毕业设计（论文）-基于单片机控制的自动抽放水系统设计.doc

全套图纸加扣 3012250582 编号 毕业设计 论文 说明书 题 目 基于单片机控制的自动抽放水系统 院 系 机 电 工 程 学 院 专 业 机械设计制造及其自动化 学生姓名 学 号 指导教师 职 称 讲 师 题目类型 题目类型 理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 2009 年 5 月 25 日 全套图纸加扣 3012250582 摘摘 要要 水位控制系统在各个领域上都有广泛应用 随着单片机技术的发展 水位 传感器的功能得到了很大提升 不仅使测量精度大为提高 也大大扩展了水位 自动控制的应用范围 本设计主要要求实现抽放水自动控制的设计 经过比较 决定使用浮筒和 滑轮带动电位器来实现测量 系统在分析可行性 可靠性的基础上 参照工程 设计方法 确立了结构化设计的思路 设计了一套水位检测系统 该系统是一 种基于 AT89C52 单片机的水位测距系统 它以水位传感器为接口部件 通过不 同水位时电位器应用单片机技术测量水位 该系统主要由主控制器模块 水位 探测模块 信号处理模块 显示模块和电磁阀控制模块等五个部分构成 设计 利用 51 单片机系统的 I O 口 接受和处理水位传感器输入信号 经过放大和整 形电路进入单片机 比较调试后确定其对应的水位 可实现 10 厘米内水位测量 使用 LCD 显示测量水位 当水位小于下限值时打开进水电磁阀 或水位大于上 限值打开出水电磁阀 基于单片机控制的自动抽放水系统 提高了水位测量的精度 减少了人为 计算给测距带来的误差 简化了外围接口电路 解决了生活中测距方面带来的 不便 关键字 水位传感器 AT89C52 单片机 LCD 显示单元 抽放水电磁阀 全套图纸加扣 3012250582 Abstract The water level control system has a wide application in various fields With the development of single chip microcontroller technology the function of water level sensors has been improved greatly not only improved the measurement accuracy but also greatly expended the scope of application of automatic water level conctrolation The design of the main demands of the design of automatic water pump after comparison the decision to promote the use of float and pulley device to achieve the measurement of potential System in the analysis of the feasibility and reliability based on the reference to engineering design methods the design establishs the thinking of the structure Designed a water level detection system which is based on AT89C52 SCM single chip microcontroller water level ranging system which the water level sensor interface components the water level through different potential applications when measuring water level in single chip technology The system is mainly composed by five parts namely the main controller module the water level detection module signal processing module display module and solenoid valve control module 51 SCM single chip microcomputer system design using the I O interference to accept and deal with the water level sensor input signal after amplification and shaping circuitry into the microcontroller after comparison testing to determine their corresponding level Can be measured a range of 10 centimeters in water level water level measurements using the LED display when the water level is less