基于單片機的水位控制系統設計

1、<p><b>　　畢業(yè)設計（論文）</b></p><p>　　題 目 基于單片機的水位控制系統的設計</p><p>　　系 別 </p><p>　　專 業(yè) </p><p>　　班 級 </p&

2、gt;<p>　　學生姓名 </p><p>　　學 號 </p><p>　　指導教師 </p><p>　　2013年 4 月</p><p>　　基于單片機的水位控制系統的設計</p><p><b>

3、　　摘 要</b></p><p>　　液位測量廣泛應用于工業(yè)、經濟、生活等領域。本設計以水箱供水為模型，用于對水箱液位信號進行測量監(jiān)控記錄。</p><p>　　基于單片機的液位測量裝置具有測量準確、重復性好、功耗低、使用壽命長的特點，是廣泛采用的技術。在深入學習科學發(fā)展觀的同時，電子設備的設計也需融入可持續(xù)發(fā)展的設計理念。故此，在基于單片機的液位測量裝置基礎上，擴展實

4、時監(jiān)控、數據采集、計算機串行通信等功能，從而能夠通過科學的方法將液位測量與統計科學結合，合理調度水資源，降低能源消耗。</p><p>　　本文從系統方案選擇與論證，硬件電路設計，系統軟件與上位機軟件設計等幾個方面介紹了基于單片機的液位測量監(jiān)控系統的設計過程，最終實現了液位的實時測量與監(jiān)控。最后，本文總結了設計過程中出現的問題及解決方法，簡要敘述了所獲數據的處理方法，引出了進一步設計開發(fā)的思路。</p>

5、;<p>　　關鍵詞：單片機；液位測量；實時監(jiān)控；串口通信</p><p>　　The Design of Liquid Level Control System Based on MCU</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The liquid level measurement is wi

6、dely 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. </p><

7、;p>　　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 Scie

8、ntific 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

9、 monitoring, data acquisition, serial communication. Through the new</p><p>　　This thesis introduces the design process of the liquid level control system by several parts as system schema, the design of har

10、dware 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, des

11、cribes briefly the method of data processing, and leads to ideas of the further design and development.</p><p>　　Keywords：MCU；Liquid Level Measurement；Real-time monitoring；Serial Communication</p><

12、;p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　引言1</b></p><p><b>　　第1章 緒論2</b></p><p>　　1.1 課題背景與研究意義2</p><p>　　1.2 國內外研究現狀及發(fā)展2</p>

13、<p>　　1.3 本課題主要研究內容3</p><p>　　第2章 系統總體方案4</p><p>　　2.1 系統設計要求4</p><p>　　2.2 系統框圖4</p><p>　　2.3 硬件設計方案4</p><p>　　2.3.1 主控模塊設計方案5</p>

14、<p>　　2.3.2 鍵盤模塊設計方案5</p><p>　　2.3.3 顯示模塊設計方案6</p><p>　　2.3.4 數據存儲模塊設計方案6</p><p>　　2.3.5 時間模塊設計方案7</p><p>　　2.3.6 A/D轉換模塊設計方案8</p><p>　　2.

15、3.7 通信模塊設計方案9</p><p>　　2.3.8 電機控制模塊設計方案10</p><p>　　第3章 硬件電路設計11</p><p>　　3.1 AT89S52硬件設計11</p><p>　　3.2 按鍵設計13</p><p>　　3.3 顯示單元硬件設計14</p>

16、;<p>　　3.4 存儲單元硬件設計15</p><p>　　3.5 時間單元硬件設計17</p><p>　　3.6 A/D轉換單元硬件設計18</p><p>　　3.7 通信單元硬件設計19</p><p>　　3.8 其他外圍電路的設計20</p><p>　　第4章 系統

17、軟件設計22</p><p>　　4.1 系統軟件22</p><p>　　4.1.1 系統軟件編譯開發(fā)環(huán)境22</p><p>　　4.1.2 系統主程序流程圖22</p><p>　　4.1.3 系統初始化22</p><p>　　4.1.4 顯示與A/D轉換的數據處理24</p>

18、<p>　　4.1.5 按鍵部分軟件設計25</p><p>　　4.1.6 顯示模塊的軟件設計26</p><p>　　4.1.7 A/D轉換模塊軟件設計26</p><p>　　4.1.8 電機控制模塊軟件設計26</p><p>　　4.1.9 通信協議及通信模塊軟件設計27</p>&l

19、t;p>　　4.1.10 時間模塊軟件設計29</p><p>　　4.2 上位機軟件設計30</p><p>　　4.2.1 上位機軟件開發(fā)編譯環(huán)境30</p><p>　　4.2.2 上位機軟件的界面設計31</p><p>　　4.2.3 上位機串口通信功能的實現32</p><p>　

20、　4.2.4 上位機軟件中的數據處理34</p><p><b>　　結論與展望35</b></p><p><b>　　致謝37</b></p><p><b>　　參考文獻38</b></p><p>　　附錄A 系統電路原理圖39</p>&l

21、t;p>　　附錄B 系統軟件源代碼42</p><p><b>　　插圖清單</b></p><p>　　圖2-1 系統總體框圖……………………………………………………………………… 1</p><p>　　圖3-1 AT89S52引腳及網絡標號………………………………………………………… 11</p><p&

22、gt;　　圖3-2 復位電路及時鐘電路………………………………………………………………13</p><p>　　圖3-3 系統按鍵電路………………………………………………………………………14</p><p>　　圖3-4 74LS273及74LS47引腳圖 ……………………………………………………… 14</p><p>　　圖3-5 顯示部分電路圖………

