基于單片機(jī)的水位控制系統(tǒng)

1緒論單片機(jī)應(yīng)用開(kāi)展迅速而廣泛。在過(guò)程控制中，單片機(jī)既可作為主計(jì)算機(jī)，又可作為分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的前端機(jī)，完成模擬量的采集和開(kāi)關(guān)量的輸入、處理和控制計(jì)算，然后輸出控制信號(hào)。單片機(jī)廣泛用于儀器儀表中，與不同類(lèi)型的傳感器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度、流量、速度、厚度、壓力、溫度等物理量的測(cè)量；在家用電器設(shè)備中，單片機(jī)已廣泛用于電視機(jī)、錄音機(jī)、電冰箱、電飯鍋、微波爐、洗衣、高級(jí)電子玩具、家用防盜報(bào)警等各種家電設(shè)備中。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信、醫(yī)用設(shè)備、工商、金融、科研、教育、國(guó)防、航空航天等領(lǐng)域都有著十分廣泛的應(yīng)用。隨著科技的開(kāi)展，液位測(cè)量技術(shù)趨于智能化、微型化、可視化。本設(shè)計(jì)思想是用單片機(jī)做下位機(jī)，PC機(jī)做上位機(jī)，單片機(jī)和PC機(jī)相結(jié)合對(duì)水箱液位進(jìn)行測(cè)量和監(jiān)控。該設(shè)計(jì)要求具有一定的智能化，可操作性和穩(wěn)定性好。1．1課題背景與研究意義在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，常常需要測(cè)量液體液位。隨著國(guó)家工業(yè)的迅速開(kāi)展，液位測(cè)量技術(shù)被廣泛應(yīng)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(yīng)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(jī)凝氣器水位、高、低壓加熱器水位等，是設(shè)備平安運(yùn)行的保證；在教學(xué)與科學(xué)研究中，也經(jīng)常碰到需要進(jìn)行液位控制的實(shí)驗(yàn)裝置。1．2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及開(kāi)展液位測(cè)量的方法比擬多，依據(jù)測(cè)量方式的不同可分為接觸式與非接觸式兩種類(lèi)型?！窠佑|式測(cè)量法接觸式測(cè)量法是指測(cè)量用傳感器直接與容器內(nèi)存儲(chǔ)液體相接觸，從而獲得測(cè)量參數(shù)的方法。本方法所使用的電容通常由兩塊圓柱形極板或一個(gè)探極與罐壁構(gòu)成。當(dāng)液位不同時(shí)，電容器的介電常數(shù)就不同，故電容量也不同。在此根底上可以把電容量轉(zhuǎn)化為電壓、相移、頻率、脈寬等物理量，再進(jìn)行測(cè)量。電容式液位測(cè)量裝置通常結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、穩(wěn)定性好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，適合于惡劣的工作環(huán)境，生產(chǎn)本錢(qián)也不高；但電容液位測(cè)量器需要考慮溫度補(bǔ)償，且介質(zhì)的成分、水分、溫度、密度等不確定變化因素直接影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，另外檢測(cè)電路比擬復(fù)雜，尤其是檢測(cè)微小電容量的變化?！穹墙佑|式測(cè)量法非接觸式測(cè)量法包括超聲波法、調(diào)制型光學(xué)法、微波法等。其特點(diǎn)是測(cè)量手段并不采用浮子之類(lèi)的固態(tài)物，而是利用聲、光、射線、磁場(chǎng)等的能量。液位傳感器不和被測(cè)介質(zhì)接觸，不受被測(cè)介質(zhì)影響，也不影響被測(cè)介質(zhì)，故適用范圍廣泛。特別是接觸式測(cè)量裝置不能適用的特殊場(chǎng)合，如高粘度、強(qiáng)腐蝕性、污染性強(qiáng)，易結(jié)晶的介質(zhì)。●光纖測(cè)量法光纖液位檢測(cè)是近年來(lái)出現(xiàn)的一種新技術(shù)。根據(jù)光導(dǎo)纖維中光在不同介質(zhì)中傳輸特性的改變對(duì)液位進(jìn)行測(cè)量。光纖液位測(cè)量有以下優(yōu)點(diǎn)：精度高、靈敏度好、抗電磁干擾、耐腐蝕、電絕緣性好、檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)電、光路有抗擾性以及便于與計(jì)算機(jī)連接，便于與光纖傳輸系統(tǒng)組成網(wǎng)絡(luò)等。目前，市面上進(jìn)行液位測(cè)量的儀表種類(lèi)繁多，但是同時(shí)具有測(cè)量、監(jiān)控、數(shù)據(jù)記錄及處理的液位測(cè)量裝置并不多。在某些工業(yè)控制系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的測(cè)量這一根本功能已不能滿(mǎn)足現(xiàn)代工業(yè)的要求，往往需要對(duì)大批數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，對(duì)其進(jìn)行后期處理分析，實(shí)現(xiàn)過(guò)失控制、工藝改善、資源優(yōu)化等一系列工作。為了獲得大批量的數(shù)據(jù)，得到可靠的分析資料，往往需要長(zhǎng)期、多網(wǎng)點(diǎn)的監(jiān)控記錄。在液位測(cè)量這一領(lǐng)域中，如江河湖海、城市用水等方面，大量數(shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)間，多網(wǎng)點(diǎn)的采集記錄分析具有普遍的意義。液位的變化分析，有助于人們進(jìn)一步對(duì)自然環(huán)境、天氣變化甚至是災(zāi)害預(yù)警提供可靠的支持。1．3本課題主要研究?jī)?nèi)容利用單片機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)水位控制系統(tǒng)，要求選擇適宜的水位傳感器及電磁閥，當(dāng)設(shè)定完水位后，系統(tǒng)根據(jù)水位情況控制電磁閥的開(kāi)啟和關(guān)斷。