畢業(yè)設(shè)計(jì)-基于gtm900c的水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　此頁(yè)設(shè)計(jì)用</b></p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)</b></p><p>　　畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 題 目 基于GTM900C的水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) </p><p>　　系 專(zhuān)業(yè)班級(jí) </p>

2、<p>　　學(xué) 生 姓 名 性別 </p><p>　　指 導(dǎo) 教 師 職稱 </p><p>　　2012 年 5 月 9 日文用</p><p><b>　　摘要&l

3、t;/b></p><p>　　在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)及日常生活過(guò)程中，液位控制已成為被廣泛應(yīng)用的重要的控制技術(shù)，同時(shí)也是目前過(guò)程控制領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)?，F(xiàn)代的液位控制日趨大型化、復(fù)雜化、智能化、精細(xì)化，為適應(yīng)各種復(fù)雜的工作環(huán)境，降低控制難度與成本，基于無(wú)線技術(shù)的液位控制的誕生成為了技術(shù)發(fā)展的必然。為實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸技術(shù)與液位控制技術(shù)的結(jié)合，以水箱液位控制系統(tǒng)為模型，選用華為公司生產(chǎn)的GTM900C作為無(wú)線傳輸模塊，采

4、用目前常用的AT89S52單片機(jī)作為控制單元，電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)作單元，結(jié)合其他組成部分，分別對(duì)器件選用、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行討論，對(duì)整體方案、系統(tǒng)工作流程進(jìn)行論證，以此論證基于無(wú)線技術(shù)的液位控制方案在理論上和實(shí)際應(yīng)用中的可行性及其優(yōu)勢(shì)?；贕TM900C的水箱液位控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)液位監(jiān)測(cè)、處理、本地或遠(yuǎn)程報(bào)警、遠(yuǎn)程控制等功能。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，便于擴(kuò)展，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單清晰，控制方式靈活，可以此為模型，推廣到任意液位控制系統(tǒng)中。</p&

5、gt;<p>　　關(guān)鍵詞：控制技術(shù)；無(wú)線技術(shù)；檢測(cè)技術(shù)；單片機(jī)</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　In modern industrial production and daily life in the process, the liquid level control has become a widely u

6、sed and important control technology, process control at the same time it is a research hotspot in the field of. The modern level control increasingly large-scale, complex, intelligent, meticulous, to meet a variety of c

7、omplex environment, reducing the difficulty of controlling and cost, the liquid level control based on wireless technology has become the inevitable trend of the developme</p><p>　　Key words: Control Technol

8、ogy; Wireless Technology; Detection Technique; MCU目 錄</p><p><b>　　第一章緒論1</b></p><p>　　1.1課題研究背景及意義1</p><p>　　1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展2</p><p>　　1.2.1無(wú)線液位控制技術(shù)的研究

9、現(xiàn)狀2</p><p>　　1.2.2無(wú)線液位控制技術(shù)研究趨勢(shì)3</p><p>　　1.3系統(tǒng)概述3</p><p>　　第二章系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)5</p><p>　　2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求5</p><p>　　2.2系統(tǒng)框圖5</p><p>　　2.3硬件設(shè)計(jì)方案6&l

10、t;/p><p>　　2.3.1單片機(jī)選型6</p><p>　　2.3.2無(wú)線模塊設(shè)計(jì)方案7</p><p>　　2.3.3通信模塊設(shè)計(jì)方案8</p><p>　　2.3.4鍵盤(pán)模塊設(shè)計(jì)方案10</p><p>　　2.3.5顯示模塊設(shè)計(jì)方案10</p><p>　　2.3.6

11、數(shù)據(jù)模塊設(shè)計(jì)方案11</p><p>　　2.3.7計(jì)時(shí)模塊設(shè)計(jì)方案13</p><p>　　2.3.8A/D模塊設(shè)計(jì)方案14</p><p>　　2.3.9傳感器模塊設(shè)計(jì)方案16</p><p>　　第三章硬件電路設(shè)計(jì)21</p><p>　　3.1單片機(jī)AT89S52硬件設(shè)計(jì)21</p

12、><p>　　3.2無(wú)線模塊硬件設(shè)計(jì)26</p><p>　　3.3通信模塊硬件設(shè)計(jì)32</p><p>　　3.4鍵盤(pán)模塊硬件設(shè)計(jì)34</p><p>　　3.5顯示單元硬件設(shè)計(jì)34</p><p>　　3.6存儲(chǔ)單元硬件設(shè)計(jì)36</p><p>　　3.7時(shí)間單元硬件設(shè)計(jì)

13、37</p><p>　　3.8A/D轉(zhuǎn)換單元硬件設(shè)計(jì)38</p><p>　　3.9其他外圍電路的設(shè)計(jì)40</p><p>　　第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)42</p><p>　　4.1 系統(tǒng)軟件42</p><p>　　4.1.1 系統(tǒng)軟件編譯開(kāi)發(fā)環(huán)境42</p><p>　　4

14、.1.2 系統(tǒng)主程序流程圖42</p><p>　　4.1.3 系統(tǒng)初始化42</p><p>　　4.1.4 顯示與A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)處理45</p><p>　　4.1.5 按鍵部分軟件設(shè)計(jì)46</p><p>　　4.1.6 顯示模塊的軟件設(shè)計(jì)48</p><p>　　4.1.7 A/D轉(zhuǎn)換模

15、塊軟件設(shè)計(jì)48</p><p>　　4.1.8 電機(jī)控制模塊軟件設(shè)計(jì)49</p><p>　　4.1.9 通信協(xié)議及通信模塊軟件設(shè)計(jì)50</p><p>　　4.1.10 時(shí)間模塊軟件設(shè)計(jì)52</p><p>　　4.2 GTM900C軟件設(shè)計(jì)54</p><p>　　4.2.1 AT命令簡(jiǎn)介54

16、</p><p>　　4.2.2 AT命令類(lèi)型55</p><p>　　4.2.3 AT 命令語(yǔ)法55</p><p>　　4.2.4 AT命令說(shuō)明56</p><p>　　4.2.5液位信息發(fā)送軟件設(shè)計(jì)63</p><p>　　第五章經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析66</p><p><

17、;b>　　第六章結(jié)論68</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)69</b></p><p><b>　　謝 辭70</b></p><p><b>　　附錄一</b></p><p><b>　　附錄二</b></p

18、><p>　　基于GTM900C的水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　課題研究背景及意義</b></p><p>　　液位控制是生產(chǎn)生活過(guò)程中一項(xiàng)非常重要的控制技術(shù)。最早的液位控制可以追溯到農(nóng)耕時(shí)代，那時(shí)的人們就懂得了調(diào)節(jié)灌入田地的水量，來(lái)控制液位

19、。隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)代的液位控制日趨大型化、復(fù)雜化、智能化、精細(xì)化，液位控制已成為目前過(guò)程控制領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)[1]。應(yīng)用范圍也日趨廣泛，大到農(nóng)業(yè)灌溉、河流水位、工業(yè)生產(chǎn)，小到水塔、油箱甚至魚(yú)缸，都有液位控制的應(yīng)用。</p><p>　　隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展和大規(guī)模集成電路的普及，液位控制也迎來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇，單片機(jī)以其控制精度高，性能穩(wěn)定、可靠，操作設(shè)置方便，成本低廉等特點(diǎn)成為推動(dòng)液位控制發(fā)展的新動(dòng)力。同時(shí)

20、單片機(jī)應(yīng)用廣泛，可擴(kuò)展性強(qiáng)，可與各種類(lèi)型的傳感器相兼容，實(shí)現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度、流量、速度、厚度、壓力、溫度等物理量的測(cè)量，這使得液位控制的應(yīng)用范圍變得更加廣泛。工程應(yīng)用中液位傳感器的多樣化使得液位控制可以應(yīng)用于各種多變的環(huán)境中，使其擁有更高的應(yīng)用價(jià)值。單片機(jī)的可編程性不僅可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量功能，還能實(shí)現(xiàn)智能化的控制，豐富的接口也為信息的傳輸和遠(yuǎn)程控制提供了可能。</p><p>　　隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，原