23、……………………………………………………………15</p><p>　　圖3-6 62256引腳圖……………………………………………………………………… 16</p><p>　　圖3-7 存儲的單元電路……………………………………………………………………16</p><p>　　圖3-8 DS1302引腳圖……………………………………………………………………

24、…17</p><p>　　圖3-9 時間單元電路………………………………………………………………………17</p><p>　　圖3-10 ADC0804引腳圖……………………………………………………………………18</p><p>　　圖3-11 A/D轉換單元電路圖………………………………………………………………19</p><p&g

25、t;　　圖3-12 MAX485引腳圖…………………………………………………………………… 19</p><p>　　圖3-13 串行通信模塊電路圖…………………………………………………………… 20</p><p>　　圖3-14 繼電器部分電路圖……………………………………………………………… 20</p><p>　　圖3-15 電源指示燈電路圖………

26、……………………………………………………… 21</p><p>　　圖4-1 主程序流程圖………………………………………………………………………23</p><p>　　圖4-2 鍵盤程序流程圖……………………………………………………………………25</p><p>　　圖4-3 液位檢測流程圖……………………………………………………………………27<

27、/p><p>　　圖4-4 通信檢測流程圖……………………………………………………………………28</p><p>　　圖4-5 上位機軟件界面效果圖……………………………………………………………33</p><p>　　圖4-6 水箱液位控制結構圖………………………………………………………………33</p><p>　　圖5-1 Mat

28、lab繪制圖形……………………………………………………………………36</p><p><b>　　表格清單</b></p><p>　　表3-1 端口引腳第二功能…………………………………………………………………12</p><p>　　表4-1 初始化參數及含義…………………………………………………………………22</p>

29、<p>　　表4-2 A/D轉換幅值數據關系對照表…………………………………………………… 24</p><p>　　表4-3 通信協議……………………………………………………………………………28</p><p>　　表4-4 RS狀態(tài)標志及含義 ……………………………………………………………… 29</p><p>　　表4-5 界面功能描述

30、………………………………………………………………………31</p><p><b>　　引 言</b></p><p>　　上世紀40年代，電子計算機的誕生，標志著人類電子技術進入了一個新的階段。1976年單片機的推出為電子電路設計提供了新的思路，也促進了模擬電路向數字電路發(fā)展的歷程。它在一片芯片上集成了完整的計算機系統。從它的發(fā)展來看，低功耗CMOS化、微型單片化

31、、主流與多品種共存的發(fā)展趨勢更進一步促使了單片機在各個行業(yè)的應用。這些應用，很大一方面體現在工業(yè)控制中。在工業(yè)上，使用單片機可以構成形式多樣的控制系統和數據采集系統。</p><p>　　單片機應用發(fā)展迅速而廣泛。在過程控制中，單片機既可作為主計算機，又可作為分布式計算機控制系統中的前端機，完成模擬量的采集和開關量的輸入、處理和控制計算，然后輸出控制信號。單片機廣泛用于儀器儀表中，與不同類型的傳感器相結合，實現諸

32、如電壓、功率、頻率、濕度、流量、速度、厚度、壓力、溫度等物理量的測量；在家用電器設備中，單片機已廣泛用于電視機、錄音機、電冰箱、電飯鍋、微波爐、洗衣、高級電子玩具、家用防盜報警等各種家電設備中。在計算機網絡和通信、醫(yī)用設備、工商、金融、科研、教育、國防、航空航天等領域都有著十分廣泛的應用。</p><p>　　工程應用中液位的測量常用方法主要有超聲波、激光紅外測距、機械浮子、壓力傳感器測距等幾種。這些測量方式對一

33、般液位的測量來說各有各的優(yōu)點，可根據不同的應用場合和要求進行選擇。比如，常見的液位控制系統多采用浮標、電極等，這種控制形式結構簡單成本低廉，但是控制精度不高，不能進行數值顯示；另外容易引起誤操作，與上位機進行信息交互比較困難。</p><p>　　隨著科技的發(fā)展，液位測量技術趨于智能化、微型化、可視化。本設計思想是用單片機做下位機，PC機做上位機，單片機和PC機相結合對水箱液位進行測量和監(jiān)控。該設計要求具有一定的

34、智能化，可操作性和穩(wěn)定性好。</p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p><b>　　課題背景與研究意義</b></p><p>　　在工農業(yè)生產中，常常需要測量液體液位。隨著國家工業(yè)的迅速發(fā)展，液位測量技術被廣泛應用到石油、化工、醫(yī)藥、食品等各行各業(yè)中。低溫液體（液氧、液氮、液氬、液化天然氣及液體

35、二氧化碳等）得到廣泛的應用，作為貯存低溫液體的容器要保證能承受其載荷；在發(fā)電廠、煉鋼廠中，保持正常的鍋爐汽包水位、除氧器水位、汽輪機凝氣器水位、高、低壓加熱器水位等，是設備安全運行的保證；在教學與科學研究中，也經常碰到需要進行液位控制的實驗裝置。</p><p>　　國內外研究現狀及發(fā)展</p><p>　　液位測量的方法比較多，依據測量方式的不同可分為接觸式與非接觸式兩種類型。</

36、p><p><b>　　●接觸式測量法</b></p><p>　　接觸式測量法是指測量用傳感器直接與容器內存儲液體相接觸，從而獲得測量參數的方法。</p><p><b>　　1.人工檢尺法</b></p><p>　　人工檢尺法可用于測量油罐液位，其歷史十分悠久。它利用浸入式刻度鋼皮尺測量液位，這種