than the lower limit when the solenoid valve open to add water or when water level than the upper limit of the water solenoid valve opens to let water out Such kind of Based on single chip microcomputer controlled automatic water pumping system to improve the accuracy of measurement of the water level to reduce the man made calculation errors caused by the location simplifying the external interface circuit to address aspects of life ranging the inconvenience 全套图纸加扣 3012250582 Key words The water level sensor AT89C52 SCM LED display unit Pumping water solenoid valve 全套图纸加扣 3012250582 第 1 页 共 44 页 1 目 录 引言 2 1 绪论 3 1 1 课题背景和意义 3 1 2 论文研究内容 4 2 系统设计的总体方案 4 2 1 传感器的理论基础 4 传感器的定义 4 传感器的分类 5 传感器静态特性 6 传感器动态特性 6 传感器的线性度 6 传感器的灵敏度 7 传感器的分辨力 7 全球传感器市场预测 7 电位器的其他特性参数 9 2 2 电位器原理和工作方式 9 2 3 水位探测系统设计 10 2 4 模块方案比较 10 2 5 设计的总体构想 16 3 系统硬件电路的设计 16 3 1 单片机控制系统设计 AT89C52 16 3 2 LCD 显示电路设计 20 3 3 传感器电路设计 22 3 4 信号处理电路设计 24 3 5 电磁阀控制电路设计 28 3 6 本章小结 29 4 系统程序的设计 30 4 1 水位测量的算法设计 30 4 2 主程序设计 31 4 3 LCD 显示子程序和信号接收中断程序 31 4 4 电磁阀电路程序设计 32 4 5 本章小结 32 5 电路板的制作 33 5 1 原理图的绘制 33 5 2 元件的选用和电路板的焊制 33 全套图纸加扣 3012250582 第 2 页 共 44 页 2 5 3 本章小结 34 6 调适与性能分析 34 6 1 调适 34 6 2 性能指标 34 结论 34 谢 辞 36 参考文献 37 附 录 38 全套图纸加扣 3012250582 第 3 页 共 44 页 3 引言 近年来随着微电子技术发展而产生的小型价廉的微处理器 单片机 的出现 使 水位测量传感器的功能得到了提升 有了微处理器不仅使测量的精度大为提高 而且 为水位自动控制的应用开辟更大的空间 随着科学技术的快速发展 水位探测将在传感器中的应用越来越广 在人类文明 的历次产业革命中 传感技术一直扮演着先行官的重要角色 它是贯穿各个技术和应 用领域的关键技术 在人们可以想象的所有领域中 它几乎无所不在 传感器是世界 各国发展最快的产业之一 在各国有关研究 生产 应用部门的共同努力下 传感器 技术得到了飞速的发展和进步 但就目前技术水平来说 人们可以具体利用的传感技 术还十分有限 因此 这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域 展 望未来 水位传感器作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展 空间 它将朝着更加高定位高精度的方向发展 以满足日益发展的社会需求 无庸置 疑 未来的水位探测将与自动化智能化接轨 与其他的传感器集成和融合 形成多传 感器 随着传感器的技术进步 传感器将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能 最终发展到具有创造力 在新的世纪里 面貌一新的传感器将发挥更大的作用 在工业方面 水位探测的典型应用是锅炉水位检测 水箱水位检测 由于环境的恶 劣 此时的液位信息难以依靠人为操作去获取 必须通过水位传感器来获得 并且通 过 PLC 或单片机多信号进行处理 实现信息的显示以及自动控制 当然更多的传感器 是固定地安装在不同的装置上 探测人们所需要的信号 在未来的应用中 水位传感 器将与信息技术 新材料技术结合起来 将出现更多的智能化 高灵敏度的传感器 利用水位传感器可以帮助人们及时了解水位情况 防止出现水位过高或水位过低所 造成的各种问题 并将水位控制在一定范围内 下面我们就使用自动抽放水系统为例 具体的说明它的应用 全套图纸加扣 3012250582 第 4 页 共 44 页 4 1 绪论 进入 21 世纪后 随着传感技术的发展 传感器已经成为各个应用领域 特别是自 动检测 自动控制系统中不可缺少的重要技术工具 伴随着微机 单片机 的发展 传感技术的应用已经逐步得到更广泛的认同 应用于现在各个高科技的行业 而水位 探测技术应用于冶金 船舶 机械 水利水电等各个工业部门的水位探测方面 取得 了很好的社会效益和经济效益 1 1 课题背景和意义 随着科技的高速发展 