基于单片机的水位控制系统设计.doc

河北经贸大学毕业设计 论文 I 毕业设计毕业设计 论论文 文 题 目 基于单片机的水位控制系统的设基于单片机的水位控制系统的设 计计 系 别 专 业 班 级 学生姓名 学 号 指导教师 河北经贸大学毕业设计 论文 II 2013 年 4 月 基于单片机的水位控制系统的设计基于单片机的水位控制系统的设计 摘摘 要要 液位测量广泛应用于工业 经济 生活等领域 本设计以水箱供水为 模型 用于对水箱液位信号进行测量监控记录 基于单片机的液位测量装置具有测量准确 重复性好 功耗低 使用 寿命长的特点 是广泛采用的技术 在深入学习科学发展观的同时 电子 设备的设计也需融入可持续发展的设计理念 故此 在基于单片机的液位 测量装置基础上 扩展实时监控 数据采集 计算机串行通信等功能 从 而能够通过科学的方法将液位测量与统计科学结合 合理调度水资源 降 低能源消耗 本文从系统方案选择与论证 硬件电路设计 系统软件与上位机软件 设计等几个方面介绍了基于单片机的液位测量监控系统的设计过程 最终 实现了液位的实时测量与监控 最后 本文总结了设计过程中出现的问题 及解决方法 简要叙述了所获数据的处理方法 引出了进一步设计开发的 思路 河北经贸大学毕业设计 论文 III 关键词 关键词 单片机 液位测量 实时监控 串口通信 河北经贸大学毕业设计 论文 IV The Design of Liquid Level Control System Based on MCU Abstract The liquid level measurement is widely used in industry economy life and other fields This design take the water tank water supply as a model uses in carries on the survey to the water tank fluid position signal to monitor the record The liquid level measurement device base on MCU is widely used because of many characteristics such as high measurement accuracy good repeatability low power consumption and long useful time When we study Scientific Outlook on Development thoroughly the design of electronic aid should include the thought of sustainable development So beyond the liquid level measurement device based on MCU expand the functions of real time monitoring data acquisition serial communication Through the new functions the scientific method of the liquid level measurement could be combined with Statistical Science be used to manage the water resources reasonable reduce energy consumption This thesis introduces the design process of the liquid level control system by several parts as system schema the design of hardware circuit the software of host computer and system software ultimately achieved the level of real time measurement and monitoring Finally the paper summarizes the problems and solutions of the design process describes briefly the method of data processing and leads to ideas of the further design and development Keywords MCU Liquid Level Measurement Real time monitoring Serial Communication 河北经贸大学毕业设计 论文 V 目目 录录 引言引言 1 第第 1 1 章章 绪论绪论 2 1 1 课题背景与研究意义 2 1 2 国内外研究现状及发展 2 1 3 本课题主要研究内容 3 第第 2 2 章章 系统总体方案系统总体方案 4 2 1 系统设计要求 4 2 2 系统框图 4 2 3 硬件设计方案 4 2 3 1 主控模块设计方案 5 2 3 2 键盘模块设计方案 5 2 3 3 显示模块设计方案 6 2 3 4 数据存储模块设计方案 