具體要求如下：1、設(shè)計(jì)單片機(jī)工作電源模塊及其復(fù)位電路2、選擇適宜的水位傳感器，單片機(jī)通過(guò)相應(yīng)的調(diào)理電路采集當(dāng)前水位值，設(shè)計(jì)相應(yīng)的電磁閥控制電路，根據(jù)水位情況控制器開(kāi)啟和關(guān)斷3、通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)置其預(yù)定水位4、畫(huà)出電路方框圖，表達(dá)主要模塊的功能及他們之間的控制關(guān)系和數(shù)據(jù)傳輸，利用Visio軟件繪制軟件流程圖5、編制相應(yīng)的控制程序，并用C語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言對(duì)軟件進(jìn)行編譯。并能通過(guò)調(diào)試。6、利用protel進(jìn)行原理圖繪制，并利用Proteus進(jìn)行仿真2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案比擬對(duì)于水位進(jìn)行控制的方式有很多,而應(yīng)用較多的主要有2種,一種是簡(jiǎn)單的機(jī)械式控制裝置控制,一種是復(fù)雜的控制器控制方式。兩種方式的實(shí)現(xiàn)如下：

(1)簡(jiǎn)單的機(jī)械式控制方式。其常用形式有浮標(biāo)式、電極式等,這種控制形式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,本錢(qián)低廉。存在問(wèn)題是精度不高,不能進(jìn)行數(shù)值顯示,另外很容易引起誤動(dòng)作,且只能單獨(dú)控制,與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信較難實(shí)現(xiàn)。

(2)復(fù)雜控制器控制方式。這種控制方式是通過(guò)安裝在水泵出口管道上的壓力傳感器,把出口壓力變成標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)電信號(hào)的模擬信號(hào),經(jīng)過(guò)前置放大、多路切換、A／D變換成數(shù)字信號(hào)傳送到單片機(jī),經(jīng)單片機(jī)運(yùn)算和給定參量的比擬,進(jìn)行PID運(yùn)算,得出調(diào)節(jié)參量;經(jīng)由D／A變換給調(diào)壓／變頻調(diào)速裝置輸入給定端,控制其輸出電壓變化,來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速,以到達(dá)控制水位的目的。本設(shè)計(jì)利用單片機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)水位控制系統(tǒng)，要求選擇適宜的水位傳感器及電磁閥，當(dāng)設(shè)定完水位后，系統(tǒng)根據(jù)水位情況控制電磁閥的開(kāi)啟和關(guān)斷。2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)總框圖電機(jī)控制模塊電機(jī)控制模塊A/D轉(zhuǎn)換模塊按鍵與顯示模塊時(shí)間模塊存儲(chǔ)模塊通信模塊單片機(jī)主控模塊圖2-SEQ圖2-\*ARABIC1系統(tǒng)總體框圖2.3硬件設(shè)計(jì)方案2.3.1工作原理基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的水位控制器是以AT89C51芯片為核心,由鍵盤(pán)、數(shù)碼顯示、A／D轉(zhuǎn)換、傳感器,電源和控制局部等組成。工作過(guò)程如下：當(dāng)水位發(fā)生變化時(shí),引起連接在水位底部軟管管內(nèi)的空氣氣壓變化,氣壓傳感器在接收到軟管內(nèi)的空氣氣壓信號(hào)后,即把變化量轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào);該信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大電路放大后變成幅度為0～5V標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),送入A／D轉(zhuǎn)換器,A／D轉(zhuǎn)換器把模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)量,由單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集,并進(jìn)行處理,根據(jù)設(shè)定要求控制輸出,同時(shí)數(shù)碼管顯示液位高度。通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)置液位高、低和限定值以及強(qiáng)制報(bào)警值。該系統(tǒng)控制器特點(diǎn)是直觀地顯示水位高度,可任意控制水位高度。2.3.2主控模塊設(shè)計(jì)方案單片機(jī)作為主控模塊，使得在對(duì)單片機(jī)選型上有了較大的空間。單片機(jī)在30多年的開(kāi)展歷程中，形成了多公司、多系列、多型號(hào)“百家爭(zhēng)鳴〞的局面。因而，選擇一個(gè)適宜的單片機(jī)有時(shí)真的不太容易，要考慮的方面太多。大致總結(jié)出以下幾點(diǎn)：1)單片機(jī)的根本參數(shù)。例如速度、程序存儲(chǔ)器容量、I/O引腳數(shù)量等。2)單片機(jī)的增強(qiáng)功能。例如看門(mén)狗、雙指針、雙串口、RTC〔實(shí)時(shí)時(shí)鐘〕、EEPROM、擴(kuò)展RAM、CAN接口、I2C接口、SPI接口、USB接口。3)Flash和OTP〔一次性可編程〕。4)封裝：DIP〔雙列直插〕,PLCC〔PLCC有對(duì)應(yīng)插座〕還是貼片。5)工作溫度范圍，工業(yè)級(jí)還是商業(yè)機(jī)。6)功耗。 7)工作電壓范圍。例如設(shè)計(jì)電視機(jī)遙控器，2節(jié)干電池供電,至少應(yīng)該能在1.8~3.6V電壓范圍內(nèi)工作。8)供貨渠道暢通。9)價(jià)格。10)燒錄器價(jià)格，能否ISP〔在線系統(tǒng)編程〕。11)仿真器。12)單片機(jī)匯編語(yǔ)言支持。13)資料盡量豐富。14)抗干擾性能好。15)和其他外設(shè)芯片放在一起的綜合考慮。單片機(jī)采用由Atmel公司生產(chǎn)的雙列40腳AT89C51芯片,如圖2—2所示。