一种新的测量方法已经产生 那就是利用微机控制水位传 感器自动测距 把这样的一种装置安装在水箱上 就可以给人们以提醒 预防意外的 发生 尽可能的减少事故 因此 我们就可以在水箱上安装水位检测系统 以使其及 时获取水位信息 本课题设计是基于 AT89C52 单片机进行的 单片机技术的应用 是许多领域的技术 水平和自动化程度得以大大提高 当今世界也正面临着一场以单片机技术为标志的新 革命 人们渴望迅速进入单片机应用与开发的大门 随着人们物质文化的丰富 各种 电子产品开发也越来越先进 越来越迅速 在超声波测距领域 为缩短开发周期 提 高测距精度 单片机因为具有集成度高 运算速度快 运行速度快 体积小 运行可 靠 工耗低等无与伦比的优势 以得到了广泛的应用 当前 微型控制器正向两个方 向发展 一个是高功能 多功能方向 从这个方向取得的成就使得微型控制器逐步代 替了价格昂 功能优越的中小型机 另一个是价格低廉 功能单一的方向 这个方向 的发展是微型控制器在生产领域 服务部门和日常生活得到越来越广泛的应用 本课题的研究内容也适用于各种水位测量的场合 比如说油箱液位的测量 水库 水位等等都可以使用 所以本课题的研究很有必要 很有意义 1 2 论文研究内容 选用适当的方法扩展设计一个单片机系统 用以自动抽放水系统的设计 以水位 传感器检测水位 要求根据水位的高低判断 运用单片机系统来控制抽水或放水电磁 阀的开启与关闭 最后通过液晶显示屏或者 LED 的 7 段数码管完成水位的显示 编制 程序进行功能的控制 完成该模型的设计 制作与调试工作 要求有复位和手动调节 功能 并要求显示的完整性 动态性 稳定性 本课题研究的就是要在水箱上安装的 自动抽放水系统 以尽可能减少发生事故的可能性 保障安全 本文一共分为五章 第 1 章为绪论 主要介绍本课题研究的背景和意义以及要研 究的主要内容 指出了单片微机和传感技术的发展给本课题的研究指明了方向 阐明 全套图纸加扣 3012250582 第 5 页 共 44 页 5 课题研究的必要性 第 2 章介绍系统总体方案的设计 各个部分的设计内容 主要分 为五个部分 即水位探测部分设计 信号接收部分设计 显示部分设计和控制部分设 计五个方面 从理论上简述基本的设计 第 3 章主要阐述各个部分硬件电路的设计 分析各个部分所用元器件的性能参数 在本次电路设计中的作用 第 4 章主要介绍系 统程序的设计 主要是单片机程序控制水位信号接收 以及计算水位通过 LED 数码管 显示出来 当水位小于下限值时 由程序控制发出进水电磁阀开启命令 当水位大于 上限值时 由程序控制发出抽水电磁阀开启命令 第 5 章主要说明硬件软件的调试过 程 以及调试的结果 检查本设计是否符合最初的要求 是否完成导师布置的内容等 等 2 系统设计的总体方案 本文主要介绍传感器在自动抽放水系统中的应用 以 AT89C52 单片机为核心的低 成本 高精度 微型化数字显示水位检测系统的硬件电路和软件设计方法 利用水位 传感器检测水位设计比较方便 计算处理也较简单 并且在测量精度方面也能达到日 常使用的要求 2 1 传感器的理论基础 传感器传感器是一种物理装置或生物器官 能够探测 感受外界的信号 物理条件 如 光 热 湿度 或化学组成 如烟雾 并将探知的信息传递给其他装置或器官 传感器的定义 国家标准 GB7665 87 对传感器下的定义是 能感受规定的被测量并按照一定的 规律转换成可用信号的器件或装置 通常由敏感元件和转换元件组成 传感器是一种 检测装置 能感受到被测量的信息 并能将检测感受到的信息 按一定规律变换成为 电信号或其他所需形式的信息输出 以满足信息的传输 处理 存储 显示 记录和 控制等要求 它是实现自动检测和自动控制的首要环节 传感器的分类 可以用不同的观点对传感器进行分类 它们的转换原理 传感器工作的基本物理或 化学效应 它们的用途 它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等 根据传感器工作原理 可分为物理传感器和化学传感器二大类 传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应 诸如压电效应 磁致伸缩 现象 离化 极化 热电 光电 磁电等效应 被测信号量的微小变化都将转换成电 信号 化学传感器包括那些以化学吸附 电化学反应等现象为因果关系的传感器 被测 全套图纸加扣 3012250582 第 6 页 共 44 页 6 信号量的微小变化也将转换成电信号 有些传感器既不能划分到物理类 也不能划分为化学类 大多数传感器是以物理 原理为基础运作的 化学传感器技术问题较多 例如可靠性问题 规模生产的可能性 价格问题等 解决了这类难题 化学传感器的应用将会有巨大增长 常见传感器的应用领域和工作原理列于下表 1 按照其用途 传感器可分类为 压力敏和力敏传感器 位置传感器 液面传感 器 能耗传感器 速度传感器 加速度传感器 射线辐射传感器 热敏传感器 2 按照其原理 传感器可分类为 振动传感器 湿敏传感器 磁敏传感器 气敏 传感器 真空度传感器 生物传感器等 3 以其输出信号为标准可将传感器分为 模拟传感器 将被测量的非电学量转换成模拟电信号 数字传感器 将被测量的非电学量转换成数字输出信号 包括直接和间接转换 数字传感器 将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出 包括直 接或间接转换 开关传感器 