6 2 3 5 时间模块设计方案 7 2 3 6 A D 转换模块设计方案 8 2 3 7 通信模块设计方案 9 2 3 8 电机控制模块设计方案 10 第第 3 3 章章 硬件电路设计硬件电路设计 11 3 1 AT89S52 硬件设计 11 3 2 按键设计 13 3 3 显示单元硬件设计 14 3 4 存储单元硬件设计 15 3 5 时间单元硬件设计 17 3 6 A D 转换单元硬件设计 18 3 7 通信单元硬件设计 19 3 8 其他外围电路的设计 20 第第 4 4 章章 系统软件设计系统软件设计 22 4 1 系统软件 22 4 1 1 系统软件编译开发环境 22 4 1 2 系统主程序流程图 22 4 1 3 系统初始化 22 4 1 4 显示与 A D 转换的数据处理 24 4 1 5 按键部分软件设计 25 4 1 6 显示模块的软件设计 26 河北经贸大学毕业设计 论文 VI 4 1 7 A D 转换模块软件设计 26 4 1 8 电机控制模块软件设计 26 4 1 9 通信协议及通信模块软件设计 27 4 1 10 时间模块软件设计 29 4 2 上位机软件设计 30 4 2 1 上位机软件开发编译环境 30 4 2 2 上位机软件的界面设计 31 4 2 3 上位机串口通信功能的实现 32 4 2 4 上位机软件中的数据处理 34 结论与展望结论与展望 35 致谢致谢 37 参考文献参考文献 38 附录附录 A A 系统电路原理图系统电路原理图 39 附录附录 B B 系统软件源代码系统软件源代码 42 河北经贸大学毕业设计 论文 VII 插图清单插图清单 图 2 1 系统总体框 图 1 图 3 1 AT89S52 引脚及网络标 号 11 图 3 2 复位电路及时钟电 路 13 图 3 3 系统按键电 路 14 图 3 4 74LS273 及 74LS47 引脚图 14 图 3 5 显示部分电路 图 15 图 3 6 62256 引脚 图 16 图 3 7 存储的单元电 路 16 图 3 8 DS1302 引脚 图 17 图 3 9 时间单元电 路 17 图 3 10 ADC0804 引脚 图 18 图 3 11 A D 转换单元电路 图 19 图 3 12 MAX485 引脚 图 19 图 3 13 串行通信模块电路 图 20 图 3 14 继电器部分电路 图 20 图 3 15 电源指示灯电路 图 21 图 4 1 主程序流程 河北经贸大学毕业设计 论文 VIII 图 23 图 4 2 键盘程序流程 图 25 图 4 3 液位检测流程 图 27 图 4 4 通信检测流程 图 28 图 4 5 上位机软件界面效果 图 33 图 4 6 水箱液位控制结构 图 33 图 5 1 MATLAB 绘制图 形 36 河北经贸大学毕业设计 论文 IX 表格清单表格清单 表 3 1 端口引脚第二功 能 12 表 4 1 初始化参数及含 义 22 表 4 2 A D 转换幅值数据关系对照 表 24 表 4 3 通信协 议 28 表 4 4 RS 状态标志及含义 29 表 4 5 界面功能描 述 31 河北经贸大学毕业设计 论文 1 引引 言言 上世纪 40 年代 电子计算机的诞生 标志着人类电子技术进入了一个新的阶 段 1976 年单片机的推出为电子电路设计提供了新的思路 也促进了模拟电路向数 字电路发展的历程 它在一片芯片上集成了完整的计算机系统 从它的发展来看 低功耗 CMOS 化 微型单片化 主流与多品种共存的发展趋势更进一步促使了单片 机在各个行业的应用 这些应用 很大一方面体现在工业控制中 在工业上 使 用单片机可以构成形式多样的控制系统和数据采集系统 单片机应用发展迅速而广泛 在过程控制中 单片机既可作为主计算机 又可 作为分布式计算机控制系统中的前端机 完成模拟量的采集和开关量的输入 处理 和控制计算 然后输出控制信号 单片机广泛用于仪器仪表中 与不同类型的传感 器相结合 实现诸如电压 功率 频率 湿度 流量 速度 厚度 压力 温度等 物理量的测量 在家用电器设备中 单片机已广泛用于电视机 录音机 电冰箱 电饭锅 微波炉 洗衣 高级电子玩具 家用防盗报警等各种家电设备中 在计算 机网络和通信 医用设备 工商 金融 科研 教育 国防 航空航天等领域都有 着十分广泛的应用 工程应用中液位的测量常用方法主要有超声波 激光红外测距 机械浮子 压 力传感器测距等几种 这些测量方式对一般液位的测量来说各有各的优点 可根据 不同的应用场合和要求进行选择 比如 常见的液位控制系统多采用浮标 电极等 这种控制形式结构简单成本低廉 但是控制精度不高 不能进行数值显示 另外容 易引起误操作 与上位机进行信息交互比较困难 随着科技的发展 液位测量技术趋于智能化 微型化 可视化 本设计思想是 用单片机做下位机 PC 机做上位机 单片机和 PC 机相结合对水 箱液位进行测量 和监控 该设计要求具有一定的智能化 可操作性和稳定性好 河北经贸大学毕业设计 论文 2 第第 1 章章 绪论绪论 1 1 课题背景与研究意义 在工农业生产中 常常需要测量液体液位 随着国家工业的迅速发展 液位测 量技术被广泛应用到石油 化工 医药 食品等各行各业中 低温液体 液氧 液氮 液氩 液化天然气及液体二氧化碳等 得到广泛的应用 作为贮存低温液 体的容器要保证能承受其载荷 在发电厂 炼钢厂中 保持正常的锅炉汽包水位 除氧器水位 汽轮机凝气器水位 高 低压加热器水位等 