21、有的液位控制技術(shù)已不能滿足社會(huì)生產(chǎn)的要求，由于工作環(huán)境的多樣性和復(fù)雜性，控制系統(tǒng)的使用依然會(huì)受到地域、空間等條件的限制，苛刻復(fù)雜的工作環(huán)境限制了液位控制系統(tǒng)的應(yīng)用，例如不便于鋪設(shè)線纜的山區(qū)水壩，高溫、強(qiáng)腐蝕性的工業(yè)生產(chǎn)廠液池，操作地點(diǎn)不固定的液位控制臺(tái)等。在液位控制技術(shù)和無(wú)線技術(shù)日益成熟的今天，這種技術(shù)的融合創(chuàng)新成為解決這些問(wèn)題的要求，基于無(wú)線技術(shù)的液位控制技術(shù)的誕生也成為了必然。由于無(wú)線技術(shù)擁有可跨視距的可靠通信能力，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸能力

22、，可移動(dòng)性等優(yōu)勢(shì)，有效的彌補(bǔ)了原有液位控制的缺陷，技術(shù)的融合不僅解決了當(dāng)下液位控制的地域空間使用限制，而且使得控制成本變得更低。基于無(wú)線技術(shù)的控制端對(duì)接入的受控端數(shù)目幾乎沒(méi)有限制，這為集中化控制提供了可能。</p><p>　　對(duì)于一些不便于鋪設(shè)線纜的液位控制端，可以結(jié)合太陽(yáng)能技術(shù)，利用單片機(jī)低功耗的特性，真正實(shí)現(xiàn)完全自由的無(wú)線液位控制系統(tǒng)。</p><p>　　本課題研究和討論的就是基于

23、無(wú)線傳輸技術(shù)的液位控制系統(tǒng)。</p><p>　　國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展</p><p>　　由于無(wú)線液位控制技術(shù)在控制領(lǐng)域占有重要地位，它也越來(lái)越受到各國(guó)的重視，很多企業(yè)都投入了大量的技術(shù)力量和資金進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)。雖然紅外遙控也可以實(shí)現(xiàn)液位控制技術(shù)的遠(yuǎn)程遙控，但是由于紅外遙控存在對(duì)工作背景要求高、能耗高、傳輸距離短（一般不會(huì)超過(guò)10米），且必需在同一直線上，中間不能有任何障礙物以及易受工業(yè)熱

24、輻射影響等缺點(diǎn)，使得基于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線液位控制技術(shù)成為當(dāng)前研究的主要方向。</p><p>　　無(wú)線液位控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀</p><p>　　最初，遙控液位控制系統(tǒng)都是采用有線遙控方式進(jìn)行的。早在60年代初期，人們就能利用拖纜遙控裝置來(lái)控制供液系統(tǒng)工作。雖然這種方式也可以使操作人員在作業(yè)區(qū)外對(duì)控制設(shè)備進(jìn)行操作管理，但是由于控制信號(hào)在電纜線中的衰減，使得遙控的距離有限，同時(shí)由于電纜線的存在

25、，影響了操作的靈活性，而且數(shù)米長(zhǎng)的電纜經(jīng)常是生產(chǎn)事故中的主要根源。</p><p>　　隨著無(wú)線電技術(shù)的成熟，把無(wú)線電技術(shù)引入液位控制系統(tǒng)成為了可能。由于無(wú)線液位控制技術(shù)是通過(guò)無(wú)線電波來(lái)傳遞控制指令，完全消除了拖纜式遙控裝置所帶來(lái)的故障隱患。但是一開(kāi)始的無(wú)線液位控制系統(tǒng)都只能發(fā)射簡(jiǎn)單的指令，如：打開(kāi)/關(guān)閉等指令。進(jìn)入70年代后，隨著大規(guī)模集成電路及專(zhuān)用微處理器的出現(xiàn)，開(kāi)發(fā)出了可靠性更高的手持式無(wú)線遙控系統(tǒng)。后來(lái)，

26、隨著數(shù)字處理技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)線數(shù)字通信技術(shù)的日趨成熟，利用數(shù)字通信技術(shù)的抗干擾能力強(qiáng)、易于對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行各種處理等等的優(yōu)點(diǎn)，使得遙控系統(tǒng)的抗干擾性能逐步提高，安全性能大大改善；與此同時(shí)，模擬集成電路設(shè)計(jì)的迅速發(fā)展，各種高精度的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（A/D）和數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器（D/A）的研制成功，并把他們應(yīng)用到無(wú)線液位控制系統(tǒng)中，使得無(wú)線液位控制系統(tǒng)不但能夠傳輸開(kāi)關(guān)信號(hào)，也能夠傳輸模擬控制量并且對(duì)控制指令有較高分辨能力，也就是說(shuō)，無(wú)線液位控

27、制系統(tǒng)不但能夠控制供放液體，而且能實(shí)現(xiàn)液位的實(shí)時(shí)監(jiān)控。</p><p>　　由于無(wú)線控制技術(shù)既有控制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，又有無(wú)線技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，因此它有著很廣泛的應(yīng)用，特別是在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中。但由于工廠范圍相對(duì)較小，所需的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍也比較有限，所以基于無(wú)線技術(shù)的控制依舊局限于一定范圍內(nèi)的控制系統(tǒng)中。最初的無(wú)線控制系統(tǒng)的應(yīng)用是在機(jī)械控制方面。</p><p>　　80年代初，美國(guó)Kraft TeleR

28、obtics和約翰?迪爾等公司，相繼開(kāi)發(fā)出無(wú)線遙控系統(tǒng)，并應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中；1983年，日本小松制作所研究開(kāi)發(fā)了各種工作裝置的微動(dòng)控制和復(fù)合動(dòng)作的無(wú)線電操縱；1987年，德國(guó)HBC公司研制成功應(yīng)用于工程機(jī)械領(lǐng)域的工業(yè)無(wú)線電遙控裝置，真正的實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化的無(wú)線控制。</p><p>　　與國(guó)外對(duì)無(wú)線控制技術(shù)的研究應(yīng)用相比較，國(guó)內(nèi)則相對(duì)比較晚，技術(shù)相對(duì)也落后一些。上海寶山鋼鐵公司于1997年引入HBC無(wú)線遙控系統(tǒng)，正式

29、將無(wú)線控制技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。</p><p>　　無(wú)線液位控制技術(shù)研究趨勢(shì)</p><p>　　隨著數(shù)字通信技術(shù)和超大規(guī)模集成電路的高速發(fā)展，把數(shù)字通信技術(shù)和高性能、高集成度的集成電路應(yīng)用到無(wú)線液位控制技術(shù)中，使得無(wú)線液控制系統(tǒng)的性能更加完善，可靠性更加高。它們都推動(dòng)著無(wú)線液位控制技術(shù)的發(fā)展，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：</p><p>　　超大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)

30、展使無(wú)線液位控制器硬件電路的可靠性提高，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的功能提供了可能性；</p><p>　　數(shù)字通信技術(shù)提高了無(wú)線電液控制器的性能；</p><p>　　糾錯(cuò)編碼技術(shù)提高了無(wú)線液位控制器的抗干擾能力。</p><p>　　基于GSM網(wǎng)絡(luò)無(wú)線技術(shù)的成熟使得無(wú)線控制突破地域的局限，實(shí)現(xiàn)更為廣闊的應(yīng)用。</p><p><b>　　