37、方法具有測量簡單、可靠性高、直觀、成本低的優(yōu)點，但人為讀數誤差大、無法實現自動檢測和操作。</p><p><b>　　2.電參數測量法</b></p><p>　　常見的有電阻法、光電法、測重法、電容法、浮標法及聲光電的反射回波法等。無論怎樣，這些方法的關鍵是利用液位傳感器將液位的相對位移量轉換成為電壓、電流、阻抗等便于進行電處理的物理量。限于篇幅，下面僅簡單介紹電

38、容測量法的基本原理。</p><p>　　本方法所使用的電容通常由兩塊圓柱形極板或一個探極與罐壁構成。當液位不同時，電容器的介電常數就不同，故電容量也不同。在此基礎上可以把電容量轉化為電壓、相移、頻率、脈寬等物理量，再進行測量。</p><p>　　電容式液位測量裝置通常結構簡單、靈敏度高、穩(wěn)定性好、動態(tài)響應快，適合于惡劣的工作環(huán)境，生產成本也不高；但電容液位測量器需要考慮溫度補償，且介質

39、的成分、水分、溫度、密度等不確定變化因素直接影響測量結果的準確性，另外檢測電路比較復雜，尤其是檢測微小電容量的變化。</p><p><b>　　●非接觸式測量法</b></p><p>　　非接觸式測量法包括超聲波法、調制型光學法、微波法等。其特點是測量手段并不采用浮子之類的固態(tài)物，而是利用聲、光、射線、磁場等的能量。液位傳感器不和被測介質接觸，不受被測介質影響，也

40、不影響被測介質，故適用范圍廣泛。特別是接觸式測量裝置不能適用的特殊場合，如高粘度、強腐蝕性、污染性強，易結晶的介質。下面簡單介紹超聲波法和微波法的測量原理。</p><p>　　超聲波法：換能裝置將電功率脈沖轉換為超聲波，射向液面，經液面反射后再由換能器將該超聲波轉換為電信號，超聲波法可用于多液面的測量。</p><p>　　超聲波是機械波，傳播衰減小，界面反射信號強，且發(fā)射和接收電路簡單

41、，因而應用較為廣泛；但超聲波的傳播速度受介質的密度、濃度、溫度、壓力等因素影響，其測量精度往往較低。</p><p>　　微波法：微波通過天線輻射出去，經液面反射后被天線接收，然后由二次電路計算發(fā)射信號與接收信號的時間差得出液位。</p><p>　　微波速度受傳播介質、溫度、壓力、液體介電常數的影響很小，但液體界面的波動、液體表面的泡沫、液體介質的介電常數對微波反射信號強弱有很大影響。當

42、壓力超過規(guī)定數值時，壓力對液位測量精度將產生顯著影響。對波導管的銹蝕、彎曲和傾斜都會影響測量精度。</p><p><b>　　●光纖測量法</b></p><p>　　光纖液位檢測是近年來出現的一種新技術。根據光導纖維中光在不同介質中傳輸特性的改變對液位進行測量。</p><p>　　光纖液位測量有以下優(yōu)點：精度高、靈敏度好、抗電磁干擾、耐腐

43、蝕、電絕緣性好、檢測現場無電、光路有抗擾性以及便于與計算機連接，便于與光纖傳輸系統組成網絡等。</p><p>　　目前，市面上進行液位測量的儀表種類繁多，但是同時具有測量、監(jiān)控、數據記錄及處理的液位測量裝置并不多。在某些工業(yè)控制系統中，數據的測量這一基本功能已不能滿足現代工業(yè)的要求，往往需要對大批數據進行記錄，對其進行后期處理分析，實現差錯控制、工藝改善、資源優(yōu)化等一系列工作。為了獲得大批量的數據，得到可靠的分

44、析資料，往往需要長期、多網點的監(jiān)控記錄。在液位測量這一領域中，如江河湖海、城市用水等方面，大量數據長時間，多網點的采集記錄分析具有普遍的意義。液位的變化分析，有助于人們進一步對自然環(huán)境、天氣變化甚至是災害預警提供可靠的支持。</p><p><b>　　本課題主要研究內容</b></p><p>　　本設計以水箱供水為模型，鑒于單片機液位測量裝置的測量準確、重復性能好

45、、功耗低、使用壽命長等特點，設計以單片機為基礎的液位測量監(jiān)控記錄系統。具有實時液位測量監(jiān)控數據處理等功能。</p><p>　　設計具體內容分為以下幾個方面：</p><p>　　系統硬件電路設計以及單片機選型；</p><p><b>　　系統軟件設計；</b></p><p>　　上位機軟件設計以及上位機與下位機通信

46、設計。</p><p>　　第2章 系統總體方案</p><p>　　2.1 系統設計要求</p><p>　　本設計以水箱供水為模型，鑒于單片機液位測量裝置的測量準確、重復性能好、功耗低、使用壽命長等特點，設計以單片機為基礎的液位測量監(jiān)控記錄系統。它具有實時測量監(jiān)控水箱液位高度并顯示的功能，并根據實時水量與設置的上、下液位參數的比較，啟動電機供水或停止水泵。在

47、啟動電機與停止水泵時，實時記錄時間點與電機狀態(tài)。液位測量高度≤5米，測量精度10%，AC220V供電。</p><p>　　可通過上位機軟件，可與監(jiān)控記錄系統進行通信，能夠從PC機獲取當前液位高度、電機狀態(tài)、設備系統時間、上下液位高度等數據，并可根據需要改變系統默認的參數。同時可以獲取設備運行時記錄的數據，并能夠對數據保存。能夠根據一定的算法，計算分析單位時間水箱消耗水量，繪制圖形，通過計算分析的結果，可以進行區(qū)

