水位自动检测与控制系统的设计

淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 1 页 共 26 页 1 1 引引 言言 1 1 研究背景研究背景 在社会经济飞速发展的今天 水在人们生活和生产中起着越来越重要的作用 一旦断水 轻则给人民生活带来极大的不便 重则可能造成重大的生产事故及损失 因此 对水位的自动检测及控制的研究 有着极其重要的地位 任何时候都能提供 足够的水量 平稳的水压 合格的水质 是对供水系统的基本要求 就目前而言 多数工业生活供水系统 都采用水塔 层顶水箱等基本储水设备 由一级二级水泵 从地下市政水管补给 因此如何建立一个可靠安全又利于维护的给水系统是值得我 们研究的课题 现今社会 自动化装置无所不在 在控制技术需求的推动下 控制 理论本身也取得了显著的进步 水塔水位的监测和控制 再也不需要人工进行操作 实践证明 自动化操作 具有不可替代的应用价值 在工农业生产以及日常生活应用中 常常会需要对容器中的液位 水位 进行 自动控制 比如自动控制水箱 水池 水槽 锅炉等容器中的蓄水量 生活中抽水 马桶的自动补水控制 自动电热水器 电开水机的自动进水控制等 虽然各种水位 控制的技术要求不同 精度不同 但基本的控制原理都可以归纳为一般的反馈控制 方式 就是利用传感器对于信号的提供通过单片机对数码显示 电机控制 报警控 制部分的控制 1 本设计从分析水塔水位报警器的原理和设计方法入手 主要基于单片机的硬件 电路和语言程序设计 实现一种能够实现水位自动控制 具有自动保护 自动声光报 警功能的控制系统 本控制系统由 A D 转换部分 单片机控制部分 数码显示部分 电机驱动部分 电机控制部分等构成 这是个简单而灵敏的监测报警电路 操作简 单 接通电源即可工作 因为大部分电路采用数字电路 所以本水位监测报警器还 具有耗能低 准确性高的特点 该系统设计新颖 简易 灵敏度高 工作稳定 能 够自动检测与显示当前水位 高低水位报警等功能 水位自动控制电路是通过水位传感器将水位高度转换为 0 10V 的直流电压 再 经过 A D 转换后 将转换所得的数字量送入单片机进行处理来达到对水位进行自动 控制的目的 通过对电压和水位的转换关系 最终利用单片机进行精确的控制 实 现对水位高度的显示 电机和报警装置的控制 主要的工作原理是通过水位传感器将水位信号转变成电信号 在通过 A D 转换 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 2 页 共 26 页 部分位传感器的电信号进行转换处理 提供给单片机 利用单片机连接显示系统 电机系统和报警系统完成对水位的检测与控制 此项设计有利工业和生活用水的控 制 2 1 2 项目研究意义项目研究意义 单片机是计算机家族中既年轻却又十分重要的成员 虽然它的问世比第一代计 算机整整晚了 30 年 在整体功能和价格水平等方面也远不如其它类型的计算机 但无论是尖端科技 如航空 航天 军事 通信 能源 交通 IT 还是现代工业 农业 办公自动化和日用家电等诸多领域都离不开单片机 其使用率和普及率之高 远远的超过了其他类型的计算机 课堂上我们虽然也学习了关于单片机的理论知 识 但只有在实际的制作中才能让我们真正掌握单片机技术 目前应用较广泛的单片机有 51 系列单片机 AVR 单片机以及 PIC 单片机 单 片机又称单片微控制器 它不是完成某一个逻辑功能的芯片 而是把一个计算机系 统集成到一个芯片上 这种计算机是把智能赋予各种机械的单片机 顾名思义 这 种计算机的最小系统只用了一片集成电路 即可进行简单运算和控制 它体积小 在整个装置中 起着有如人类头脑的作用 单片机的诞生是计算机发展史上的一个 新的里程碑 近年来 随着单片机档次的不断提高 功能的不断完善 其应用日趋 成熟 应用领域日趋扩大 特别是工业测控 尖端武器和日用家电等领域更是因为 有了单片机而升辉增色 现在 这种单片机的使用领域已十分广泛 如智能仪表 实时工控 通讯设备 导航系统 家用电器等 各种产品一旦用上了单片机 就能 起到使产品升级换代的功效 常在产品名称前冠以形容词 智能型 3 在很长一段时间里 通用型单片机通过三总线结构扩展外围器件成为单片机应 用的主流结构 随着低价位 OTP One Tim Programmable 及各种类型片内程序存 储器的发展 加之处围接口不断进入片内 推动了单片机 单片 应用结构的发展 特别是 I2C SPI 等串行总线的引入 可以使单片机的引脚设计得更少 