31、系統(tǒng)概述</b></p><p>　　液位控制的應(yīng)用極其廣泛，工業(yè)生產(chǎn)中液池液位的控制；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中灌溉水池；河流水庫(kù)的水位控制；城市水塔的控制等等。用途的多樣就造成了控制系統(tǒng)的多樣，本文討論的重點(diǎn)在于無(wú)線技術(shù)與液位控制技術(shù)的結(jié)合，所以選用較為簡(jiǎn)單的水箱液位控制作為液位控制系統(tǒng)的模型。在無(wú)線傳輸方式的選擇上，基于成本和功能上的綜合考慮，選用華為生產(chǎn)的適用于GSM網(wǎng)絡(luò)的GTM900C通訊模塊作為工具，通過(guò)

32、其與水箱液位控制系統(tǒng)的結(jié)合來(lái)討論基于無(wú)線技術(shù)的液位控制系統(tǒng)的可行性、功能及應(yīng)用價(jià)值。</p><p>　　無(wú)線液位控制技術(shù)的基本工作原理：首先，無(wú)線液位控制系統(tǒng)將操作者或機(jī)器的控制指令進(jìn)行數(shù)字化處理（包括對(duì)信號(hào)的濾波，A/D轉(zhuǎn)化等處理），變?yōu)橐子谔幚淼臄?shù)字信號(hào)；其次，對(duì)數(shù)字指令信號(hào)進(jìn)行編碼處理；再次，指令信號(hào)在經(jīng)發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字調(diào)制后，通過(guò)發(fā)射天線以無(wú)線電波的方式傳遞給遠(yuǎn)處的接收系統(tǒng)。最后，接收系統(tǒng)通過(guò)接收天線把

33、帶控制指令的無(wú)線電波接收下來(lái)，經(jīng)過(guò)解調(diào)和解碼，轉(zhuǎn)換為控制指令，發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)預(yù)先編寫(xiě)的程序，對(duì)指令作出相應(yīng)，同時(shí)將收集到的液位信息、動(dòng)作反饋等數(shù)據(jù)通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)，傳回控制終端。系統(tǒng)主要由以下部分組成：</p><p><b>　　通訊系統(tǒng)</b></p><p><b>　　控制系統(tǒng)</b></p><p>&l

34、t;b>　　檢測(cè)系統(tǒng)</b></p><p><b>　　動(dòng)作系統(tǒng)</b></p><p><b>　　其他</b></p><p>　　設(shè)計(jì)具體內(nèi)容分為以下幾個(gè)方面：</p><p>　　系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)以及芯片選型；</p><p><b>　

35、　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)；</b></p><p>　　單片機(jī)編程以及GTM900C的AT指令。</p><p><b>　　系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)以水箱液位控制系統(tǒng)為模型，通過(guò)液位監(jiān)測(cè)傳感器檢測(cè)水位信息，通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊

36、將信息發(fā)送至單片機(jī)，由單片機(jī)根據(jù)設(shè)計(jì)好的程序，在顯示模塊上顯示水位信息，并存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)，若達(dá)到警戒值則通過(guò)GTM900C模塊發(fā)送數(shù)據(jù)并報(bào)警。單片機(jī)可根據(jù)用戶設(shè)定，選擇等待遠(yuǎn)程控制指令或根據(jù)程序，直接啟動(dòng)電機(jī)對(duì)液位進(jìn)行調(diào)節(jié)。</p><p>　　設(shè)計(jì)液位測(cè)量高度≤5米，測(cè)量精度10%，AC220V供電。</p><p><b>　　系統(tǒng)框圖</b></p>

37、<p>　　根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，采用單片機(jī)為主控芯片，通過(guò)單片機(jī)數(shù)據(jù)地址總線及I/O端口，擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、顯示模塊、時(shí)間模塊、串口通信模塊以及A/D轉(zhuǎn)換、電機(jī)控制等外圍電路，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需的設(shè)計(jì)功能。系統(tǒng)總體方案框圖如圖2-1。</p><p>　　圖 2-1 系統(tǒng)框圖</p><p><b>　　硬件設(shè)計(jì)方案</b></p>

38、;<p>　　根據(jù)系統(tǒng)硬件需求，設(shè)計(jì)硬件選用方案，針對(duì)系統(tǒng)中的各主要部分，分別進(jìn)行方案論證，主要討論單片機(jī)的選型、無(wú)線模塊設(shè)計(jì)、通信模塊設(shè)計(jì)、鍵盤(pán)模塊設(shè)計(jì)、顯示模塊設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)模塊設(shè)計(jì)、計(jì)時(shí)模塊設(shè)計(jì)、A/D模塊設(shè)計(jì)、傳感器模塊設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　單片機(jī)選型</b></p><p>　　綜合考慮整個(gè)產(chǎn)品的功能需求，在各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)滿足的情況下，

39、選取外部資源豐富的單片機(jī)型號(hào)。這樣，一方面可以減少外部擴(kuò)展芯片的投入并減少電路板的面積，另一方面可以減少程序開(kāi)發(fā)調(diào)試的難度，便于統(tǒng)一管理。</p><p>　　估計(jì)代碼工作量，選擇合理的RAM、ROM或者Flash資源。如果選擇不當(dāng)，將會(huì)發(fā)生最終代碼超過(guò)單片機(jī)程序存儲(chǔ)器的容量，需要重新選型的麻煩[2]。</p><p>　　對(duì)于一個(gè)試驗(yàn)性的電路，選用雙列直插（DIP封裝）的單片機(jī)，這樣便于

40、手工焊接電路和調(diào)試，而不用投資去加工印刷電路板。</p><p>　　對(duì)于最終的產(chǎn)品，選擇貼片封裝的單片機(jī)，這樣，一方面可以減少電路板的面積，降低硬件成本，另一方面也可以也可以獲得更好的電磁兼容性。</p><p>　　考慮產(chǎn)品最終應(yīng)用的場(chǎng)合，如果是野外或者需要長(zhǎng)時(shí)間獨(dú)立供電的場(chǎng)合，則需要盡量選擇低功耗的單片機(jī)。</p><p>　　考察單片機(jī)開(kāi)發(fā)的成本以及編程器和

41、仿真器的選擇。選擇帶仿真功能的開(kāi)發(fā)工具，這樣可以減少調(diào)試的時(shí)間。如果條件有限，則選擇程序下載接口簡(jiǎn)單的器件，這樣可以減少編程器的投資。</p><p>　　盡可能了解目前市場(chǎng)上各類(lèi)主流單片機(jī)的情況，做好充足的市場(chǎng)調(diào)研工作。目前一些常用的單片機(jī)廠商如下：Atmel、Cypress、Infineon、Maxim、Silicon、NXP、Winbond、Analog Devices、TI、Freescale、Renes

42、as等。</p><p>　　根據(jù)以上因素：系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求不高，因而運(yùn)算速度無(wú)需很快，且系統(tǒng)規(guī)模不大，采用分時(shí)復(fù)用的方式使用總線，對(duì)I/O口的數(shù)量可以要求進(jìn)一步降低。使用4路8位I/O接口即可滿足設(shè)計(jì)要求；系統(tǒng)中需要擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量為32KB已滿足要求，因此采用16位或準(zhǔn)16位地址總線的單片機(jī)即可滿足設(shè)計(jì)需要[3]；由于是實(shí)驗(yàn)階段，采用DIP（雙列直插）封裝的芯片便于實(shí)驗(yàn)，暫不考慮實(shí)際工

43、業(yè)控制中的對(duì)外界環(huán)境的具體要求；系統(tǒng)采用AC220V供電，且對(duì)功耗沒(méi)有具體要求，使用DC5V為芯片供電，便于系統(tǒng)外圍電路的設(shè)計(jì)；芯片支持ISP可節(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(jī)滿足設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　圖 2-2 AT89S52單片機(jī)實(shí)物圖</p><p>　　AT89S52是一種低功耗、高性能

44、CMOS工藝的8位微控制器，具有8K在線系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。</p><p>　　AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門(mén)狗定時(shí)器，2個(gè)

