毕业设计（论文）-闸门流量智能控制系统.doc

目 录 1 绪论1 1.1 研究目的与意义 1 1.2 相关技术的国内外研究现状 1 1.3 本文研究的主要内容 2 2 闸门智能控制系统方案设计2 2.1 闸门控制系统的功能 3 2.2 控制系统设计 3 2.3 闸门控制系统方案选择 4 2.4 传感器的选取 7 2.5 本章小结 9 3 闸门智能控制系统硬件设计9 3.1 系统硬件设计原则 9 3.2 系统硬件总体结构设计 10 3.3 单片机及定时复位电路 11 3.4 数据采集处理电路 12 3.5 显示系统电路 13 3.6 输出控制电路 15 3.7 通讯接口电路 16 3.8 本章小结 17 4 闸门智能控制系统软件设计17 4.1 系统软件设计方法 17 4.2 软件系统结构设计 18 4.3 系统主程序设计 19 4.4 数据采集与处理程序设计 21 4.5 定时器 0 中断处理设计 23 4.6 外部中断 1 处理设计 23 4.7 输出控制模块设计24 4.8 串行通信程序设计 25 4.9 本章小结26 总 结27 参考文献28 致 谢29 附 录30 附 录 130 附 录 230 1 1 1 绪论绪论 1.11.1 研究目的与意义研究目的与意义 水是人类的一种十分宝贵的资源，如果没有水，整个世界都将走向灭亡，随着 我们国家经济的迅速发展，对水的需求量也大幅度增长，现在中国的北方很多省份 已经出现了缺水的现象，那么到 2010 年，中国将成为一个严重缺水的国家，水短 缺将会严重制约着我国国民经济的进一步发展，严重影响着我国民众的日常生活。 要合理的利用水资源，离不开对水资源的有效调度，闸门控制自动化项目的主要目 的是将现代测控技术，计算机网络技术和先进的控制技术等先进技术运用于闸门及 水位等参量的自动测量、计算、控制和调节，来实现水资源的合理输送、节制和分 配。 1.21.2 相关技术的国内外研究现状相关技术的国内外研究现状 计算机技术在闸门自动化中的运用是从上世纪才开始发展起来的。20 世纪 40 年代是几乎主机与控制一体的直接控制。 90 年代，计算机技术进一步发展，著名的摩尔定律可以作为硬件制造技术迅猛 发展势头的一个标志，芯片上的晶体管数目每两年会增加一倍。与此同时，软件产 业也蒸蒸日止，各种应用软件应运而生，充斥于生产生活的各个角落。计算机大量 应用于闸门自动控制系统，在价格和技术上己不存在任何问题。 PID 控制是最早发展起来的控制策略，由于其算法简单、可靠性高而被广泛运 用于各种过程控制。但在 PH)控制中，一个关键的问题就是控制参数的整定，传统 的方法是在获取控制对象数学模型的基础上，根据某一整定原则来确定 PID 参数。 然而实际的水利工程系统具有非线性、时变不确定性，难以建立精确的数学模型， 而且常规 PID 控制器对现场工况的适应性很差，其参数往往整定不良、性能欠佳。 随着科学技术，尤其是智能科学和计算机技术的高度发展，水利工程系统控制 算法的研究工作得到了不断的发展。将模糊控制引入传统水利 PID 控制是又一尝试。 模糊控制是智能控制的一个分支，它的基本思想就是利用计算机实现人的控制经验， 它可以避开复杂的数学建模过程，对于非线性、时变的大滞后且带有随机干扰的系 统，模糊控制具有易于设计、鲁棒性好及对参数变化不敏感等特点。 今后人们将不断深入研究将智能控制理论运用于水利工程控制系统，从而使之 有更好的运行品质和动态特性。可以预见，人工智能与传统控制的结合，以传统控 制方法为主、人工智能为辅将是水利工程控制系统发展的必然趋势. 国外发达国家 (如美国、日本)的水利自动化建设起步早，完善程度高。在这 些国家，现代科技能及时用于水利事业，发挥效益。西方发达国家十分注意基础数 据的收集和整理.管理部门对基础数据比较重视，数据一般由计算机管理，存储在 2 文件或数据库中。以下是世界部分发达国家水利工程计算机控制系统与我国现状的 比较。 美国调水工程由水资源部统一管理运行，控制系统包括计算机、通信和电子设 备。该系统可对泵站和电厂，节制闸的闸门和其他各种设备、设施实行计算机通信、 监控、监测和调度。为方便工程的控制和运用，除设置中央控制室外，还在个别区 域设置分控制中心。中央控制室负责所有工程的管理和协调，同时也兼作各分控制 中心的备用。 我国当前水利计算机控制系统采用分层分布式的功能结构，分为主控级(上位 计算机)、控制级 (现地控制单元、现地采集单元)，主控级采用双机互为热备用的 方式。监控系统由主控计算机和现地单元级组成，其主干网络选择交换型以太网。 