其中,P0口用于A／D轉(zhuǎn)換和顯示;P1口連接一個(gè)3×5的鍵盤(pán);P2口用于控制電磁閥和水泵動(dòng)作;P3口用于上、下限指示燈,報(bào)警指示燈以及用于讀寫(xiě)控制和中斷等。圖2-2AT89C51的管腳圖2.3.3鍵盤(pán)顯示模塊設(shè)計(jì)方案鍵盤(pán)顯示電路主要是實(shí)現(xiàn)水位設(shè)定值的輸入和顯示實(shí)時(shí)水位的功能。鍵盤(pán)接口及其軟件的設(shè)計(jì)任務(wù)主要包括：是否有鍵按下的檢測(cè)并判斷鍵值，有操作那么進(jìn)行延時(shí)去消抖，并根據(jù)鍵值計(jì)算出調(diào)整量送執(zhí)行機(jī)構(gòu)開(kāi)啟進(jìn)水或排水閥，進(jìn)行一系列的動(dòng)作處理和執(zhí)行。本系統(tǒng)采用4行4列的16鍵行列式鍵盤(pán)，占用單片機(jī)P1口的8個(gè)端口。顯示采用4位LED數(shù)碼顯示當(dāng)前水位測(cè)量值。2.3.4A/D轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)方案ADC0809是M美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個(gè)8通道多路開(kāi)關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，只選通8路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的8位通用A/D芯片。1、主要特性〔1〕8路輸入通道，8位A/D轉(zhuǎn)換器，即分辨率為8位。〔2〕具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫恕！?〕轉(zhuǎn)換時(shí)間為100μs(時(shí)鐘為640kHz時(shí))，130μs〔時(shí)鐘為500kHz時(shí)〕〔4〕單個(gè)＋5V電源供電〔5〕模擬輸入電壓范圍0～＋5V，不需零點(diǎn)和滿(mǎn)刻度校準(zhǔn)?！?〕工作溫度范圍為-40～＋85攝氏度〔7〕低功耗，約15mW。2、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部引腳ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部引腳分別如下兩圖所示。內(nèi)部各局部的作用和工作原理在內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖中已一目了然，在此就不再贅述，下面僅對(duì)各引腳定義分述如下：〔1〕IN0～I(xiàn)N7——8路模擬輸入，通過(guò)3根地址譯碼線ADDA、ADDB、ADDC來(lái)選通一路。〔2〕D7～D0——A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)輸出端，為三態(tài)可控輸出，故可直接和微處理器數(shù)據(jù)線連接。8位排列順序是D7為最高位，D0為最低位?！?〕ADDA、ADDB、ADDC——模擬通道選擇地址信號(hào)，ADDA為低位，ADDC為高位。地址信號(hào)與選中通道對(duì)應(yīng)關(guān)系如表11.3所示。〔4〕VR(+)、VR(-)——正、負(fù)參考電壓輸入端，用于提供片內(nèi)DAC電阻網(wǎng)絡(luò)的基準(zhǔn)電壓。在單極性輸入時(shí)，VR(+)=5V，VR(-)=0V；雙極性輸入時(shí)，VR(+)、VR(-)分別接正、負(fù)極性的參考電壓?！?〕ALE——地址鎖存允許信號(hào)，高電平有效。當(dāng)此信號(hào)有效時(shí)，A、B、C三位地址信號(hào)被鎖存，譯碼選通對(duì)應(yīng)模擬通道。在使用時(shí)，該信號(hào)常和START信號(hào)連在一起，以便同時(shí)鎖存通道地址和啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換?！?〕START——A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)，正脈沖有效。加于該端的脈沖的上升沿使逐次逼近存放止，重新從頭開(kāi)始轉(zhuǎn)換器清零，下降沿開(kāi)始A/D轉(zhuǎn)換。如正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)又接到新的啟動(dòng)脈沖，那么原來(lái)的轉(zhuǎn)換進(jìn)程被中。地址選中通道ADDCADDBADDA000011110011001101010101IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7圖2—3ADC0809外部引腳圖7〕EOC——轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，高電平有效。該信號(hào)在A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程中為低電平，其余時(shí)間為高電平。該信號(hào)可作為被CPU查詢(xún)的狀態(tài)信號(hào)，也可作為對(duì)CPU的中斷請(qǐng)求信號(hào)。在需要對(duì)某個(gè)模擬量不斷采樣、轉(zhuǎn)換的情況下，EOC也可作為啟動(dòng)信號(hào)反應(yīng)接到START端，但在剛加電時(shí)需由外電路第一次啟動(dòng)?！?〕OE——輸出允許信號(hào)，高電平有效。當(dāng)微處理器送出該信號(hào)時(shí)，ADC0808/0809的輸出三態(tài)門(mén)被翻開(kāi)，使轉(zhuǎn)換結(jié)果通過(guò)數(shù)據(jù)總線被讀走。在中斷工作方式下，該信號(hào)往往是CPU發(fā)出的中斷請(qǐng)求響應(yīng)信號(hào)。2.3.5電機(jī)控制模塊設(shè)計(jì)方案選用繼電器作為電機(jī)控制的元件。繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)〔又稱(chēng)輸入回路〕和被控制系統(tǒng)〔又稱(chēng)輸出回路〕，通常應(yīng)用于自動(dòng)控制電路中，它實(shí)際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動(dòng)開(kāi)關(guān)〞。故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、平安保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。