us。3 ADC0809的原理ADC0809是一款8位AD轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)獲取的關(guān)鍵部分是它的8位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。這個(gè)部分主要由N位逐次逼近寄存器SAR,D/A轉(zhuǎn)換器，比較器，置數(shù)選擇電路組成。轉(zhuǎn)換過(guò)程如下：A選選置數(shù)電路置SAR的最高位為“1”，其余位為“0”，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成的模擬電壓Uo與輸入模擬電壓Ui在電壓比較器進(jìn)行比較，若Ui大于等于Uo,則保留最高位“1”，若Ui小于Uo，則最高位為“0”。B置次高位為“1”，低位全為“0”，按上述步驟進(jìn)行轉(zhuǎn)換，比較

12、，判斷。C重復(fù)此過(guò)程，直到確定SAR的最低位的值取“1”，還是“0”為止。此時(shí)，SAR內(nèi)容就是對(duì)應(yīng)的輸入模擬電壓轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。（3）液壓傳感器常用基本的液位傳感器原理，分為差壓式水位計(jì)，電極式水位計(jì)和電容式液壓傳感器1.差壓式水位計(jì)根據(jù)液體靜力學(xué)原理，通過(guò)測(cè)量變動(dòng)水位和恒定水位之間的靜壓差，將差壓值轉(zhuǎn)換為水位值，再通過(guò)差壓變送器將汽包水位轉(zhuǎn)換為隨水位連續(xù)變化的電信號(hào)，作為自動(dòng)給水控制系統(tǒng)中的重要參數(shù)。實(shí)際應(yīng)用中差壓式水位計(jì)存在的問(wèn)題是：測(cè)量鍋爐汽包水位時(shí)，汽包壓力變化使得“水位差壓”的關(guān)系也發(fā)生變化，因而給測(cè)量帶來(lái)很大的誤差?，F(xiàn)在普遍采用具有汽包壓力補(bǔ)償作用的平衡容器測(cè)量方法，但其準(zhǔn)確度仍受

13、到很大限制。因?yàn)樵O(shè)計(jì)計(jì)算的平衡容器補(bǔ)償裝置是按水位處于零水位情況下得出的，而運(yùn)行中鍋爐水位偏離零水位時(shí)，就會(huì)引起測(cè)量誤差。當(dāng)蒸汽壓力突然下降時(shí)，正壓容器內(nèi)的凝結(jié)水被蒸發(fā)掉還會(huì)導(dǎo)致儀表指示失常。這些都給鍋爐運(yùn)行操作造成很大困難，尤其投入自動(dòng)給水調(diào)節(jié)時(shí)將產(chǎn)生錯(cuò)誤動(dòng)作，導(dǎo)致鍋爐事故發(fā)生。差壓式水位計(jì)比較適合于鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的水位測(cè)量，當(dāng)運(yùn)行參數(shù)變化很大時(shí)誤差也就很大。因此在實(shí)際運(yùn)行中盡量避免在差壓測(cè)量系統(tǒng)上工作( 例如排污、校驗(yàn)時(shí)等) 。如必須工作時(shí)，須與鍋爐操作人員聯(lián)系好，盡量減少對(duì)差壓測(cè)量的影響，例如，在2號(hào)窯余熱鍋爐運(yùn)行初期，曾因在差壓水位計(jì)的平衡容器上拆除保溫引起汽包水位指示錯(cuò)誤產(chǎn)生了鍋爐事

14、故( 因未與鍋爐運(yùn)行人員事先聯(lián)系，自動(dòng)給水系統(tǒng)未解除) 。2.電極式水位計(jì)利用飽和蒸汽與飽和蒸汽凝結(jié)水的電導(dǎo)率的差異，將非電量的鍋爐水位變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并由二次儀表遠(yuǎn)距離地顯示水位。電極式水位計(jì)基本上克服了汽包壓力變化的影響，可用于鍋爐啟停及變參數(shù)運(yùn)行中。電極式水位計(jì)離汽包很近，電極至二次儀表全部是電氣信號(hào)傳遞，所以這種儀表不僅遲延小而且誤差小，不需要進(jìn)行誤差計(jì)算與調(diào)整，使得儀表的檢修與校驗(yàn)大為簡(jiǎn)化。3.電容式液壓傳感器圖3-1-2 為傳感器部分的結(jié)構(gòu)原理圖。它主要是由細(xì)長(zhǎng)的不銹鋼管(半徑為R1 ) 、同軸絕緣導(dǎo)線(半徑為R0 ) 以及其被測(cè)液體共同構(gòu)成的金屬圓柱形電容器構(gòu)成。該傳感器主要利