48、域用水統籌，降低能源的消耗。</p><p><b>　　2.2 系統框圖</b></p><p>　　根據系統的設計要求，采用單片機為主控芯片，通過單片機數據地址總線及I/O端口，擴展數據存儲模塊、A/D轉換模塊、顯示模塊、時間模塊、串口通信模塊以及A/D轉換、電機控制等外圍電路，從而實現系統所需的設計功能。系統總體方案框圖如圖2-1：</p>&l

49、t;p>　　圖2-1 系統總體框圖</p><p>　　圖中，信號流向僅指示了通過數據地址總線或I/O口上發(fā)生的數據信號，不包括控制信號。</p><p>　　2.3 硬件設計方案</p><p>　　2.3.1 主控模塊設計方案</p><p>　　單片機作為主控模塊，使得在對單片機選型上有了較大的空間。單片機在30多年的發(fā)展歷程

50、中，形成了多公司、多系列、多型號“百家爭鳴”的局面。因而，選擇一個合適的單片機有時真的不太容易，要考慮的方面太多。大致總結出以下幾點：</p><p>　　1) 單片機的基本參數。例如速度、程序存儲器容量、I/O引腳數量等。</p><p>　　2) 單片機的增強功能。例如看門狗、雙指針、雙串口、RTC（實時時鐘）、EEPROM、擴展RAM、CAN接口、I2C接口、SPI接口、USB接口。

51、</p><p>　　3) Flash和OTP（一次性可編程）。</p><p>　　4) 封裝：DIP（雙列直插）,PLCC（PLCC有對應插座）還是貼片。</p><p>　　5) 工作溫度范圍，工業(yè)級還是商業(yè)機。</p><p><b>　　6) 功耗。</b></p><p>　　7)

52、工作電壓范圍。例如設計電視機遙控器，2節(jié)干電池供電,至少應該能在1.8~3.6V電壓范圍內工作。</p><p>　　8) 供貨渠道暢通。</p><p><b>　　9) 價格。</b></p><p>　　10) 燒錄器價格，能否ISP（在線系統編程）。</p><p><b>　　11) 仿真器。<

53、/b></p><p>　　12) 單片機匯編語言支持。</p><p>　　13) 資料盡量豐富。</p><p>　　14) 抗干擾性能好。</p><p>　　15) 和其他外設芯片放在一起的綜合考慮。</p><p>　　根據以上因素：系統的實時性要求不高，因而運算速度無需很快，且系統規(guī)模不大，采用分時復

54、用的方式使用總線，對I/O口的數量可以要求進一步降低。使用4路8位I/O接口即可滿足設計要求；系統中需要擴展外部存儲器對數據進行存儲，數據存儲量為32KB已滿足要求，因此采用16位或準16位地址總線的單片機即可滿足設計需要；由于是實驗階段，采用DIP（雙列直插）封裝的芯片便于實驗，暫不考慮實際工業(yè)控制中的對外界環(huán)境的具體要求；系統采用AC220V供電，且對功耗沒有具體要求，使用DC5V為芯片供電，便于系統外圍電路的設計；芯片支持ISP可

55、節(jié)省仿真器的投入。</p><p>　　綜上所述，采用與MCS-51兼容的AT89S52單片機滿足設計要求。</p><p>　　AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS工藝的8位微控制器，具有8K在線系統可編程Flash存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業(yè)80C51產品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統可編程，亦適于常規(guī)編程器，使得AT89

56、S52為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超有效的解決方案。</p><p>　　AT89S52具有以下標準功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，2個數據指針，三個16位定時器/計數器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及時鐘電路。另外，AT89S52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數器、串口

57、、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。</p><p>　　2.3.2 鍵盤模塊設計方案</p><p>　　鍵盤在單片機應用系統中是一個很關鍵的部件，它能實現向單片機輸入數據、發(fā)送命令等功能，是人工干預單片機系統的主要手段?？紤]到本設計實際需要的按鍵較少，故采用獨立式鍵盤接口電路即可。</p>&

58、lt;p>　　2.3.3 顯示模塊設計方案</p><p>　　顯示器是計算機的主要輸出設備，在簡單的工業(yè)控制系統中，常用的顯示器有數碼管顯示器（LED），液晶顯示器（LCD）等，該系統僅需顯示液位高度，即數字量，采用LED顯示器已能滿足系統要求。</p><p>　　系統中，要求測量范圍≤5m，測量精度為10%，假設測量范圍為5m，在10%精度的要求下，其測量的有效值為5*10%

59、=0.5m。因而采用2位LED顯示器便能滿足設計要求。</p><p>　　在單片機應用系統中，LED顯示器的現實方法有兩種：靜態(tài)顯示法和動態(tài)顯示法。靜態(tài)顯示法的優(yōu)點是顯示程序十分簡單，顯示亮度大，由于CPU不必經常掃描顯示器，所以節(jié)約了CPU的工作時間。但靜態(tài)顯示也有其缺點，主要是占用I/O口資源較多，硬件成本較高。所以靜態(tài)顯示法常用在顯示器數目較少的應用系統中。為了解決靜態(tài)顯示占用I/O口資源的缺點，在軟件上

60、采用壓縮BCD碼輸出顯示數據，硬件上使用一個8位鎖存器74LS273與兩個BCD數碼顯示譯碼驅動芯片74LS47連接，減少對系統資源的占用時間。由于74LS47譯碼為共陽極數碼管的碼表，因而選用8段（帶小數點）共陽極LED用于數據顯示。高位顯示米單位，低位顯示分米單位，且高位小數點常亮。單片機使用1位I/O口控制數據的鎖存。</p><p>　　2.3.4 數據存儲模塊設計方案</p><p