工业控制计算机是集中监视和控制功能的人机接口，现场控制、采集单元根据地理 条件采用现场总线、无线传输等通讯方式。 从以上分析中可以看出，我国当前的水利工程计算机控制系统体系结构与国外 没有差别，但在管理与控制网络上还不够统一和规范，还有一些细节问题上还需要 在具体使用环境下，做详细的研究、设计和规划，力求达到设计最优、成本最低、 运行可靠、操作简单、维护方便等特点。 1.31.3 本文研究的主要内容本文研究的主要内容 a.了解闸门流量智能控制的主要任务、工作原理和实现方式； b. 分析闸门流量智能控制的工作原理，画出闸门流量智能控制的系统框图； c. 完成闸门流量智能控制的硬件电路设计； d. 根据闸门流量智能控制的工作要求和具体硬件电路编写相关软件。 在闸门运行中，本文的控制目标主要有定水位控制和定流量控制。定水位控制 是由于供水的需要，要保证闸前水位的恒定值，根据水和用水情况，通过闸门的控 制达到所需水位的稳定值;定流量控制是根据闸门前后水位来控制闸门开度，保证 在规定时间里的恒定过闸流量。 要达到闸门控制的目标，避免和解决闸门控制中的问题，需要分析影响闸门允 许和控制的各种条件，把这些条件通过适当的算法和方法来实现最优控制的要求。 本文从以上要求出发，就复杂多变难以预测的上游水文特性与过闸流量准确控 制、闸门的安全操作的矛盾问题而展开探讨，利用控制理论、计算机技术、网络通 讯技术作为研究工具，寻求合理的控制方案，为水资源利用实现信息化解决重要的 基础问题。 2 2 闸门智能控制系统方案设计闸门智能控制系统方案设计 本章主要根据闸门智能控制系统完成功能，制定系统控制方案。随着计算机技 3 术、自动控制技术和通讯技术的发展，运用在闸门自动化监控系统中的技术主要有 分布式计算机控制、PLC 技术、单片机技术等。 2.12.1 闸门控制系统的功能闸门控制系统的功能 为了可靠完成闸门的启闭，其控制系统应具备五个基本功能:闸门的控制功能、 闸门运行参数及状态信号的采集和处理、闸门控制系统的计算机判断功能、闸门控 制系统的保护功能。 闸门控制功能主要完成闸门的正常启门与关闭闸门。 闸门运行参数及状态信号的采集和处理主要完成水位数据的采集与处理、闸门 位移数据的采集与处理。水位数据的采集与处理主要包括闸门闸前、闸后水位数据 的采集与处理;闸门位移数据的采集与处理则包括闸门位移量、闸门运行状态、是 否越限等数据的采集与处理。 闸门控制系统的计算判断功能应对采集来的数据进行计算，并将结果与设定值 进行比较，从而判断出是否出现故障或事故情况，作出相应处理，并上报中控室， 向工作人员报警，同时作历史记录。 由于现场控制单元需要向上位机发送信号并且接受其发出的指令，因此采用串 行通讯实现两者之间的联系。现地控制单元之间采用 RS-232 现场总线网，网络的 坚固性能够保证闸门集控系统长期稳定的运行。 2.22.2 控制系统设计控制系统设计 中央控制 现场自动控制 传感器（水 位，闸位传 感器） 现场手动控制 闸门驱动 闸门 图 2-2 控制系统结构框图 本控制系统采用分层分布式的功能结构，分为上位计算机 (主控级)和现场控 制单元 (控制级).主控计算机完成对被控对象的监控、管理与通信，是整个监控系 统的控制核心。现场控制单元主根据上位机的指令控制闸门运行，并将采集到的数 据传送给上位计算机。控制系统结构图如图 2-2 所示。 4 2.32.3 闸门控制系统方案选择闸门控制系统方案选择 随着计算机技术、自动控制技术和通讯技术的发展，一些先进的新技术在闸门 自动化监控系统中也得到不同程度的应用，其中有 PLC 技术、单片机技术等。 2.3.12.3.1 可编程控制器方案可编程控制器方案 可编程序控制器(Programmable Controller，简称 PLC), 1968 年美国通用汽 车(GM)公司提出取代继电器控制装置的要求，第二年美国数字公司研制出了第一代 可编程序控制器，满足了 GM 公司装配线的要求。随着集成电路技术和计算机技术 的发展，现在己有第五代 PLC 产品了。 在过程工业中，除了以连续量为主的反馈控制外，特别在制造工业中存在了大 量的开关量为主的开环的顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作号按照时序动作;另 外还有与顺序、时序无关的按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制;以及大量的开 关量、脉冲量、计时、计数器、模拟量的越限报警等状态量为主的离散量的数据采 集监视。