15、用其兩電極的覆蓋面積隨被測(cè)液體液位的變化而變化, 從而引起對(duì)應(yīng)電容量變化的關(guān)系進(jìn)行液位測(cè)量 圖2-6由圖2-6可知, 當(dāng)可測(cè)量液位H = 0 時(shí), 不銹鋼管與同軸絕緣導(dǎo)線構(gòu)成的金屬圓柱形電容器之間存在電容C0 , 根據(jù)文獻(xiàn)得到電容量為: （1）（1）式中, C0 為電容量, 單位為F ; 0 為容器內(nèi)氣體的等效介電常數(shù),單位為F/ m; L 為液位最大高度; R1 為不銹鋼管半徑;R0 為絕緣導(dǎo)線半徑, 單位為m。當(dāng)可測(cè)量液位為H 時(shí), 不銹鋼管與同軸絕緣電線之間存在電容CH : （2）（2）式中, 為容器內(nèi)液體的等效介電常數(shù), 單位為F/ m。因此, 當(dāng)傳感器內(nèi)液位由零增加到H 時(shí), 其電容

16、的變化量C 可由式(1) 和式(2) 得 （3）由式（3）式可知, 參數(shù)0 , , R1 , R0 都是定值。所以電容的變化量C 與液位變化量H 呈近似線性關(guān)系。因?yàn)閰?shù)0 , , R1 , R0 , L 都是定值, 由式(2) 變形可得:CH = a0 + b0 H ( a0 和b0 為常數(shù)) (4)?？梢?jiàn), 傳感器的電容量值CH 的大小與電容器浸入液體的深度H 成線性關(guān)系。由此, 只要測(cè)出電容值便能計(jì)算出水位。我們這次選擇電容式液壓傳感器為CR-603系列智能電容式鍋爐汽包液位計(jì)，是基于電容測(cè)量原理的液位計(jì)。它采用斷層掃描技術(shù)，通過(guò)測(cè)量分析桶內(nèi)的液態(tài)，氣態(tài)介質(zhì)的介電常數(shù)，補(bǔ)償溫度、壓力等變

17、化帶來(lái)的影響。經(jīng)過(guò)微處理器運(yùn)算處理后輸出符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的4-20mA電流信號(hào)，也可輸出RS485數(shù)字信號(hào)供給使用。液位計(jì)在運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，將溫度、壓力變化等因素減少到最小，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，是一款全工況，高性價(jià)比的汽包液位計(jì)。技術(shù)特點(diǎn)：1、兩線制電流環(huán)； 2、具有全工況條件（ 鍋爐啟、停、排污、工況等）下液位準(zhǔn)確連續(xù)測(cè)控功能；3、采取斷層掃描技術(shù)，能夠?qū)σ簯B(tài)、汽態(tài)介質(zhì)的介電常數(shù)變化連續(xù)測(cè)量補(bǔ)償；4、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好；5、經(jīng)C E 認(rèn)證的良好的電磁兼容特性；6、耐高溫、高壓、長(zhǎng)壽命；CR-6031技術(shù)指標(biāo)工作電壓： 最大：28V     最?。?0V輸出電壓

18、：05V（±0.5%）防爆參數(shù)：Ui=30V,Ii=100mA ,Pi=0.75W  Ci=100pF,Li=10uH   工作壓力：22MPa  max測(cè)量范圍：1500mm                              &#

19、160;  測(cè)量周期：0.5秒                            介質(zhì)溫度：500 max.            防護(hù)等級(jí): IP652.3 硬件電路各模塊設(shè)計(jì)2.3.1 電源電路設(shè)計(jì)圖27 電源電