当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时 传感器相应地输 出一个设定的低电平或高电平信号 在外界因素的作用下 所有材料都会作出相应的 具有特征性的反应 它们中的 那些对外界作用最敏感的材料 即那些具有功能特性的材料 被用来制作传感器的敏 感元件 从所应用的材料观点出发可将传感器分成下列几类 1 按照其所用材料的类别分 金属 聚合物 陶瓷 混合物 2 按材料的物理性质分 导体 绝缘体 半导体 磁性材料 3 按材料的晶体结构分 单晶 多晶 非晶材料 与采用新材料紧密相关的传感器开发工作 可以归纳为下述三个方向 1 在已知的材料中探索新的现象 效应和反应 然后使它们能在传感器技术中得 到实际使用 2 探索新的材料 应用那些已知的现象 效应和反应来改进传感器技术 3 在研究新型材料的基础上探索新现象 新效应和反应 并在传感器技术中加以 具体实施 现代传感器制造业的进展取决于用于传感器技术的新材料和敏感元件的开发强度 传感器开发的基本趋势是和半导体以及介质材料的应用密切关联的 表 1 2 中给出 了一些可用于传感器技术的 能够转换能量形式的材料 按照其制造工艺 可以将传感器区分为 集成传感器 薄膜传感器 厚膜传感器 陶瓷传感器 集成传感器是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的 通常还将用 于初步处理被测信号的部分电路也集成在同一芯片上 薄膜传感器则是通过沉积在介质衬底 基板 上的 相应敏感材料的薄膜形成的 使 全套图纸加扣 3012250582 第 7 页 共 44 页 7 用混合工艺时 同样可将部分电路制造在此基板上 厚膜传感器是利用相应材料的浆料 涂覆在陶瓷基片上制成的 基片通常是 Al2O 3 制成的 然后进行热处理 使厚膜成形 陶瓷传感器采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工艺 溶胶 凝胶等 生产 完成适当的预备性操作之后 已成形的元件在高温中进行烧结 厚膜和陶瓷传感 器这二种工艺之间有许多共同特性 在某些方面 可以认为厚膜工艺是陶瓷工艺的一 种变型 每种工艺技术都有自己的优点和不足 由于研究 开发和生产所需的资本投入较 低 以及传感器参数的高稳定性等原因 采用陶瓷和厚膜传感器比较合理 传感器静态特性 传感器的静态特性是指对静态的输入信号 传感器的输出量与输入量之间所具有 相互关系 因为这时输入量和输出量都和时间无关 所以它们之间的关系 即传感器 的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程 或以输入量作横坐标 把与其对应的 输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述 表征传感器静态特性的主要参数有 线性 度 灵敏度 分辨力和迟滞等 传感器动态特性 所谓动态特性 是指传感器在输入变化时 它的输出的特性 在实际工作中 传 感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示 这是因为传感器对标准输 入信号的响应容易用实验方法求得 并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信 号的响应之间存在一定的关系 往往知道了前者就能推定后者 最常用的标准输入信 号有阶跃信号和正弦信号两种 所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来 表示 传感器的线性度 通常情况下 传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线 在实际工作中 为 使仪表具有均匀刻度的读数 常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线 线性度 非线性误差 就是这个近似程度的一个性能指标 拟合直线的选取有多种方法 如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟 合直线 或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线 此拟 合直线称为最小二乘法拟合直线 传感器的灵敏度 灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化 y 对输入量变化 x 的比值 它是输出一输入特性曲线的斜率 如果传感器的输出和输入之间显线性关系 则 灵敏度 S 是一个常数 否则 它将随输入量的变化而变化 灵敏度的量纲是输出 输入量的量纲之比 例如 某位移传感器 在位移变化 1m m 时 输出电压变化为 200mV 则其灵敏度应表示为 200mV mm 全套图纸加扣 3012250582 第 8 页 共 44 页 8 当传感器的输出 输入量的量纲相同时 灵敏度可理解为放大倍数 提高灵敏度 可得到较高的测量精度 但灵敏度愈高 测量范围愈窄 稳定性也 往往愈差 传感器的分辨力 分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力 也就是说 如果输入 量从某一非零值缓慢地变化 当输入变化值未超过某一数值时 传感器的输出不会发 生变化 即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的 