61、>　　使用AT89S52內部256字節(jié)的數據存儲器記錄數據是遠遠不夠的，因而需要擴展數據存儲器進行數據存儲。</p><p>　　數據存儲器可選擇的種類繁多，常用的有隨機存取存儲器（RAM）、只讀存儲器（ROM）與閃存（FLASH）。</p><p>　　RAM是存儲單元的內容可按需隨意取出或存入，且存取的速度與存儲單元的位置無關的存儲器。這種存儲器在斷電時將丟失其存儲內容，故主要用

62、于存儲短時間使用的程序。</p><p>　　ROM通常指固化存儲器（一次寫入，反復讀取），它的特點與RAM相反。ROM又分一次性固化、光擦除和電擦除重寫兩種類型。</p><p>　　閃存則是一種不揮發(fā)性（Non-Volatile）內存，在沒有電流供應的條件下也能夠長久地保持數據，其存儲特性相當于硬盤，這項特性正是閃存得以成為各類便攜型數字設備的存儲介質的基礎。</p>&

63、lt;p>　　NOR和NAND是現在市場上兩種主要的非易失閃存技術。</p><p>　　NAND閃存的存儲單元則采用串行結構，存儲單元的讀寫是以頁和塊為單位來進行（一頁包含若干字節(jié)，若干頁則組成儲存塊，NAND的存儲塊大小為8到32KB），這種結構最大的優(yōu)點在于容量可以做得很大，超過512MB容量的NAND產品相當普遍， NAND閃存的成本較低，有利于大規(guī)模普及。</p><p>

64、　　NAND閃存的缺點在于讀速度較慢，它的I/O端口只有8個，比NOR要少多了。這區(qū)區(qū)8個I/O端口只能以信號輪流傳送的方式完成數據的傳送，速度要比NOR閃存的并行傳輸模式慢得多。再加上NAND閃存的邏輯為電子盤模塊結構，內部不存在專門的存儲控制器，一旦出現數據壞塊將無法修，可靠性較NOR閃存要差。</p><p>　　NOR的特點是芯片內執(zhí)行(XIP, eXecute In Place)，這樣應用程序可以直接在

65、flash閃存內運行，不必再把代碼讀到系統RAM中。NOR的傳輸效率很高，在1～4MB的小容量時具有很高的成本效益，但是很低的寫入和擦除速度大大影響了它的性能。</p><p>　　NAND結構能提供極高的單元密度，可以達到高存儲密度，并且寫入和擦除的速度也很快。應用NAND的困難在于FLASH的管理和需要特殊的。</p><p>　　可以看出ROM的存儲復雜，不適宜實時系統的數據存儲。&

66、lt;/p><p>　　FLASH是一個不錯的解決方案。鑒于系統的復雜程度，暫時不考慮使用FLASH作為存儲單元。</p><p>　　根據設計要求，記錄某一記錄點（電機狀態(tài)改變時刻）的狀態(tài)與時間需要6字節(jié)數據，即年（2000-2099年）、月（1-12月）、日（1-31日）、時（0-23時）、分（0-59分）、狀態(tài)（0或1）這些數據，如果系統長時間的工作，將會有大批量的數據產生，假若數據存儲

67、空間不夠大，將會產生數據的覆蓋，從而降低了對數據分析的準確性。因此選用32K字節(jié)的數據存儲器，可以記錄大于5000項記錄點數據，考慮到水箱上水與耗水的頻繁程度不高，5000項數據已基本滿足后期數據處理的需求。在實際應用中，系統設計在不掉電的工作環(huán)境下；軟件上，上位機軟件對數據提取后即可保存在PC機中，5000項數據進行時間上的緩沖是充足的。為節(jié)省CPU的工作時間，且由于RAM存儲速度快、使用方便等特點，從而可以忽略了RAM掉電數據丟失的

68、缺點。</p><p>　　2.3.5 時間模塊設計方案</p><p>　　通過單片機的定時器，可以設計時間功能，然而單片機自身的產生時間數據大大占用了系統的資源，降低了工作效率，甚至影響了其他功能的實現，因此在本設計方案中，采用了外部芯片提供時間信號，用以系統記錄時間信息。</p><p>　　目前市場上的時鐘芯片很多，如DS1302/DS1307/HT138

69、0/HT1381/PCF8563等。</p><p>　　DS1302是DALLAS公司推出的涓流充電時鐘芯片，內含有一個實時時鐘/日歷和31字節(jié)靜態(tài)RAM，通過簡單的串行接口與單片機進行通信。實時時鐘/日歷電路提供秒、分、時、日期、日、月、年的信息，每月的天數和閏年的天數可自動調整，時鐘操作可通過AM/PM指示決定采用24或12小時格式。DS1302與單片機之間能簡單地采用同步串行的方式進行通信，僅需用到三個口

70、線(1) RES（復位），(2) I/O（數據線），(3) SCLK（串行時鐘）。時鐘/RAM的讀、寫數據以一個字節(jié)或多達31個字節(jié)的字符組方式通信。DS1302工作時功耗很低，保持數據和時鐘信息時功率小于1mW。</p><p>　　DS1302是由DS1202改進而來，增加了以下的特性雙電源管腳用于主電源和備份電源供應，Vcc1為可編程涓流充電電源，附加七個字節(jié)存儲器。它廣泛應用于電話、傳真、便攜式儀器以及電

71、池供電的儀器儀表等產品領域。下面將主要的性能指標作一綜合：</p><p>　　實時時鐘具有能計算2100年之前的秒、分、時、日期、星期、月、年的能力，還有閏年調整的能力。</p><p>　　31*8位暫存數據存儲RAM。</p><p>　　串行I/O口方式使得管腳數量最少。</p><p>　　寬范圍工作電壓2.0~5.5V。</

