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基于 单片机 控制 自动 放水 系统 设计 说明书 开题

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编号： XXX设计(XX)任务书题 目：基于单片机控制的自动 抽放水系统设计 院 （系）： 专 业： 学生姓名： 学 号： 指导教师单位： 姓 名： 职 称： 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 20XX年11月19日一、毕业设计（论文）的内容、要求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。具体要求如下：1、了解并掌握自动抽放水系统系统的工作原理与基本功能。2、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。3、做出硬件，编写相关算法程序。二、毕业设计（论文）应完成的工作整个毕业设计学生应该完成的所有工作，包括：1、完成二万字左右的毕业设计说明书（论文）；在毕业设计说明书（论文）中必须包括详细的300-500个单词的英文摘要；2、独立完成与课题相关，不少于四万字符的指定英文资料翻译（附英文原文）；3、实现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。4、完成绘图工作量折合A0图纸1张以上，其中必须包含两张A3以上的计算机绘图图纸；三、应收集的资料及主要参考文献1 胡汉才编，单片机原理及其接口技术M，北京：清华大学出版社，1996.2 沈德金编著，MCS-51系列单片机接口电路与应用程序实例M，北京：北京航空航天大学出版社，1990.-装 - 订 - 线-3 吴正毅著. 测试技术与测试信号处理M. 北京：清华大学出版社. 1991.44 吴家安，语音编码技术及应用M，北京：机械工业出版社， 2005.5 尹明，李庚银，张建成，直驱式永磁同步风力发电机组建模及其控制策略J，电网技术，2007(15).6 戴卫力，王慧贞，严仰光，无刷直流起动/发电系统的起动控制J，南京航空航天大学学报，2007(04.7 熊信银主编，发电机及电气系统M，北京：中国电力出版社，2004.8 程道喜等编著. 传感器的信号处理及接口M. 北京：科学出版社. 1989.7.9 杨将新, 李华军, 刘东骏编著，单片机程序设计及应用从基础到实践M，北京：电子工业出版社 2001.10 Han, Jianguo, Liao, Junbi. Foundation and application of microcontrollerM. Higher Education Press,2004.四、试验、测试、试制加工所需主要仪器设备及条件计算机一台单片机硬件调试系统任务下达时间：2008年 11 月 21 日毕业设计开始与完成时间：2008年11月21日至 2009年 6 月 10 日-装 - 订 - 线-组织实施单位：教研室主任意见：签字 2008 年 11 月 19 日院领导小组意见：签字 2008 年 11 月 20 日 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 AbstractThe 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.Key words: The water level sensor; AT89C52 SCM; LED display unit; Pumping water solenoid valve 1目 录引言 .21 绪论 .31.1 课题背景和意义.31.2 论文研究内容.42 系统设计的总体方案 .42.1 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.92.2 电位器原理和工作方式.92.3 水位探测系统设计.102.4 模块方案比较.102.5 设计的总体构想.163 系统硬件电路的设计 .163.1 单片机控制系统设计（AT89C52）.163.2 LCD 显示电路设计.203.3 传感器电路设计.223.4 信号处理电路设计.243.5 电磁阀控制电路设计.283.6 本章小结.294 系统程序的设计 .304.1 水位测量的算法设计.304.2 主程序设计.314.3 LCD 显示子程序和信号接收中断程序.314.4 电磁阀电路程序设计.324.5 本章小结.325 电路板的制作 .335.1 原理图的绘制.335.2 元件的选用和电路板的焊制.335.3 本章小结.34 26 调适与性能分析 .346.1 调适.346.2 性能指标.34 结论 .34谢辞 .36参考文献 .37附 录 .38 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。 41 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 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 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 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 Al2O3 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 1mm 时，输出电压变化为 200mV，则其灵敏度应表示为 200mV/mm。 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、MEMS(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 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P0P0 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。P1P1 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 3-2P1.0 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）P2P2 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， 19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MOVXDPTR 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 MOVXRI 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。P3P3 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P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2INT0（外中断 0）P3.3INT1（外中断 1）P3.4T0（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 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。RSTRST：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/PROGALE/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。PSENPSEN：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。 20EA/VPPEA/VPP：外部访问允许。欲使 CPU 仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），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。XTAL1XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。XTAL2XTAL2：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。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： 21AT89C52 有 256 个字节的内部 RAM，80HFFH 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。