只有当输入量的变化超过分辨 力时 其输出才会发生变化 通常传感器在满量程范围内各点的分辨力并不相同 因此常用满量程中能使输出 量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨力的指标 上述指标若用满量 程的百分比表示 则称为分辨率 分辨率与传感器的稳定性有负相相关性 全球传感器市场预测 2008 年全球传感器市场容量为 506 亿美元 预计 2010 年全球传感器市场可达 600 亿美元以上 调查显示 东欧 亚太区和加拿大成为传感器市场增长最快的地区 而 美国 德国 日本依旧是传感器市场分布最大的地区 就世界范围而言 传感器市场 上增长最快的依旧是汽车市场 占第二位的是过程控制市场 看好通讯市场前景 一些传感器市场比如压力传感器 温度传感器 流量传感器 水平传感器已表现 出成熟市场的特征 流量传感器 压力传感器 温度传感器的市场规模最大 分别占 到整个传感器市场的 21 19 和 14 传感器市场的主要增长来自于无线传感器 MEM S Micro Electro MechanicalSystems 微机电系统 传感器 生物传感器等新兴传感 器 其中 无线传感器在 2007 2010 年复合年增长率预计会超过 25 目前 全球的传感器市场在不断变化的创新之中呈现出快速增长的趋势 有关专 家指出 传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高 各国将竞相加速新 一代传感器的开发和产业化 竞争也将日益激烈 新技术的发展将重新定义未来的传 感器市场 比如无线传感器 光纤传感器 智能传感器和金属氧化传感器等新型传感 器的出现与市场份额的扩大 本次系统的设计使用的是舵机电位器 即电阻式传感器 电阻式传感器是将被测 量 如位移 形变 力 加速度 湿度 温度等这些物理量转换式成电阻值这样的一 种器件 主要有电阻应变式 压阻式 热电阻 热敏 气敏 湿敏等电阻式传感器件 舵机电位器 HV RB10N 外形图如下图 2 1 所示 而外形尺寸如下图 2 2 所示 具体内部结构图如下图 2 3 所示 全套图纸加扣 3012250582 第 9 页 共 44 页 9 图 2 1 电位器实物图 图 2 2 电位器外观尺寸图 电位器的作用电位器的作用 电位器的作用 调节电压 含直流电压与信号电压 和电流的大小 电位器的结构特点电位器的结构特点 电位器的结构特点 电位器的电阻体有两个固定端 通过手动调节转轴或滑柄 改变动触点在电阻体上的位置 则改变了动触点与任一个固定端之间的电阻值 从而 改变了电压与电流的大小 电位器的作用电位器的作用 电位器的作用 调节电压 含直流电压与信号电压 和电流的大小 电位器的结构特点电位器的结构特点 电位器的结构特点 电位器的电阻体有两个固定端 通过手动调节转轴或滑柄 改变动触点在电阻体上的位置 则改变了动触点与任一个固定端之间的电阻值 从而 改变了电压与电流的大小 具体数据如下表所示 表 2 1 HV RB10N 性能指标数据表 性能要求 标称阻值 K 5 容许偏差 1 额定功率 W 0 07 阻值变化规律直线式 最高使用电压 V 100 动杂音1000 次 Flash ROM 32 个双向 I O 口 256x8bit 内部 RAM 3 个 16 位可编程定时 计数器中断 时钟频率 0 24MHz 2 个串行中断 可编程 UART 串行通道 2 个外部中断源 共 6 个中断源 2 个读写中断口线 3 级加密位 低功耗空闲和掉电模式 软件设置睡眠和唤醒功能 引脚功能说明引脚功能说明 全套图纸加扣 3012250582 第 19 页 共 44 页 19 P0 P0 口 口 P0 口是一组 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 每位能吸收电流的方式驱动 8 个 TTL 逻辑门电路 对端口 P0 写 1 时 可作为高阻抗输入端用 在访问外部数据存储器或程序存储器时 这组口线分时转换地址 低 8 位 和数 据总线复用 在访问期间激活内部上拉电阻 在 Flash 编程时 P0 口接收指令字节 而在程序校验时 输出指令字节 校验时 要求外接上拉电阻 P1 P1 口 口 P1 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 的输出缓冲级可驱动 吸 收或输出电流 4 个 TTL 逻辑门电路 对端口写 1 通过内部的上拉电阻把端口拉 到高电平 此时可作输入口 作输入口使用时 因为内部存在上拉电阻 某个引脚被 外部信号拉低时会输出一个电流 IIL 与 AT89C51 不同之处是 P1 0 和 P1 1 还可分别作为定时 计数器 2 的外部计数输 入 P1 0 T2 和输入 P1 1 T2EX 参见表 3 1 Flash 编程和程序校验期间 P1 接收低 8 位地址 表 3 2 P1 0 和 P1 1 的第二功能 引脚号功能特性 P1 0T2 定时 计数器 2 外部计数脉冲输入 时钟输出 P1 1T2EX 定时 计数 2 捕获 重装载触发和方向控制 P2 P2 口 口 P2 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 的输出缓冲级可驱 动 吸收或输出电流 4 个 TTL 逻辑门电路 对端口 P2 写 1 通过内部的上拉电 阻把端口拉到高电平 此时可作输入口 作输入口使用时 因为内部存在上拉电阻 