单片机系 统结构更加简化及规范化 通过本次设计 使我们加深了串行总线的工作原理和使 用方法 4 通过该课题的研究 温习了数模电知识 了解了多种芯片的运用 加强了使用 Protel 软件绘制电气原理图和印制版图的能力 收集资料 消化资料和综合资料的 能力 及综合利用专业及基础知识 解决实际工程技术问题的能力 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 3 页 共 26 页 本课题研究设计了一种基于单片机技术的自动控制系统 该自动控制系统通过 采用 STC89C52 单片机为工作处理器核心 外接压力传感器 能够通过对水压的大 x 小测定来得到水位的高度 并将其转化为相应的电信号输出 通过对水位的精确 测量来控制水位 19 该自动控制系统的最大特点就是使用户能够操作简单 易懂 灵活 且安装方便 智能性高 误报率低 同时它的信号经过单片机系统处理后方 便和 PC 机通信 便于多用户统一管理 随着现代人们安全意识的增强以及科学技 术的快速发展 相信这种自动控制系统必将在更广阔的领域得到更深层次的应用 5 1 3 发展方向发展方向 从消费者的角度来看 智能化自动化的仪器市场的需求已经逐渐明朗 就是以 实用为核心 力求实用 易用 人性化 自动化 虽然科技飞速发展 信息技术日新月异 但是如何将这些技术引入智能划产品 之中 如何打造出真正实用的智能划产品 这才是最值得关注的问题 如智能划产 业界所体现的两大技术趋势正是发展方向 1 领先的自动控制技术 2 不依靠 PC 的独立形态 致力于智能划产品的应用接轨 很多问题并不在于技术水平的高低 而在于怎 样去做到实用 易用 人性化 只有更加贴近实用 易用和人性化的智能划概念 才能真正提高人们的生活品质 才能真正体现智能划的价值 这也是现代科技价值 的核心所在 可以肯定 智能划将在未来的电子产业占据非常重要的地位 本课题即是从中 获得启发而确定 以实用 易用 人性化为设计标准 本课题所设计的简易水位自动检测及控制系统 非常符合现代人的日常生活所 需 有着广大的发展前景 2 设计的任务 要求和研究设想设计的任务 要求和研究设想 课题拟设计一款基于单片机而制作的智能型水位自动检测及控制系统 要求利 用 51 单片机完成水位自动检测及控制系统设计 当水位自动检测及控制系统进入 工作状态后 CPU 不断检查触发开关的状态 当水位达到最低点时 警报器发出 低水位警报一段时间 黄灯亮 电机自动开始抽水 当加水到最高水位时红灯亮 报警器报警 电机停止工作 当水位在正常水位内 电机和报警器都不工作 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 4 页 共 26 页 具体设计需要达到的要求和实现的功能如下 1 可实现自动报警 2 可实现自动加水和自动停止加水 3 可通过水位变化 实现向外界报警 本设计包括硬件和软件设计两个部分 硬件部分包括采样处理部分 单片机控 制部分 数码显示部分 电机驱动部分 电机控制部分等构成 处理器采用 52 系 列单片机 STC89C52 整个系统是在系统软件控制下工作的 基于调查本课题设计一款简单实用 经济的高塔水位检测报警控制系统 本设 计过程中主要采用了传感技术 单片机技术 光报警技术以及弱电控制强电的技术 在高塔的内部我们设计一个简易的水位探测传感器用来探测水位 即低水位 正常 水位 高水位 低水位时送给单片机一个高电平 驱动水泵加水 黄灯亮 到达正 常范围的水位时 水泵继续加水 黄灯不亮 高水位时 水泵不加水 红灯亮 通 过这样一个简单使用的电路系统从而实现对水位的自动监测与控制 3 系统设计系统设计 3 1 方案设计方案设计 方案一 如图 3 1 所示为方案一框图 本方案采用 555 电路进行控制 即当水 位探测传感器探测到低水位时送一个低于 1 3VCC 的低电平给 NE555 芯片 555 的 输出即为高电平驱动水泵加水 当在正常的水位时候 送给 NE555 为 1 3VCC 2 3VCC 的电平 即保持前一个水泵不加水的状态 当水位居于高水位时 给 NE555 电路一个高电平 这时 NE555 输出电平翻转为低电平 不能驱动水泵 水泵停止加水 555 电路 电源电路 水塔 水箱 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 5 页 共 26 页 图 3 1 方案一框图 方案二 如图 3 2 所示为方案二框图 本方案采用单片机 STC89C52 