由于这些控制和监视的要求，所以 PLC 发展成了取代继电器线路和进行顺 序控制为主的产品。 a.可编程序控制器的组成 从结构上分，PLC 分为固定式和组合式(模块式)两种。固定式 PLC 包括 CPU 板、 I/O 板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块 式 PLC 包括 CPU 模块、I/O 模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按 照一定规则组合配置。PLC 的组成见图 2-1。 A.CPU 的构成 CPU 是 PLC 的核心，起神经中枢的作用，每套 PLC 至少有一个 CPU，它按 PLC 的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入 装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和 PLC 内部电路 的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读 取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电 路。 5 扩充存储器 编程器 打印机 系统总线 I/O 模块通讯接口特殊功能模块扩展模块 输出设备监控站其他控制系统上位机远程 I/O 电源 计时 器计 数器 程序 存储 器 处理 器 内部 存储 器 标志 存储 器 图 2-1 PLC 组成框图 CPU 主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态 总线构成，CPU 单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程 序及数据，是 PLC 不可缺少的组成单元。 B.I/O 模块 PLC 与电气回路的接口，是通过输入输出部分 I/O)完成的。I/O 模块集成了 PLC 的 I/O 电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态.输 入模块将电信号变换成数字信号进入 PLC 系统，输出模块相反。I/O 分为开关量输 入(DI)，开关量输出(DO)，模拟量输入(AI)，模拟量输出(AO)等模块。 开关量是指只有开和关(或 1 和 0)两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。 常用的 I/O 分类如下: 开关量:按电压水平分，有 220VAC, 110VAC, 24VDC，按隔离方式分，有继电器 隔离和晶体管隔离。 模拟量:按信号类型分，有电流型(4-20mA, 0-20mA )、电压型( 0-10V, 0- 5V,10-10V)等，按精度分，有 12bit，14bit，l6bit 等。 除了上述通用 I/O 外，还有特殊 I/O 模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。 按 I/O 点数确定模块规格及数量，I/O 模块可多可少，但其最大数受 CPU 所能管理 的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。 C.电源模块 PLC 电源用于为 PLC 各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电 路提供 24V 的工作电源。电源输入类型有:交流电源(220VAC 或 110VAC)，直流电源 (常用的为 24VDC) 。 D.PLC 系统的其它设备 编程器是 PLC 开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对 6 系统作一些设定、监控 PLC 及 PLC 所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场 控制运行。小编程器 PLC 一般有手持型编程器，目前一般由计算机(运行编程软件) 充当编程器。 输入输出设备用于永久性地存储用户数据，如 EPROM, EEPROM 写入器、条码阅 读器，输入模拟量的电位器，打印机等。 为了完成控制策略，替代继电器，使用户等完成类似继电器线路的控制系统梯 形图，而编制了一套控制算法功能块(或子程序)，称为指令系统，固化在存贮器 ROM 中，用户在编制应用程序时可以调用.指令系统大致可以分为两类，即基本指令 和扩展指令。