某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流 IIL 在访问外部程序存储器或 16 位地址的外部数据存储器 例如执行 MOVX DPTR 指令 时 P2 口送出高 8 位地址数据 在访问 8 位地址的外部数据存储器 如执行 MOVX RI 指令 时 P2 口输出 P2 锁存器的内容 Flash 编程或校验时 P2 亦接收高位地址和一些控制信号 P3 P3 口 口 P3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P3 口输出缓冲级可 驱动 吸收或输出电流 4 个 TTL 逻辑门电路 对 P3 口写入 1 时 它们被内部上 位电阻拉高并可作为输入端口 此时 被外部拉低的 P3 口将用上拉电阻输出电流 IIL P3 口除了作为一般的 I O 口线外 更重要的用途是它的第二功能 如下表所示 表 3 3 P3 口第二功能表 端口引脚第二功能 P3 0 RXD 串行输入口 全套图纸加扣 3012250582 第 20 页 共 44 页 20 P3 1 TXD 串行输出口 P3 2 INT0 外中断 0 P3 3 INT1 外中断 1 P3 4 T0 定时 计数器 0 P3 5 T1 定时 计数器 1 P3 6 WR 外部数据存储器写选通 P3 7 RD 外部数据存储器读选通 此外 P3 口还接收一些用于 Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号 RST 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将使单 片复位 ALE PROG 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 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 AT89C52 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 RSEN 信号 EA VPP 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中的指令 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 XTAL1 振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端 XTAL2 XTAL2 振荡器反相放大器的输出端 AT89C52 除了与 AT89C51 所有的定时 计数器 0 和定时 计数器 1 外 还增加了 一个定时 计数器 2 定时 计数器 2 的控制状态位位于 T2CON 见表 3 T2MOD 见 表 4 寄存器对 RCA02H RCAP2L 是定时器 2 在 16 位捕获方式或 16 位自动重装 载方式下的捕获 自动重装载寄存器 全套图纸加扣 3012250582 第 21 页 共 44 页 21 中断寄存器 中断寄存器 AT89C52 有 6 个中断源 2 个中断优先级 IE 寄存器控制各中断位 IP 寄存器中 6 个中断源的每一个可定为 2 个优先级 数据存储器 数据存储器 AT89C52 有 256 个字节的内部 RAM 80H FFH 高 128 个字节与特殊功能寄存器 SFR 地址是重叠的 也就是高 128 字节的 RAM 和特殊功能寄存器的地址是相同的 但物理上它们是分开的 当一条指令访问 7FH 以上的内部地址单元时 指令中使用的寻址方式是不同的 也即寻址方式决定是访问高 128 字节 RAM 还是访问特殊功能寄存器 如果指令是直接 寻址方式则为访问特殊功能寄存器 例如 下面的直接寻址指令访问特殊功能寄存器 0A0H 即 P2 口 地址单元 MOV 0A0H data 间接寻址指令访问高 128 字节 RAM 例如 下面的间接寻址指令中 R0 的内容为 0A0H 则访问数据字节地址为 0A0H 而不是 P2 口 0A0H MOV R0 data 堆栈操作也是间接寻址方式 所以 高 128 位数据 RAM 亦可作为堆栈区使用 全套图纸加扣 3012250582 第 22 页 共 44 页 22 3 2 LCD 显示电路设计 显示电路使用的 LCD1602 液晶显示模块 主控制电路为 HD44780 及其他兼容电 路驱动 显示电路如下图 3 3 所示 图 3 3 显示电路设计图 9012 是一种最常用的普通三极管 它是一种低电压 大电流 小信号的 PNP 型硅 三极管 形状及引脚如右图所示 集电极电流 Ic Max 500mA 集电极 基极电压 Vcbo 40V 工作温度 55 to 150 和 9013 NPN 相对 主要用途 全套图纸加扣 3012250582 第 23 页 共 44 页 23 o开关应用 o射频放大 图 3 4 9012 实物管脚图 4 位 7 段共阳数码管的引脚图 1af23b edpcg4 图 3 5 四位七段数码管实物图 其中 1234 为位选 p 为点 图 3 6 四位七段数码管管脚图 全套图纸加扣 3012250582 第 24 页 共 44 页 24 74LS244 芯片介绍 74LS244 是三态输出的八缓冲器 由 2 组 每组四路输入 输出构成 每组有一个控制端 G 由控制端的高或低电平决定该组数据被接通还是断开 74LS244 