作为我们 的控制芯片 主要工作过程是当高塔中的水在低水位时 水位探测传感器送给单片 机一个高电平 然后单片机驱动水泵加水和显示系统使红灯变亮 当水位在正常范 围内时 水泵加水 绿灯亮 当水位在高水位时 单片机不能驱动水泵加水 黄灯 亮 图 3 2 方案二框图 第一种方案设计使用起来比较方便也简单 不用编程等软件方面的设计 但是 没有稳压电路 使输入 NE555 芯片的电平十分不稳定 容易发生误判水位引起混乱 的情况 且 NE555 电路只有一个输出端 不能接显示系统 所以不能完成显示功能 第二种方案中使用了单片机处理 单片机技术是信息时代用于精密测量的一种 新技术 此系统使用过程中采用稳压电路能够准确地把输入的电平送给单片机不会 产生误判的情况 由于 STC89C52 单片机有 40 端口 32 引脚能够非常方便地设计显 示系统 综上 已经清楚地看到了两种方案的优劣 要能够很好地完成本次设计的各个 指标和达到设计的目的 选择第二种方案作为本课题的设计方案 3 2 各部件的选择各部件的选择 3 2 1 传感器选择方案 传统的水位检测通过设检测点来完成对水位的检测 通常 由于受检测点物理 体积的影响 水位检测点的数目有限 从而影响了后续电路控制的精度 本设计中 采用 SY 9411L D 型变送器 它内部含有 1 个压力传感器和相应的放大电路 压力 水位传感器 A D 转换单 片 机 电机控制键盘 报警控制数码显示 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 6 页 共 26 页 传感器是美国 SM 公司生产的 555 2 型 OEM 压阻式压力传感器 其有全温度补偿 及标定 0 70 传感器经过特殊加工处理 用坚固的耐高温塑料外壳封装 其引 脚分布如图 3 3 所示 1 2 脚为信号输出 3 脚为激励电压 4 脚为接地地 图 3 3 SY 9411L D 型变送器 在水箱底部安装 1 根直径为 5mm 的软管 一端安装在水箱底部 另一端与传 感器连接 水箱水位高度发生变化时 引起软管内气压变化 然后传感器把气压转 换成电压信号 输送到 A D 转换器 3 2 2 A D 转换方案 通过对传感器的选择 可知由传感器输出的水位高度信号是 0 10V 的直流电 压 在设计中 可以通过采样 保持电路对这一信号进行处理 将模拟信号转换为 多个采样点信号 但这种处理方法由于受电路规模和采样精度的影响 不可能对水 位信号作出精确的处理 近而也无法对电机 水位高度显示和报警作出精确的控制 因此 本设计中采用集成芯片 TLC549 对 0 10V 的直流电压进行处理 可以达到 1 电路简洁 明了 2 高转换精度 3 高控制精确 3 2 3 单片机复位方案 RST VPD 复位 备用电源线 可以使单片机处于复位 即初始化 工作状态 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 7 页 共 26 页 通常 单片机的复位有自动上电复位和人工按钮复位两种 图 3 4 给出了它们的电 路 考虑到 水塔与居民生活密切相关 当因特殊原因导致单片机掉电 需单片机 立即自动复位 如 夜间短时间停电 导致本系统停止工作 故本设计采用上电 复位方式 图 3 4 复位电路 3 2 4 单片机起振方案 XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出 该反向放大器可以配置为 片内振荡器 石晶振荡和陶瓷振荡均可采用 也可以采用外部时钟源驱动器件 考 虑到设计 使用的方便 本设计中采用片内时钟驱动 即 XTAL1 和 XTAL2 只需外 接晶振 配上相应的电容 便可以给单片机提供相应的时钟频率 3 2 5 驱动显示方案 本设计中需显示水塔水位的高度 具体的显示方案有两种选择 1 利用 74LS48 驱动数码管 与单片机连接较为复杂 需占用单片机 8 个端口 且在与数码管连接时需附加上拉电阻 用以完成数码管的驱动 2 利用 LCD1602 液晶显示 a 显示质量高 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 8 页 共 26 页 由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度 恒定发光 而不像阴极射线管显示器 CRT 那样需要不断刷新新亮点 因此 液晶显示器画 质高且不会闪烁 b 数字式接口 液晶显示器都是数字式的 