PLC 提高了充足的计时器、计数器、内部继电器、寄存器及存贮区等 内部资源，为编程带来极大方便。 b.PLC 的通信 依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此， 网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出 “网络就是控 制器”的观点说法。 PLC 具有通信联网的功能，它使 PLC 与 PLC 之间、PLC 与上位计算机以及其他 智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。 PLC 及其在网络中，存在两类通信方法:串行通信和并行通信。并行通信一般是 PLC 内部的通信，指多台处理器之间的通信，以及 PLC 中 CPU 单元与智能模块的 CPU 之间的通信。PLC 网络中常使用 RS-232 或 RS-485 串行通信。 2.3.22.3.2 单片机方案单片机方案 单片机全称为单片微型计算机(Single-Chip-Micro Computer)。它在一个芯片 上集成了 CPU, ROM, RAM、计数器/定时器、多个 I/O 接口，从而在一个芯片上构成 了一台计算机。随着计算机制造技术的发展，芯片的集成度越来越高，有的单片机 还集成有 A/D 转换器、D/A 转换器、模拟多路开关、PWM 电路以及时钟电路.单片机 若再配上外围部件以及相应的软件就构成单片机应用系统。单片机有如下特点。 a.集成度高，体积小，重量轻。 b.可靠性高。单片机是按工业测控环境要求设计的，其抗噪声千扰的能力优于 一般的计算机，程序指令、常数固化 ROM 中，不易受到破坏。 c.控制功能强。单片机指令系统中有丰富的条件分支转移指令，I/O 口的逻辑 操作以及位处理功能，能够满足工业控制的要求。 d.实时性强。单片机的硬件和软件联系紧密，应用软件采用汇编语言编制，程 序执行所需的时间短，因而能够满足工业控制的实时性要求。 e. 应用灵活方便。单片机具有计算机的基本功能部件，又提供了许多供扩展 的总线，很容易构成满足各种需要的应用系统。因此，单片机应用到很多领域，包 括智能仪表、工业测控系统、智能家用电器、网络通讯等等。 f. 性价比高。一方面，单片机本身价格比较低;另一方面，由于单片机应用灵 活，可以有针对性地设计系统，满足控制需求，因而提高了单片机应用的经济性。 基于以上优点单片机广泛应用于诸多领域，如工业控制系统、智能化仪表、数 据采集系统等，单片机技术的发展和应用水平逐渐成为一个国家工业发展水平的标 7 志之一。 2.42.4 传感器的选取传感器的选取 传感器能感受规定的被测量并按一定规律将其转换为有用信号的器件或装置。 传感器至少应具备两方面的功能:能感受非电量;能将非电量转换为电量或电参量。 在自动控制系统中，传感器(Sensor)是一种常见的却又很重要的器件，它是 自动控制系统的首要环节，是被控量进入控制系统的入口。传感器就像自动控制系 统的眼睛、鼻子、耳朵一样，对于一个控制系统的性能起着重要作用。可靠、灵敏 的传感器是自动控制系统正常工作的前提。就像双目失明的盲人是不可能很准确地 拿到所要拿的东西一样，如果控制系统的传感器部分不能正常工作，自动控制系统 也就没有办法代替人来完成各种工作。因此，传感器性能的优劣对整个自动控制系 统性能的发挥起着举足轻重的作用。 a.传感器的组成 传感器是一个完整的测量装置，它能把被测物理量转化为与之有确定对应关系 的电量输出，以满足信息的传输、记录、显示等要求。 传感器一般由敏感元件、传感元件和测量电路三部分组成。有时加上辅助电源， 可用方框图来表示，如图 2-3 所示。 非电 量敏感元件传感元件测量电路 电量 辅助电源 图 2-3 传感器组成方框图 敏感元件 直接感受被测量 (一般为非电量)，并输出与被测量成确定关系的 其它量 (包括电量)的元件。 传感元件 传感器的重要组成元件，可以直接感受被测量(一般为非电量)而 输出与被测量成确定关系的电量，如热电偶和热敏电阻。它也可以不直接感受被测 量，而只感受与被测量成确定关系的其它非电量，例如差动式压力传感器，并不直 接感受压力，只是感受与被测压力成确定关系的位移量，然后输出电量。 测量电路 能把传感元件输出的电信号转化为便于传输和处理的有用电信号 的电路。采用何种测量电路视传感元件的类型而定，使用较多的是电桥电路和放大 电路。 b.传感器的分类 根据生产实践和科学实验的不同需要，传感器可以有多种分类方法。