液位计算机控制系统设计方案

1 液位计算机控制系统设计方案 1、 系统设计方案 统设计方案比较 对于水位进行控制的方式有很多 ,而应用较多的主要有 2 种 ,一种是简单的机械式控制装置控制 ,一种是复杂的控制器控制方式。两种方式的实现如下： (1)简单的机械式控制方式。其常用形式有浮标式、电极式等 ,这种控制形式的优点是结构简单 ,成本低廉。存在问题是精度不高 ,不能进行数值显示 ,另外很容易引起误动作 ,且只能单独控制 ,与计算机进行通信较难实现。 (2)复杂控制器控制方式。这种控制方式是通过安装在水泵出口管道上的压力传感器 ,把出口 压力变成标准工业电信号的模拟信号 ,经过前置放大、多路切换、 A 经单片机运算和给定参量的比较 ,进行 算 ,得出调节参量 ;经由 D A 变换给调压变频调速装置输入给定端 ,控制其输出电压变化 ,来调节电机转速 ,以达到控制水位的目的。 本设计利用单片机设计一个水位控制系统，要求选择合适的水位，当设定完水位后，系统根据水位情况控制电磁阀的开启和关断。 2 统设计总框图 图 2统总体框图 A/D 转换模块设计方案 国 生产的多通道、低价格的模数转换器。采用串行通信接口，具有输入通道多、性价比高、易于和单片机接口的特点，可广泛应用于各种数据采集系统 。 20 脚 的 0 位开关电容逐次 A/D 逼近模数转换器，引脚排列如图 1 所示。其中 1 9 、 11、 12 脚）为 11 个模拟输入端， 14 脚，通常为 13 脚，通常为地）为基准电压正负端， 15 脚）为片选端，在 的一个下降沿变化将复位 内部计数器并控制和使能I/O 18 脚）和 16 脚）。 17 脚）为串行数据输入端，是一个 1 的串行地址用来选择下一个即将被转换的模拟输入或测试电压。 A/D 换结束 3 态串行输出端，它与微处理器或外围的串行口通信，可对数据长度和格式灵活编程。 I/O 据输入 /输出提供同步时钟，系统时钟由片内产生。芯片内部有一个 14 通道多路选择器，可选择 11 个模拟输入通道或 3 个内部自测电压中的任意一个进行测试。片内设有采样 转换结束时 ， 19 脚）输出端变高表明转换完成。内部转换器具有高速（ 10S 转换时间），高精度（ 10 分辨率，最大 1可调整误差）和低噪声的特点。 电机控制模块 A/D 转换模块 按键与显示模块 时间模块 存储模块 通信模块 单片片机主控模块 3 图 1脚排列 作时序 作时序如图 1，其工作过程分为两个周期：访问周期和采样周期。工作状态由 能或禁 止，工作时 须置低电平。 高电平时， I/O 禁止，同时 高阻状态。当 低时，始数据转换， I/O 能， 离高阻状态。随后， 供 4 位通道地址，控制 14 个模拟通道选择器从 11 个外部模拟输入和 3 个内部自测电压中选通 1 路送到采样保持电路。同时， I/O 接收前一次 A/D 转换结果。 I/O 收 10 时钟长度 的时钟序列。前 4 个时钟用 4 位地址从 装载地址寄存器，选择所需的模拟通道，后 6 个时钟对模拟输入的采样提供控制时序。模拟输入的采样起始于第 4 个 I/O 降沿，而采样一直持续 6 个 I/O 期，并一直保持到第 10 个 I/O 降沿。转换过程中， 下降沿使 。 升沿终止这个过程并在规定的延迟时间内使 脚返回到高阻状态，经过两个系统时钟周期后禁止 I/O 。 4 图 1作时序 硬件设计要点 个控制输入端 I/O 一个数据输出端 循串行外设接口 议，要求微处理器具有 。但大多数单片机均未内置 （如目前国内广泛采用的 单片机），需通过软件模拟 口。 543 芯片的三个输入端和一个输出端与 51 系列单片机的 I/O 口可直接连接。 软件设计中，应注意区分 11 个模拟输入通道和 3 个内部测试电压地址 （后 3 个地址只用来测试你写的地址是不是正确的，真正使用时不用后三个地址） 。附表为模拟通道和内部电压测试地址。程序软件编写应注意 道地址必须为写入字节的高四位，而 入的数据是芯片上次 A/D 转换完成的数据。系统中，显示输出的要求为压缩 ，而 A/D 转换输入的数据是 8 位 16 进制码，因此在实现显示之前需要编码的转 换。