和单片机系统的接口更加简单可靠 操作更加方便 c 体积小 重量轻 液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的 在重量 上比相同显示面积的传统显示器要轻得多 d 功耗低 相对而言 液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动 IC 上 因而耗 电量比其它显示器要少得多 考虑到本设计中 若利用 MAX7219 驱动数码管 MAX7219 芯片价格较高 采用后大大提高成本支出将造成资源浪费 且 同时 随着 MAX7219 的使用 对 MAX7219 的编程 将提高源程序的复杂度 对编译 调试和单片机运行效率都将 造成影响 故设计中采用 LCD1602 液晶显示 3 2 6 电机选择方案 电动机有直流流 交流之分 异步电动机属于交流电机的一种 另一种交流电 机是同步电机 异步电机由于结构简单 维护方便 价格便宜 所以应用最为广泛 本设计中 采用异步三相交流电机 3 3 总体思路总体思路 水位高度的检测 利用水位传感器完成 传感器输出信号处理 传感器输出信号 有直流电压和直流电流之分 设计 中需将这一信号进行处理 以便单片机能够接收和处理 单片机控制 单片机将由前级输入的检测信号进行分析和处理 从而产生相 应的控制信号 数码显示 电机驱动和报警电路根据单片机产生的控制信号 作出相应的动 作 电机控制电路根据电机驱动电路的状态作出相应的动作 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 9 页 共 26 页 4 硬件设计硬件设计 4 1 系统系统组成组成 水位自动控制器由 7 个部分组成 即水位传感器 A D 转换 键盘 单片机 显示部分 电机控制 报警控制部分 系统框图可参考图 3 2 4 2 单元模块设计单元模块设计 4 2 1 单片机介绍 选用 STC89C52 作为控制芯片 其引脚图如图 4 1 所示 1 STC89C52 是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰 高速 低功耗单片机 指 令代码完全兼容 Intel 8051 单片机 2 STC89C52 的封装 STC89C52 的封装如图 4 2 所示 图 4 1 STC89C52 引脚图 图 4 2 STC89C52 封装图 1 STC89C52 各引脚功能及管脚电压 STC89C52 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 C51 内核 在内部功能及管脚排布上与通用的8XC51 相同 其主要用于会聚调 整时的功能控制 功能包括对会聚主IC 内部寄存器 数据 RAM 及外部接口等 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IR 的接 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0 0 AD0 39 P0 1 AD1 38 P0 2 AD2 37 P0 3 AD3 36 P0 4 AD4 35 P0 5 AD5 34 P0 6 AD6 33 P0 7 AD7 32 P1 0 T2 1 P1 1 T2EX 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P3 0 RXD 10 P3 1 TXD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 5 T1 15 P2 7 A15 28 P2 0 A8 21 P2 1 A9 22 P2 2 A10 23 P2 3 A11 24 P2 4 A12 25 P2 5 A13 26 P2 6 A14 27 U1 AT89C52 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 10 页 共 26 页 收解码及与主板 CPU 通信等 主要管脚有 XTAL1 19 脚 和 XTAL2 18 脚 为振荡器输入输出端口 外接12MHz 晶振 RST VPD 9 脚 为复位输 入端口 外接电阻电容组成的复位电路 VCC 40 脚 和 VSS 20 脚 为供 电端口 分别接 5V 电源的正负端 P0 P3 为可编程通用 I O 脚 其功能用途 由软件定义 在本设计中 P0 端口 32 39 脚 被定义为 