45、數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)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(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止[4]。</p><p><b>　　無(wú)線模塊設(shè)計(jì)方案</b

46、></p><p>　　GSM模塊，是一個(gè)類(lèi)似于手機(jī)的通訊模塊，集成了手機(jī)的若干功能于一塊小電路板上，它可以發(fā)送短消息，通話等等，模塊雖小，但它具備了很多手機(jī)的功能，它在很多應(yīng)用領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用，GSM模塊通過(guò)使用AT指令控制，模塊可以與電腦RS232串口相連，也可以用單片機(jī)來(lái)進(jìn)行控制。</p><p>　　常見(jiàn)的GSM模塊有：西門(mén)子的TC35i，BENQ的M22，華為的GTM

47、900-A/B/C，Wavecom 的GSM（Mo3、Mo2）,愛(ài)立信的DM10/DM20, GM22/GM25,GM47/48，中興的ZXGM18,ZXGM28，Motorola 的D10、D15等等。</p><p>　　工業(yè)及車(chē)載的高可靠性應(yīng)用西門(mén)子是第一選擇，一般工業(yè)及車(chē)載應(yīng)用的話，可以用Wavecom的。普通環(huán)境，建議用BenQ的。綜合考慮性能及通用性，本課程設(shè)計(jì)選用了華為公司生產(chǎn)的GTMM900C為G

48、SM模塊，它不僅擁有完整的模塊功能，良好的質(zhì)量，而且價(jià)格便宜，通用性強(qiáng)，推廣到工業(yè)生產(chǎn)，可直接替換成TC35i，符合本設(shè)計(jì)的要求。</p><p>　　圖 2-3 GTM900-C實(shí)物圖</p><p>　　華為GTM900C無(wú)線模塊是一款雙頻段GSM/GPRS無(wú)線模塊。它支持標(biāo)準(zhǔn)的AT命令及增強(qiáng)AT命令，提供豐富的語(yǔ)音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等功能，是高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)雀鞣N應(yīng)用的理想解決方案。</p

49、><p>　　GTM900-C 在Terminal 型固定臺(tái)、Phone 型固定臺(tái)、車(chē)載臺(tái)、公用電話、電力無(wú)線抄表業(yè)務(wù)、遠(yuǎn)程信息服務(wù)臺(tái)等方面被廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　GTM900C工作在EGSM900/GSM1800雙頻段，最大發(fā)射功率為2W，模塊接收靈敏度<-106dBm，工作電壓為3.4V～4.7V，平均待機(jī)電流為3.5mA。通過(guò)UART接口與外部CPU通信，主要實(shí)現(xiàn)無(wú)線發(fā)

50、送和接收、基帶處理、音頻處理等功能。鍵盤(pán)、LCD等外部設(shè)備由外部CPU進(jìn)行處理。外接CPU主要完成對(duì)SLIC芯片的配置以及電源管理、串口通信等功能，其余的功能均由GTM900C來(lái)完成。</p><p><b>　　通信模塊設(shè)計(jì)方案</b></p><p>　　AT89S52單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)全雙工異步串行I/O接口，占用P3.0和P3.1兩個(gè)引腳。利用該接口，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)

51、與計(jì)算機(jī)的通信、系統(tǒng)與GTM900C的通信。</p><p>　　由于不同設(shè)備間串口通信的過(guò)程中，需要采用相同的的接口標(biāo)準(zhǔn)才能通信。綜合考慮AT89S52和GTM900C的電氣性能、實(shí)驗(yàn)環(huán)境，故選擇便于設(shè)計(jì)的RS-232C標(biāo)準(zhǔn)。RS-232-C是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA（Electronic Industry Association）制定的一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)。RS是英文“推薦標(biāo)準(zhǔn)”的縮寫(xiě)，232為標(biāo)識(shí)號(hào)，C表示修

52、改次數(shù)。RS-232-C總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)有25條信號(hào)線，包括一個(gè)主通道和一個(gè)輔助通道[6]。 </p><p>　　EIA-RS-232C 對(duì)電器特性、邏輯電平和各種信號(hào)線功能都作了規(guī)定。</p><p>　?。?）在TxD和RxD上：</p><p>　　（2）邏輯1(MARK)=-3V～-15V</p><p>　?。?）邏輯0(SPAC

53、E)=+3～+15V</p><p>　?。?）在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制線上：</p><p>　?。?）信號(hào)有效（接通，ON狀態(tài)，正電壓）=+3V～+15V</p><p>　?。?）信號(hào)無(wú)效（斷開(kāi)，OFF狀態(tài)，負(fù)電壓）=-3V～-15V</p><p>　?。?）以上規(guī)定說(shuō)明了RS-232C標(biāo)準(zhǔn)對(duì)邏輯電平的定

54、義。</p><p>　　圖 2-4 RS-232C接口示例及MAX232芯片實(shí)物圖</p><p>　　對(duì)于數(shù)據(jù)（信息碼）：邏輯“1”（傳號(hào)）的電平低于-3V，邏輯“0”（空號(hào)）的電平高于+3V；對(duì)于控制信號(hào)；接通狀態(tài)（ON）即信號(hào)有效的電平高于+3V，斷開(kāi)狀態(tài)（OFF）即信號(hào)無(wú)效的電平低于-3V，也就是當(dāng)傳輸電平的絕對(duì)值大于3V時(shí)，電路可以有效地檢查出來(lái)，介于-3～+3V之間的電壓無(wú)意

55、義，低于-15V或高于+15V的電壓也認(rèn)為無(wú)意義，因此，實(shí)際工作時(shí)，應(yīng)保證電平在±（3～15）V之間。</p><p>　　EIA RS-232C 與TTL轉(zhuǎn)換：EIA RS-232C 是用正負(fù)電壓來(lái)表示邏輯狀態(tài)，與TTL以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同。因此，為了能夠同計(jì)算機(jī)接口或終端的TTL器件連接，必須在EIA RS-232C 與TTL電路之間進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系的變換。實(shí)現(xiàn)這種變換的方法可用分立元

56、件，也可用集成電路芯片。目前較為廣泛地使用集成電路轉(zhuǎn)換器件，如MC1488、SN75150芯片可完成TTL電平到EIA電平的轉(zhuǎn)換，而MC1489、SN75154可實(shí)現(xiàn)EIA電平到TTL電平的轉(zhuǎn)換。MAX232芯片可完成TTL←→EIA雙向電平轉(zhuǎn)換。</p><p>　　MAX232芯片是美信（MAXIM）公司專(zhuān)為RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，使用+5v單電源供電，額定電流為300μA，采用半雙工通

57、訊方式。它完成將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-232電平的功能[7]。</p><p>　?。?）符合所有的RS-232C技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)</p><p>　　（2）只需要單一 +5V電源供電</p><p>　?。?）片載電荷泵具有升壓、電壓極性反轉(zhuǎn)能力，能夠產(chǎn)生±10V電壓V+、V-</p><p>　　（4）功耗低，典型供電電流5mA

58、</p><p>　?。?）內(nèi)部集成2個(gè)RS-232C驅(qū)動(dòng)器</p><p>　　（6）高集成度，片外最低只需4個(gè)電容即可工作。</p><p><b>　　鍵盤(pán)模塊設(shè)計(jì)方案</b></p><p>　　在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中為了控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)以及向系統(tǒng)中輸入數(shù)據(jù)，應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置鍵盤(pán)或按鍵。例如：為了復(fù)位用到復(fù)位鍵，