繼電器主要產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)：1)額定工作電壓。是指繼電器正常工作時(shí)線圈所需要的電壓。根據(jù)繼電器的型號(hào)不同，可以是交流電壓，也可以是直流電壓。2)直流電阻。是指繼電器中線圈的直流電阻，可以通過(guò)萬(wàn)能表測(cè)量。3)吸合電流。是指繼電器能夠產(chǎn)生吸合動(dòng)作的最小電流。在正常使用時(shí)，給定的電流必須略大于吸合電流，這樣繼電器才能穩(wěn)定地工作。而對(duì)于線圈所加的工作電壓，一般不要超過(guò)額定工作電壓的1.5倍，否那么會(huì)產(chǎn)生較大的電流而把線圈燒毀。4)釋放電流。是指繼電器產(chǎn)生釋放動(dòng)作的最大電流。當(dāng)繼電器吸合狀態(tài)的電流減小到一定程度時(shí)，繼電器就會(huì)恢復(fù)到未通電的釋放狀態(tài)。這時(shí)的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于吸合電流。5)觸點(diǎn)切換電壓和電流。是指繼電器允許加載的電壓和電流。它決定了繼電器能控制電壓和電流的大小，使用時(shí)不能超過(guò)此值，否那么很容易損壞繼電器的觸點(diǎn)。根據(jù)以上的參數(shù)，結(jié)合設(shè)計(jì)的演示性，選用額定工作電壓120VAC/24VDC，工作電流3A，控制電壓5VDC的小型繼電器。3硬件電路設(shè)計(jì)3.1AT89S52硬件設(shè)計(jì)AT89S52引腳定義及功能介紹如圖3-1。圖3-SEQ圖3-\*ARABIC1AT89S52引腳及網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)P0口：P0口是一個(gè)8位漏極開(kāi)路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P0端口寫(xiě)“1〞時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問(wèn)外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，P0具有內(nèi)部上拉電阻。在FLASH編程時(shí)，P0口也用來(lái)接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。程序校驗(yàn)時(shí)，需要外部上拉電阻。P1口：P1口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P1端口寫(xiě)“1〞時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流〔IIL〕。此外，P1.0和P1.2分別作定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的外部計(jì)數(shù)輸入〔P1.0/T2〕和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的觸發(fā)輸入〔P1.1/T2EX〕，具體如下所示：在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口接收低8位地址字節(jié)。引腳號(hào)第二功能：P1.0/T2〔定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的外部計(jì)數(shù)輸入〕，時(shí)鐘輸出P1.1/T2EX〔定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號(hào)和方向控制〕P1.5MOSI〔在系統(tǒng)編程用〕P1.6MISO〔在系統(tǒng)編程用〕P1.7SCK〔在系統(tǒng)編程用〕P2口：P2口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P2端口寫(xiě)“1〞時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流〔IIL〕。在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器〔例如執(zhí)行MOVX@DPTR〕時(shí)，P2口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，P2口使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用8位地址〔如MOVX@RI〕訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號(hào)。P3口：P3口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P3輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P3端口寫(xiě)“1〞時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流〔IIL〕。P3口亦作為AT89S52特殊功能〔第二功能〕使用，如下表所示。表3-1端口引腳第二功能端口號(hào)第二功能P3.0RXD〔串行輸入口)P3.1TXD(串行輸出口)P3.2INTO(外中斷0)P3.3INT1(外中斷1)P3.4TO(定時(shí)/計(jì)數(shù)器0)P3.5T1(定時(shí)/計(jì)數(shù)器1)P3.6WR(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通)P3.7RD(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通)此外，P3口還接收一些用于FLASH閃存編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。RST——復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。ALE/PROG——當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE〔地址鎖存允許〕輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ALE仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。