20、路本系統(tǒng)供電為市電AC220v，經(jīng)變壓器TR1降為交流6v，經(jīng)整流橋堆BR1整流后得到脈動(dòng)直流電壓6v，再經(jīng)三端穩(wěn)壓器LM7805得到VCC(+5v) ,其中電解電容C4、C6、起濾波作用，C5、C7是旁路電容，起抑制干擾的作用。2.3.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)圖28 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路RST：復(fù)位輸入。在單片機(jī)工作期間，當(dāng)此引腳上出現(xiàn)連接2個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)可實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。復(fù)位電路除了具有上電復(fù)位功能外，還可通過(guò)復(fù)位鍵迫使RESET為高電平。當(dāng)系統(tǒng)通電時(shí)，RESET引腳獲得高電平，隨著電容的充電，RESET引腳的高電平將逐漸下降。RESET的高電平只有保持足夠的時(shí)間（2個(gè)機(jī)械周期），單片

21、機(jī)才可以進(jìn)行復(fù)位操作 。時(shí)鐘電路采用12MHz的晶振，因?yàn)锳DC0809的工作時(shí)鐘最高允許值為12MHz,單片機(jī)ALE管腳2分頻后為500KHz,可以作為ADC0809轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘信號(hào)CLK。XTAL1:反向放大振蕩器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。XTAL2:來(lái)自反向振蕩器的輸出。XTAL1腳是內(nèi)部反相放大器的輸入端，而XTAL2腳是該放大器的輸出端。在晶體振蕩中，晶體工作于基本響應(yīng)模式，它作為一個(gè)感抗與外部電容形成并聯(lián)諧振，使正反饋放大器維持震蕩。所選電容為瓷片電容22PF，因?yàn)?2PF對(duì)于工作于1MHZ以上的晶振都能獲得良好的效果。2.3.3 顯示電路設(shè)計(jì)圖29 顯示電路本設(shè)計(jì)由P1口控

22、制七段發(fā)光二極管亮或滅，使用共陰極8段數(shù)碼管，由圖2.9可知，要使七段顯示器的某一段亮，則應(yīng)該是與該段相連的段選寄存器即P1口的某位線輸出為1。若使某段熄滅，則必須輸出0。例如要顯示數(shù)字4。則應(yīng)使P1口的P1.7-P1.0輸出為11100110B，若用一個(gè)字節(jié)表示該輸出值，即字形代碼為66H，依此類推，可以得到09一共10個(gè)十進(jìn)制數(shù)的字形代碼依次為3FH，06H，5BH，4FH，66H，6DH，7DH，07H，7FH，6FH。本設(shè)計(jì)由P2.0，P2.1，P2.2，P2.3做位選，以控制哪一位七段數(shù)碼管顯示，例如，要求第一位數(shù)碼管顯示，則應(yīng)設(shè)置P2.0為“1”，P2.1，P2.2,P2.3為“0

23、”。PNP型三極管9012起到增加驅(qū)動(dòng)電流的目的。電阻R12R19控制通過(guò)數(shù)碼管的電流，R20R23控制通過(guò)三極管9012的電流，R4R11為單片機(jī)P1口的上拉電阻。2.3.4 液位傳感器的接口電路設(shè)計(jì)圖210 電位器RV1與ADC0809接口設(shè)計(jì)所選液位傳感器能夠根據(jù)不同的液位產(chǎn)生不同的電壓，電壓值大小范圍為0.54.5V，且能夠便于遠(yuǎn)距離傳輸。由于芯片ADC0809的輸入為05V的電壓，仿真時(shí)需要將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，為此外接一電位器R=1k，把電壓轉(zhuǎn)換成05V電壓。在設(shè)計(jì)中，把電位器的1，3腳接+5V電壓和地線，調(diào)節(jié)滑鈕2能夠很好的得到05V電壓，因此可以用電位器模擬液位傳感器。2.