N1 功能控制端口 分别与 N1 的相应功能管脚相连接 13 脚定义为 IR 输入端 10 脚和 11 脚定 义为 I2C 总线控制端口 分别连接 N1 的 SDAS 18 脚 和 SCLS 19 脚 端 口 12 脚 27 脚及 28 脚定义为握手信号功能端口 连接主板CPU 的相应功 能端 用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能 6 P0 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 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 STC89C52 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 Flash 编程和程序校验期间 P1 接收低 8 位地址 表 4 1 P1 0 和 P1 1 的第二功能 引脚号功能特性 P1 0T2 时钟输出 P1 1T2EX 定时 计 数器 2 P2 口 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 11 页 共 26 页 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 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 部上拉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 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 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 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 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 12 页 共 26 页 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 振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端 XTAL2 振荡器反相放大器的输出端 特殊功能寄存器在 AT89C52 片内存储器中 80H FFH 共 128 个单元为特 殊功能寄存器 SFE SFR 的地址空间映象如表 2 所示 并非所有的地址都被定义 从 80H FFH 共 128 个字节只有一部分被定义 还有相当一部分没有定义 对没有定义的 单元读写将是无效的 读出的数值将 不确定 而写入的数据也将丢失 不应将数据 1 写入未定义的单元 由于这 些单元在将来的产品中可能赋予新的功能 在这种情况下 复位后这些单 元 数值总是 0 STC89C52 除了与 STC89C51 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 的控制和状态位位于 T2CON T2MOD 寄存器对 RCAO2H 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 4 2 2 A D 转换设计 TLC549 是美国德州仪器公司生产的 8 位串行 A D 转换器芯片 可与通用微处 理器 控制器通过 CLK CS POUT 三条口线进行串行接口 具有 4MHz 片内系 统时钟和软 硬件控制电路 转换时间最长 17 s TLC549 为 40 000 次 s 总失调 误差最大为 0 5LSB 典型功耗值为 6mW 采用差分参考电压高阻输入 抗干扰 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 13 页 共 26 页 可按比例量程校准转换范围 V REF 接地 V REF VREF 1V 可用于较小 信号的采样 17 a 芯片简介 TLC549 的内部框图和引脚名称如图 4 3 所示 图 4 3 A D 转换器引脚 极限参数 TLC549 的极限参数如下 电源电压 6 5V 输入电压范围 0 3V VCC 0 3V 输出电压范围 0 3V VCC 0 3V 峰值输入电流 任一输入端 10mA 总峰值输入电流 所有输入端 30mA 