對(duì)FLASH存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖〔PROG〕。PSEN——程序儲(chǔ)存允許〔PSEN〕輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)AT89S52由外部程序存儲(chǔ)器取指令〔或數(shù)據(jù)〕時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個(gè)脈沖，在此期間，當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，將跳過(guò)兩次PSEN信號(hào)。EA/VPP——外部訪問(wèn)允許，欲使CPU僅訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器〔地址為0000H~FFFFH〕，EA端必須保持低電平〔接地〕。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平〔接Vcc端〕，CPU那么執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的指令。FLASH存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上＋12V的編程允許電源Vpp，當(dāng)然這必須是該器件是使用12V編程電壓Vpp。XTAL1：振蕩器反相放大器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。為了便于接下來(lái)的說(shuō)明，單片機(jī)各管腳網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)定義如圖3-1。根據(jù)電路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和AT89S52芯片手冊(cè)，設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路與復(fù)位電路如圖3-2：圖3-SEQ圖3-\*ARABIC2復(fù)位電路及時(shí)鐘電路圖中網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)RST連接單片機(jī)RST引腳，具有上電復(fù)位與手動(dòng)復(fù)位的功能；XTAL1與XTAL2連接單片機(jī)XTAL1和XTAL2引腳，且并聯(lián)兩個(gè)30pF匹配電容使晶振起振。由于單片機(jī)P0口作普通I/O口時(shí)不能輸出高電平，因此需接上拉電阻，實(shí)際電路中，使用8*10KΩ電阻作為上拉電阻。3.2按鍵設(shè)計(jì)鍵盤(pán)在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中是一個(gè)很關(guān)鍵的部件，它能實(shí)現(xiàn)向單片機(jī)系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)、發(fā)送命令等功能，是人工干預(yù)單片機(jī)的主要手段?？紤]到本設(shè)計(jì)實(shí)際需要的按鍵較少，故采用獨(dú)立式鍵盤(pán)接口電路。它是將每個(gè)獨(dú)立按鍵按一對(duì)一的方式直接接到單片機(jī)的I/O口上，通過(guò)程序掃描查詢(xún)方式實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)系統(tǒng)交互的。在程序查詢(xún)方式下，通過(guò)I/O端口讀入按鍵狀態(tài)，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，相應(yīng)的I/O端口變?yōu)榈碗娖剑幢话聪碌陌存I在上拉電阻作用下為高電平，這樣通過(guò)讀I/O口的狀態(tài)判斷是否有按鍵按下。系統(tǒng)按鍵電路如圖3-3所示。下列圖中，S2~S5便是控制顯示用的按鍵。其作用就是通過(guò)按動(dòng)它們實(shí)現(xiàn)對(duì)上下警戒液位的設(shè)置。具體來(lái)說(shuō)，S3、S4分別實(shí)現(xiàn)數(shù)字的增一與減一，S2、S5那么作為上下警戒液位的模式選擇和確認(rèn)鍵。圖3-SEQ圖3-\*ARABIC3系統(tǒng)按鍵電路3.3顯示單元硬件設(shè)計(jì)在顯示單元上，使用了74LS273帶公共時(shí)鐘復(fù)位八位觸發(fā)器與74LS47共陽(yáng)極BCD顯示譯碼驅(qū)動(dòng)芯片。兩個(gè)芯片的管腳圖如圖3-4：圖3-SEQ圖3-\*ARABIC474LS273及74LS47引腳圖3.4存儲(chǔ)單元硬件設(shè)計(jì)存儲(chǔ)模塊的硬件設(shè)計(jì)比擬簡(jiǎn)單，由于AT89S52單片機(jī)為數(shù)據(jù)線與低8位地址線復(fù)用，需要使用地址鎖存芯片74LS373。上文中已表達(dá)，使用32KRAM作為存儲(chǔ)芯片，因此選用與51系列兼容的62256隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。該模塊中使用的兩個(gè)芯片管腳功如圖3-6：在62256中，A0~A14管腳為地址總線，共15位，尋址范圍可到達(dá)32kB；I/O0~I/O7為8位三態(tài)雙向數(shù)據(jù)接口；Vcc，Vss為電源和地；CS是片選接口，低電平有效；OE/WE分別是讀選通和寫(xiě)選通數(shù)據(jù)輸入輸入線，低電平有效。圖3-圖3-SEQ圖3-\*ARABIC662256引腳圖圖3-SEQ圖3-\*ARABIC7存儲(chǔ)的單元電路3.5時(shí)間單元硬件設(shè)計(jì)DS1302因其較小的體積，占用I/O口資源少等特點(diǎn)，是常用的時(shí)間芯片。此次設(shè)計(jì)采用DIP-8封裝，管腳功能如圖3-8：圖3-SEQ圖3-\*ARABIC8DS1302引腳圖其中Vcc1為后備電源，Vcc2為主電源。在主電源關(guān)閉的情況下，也能保持時(shí)鐘的連續(xù)運(yùn)行。DS1302由Vcc1或Vcc2兩者中電壓較大者供電。當(dāng)Vcc2大于Vcc1＋0.2V時(shí)，Vcc2供電，當(dāng)Vcc2小于Vcc1時(shí)，DS1302由Vcc1供電。X1和X2是振蕩源接口，外接32.768kHz晶振。RST是復(fù)位/片選線，通過(guò)把RST輸入驅(qū)動(dòng)置高電平來(lái)啟動(dòng)所有的數(shù)據(jù)傳輸。