24、3.5 AT89C51與ADC0809的接口電路設(shè)計(jì)圖211 AT89C51與ADC0809的接口電路ADC0809與AT89C51相連接，ADC0809中的START與ALE相連通，ALE地址鎖存允許信號(hào)，對(duì)應(yīng)ALE上跳沿，A、B、C地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。START轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)。START上升沿時(shí)，復(fù)位ADC0809；START下降沿時(shí)啟動(dòng)芯片，開(kāi)始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；在A/D轉(zhuǎn)換期間，START應(yīng)保持 低電平。當(dāng)ALE上升沿時(shí)，ALE鎖存數(shù)據(jù)，A/D轉(zhuǎn)換截止，當(dāng)ALE下降沿時(shí)，START低電平，ALE低電平，不鎖存，A/D轉(zhuǎn)換開(kāi)始。P2.4，P2.5，P2.6，P2.7分別控制CLK，ST

25、ART和ALE，EOC，OE信號(hào)，其控制A/D轉(zhuǎn)換的開(kāi)始和截止。CLK使用AT89C51內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)。ADDA，ADDB，ADDC相連通接地，信號(hào)輸入為000，表示輸入通道選擇為IN0口。8位數(shù)據(jù)信號(hào)線2-12-8與單片機(jī)的P1.0P1.7相連，實(shí)現(xiàn)ADC0809與AT89C51的數(shù)據(jù)傳輸。Vref參考電源參考電壓用來(lái)與輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行比較，作為逐次逼近的基準(zhǔn)。其典型值為+5V(Vref(+)=+5V, Vref(-)=0V)。2.3.6 報(bào)警電路設(shè)計(jì)圖212 報(bào)警電路本電路的P3.0，P3.1作為高位和低位的報(bào)警控制線，通過(guò)設(shè)置高低液位報(bào)警線來(lái)實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。如果當(dāng)前液位高于設(shè)置的高位報(bào)警線

26、時(shí)，P3.0置低電平，高位報(bào)警燈亮。如果當(dāng)前液位低于于設(shè)置的低位報(bào)警線時(shí)，P3.1置低電平，低位報(bào)警燈亮。如果當(dāng)前液位低于設(shè)置的高位液位且高于低位液位時(shí)，高位報(bào)警燈和低位報(bào)警燈滅。2.4 硬件電路總結(jié)在本章中主要講述了硬件電路的結(jié)構(gòu)，電路原理和部分芯片的功能，根據(jù)電路組成情況分成六個(gè)電路模塊，分別介紹了各個(gè)電路模塊的工作原理和功能，通過(guò)本次設(shè)計(jì)掌握了更多的基本硬件電路設(shè)計(jì)原理及其工作特點(diǎn)。并自行繪制電路原理圖： 圖213 電路原理圖第3章 軟件設(shè)計(jì)3.1 AT89C51的I/O口應(yīng)用AT89C51共有P0,P1,P2,P3，4個(gè)8位的并行雙向I/O口。各個(gè)I/O口實(shí)現(xiàn)不同的功能，詳細(xì)情況如下。

27、3.1.1 P0口的信號(hào)輸入在程序中將P0口做為段選口使用，顯示十位數(shù)字的段選信號(hào)，下例為顯示十位數(shù)字的指令：MOV DPTR,#TABLE ；取段碼表首址。MOV A,LED_2 ；取顯示的十位數(shù)字。MOVC A,A+DPTR ；取段碼。MOV P0,A ；輸出段碼的顯示。TABLE: DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H ;共陰極數(shù)碼管表DB 6DH,7DH,07H,7FH,6FH3.1.2 P1口的信號(hào)輸入在程序中將P0口作為輸入口，用來(lái)讀A/D轉(zhuǎn)換值。設(shè)計(jì)中，要求選通通道0，并把轉(zhuǎn)化后得到數(shù)字量存入內(nèi)部RAM的35H單元中，下例為把轉(zhuǎn)化后的數(shù)字量存入內(nèi)部RAM中的指令：CLR