72、p><p>　　工作電流2.0V時，小于300nA。</p><p>　　讀/寫時鐘或RAM數據時有兩種傳送方式單字節(jié)傳送和多字節(jié)傳送字符組方式。</p><p>　　8腳DIP封裝或可選的8腳SOIC封裝。</p><p><b>　　簡單3線接口。</b></p><p>　　與TTL兼容Vcc=

73、5V。</p><p>　　可選工業(yè)級溫度范圍－40至＋85攝氏度。</p><p>　　與DS1202兼容。</p><p>　　在DS1202基礎上增加的特性：</p><p>　　對Vcc1有可選的涓流充電能力；</p><p>　　雙電源管用于主電源和備份電源供應；</p><p>　　

74、備份電源管腳可由電池或大容量電容輸入；</p><p>　　附加的7字節(jié)暫存存儲器。</p><p>　　綜上所述，選用DS1302時間芯片完全滿足設計的需求。</p><p>　　2.3.6 A/D轉換模塊設計方案</p><p>　　A/D器件和芯片是實現單片機數據采集的常用外圍器件。A/D轉換器的品種繁多、性能各異，在設計數據采集系統

75、時，首先碰到的就是如何選擇合適的A/D轉換器以滿足系統設計要求的問題。選擇A/D轉換器件需要考慮器件本身的品質和應用的場合要求?；旧?，可以根據以下幾個方面的指標選擇一個A/D器件。</p><p>　　1) A/D轉換器位數</p><p>　　A/D轉換器位數的確定，應該從數據采集系統的靜態(tài)精度和動態(tài)平滑性這兩個方面進行考慮。從靜態(tài)精度方面來說，要考慮輸入信號的原始誤差傳遞到輸出所產生

76、的誤差，它是模擬信號數字化時產生誤差的主要部分。量化誤差與A/D轉換器位數有關。一般把8位以下的A/D轉換器歸為低分辨率A/D轉換器，9~12位的稱為中分辨率轉換器，13位以上的稱為高分辨率轉換器。10位以下的A/D芯片誤差較大，11位以上對減小誤差并無太大貢獻，但對A/D轉換器的要求卻提得過高。因此，取10位或11位是合適的。由于模擬信號先經過測量裝置，再經A/D轉換器轉換后才進行處理，因此，總的誤差是由測量誤差和量化誤差共同構成的。

77、A/D轉換器的精度應與測量裝置的精度相匹配。也就是說，一方面要求量化誤差在總誤差中所占的比重要小，使它不顯著地擴大測量誤差；另一方面必須根據目前測量裝置的精度水平，對A/D轉換器的位數提出恰當的要求。</p><p>　　目前，大多數測量裝置的精度值不小于0.1%~0.5%，故A/D轉換器的精度取0.05% ~ 0.1%即可，相應的二進制碼為10~11位，加上符號位，即為11~12位。當有特殊的應用時，A/D轉換

78、器要求更多的位數，這時往往可采用雙精度的轉換方案。</p><p>　　2) A/D轉換器的轉換速率</p><p>　　A/D轉換器從啟動轉換到轉換結束，輸出穩(wěn)定的數字量，需要一定的轉換時間。轉換時間的倒數就是每秒鐘能完成的轉換次數，稱為轉換速率。</p><p>　　確定A/D轉換器的轉換速率時，應考慮系統的采樣速率。例如，如果用轉換時間為100us的A/D轉換

79、器，則其轉換速率為10KHz。根據采樣定理和實際需要，一個周期的波形需采10個樣點，那么這樣的A/D轉換器最高也只有處理頻率為1KHz的模擬信號。把轉換時間減小，信號頻率可提高。對一般的單片機而言，要在采樣時間內完成A/D轉換以外的工作，如讀數據、再啟動、存數據、循環(huán)計數等已經比較困難了。</p><p><b>　　3) 采樣/保持器</b></p><p>　　采

80、集直流和變化非常緩慢的模擬信號時可不用采樣保持器。對于其他模擬信號一般都要加采樣保持器。如果信號頻率不高，A/D轉換器的轉換時間短，即采樣高速A/D時，也可不用采樣/保持器。</p><p>　　4) A/D轉換器量程</p><p>　　A/D轉換時需要的是雙極性的，有時是單極性的。輸入信號最小值有的從零開始，也有從非零開始的。有的轉換器提供了不同量程的引腳，只有正確使用，才能保證轉換精

81、度。在使用中，影響A/D轉換器量程的因素有：量程變換和雙極性偏置；雙基準電壓；A/D轉換器內部比較器輸入端的正確使用。</p><p><b>　　5) 滿刻度誤差</b></p><p>　　滿度輸出時對應的輸入信號與理想輸入信號值之差。</p><p><b>　　6) 線性度</b></p><p

82、>　　實際轉換器的轉移函數與理想直線的最大偏移。</p><p>　　ADC0804是單路8位逐次比較型雙極性輸入A/D轉換器，轉換時間小于。量化間隔：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p><b>　　絕對量化誤差：</b></p><p><b>　　（

83、2-2）</b></p><p><b>　　相對量化誤差：</b></p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　在液位傳感器誤差與參考電壓誤差不大的情況下，ADC0804是完全滿足設計誤差要求的。</p><p>　　2.3.7 通信模塊設計方案</p&

84、gt;<p>　　AT89S52單片機內部有一個全雙工異步串行I/O接口，占用P3.0和P3.1兩個引腳。利用該接口，可實現系統與上位機的通信。</p><p>　　不同設備間串口通信的過程中，需要采用相同的的接口標準才能通信。</p><p>　　典型的串行通訊標準是RS232和RS485，它們定義了電壓，阻抗等，但不對軟件協議給予定義。</p><p&