RST輸入有兩種功能：首先RST接通控制邏輯，允許地址/命令序列送入移位存放存器；其次，RST提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。當(dāng)RST為高電平時(shí)，所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許對(duì)DS1302進(jìn)行操作。如果傳送過(guò)程中RST置為低電平，那么會(huì)終止此次傳輸，I/O引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。上電運(yùn)行時(shí)，在Vcc≥2.5V之前，RST必須保持低電平。只有在SCLK為低電平時(shí)，才能將RST置為高電平。I/O為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端。SCLK始終是輸入端，用來(lái)輸入串行時(shí)鐘信號(hào)。根據(jù)DS1302的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)電路如圖3-9：圖3-SEQ圖3-\*ARABIC9時(shí)間單元電路在實(shí)際應(yīng)用中，起控制、輸入輸出的三個(gè)端口上拉較弱，容因產(chǎn)生信號(hào)串?dāng)_，因此加上了上拉電阻與單片機(jī)P1口相連，加強(qiáng)信號(hào)的穩(wěn)定性；為了保證時(shí)鐘的可靠性，在Vcc1上使用了CR2032紐扣電池作為備用電源，輸出電壓為3V，從而保證了系統(tǒng)掉電狀態(tài)下，時(shí)鐘能夠繼續(xù)保持運(yùn)行。3.6A/D轉(zhuǎn)換單元硬件設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換模塊是系統(tǒng)中較為重要的一局部，由于涉及到模擬局部，A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。圖3-SEQ圖3-\*ARABIC10ADC0804引腳圖圖3-SEQ圖3-\*ARABIC10ADC0804引腳圖根據(jù)以上參數(shù)分析，設(shè)計(jì)電路如圖3-11：圖3-SEQ圖3-\*ARABIC11A/D轉(zhuǎn)換單元電路圖3.7通信單元硬件設(shè)計(jì)MAX485僅有8個(gè)管腳，電路設(shè)計(jì)比擬簡(jiǎn)單。圖3-圖3-SEQ圖3-\*ARABIC12MAX485引腳圖RO引腳接到單片機(jī)串口接收引腳RXD〔P3.0〕，DI引腳接到單片機(jī)串口發(fā)送引腳TXD〔P3.1〕。由于MAX485為半雙工通信方式，不能同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，只能通過(guò)控制RE和DE引腳的狀態(tài)來(lái)進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。為了節(jié)省單片機(jī)I/O口資源，將RE和DE引腳連在一起，輸入低電平時(shí)，MAX485處于接收狀態(tài)；輸入高電平時(shí)，其處于發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)。定義RE和DE連接在一起的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)為E，接入單片機(jī)P1口，用于發(fā)送與接收的轉(zhuǎn)換。A，B端為發(fā)送接收差分信號(hào)端，一般需在A,B端之間加匹配電阻，匹配電阻為120Ω。硬件電路如圖3-13：圖3-SEQ圖3-\*ARABIC13串行通信模塊電路圖3.8其他外圍電路的設(shè)計(jì)繼電器電路設(shè)計(jì)。由于使用單片機(jī)I/O口的驅(qū)動(dòng)電流較弱，不滿(mǎn)足繼電器吸合電流參數(shù)的要求，所以需使用三極管驅(qū)動(dòng)繼電器吸合。設(shè)計(jì)電路如圖3-14。為了防止電源尖峰脈沖引發(fā)的噪聲干擾以及高頻信號(hào)線間的耦合干擾，在電源入口處及芯片頂端或底端，接入去耦電容，以增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。電源指示燈設(shè)計(jì)如圖3-15。圖3-SEQ圖3-\*ARABIC14繼電器局部電路圖3-SEQ圖3-\*ARABIC15電源指示燈電路圖4軟件程序設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)主程序流程圖系統(tǒng)主程序的功能主要是完成對(duì)單片機(jī)的初始化，設(shè)置警戒液位的上下限，實(shí)時(shí)顯示液位值以及鍵盤(pán)掃描等工作。主程序流程圖如圖4-1所示。開(kāi)始開(kāi)始CPU初始化參數(shù)設(shè)定是否有按鍵采樣子程序顯示實(shí)時(shí)液位數(shù)據(jù)處理子程序控制電機(jī)啟停按鍵處理是否圖4—1主程序流程圖4.2顯示與A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，顯示輸出的要求為壓縮BCD碼，而A/D轉(zhuǎn)換輸入的數(shù)據(jù)是8位16進(jìn)制碼，因此在實(shí)現(xiàn)顯示之前需要編碼的轉(zhuǎn)換。對(duì)8位A/D轉(zhuǎn)換器而言，其十六進(jìn)制、相對(duì)滿(mǎn)偏電壓比率、相對(duì)電壓幅值的關(guān)系對(duì)應(yīng)如表4-2：十六進(jìn)制二進(jìn)制滿(mǎn)刻度比率相對(duì)電壓幅值Vref=2.5V高四位低四位高四位電壓低四位電壓F111115/1615/2564.8000.320E111014/1614/2564.4800.280D110113/1613/2564.1600.260C110012/1612/2563.8400.240B101111/1611/2563.5200.220A101010/1610/2563.2000.200910019/169/2562.8800.180010008/168/2562.5600.160701117/167/2562.2400.140601106/166/2561.9200.120501015/165/2561.6000.100401004/164/2561.2800.080300113/163/2560.9600.060200102/162/2560.6400.040100011/161/2560.3200.020000000/160/2560.0000.000表4-2A/D轉(zhuǎn)換幅值數(shù)據(