59、功能轉(zhuǎn)換用的功能鍵以及數(shù)字輸入用的數(shù)字鍵盤(pán)等。鍵盤(pán)的設(shè)置可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，借助鍵盤(pán)可以向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)輸入程序、設(shè)置參數(shù)、鍵入操作命令、控制程序的執(zhí)行等，所以用途十分廣泛。</p><p>　　單片機(jī)系統(tǒng)所用的鍵盤(pán)有全編碼鍵盤(pán)和非全編碼鍵盤(pán)兩種。全編碼鍵盤(pán)能夠由硬件邏輯自動(dòng)提供與被按鍵對(duì)應(yīng)的鍵碼。此外，一般還具有去抖動(dòng)和多鍵串鍵保護(hù)電路。這種鍵盤(pán)使用方便，但需要較多硬件，價(jià)格昂貴，一般單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)較少采用。非編碼鍵

60、盤(pán)只簡(jiǎn)單地提供行和列矩陣，其他工作都靠軟件完成。由于非編碼鍵盤(pán)經(jīng)濟(jì)實(shí)用，目前在單片機(jī)系統(tǒng)中使用較多。</p><p>　　圖 2-5 獨(dú)立接口的陣列鍵盤(pán)</p><p>　　綜上所述，本設(shè)計(jì)實(shí)際使用按鍵的情況較少，編程、控制都可以不使用鍵盤(pán)，故采用獨(dú)立式鍵盤(pán)接口電路。</p><p><b>　　顯示模塊設(shè)計(jì)方案</b></p>

61、<p>　　為方便觀察和監(jiān)視單片機(jī)運(yùn)行情況，通常把數(shù)碼顯示器作為單片機(jī)的輸出設(shè)備，用來(lái)顯示單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的鍵值輸入、中間信息以及運(yùn)算結(jié)果。</p><p>　　在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，常用的顯示器主要有LED（發(fā)光二極管顯示器）、LCD（液晶顯示器）兩種。這兩種顯示器具有省電、成本低、配置靈活、線路簡(jiǎn)單、安裝方便、耐震東、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。但因其顯示內(nèi)容有限，且不方便顯示圖形，因而應(yīng)用具有局限性，近年來(lái)對(duì)某些要

62、求較高的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)始配置簡(jiǎn)易的CRT接口。</p><p>　　本系統(tǒng)中僅需顯示液位高度，即數(shù)字量，采用LED顯示器已能滿足系統(tǒng)要求。</p><p>　　系統(tǒng)中，要求測(cè)量范圍≤5m，測(cè)量精度為10%，假設(shè)測(cè)量范圍為5m，在10%精度的要求下，其測(cè)量的有效值為5*10%=0.5m。因而采用2位LED顯示器便能滿足設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　圖 2-6 2位

63、LED顯示器模塊</p><p>　　在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，LED顯示器的現(xiàn)實(shí)方法有兩種：靜態(tài)顯示法和動(dòng)態(tài)顯示法。靜態(tài)顯示法的優(yōu)點(diǎn)是顯示程序十分簡(jiǎn)單，顯示亮度大，由于CPU不必經(jīng)常掃描顯示器，所以節(jié)約了CPU的工作時(shí)間。但靜態(tài)顯示也有其缺點(diǎn)，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(shù)目較少的應(yīng)用系統(tǒng)中。為了解決靜態(tài)顯示占用I/O口資源的缺點(diǎn)，在軟件上采用壓縮BCD碼輸出顯示數(shù)據(jù)，硬件上使

64、用一個(gè)8位鎖存器74LS273與兩個(gè)BCD數(shù)碼顯示譯碼驅(qū)動(dòng)芯片74LS47連接，減少對(duì)系統(tǒng)資源的占用時(shí)間。由于74LS47譯碼為共陽(yáng)極數(shù)碼管的碼表，因而選用8段（帶小數(shù)點(diǎn)）共陽(yáng)極LED用于數(shù)據(jù)顯示。高位顯示米單位，低位顯示分米單位，且高位小數(shù)點(diǎn)常亮。單片機(jī)使用1位I/O口控制數(shù)據(jù)的鎖存。</p><p><b>　　數(shù)據(jù)模塊設(shè)計(jì)方案</b></p><p>　　51系

65、列單片機(jī)劃分為如下4個(gè)存儲(chǔ)區(qū)：</p><p><b>　　片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)</b></p><p><b>　　片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)</b></p><p><b>　　片內(nèi)程序存儲(chǔ)區(qū)</b></p><p><b>　　片外程序存儲(chǔ)區(qū) </b></p&g

66、t;<p>　　使用AT89S52內(nèi)部256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器記錄數(shù)據(jù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因而需要擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。</p><p>　　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可選擇的種類(lèi)繁多，常用的有隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）、只讀存儲(chǔ)器（ROM）與閃存（FLASH）。</p><p>　　RAM是存儲(chǔ)單元的內(nèi)容可按需隨意取出或存入，且存取的速度與存儲(chǔ)單元的位置無(wú)關(guān)的存儲(chǔ)器。這種存儲(chǔ)器在斷電時(shí)將丟失其

67、存儲(chǔ)內(nèi)容，故主要用于存儲(chǔ)短時(shí)間使用的程序。</p><p>　　ROM通常指固化存儲(chǔ)器（一次寫(xiě)入，反復(fù)讀?。?，它的特點(diǎn)與RAM相反。ROM又分一次性固化、光擦除和電擦除重寫(xiě)兩種類(lèi)型。</p><p>　　閃存則是一種不揮發(fā)性（Non-Volatile）內(nèi)存，在沒(méi)有電流供應(yīng)的條件下也能夠長(zhǎng)久地保持?jǐn)?shù)據(jù)，其存儲(chǔ)特性相當(dāng)于硬盤(pán)，這項(xiàng)特性正是閃存得以成為各類(lèi)便攜型數(shù)字設(shè)備的存儲(chǔ)介質(zhì)的基礎(chǔ)。<

68、/p><p>　　NOR和NAND是現(xiàn)在市場(chǎng)上兩種主要的非易失閃存技術(shù)。</p><p>　　NAND閃存的存儲(chǔ)單元?jiǎng)t采用串行結(jié)構(gòu)，存儲(chǔ)單元的讀寫(xiě)是以頁(yè)和塊為單位來(lái)進(jìn)行（一頁(yè)包含若干字節(jié)，若干頁(yè)則組成儲(chǔ)存塊，NAND的存儲(chǔ)塊大小為8到32KB），這種結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點(diǎn)在于容量可以做得很大，超過(guò)512MB容量的NAND產(chǎn)品相當(dāng)普遍， NAND閃存的成本較低，有利于大規(guī)模普及。</p>

69、<p>　　NAND閃存的缺點(diǎn)在于讀速度較慢，它的I/O端口只有8個(gè)，比NOR要少多了。這區(qū)區(qū)8個(gè)I/O端口只能以信號(hào)輪流傳送的方式完成數(shù)據(jù)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(pán)模塊結(jié)構(gòu)，內(nèi)部不存在專(zhuān)門(mén)的存儲(chǔ)控制器，一旦出現(xiàn)數(shù)據(jù)壞塊將無(wú)法修，可靠性較NOR閃存要差。</p><p>　　NOR的特點(diǎn)是芯片內(nèi)執(zhí)行(XIP, eXecute In Place)，這樣

70、應(yīng)用程序可以直接在flash閃存內(nèi)運(yùn)行，不必再把代碼讀到系統(tǒng)RAM中。NOR的傳輸效率很高，在1～4MB的小容量時(shí)具有很高的成本效益，但是很低的寫(xiě)入和擦除速度大大影響了它的性能。</p><p>　　NAND結(jié)構(gòu)能提供極高的單元密度，可以達(dá)到高存儲(chǔ)密度，并且寫(xiě)入和擦除的速度也很快。應(yīng)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(chǔ)復(fù)雜，不適宜實(shí)時(shí)