是设备安全运行的保证 在教学与科学研究中 也经常碰到需要进行液位控制的实验装置 1 2 国内外研究现状及发展 液位测量的方法比较多 依据测量方式的不同可分为接触式与非接触式两种类 型 接触式测量法 接触式测量法是指测量用传感器直接与容器内存储液体相接触 从而获得测量 参数的方法 1 人工检尺法 人工检尺法可用于测量油罐液位 其历史十分悠久 它利用浸入式刻度钢皮尺 测量液位 这种方法具有测量简单 可靠性高 直观 成本低的优点 但人为读数 误差大 无法实现自动检测和操作 2 电参数测量法 常见的有电阻法 光电法 测重法 电容法 浮标法及声光电的反射回波法等 无论怎样 这些方法的关键是 利用液位传感器 将液位的相对位移量转换成为电压 电流 阻抗等便于进行电处理的物理量 限于篇幅 下面仅简单介绍电容测量法 的基本原理 本方法所使用的电容通常由两块圆柱形极板或一个探极与罐壁构成 当液位不 同时 电容器的介电常数就不同 故电容量也不同 在此基础上可以把电容量转 化为电压 相移 频率 脉宽等物理量 再进行测量 电容式液位测量装置通常结构简单 灵敏度高 稳定性好 动态响应快 适合 河北经贸大学毕业设计 论文 3 于恶劣的工作环境 生产成本也不高 但电容液位测量器需要考虑温度补偿 且介 质的成分 水分 温度 密度等不确定变化因素直接影响测量结果的准确性 另外 检测电路比较复杂 尤其是检测微小电容量的变化 非接触式测量法 非接触式测量法包括超声波法 调制型光学法 微波法等 其特点是测量手段 并不采用浮子之类的固态物 而是利用声 光 射线 磁场等的能量 液位传感 器不和被测介质接触 不受被测介质影响 也不影响被测介质 故适用范围广泛 特别是接触式测量装置不能适用的特殊场合 如高粘度 强腐蚀性 污染性强 易 结晶的介质 下面简单介绍超声波法和微波法的测量原理 超声波法 换能装置将电功率脉冲转换为超声波 射向液面 经液面反射后再 由换能器将该超声波转换为电信号 超声波法可用于多液面的测量 超声波是机械波 传播衰减小 界面反射信号强 且发射和接收电路简单 因 而应用较为广泛 但超声波的传播速度受介质的密度 浓度 温度 压力等因素影 响 其测量精度往往较低 微波法 微波通过天线辐射出去 经液面反射后被天线接收 然后由二次电路 计算发射信号与接收信号的时间差得出液位 微波速度受传播介质 温度 压力 液体介电常数的影响很小 但液体界面的 波动 液体表面的泡沫 液体介质的介电常数对微波反射信号强弱有很大影响 当 压力超过规定数值时 压力对液位测量精度将产生显著影响 对波导管的锈蚀 弯 曲和倾斜都会影响测量精度 光纤测量法 光纤液位检测是近年来出现的一种新技术 根据光导纤维中光在不同介质中传 输特性的改变对液位进行测量 光纤液位测量有以下优点 精度高 灵敏度好 抗电磁干扰 耐腐蚀 电绝缘 性好 检测现场无电 光路有抗扰性以及便于与计算机连接 便于与光纤传输系统 组成网络等 目前 市面上进行液位测量的仪表种类繁多 但是同时具有测量 监控 数据 记录及处理的液位测量装置并不多 在某些工业控制系统中 数据的测量这一基本 功能已不能满足现代工业的要求 往往需要对大批数据进行记录 对其进行后期处 河北经贸大学毕业设计 论文 4 理分析 实现差错控制 工艺改善 资源优化等一系列工作 为了获得大批量的数 据 得到可靠的分析资料 往往需要长期 多网点的监控记录 在液位测量这一领 域中 如江河湖海 城市用水等方面 大量数据长时间 多网点的采集记录分析具 有普遍的意义 液位的变化分析 有助于人们进一步对自然环境 天气变化甚至是 灾害预警提供可靠的支持 1 3 本课题主要研究内容 本设计以水箱供水为模型 鉴于单片机液位测量装置的测量准确 重复性能好 功耗低 使用寿命长等特点 设计以单片机为基础的液位测量监控记录系统 具有 实时液位测量监控数据处理等功能 设计具体内容分为以下几个方面 系统硬件电路设计以及单片机选型 系统软件设计 上位机软件设计以及上位机与下位机通信设计 河北经贸大学毕业设计 论文 5 第第 2 2 章章 系统总体方案系统总体方案 2 1 系统设计要求 本设计以水箱供水为模型 鉴于单片机液位测量装置的测量准确 重复性能好 功耗低 使用寿命长等特点 设计以单片机为基础的液位测量监控记录系统 它具 有实时测量监控水 箱液位高度并显示的 功能 并根据实时水量与设置的上 下液位 参数的比较 启动电机供水 或停止水泵 在启动电机与停止 水泵时 实时记录时 间点与电机状态 液位测量高度 5 米 测量精度 10 AC220V 供电 可通过上位机软件 可与监控记录系统 进行通信 能够从 PC 机获取当前液位 高度 电机状 态 设备系统时间 上下液位高度等数据 并可根据需要改变系统默 认的参数 同时可以获取设备运行时记录的数据 并能够对数据保存 能够根据一 定的算法 计算分析单位时间水 箱消耗水量 绘制图形 通过计算分析的结果 可 以进行区域用水统筹 降低能源的消耗 2 2 系统框图 根据系统的设计要求 采用单片机为主控芯片 通过单片机数据地址总线及 I O 端口 扩展数据存储模块 A D 转换模块 显示模块 时间模块 串口通信模 块以及 A D 转换 电机控制等外围电路 从而实现系统所需的设计功能 系统总 体方案框图如图 2 1 河北经贸大学毕业设计 论文 6 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 单片机主控模块 图 2 1 系统总体框图 