若是以非 电量转化为电量的方法来分，传感器可分为磁式传感器、光学传感器、超声波传感 器、同位素传感器、微波传感器、电化学传感器。 8 c.传感器的选用原则 A. 传感器的电气性能必须满足测量的要求。 B. 应当从经济的角度选用合适的传感器。随着传感器技术的不断发展，对于 同一被测量，可选用多种类型的传感器来完成测量。因此，应从经济的角度出发， 选择最优。 C. 要综合考虑传感器的优缺点。对于技术指标应有所侧重，首先满足主要技 术指标要求。 D. 传感器的构造参数(如尺寸、重 IR、形状等)应满足安装要求。由于受被测 对象条件所限，往往对传感器的结构提出许多特殊要求，选用时应特别注意。否则， 传感器性能再好，也不能应用。 E.传感器必须考虑工作环境的要求。工作环境不同，对传感器的要求也就不同， 应充分考虑这一点。 2.4.12.4.1 闸门开度仪闸门开度仪 当前，有无数的水闸在全国各地运行，而对闸门开度的检测还采用比较落后的 方式。要实现对闸门的实时监控，就必须采用灵敏可靠的传感器来测量闸门开度。 现在，在闸门开度测量中应用较为方便，精度也比较高的传感器是光电编码器。 a.光电编码器的原理及组成 光电编码器是一种测量轴角位置的传感器。它具有很高的分辨率、精度和可靠 性。光电编码器有两种类型:绝对型编码器和增量型编码器.增量型编码器需要一个 计数系统，旋转的码盘通过敏感元件给出一系列脉冲，在计数器中对某个基数进行 加减，从而记录了旋转的角位移量。绝对型编码器不需要基数，它在任意位置给出 一个固定的与位置对应的数字码输出。由于绝对型编码器是在码盘停止旋转后直接 输出所在位置值，计数不会产生累积误差，高速旋转时也不必考虑读取系统和电路 的响应时间，同时也不会受到中断干扰的影响，因而，对于闸门开度测量，采用绝 对型光电编码器比较好。 b.闸门开度仪的组成 闸门开度仪包括闸位传感器和闸位显示仪表。 闸位传感器的质量直接关系到闸门监控的效果。由于光电编码器的具有多种优 点，非常适合作闸位传感器，所以，我们决定采用它。通过对国内外光电编码器产 品性能、价格的比较，拟采用德国海德汉(HEIDEHAIN)公司的 ROQ425 型绝对型光 电编码器。该编码器精度高，可使闸门开度分辨到毫米级。主要技术指标为:分辨 率 8192/转，分解转数 4096 (212)，量程 8192 4096；输出码为 25 位格雷码， 输出信号 SSI 同步串行信号；工作电压 10-30VDC；电缆引出线采用十芯屏蔽线， 通常为 1 米，通过屏蔽连接最大可达 100 米:最大机械转数 10000 转/分；防护等 级为 IP64 或 IP66(轴端)IP67(外壳)。闸位传感器安装在闸室内卷扬机被动轮轴端， 采用齿轮传动。 闸位传感器采用 ROQ425 绝对型光电编码器，安装于钢丝绳收紧器 GPS500 内， GPS500 安装在启闭机闸门上方，钥丝绳活动端直接连接闸门。采用这种钢丝绳收紧 器，直接测量闸门开度，精度比较高.传感器输出信号为 SSI 同步串行信号，SSI 信 9 号理论最大传输距离为 400 米。信号传输线为 6 芯，分别为 DC+12V(棕绿色)，DC 12V(白绿色)，Data +(灰色)，Data-(粉红色)，Clock 十(紫色)Clock 一(黄色)。 绝对的位置值由时钟信号触发，从高位(MSB)开始输出与时钟信号同步的串行信号， SSI 标准的信号单转为 13 位(串行)，多转为 25 位(13+12 位串行)。当不传送信号 时，时钟和数据位均是高位。在时钟信号的第一个下降沿到来时，当前值开始贮存。 经过时间 t1，从时钟信号上升沿开始，数据信号开始传送。t2 为数据信号的延时。 t3 为恢复信号的时间宽度，等待下次传送。 闸位显示仪表为 4 位数码管显示，输入信号为 SSI 同步串行信号，输出信号为 RS-485 串行信号。其输出信号直接传送到闸门自动控制系统的下位机的串行接口。 2.4.22.4.2 水位仪水位仪 闸门控制系统的水位仪主要用于水闸前后水位的测量。 目前采用较多的是 浮子式液位计或投入式液位计来进行水位测量。其缺点为:测量精度低，不可靠， 经常出现浮子卡死不动和传感器堵塞导致测不准，安装、调试不便;由于浮子式水 位计具有机械传动部件，在现场环境中长期使用容易锈蚀破坏，因而维护工作量大;采 集到的仅是模拟信号，不能直接进入计算机监控系统，对无人值班控制系统不实用。 超声波传感器则克服了上述缺点。它测量精度高，安装简单;与水面无接触，不 受水流泥沙含量的影响;它不需要测井，并且可以配用有线、无线遥测设备。 