精品基于单片机的异型水箱仿真装置论文

1、题 目：基于单片机的异型水箱仿真装置59基于单片机的异型水箱仿真装置摘要本设计的研究对象是以单片机为核心的异型水箱仿真装置，在为这一系统进行软硬件设计的过程中，发现和总结了一些实际问题，并通过解决这些问题，就异型水箱数学模型的建立、仿真装置硬件设计、软件设计展开讨论，力争在理论分析和实际应用上有所创新。异型水箱仿真装置的核心是围绕异型水箱的数学模型来体现异型水箱的特性，并通过软件实现整个异型水箱的工作状态和功能。对异型水箱数学模型的建立是本文工作的重点。异型水箱属于过程控制系统实验装置中的被控对象。由于被控对象的特性直接影响到整个系统的控制质量，所以其数学模型的建立非常重要。设计中通过机理演绎

2、法推导并建立了其数学模型，并设计出了仿真装置。关键词：单片机；异型水箱；数学模型 Study on The Simulation Set of Shaped Water Box Based on MCUAbstractThe object of this paper is a simulation set of shaped water box based on MCU.In the process of designing on software and hardware for the system,a few practical problems have been found.To s

3、olve these problems,we discuss the mathematical model building,the designing on hardware and software,and want to develop some new conclusions in practice and theory. The core of the simulation set of shaped water box is to show the characteristic of shaped water box according to its mathematic mode

4、l,and realizes its duty and function by software designing. The highlight of this paper is to build up the mathematical model of the shaped water box.The shaped water box belongs to a controlled member of process control system in the experiment installation.Since the characteristic of the controlle

5、d member directly influences the quality of the whole system,so it is very important that the mathematical model of the shaped water box is built.We have deduced and built its mathematic model by adopt the deductive method,and we have designed the device to simulate the shaped water box. Key words:

6、MCU; Shaped water box; Mathematic model 目 录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1 研究背景11.2 课题的目的及研究的主要内容11.3 课题的意义2第二章 异型水箱数学模型的建立42.1 过程建模的介绍42.2 单容过程的建模62.3 异型水箱数学模型的建立92.3.1 建立异型水箱数学模型的方法92.3.2 异型水箱数学模型的建立11第三章 基于单片机的异型水箱仿真装置硬件设计163.1 系统硬件的总体设计163.2 中央控制部件163.2.1 中央控制部件的选择163.2.2 AT89C52的封装形式与引脚173.2.3 AT89C52的

7、基本电路183.2.4 AT89C52的口线分配193.3 串行程序存储器203.3.1 X25045的引脚排列及引脚说明203.3.2 X25045芯片功能223.3.3 X25045工作原理223.3.4 X25045与AT89C52的接口电路233.4 模数转换部件233.4.1 模数转换部件的选择233.4.2 TLC0832引脚分配243.4.3 TLC0832配置位说明243.4.4 TLC0832时序分析253.4.5 TLC0832与AT89C52的接口电路263.5 人机接口部件263.5.1 输出显示263.5.2 键盘输入283.5.3 液位报警33第四章 基于单片机的异

8、型水箱仿真装置软件设计344.1 系统主程序设计344.2 A/D转换设计364.3 数据处理设计374.3.1 数字滤波设计374.3.2 标度变换设计394.4 键盘控制设计424.5 液位报警设计43第五章 课题总结及设想455.1 课题总结455.2 课题设想46参考文献47附录A 基于单片机的异型水箱仿真装置硬件电路图49附录B 基于单片机的异型水箱仿真装置源程序50致谢59内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第一章 绪论1.1 研究背景随着工业自动化的飞速发展、生产过程的需求、控制理论的开拓和控制技术工具及手段的进展要求过程控制系统不断的发展和完善。在过程控制系统中被控对象的对

9、象特性直接影响系统的控制品质，所以对于被控对象的研究实验也成为发展过程控制系统的重要手段之一。本设计就是在此基础上进行的以单片机为核心的异型水箱仿真装置实验。对被控对象进行认真和透彻的研究，对从事自动控制系统的工程技术人员来说，具有很重要的意义。单容水箱作为被控对象的实验系统具有广泛的应用背景。依据其不同的实际背景设计随机出水的单水箱供液系统以及随机入水的单水箱排液系统，并对这些系统的建模进行研究是很有意义的。1.2 课题的目的及研究的主要内容基于单片机的异型水箱仿真装置是应用单片机控制技术，以AT89C52单片机为核心实现异型水箱的特性。异型水箱是通过在水位分界点处其数学模型的不同来实现异型