图中 信号流向仅指示了通过数据地址总线或I O 口上发生的数据信号 不 包括控制信号 2 3 硬件设计方案 2 3 1 主控模块设计方案 单片机作为主控模块 使得 在对单片机选型上有了较大的空间 单片机在 30 多年的发展历程中 形成了多公司 多系列 多型号 百家争鸣 的局面 因而 选择一个合适的单片机有时真的不太容易 要考虑的方面太多 大致总结出以下 几点 1 单片机的基本参数 例如速度 程序存储器容量 I O引脚数量等 2 单片机的增强功能 例如看门狗 双指针 双串口 RTC 实时时钟 EEPROM 扩展RAM CAN接口 I2C接口 SPI接口 USB接口 3 Flash和OTP 一次性可编程 4 封装 DIP 双列直插 PLCC PLCC有对应插座 还是贴片 5 工作温度范围 工业级还是商业机 6 功耗 7 工作电压范围 例如设计电视机遥控器 2节干电池供电 至少应该能在 1 8 3 6V电压范围内工作 8 供货渠道畅通 河北经贸大学毕业设计 论文 7 9 价格 10 烧录器价格 能否ISP 在线系统编程 11 仿真器 12 单片机汇编语言支持 13 资料尽量丰富 14 抗干扰性能好 15 和其他外设芯片放在一起的综合考虑 根据以上因素 系统的实时性要求不高 因而运算速度无需很快 且系统规模 不大 采用分时复用的方式使用总线 对 I O 口的数量可以要求进一步降低 使 用 4 路 8 位 I O 接口即可满足设计要求 系统中需要扩展外部存储器对数据进行存 储 数据存储量为 32KB 已满足要求 因此采用 16 位或准 16 位地址总线的单片机 即可满足设计需要 由于是实验阶段 采用DIP 双列直插 封装的芯片 便于实 验 暂不考虑实际工业控制中的对外界环境的具体要求 系统采用AC220V 供电 且对功耗没有具体要求 使用 DC5V 为芯片供电 便于系统外围电路的设计 芯片 支持 ISP 可节省仿真器的投入 综上所述 采用与 MCS 51 兼容的 AT89S52 单片机满足设计要求 AT89S52 是一种低功耗 高性能 CMOS 工艺的 8 位微控制器 具有 8K 在线系 统可编程 Flash 存储器 使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造 与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容 片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程 亦适 于常规编程器 使得 AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活 超有效的解 决方案 AT89S52 具有以下标准功能 8k 字节 Flash 256 字节 RAM 32 位 I O 口线 看门狗定时器 2 个数据指针 三个 16 位定时器 计数器 一个 6 向量 2 级中断 结构 全双工串行口 片内晶振及时钟电路 另外 AT89S52 可降至 0Hz 静态逻 辑操作 支持 2 种软件可选择节电模式 空闲模式下 CPU 停止工作 允许 RAM 定时器 计数器 串口 中断继续工作 掉电保护方式下 RAM 内容被保存 振荡器被冻结 单片机一切工作停止 直到下一个中断或硬件复位为止 2 3 2 键盘模块设计方案 河北经贸大学毕业设计 论文 8 键盘在单片机应用系统中是一个很关键的部件 它能实现向单片机输入数据 发送命令等功能 是人工干预单片机系统的主要手段 考虑到本设计实际需要的按 键较少 故采用独立式键盘接口电路即可 2 3 3 显示模块设计方案 显示器是计算机的主要输出设备 在简单的工业控制系统中 常用的显示器有 数码管显示器 LED 液晶显示器 LCD 等 该系统仅需显示液位高度 即数 字量 采用 LED 显示器已能满足系统要求 系统中 要求测量范围 5m 测量精度为 10 假设测量范围为 5m 在 10 精度的要求下 其测量的有效值为 5 10 0 5m 因而采用 2 位 LED 显示器便能满 足设计要求 在单片机应用系统中 LED 显示器的现实方法有两种 静态显示法和动态显示 法 静态显示法的优点是显示程序十分简单 显示亮度大 由于CPU 不必经常扫 描显示器 所以节约了 CPU 的工作时间 但静态显示也有其缺点 主要是占用 I O 口资源较多 硬件成本较高 所以静态显示法常用在显示器数目较少的应用系 统中 为了解决静态显示占用 I O 口资源的缺点 在软件上采用压缩BCD 码输出 显示数据 硬件上使用一个 8 位锁存器 74LS273 与两个 BCD 数码显示译码驱动芯 片 74LS47 连接 减少对系统资源的占用时间 由于74LS47 译码为共阳极数码管 的码表 因而选用 8 段 带小数点 共阳极 LED 用于数据显示 高位显示米单位 低位显示分米单位 且高位小数点常亮 单片机使用1 位 I O 口控制数据的锁存 2 3 4 数据存储模块设计方案 使用 AT89S52 内部 256 字节的数据存储器记录数据是远远不够的 因而需要扩 展数据存储器进行数据存储 数据存储器可选择的种类繁多 常用的有随机存取存储器 RAM 只读存储 器 ROM 与闪存 FLASH RAM 是存储单元的内容可按需随意取出或存入 且存取的速度与存储单元的位 置无关的存储器 这种存储器在断电时将丢失其存储内容 故主要用于存储短时间 河北经贸大学毕业设计 论文 