内部共有两个四位三态缓冲器 分别 以作为它们的选通工作信号 当 都为低电平时 输入端 A 和输出端 Y 状 态相同 当都为高电平时 输出成高阻态 74LS244 是不带锁存的 如果输入设备提供的 数据时间比较短 就要用带锁存的芯片进行扩展 图 3 7 74LS244 引脚图 3 3 传感器电路设计 传感器电路原理图如下图 3 8 所示 发射电路主要由转换器 ADC0832 和电位器构 成 单片机 P1 0 端口输出的 40KHz 方波信号一路经一级反向器后送到超声波能换器的 一个电极 另一路经两级反向器后送到超声波能换器的另一个电极 用这种推挽形式 将方波信号加到超声波换能器两端可以提高超声波的发射强度 输出端采用两个反向 器并联 可以提高驱动能力 上拉电阻 R20 R21 一个方面可以提高反向器 74LS04 输 出高电平的驱动能力 另一方面可以增加超声换能器的阻尼效果 以缩短其自由振荡 的时间 全套图纸加扣 3012250582 第 25 页 共 44 页 25 图 3 8 传感器电路原理图 74LS04 芯片资料 74LS04 主要电特性的典型值 Tplh 9ns Tphl 10ns Pd 12mW 引出端符号 1A 6A 输入端 1Y 6Y 输出端 逻辑图 全套图纸加扣 3012250582 第 26 页 共 44 页 26 图 3 9 双列直插封装 74LS04 极限值 电源电压 7V 输入电压 7V 工作环境温度 0 70 存储温度 65 150 表 3 4 74LS04 功能表和推荐工作条件 74LS04 最小额定最大 单位 电源电压 Vcc4 7555 25V 输入高电平电 压 Vih 2V 输入的低电平 电压 Voh 0 8V 输出高电平电 流 Ioh 400 A 输出的电平电 流 Iol 8mA 3 4 信号处理电路设计 水位探测采用的是 AD 转换芯片 0832 它是一款模数转换的专用芯片 由于经传 感器直接得到的模拟信号不能直接被单片机接收 必须进行 AD 变换 本设计采用的 是模数转换专用芯片 ADC0832 来实现 全套图纸加扣 3012250582 第 27 页 共 44 页 27 图 3 10 超声波接收电路设计图 CX20106A 芯片介绍 CX20106 CX20106A 是红外遥控接收前置放大双极型集成电路 适用于电视机等 内部电路由前置放大器 自动偏置电平控制电路 ABLC 限幅放大器 带通滤波器 峰值检波器和波形整形电路等组成 CX20106A 是 CX20106 的改进型 两者之间的主要差别在于电参数 列有不同 参见下表 3 5 技术特点 低电压供电 其典型值为 5V 低功耗 Vcc 5V 时 其典型功耗为 9mW 带通滤波器的中心频率可通过改变 5 脚和电源之间的 电阻进行调节 其调节的范围为 30 60KHz 由于未使 用电感 可不受磁场的干扰 因此抗干扰能力强 能与 PIN 发光二极管直接连接 集电极开路输出 能直接驱动 TTL 或 CMOS 电路 8 脚单列直插式塑料封装 配套使用型号为 M50462AP 图 3 11 CX20106 CX20106A 引脚排列图 全套图纸加扣 3012250582 第 28 页 共 44 页 28 图3 12 CX20106A 内电路及引脚功能 引脚排列图及功能 表 3 5 CX20106A 引脚排列图及功能 引脚号符号功能 1IN遥控信号输入端 此脚与地之间接红外接收二极管 2C1前置放大器频率特性和增益设定 此脚与地之间接 RC 串 联电路 3C2检测波电容 4GND接地 5f0设定带通滤波器的中心频率 此脚与电源间接电阻 6C3外接积分电容 7OUT遥控指令输出端 8Vcc外接电源 表 3 6 CX20106 与 CX20106A 的主要差别 CX20106ACX20106参数名称 最小典型最大最小典型最大 单位 输入电压 1 2 02 53 12 22 82 8V 输入电压 2 0 61 01 70 71 51 5V 输出电压 低电平 0 20 40 20 4V 全套图纸加扣 3012250582 第 29 页 共 44 页 29 输出漏电流02 202 A 电压增益747984757983dB 带通滤波器特性4959dB 输入阻抗274055222740K 检波能力 1 440540770460540750 s 检波能力 2 440660770460660750 s 消耗电流1 01 82 81 11 82 5mA 逻辑框图 图 3 13 CX20106A 逻辑框图 直流特性测试表与电路 表 3 7 CX20106A 直流特性测试表 引脚号电压备注 12 5V 22 5V 31 5V 4接地 51 4V 61 0V 75 0V 8电源 全套图纸加扣 3012250582 第 30 页 共 44 页 30 图 3 14 CX20106A 直流特性测试电路图 表 3 8 CX20106A 极限参数符号及参数值 Ts 25 参数名称符号参数值单位 电源电压Vcc17V 输入信号电压Vin5V 允许功耗Pd0 6W 工作环境温度Tu 25 75 贮存温度Ta 55 150 电特性测试电路 图 3 15 CX20106A 电特性测试电路图 3 5 电磁阀控制电路设计 其实电磁阀的控制电路很简单 因为电磁阀控制只需要两种信号 0 和 1 来控制继 全套图纸加扣 3012250582 第 31 页 共 44 页 31 电器 许多的报警电路都用 KD9561 作为报警的电路芯片 其电路原理图如下图 3 16 所示 图 3 16 