10、水箱所具有的异型及非线性特性，同时设计相应的硬件电路来模拟异型水箱仿真装置并通过软件编程实现异型水箱的实际工作状态。国内外所研究的水箱控制系统基本上是：单容水箱系统、双容水箱系统与三容水箱系统，其中单容水箱可以作为单输入单输出一阶对象；双容水箱可以作为单输入单输出一阶对象、二阶对象、双输入双输出对象；三容水箱可以作为单输入单输出一阶对象、二阶对象、三阶对象、双输入双输出对象1。异型水箱系统是单容水箱系统。单片机的发展，使其越来越多的被应用在工业生产过程控制中，但由于工业生产中的实际操作都比较复杂而且庞大，为了使研究的成本降到最低，我们通过实验的方法对实际生产中的过程进行模拟和参数的标定，从而得

11、出结论，经过研究和整定，应用到实际的生产过程中，这就达到了研究的目的。 1.3 课题的意义在工业生产的实践中，人们普遍要求产品的质量“稳定”，而所谓产品质量的稳定实质上是指产品的某些最关键性的指标必须达到预定的要求，但是产品的性能指标的稳定往往是与产品生产过程中的工艺过程、工艺条件及工艺参数的稳定密不可分的。难以想象，在一个不稳定的、多变的生产条件下，能够生产出质量稳定的产品。事实上，在许多领域，过程控制的主要目的在于消除或减小外界的干扰对被控量的影响，使被控量能够稳定在给定值上。一个良好的控制系统不但要保护系统的稳定性和整个生产的安全，满足一定的约束条件，而且应该带来一定的经济效益和社会效益

12、。因此，对于过程控制系统的设计，已不能采用单一基于定量的数学模型的传统控制理论和控制技术，必须进一步开发高级的过程控制系统，研究先进的过程控制规律。所以基于单片机的控制系统在过程控制的生产实践中，发挥了越来越重要的作用。基于单片机控制的特点：1. 单片微机体积小，实际应用系统简单实用，成本低，效益好。2. 系统配置以满足对象的控制要求为出发点，使得系统具有较高的性能价格比。3. 应用系统通常将程序驻留在ROM中，无需软硬磁盘做软件载体，使系统不易受到干扰，可靠性高，使用方便。4. 应用系统所用存储器芯片可选用EPROM、E2PROM、OTP芯片或利用掩膜形式生产，便于成批开发和应用，许多单片微

13、机如68系列和80C51系列，开发芯片和应用芯片相互配套，使应用系统成本大大降低。5. 由于系统小巧玲珑，控制功能强、体积小，便于安装于被控设备之内，大大推动了机电一体化产品的开发。单片微机在许多过程控制设备和产品中都得到广泛的应用。不仅有常用的8位机，而且4位单片机和16位单片机也得到了普及，随着过程控制精度要求的增加和运算速度的增快，32位单片机也得到了进一步的应用。第二章 异型水箱数学模型的建立2.1 过程建模的介绍1 过程建模的基本概念被控过程的数学模型，是反映被控过程的输出量与输入量之间关系的数学描述。或者说，是描述被控过程因输入作用导致输出量（被控变量）变化的数学表达式。被控过程可

14、能既受控制输入的作用，也受扰动量影响。控制输入总是力图使被控过程按照某种期望的规律变化，而扰动量一般总是影响被控过程偏离期望运行状态。但从系统角度来看，无论是控制输入还是扰动，都属于输入量，因为它们都会影响输出的变化。2 数学模型的作用与要求 被控过程数学模型的作用很多，归纳起来主要有以下几点7：（1）设计过程控制系统及整定调节器参数在设计过程控制系统时，选择控制通道、确定控制方案、分析质量指标、探讨最佳工况以及调节器参数的最佳整定等都是以被控过程的数学模型为重要依据。尤其是实现生产过程的最优控制，如果没有充分掌握被控过程的数学模型，就无法实现最优设计。因此，建立数学模型也是实现最优控制的必要

15、前提。（2）指导生产工艺及其设备的设计与操作通过对生产工艺过程及其相关设备数学模型的分析或仿真，可以确定有关因素对整个被控过程特性的影响，从而指导生产工艺及其设备的设计与操作。（3）对被控过程进行仿真研究通过对过程的数学模型进行仿真试验，在计算机上进行计算、分析，以获取代表或逼近真实过程的定量关系，可以为过程控制系统的设计与调试提供所需的信息数据，从而大大降低设计试验成本，加快设计进程。对建立被控过程数学模型的具体要求，随其用途不同而异，但总的来说，一是应该尽量简单，二是应该正确可靠。3 建立过程数学模型的途径建立被控过程数学模型的方法目前主要有三种：一是机理演绎方法；二是实验辨识方法；三是机