MOV0A0H，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）。MOVR0，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。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 229012 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： 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1af23bedpcg4图 3-5 四位七段数码管实物图 其中 1234 为位选，p 为点。 23图 3-6 四位七段数码管管脚图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 24的时间。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： 1A6A 输入端 1Y6Y 输出端逻辑图：图 3-9 双列直插封装 2574LS04 极限值电源电压7V输入电压7V工作环境温度070存储温度-65150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 Vih2V输入的低电平电压 Voh0.8V输出高电平电流 Ioh-400A输出的电平电流 Iol8mA3.4 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。 26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 3060KHz。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 引脚排列图图3-12 CX20106A 内电路及引脚功能 27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输出漏电流02.202A电压增益747984757983dB带通滤波器特性4959dB输入阻抗274055222740K检波能力（1）440540770460540750s检波能力（2）440660770460660750s消耗电流1.01.82.81.11.82.5mA逻辑框图图 3-13 CX20106A 逻辑框图 28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12.5V22.5V31.5V4接地51.4V61.0V75.0V8电源图 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 29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 30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：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。 31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。 324.2 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。 33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 345 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做出的电路原理图。而在有可靠的电路原理图之后，我需要再做的就是将电路原理图变成一个硬件，使其实现预定的功能。如果使用的是万能板，则不需要绘制电路图，只要根据原理图的元器件在万能板上摆放好，用导线将其焊接起来即可。人们一般都使用腐蚀板，这样我们就首先的步骤就是在 PROTEL 中绘制电路原理图。在我设计的电路图中的元器件，在PROTEL 的标准元件库里基本上都有，但是四位七段的共阳数码管在标准库里没有找到，所以在绘制电路图时就需要自己画一个数码管，同时也要做一个它的封装图，做好了这个基本上就可以了画出完整的电路原理图了。首先我们先要在元器件库中调入各个元器件，将各个模块的元器件放在一起，然后用线将其连接起来其可完成原理图的基本绘制。但是由于此次设计的电路较为简单，我使用的是万能板制作的硬件。5.2 元件的选用和电路板的焊制首先要确认我们前面画的电路原理图的正确性，确定每个元器件的连线都连接上，所以在制作电路板之前我们要对每个元器件进行封装，封装库没有的元器件要自己做一个，比如前面讲到的四位七段数码管的封装。在对每个元器件封装的同时定义每个元器件的编号，编号要一一对应，不能有重复。电阻： AXIAL0.3-AXIAL0.7 其中 0.4-0.7 指电阻的长度，一般用 AXIAL0.4 瓷片电容：RAD0.1-RAD0.3。 其中 0.1-0.3 指电容大小，一般用 RAD0.1 电解电容：RB.1/.2-RB.4/.8 其中.1/.2-.4/.8 指电容大小。一般470uF 用 RB.3/.6 二极管： DIODE0.4-DIODE0.7 其中 0.4-0.7 指二极管长短，一般用 DIODE0.4 集成块： DIP8-DIP40, 其中 840 指有多少脚，8 脚的就是 DIP8 贴片电阻 石英晶体振荡器 XTAL1 三极管 TO 单排多针插座 SIP 双列直插元件 DIP 等等然后是进行元器件的电气检测，检测没有错误的话会显示没有错误，如果错误，连线没有连上等等都会在原理图中只指示出来。然后就是生成网络报表，显示所有的元器件的封装号，编号等。然后需要对其进行布线，设计焊盘的大小，导线的粗细，各个元器件实际放的位置，布线是一件很麻烦的事情，要尽量没有交叉，不限还要美 35观等等，这个工作长的话需要两三天到一个星期的时间，熟悉的话半天一天就可以完成。像我以前没有接触太多，所以布线起来比较困难，需要较多时间，但从中也学到了不少东西。完成了布线后，按照各自位置在板子上放上元器件使用电烙铁元器件焊牢就可以，这个工作比较简单，以前做课程设计时做的比较熟，所以还是很容易就完成了。5.3 本章小结这一章主要介绍了硬件电路板的制作过程，板子做得漂亮与否也会影响最后的成绩，所以还是要很认真地对待，尽量的板子做得漂亮一些，也为后面的调试板子，程序做一个好多的准备。6 调适与性能分析6.1 调适水位自动检测，即电位器电路的制作和调适相对来说，都不较简单，其中超声波发射和接收采用的都是 16 的超声波换能器 TCT-10F1（T 发射）和 TCT40-10S1（R接收） ，中心频率为 40KHz，安装时需要注意的是一定要保持两换能器中心轴线平行并且相距 48cm，其余元器件没有特殊要求。如果将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，则可以提高抗干扰性能。根据测量范围的要求不同，可以适当的调整与接收换能器并接的滤波电容 C1 的大小，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力，这就完成了设计要求中具有手动调节的功能。其中 C1 使用的可变电容（590pF） 。硬件电路制作完成并调整好后，便可将程序编译好下载到单片机试运行。根据实际情况，可以改变超声波发生子程序每次发送的脉冲个数和两次测量的间隔时间，以适应不同距离的测量要求。6.2 性能指标根据上述电路参数和程序，可测量的水位范围是 10cm。测试中，测距的最大误差不超过 0.1cm，重复性较好。 结论毕业设计完成的主要任务是单片机控制系统的设计、传感器检测报警系统的设计两大块内容。通过单片机来处理传感器的信号来检测水位，同时控制电磁阀对谁为加以控制，并由 LED 数码管将水位结果显示出来。总结整个毕业设计的制作完成过程，心里有颇多体会和得到以下结论： 36（1）对整个测距系统进行了全面的分析，综合比较多种水位检测方法而选择了电位器作为传感器。（2）对电位器水位测量和干簧管水位测量的比较分析，得出电位器一般用于小范围的精确测量，而干簧管主要用于大范围粗略测量。（3）将测距系统分成几个模块，每单个模块进行比较设计，编程时也是单个模块先进行编程，然后串联起来，以实现这次毕业设计的要求。（4）对各个模块所使用的芯片元器件进行了较深的了解，知道每个芯片的功能。（5）绘制原理图时还学会了使用其他的软件进行电路的仿真，比如 EWB。（6）设计时更熟练的使用了 PROTEL 软件，这是一个很有实用性的软件，这对我们以后出去工作有较大的帮助。本次设计不仅提高了自己自主学习的能力，而且对自己查阅资料分析有用信息的的能力也是一个很好的锻炼机会，动手能力也得到了提高。虽然本次设计能够基本完成设计的任务，但由于本人的知识能力有限，再加上经