28、P2.5， ；SRART置0，MOV A,P1 ；MOV R7,AMOV 35H,R73.1.3 P2口的信號(hào)輸入P2.0,P2.1,P2.2,P2.3做數(shù)碼管的位選信號(hào)用，要哪個(gè)數(shù)碼管亮，則置相應(yīng)位高電平，就可將其選中。例如要求顯示第一個(gè)數(shù)碼管，端口設(shè)置指令為：CLR P2.0CLR P2.1CLR P2.2CLR P2.3P2.4,P2.5,P2.6,P2.7作為通用I/O口使用，與ADC0809連接。P2.4作為A/D轉(zhuǎn)換的CLK信號(hào)，P2.5作為開(kāi)始A/D轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)信號(hào)，P2.6作為查詢A/D轉(zhuǎn)換是否完成的判斷信號(hào)，P2.7作為輸出A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量允許信號(hào)。下例為P2.4,P2.5,

29、P2.6,P2.7作為通用I/O口使用的指令：CLOCK BIT P2.4ST BIT P2.5EOC BIT P2.6OE BIT P2.73.1.4 P3口的信號(hào)輸入P3.0、P3.1、P3.7作為通用I/O口使用,與LED燈和蜂鳴器相連，輸出報(bào)警信號(hào)，如果當(dāng)前液位高于設(shè)置的高位報(bào)警線時(shí)，P3.0置低電平，高位報(bào)警燈亮。如果當(dāng)前液位低于于設(shè)置的低位報(bào)警線時(shí)，P3.1置低電平，低位報(bào)警燈亮。如果當(dāng)前液位低于設(shè)置的高位液位且高于低位液位時(shí)，高位報(bào)警燈和低位報(bào)警燈滅。H_ALM BIT P3.0L_ALM BIT P3.1LALM: CLR L_ALM ;低位報(bào)警 SETB TR1 CLR FL

30、AG LJMP PROCHALM: CLR H_ALM ;高位報(bào)警 SETB TR1 SETB FLAG LJMP PROC3.2 軟件模塊設(shè)計(jì)3.2.1 主程序的設(shè)計(jì)系統(tǒng)分為初始化，A/D轉(zhuǎn)換，十進(jìn)制轉(zhuǎn)換，LED顯示，電機(jī)控制和報(bào)警電路。因此整個(gè)程序需要包含上述六個(gè)子程序。其中，LED_0 定義地址30H，以存放顯示十進(jìn)制的小數(shù)點(diǎn)后十位數(shù)字。LED_1 定義地址31H，以存放顯示十進(jìn)制的小數(shù)點(diǎn)后個(gè)位數(shù)字。LED_2 定義地址32H，以存放顯示十進(jìn)制的個(gè)位數(shù)字。ADC 定義地址35H，以存放經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字。流程圖如下：圖31 主程序流程圖3.2.2 A/D轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)ADC0809芯片實(shí)現(xiàn)

31、A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)間為0.1ms左右，A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字量應(yīng)及時(shí)傳送到單片機(jī)進(jìn)行處理。OE輸出允許信號(hào)。用于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE=0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻；OE=1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。ALE地址鎖存允許信號(hào)。對(duì)應(yīng)ALE上跳沿，A、B、C地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。START轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)。START上升沿時(shí)，復(fù)位ADC0809；START下降沿時(shí)啟動(dòng)芯片，開(kāi)始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；在A/D轉(zhuǎn)換期間，START應(yīng)保持 低電平。本信號(hào)有時(shí)簡(jiǎn)寫(xiě)為ST。CLK時(shí)鐘信號(hào)。ADC0809的內(nèi)部沒(méi)有時(shí)鐘電路，所需時(shí)鐘信號(hào)由外界提供，因此有時(shí)鐘信號(hào)引腳。通常使用頻率為500KHz的時(shí)鐘信號(hào)。