2.52.5 本章小结本章小结 本章主要介绍了一些应用于闸门智能控制系统中的新进技术以及传感器的选取，分析了分 布式控制系统方案、现场总线方案、以太网方案、可编程控制器方案、单片机方案，并在此基 础上设计了结合单片机技术和分布式分散控制系统优势的闸门智能控制方案。 3 3 闸门智能控制系统硬件设计闸门智能控制系统硬件设计 3.13.1 系统硬件设计原则系统硬件设计原则 作为一个实现功能丰富、元器件复杂、工作独立的单片机系统，首先要考虑的 就是系统的硬件电路设计。 一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分内容，一部分是系统扩展， 即单片机的功能单元，如 ROM, RAM, I/O 口、定时/计数器、中断系统等。当它们 的容量不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计 相应的电路。二是系统配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、 打印机、A/D、D/A 转换器等，要设计合适的接口电路。 本课题在硬件系统的扩展和配置设计中遵循以下原则： a.尽可能选择典型电路，并符合单片机的常规用法。为硬件系统的标准化、模 10 块化打下良好的基础； b.系统的扩展与外围设备配置的水平应充分满足应用系统的功能要求，并留有 适当的余地，以便进行二次开发； c.硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会产生相互影 响，考虑的原则是:软件能实现的功能尽可能由软件来实现，以简化硬件结构。但 必须注意，由软件实现的硬件功能，其响应时间要比直接用硬件实现来得长，而且 占用 CPU 的时间(比如延时程序)； d.整个系统的性能要尽量做到性能匹配，例如选用晶振频率较高时，存储器的 存取时间有限，应该选择允许存取速度较高的芯片;选择 CMOS 芯片单片机构成低功 耗系统时，系统中所有的芯片都应该选择低功耗的产品； e.可靠性及抗千扰设计是硬件系统设计不可缺少的一部分，它包括芯片、器件 选择、去祸滤波、印刷电路板布线、通道隔离等； f.单片机外接电路较多时，必须考虑器件驱动能力。驱动能力不足时，系统工 作不可靠。 3.23.2 系统硬件总体结构设计系统硬件总体结构设计 系统硬件的总体结构图如图 3-1 所示，电路部分以 AT89S52 单片机为中央处理 器，辅以外围模拟、数字电路功能模块，实现智能控制器对闸门的启闭操作、显示 工作状态、故障报警、处理等全方位闭环控制。电路板上主要包括数据采集处理电 路、键盘与显示电路、控制输出电路、模拟电源、数字电源、蜂鸣器等。 水 位 传 感 器 水 位 变 送 开 度 传 感 器 开 度 变 送 器 微处理器 信号采集 与处理， 传感器线 性化，模 糊控制算 法 报警 显示 闸门驱动 PC 机 水 位 信 号 闸 门 开 度 信 号 A/D 转 换 RS-232 图 3-1 闸门流量控制系统图 11 3.33.3 单片机及定时复位电路单片机及定时复位电路 系统核心控制由单片机来完成;包括人机接口、启动 A/D 转换，数据处理，显 示并产生报警信号，同时将数据传送给上位计算机等，因此单片机模块相当于应用 层。 a.微处理器 AT89S52 为了使用和调试方便，系统要求可以进行在线改写，并能在断电情况下保存数 据而不需要保护电源，同时为了实现真正的单片控制，最好系统使用尽可能少的外 围扩展芯片，提高系统运行的可靠性，所以我们要求使用的单片机具有片内电擦除 可编程只读存储器 E2PROM。同时为了以后系统升级的需要，在设计中采用 52 系列 单片机。基于以上原因，我们在众多单片机类型中选取了 ATMEL 公司的 AT89S52。 它是 ATMEL 公司出品的一款低功耗、高性能内含 8K 字节闪电存储器(Flash Memory)的 8 位 CMOS 微控制器，兼容 MCS-51 微控制器。其特点如下。 A. 片内含 8KB 可反复擦写的只读程序存储器(FLASH Memory)，支持在线系统 编程 ISP，大于 1000 次擦写周期，256B 的随机存取数据存储器(RAM)，外部数据存 储器寻址空间 64KB，外部程序存储器寻址空间 64KB； B. 3 个 16 位定时/计数器，三级加密程序存储器； C. 具有 32 个可编程 I/O 端口，一个全双工串行口，可利用两根 I/O 口线作为 全双工的串行口，有四种工作方式，可以通过编程选定； D. 内部 ROM 中开辟了四个通用工作寄存器区，共 32 个通用寄存器，以适应多 种中断或子程序嵌套的情况； E. 