工作温度 TLC549C 0 70 TLC549I 40 85 TLC549M 55 125 b 工作原理 TLC549 均有片内系统时钟 该时钟与 I O CLOCK 是独立工作的 无须特殊的 速度或相位匹配 当 CS 为高时 数据输出 POUT 端处于高阻状态 此时 I O CLOCK 不起作用 这种 CS 控制作用允许在同时使用多片 TLC549 时 共用 I O CLOCK 以减少多路 片 A D 并用时的 I O 控制端口 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 14 页 共 26 页 c 一组通常的控制时序为 1 将 CS 置低 内部电路在测得 CS 下降沿后 再等待两个内部时钟上升沿和 一个下降沿后 然后确认这一变化 最后自动将前一次转换结果的最高位 D7 位输 出到 DATA OUT 端上 2 前四个 I O CLOCK 周期的下降沿依次移出第 2 3 4 和第 5 个位 D6 D5 D4 D3 片上采样保持电路在第 4 个 I O CLOCK 下降沿开始采样模拟 输入 3 接下来的 3 个 I O CLOCK 周期的下降沿移出第 6 7 8 D2 D1 D0 个转 换位 4 最后 片上采样保持电路在第 8 个 I O CLOCK 周期的下降沿将移出第 6 7 8 D2 D1 D0 个转换位 保持功能将持续 4 个内部时钟周期 然后开始进 行 32 个内部时钟周期的 A D 转换 第 8 个 I O CLOCK 后 CS 必须为高 或 I O CLOCK 保持低电平 这种状态需要维持 36 个内部系统时钟周期以等待保持和转换 工作的完成 如果 CS 为低时 I O CLOCK 上出现一个有效干扰脉冲 则微处理器 控制器将与器件的 I O 时序失去同步 若 CS 为高时出现一次有效低电平 则将使 引脚重新初始化 从而脱离原转换过程 在 36 个内部系统时钟周期结束之前 实施步骤 1 4 可重新启动一次新的 A D 转换 与此同时 正在进行的转换终止 此时的输出是前一次的转换结果而不 是正在进行的转换结果 若要在特定的时刻采样模拟信号 应使第 8 个 I O CLOCK 时钟的下降沿与该 时刻对应 因为芯片虽在第 4 个 I O CLOCK 时钟下降沿开始采样 却在第 8 个 I O CLOCK 的下降沿开始保存 STC89C52 与 ADC 接口时三个注意事项 要给 START 线送一个 100ns 宽的启动脉冲 获取 EOC 线上的状态信息 因为它是 A D 转换结束的标志 要给 三态输出锁存器 分配一个端口地址 也就是给 OE 线上送一个地址 译码器输出信号 STC89C52 和 ADC 接口通常采用查询和中断两种方式 采用查询法传送数据时 STC89C52 应对 EOC 线查询它的状态 若查询到 EOC 变为高电平 则给 OE 线送 一个高电平 以便从 D0 D7 线上提取 A D 转换后的数字量 采用中断方式传送数 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 15 页 共 26 页 据时 EOC 线作为 CPU 的中断请求线 CPU 响应中断后 应在中断服务程序中使 OE 线变为高电平 以提取 A D 转换后的数字量 A D 转换器串行 I O 接口如图 4 4 所示 图 4 4 A D 转换器串行 I O 接口 4 2 3 起振电路设计 石英晶振起振后 应能在 XTAL2 线上输出一个 3V 左右的正弦波 以使 STC89C52 片内的 OSC 电路按石英晶振相同频率自激振荡 通常 OSC 的输出时 钟频率 FOSC 为 0 5 16MHz 典型值为 12MHz 或 11 0592MHz 电容 C1 和 C2 可 以帮助起振 典型值为 30pf 调节它们可以达到微调 FOSC 的目的 本设计中 晶 振采用 12MHz CI 和 C2 取 30pf 其连接电路如图 4 5 起振电路所示 9 图 4 5 晶振 4 2 4 显示设计 LCD1602 液晶 本设计中由于要对水位进行显示 所以选择液晶显示屏 1602 模块作为输出 1602 字符型 LCD 通常有 14 条引脚线或 16 条引脚线的 LCD 多出来的 2 条线是背 光电源线 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 1602 液晶模块内部的字符发生存储器 CGROM 已经存储了 160 个不同的点阵字符图形 这些字符有 