32、EOC轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。EOC=0,正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換；EOC=1,轉(zhuǎn)換結(jié)束。使用中該狀態(tài)信號(hào)即可作為查詢的狀態(tài)標(biāo)志，又可作為中斷請(qǐng)求信號(hào)使用。CLOCK BIT P2.4ST BIT P2.5EOC BIT P2.6OE BIT P2.7CLR STSETB STCLR ST ;啟動(dòng)轉(zhuǎn)換JNB EOC,$ ;等待輸出結(jié)果SETB OE ;允許輸出MOV ADC,P1 ;讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果CLR OE ;關(guān)閉輸出MOV A,ADC ;將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果轉(zhuǎn)換成BCD碼圖32 A/D轉(zhuǎn)換程序流程圖3.2.3 顯示子程序的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)中采用動(dòng)態(tài)掃描法，實(shí)現(xiàn)四位數(shù)碼管的數(shù)值顯示，并顯示小數(shù)點(diǎn)。數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示接口是單片

33、機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)是將所有數(shù)碼管的8個(gè)顯示筆劃"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端連在一起，另外為每個(gè)數(shù)碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨(dú)立的I/O線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時(shí)，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形，取決于單片機(jī)對(duì)位選通COM端電路的控制，只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開(kāi)，該位就顯示出字形，沒(méi)有選通的數(shù)碼管就不會(huì)亮。通過(guò)分時(shí)輪流控制各個(gè)數(shù)碼管的的COM端，就使各個(gè)數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。在輪流顯示過(guò)程中，每位數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為12ms，由于人的視覺(jué)暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極

34、管的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上各位數(shù)碼管并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會(huì)有閃爍感，動(dòng)態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O端口，而且功耗更低通過(guò)逐次選通P2.0，P2.1 ,P2.2，P2.3依次送十進(jìn)制的相應(yīng)字段碼給P1口，并延時(shí)5ms完成顯示。顯示程序：MOV LED_0,#00HMOV LED_1,#00HMOV LED_2,#00HMOV LED_3,#00HMOV DPTR,#TABLE ;送段碼表首地址DISP: MOV A,LED_2 MOVC A,A+DPTRORL A,#80H ;顯示小數(shù)點(diǎn) MOV BUFFER+2,A ;

35、送顯示緩存 CLR P2.1 MOV P0,A LCALL DELAY SETB P2.1SETB P2.0 MOV A,LED_1 MOVC A,A+DPTR CLR P2.0 MOV P0,A LCALL DELAY RETDELAY: MOV R6,#10 ;延時(shí)5ms圖33 顯示子程序流程圖3.2.4 報(bào)警子程序的設(shè)計(jì)本電路的P3.0，P3.1作為高位和低位的報(bào)警控制線，通過(guò)設(shè)置高低液位報(bào)警線來(lái)實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。本設(shè)計(jì)要求為：液位在小于1.5米時(shí)低位報(bào)警燈亮進(jìn)行低位報(bào)警，液位在1.54米時(shí)燈都不亮，液位在大于4米時(shí)高位報(bào)警燈亮進(jìn)行高位報(bào)警。報(bào)警程序：MOV H_TEMP,#153 ;204

36、/255=0.6 高于80%報(bào)警MOV L_TEMP,#77 ;77/255=0.3 低于30%報(bào)警MOV A,ADC ;將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果轉(zhuǎn)換成BCD碼 SUBB A,L_TEMP ;判斷是否低于下限 JC LALM MOV A,H_TEMP MOV R0,ADC SUBB A,R0 ;判斷是否高于上限 JC HALM CLR TR1 LJMP PROCLALM: CLR L_ALM ;低位報(bào)警 SETB TR1 CLR FLAG LJMP PROCHALM: CLR H_ALM ;高位報(bào)警 SETB TR1 SETB FLAG LJMP PROC圖34 報(bào)警子程序流程圖3.3 軟件設(shè)計(jì)總結(jié)在

