微机原理与接口课程设计锅炉水位计.doc

1 信息科学与技术学院信息科学与技术学院 微机原理与接口课程设计微机原理与接口课程设计 题目名称： 锅炉水位计 专业班级： 计科 09 （2） 学生姓名： 王云龙 学生学号： 2009082215 指导教师： 裘祖旗 完成日期：2012-01 月 2 目录目录 1 绪论绪论.3 2 硬件设计硬件设计4 2.1 总体设计方案的确定总体设计方案的确定4 2.1.1 设计方法 4 2.2 硬件选择硬件选择5 2.2.1 传感器的选择 5 2.2.2 a/d 转换器的选择.6 2.2.3 控制芯片的选择 7 2.2.4 报警电路的设置 7 22.5 控制电路的设计 .8 2.2.6 显示电路的设计 8 3 软件设计软件设计9 3.1 程序模块程序模块9 3.2 程序流程图程序流程图9 3.3 a/d8089 转换子程序转换子程序10 3.4 报警子程序报警子程序12 3.5 总程序总程序13 4 实验与调试实验与调试 16 5 总结总结.17 3 1 绪论绪论 随着计算机技术和现代通信技术的迅速发展，水位报警计已经从普通型发 展到智能化，而且水位报警计的功能日益趋向于完善。 水位报警计是近年来开发的一项新技术，它是传感器、硬件、软件等几项 技术紧密结合的产物，它的作用是观测和控制容器内的介质多少量，通过液面 的高度来掌握体积的多少，从而达到防止超装和掌握存液数量的目的，可用于 很多地方进行工业控制。本次设计主要针对水塔，水库等储水设备进行自动检 测、自动报警等功能，其主要任务是保证储水设备的安全、稳定、经济的运行， 减轻工作人员的劳动强度，由于我国水位报警操作水平落后，工作人员过多， 但是现在水位报警计为水位控制开辟了广阔的前景。 对水位报警计研究，有利于满足人们日益增长的物质需求，通过将科学技 术应用到水位控制上从而使得人们真正体会到科技的发展给自己的现实生活所 带来的方便和舒适。 因储水设备里的水位会不断变化，水位过低或过高都会出现各种情况发生。 为了随时了解储水设备内的水位，在储水设备上都装有水位计，水位计和储水 设备构成一个连通器。通过安装在储水设备里面的传感器和设计好的电路通过 报警和控制来调控储水设备里面的水位。 目前国内外液位计的种类很多，有雷达液位计、磁性浮子液位计、石英管 液位计、智能雷达液位计、彩色石英管液位计和超声波液位计等等。而生产液 位计的公司有美国罗斯蒙特 rosemount、德国 e+h、日本横河 yokogawa、德国 西门子 siemens、瑞士 abb、德国 vega 等等。这些只是常用而较热门的品牌。 对水位报警计研究，有利于满足人们日益增长的物质需求，通过将科学技 术应用到水位控制上从而使得人们真正体会到科技的发展给自己的现实生活所 带来的方便和舒适。 4 2 硬件设计硬件设计 2.1 总体设计方案的确定总体设计方案的确定 设计数据采集系统时在硬件方面的工作主要是根据系统要求，合理选好个 单元器件及互相连接，以及完成输入、输出的设计。而数据采集系统的软件设 计是根据系统要实现的功能，经接口对各个部分进行控制；对模拟多路输入通 道的选择以保证选择正确的通道；在正确的时刻取样和保持以使 adc 能正确完 成转换；对输入的数字信息进行运算处理以及显示、记录和传输，对信息格式 可能还要做变换工作，这些基本上都是通过编程来实现。 基于上述的考虑本设计的整体思路如下:以 8086cpu 和 8255a 接口芯片为 核心开始设计，选用合适的液位传感器对储水设备中的液位参数进行报警把检 测到的模拟信号转换成电信号。本次设计采用的是变送器，它可以直接把液位 信号转化成标准的电信号，而不需要放大、整形、滤波等。对该电信号通过模 数转换把模拟信号转换成数字信号。模数转换器 a/d 与 8255a 相连，输入到 8255a，由 8255a 对其进行监测和控制。在控制电路的控制下，最后经过输出 端口与显示电路相连通过所编的程序完成显示功能。 2.1.1 设计方法设计方法 硬件电路的设计，对传感器的选型，a/d 转换器，接口芯片的选型。为显 示的驱动电路、数码管的选型。 硬件设计大体可以分为 4 步：用传感器将非电量信号转换成电量信号， 而在设计中选用什么类型的传感器，从经济性，可靠性和准确性的方面考虑。 用模/数转换器将模拟信号转换成数字信号，然后传送到 8255a 里。是控 制电路的设计，即对水位报警系统的控制。显示、监控电路的设计。 