KD9561 报警芯片功能图 而系统设计要设计要求有语音报警功能 则需要 ISD 语音芯片才能完成 考虑到 实用性和经济性 本设计的控制电路只使用蜂鸣器发出报警的声音即可 而当需要进 行拓展 发展成为商品时可以使用语音芯片 以提高它的价值性和受消费者的欢迎 使用 3 6 蜂鸣器作为报警电路很简单 只需要当测量的距离小于一定值时 在单片机的 T1 口输出频率为 1KHz 的方波 就可以实现它的报警功能 具体电路图如下图 3 17 所 示 全套图纸加扣 3012250582 第 32 页 共 44 页 32 图 3 17 报警功能电路图 图中的 PNP 三极管为 8550 它的引脚图同上述的 9012 一样 是用来放大信号以 驱动蜂鸣器发出报警声音的 3 6 本章小结 这一章主要是介绍了硬件设计电路的各个部分 以及在电路中使用到的各个芯片 的资料 简单的介绍芯片的使用 引脚功能等知识 通过这些部分知识的总结 将各 个部分的设计电路汇总起来就可以得到本次设计的电路图 见附录 而设计的整体框 图如下图 3 13 所示 而总体电路设计图如下图 3 18 全套图纸加扣 3012250582 第 33 页 共 44 页 33 图 3 19 总体设计电路图 4 系统程序的设计 水位检测的软件设计主要由主程序 信号接收中断程序 显示子程序和电磁阀控 制子程序 由于 C 语言程序有利于实现较复杂的算法 程序较为简短 汇编语言程序 则具有较高的效率并且容易精确计算程序运行的时间 例如超声波测距程序既有较复 杂的计算 计算距离时 要求要求精确计算程序运行的时间 超声波测距时间 其 实用的是汇编语言编程 综合而言 本设计主要要求对各模块的控制 所以我使用的 是 C 语言编程 4 1 水位测量的算法设计 水位传感器在某一时刻发出一个信号 这个信号输入数码转换芯片经过转化称为 数字信号 然后此信号输入单片机进行处理 最后输出到显示模块 这样 只要计算 出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间 就可以算出超声波发生器与反射 物体的距离 该距离的计算公式如右图中显示 其中 X2 X1 分别为超声波信号接收 到的时间和超声波信号发出的时间 L 为超声波发生器与反射物之间的距离 344 m 为温度是 20 超声波在空气中的传播速度 具体请参考上述表 2 2 全套图纸加扣 3012250582 第 34 页 共 44 页 34 4 2 主程序设计 主程序首先要对系统环境初始化 设置定时器 T0 工作模式为 16 位定时 计数器模 式 置位总中断允许位 EA 并对显示端口 P0 和 P2 清 0 然后调用超声波发生子程序送 出一个超声波脉冲 为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直射波触发 需要延时约 0 1ms 这也就是超声波测距会有一个最小可测距离的原因 后才打开外中 断 0 接收返回的超声波信号 由于采用的是 12MHz 的晶振 计数器每计一个数就是 1us 所以当主程序检测到接收成功的标志位后 将计数器 T0 种的树 即超声波来回 所用的时间 按公式 4 1 计算 即可得到被测物体与超声波发生器时间的距离 设 计时取 20 时的声速为 344m s 则有 L 172T 10000 4 1 其中 T 为计数器 T0 的计数值 测出距离后 结果将移十进制 BCD 码方式送往 LED 显示约 0 5s 然后再发出超声 波脉冲重复测量过程 图 4 2 所示为主程序流程图 开始 系统初始化 启动 AD 转换 读出数据 输入传感器信号 显示结果 图 4 2 主程序流程图 4 3 LCD 显示子程序和信号接收中断程序 LCD 显示子程序的作用是通过 P1 0 端口发送两个左右的脉冲信号 频率约为 40KHz 的方波 脉冲宽度为 12us 左右 同时把计数器 T0 打开进行计时 显示子程序 全套图纸加扣 3012250582 第 35 页 共 44 页 35 较简单 但要求程序运行控制准确 所以必须采用 C 语言语言编程 水位检测的主要程序利用外中断 0 检测返回超声波信号 一旦接收到返回电位器 信号 即 INT0 引脚出现低电平 立即进入信号接收中断程序 进入该中断后 就立 即关闭计时器 T0 停止计时 并将测距成功标志字赋值 1 如果当计时器溢出时还为检测到超声波返回信号 则定时器 T0 溢出中断将外中 断 0 关闭 并将测距成功标志字赋值 2 以表示本次测距不成功 具体的程序框图可参 看附录 4 4 电磁阀电路程序设计 其实电磁阀控制电路的程序设计是最简单的 只要计算出下限值时报警的计数值 就可以在程序中嵌套比较 当 T0 小于这个计数值是就发出开关的命令且继续运行到显 示程序 直至程序运行完毕 或者大于这个计数值时继续运行到显示程序 一直到程 序运行完毕 完成一次检测显示过程 4 5 本章小结 这一章主要介绍了系统的程序设计 从信号的发送 延时到接收的每一个步骤的 实现的过程和经过 到单片机接收到信号后的处理 计算当前水位的数值 在通过检 测得到的距离值比较 小于一定值时由单片机发出一个高电平 使得电磁阀动作 具 体的程序设计框图如下图 4 3 所示 图 4 3 程序框图 全套图纸加扣 3012250582 第 36 页 共 44 页 36 5 电路板的制作 5 1 原理图的绘制 本次设计的水位检测的原理是通过查阅大量的资料 在图书馆以及网上查找资料 所得到的 经过综合的分析其可行性 经济性等方面要求前提下