阿拉伯数字 英 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 16 页 共 26 页 文字母的大小写 常用的符号 和日文假名等 每一个字符都有一个固定的代码 比如大写的英文字母 A 的代码是 B 41H 显示时模块把地址 41H 中的点阵字符 图形显示出来 我们就能看到字母 A 管脚功能如表 4 2 所示 18 表 4 2 LCD1602 引脚功能 引脚符号功能说明 1VSS一般接地 2VDD接电源 5V 3V0液晶显示器对比度调整端 4RSRS 为寄存器选择 5R WR W 为读写信号线 6EE 或 EN 端为使能 enable 端 下降沿使能 7DB0底 4 位三态 双向数据总线 0 位 最低位 8DB1底 4 位三态 双向数据总线 1 位 9DB2底 4 位三态 双向数据总线 2 位 10DB3底 4 位三态 双向数据总线 3 位 11DB4高 4 位三态 双向数据总线 4 位 12DB5高 4 位三态 双向数据总线 5 位 13DB6高 4 位三态 双向数据总线 6 位 14DB7高 4 位三态 双向数据总线 7 位 最高位 LCD1602 主要管脚介绍 V0 为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使用时可以通过一个 10K 的电位器调整对比度 RS 为寄存器选择端 高电平时选择数据寄存器 低电平时 选择指令寄存器 R W 为读写信号线端 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 E 为使能端 当 E 端由高电平跳变成低电平时 液晶模块执行命令 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 17 页 共 26 页 LCD1602 液晶显示电路 图4 6 LCD1602显示电路 将LCD1602的RS端和P2 0 R W端和P2 1 E端和P2 2相连 当RS 0时 对 LCD1602写入指令 当RS 1时 对LCD1602写入数据 当R W端接高电平时芯片处 于读数据状态 反之处于写数据状态 E端为使能信号端 当R W为高电平 E端也为 高电平 RS为低电平时 液晶显示屏显示需要显示的示数 图4 6为1602液晶显示 屏与单片机的硬件连接图 10 4 2 5 电机控制 图 4 7 为三相电动机单向启动控制图 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 18 页 共 26 页 三相电机的工作控制电路是三相交流电源开关 QS 熔断器 继电器 电动机 M 电源开关控制电机的电源 熔断器就是电阻丝 防止电路的意外短路造成对电 机的损坏 继电器是实现单片机对电机的智能化控制如图 4 7 所示 异步电动机接入电网的瞬间 启动电流大约是额定电流的 4 7 倍 过大的启 动电流会造成电网电压的变化过大 对于启动时间较长的电机 过大的启动电流对 电机会造成损害 所以除了小型异步电动机外 大多数异步电动机采用压降启动方 式 以减小启动电流 常见的降压启动方式有 Y 降压启动 沿边三角形降压启动 自耦变压器降压启动等 11 本设计采用 Y 降压启动 4 2 6 报警电路 报警电路蜂鸣器发声原理是电流通过电磁线圈 使电磁线圈产生磁场来驱动振 动膜发出声音 因此就需要一定的电流才能驱动它 又由于单片机 I O 引脚输出的 电流较小 单片机输出的 TTL 电平基本上驱动不了蜂鸣器 因此需要增加一个电流 放大的电路 在电路中通过一个三极管9015来放大驱动蜂鸣器 图4 4报警电路 蜂 鸣器的负极接地 蜂鸣器的正极接到三极管的发射极 E 三极管的基级 B 经过限流 电阻 R5后由单片机的 P3 5引脚控制 当 P3 5输出高电平时 三极管 T1截止 没有 电流流过线圈 蜂鸣器不发声 当 P3 5输出低电平时 三极管导通 这样蜂鸣器的 电流形成回路 发出声音 因此 我们可以通过程序控制 P3 5脚的电平来使蜂鸣器 来实现报警的功能 12 图 4 8 蜂鸣报警电路 蜂鸣器通过一个三极管来驱动 这里选用 9015 电路如图 4 8 所示 4 2 7 键盘电路 本键盘电路采用独立键设计 三个键接到单片机的三个中断源上 当按下时为 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 19 页 共 26 页 低电平 其中 K1 模式 键 K2 