硬件设计框图，如图 1 所示： 5 8255a 芯片 液位变送器 （传感器） a/d 转换器 报警电路 水位控制电 路 显示电路 图 1 2.2 硬件选择硬件选择 2.2.1 传感器的选择传感器的选择 首先要了解本次对于水位测量报警主要是位于水利方面的应用，例如水库， 水塔等储水设备。所以选择浮力式液位计，价格较低，简单易于操作，可用来 远传和调节。适合用上述所说的设备上面。 在本次设计中，准备选用液位传感器为 jby 系列 l 形普通投入式液位变送 器。 作为此次设计所使用的传感器。 投入式静压式液位变送器是基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原 理，采用外国先进的隔离型扩散硅敏感元件，利用压阻效应，将静压转换为电 信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号。jyb 系列 l 形普通投 入式液位变送器适用于较多行业各种介质的液位报警。精巧的结构，简单的调 校和灵活的安装方式为用户轻松地使用提供了方便。 420ma、05v、010ma 等标准信号输出方式由用户根据需要任选。 用途与特点： 可广泛用于水厂，水库，水罐等场所、抗过载能力强、防浪涌电压，抗腐 蚀性能优良，具有过压过流保护，反向极性保护，稳定性高，抗干扰能力强， 6 实用性强，安装简便。 2.2.2 a/d 转换器的选择转换器的选择 a/d 转换器的作用是把模拟量转化成数字量，以便于计算机进行处理。 随着超大规模集成电路技术的飞速发展，a/d 转换器的新设计思想和制造 技术层出不穷。为满足各种不同的检测及控制任务的需要，大量结构不同，性 能不同的 a/d 转换芯片应运而生。 通过在转换速度和抗干扰能力还有经济性等方面的比较，逐次比较型 a/d 转换器比较适合。逐次比较型 a/d 转换器的工作原理就是将输入的模拟信号与 不同的参考电压做多次比较，使转换所得的数字量在数值上主次逼近输入模拟 量的对应值。 逐次比较型 a/d 转换器完成一次转换所需要的时间与其位数和时钟脉冲频 率有关，位数越少，时钟频率越高，转换时间就越短。这种 a/d 转换器具有转 换速度快、精度高的特点。 常用的集成逐次比较型 a/d 转换器有 adc0808/0809 系列（8）位、 adc0804(8 位)和 ad7810（10 位）等。本设计采用 a/d 转换器 adc0809。 adc0809 是 cmos 单片型逐次逼近式 ad 转换器，由于输出级有 8 位三态 输出锁存器，因而 0809 的数据输出端可以直接与单片机的数据总线连接。 adc0809 芯片有 28 条引脚，采用双列直插式封装，如图 2 所示： 123456 a b c d 654321 d c b a t itle num berrevisionsize b date:14-may-2010sheet of file:f:proteladc0809概概.ddbdrawn by: in 2 28 in 1 27 in 0 26 adda 25 addb 24 addc 23 ale 22 d7 21 d6 20 d5 19 d4 18 d0 17 v ref(-) 16 d2 15 d1 14 gnd 13 v ref(+) 12 v cc 11 clock 10 oe 9 d3 8 eoc 7 st art 6 in 7 5 in 6 4 in 5 3 in 4 2 in 3 1 u? adc0809 图 2 7 在本设计中使用到 74ls373。74ls373 是一种带有三态门的 8d 锁存器，其 引脚如图 3 所示： 123456 a b c d 654321 d c b a t itle num berrevisionsize b date:18-may-2010sheet of file:f:protel74ls373.ddbdrawn by: d0 3 q0 2 d1 4 q1 5 d2 7 q2 6 d3 8 q3 9 d4 13 q4 12 d5 14 q5 15 d6 17 q6 16 d7 18 q7 19 oe 1 le 11 u? 74ls373 图 3 2.2.3 控制芯片的选择控制芯片的选择 本次设计才用 8255a 芯片，8255a 为可编程芯片，可用程序设定或改变其 工作状态，可直接与外设相连。 