9 使用的程序 ROM 通常指固化存储器 一次写入 反复读取 它的特点与 RAM 相反 ROM 又分一次性固化 光擦除和电擦除重写两种类型 闪存则是一种不挥发性 Non Volatile 内存 在没有电流供应的条件下也能 够长久地保持数据 其存储特性相当于硬盘 这项特性正是闪存得以成为各类便携 型数字设备的存储介质的基础 NOR 和 NAND 是现在市场上两种主要的非易失闪存技术 NAND 闪存的存储单元则采用串行结构 存储单元的读写是以页和块为单位来进 行 一页包含若干字节 若干页则组成储存块 NAND 的存储块大小为 8 到 32KB 这种结构最大的优点在于容量可以做得很大 超过512MB 容量的 NAND 产品相当普 遍 NAND 闪存的成本较低 有利于大规模普及 NAND 闪存的缺点在于读速度较慢 它的I O 端口只有 8 个 比 NOR 要少多了 这区区 8 个 I O 端口只能以信号轮流传送的方式完成数据的传送 速度要比NOR 闪存的并行传输模式慢得多 再加上NAND 闪存的逻辑为电子盘模块结构 内部不 存在专门的存储控制器 一旦出现数据坏块将无法修 可靠性较NOR 闪存要差 NOR 的特点是芯片内执行 XIP eXecute In Place 这样应用程序可以直接 在 flash 闪存内运行 不必再把代码读到系统 RAM 中 NOR 的传输效率很高 在 1 4MB 的小容量时具有很高的成本效益 但是很低的写入和擦除速度大大影响了 它的性能 NAND 结构能提供极高的单元密度 可以达到高存储密度 并且写入和擦除的 速度也很快 应用 NAND 的困难在于 FLASH 的管理和需要特殊的 可以看出 ROM 的存储复杂 不适宜实时系统的数据存储 FLASH 是一个不错的解决方案 鉴于系统的复杂程度 暂时不考虑使用FLASH 作为存储单元 根据设计要求 记录某一记录点 电机状态改变时刻 的状态与时间需要6 字节数据 即年 2000 2099 年 月 1 12 月 日 1 31 日 时 0 23 时 分 0 59 分 状态 0 或 1 这些数据 如果系统长 时间的工作 将会有大批量 的数据产生 假若数据存储空间不够大 将会产生数据的覆盖 从而降低了对数据 分析的准确性 因此选用 32K 字节的数据存储器 可以记录大于5000 项记录点数 河北经贸大学毕业设计 论文 10 据 考虑到水 箱上水与耗水的频繁程度 不高 5000 项数据已基本满足后期数据处 理的需求 在实际应用中 系统设计在不掉电的工作环境下 软件上 上位机软件 对数据提取后即可保存在 PC 机中 5000 项数据进行时间上的缓冲是充足的 为节 省 CPU 的工作时间 且由于 RAM 存储速度快 使用方便等特点 从而可以忽略了 RAM 掉电数据丢失的缺点 2 3 5 时间模块设计方案 通过单片机的定时器 可以设计时间功能 然而单片机自身的产生时间数据大 大占用了系统的资源 降低了工作效率 甚至影响了其他功能的实现 因此在本设 计方案中 采用了外部芯片提供时间信号 用以系统记录时间信息 目前市场上的时钟芯片很多 如 DS1302 DS1307 HT1380 HT1381 PCF8563 等 DS1302 是 DALLAS 公司推出的涓流充电时钟芯片 内含有一个实时时钟 日历 和 31 字节静态 RAM 通过简单的串行接口与单片机进行通信 实时时钟 日历电 路提供秒 分 时 日期 日 月 年的信息 每月的天数和闰年的天数可自动调 整 时钟操作可通过 AM PM 指示决定采用 24 或 12 小时格式 DS1302 与单片机之 间能简单地采用同步串行的方式进行通信 仅需用到三个口线 1 RES 复位 2 I O 数据线 3 SCLK 串行时钟 时钟 RAM 的读 写数据以一个字节 或多达 31 个字节的字符组方式通信 DS1302 工作时功耗很低 保持数据和时钟信 息时功率小于 1mW DS1302 是由 DS1202 改进而来 增加了以下的特性双电源管脚用于主电源和备 份电源供应 Vcc1 为可编程涓流充电电源 附加七个字节存储器 它广泛应用于电 话 传真 便携式仪器以及电池供电的仪器仪表等产品领域 下面将主要的性能指 标作一综合 实时时钟具有能计算 2100 年之前的秒 分 时 日期 星期 月 年的能力 还有闰年调整的能力 31 8 位暂存数据存储 RAM 串行 I O 口方式使得管脚数量最少 宽范围工作电压 2 0 5 5V 河北经贸大学毕业设计 论文 11 工作电流 2 0V 时 小于 300nA 读 写时钟或 RAM 数据时有两种传送方式单字节传送和多字节传送字符组方式 8 脚 DIP 封装或可选的 8 脚 SOIC 封装 简单 3 线接口 与 TTL 兼容 Vcc 5V 可选工业级温度范围 40 至 85 摄氏度 与 DS1202 兼容 在 DS1202 基础上增加的特性 对 Vcc1 有可选的涓流充电能力 双电源管用于主电源和备份电源供应 备份电源管脚可由电池或大容量电容输入 附加的 7 字节暂存存储器 综上所述 选用 DS1302 时间芯片完全满足设计的需求 2 3 6 A D转换模块设计方案 A D 器件和芯片是实现单片机数据采集的常用外围器件 A D 转换器的品种繁 多 性能各异 在设计数据采集系统时 首先碰到的就是如何选择合适的A D 转 换器以满足系统设计要求的问题 选择A D 转换器件需要考虑器件本身的品质和 应用的场合要求 基本上 可以根据以下几个方面的指标选择一个A