37、本章中主要講述了軟件設(shè)計(jì)的一些情況，對(duì)軟件的一些功能進(jìn)行了解釋，根據(jù)程序組成情況分成六個(gè)程序模塊，分別介紹了各個(gè)程序模塊的工作原理和功能，對(duì)部分程序進(jìn)行了簡(jiǎn)單的注釋，通過(guò)流程圖直觀的表現(xiàn)出各個(gè)模塊的作用及程序運(yùn)行過(guò)程。在本次的軟件設(shè)計(jì)中，運(yùn)用Keil進(jìn)行編程，將編輯好的程序進(jìn)行編譯，查看是否語(yǔ)法錯(cuò)誤，如果沒(méi)有錯(cuò)誤，設(shè)置晶振頻率，編譯生成.Hex文件，進(jìn)行仿真。在此過(guò)程中，我收益良多，熟悉了單片機(jī)匯編語(yǔ)言的使用，對(duì)單片機(jī)的編程有了進(jìn)一步的理解，通過(guò)和同學(xué)的交流，學(xué)會(huì)了很多以前自己不能解決的問(wèn)題。第4章 調(diào) 試4.1 仿真電路調(diào)試在仿真程序中通過(guò)模塊編程，用Proteus軟件與Keil軟件相結(jié)合進(jìn)

38、行調(diào)試，（調(diào)試程序見(jiàn)附錄I）1建立工程文件1)點(diǎn)擊菜單project,選擇new project:2)然后選擇要保存的路徑,輸入工程文件的名字,比如保存到論文目錄里,工程文件的名字為yang.uv2.3)這時(shí)會(huì)彈出一個(gè)對(duì)話框,選擇單片機(jī)的型號(hào),你可以根據(jù)你使用的單片機(jī)來(lái)選擇,keil c51幾乎支持所有要求你的51核的單片機(jī),這里選AT89S51。這時(shí)要新建一個(gè)源程序文件,建立一個(gè)匯編文件，輸入編寫(xiě)好的程序。保存。選擇要保存的路徑,在文件名里輸入文件名,注意一定要輸入擴(kuò)展名,這里有匯編語(yǔ)言，文件名為：yang.asm。2. 調(diào)試程序(1)點(diǎn)擊Target 1前面的+號(hào),展開(kāi)里面的內(nèi)容sourc

39、e Group1:(2)用右鍵點(diǎn)擊Sourece Group 1(注意用鼠標(biāo)的右鍵,而不是左鍵),將彈出一個(gè)菜單,選擇Add Files to Guoup'Source Group 1'.(3)選擇剛才的文件yang.asm.這時(shí)在source group 1 里就有yang.asm文件(4)單擊“Project”菜單，再在下拉菜單中單擊“Built Target”選項(xiàng)（或者使用快捷鍵F7），編譯成功后，再單擊“Project”菜單，在下拉菜單中單擊“Start/Stop Debug Session”（或者使用快捷鍵Ctrl+F5）。硬件仿真原理圖如下圖圖41 仿真原理圖3.

40、仿真結(jié)果通過(guò)改變電位器阻值的變化來(lái)模擬液位的變化，液位數(shù)值在數(shù)碼管上顯示，液位在小于1.5米時(shí)低位報(bào)警燈報(bào)警，液位在1.5米到4.0米時(shí)不報(bào)警，液位大于4.0米時(shí)高位報(bào)警燈報(bào)警。芯片ADC0809的轉(zhuǎn)換精度為1/256，所以本電路的最小分辨率為0.05V。4.2 軟件程序調(diào)試本設(shè)計(jì)調(diào)試程序使用的是Keil編譯軟件和Proteus仿真軟件。先將編輯好的程序進(jìn)行編譯，檢查程序是否有語(yǔ)法上的錯(cuò)誤。在編譯、連接無(wú)錯(cuò)誤和警告后，把程序進(jìn)行分塊調(diào)試。然后用單步調(diào)試的方法進(jìn)行檢查寄存器中的內(nèi)容是否與預(yù)期結(jié)果一致。例如：顯示部分，在調(diào)試中，可以用相關(guān)窗口查看相應(yīng)寄存器的內(nèi)容，35H單元存放采樣值，30H，31