其引脚图如图 4 示 pa3 1 pa2 2 pa1 3 pa0 4 rd 5 cs 6 gnd 7 a1 8 a0 9 pc7 10 pc6 11 pc5 12 pc4 13 pc3 14 pc2 15 pc1 16 pc0 17 pb0 18 pb1 19 pb2 20 pb3 40 pb4 39 pb5 38 pb6 37 pb7 36 vcc 35 d7 34 d6 33 d5 32 d4 31 d3 30 d2 29 d1 28 d0 27 reset 26 wr 25 pa7 24 pa6 23 pa5 22 pa4 21 8255a 8255a 图 4 2.2.4 报警电路的设置报警电路的设置 在储水设备系统发生故障或处于某种紧急状态时，系统能发出提醒人们警 觉的报警信号或者提示信号，常见的报警信号为声音报警。 8 具体电路设置如图 5 所示： 图 5 22.5 控制电路的设计控制电路的设计 控制电路在这里起到非常重要的作用，在水位报警中报警到水罐中水位的 高度，当水位高于警戒水位时，电动机停转，水泵停止对水罐供水；当水位低 于警戒水位时，电动机起转，水泵开始对水罐供水。 具体电路设置如图 6 所示： 图 6 2.2.6 显示电路的设计显示电路的设计 系统中经常用到 led 数码管作为显示输出设备。led 数码管显示器虽然显 示信息简单，但它具有显示清晰、亮度高、使用电压低、寿命长、接口方便等 9 特点，基本上能满足单片机应用系统的需要，所以在单片机应用系统中经常用 到。 在设计中，所设计的液位报警计，显示电路是对液位和报警等的显示，它 所需的精度要求不是很高，而且从价格上综合考虑，应选用 led 数码管和 led 灯作为输出设备。 3 软件设计软件设计 3.1 程序模块程序模块 软件的设计，采用汇编语言编程，这里面包含定时对检测电路数据采集， 输出信号驱动数码管显示等。 水位系统采用模块化程序结构，可以分成以下程序模块： 系统初始化程序主程序 main显示子程序 display 3.2 程序流程图程序流程图 如图 7 所示： 开始 程序初始化 水位过高吗 y n 显示正常水位灯 报警灯亮 蜂鸣器响 水位控制 10 图 7 3.3 a/d8089 转换子程序转换子程序 把传感器测得的数据输入进入 ad 转换器，把模拟信号转换为数字信号 ;- a/d 转换- code segment assume cs:code,ds:code,es:code org 3390h ad: jmp start zxk equ 0ffdch zwk equ 0ffddh led db 0c0h,0f9h,0a4h,0b0h,99h,92h,82h,0f8h,80h,90h db 88h,83h,0c6h,0a1h,86h,8eh,0ffh,0ch,0deh,0f3h buf db ?,?,?,?,?,? adport equ 0ffe0h start: mov buf,00h ;display 0809 00 mov buf+1,08h mov buf+2,00h mov buf+3,09h ;display 0809 00 mov buf+4,00h mov buf+5,00h p5: mov al,00h ;in0 mov dx,adport out dx,al call dis mov dx,adport in al,dx mov dx,0ffe4h ;new add 138 y1 11 not al ;new add out dx,al ;new add not al ;new add call ads jmp p5 ads: mov ah,al and al,0fh mov buf+5,al and ah,0f0h mov cl,4 shr ah,cl mov buf+4,ah ret ;- dis: mov cl,20h mov bx,offset buf dis1: mov al,bx push bx mov bx,offset led xlat pop bx mov dx,zxk out dx,al mov al,cl mov dx,zwk out dx,al push cx mov cx,0100h delay: loop $ 12 pop cx cmp cl,01h jz exit inc bx shr cl,1 jmp dis1 exit: mov al,00h mov dx,zwk out dx,al ret - code ends end ad 3.4 报警子程序报警子程序 当水位过低或者过高的时候进行报警，应对水位进行控制，使得其水位一 直处于一个正常的水平。 ;-报警子程序- code segment assume cs:code,ds:code org 3490h start: mov dx,0ffdbh mov al,88h out dx,al mov al,00h mov dx,0ffdah out dx,al waite: in al,dx test al,80h 13 jz l2 mov al,01h out dx,al ;输出 pc0=1 l1:mov cx,0ffffh loop l1 l2: in al,dx test al,40h jz waite mov al,02h out dx,al jmp waite code ends end start 3.5 总程序总程序 实现水位测量，当过高或者过低的时候进行报警。 code segment assume cs:code,ds:code org 3390h start: mov dx,0ffdbh mov al,80h out dx,al ads: mov dx,adport mov al,00h out dx,al mov cx,20 loop $ in al,dx mov ah,al 14 push ax and al,0fh lea bx,table xlat mov dx,zxk out dx,al mov dx,zwk mov al,01h out dx,al mov cx,0100h loop $ mov cl,04h shr ah,cl mov al,ah xlat mov dx,zxk out dx,al mov dx,zwk mov al,02h out dx,al pop ax cmp al,0ffh jae alert cmp al,00h jbe alert mov dx,0ffd8h mov al,0fdh out dx,al back: jmp ads 15 alert: mov dx,0ffd8h mov al,0feh out dx,al call delay mov al,0ffh out dx,al call delay mov dx,0ffdbh mov al,00h out dx,al mov cx,0ffffh loop $ inc al out dx,al mov cx,0ffffh loop $ jmp back delay proc mov cx,0ffffh loop $ ret delay endp table db 0c0h,0f9h,0a4h,0b0h,99h,92h,82h,0f8h,80h,90h db 88h,83h,0c6h,0a1h,86h,8eh,0ffh,0ch,0deh,0f3h zxk equ 0ffdch zwk equ 0ffddh adport equ 0ffe0h code ends end start 16 4 实验与调试实验与调试 现有微机原理实验仪器箱及电脑一台，用其中的 ad 模数转换单元用作传 感器的转换，其中的数码显示管来显示现在的水位，用其中的音频驱动单元来 代替报警器，用其中的 led 灯来代表正常水位的及非正常水位。通过试验箱中 的 8086 与 8255a 连接起来进行实验。 实验电路图如图 7 所示： gnd 1 ad14 2 ad13 3 ad12 4 ad11 5 ad10 6 ad9 7 ad8 8 ad7 9 ad6 10 ad5 11 ad4 12 ad3 13 ad2 14 ad1 15 ad0 16 nm i 17 titr 18 clk 19 gnd 20 vcc 40 a15 39 a16/s3 38 a17/s4 37 a18/s5 36 a19/s6 35 bhe/s7 34 m n/m x 33 rd 32 hold(rd/gt0) 31 hlda(rq/gt1) 30 wr(lock) 29 m /io(s2) 28 dt/r(s1) 27 den(s0) 26 ale(qs0) 25 inta(qs1) 24 text 23 ready 22 reset 21 8086 8086 pa3 1 pa2 2 pa1 3 pa0 4 rd 5 cs 6 gnd 7 a1 8 a0 9 pc7 10 pc6 11 pc5 12 pc4 13 pc3 14 pc2 15 pc1 16 pc0 17 pb0 18 pb1 19 pb2 20 pb3