85、gt;　　RS-232C標準（協議）的全稱是EIA-RS-232C標準，其中EIA（Electronic Industry Association）代表美國電子工業(yè)協會，RS（Ecommeded Standard）代表推薦標準，232是標識號，C代表RS232的最新一次修改（1969），在這之前，有RS232B、RS232A。。它規(guī)定連接電纜和機械、電氣特性、信號功能及傳送過程。</p><p>　　區(qū)別于RS2

86、32，RS485的特性包括：</p><p>　　1) RS-485的電氣特性：邏輯“1”以兩線間的電壓差為＋（2~6）V表示；邏輯“0”以兩線間的電壓差為－（2~6）V表示。接口信號電平比RS-232-C降低了，就不易損壞接口電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL電路連接。</p><p>　　2) RS-485的數據最高傳輸速率為10Mbps。</p>&l

87、t;p>　　3) RS-485接口是采用平衡驅動器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強，即抗噪聲干擾性好。</p><p>　　4) RS-485接口的最大傳輸距離標準值為4000英尺，實際上可達3000米，另外RS-232-C接口在總線上只允許連接1個收發(fā)器，即單站能力。而RS-485接口在總線上是允許連接多達128個收發(fā)器。即具有多站能力，這樣用戶可以利用單一的RS-485接口方便地建立起設備網絡。&

88、lt;/p><p>　　因RS-485接口具有良好的抗噪聲干擾性，長的傳輸距離和多站能力等上述優(yōu)點就使其成為首選的串行接口。</p><p>　　PC機作為上位機，一般情況下帶有RS-232C通信接口，鑒于RS-485接口的優(yōu)點與系統實際工作環(huán)境的需要，系統采用RS-485接口標準，使用RS-232/RS-485轉換器與PC機連接進行通信。</p><p>　　MAX4

89、85接口芯片是Maxim公司的一種RS-485芯片。采用單一電源＋5V工作，額定電流為300μA，采用半雙工通訊方式。它完成將TTL電平轉換為RS-485電平的功能。</p><p>　　2.3.8 電機控制模塊設計方案</p><p>　　由于設計中沒有規(guī)定水泵電機的參數規(guī)格，而且不同型號的水泵參數不盡相同，電氣參數的不同使得在電路上的設計差異較大，因此在此僅作理論演示。</p&

90、gt;<p>　　選用繼電器作為電機控制的元件。</p><p>　　繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統（又稱輸入回路）和被控制系統（又稱輸出回路），通常應用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關”。故在電路中起著自動調節(jié)、安全保護、轉換電路等作用。</p><p>　　繼電器主要產品技術參數：</p><p>　

91、　1) 額定工作電壓。是指繼電器正常工作時線圈所需要的電壓。根據繼電器的型號不同，可以是交流電壓，也可以是直流電壓。</p><p>　　2) 直流電阻。是指繼電器中線圈的直流電阻，可以通過萬能表測量。</p><p>　　3) 吸合電流。是指繼電器能夠產生吸合動作的最小電流。在正常使用時，給定的電流必須略大于吸合電流，這樣繼電器才能穩(wěn)定地工作。而對于線圈所加的工作電壓，一般不要超過額定工

92、作電壓的1.5倍，否則會產生較大的電流而把線圈燒毀。</p><p>　　4) 釋放電流。是指繼電器產生釋放動作的最大電流。當繼電器吸合狀態(tài)的電流減小到一定程度時，繼電器就會恢復到未通電的釋放狀態(tài)。這時的電流遠遠小于吸合電流。</p><p>　　5) 觸點切換電壓和電流。是指繼電器允許加載的電壓和電流。它決定了繼電器能控制電壓和電流的大小，使用時不能超過此值，否則很容易損壞繼電器的觸點。

93、</p><p>　　根據以上的參數，結合設計的演示性，選用額定工作電壓120VAC/24VDC，工作電流3A，控制電壓5VDC的小型繼電器。</p><p>　　第3章 硬件電路設計</p><p>　　3.1 AT89S52硬件設計</p><p>　　AT89S52引腳定義及功能介紹如圖3-1。</p><p&g

94、t;　　P0口：P0口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅動8個TTL邏輯電平。對P0端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。當訪問外部程序和數據存儲器時，P0口也被作為低8位地址/數據復用。在這種模式下，P0具有內部上拉電阻。在FLASH編程時，P0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程序校驗時，需要外部上拉電阻。</p><p>　　P1口：P1口是一個具有內部上拉電阻的8位雙向I

95、/O口，P1輸出緩沖器能驅動4個TTL邏輯電平。對P1端口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分別作定時器/計數器2的外部計數輸入（P1.0/T2）和定時器/計數器2的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX），具體如下所示：</p><p>　　在FLASH編程和校驗時，P1口接收低8位地址字節(jié)。<

96、;/p><p><b>　　引腳號第二功能：</b></p><p>　　P1.0/T2 （定時器/計數器T2的外部計數輸入），時鐘輸出</p><p>　　P1.1/T2EX （定時器/計數器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號和方向控制）</p><p>　　P1.5 MOSI （在系統編程用）</p><p&g

97、t;　　P1.6 MISO （在系統編程用）</p><p>　　P1.7 SCK （在系統編程用）</p><p>　　P2口：P2口是一個具有內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2輸出緩沖器能驅動4個TTL邏輯電平。對P2端口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。在訪問外部程序存儲器或用16位

98、地址讀取外部數據存儲器（例如執(zhí)行MOVX @DPTR）時，P2口送出高八位地址。在這種應用中，P2口使用很強的內部上拉發(fā)送1。在使用8位地址（如MOVX @RI）訪問外部數據存儲器時，P2口輸出P2鎖存器的內容。在FLASH編程和校驗時，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號。</p><p>　　P3口：P3口是一個具有內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P3輸出緩沖器能驅動4個TTL邏輯電平。對P3端口寫“1”