41、H，32H，33H單元內(nèi)容則為其轉(zhuǎn)換值，再對(duì)比顯示的數(shù)據(jù)就可以知道是否正確。運(yùn)行編譯生成.hex文件，然后在Proteus中加入.hex文件，進(jìn)行仿真，查看顯示是否正確，能否達(dá)到要求。進(jìn)行單步調(diào)試，查看硬件電路的電平是否和預(yù)期結(jié)果一致。用STC_ISP_V3.1軟件將.hex文件燒寫(xiě)進(jìn)單片機(jī)中，與硬件相連接。通電后，用萬(wàn)用表檢查電路的電壓是否與仿真圖中的電壓一致，用仿真結(jié)果驗(yàn)證硬件電路是否正確。4.3 軟件程序調(diào)試出現(xiàn)的問(wèn)題及解決方法1在仿真時(shí)，ADC0809不能進(jìn)行仿真。解決方法：在仿真時(shí)使用Proteus軟件，芯片ADC0809不能進(jìn)行仿真，系統(tǒng)提示是沒(méi)有模型，于是仿真時(shí)采用ADC0808

42、芯片進(jìn)行。由于ADC0809與ADC0808的區(qū)別在于：ADC0808的輸出數(shù)據(jù)線D0D7是從高位依次到低位，ADC0809的輸出數(shù)據(jù)線D0D7是從低位依次到高位。于是采用ADC0808進(jìn)行仿真，ADC0809用在實(shí)物電路上。2在Keil中編輯程序時(shí)，程序出現(xiàn)有錯(cuò)誤，其不能運(yùn)行。解決方法：在Keil中運(yùn)行后雙擊出現(xiàn)的錯(cuò)誤，錯(cuò)誤行被指出來(lái)，根據(jù)程序的上下文，改正出現(xiàn)的錯(cuò)誤。由于在程序中START后少添加了“：”，使得程序不能運(yùn)行，改正后程序運(yùn)行正常。第5章 結(jié) 論在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中完成了電路原理圖設(shè)計(jì)，PCB板設(shè)計(jì)，電路焊接，程序的設(shè)計(jì)，軟、硬件的聯(lián)機(jī)調(diào)試。硬件電路的各個(gè)模塊，包括單片機(jī)最小系統(tǒng)電

43、路，A/D轉(zhuǎn)換電路，數(shù)碼管顯示電路，報(bào)警電路等都能夠正常工作。在與軟件進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試時(shí)，通過(guò)改變電位器阻值的變化來(lái)模擬液位的變化，液位數(shù)值在數(shù)碼管上顯示，液位在小于1.5米時(shí)低位報(bào)警燈報(bào)警，液位在1.5米到4.0米時(shí)不報(bào)警，液位大于4.0米時(shí)高位報(bào)警燈報(bào)警。芯片ADC0809的轉(zhuǎn)換精度為1/256，所以本電路的最小分辨率為1/256V。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)完成了任務(wù)書(shū)下達(dá)的所有任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了液位的檢測(cè)及液位的顯示，并實(shí)現(xiàn)了超限報(bào)警。顯示液位范圍為05m,顯示的最小分辨率為1/256V。它是一個(gè)可以應(yīng)用于一般工業(yè)的液位檢測(cè)及顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，測(cè)量范圍和測(cè)量精度滿足課程設(shè)計(jì)需要。 參考文獻(xiàn)【1】 王再英等，

44、過(guò)程控制與儀表，機(jī)械工業(yè)出版社，2006【2】 潘新民，王燕芳，微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，高等教育出版社，2001【3】 李建忠，單片機(jī)原理及應(yīng)用，西安電子科技大學(xué)出版社，2008【4】 楊居義，單片機(jī)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)，清華大學(xué)出版社，2009【5】 王錦標(biāo)，方崇智，過(guò)程計(jì)算機(jī)控制，清華大學(xué)出版社，1992附錄2：參考程序LED_0 EQU 30HLED_1 EQU 31HLED_2 EQU 32HLED_3 EQU 33HBUFFER EQU 34H ;顯示緩存ADC EQU 35HTCNTA EQU 36HTCNTB EQU 37HH_TEMP EQU 38H ;液位上限L_TEMP EQU 39H ;液位下限FLAG BIT 00HH_ALM BIT P3.0L_ALM BIT P3.1SOUND BIT P3.7CLOCK BIT P2.4ST BIT P2.5EOC BIT P2.6OE BIT P2.7 ORG 00H SJMP START ORG 0BH LJMP INT_T0 ORG 1BH LJMP INT_