jù)關(guān)系對(duì)照表顯示轉(zhuǎn)換局部程序簡(jiǎn)略如下：uchardis_transform(ucharnum){ucharac,quotient,play,mid;ac=num%5;quotient=(num-ac)/5;if(ac>2)quotient++;ac=quotient%10;mid=(quotient-ac)/10;play=ac+mid*16;returnplay;}4.3系統(tǒng)主程序ORG0000HAJMPMAINORG0060HMAIN:MOVP1,#FFH;P1P3口初始化置1MOVP3，#FFHJNBP1.3，AVT；假設(shè)手動(dòng)在自動(dòng)位置，跳到自動(dòng)模式程序AJMPMEN；否那么轉(zhuǎn)到手動(dòng)模式子程序ENDAUT：NOP〔空命令〕JNBP1.2,LG;水位高—LGJBP1.1LD，；水位沒(méi)低---LDCLRP3.1；水位低報(bào)警JBP1.0,LDD；水位未低低---LDDCLRP3.0；水位低低報(bào)警JNB3.1P1.6,Y1；M1已啟動(dòng)—Y1CLRP1.4；否那么啟動(dòng)M1Y1:JNBP1.7,Y2；M2已啟動(dòng)---Y2CLRP1.5；否那么啟動(dòng)M2Y2:ACALLDELAY；延時(shí)1分鐘AJMPAUT；返回自動(dòng)模式LDD:JNBP1.6,Y3；單獨(dú)運(yùn)行M1〔LDD〈水位〈LD〕CLRP1.4Y3:JBP1.7Y2SETBP1.5AJMPY2LG:CLRP3.2;水位高報(bào)警LD:AJMPMAIN;返回主程序5總結(jié)作為一名電氣的大四學(xué)生，在即將畢業(yè)之際，通過(guò)做這次課程設(shè)計(jì)是很有意義的，而且也是必要的。在做這次課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我感觸最深的當(dāng)屬查閱大量的設(shè)計(jì)資料了。為了讓自己的設(shè)計(jì)更加完善，查閱這方面的實(shí)際資料是十分必要的，也是必不可少的。其次，在這次課程設(shè)計(jì)中，我們運(yùn)用了以前學(xué)過(guò)的專(zhuān)業(yè)課知識(shí)，如：proteus仿真、匯編語(yǔ)言、模擬和數(shù)字電路知識(shí)等。雖然過(guò)去我從未獨(dú)立應(yīng)用過(guò)他們，但在學(xué)習(xí)的過(guò)程中帶著問(wèn)題去學(xué)我發(fā)現(xiàn)效率很高，這是我做這次課程設(shè)計(jì)的又一收獲。最后，要做好一個(gè)課程設(shè)計(jì)，就必須做到：在設(shè)計(jì)程序之前，對(duì)所用單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有一個(gè)系統(tǒng)的了解，知道該單片機(jī)有哪些資源；要有一個(gè)清晰的思路和一個(gè)完整的軟件流程圖；在設(shè)計(jì)程序時(shí)，不能妄想一次將整個(gè)程序設(shè)計(jì)好，反復(fù)修改、不斷改良是程序設(shè)計(jì)的必經(jīng)之路；要養(yǎng)成注釋程序的好習(xí)慣，這樣為資料的保存和交流提供了方便；在設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題要記錄，以免下次遇到同樣的問(wèn)題。在這次的課程設(shè)計(jì)中，我真正的意識(shí)到，在以后的學(xué)習(xí)中，要理論聯(lián)系實(shí)際，把我們所學(xué)的理論知識(shí)用到實(shí)際當(dāng)中，學(xué)習(xí)單片機(jī)更是如此，程序只有在經(jīng)常寫(xiě)與讀的過(guò)程中才能提高，這就是這次課程設(shè)計(jì)的最大收獲。附錄系統(tǒng)軟件源代碼#include<reg52.h>#include<intrins.h>#defineucharunsignedcharucharhostmark;ucharidatasec,min,hr,date,mon,day,year;ucharidatauplq,downlq,numm,prelq,xdat,key;ucharxdata*idatanumtab;ucharxdata*idataxmark;ucharidatanum1,num2;inttab;ucharbdataiodat;ucharbdataddat;sbitiodat7=iodat^7;sbitddat0=ddat^0;sbitSCLK=P1^0;sbitIO_DATA=P1^1;sbitRST=P1^2;sbitadRD=P1^3;sbitadWR=P1^4;sbitE=P1^5;sbitDIS=P1^6;sbitRELAY=P1^7;//****延遲子程序**********yanshi(){inti,j;for(i=0;i<120;i++) for(j=0;j<120;j++) { ; }}//顯示轉(zhuǎn)換**************************uchardis_transform(ucharnum){ ucharac,quotient,play,mid; ac=num%5; quotient=(num-ac)/5; if(ac>2) quotient++; ac=quotient%10; mid=(quotient-ac)/10; play=ac+mid*16; returnplay;}//液位顯示**************************display(){ DIS=0; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); P0=dis_transform(prelq); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); DIS=1;}//******************************//DS1302讀寫(xiě)*******************ds_read(){ ucharj; iodat=0x00; for(j=8;j>0;j--) { iodat=iodat>>1; iodat7=IO_DATA; _nop_(); SCLK=1; _nop_(); SCLK=0; }}ds_write(ucharad){ uchari; ddat=ad; for(i=8;i>0;i--) { IO_DATA=ddat0; _nop_(); SCLK=1; _nop_(); ddat=ddat>>1; SCLK=0; }}//讀取時(shí)間*****uchards_gettime(uchargadd){ RST=0; _nop_(); SCLK=0; _nop_(); RST=1; ds_write(gadd); IO_DATA=1; ds_read(); RST=0; returniodat; }//設(shè)置時(shí)間****ds_settime(ucharsadd,ucharsdat){ RST=0; _nop_(); SCLK=0; _nop_(); RST=1; ds_write(sadd); ds_write(sdat); RST=0;}//****************************//********ad轉(zhuǎn)換模塊******ad_start()//啟動(dòng){ adWR=0; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); adWR=1; _nop_(); _nop_(); _nop_();}ad_read() //讀取{ P0=0xff;// adWR=0; _nop_(); _nop_(); adRD=0; _nop_(); _nop_(); prelq=P0; _nop_(); _nop_(); adRD=1; adWR=1;}getalltime()//讀所有時(shí)間{ sec=ds_gettime(0x81); min=ds_gettime(0x83); hr=ds_gettime(0x85); date=ds_gettime(0x87); mon=ds_gettime(0x89); day=ds_gettime(0x8b); year=ds_gettime(0x8d);}//************************//**************初始化************sp_init(){ TMOD=0x22; SCON=0x40; TH1=0xf4; TL1=0xf4; PCON=0x80; IE=0; TR1=1; REN=1;}port_init(){ adRD=1; adWR=0; E=0; DIS=0; RELAY=1;}data_init(){ xmark=0x7531; if(*xmark!=0xf0) { xmark=0x0000; *xmark=0; numtab=0x0001; xmark=0x7531; *xmark=0xf0; num1=0; num2=0; } ad_start(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); ad_read(); key=0; uplq=0x0af; downlq=0x96; getalltime();}ds_init(){ if(ds_gettime(0xc1)!=0xaa) { sec=0x00; min=0x00; hr=0x00; date=0x01; mon=0x01; day=0x04; year=0x09; ds_settime(0x90,0xab); ds_settime(0x80,sec); ds_settime(0x82,min); ds_settime(0x84,hr); ds_settime(0x86,date); ds_settime(0x88,mon); ds_settime(0x8a,day); ds_settime(0x8c,year); ds_settime(0xc0,0xaa); }}main_init(){ port_init(); sp_init(); ds_init(); data_init(); display();}//*****************************//串口通信********************ucharreceive() //接收{(diào)inttmp; E=0; while(!RI); tmp=SBUF; RI=0; E=0; returntmp;}send(uchardd)//發(fā)送{ E=1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); SBUF=dd; while(!TI); TI=0; E=0;}//****************************//通信子程序********************sp_connection(){ send(0xF0);}sp_readtime(){ getalltime(); send(0xF1); send(sec); send(min); send(hr); send(date); send(mon); send(day); send(year);}sp_settime(){ send(0xf2); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); sec=receive(); min=receive(); hr=receive(); date=receive(); mon=receive(); day=receive(); year=receive(); ds_settime(0x80,sec); ds_settime(0x82,min); ds_settime(0x84,hr); ds_settime(0x86,date); ds_settime(0x88,mon); ds_settime(0x8a,day); ds_settime(0x8c,year);}sp_readrec(){ send(0xf3); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); send(prelq);}sp_readdat(){ucharxdata*pt; send(0xF4); send(num1); send(num2); yanshi(); yanshi(); xmark=0x0000; if(*xmark==0) { for(pt=0x0001;pt<numtab;pt++) { send(*pt); } numtab=0x0001; num1=0; num2=0; *xmark=0; } else { for(pt=0x0001;pt<=0x7530;pt++) { send(*pt); } numtab=0x0001; num1=0; num2=0; *xmark=0; }}sp_readlq(){ send(0xF5); send(uplq); send(downlq);}sp_setlq(){ send(0xf6); uplq=receive(); downlq=receive();}sp_readlqakey(){ send(0xf7); send(prelq); send(key);}//**********************//通信協(xié)議******************check_mark(){ switch(hostmark) { case0x00: sp_connection();break; case0x01: sp_readtime();break; case0x02: sp_se