99、時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。P3口亦作為AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。</p><p>　　表3-1 端口引腳第二功能</p><p>　　此外，P3口還接收一些用于FLASH閃存編程和程序校驗的控制信號。</p><p>　　RST——復位輸入。

100、當振蕩器工作時，RST引腳出現兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。</p><p>　　ALE/PROG——當訪問外部程序存儲器或數據存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數據存儲器時將跳過一個ALE脈沖。對FLASH存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PR

101、OG）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令才能將ALE激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應設置ALE禁止位無效。</p><p>　　PSEN——程序儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT89S52由外部程序存儲器取指令（或數據）時，每個機器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈

102、沖，在此期間，當訪問外部數據存儲器，將跳過兩次PSEN信號。</p><p>　　EA/VPP——外部訪問允許，欲使CPU僅訪問外部程序存儲器（地址為0000H~FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復位時內部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU則執(zhí)行內部程序存儲器的指令。FLASH存儲器編程時，該引腳加上＋12V的編程允許電源Vpp，當然這必須是該器

103、件是使用12V編程電壓Vpp。</p><p>　　XTAL1：振蕩器反相放大器和內部時鐘發(fā)生電路的輸入端。</p><p>　　XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。</p><p>　　為了便于接下來的說明，單片機各管腳網絡標號定義如圖3-1。</p><p>　　要使單片機按照設計要求正常工作，完整單片機最基本的工作要求，考慮到系統無需

104、精確地定時功能，且為了方便串口通信波特率的計算，采用11.0592MHz的晶振提供系統時鐘。并附加復位電路，組成單片機最小系統。根據電路設計規(guī)范和AT89S52芯片手冊，設計時鐘電路與復位電路如圖3-2：</p><p>　　圖3-2 復位電路及時鐘電路</p><p>　　圖中網絡標號RST連接單片機RST引腳，具有上電復位與手動復位的功能；XTAL1與XTAL2連接單片機XTAL1和X

105、TAL2引腳，且并聯兩個30pF匹配電容使晶振起振。</p><p>　　由于單片機P0口作普通I/O口時不能輸出高電平，因此需接上拉電阻，實際電路中，使用8*10KΩ電阻作為上拉電阻。</p><p><b>　　3.2 按鍵設計</b></p><p>　　鍵盤在單片機應用系統中是一個很關鍵的部件，它能實現向單片機系統輸入數據、發(fā)送命令等

106、功能，是人工干預單片機的主要手段?？紤]到本設計實際需要的按鍵較少，故采用獨立式鍵盤接口電路。它是將每個獨立按鍵按一對一的方式直接接到單片機的I/O口上，通過程序掃描查詢方式實現與單片機系統交互的。在程序查詢方式下，通過I/O端口讀入按鍵狀態(tài)，當有按鍵按下時，相應的I/O端口變?yōu)榈碗娖?，而未被按下的按鍵在上拉電阻作用下為高電平，這樣通過讀I/O口的狀態(tài)判斷是否有按鍵按下。系統按鍵電路如圖3-3所示。</p><p>

107、;　　下圖中，S2~S5便是控制顯示用的按鍵。其作用就是通過按動它們實現對高低警戒液位的設置。具體來說，S3、S4分別實現數字的增一與減一，S2、S5則作為高低警戒液位的模式選擇和確認鍵。</p><p>　　圖3-3 系統按鍵電路</p><p>　　3.3 顯示單元硬件設計</p><p>　　在顯示單元上，使用了74LS273帶公共時鐘復位八位觸發(fā)器與74L

108、S47共陽極BCD顯示譯碼驅動芯片。兩個芯片的管腳圖如圖3-4：</p><p>　　74LS273與74LS47引腳功能說明：</p><p>　　74LS273:1腳是復位CLR，低電平有效，當1腳是低電平時，輸出腳2（Q0）、5（Q1）、6（Q2）、9（Q3）、12（Q4）、15（Q5）、16（Q6）、19（Q7）全部輸出0，即全部復位；</p><p>　　

109、當1腳為高電平時，11(CLK)腳是鎖存控制端，并且是上升沿觸發(fā)鎖存，當11腳有一個上升沿，立即鎖存輸入腳3、4、7、8、13、14、17、18的電平狀態(tài)，并且立即呈現在在輸出腳2（Q0）、5（Q1）、6（Q2）、9（Q3）、12（Q4）、15（Q5）、16（Q6）、19（Q7）上。</p><p>　　74LS47上BI/ROB，LI，RBI引腳為控制引腳，主要用于測試和脈沖控制，均為低電平有效，設計上不適用此

110、項功能，因此均接高電平。A0~A3是BCD輸入，分解74LS273輸出的高、低四位。a~g用于共陽極數碼管的相應管腳的連接。</p><p>　　為了保護LED數碼管，在74LS47與LED之間添加限流電阻，以滿足數碼管的工作需要。</p><p>　　根據以上的設計思路，設計電路圖如圖3-5：</p><p>　　3.4 存儲單元硬件設計</p>

111、<p>　　存儲模塊的硬件設計比較簡單，由于AT89S52單片機為數據線與低8位地址線復用，需要使用地址鎖存芯片74LS373。上文中已敘述，使用32KRAM作為存儲芯片，因此選用與51系列兼容的62256隨機數據存儲器。</p><p>　　該模塊中使用的兩個芯片管腳功如圖3-6：</p><p>　　在62256中，A0~A14管腳為地址總線，共15位，尋址范圍可達到32kB