D 器件 1 A D 转换器位数 A D 转换器位数的确定 应该从数据采集系统的静态精度和动态平滑性这两个 方面进行考虑 从静态精度方面来说 要考虑输入信号的原始误差传递到输出所产 生的误差 它是模拟信号数字化时产生误差的主要部分 量化误差与A D 转换器 位数有关 一般把 8 位以下的 A D 转换器归为低分辨率 A D 转换器 9 12 位的称 为中分辨率转换器 13 位以上的称为高分辨率转换器 10 位以下的 A D 芯片误差 较大 11 位以上对减小误差并无太大贡献 但对A D 转换器的要求却提得过高 因此 取 10 位或 11 位是合适的 由于模拟信号先经过测量装置 再经A D 转换 器转换后才进行处理 因此 总的误差是由测量误差和量化误差共同构成的 河北经贸大学毕业设计 论文 12 A D 转换器的精度应与测量装置的精度相匹配 也就是说 一方面要求量化误差在 总误差中所占的比重要小 使它不显著地扩大测量误差 另一方面必须根据目前测 量装置的精度水平 对 A D 转换器的位数提出恰当的要求 目前 大多数测量装置的精度值不小于0 1 0 5 故 A D 转换器的精度取 0 05 0 1 即可 相应的二进制码为 10 11 位 加上符号位 即为 11 12 位 当有特殊的应用时 A D 转换器要求更多的位数 这时往往可采用双精度的转换方 案 2 A D 转换器的转换速率 A D 转换器从启动转换到转换结束 输出稳定的数字量 需要一定的转换时间 转换时间的倒数就是每秒钟能完成的转换次数 称为转换速率 确定 A D 转换器的转换速率时 应考虑系统的采样速率 例如 如果用转换时 间为 100us 的 A D 转换器 则其转换速率为 10KHz 根据采样定理和实际需要 一 个周期的波形需采 10 个样点 那么这样的 A D 转换器最高也只有处理频率为 1KHz 的模拟信号 把转换时间减小 信号频率可提高 对一般的单片机而言 要在 采样时间内完成 A D 转换以外的工作 如读数据 再启动 存数据 循环计数等已 经比较困难了 3 采样 保持器 采集直流和变化非常缓慢的模拟信号时可不用采样保持器 对于其他模拟信号 一般都要加采样保持器 如果信号频率不高 A D 转换器的转换时间短 即采样高 速 A D 时 也可不用采样 保持器 4 A D 转换器量程 A D 转换时需要的是双极性的 有时是单极性的 输入信号最小值有的从零开 始 也有从非零开始的 有的转换器提供了不同量程的引脚 只有正确使用 才能 保证转换精度 在使用中 影响 A D 转换器量程的因素有 量程变换和双极性偏置 双基准电压 A D 转换器内部比较器输入端的正确使用 5 满刻度误差 满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差 6 线性度 实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移 河北经贸大学毕业设计 论文 13 ADC0804 是单路 8 位逐次比较型双极性输入 A D 转换器 转换时间小于 s 100 量化间隔 2 1 mV V 53125 19 2 5 8 绝对量化误差 2 2 mV765625 9 2 相对量化误差 2 3 195 0 2 1 18 在液位传感器误差与参考电压误差不大的情况下 ADC0804 是完全满足设计误 差要求的 2 3 7 通信模块设计方案 AT89S52 单片机内部有一个全双工异步串行I O 接口 占用 P3 0 和 P3 1 两 个引脚 利用该接口 可实现系统与上位机的通信 不同设备间串口通信的过程中 需要采用相同的的接口标准才能通信 典型的串行通讯标准是 RS232 和 RS485 它们定义了电压 阻抗等 但不对软 件协议给予定义 RS 232C 标准 协议 的全称是 EIA RS 232C 标准 其中 EIA Electronic Industry Association 代表美国电子工业协会 RS Ecommeded Standard 代 表推荐标准 232 是标识号 C 代表 RS232 的最新一次修改 1969 在这之前 有 RS232B RS232A 它规定连接电缆和机械 电气特性 信号功能及传送过程 区别于 RS232 RS485 的特性包括 1 RS 485 的电气特性 逻辑 1 以两线间的电压差为 2 6 V 表示 逻 辑 0 以两线间的电压差为 2 6 V 表示 接口信号电平比 RS 232 C 降低了 就不易损坏接口电路的芯片 且该电平与TTL 电平兼容 可方便与 TTL 电路连接 2 RS 485 的数据最高传输速率为 10Mbps 3 RS 485 接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合 抗共模干扰能力增 强 即抗噪声干扰性好 河北经贸大学毕业设计 论文 14 4 RS 485 接口的最大传输距离标准值为 4000 英尺 实际上可达 3000 米 另外 RS 232 C 接口在总线上只允许连接 1 个收发器 即单站能力 而 RS 485 接 口在总线上是允许连接多达 128 个收发器 即具有多站能力 这样用户可以利用 单一的 RS 485 接口方便地建立起设备网络 因 RS 485 接口具有良好的抗噪声干扰性 长的传输距离和多站能力等上述优 点就使其成为首选的串行接口 PC 机作为上位机 一般情况下带有 RS 232C 