71、系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。</p><p>　　FLASH是一個(gè)不錯(cuò)的解決方案。鑒于系統(tǒng)的復(fù)雜程度，暫時(shí)不考慮使用FLASH作為存儲(chǔ)單元。</p><p>　　圖 2-7 FLASH閃存芯片</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求，記錄某一記錄點(diǎn)（電機(jī)狀態(tài)改變時(shí)刻）的狀態(tài)與時(shí)間需要6字節(jié)數(shù)據(jù)，即年（2000-2099年）、月（1-12月）、日（1-31日）、時(shí)（0-23時(shí)）、分（0

72、-59分）、狀態(tài)（0或1）這些數(shù)據(jù)，如果系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間的工作，將會(huì)有大批量的數(shù)據(jù)產(chǎn)生，假若數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間不夠大，將會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)的覆蓋，從而降低了對(duì)數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性。因此選用32K字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，可以記錄大于5000項(xiàng)記錄點(diǎn)數(shù)據(jù)，考慮到水箱上水與耗水的頻繁程度不高，5000項(xiàng)數(shù)據(jù)已基本滿足后期數(shù)據(jù)處理的需求。在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)在不掉電的工作環(huán)境下；軟件上，上位機(jī)軟件對(duì)數(shù)據(jù)提取后即可保存在PC機(jī)中，5000項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間上的緩沖是充足的。為節(jié)

73、省CPU的工作時(shí)間，且由于RAM存儲(chǔ)速度快、使用方便等特點(diǎn)，從而可以忽略了RAM掉電數(shù)據(jù)丟失的缺點(diǎn)。</p><p><b>　　計(jì)時(shí)模塊設(shè)計(jì)方案</b></p><p>　　通過(guò)單片機(jī)的定時(shí)器，可以設(shè)計(jì)時(shí)間功能，然而單片機(jī)自身的產(chǎn)生時(shí)間數(shù)據(jù)大大占用了系統(tǒng)的資源，降低了工作效率，甚至影響了其他功能的實(shí)現(xiàn)，因此在本設(shè)計(jì)方案中，采用了外部芯片提供時(shí)間信號(hào)，用以系統(tǒng)記錄時(shí)間

74、信息。</p><p>　　目前市場(chǎng)上的時(shí)鐘芯片很多，如DS1302/DS1307/HT1380/HT1381/PCF8563等。</p><p>　　DS1302是DALLAS公司推出的涓流充電時(shí)鐘芯片，內(nèi)含有一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷和31字節(jié)靜態(tài)RAM，通過(guò)簡(jiǎn)單的串行接口與單片機(jī)進(jìn)行通信。實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷電路提供秒、分、時(shí)、日期、日、月、年的信息，每月的天數(shù)和閏年的天數(shù)可自動(dòng)調(diào)整，時(shí)鐘操作可通

75、過(guò)AM/PM指示決定采用24或12小時(shí)格式。DS1302與單片機(jī)之間能簡(jiǎn)單地采用同步串行的方式進(jìn)行通信，僅需用到三個(gè)口線(1) RES（復(fù)位），(2) I/O（數(shù)據(jù)線），(3) SCLK（串行時(shí)鐘）。時(shí)鐘/RAM的讀、寫(xiě)數(shù)據(jù)以一個(gè)字節(jié)或多達(dá)31個(gè)字節(jié)的字符組方式通信。DS1302工作時(shí)功耗很低，保持?jǐn)?shù)據(jù)和時(shí)鐘信息時(shí)功率小于1mW。</p><p>　　圖 2-8 DS1302計(jì)時(shí)模塊</p><

76、;p>　　DS1302是由DS1202改進(jìn)而來(lái)，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(yīng)，Vcc1為可編程涓流充電電源，附加七個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)器。它廣泛應(yīng)用于電話、傳真、便攜式儀器以及電池供電的儀器儀表等產(chǎn)品領(lǐng)域。其主要的性能指標(biāo)如下：</p><p>　?。?）實(shí)時(shí)時(shí)鐘具有能計(jì)算2100年之前的秒、分、時(shí)、日期、星期、月、年的能力，有閏年調(diào)整的能力。</p><p>　?。?

77、）31*8位暫存數(shù)據(jù)存儲(chǔ)RAM。</p><p>　?。?）串行I/O口方式使得管腳數(shù)量最少。</p><p>　?。?）寬范圍工作電壓2.0~5.5V。</p><p>　?。?）工作電流2.0V時(shí)，小于300nA。</p><p>　?。?）讀/寫(xiě)時(shí)鐘或RAM數(shù)據(jù)時(shí)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&g

78、t;<p>　　（7）8腳DIP封裝或可選的8腳SOIC封裝。</p><p>　?。?）簡(jiǎn)單3線接口。</p><p>　?。?）與TTL兼容VCC=5V。</p><p>　　（10）可選工業(yè)級(jí)溫度范圍－40至＋85攝氏度。</p><p>　　（11）與DS1202兼容。</p><p>

79、　?。?2）在DS1202基礎(chǔ)上增加的特性：</p><p>　?。?3）對(duì)VCC1有可選的涓流充電能力；</p><p>　?。?4）雙電源管用于主電源和備份電源供應(yīng)；</p><p>　?。?5）備份電源管腳可由電池或大容量電容輸入；</p><p>　?。?6）附加的7字節(jié)暫存存儲(chǔ)器。</p><p>

80、　　綜上所述，選用DS1302時(shí)間芯片完全滿足設(shè)計(jì)的需求。</p><p><b>　　A/D模塊設(shè)計(jì)方案</b></p><p>　　A/D器件和芯片是實(shí)現(xiàn)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集的常用外圍器件。A/D轉(zhuǎn)換器的品種繁多、性能各異，在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)，首先碰到的就是如何選擇合適的A/D轉(zhuǎn)換器以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的問(wèn)題。選擇A/D轉(zhuǎn)換器件需要考慮器件本身的品質(zhì)和應(yīng)用的場(chǎng)合要求。基

81、本上，可以根據(jù)以下幾個(gè)方面的指標(biāo)選擇一個(gè)A/D器件。</p><p>　　圖 2-9 ADC0804芯片</p><p>　?。?）A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)的確定，應(yīng)該從數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)平滑性這兩個(gè)方面進(jìn)行考慮。從靜態(tài)精度方面來(lái)說(shuō)，要考慮輸入信號(hào)的原始誤差傳遞到輸出所產(chǎn)生的誤差，它是模擬信號(hào)數(shù)字化時(shí)產(chǎn)生誤差的主要部分。量化

82、誤差與A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)有關(guān)。一般把8位以下的A/D轉(zhuǎn)換器歸為低分辨率A/D轉(zhuǎn)換器，9~12位的稱為中分辨率轉(zhuǎn)換器，13位以上的稱為高分辨率轉(zhuǎn)換器。10位以下的A/D芯片誤差較大，11位以上對(duì)減小誤差并無(wú)太大貢獻(xiàn)，但對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器的要求卻提得過(guò)高。因此，取10位或11位是合適的。由于模擬信號(hào)先經(jīng)過(guò)測(cè)量裝置，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后才進(jìn)行處理，因此，總的誤差是由測(cè)量誤差和量化誤差共同構(gòu)成的。A/D轉(zhuǎn)換器的精度應(yīng)與測(cè)量裝置的精度相匹配。也就是說(shuō)

83、，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?cái)U(kuò)大測(cè)量誤差；另一方面必須根據(jù)目前測(cè)量裝置的精度水平，對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)提出恰當(dāng)?shù)囊蟆?lt;/p><p>　　目前，大多數(shù)測(cè)量裝置的精度值不小于0.1%~0.5%，故A/D轉(zhuǎn)換器的精度取0.05% ~ 0.1%即可，相應(yīng)的二進(jìn)制碼為10~11位，加上符號(hào)位，即為11~12位。當(dāng)有特殊的應(yīng)用時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換器要求更多的位數(shù)，這時(shí)往往可采用雙精度的轉(zhuǎn)換方案。&