中断系统是具有 8 个中断源、6 个中断矢量、2 级优先的中断结构； F. 堆栈位置是可编程的，堆栈深度可达 128 字节； G. 内部有一个由直接可寻址位组成的布尔处理机，在指令系统中，包含了一 个指令子集，专用于对布尔处理机的各位进行各种布尔处理，特别适用于控制目的 和解决逻辑问题； H. 具有一个数据指针 DPTR，其低功耗工作模式有空闲模式和掉电模式。 作为系统的核心部件，AT89S52 微控制器具有较快的处理速度、丰富功能的外 围模块和大容量的 R 渊和 RAM 等特点，能够满足系统的要求，不需要再扩展外部数 据和程序存储器，它对于整个系统的优化起着至关重要的作用。 b.电源电路 本系统中 AT89S52 微控制器需要输入 5V 的电压，它是通过 7805 三端稳压管输 出来获得的，如图 3-2 所示。在电源电路中，7805 能够将 9V 电压输入转换为 5V 典 型电压输出，完全可以满足电路设计要求。为保证 7805 输出的稳定性，输入输出 都要接上电容。 12 图 3-2 电源电路图 3.43.4 数据采集处理电路数据采集处理电路 A/D 转换电路是数据采集系统的核心电路，它对采样获得的连续电压(被测量信 号从时间上离散化)转换成数字量(数值上离散化)。任何 A/D 转换器的最基本的特 性都是转换位数和转换时间，转换时间是指完成一次完整的 A/D 转换所占有时间。 在同样模拟输入电压下，A/D 转换器的位数越高，标志着它的量化精度越高，但这 会带来转换速度减慢和转换器价格上升的问题。 在 A/D 转换器件的选择中，首先要搞清楚关于 A/D 转换器的几个指标量概念。 转换时间:A/D 转换器完成一次转换所需要的时间为 A/D 转换时间。转换时间与 A/D 转换原理密切相关，双积分 ADC 转换慢，而逐次比较式 ADC 转换较快。 分辨率:ADC 的分辨率是指使所能分辨的输入模拟量最小值，也就是使输出数字 量最低位 LSB 发生由 1-0 或 0-1 变化时输入模拟量变化的最小值。分辨率也用位数 表示。例如 12 位的 ADC 的分辨率就是 12 位，或者说分辨率为 VPs/2120。 一般的 A/D 转换 a 件都是并行方式.即器件通过数据总线与 CPU 通信，从 CPU 接收命令，想 CPU 发送转换结果，如 ADC0801，ADC0832 等。如果 ADC 的转换精度 较高（12 位） ，而 CPU 又采用 8 位数据总线方式的话，那时 CPU 必须进行两次读操 作才能将转换结果读出。这种形式的 ADC 与 CPU 通信时不仅需要数据线，还要选址， 读写信号，中断请求等，给印刷版布线带来不少麻烦，增加了硬件的成本和电路板 的调试难度。 对于本课题而言，在选用 A/D 芯片时，为了充分利用系统资源，使设计出的系 统最小，最优，闸门智能控制器的 A/D 转换最好采用串行方式，这样大量节省了 AT89S52 宝贵的 I/O 口线，既简化了系统的结构又使单片机的引脚得到了充分利用。 基于上述几个原因，在系统中选用了 TLC2543 芯片。它具有以下特点：12 位转 13 换精度；10us 转换时间；11 路模拟输入；3 种内建自测模式；内建采样保持器；内 部有片内时钟系统；具有转换结束引脚，方便使用查询和中断方式编程；有极性或 无极性二进制输出；可编程进入断电模式；可编程设定输出数据长度为 8，12 或 16 位。 图 3-3 TLC2543 与单片机连接电路图 TLC2543 与单片机连接电路图如图 3-3 所示，TLC2543 具有 4 线制串行接口，分 别为片选端（CS） ，串行时钟输入端（I/O CLOCK） ，串行数据输入端（DATA IN） 和串行数据输出端（DATA OUT） 。它可以直接与 SPI 器件进行连接，不需要其他外 部逻辑器件。同时，它还能在高达 4MHZ 的串行速率下与主机进行通信。 TLC2543 除了具有高速的转换速度外，片内还集成了 14 路多路开关。其中 11 路为外部模拟量输入，3 路为片内自测电压输入。在转换结束后，EOC 引脚变为高 电平，转换过程中由片内时钟系统提供时钟，无需外部时钟。在转换器空闲期间， 可以通过编程方式进入断电模式，此时器件耗电只有 25uA。 3.53.5 显示系统电路显示系统电路 单片机应用系统中使用的显示器主要有 LED(发光二极管显示器)和 LCD(液晶 显示器)，这两种显示器成本低、配置灵活、与单片机接口方便。 由于本系统需要同时显示水位、闸高以及闸门提升方向等信息，传统的数码管 显示方式会给用户带来不便。