对 8 位 A/D 转换器而言，其十六进制、相对满偏电压比率、相对电压幅值的关系对应如表 1 5 表 1A/D 转换幅值数据关系对照表 十六进制 二进制 满刻度比率 相对电压幅值 四位 低四位 高四位电压 低四位电压 F 1111 15/16 15/256 1110 14/16 14/256 1101 13/16 13/256 1100 12/16 12/256 1011 11/16 11/256 1010 10/16 10/256 1001 9/16 9/256 1000 8/16 8/256 0111 7/16 7/256 0110 6/16 6/256 0101 5/16 5/256 0100 4/16 4/256 0011 3/16 3/256 0010 2/16 2/256 0001 1/16 1/256 0000 0/16 0/256 应用 一个通信电源数据采集系统中的实际应用。此例中的 要用于完成 8 组 流电源、 2 组 220V 交流电源和 1 组温度参数的采样。采样数据由 89片机通过 准串口送给后台 进行处理。各单元的功能介绍如下： 看门狗和 储器 ： 的 一种新型的看门狗和 储芯片，它将电压监控、看门狗定时器和 种功能组合在单个芯片之内。 89供上电复位，当程序紊乱或电压 失常时启动内部的看门狗电路以强制单片机复位，使程序从头开始执行。 内置 512 字节储单元，可随时保存各种重要数据，如 A/D 采样结果等，这使系统掉电后重要数据仍然不会丢失。 串行显示驱动器 多功能 8 位 示驱动芯片。接口采用三线 式，用户只需简单修改内部相关的控制字，便可以实现多位 示。图 3 中的 要用来显示设置参数，如显示通信速率参数等。 通信接口电路 标准 口转换芯 片，主要完成 平的转换，为单片机和 通信提供通道。在整个数据采集系统中，除了处理各种采样数据外，还负责对前台单片机系统进行管理，如故障诊断，参数设置等等。参数设置的其中一项为系统通信速率设置，管理人员可通过 任意设置单片机和 的通信速率，其设置参数保存在 储单 6 元中，在下次设置之前，该参数不会被更改。本例为单个采集系统的应用实例，实际应用中往往存在多系统并存的情况，这时可将 换为 口芯片，采用 485 总线标准，通过一台 可在几千米范围内管理数十台前端机。 极性转换电路 鉴于目前国内采用的通信电源均为负电压，而 拟通道输入只能为正电压，因此 流电压在送到 A/D 转换器前除了要分压外，还需将负电压转换为正电压。图 4 为一个简单的极性转换电路，仅增加两个电阻便可完成负电压到正电压的转换，省去了复杂的极性转换芯片。图 4 中当输入电压为 00 端电压为 输入电压为 ， 电压为 0V。通过电阻简单分压便完成了输入通道的负电压到正电压的极性转换。 89口程序 89口程序应完全依照 要由 程序组成。由于转换完成的数据为 10 位，软件编写时将数据的高位字节存放在 2元中，低位字节存放在 2元中。其中 存器分别存放 通道地址和数量； 存器存放 A/例程序中 89振为 2. 片机的基本结构 制器 控制器是单片机的指挥控制部件，控制器的主要任务是识别指令，并根据指令的 性质控制单片机各功能部件，从而保证单片机各部分能自动而协调地工作。单片机执行指令是在控制器的控制下进行的。首先从程序存储器中读出指令，送指令寄存器保存，然后送至指令译码器进行译码，译码结果送定时控制逻辑电路，由定时控制逻辑产生各种定时信号和控制信号，再送到单片机的各个部件去进行相应的操作。这就是执行一条指令的全过程，执行程序就是不断重复这一过程。控制器主要包括程序计数器、程序地址寄存器、指令寄存器 令译码器、条件转移逻辑电路及时序控制逻辑电路。 储器结构 件有单独的程 序存储器和数据存储器。外部程序存储器和数据存储器都可以 64K 寻址。 如果程序存储器在 脚接地，程序读取只从外部存储器开始。 对于 89果 序先从内部存储器（地址为 0000H1始，接着从外部寻址，寻址范围为： 2000H 数据存储器 256 字节 128 字节与特殊功能寄存器重叠。 7 也就是说高 128 字节与特殊功能寄存器有相同的地址，而物理上是分开的。当一条指令访问高于 7地址时，寻址方式决定 问高字节 是特殊 功能寄存器空间。直接寻址方式访问特殊功能寄存器（ 并行 I/O 口 片机共有 4 个双向的 8 位并行 I/O 端口（ 分别记作 有 32 根口线，各口的每一位均由锁存器、输出驱动器和输入缓冲器所组成。实际上被归入特殊功能寄存器之列。这四个口除了按字节寻址以外，还可以按位寻址。由于它们在结构上有一些差异，故各口的性质和功能有一些差异。 钟电路与时序 时钟电路用于产生 片机工作时所必需的时钟信号。 片机本身就是一个复杂的同步时序 电路，为保证同步工作方式的实现， 片机应在唯一的时钟信号控制下，严格地按时序执行进行工作，而时序所研究的是指令执行中各个信号的关系。 