为 减一 键 K3 加一 键 电路如图 4 9 所 示 图 4 9 键盘电路 4 3 系统整机分析系统整机分析 整机电路图见附录 本设计是通过水位传感器对水位高度 0 10m 进行采样 量化后 输出 0 10V 的直流电压 再经过信号处理电路将这一直流模拟量转换为 8 位的并行数字量 并送入单片机进行处理 在单片机中将输入的 8 位数字量进行 量化数为 100 的量化处理 并根据这一量化将水位高度控制转化为对状态 00 99 的控制 其中状态 00 对应 0 0m 状态 01 对应 0 1m 状态 99 对应 9 9m 根据 这一对应关系 设置两个水位控制点 分别为 10 80 当状态在 00 10 时 电机工作 报警电路工作 当状态在 10 80 时 电机工作 报警电路停止工作 当状态在 80 99 时 电机停止工作 报警电路工作 根据状态 00 99 的不同 分别将 00 99 输出到液晶显示部分 根据上述状态 即可分别对液晶显示 蜂鸣器和电动机实现单片机的自动化控 制 13 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 20 页 共 26 页 5 PCB 制板制板 5 1 PCB 板图的绘制板图的绘制 在 PCB 的设计中 其实在正式布线前还有几个步骤 15 1 系统规格 2 系统功能区块图 3 将系统分割成几个 PCB 4 决定使用封装方法和各 PCB 的大小 5 绘出所有 PCB 的电路图 6 初步设计的仿真运作 7 PCB 上的布局 布线 8 布线厚电路测试 9 建立制作档案 PCB 的设计流程分 8 个步骤 16 1 PCB 设计准备 2 网表输入 3 规则设置 4 元器件布局 5 布线 6 检查 7 复查 8 设计输出 5 2 元件安装焊接及系统调试元件安装焊接及系统调试 5 2 1 元件安装 元件安装的基本要求 1 保证导通与绝缘的电气特性 2 保证机械强度 5 2 2 焊接注意的基本事项 焊接是电子产品装配中的一个重要步骤 每一个焊接点的质量都关系着整个电 子产品的质量 它要求每一个焊接点都有一定的机械强度和良好的电气性能 所以 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 21 页 共 26 页 它是保证产品质量的关键环节 要完成一个良好的焊点主要取决与以下几点 1 被焊的金属材料应具有良好的可焊性 铜的导电性能良好且易于焊接所 以通常用铜制作元器件的引脚 导线及印制电路板上的焊点 2 被焊的金属表面要保持清洁 在被焊的金属表面上一旦生成氧化物或有 污垢 就会严重阻碍焊点的形成 3 使用合适的助焊剂 助焊剂是一种带略酸性的易熔物质 它在焊接过程 中起清除被焊的金属表面上的氧化物和污垢的作用 4 焊接过程要有一定的时间和温度焊接时间一般不要超过 3 秒 时间过长 则易损坏被焊元件 但时间过短 则容易形成虚焊和假焊 焊点的质量检查标准可以从焊点外观和焊点的机械强度与电气性能等方面进行 检查 主要看焊点的光亮度 被焊接用锡量的多少 焊点的形状有无毛刺 气泡 焊点有无虚焊 有无两个焊点桥连等 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 22 页 共 26 页 结 论 本系统主要由水位检测传感器 单片机控制部分 水位显示部分 A D 转换部 分 电机驱动 电机部分 键盘设置部分组成 系统简单 安装方便 本系统的工作过程是当水位处于低水位的时候 传感器检测到水位在设定水位 以下时 有一串数字信号送入单片机的 P2 2 口 单片机经过分析 在 P1 6 口输出 一个低电平 驱动黄色发光二极管发光 同时 P2 0 口输出一个高电平 使蜂鸣器 报警 P3 1 口有一个信号使继电器闭合 使水泵转动 并向水塔加水 当水位处于 中等水位的时候 水泵继续工作 P2 0 口输出一个低电平 驱动蜂鸣器不报警 当 水位处于高水位时 在 P1 7 口输出一个低电平 驱动红色发光二极管发光 在 P2 0 口输出一个低电平 使继电器不能闭合 水泵不能自动抽水 本课题中对于继电器的驱动是通过三极管驱动的 我在后面的学习中发现假如 换用光电耦合器会更加的精准 光电耦合器具有体积小 使用寿命长 工作温度范 围宽 抗干扰性能强 无触点且输入与输出在电气上完全隔离等 通过光电耦合器 的驱动可以使得继电器的工作更加灵敏 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计