通信接口 鉴于 RS 485 接口的 优点与系统实际工作环境的需要 系统采用RS 485 接口标准 使用 RS 232 RS 485 转换器与 PC 机连接进行通信 MAX485 接口芯片是 Maxim 公司的一种 RS 485 芯片 采用单一电源 5V 工作 额定电流为 300 A 采用半双工通讯方式 它完成将TTL 电平转换为 RS 485 电 平的功能 2 3 8 电机控制模块设计方案 由于设计中没有规定水泵电机的参数规格 而且不同型号的水泵参数不尽相同 电气参数的不同使得在电路上的设计差异较大 因此在此仅作理论演示 选用继电器作为电机控制的元件 继电器是一种电子控制器件 它具有控制系统 又称输入回路 和被控制系统 又称输出回路 通常应用于自动控制电路中 它实际上是用较小的电流去控制 较大电流的一种 自动开关 故在电路中起着自动调节 安全保护 转换电路等 作用 继电器主要产品技术参数 1 额定工作电压 是指继电器正常工作时线圈所需要的电压 根据继电器的型 号不同 可以是交流电压 也可以是直流电压 2 直流电阻 是指继电器中线圈的直流电阻 可以通过万能表测量 3 吸合电流 是指继电器能够产生吸合动作的最小电流 在正常使用时 给定 的电流必须略大于吸合电流 这样继电器才能稳定地工作 而对于线圈所加的工作 电压 一般不要超过额定工作电压的1 5 倍 否则会产生较大的电流而把线圈烧 毁 河北经贸大学毕业设计 论文 15 4 释放电流 是指继电器产生释放动作的最大电流 当继电器吸合状态的电流 减小到一定程度时 继电器就会恢复到未通电的释放状态 这时的电流远远小于吸 合电流 5 触点切换电压和电流 是指继电器允许加载的电压和电流 它决定了继电器 能控制电压和电流的大小 使用时不能超过此值 否则很容易损坏继电器的触点 根据以上的参数 结合设计的演示性 选用额定工作电压120VAC 24VDC 工 作电流 3A 控制电压 5VDC 的小型继电器 河北经贸大学毕业设计 论文 16 第第 3 3 章章 硬件电路设计硬件电路设计 3 1 AT89S52硬件设计 AT89S52引脚定义及功能介绍如图3 1 P0 口 P0 口是一个 8 位漏极开路的双向 I O 口 作为输出口 每位能驱动 8 个 TTL 逻辑电平 对 P0 端口写 1 时 引脚用作高阻抗输入 当访问外部程序和 数据存储器时 P0 口也被作为低 8 位地址 数据复用 在这种模式下 P0 具有内 部上拉电阻 在 FLASH 编程时 P0 口也用来接收指令字节 在程序校验时 输出 指令字节 程序校验时 需要外部上拉电阻 P1 口 P1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 输出缓冲器能驱 动 4 个 TTL 逻辑电平 对 P1 端口写 1 时 内部上拉电阻把端口拉高 此时可以 作为输入口使用 作为输入使用时 被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因 将输 出电流 IIL 此外 P1 0 和 P1 2 分别作定时器 计数器 2 的外部计数输入 P1 0 T2 和定时器 计数器 2 的触发输入 P1 1 T2EX 具体如下所示 图 3 1 AT89S52 引脚及网络标号 河北经贸大学毕业设计 论文 17 在 FLASH 编程和校验时 P1 口接收低 8 位地址字节 引脚号第二功能 P1 0 T2 定时器 计数器 T2 的外部计数输入 时钟输出 P1 1 T2EX 定时器 计数器 T2 的捕捉 重载触发信号和方向控制 P1 5 MOSI 在系统编程用 P1 6 MISO 在系统编程用 P1 7 SCK 在系统编程用 P2 口 P2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 输出缓冲器能驱 动 4 个 TTL 逻辑电平 对 P2 端口写 1 时 内部上拉电阻把端口拉高 此时可以 作为输入口使用 作为输入使用时 被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因 将输 出电流 IIL 在访问外部程序存储器或用 16 位地址读取外部数据存储器 例如 执行 MOVX DPTR 时 P2 口送出高八位地址 在这种应用中 P2 口使用很强的 内部上拉发送 1 在使用 8 位地址 如 MOVX RI 访问外部数据存储器时 P2 口 输出 P2 锁存器的内容 在 FLASH 编程和校验时 P2 口也接收高 8 位地址字节和 一些控制信号 P3 口 P3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P3 输出缓冲器能驱 动 4 个 TTL 逻辑电平 对 P3 端口写 1 时 内部上拉电阻把端口拉高 此时可以 作为输入口使用 作为输入使用时 被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因 将输 出电流 IIL P3 口亦作为 AT89S52 特殊功能 第二功能 使用 如下表所示 表3 1 端口引脚第二功能 端口号第二功能 P3 0RXD 串行输入口 P3 1TXD 串行输出口 P3 2INTO 外中断0 P3 3INT1 外中断1 P3 4TO 定时 计数器0 P3 5T1 定时 计数器1 P3 6WR 外部数据存储器写选通 P3 7RD 