而采用液晶显示方式，具有界面友好、低功耗、外形 美观、显示内容丰富等优点，液晶显示器在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越 来越广泛的应用，比传统的 LED 显示器件有很大的优势，现在字符型液晶显示模块 己经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件了。因此在本系统中选用 LCD 1602 14 液晶显示模块，它可以显示两行，每行 16 个字符，采用单+5V 电源供电，外围电路 配置简单，价格便宜，具有很高的性价比。 图 3-4 LCD 与单片机连接图 下面详细介绍一下字符型液晶显示器件 LCD 1602 的结构、控制命令字格式、 典型电路连接以及详细的驱动程序，其中的电路、程序均经过调试，可以直接应用 到产品开发当中。其接口引用功能如表 3-1 所示。 表 3-1 接口引用功能 引脚号符号状态功能 1Vss 电源地 2Vdd 电源+5V 3V0 液晶驱动电源 4RS 输入寄存器选择 5R/W 输入读，写操作 6E 输入使能信号 7DB0 三态数据总线（LSB） 8DB1 三态数据总线 9DB2 三态数据总线 10DB3 三态数据总线 11DB4 三态数据总线 12DB5 三态数据总线 13DB6 三态数据总线 15 14DB7 三态数据总线（MSB） 15LEDA 输入背光+5V 16LEDK 输入背光地 主要管脚介绍: a.V0：液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度 最高，对比度过高时会产生 “鬼影” 。 b. RS：寄存器选择，高电平时选择数据寄存器;低电平时选择指令寄存器。 c. R/W：读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当 RS 和 R/W 共同为低电平时可以写入指令或者显示地址;当 RS 为高电平 R/W 为低电平时可 以写入数据。 d. E：使能端，当 E 端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。 数据线 DB0-DB7 接到单片机的 P0 口；3 条控制线分别接到 P1.0，P1.1，P1.2 电阻 R1 用来调节液晶显示的对比度，可以接一个 5k 的电位器来调节,电阻 R2 用来 设置背光的亮度，一般情况接一个 1k 的电阻就可以了，当然也可以接入电位器来 调节显示的亮度。 技巧：一般在电路设计时，很少把液晶直接做到单片机的电路板上，而是通过 一个接口电路来转接，比如在主板上留出来 16 根线的接口，这样就可以通过一组 16 根的排线来连接单片机和液品显示器。 3.63.6 输出控制电路输出控制电路 本系统最主要的功能就是对闸门运行进行精准控制。而对闸门直接进行控制的 就是电动机，输出控制是单片机对控制对象实施操作控制。因此在硬件系统中需要 配备数模转换电路以及后续功率放大、驱动电路。 在输出控制通道中采用 D/A 转换器是计算机实现对模拟量控制的常用方式，而 串行 D/A 转换器由于接口电路简单、易于远程操作以及体积小、功耗低等特点而广 泛应用于分布式控制系统中。 通常电路中选用的 D/A 转换模块以并行模式居多。在设计时需要由 CPU 提供 8 位数据总线和地址选通信号，其输出电路还要使用运放把 D/A 转换输出的小电流转 换成电压信号。这只是最基本的部分，如果再在此基础上加上其他电路，那就更复 杂了。但在本系统中，微处理器的 D/O 控制口非常少，很宝贵，能节约就节约：另 外，控制器对体积大小要求严格，要尽量用引脚少、体积小的芯片。最后，就是要 求功能强大。 基于以上原因，系统选用 MAXIN 公司生产了二线串行接口的 8 位 D/A 转换芯片。 它是一种采用二线串行接口的 8 位 D/A 转换芯片，采用单 5V 供电，简单的双线接 口;与 It 总线兼容:输出缓冲放大双极性工作方式;基准输入可为双极性：上电复位 将所有闭锁清零；总线上可挂四个器件 (通过 AD0， AD1 选择)。具有 2 路 8 位模 拟量输出口。 MAX518 的 D/A 转换数据通过 SCL 和 SDA 串行输入，芯片内部把输入数据中地址 16 位与 AD0，AD1 所表示的地址比较，如符合则把数据存放在 8 位数据缓冲寄存器， 然后经过 D/A 转换电路和运放分别从 OUTO，OUTI 输出 0-5V 的电压信号。由于 MAX518 与 CPU 之间的接口位二线串行接