振特性 片机有一个用于构成内部振荡器的反相放大器， 出端。石英晶体和陶瓷谐振器都可以用来一起构成自激振荡器。从外部时钟远驱动器件的话， 以不接，而从 入。由于外部时钟信号经过二分频触发后作为外部时钟电路输入的，所以对外部时钟信号的占空比没有其它要求，最长低电平持续时间 和最少高电平持续时间等还是要符合要求的。 结构特点及引脚特性： 为 40 脚双列直插封装的 8 位通用微处理器，采用工业标准的 核，在内部功能及管脚排布上与通用的 8同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主 部寄存器、数据 外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号 信等。 各引脚特性： 是一组 8 位漏极开路型双向 I/O 口， 也即地址 /数据总线复用口。作 为输出口用时，每位能吸收电流的 一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， 输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流） 4 个 辑 8 一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， 输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流） 4 个 辑 是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。 输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流） 4 个 复位输入。当振荡器工作时， 脚出现两个机器周期以上高电平将使 单片机复位。 复位电路 在复位引脚 (9 脚 )持续出现 24 个振荡器脉冲周期 (即 2 个机器周期 )的高电平信号将使单片机复位。如图 2示电容 C 和电阻 R 构成了单片机上电自动复位电路。复位后，单片机从 0000H 单元开始执行程序，并初始化一些专用寄存器为复位状态值，受影响的专用寄存器如表 2示。 表 2复位寄存器状态表 寄存器 状态 寄存器 状态 00H 0H 0H 0H 0H 0H 7H 0H 000H 0H 0H 确定 0H 控制引脚 法 1 脚 )为内外程序存储器选择控制引脚，当 低电位时单片机从外部程序存储器取指令；当 高电平时单片机从内部程序存储器取指令。 反复擦写 1000 次以上的程序存储器，因此要把 +5V 高电平，让单片机运行内部的程序，这样就可以通过反复烧写来 验证程序了。 这就是 片机最小化系统的连接，只要把编写好的程序烧写到单片机内部，并接上 5V 电源就可以正常运行了，在 17 脚接上的发光二极管可以用来验证系统是否正常。 9 晶振电路 时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准，有条不紊的一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。常用的时钟电路有两种方式：一种是内部时钟方式，另一种为外部时钟方式。单片机内部具有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器 。通常在引脚 接石英晶体和两个补偿电容构成自激振荡器，我们选择 体。本文用的是内部时钟方式。电路设计如图 4示。 图 4单片机时钟 位电路 单片机小系统采用上电自动复位和手动按键复位两种方式实现系统的复位操作。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。手动复位要求在电源接通的条件下，在单片机运行期间，用按钮开关操作使单片机复位。复位电路结构如图 3 所示。上电自动复位通过电容 电来实现。手动按键复位是通过按键将电阻 通来 实现。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。只要上升时间不超过 1可以实现自动上电复位。 10 图 4位电路 示电路 系统设置了 5 个共阳极 码管 片机 提供段码信号，低电平有效， 输出端通过限流电阻 数码管的段码数据线相连，用来送出 码管的段码数据信号。 图 4示电路 示器 示器是由发光二极管显示字段组成的显示块，有 7 段和“米”字段之分。