外部数据存储器读选通 此外 P3 口还接收一些用于 FLASH 闪存编程和程序校验的控制信号 RST 复位输入 当振荡器工作时 RST 引脚出现两个机器周期以上高电平 河北经贸大学毕业设计 论文 18 将使单片机复位 ALE PROG 当访问外部程序存储器或数据存储器时 ALE 地址锁存允许 输出脉冲用于锁存地址的低 8 位字节 一般情况下 ALE 仍以时钟振荡频率的 1 6 输出固定的脉冲信号 因此它可对外输出时钟或用于定时目的 要注意的是 每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE 脉冲 对 FLASH 存储器编程期间 该 引脚还用于输入编程脉冲 PROG 如有必要 可通过对特殊功能寄存器 SFR 区中的 8EH 单元的 D0 位置位 可禁止 ALE 操作 该位置位后 只有一条 MOVX 和 MOVC 指令才能将 ALE 激活 此外 该引脚会被微弱拉高 单片机执行外部程序时 应设置 ALE 禁止位无效 PSEN 程序储存允许 PSEN 输出是外部程序存储器的读选通信号 当 AT89S52 由外部程序存储器取指令 或数据 时 每个机器周期两次PSEN 有效 即输出两个脉冲 在此期间 当访问外部数据存储器 将跳过两次PSEN 信号 EA VPP 外部访问允许 欲使 CPU 仅访问外部程序存储器 地址 为 0000H FFFFH EA 端必须保持低电平 接地 需注意的是 如果加密位 LB1 被 编程 复位时内部会锁存 EA 端状态 如 EA 端为高电平 接 Vcc 端 CPU 则执行 内部程序存储器的指令 FLASH 存储器编程时 该引脚加上 12V 的编程允许电源 Vpp 当然这必须是该器件是使用 12V 编程电压 Vpp XTAL1 振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端 XTAL2 振荡器反相放大器的输出端 为了便于接下来的说明 单片机各管脚网络标号定义如图3 1 要使单片机按照设计要求正常工作 完整单片机最基本的工作要求 考虑到系 统无需精确地定时功能 且为了方便串口通信波特率的计算 采用11 0592MHz 的晶振提供系统时钟 并附加复位电路 组成单片机最小系统 根据电路设计规范 和 AT89S52 芯片手册 设计时钟电路与复位电路如 图 3 2 河北经贸大学毕业设计 论文 19 图 3 2 复位电路及时钟电路 图中网络标号 RST 连接单片机 RST 引脚 具有上电复位与手动复位的功能 XTAL1 与 XTAL2 连接单片机 XTAL1 和 XTAL2 引脚 且并联两个 30pF 匹配电容使晶 振起振 由于单片机 P0 口作普通 I O 口时不能输出高电平 因此需接上拉电阻 实际 电路中 使用 8 10K 电阻作为上拉电阻 3 2 按键设计 键盘在单片机应用系统中是一个很关键的部件 它能实现向单片机系统输入数 据 发送命令等功能 是人工干预单片机的主要手段 考虑到本设计实际需要的按 键较少 故采用独立式键盘接口电路 它是将每个独立按键按一对一的方式直接 接到单片机的 I O 口上 通过程序扫描查询方式实现与单片机系统交互的 在程序 查询方式下 通过 I O 端口读入按键状态 当有按键按下时 相应的I O 端口变 为低电平 而未被按下的按键 在上拉电阻作用下 为高电平 这样通过读 I O 口的 状态判断是否有按键按下 系统按键电路如图 3 3 所示 下图中 S2 S5 便是控制显示用的按键 其作用就是通过按动它们实现对高低 警戒液位的设置 具体来说 S3 S4 分别实现数字的增一与减一 S2 S5 则作为 河北经贸大学毕业设计 论文 20 高低警戒液位的模式选择和确认键 图 3 3 系统按键电路 3 3 显示单元硬件设计 在显示单元上 使用了 74LS273 带公共时钟复位八 位触发器与 74LS47 共阳极 BCD 显示译码驱动芯片 两个芯片的管脚图如 图 3 4 74LS273 与 74LS47 引脚功能说明 74LS273 1 脚是复位 CLR 低电平有效 当 1 脚是低电平时 输出脚 2 Q0 5 Q1 6 Q2 9 Q3 12 Q4 15 Q5 16 Q6 19 Q7 全部输出 0 即全部复位 图 3 4 74LS273 及 74LS47 引脚图 河北经贸大学毕业设计 论文 21 当 1 脚为高电平时 11 CLK 脚是锁存控制端 并且是上升沿触发锁存 当 11 脚有一个上升沿 立即锁存输入脚3 4 7 8 13 14 17 18 的电平状态 并且立即呈现在在输出脚 2 Q0 5 Q1 6 Q2 9 Q3 12 Q4 15 Q5 16 Q6 19 Q7 上 74LS47 上 BI ROB LI RBI 引脚为控制引脚 主要用于测试和脉冲控制 均 为低电平有效 设计上不适用此项功能 因此均接高电平 A0 A3 是 BCD 输入 分解 74LS273 输出的高 低四位 a g 用于共阳极数码管的相应管脚的连接 为了保护 LED 数码管 在 74LS47 与 LED 之间添加限流电阻 以满足数码管的 工作需要 根据以上的设计思路 设计电路图如 图 3 5 图 3 5 显示部分电路图 河北经贸大学毕业设计 论文 22 3 4 存储单元硬件设计 存储模块的硬件设计比较简单 由于AT89S52 单片机为数据线与低 8 位地址 线复用 需要使用地址锁存芯片 74LS373 上文中已叙述 使用 32KRAM 作为