84、lt;/p><p>　　（2）A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換器從啟動(dòng)轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換結(jié)束，輸出穩(wěn)定的數(shù)字量，需要一定的轉(zhuǎn)換時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間的倒數(shù)就是每秒鐘能完成的轉(zhuǎn)換次數(shù)，稱為轉(zhuǎn)換速率。</p><p>　　確定A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率時(shí)，應(yīng)考慮系統(tǒng)的采樣速率。例如，如果用轉(zhuǎn)換時(shí)間為100us的A/D轉(zhuǎn)換器，則其轉(zhuǎn)換速率為10KHz。根據(jù)采樣定理和實(shí)際需

85、要，一個(gè)周期的波形需采10個(gè)樣點(diǎn)，那么這樣的A/D轉(zhuǎn)換器最高也只有處理頻率為1KHz的模擬信號(hào)。把轉(zhuǎn)換時(shí)間減小，信號(hào)頻率可提高。對(duì)一般的單片機(jī)而言，要在采樣時(shí)間內(nèi)完成A/D轉(zhuǎn)換以外的工作，如讀數(shù)據(jù)、再啟動(dòng)、存數(shù)據(jù)、循環(huán)計(jì)數(shù)等已經(jīng)比較困難了。</p><p>　　（3）采樣/保持器</p><p>　　采集直流和變化非常緩慢的模擬信號(hào)時(shí)可不用采樣保持器。對(duì)于其他模擬信號(hào)一般都要加采樣保持器

86、。如果信號(hào)頻率不高，A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間短，即采樣高速A/D時(shí)，也可不用采樣/保持器。</p><p>　?。?）A/D轉(zhuǎn)換器量程</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換時(shí)需要的是雙極性的，有時(shí)是單極性的。輸入信號(hào)最小值有的從零開(kāi)始，也有從非零開(kāi)始的。有的轉(zhuǎn)換器提供了不同量程的引腳，只有正確使用，才能保證轉(zhuǎn)換精度。在使用中，影響A/D轉(zhuǎn)換器量程的因素有：量程變換和雙極性偏置；雙基準(zhǔn)電壓；A/D

87、轉(zhuǎn)換器內(nèi)部比較器輸入端的正確使用。</p><p><b>　?。?）滿刻度誤差</b></p><p>　　滿度輸出時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)與理想輸入信號(hào)值之差。</p><p><b>　　（6）線性度</b></p><p>　　實(shí)際轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)移函數(shù)與理想直線的最大偏移。</p>&

88、lt;p>　　ADC0804是單路8位逐次比較型雙極性輸入A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間小于 。量化間隔：</p><p><b>　　（2-1）</b></p><p><b>　　絕對(duì)量化誤差：</b></p><p><b>　?。?-2）</b></p><p><

89、b>　　相對(duì)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(shè)計(jì)誤差要求的。</p><p><b>　　傳感器模塊設(shè)計(jì)方案</b></p><p>　　液位控制是一項(xiàng)很重要

90、的功能，在工業(yè)應(yīng)用中有各種不同的液位控制系統(tǒng)，涵蓋了很多種制程。有些制程會(huì)涉及到液體以外的其它介質(zhì)，如干粉和化學(xué)原料。介質(zhì)的種類(lèi)如此廣泛，沒(méi)有一種單一的設(shè)備能滿足所有的應(yīng)用。</p><p>　　浮球控制 - 有一個(gè)浮球會(huì)隨著液位的改變而上下運(yùn)動(dòng)，按照預(yù)先設(shè)定的點(diǎn)來(lái)進(jìn)行開(kāi)關(guān)切換。</p><p>　　探頭型 - 我們會(huì)在下面的內(nèi)容中介紹這種測(cè)量電導(dǎo)率或電容方法。</p>

91、<p>　　鋼棒電容型 - 一根懸浮在液體中的鋼棒，電容的測(cè)量值會(huì)隨著水位的變化而變化。</p><p>　　超聲波型 - 傳感器直接向被測(cè)量液體的表面發(fā)出高頻聲波脈沖，利用已知的溫度、空氣中聲波的速度、脈沖反彈回傳感器的時(shí)間來(lái)確定液位。</p><p>　　微波雷達(dá)探測(cè)型 - 原理同超聲波類(lèi)似，只不過(guò)是利用高頻電磁能來(lái)代替聲能。</p><

92、;p>　　流體靜壓型 - 利用一個(gè)壓力傳感器來(lái)測(cè)量感應(yīng)器頭上被測(cè)液體的液體靜壓和大氣壓之間的壓差。壓力的改變相應(yīng)轉(zhuǎn)換成4-20mA的輸出信號(hào)。</p><p>　　壓差型 - 原理類(lèi)似流體靜壓型，但是此處的被測(cè)液體除了靜壓還有動(dòng)壓?？梢詼y(cè)量壓力的微小改變，并與輸出信號(hào)范圍成比例。典型應(yīng)用是測(cè)量鍋爐的蒸汽汽包中的水位，或者是再沸器中冷凝水的液位。</p><p>　　磁體型

93、 - 在被測(cè)液體的水箱中，一個(gè)浮球或錐體沿著不銹鋼的探棒上升或下降。浮球與水箱外面的開(kāi)關(guān)由于磁性互相影響，并且向控制器發(fā)回信息。</p><p>　　扭矩型 - 扭矩變送器測(cè)量一個(gè)運(yùn)動(dòng)的浮球軸產(chǎn)生扭矩的變化。</p><p>　　對(duì)于應(yīng)用而言，使用正確的液位控制很重要，因此在選型之前需要向技術(shù)員尋求一些專(zhuān)業(yè)的建議。</p><p>　　探討上面所有的控制形式

94、各自的優(yōu)缺點(diǎn)已經(jīng)超出了本論文內(nèi)容的范圍，水箱液位控制系統(tǒng)應(yīng)用中，常用的是浮球和探頭型的液位控制。浮球型的動(dòng)作是完全自作用的，無(wú)需過(guò)多的解釋?zhuān)旅鎸?duì)采用電導(dǎo)率和電容性的探頭的液位控制系統(tǒng)做進(jìn)一步的討論。</p><p>　　液位控制的方法主要有三種：</p><p>　　非調(diào)節(jié)的開(kāi)/關(guān)液位控制</p><p>　　最終的控制設(shè)備可能會(huì)是一臺(tái)水泵或閥門(mén)，控制的是這些設(shè)備

95、的開(kāi)/關(guān)。</p><p>　　通常碰到的開(kāi)/關(guān)液位控制系統(tǒng)主要有兩種形式：浮球控制型和電導(dǎo)率探頭型。浮球型的液位控制依靠液體表面上浮球的運(yùn)動(dòng)來(lái)直接控制閥門(mén)的動(dòng)作，或者驅(qū)動(dòng)電子開(kāi)關(guān)。電導(dǎo)率探頭會(huì)有幾根探棒，這些探棒被切割成不同的長(zhǎng)度，這些就是控制的設(shè)定點(diǎn)。</p><p>　　可調(diào)的開(kāi)/關(guān)液位控制</p><p>　　同樣，最終的控制設(shè)備可能會(huì)是一臺(tái)水泵或閥門(mén)，控制

96、的是這些設(shè)備的開(kāi)/關(guān)。</p><p>　　用來(lái)調(diào)整控制點(diǎn)的一種方法是電容探頭。探頭會(huì)監(jiān)測(cè)液位，控制點(diǎn)由控制器來(lái)設(shè)定。電容型探頭不需要切割以滿足所需的液位，當(dāng)然，整個(gè)探頭的長(zhǎng)度必須充分滿足整個(gè)控制范圍。</p><p><b>　　調(diào)節(jié)型液位控制</b></p><p>　　控制設(shè)備會(huì)是一個(gè)閥門(mén)，調(diào)節(jié)至從全開(kāi)到全關(guān)中的某個(gè)點(diǎn)，其作用是對(duì)液位進(jìn)行