这种显示块有共阳极和共阴极两种。此外，显 示块中还有一个圆点型发光二极管（在图中以 示）用于显示小数点。通过发光二极管亮、暗的不同组，可以显示多中数字、字母以及其他符号。 示块中的发光二极管共有两种连接方法 : 11 阳极接法 发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极。使用时公共阳极接 5V，这样，阴极端输入低电平的段的发光二极管被点亮，相应的段被显示；而输入高电平的段则不点亮。 汇编语言： 共阳极： 9H,92H,82H,00H,90H 阴极接法 发光二极管的阴 极连在一起构成公共阴极。使用时公共阴极接地，这样，阳极端输入高电平的段的发光二极管被点亮，相应的段被显示；而输入低电平的段则不点亮。下面是七段数码管的代码如下。 共阴极： 36H,56H,67H,7电源电路 电源电路包括变压器、桥式整流器、电容和稳压器。通过变压器变压，使得 2202 V，在通过桥式整流，电容的滤波作用，稳压器的稳压作用，可输出 5图 4示。 图 4系统电源电路 12 5 相关控制电路 按键电路 按键电路如图 3示，按键的开关状态通过一定的电路转换为高、低电平状态。按键闭合过程在相应的 I/O 端口形成一个负脉冲。闭合和释放过程都要经过一定的过程才能达到稳定，这一过程是处于高、低电平之间的一种不稳定状态，称为抖动。抖动持续时间的常长短与开关的机械特性有关，一般在 5间。为了避免 采用措施消除抖动。本文采用的是独立式按键，直接用 I/O 口线构成单个按键电路，每个按键占用一条 I/O 口线，每个按键的工作状态不会产生互相影响。 图 5按键电路图 13 时工作方式 方式 0 是 13 位计数结构的工作方式 15，其计数器由 8 位和 低五位构成。 高 3 位弃之不用。当 C/=0 时，多中开关接通振荡脉冲的 12 分频输出， 13 位计数器以此进行计数，这就是所谓定时器工作方式。当 C/=116时，多路开关接通计数引脚（ 外部计数脉冲由引脚 入。当计数脉冲发生负跳变时，这就是所谓计数工作方式。 不管是哪种工作方式，当 低五位计数溢出时，向 位，而全部 13位计数溢出时，则向计数溢出标志位 位。 断 子程序 列单片机有 5 个中断源，中断分为 2 个中断优先级，即高优先级和低优先级，每个中断源的优先级都可以由软件来设定 。中断地址如表 4示。程序中的中断流程框图如图 5示。 表 5中断地址表 五个中断源 入口地址 外部中断 0（ / 0003H 出中断 000部中断 1（ / 0013H 出中断 001口中断 0023H 6. 软件调试问题及解决 显示 程序 开始 怎么 调试 就是不通，后来看了一位网友的文章写的是关于 水位 调试过程中应注意的事 项，指出了 A/D 转换 t 中的一些错误，这才使我恍然大悟，原来读数据的时间要求是非常严格的。要求在命令字之后的第一个下降沿就要读数据，否则读出的数据就是错误的，也不能说完全错误，那就必须作必要的调整。 下次一定要注意：别人 的 程序很可能有缺陷，能参考，但不能够完全照抄，数据手册一定要细读。 这 告诉我，自己的 汇编 语言功夫还不够，具体地说差得好远。提醒自己要努力。一定要学会应用汇编。 7. 结 论 本设计主要介绍了单片机的功能、用途等，以及水位在日常生活中的具体应用 14 给日常生活带来的方便。 参 考 文 献 1张毅刚 ,彭喜元 ,董继成 M :高等教育 出版社 ,2003. 2李书旗 ,沈金荣 J2009,17(11):21313郑伟建 ,夏扬 ,夏晴 J ,2009,26(10):1904钟晓强 J2009,32(2):515蔡黎 J2007,14(4):446陈霞 ,白小军 J2007,29(3):37陈新昌 ,王万章 ,李祥付 J2006， (24):89 8苏晓龙 ,王香婷 线的数据采集系统 J2007,(12). 9张宝伟 液位监控系统 D哈尔滨工业大学 ,2007. 10张凤兰 D北方工业大学 ,2010. 11任开春 ,涂亚庆 种液位测量方法分析 J2003,(5):1212柳军 ,等 片机的液面测量监控系统的设计 J2009,24(12):2713丁希顺 J2005(2):7114老虎工作室编著 9门与提高 M人民邮电出版社 ,200 15 源程序 ;水位稳定 ; ;据输出 ;址输入 ;钟 ;换完成 34H ;道地址 35H ;果高位 36H ;果地位 ;钟 ;址输入 ;选 000H 030H 3,#09 ;定义水位 4,#01H 70H ;