97、監(jiān)控。調(diào)節(jié)型的液位控制不能使用一個(gè)電導(dǎo)率探頭。在這種應(yīng)用中電容探頭是一個(gè)理想的選擇。</p><p>　　在這種形式的系統(tǒng)中，水泵可以連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，閥門(mén)允許適量的液體通過(guò)。同樣地，最終控制設(shè)備也可以是一個(gè)變頻水泵。轉(zhuǎn)速可以在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)定。</p><p>　　圖 2-10四探頭型的液位感應(yīng)器 圖2-11電容式的液位感應(yīng)器</p><p>

98、;　　報(bào)警 — 常用于這些警告：</p><p>　　高位報(bào)警，用于當(dāng)水箱的溢流或者熱流體的溢出會(huì)造成人員危險(xiǎn)。</p><p>　　低位報(bào)警，用于水箱液位太低，造成水泵空轉(zhuǎn)損壞、制程供水不足造成危險(xiǎn)。</p><p>　　在擾動(dòng)系統(tǒng)中浮球和探頭的安裝在某些水箱和容器中，可能會(huì)存在擾動(dòng)，這樣會(huì)造成信號(hào)失真、不具有代表性。如果這些狀況可能存在（或已經(jīng)存在），建議浮球或

99、探頭安裝在保護(hù)套內(nèi)。它們對(duì)于感應(yīng)的水位具有一定減弱的作用。</p><p>　　對(duì)于三種控制方法的選擇，主要依據(jù)是生產(chǎn)應(yīng)用，本文討論的是模型化的方案，因此，選擇較為復(fù)雜，應(yīng)用范圍較廣的調(diào)節(jié)型液位控制的方案進(jìn)行詳細(xì)介紹。</p><p><b>　　調(diào)節(jié)型液位控制</b></p><p><b>　　簡(jiǎn)介：</b></

100、p><p>　　調(diào)節(jié)型液位控制系統(tǒng)由一個(gè)電容探頭和相應(yīng)的控制器組成，控制器可以提供調(diào)節(jié)輸出信號(hào)，一般為4~20mA。這些輸出信號(hào)對(duì)不同設(shè)備的影響包括：調(diào)節(jié)控制閥、驅(qū)動(dòng)變頻水泵。</p><p><b>　　優(yōu)點(diǎn):</b></p><p>　　由于探頭和控制器僅僅是提供一個(gè)輸出信號(hào)給相應(yīng)的設(shè)備，而不是給設(shè)備提供動(dòng)力，因此在使用中沒(méi)有口徑的限制。<

101、;/p><p>　　可以提供水箱內(nèi)穩(wěn)定的液位控制。</p><p><b>　　缺點(diǎn):</b></p><p>　　要比電導(dǎo)率探頭液位控制系統(tǒng)昂貴。</p><p>　　要比電導(dǎo)率探頭液位控制系統(tǒng)復(fù)雜。</p><p>　　必須要一直有電源供給。</p><p>　　不適合于“

102、單獨(dú)”操作。</p><p><b>　　可能耗電量大。</b></p><p>　　圖 2-12 調(diào)節(jié)型的水箱液位控制系統(tǒng)的整體布置圖</p><p><b>　　控制器選擇</b></p><p>　　由于設(shè)計(jì)中沒(méi)有規(guī)定水泵電機(jī)的參數(shù)規(guī)格，而且不同型號(hào)的水泵參數(shù)不盡相同，電氣參數(shù)的不同使得在電路

103、上的設(shè)計(jì)差異較大，因此在此僅作理論演示。</p><p>　　選用繼電器作為啟動(dòng)控制單元的元件。</p><p><b>　　注意點(diǎn):</b></p><p>　　為了在調(diào)節(jié)閥關(guān)閉時(shí)防止給水泵過(guò)熱，需要安裝回流管道以保證最小量的水能通過(guò)水泵。</p><p>　　繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和

104、被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應(yīng)用于自動(dòng)控制電路中，它實(shí)際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動(dòng)開(kāi)關(guān)”。故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。</p><p>　　圖 2-13 繼電器</p><p>　　繼電器主要產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)：</p><p>　　（1）額定工作電壓。是指繼電器正常工作時(shí)線圈所需要的電壓。根據(jù)繼電器的型號(hào)不同，可以是交流電壓，

105、也可以是直流電壓。</p><p>　?。?）直流電阻。是指繼電器中線圈的直流電阻，可以通過(guò)萬(wàn)能表測(cè)量。</p><p>　?。?）吸合電流。是指繼電器能夠產(chǎn)生吸合動(dòng)作的最小電流。在正常使用時(shí)，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(duì)于線圈所加的工作電壓，一般不要超過(guò)額定工作電壓的1.5倍，否則會(huì)產(chǎn)生較大的電流而把線圈燒毀。</p><p>

106、　?。?）釋放電流。是指繼電器產(chǎn)生釋放動(dòng)作的最大電流。當(dāng)繼電器吸合狀態(tài)的電流減小到一定程度時(shí)，繼電器就會(huì)恢復(fù)到未通電的釋放狀態(tài)。這時(shí)的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于吸合電流。</p><p>　?。?）觸點(diǎn)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(shí)不能超過(guò)此值，否則很容易損壞繼電器的觸點(diǎn)。</p><p>　　根據(jù)以上的參數(shù)，結(jié)合設(shè)計(jì)的演示性，選用額定工

107、作電壓120VAC/24VDC，工作電流3A，控制電壓5VDC的小型繼電器。</p><p><b>　　硬件電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　單片機(jī)AT89S52硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　AT89S52引腳定義及功能介紹如圖3-1</p><p><b>　　。</b></p>

108、<p>　　圖3-1 AT89S52引腳及網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)</p><p><b>　　電源引腳</b></p><p>　　VCC（Pin40）：正電源引腳。正電源接4.0～5.0V電壓，正常工作電壓為+5V。</p><p>　　GND（Pin20）：接地引腳。</p><p>　　P0口：P0端口即P0.0～

109、P0.7，占據(jù)Pin39～Pin32共8個(gè)引腳。P0端口具有兩個(gè)功能，既可以用作雙向數(shù)據(jù)總線口，也可以分時(shí)復(fù)用輸出低8位地址總線。P0口是一個(gè)8位漏極開(kāi)路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P0端口寫(xiě)“1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問(wèn)外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，P0具有內(nèi)部上拉電阻。在FLASH編程時(shí)，P0口也用來(lái)接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。程序校驗(yàn)時(shí)

110、，需要外部上拉電阻。</p><p>　　P1口：P1端口即P1.0～P1.7，占據(jù)Pin1～Pin8共8個(gè)引腳。P1端口一般用做通用I/O端口，是8位準(zhǔn)并行的，具備4個(gè)TTL負(fù)載的驅(qū)動(dòng)能力。P1端口可以用做位處理，既各位都可以單獨(dú)輸出或輸入數(shù)據(jù)。P1口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P1端口寫(xiě)“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使

111、用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分別作定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的外部計(jì)數(shù)輸入（P1.0/T2）和定時(shí)器/計(jì)數(shù)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(yàn)時(shí)，P1口接收低8位地址字節(jié)。</p><p><b>　　引腳號(hào)第二功能：</b></p><p

112、>　　P1.0/T2 （定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的外部計(jì)數(shù)輸入），時(shí)鐘輸出</p><p>　　P1.1/T2EX （定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號(hào)和方向控制）</p><p>　　P1.5 MOSI （在系統(tǒng)編程用）</p><p>　　P1.6 MISO （在系統(tǒng)編程用）</p><p>　　P1.7 SCK （在系統(tǒng)編程用）&l

113、t;/p><p>　　P2口：P2端口即P2.0～P2.7，占據(jù)Pin21～Pin28共8個(gè)引腳。P2端口可以用作通用I/O端口，或者在擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器時(shí)用作高8位地址線。P2口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P2端口寫(xiě)“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)