16、理演绎与实验辨识相结合的混合方法，下面分别加以说明。（1）用机理演绎法建立被控过程的数学模型 所谓机理演绎法又称解析法，它是根据被控过程的内在机理，运用已知的静态和动态物料平衡、能量平衡等关系，用数学推理的方法求取被控过程的数学模型。通常的静态物料或能量的平衡关系是单位时间内进入被控过程的物料或能量等于单位时间内从被控过程流出的物料或能量。通常的动态物料或能量的平衡关系是单位时间内进入被控过程的物料或能量减去单位时间内从被控过程流出的物料或能量等于被控过程内物料或能量贮存量的变化率。由过程机理推到数学模型需要有足够和可靠的验前知识，否则，推导的结果就可能出现失真。这种方法的突出优点是在过程控制

17、系统没有建立之前就先推导出数学模型，对于系统的事先设计和方案论证是十分有利的。（2）用实验辨识方法求取被控过程的数学模型实验辨识方法又称系统辨识与参数估计方法，即根据过程输入、输出的实验测试数据，通过过程辨识和参数估计得出数学模型。过程辨识是根据测试数据确定模型结构（包括形式、方程阶次及时滞情况等）。在已定模型结构的基础上，再由测试数据确定模型的参数称为参数估计。也有人将此统称为系统辨识。实验辨识方法最常用的有三种，即相应曲线法、相关统计法以及最小二乘法。在采用实验辨识方法获取被控过程的数学模型时，存在一个开环辨识还是闭环辨识的问题。目前常用的辨识方法一般是在开环条件下进行的。2.2 单容过程

18、的建模此单容过程的建模采用解析方法。所谓单容过程，是指只有一个贮蓄容量的过程。单容过程可分为自衡单容过程与无自衡单容过程。所谓自衡过程，是指被控过程在扰动作用下，平衡状态被破坏后，不需要操作人员或仪表的干预，依靠自身能够恢复平衡的过程。反之，称为无自衡过程。1单容自衡过程数学模型的建立某单容液位过程如图2.1所示。图2.1 单容自衡液位过程符号说明：Q1水箱流入量；Q2水箱流出量；A水箱截面积；h水箱液位高度；Q1、Q2、h分别为某平衡状态Q10、Q20、h0的增量。根据动态物料平衡关系，故有 (2-1)表示成增量形式则为 (2-2)静态时应有Q1=Q2，dh/dt=0，Q1发生变化，液位h也

19、随之而变，使贮蓄罐出口处的静压发生变化，Q2也要发生变化。假定Q2与h近似成线性关系，与阀门处的静压液阻R成反比关系，则有 (2-3)将式（2-3）代入式（2-2）中，经整理可得 (2-4)式（2-4）即为单容液位被控过程的微分方程增量表示形式。将式（2-4）进行拉氏变换，写成传递函数形式则有 (2-5)为了更一般起见，将式（2-5）写成 (2-6)式中，T为过程的时间常数，T=RC；K为过程的放大系数，K=R；C为过程的容量系数，或称过程容量，此处C=A。 2 单容无自衡过程数学模型的建立某单容液位过程如图2.2所示。图2.2 单容无自衡液位过程符号说明：Q1水箱流入量；Q2水箱流出量；A水

20、箱截面积；h水箱液位高度；Q1、Q2、h分别为某平衡状态Q10、Q20、h0的增量。根据动态物料平衡关系，故有 (2-7) (2-8) 由于Q2为定值，故。依此将式（2-8）写成 (2-9)上式（2-9）即为该过程的输出输入关系。将此关系写成传递函数即为 (2-10)式中，T为过程的积分时间常数，T=A。 2.3 异型水箱数学模型的建立2.3.1 建立异型水箱数学模型的方法1异型水箱的数学模型分析 异型水箱如图2.3所示，其系统方框图如图2.4所示。图2.3 异型水箱图2.4 异型水箱系统方框图图2.3中，当异型水箱液位h<H1时，图2.4中的开关打开，整个系统就是一个单输入单输出的回路

21、，把它近似为单容自衡过程，系统的微分方程为。图2.3中，当h>H1时，图2.4中开关闭合，干扰加入到系统中，这个干扰实际上就是第二个孔处的流出量。水箱流出量的变化将引起水位的变化，反之当水位发生变化时，水位的变化将使流出量发生变化，此处的流出量不仅是第一个流出口的流量，同时也包括第二个流出口的流量。而第二个流出口的流量正是引入的干扰，所以引入的干扰通道将与输出构成一个负反馈回路。这样经变化的系统框图如图2.5。图2.5 经变化的系统方框图2响应曲线的建立图2.6 一阶无时延阶跃响应设阶跃输入变化量为x，可求得一阶无时延环节的阶跃响应为 (2-11)式中，K为过程的放大系数，T为时间常数。

22、对于式（2-11），考虑到 (2-12)根据式（2-11）和（2-12）可有 (2-13) 令t分别为t=T/2、T、2T.则、以及根据以上数据绘出响应曲线如图2.6所示。2.3.2 异型水箱数学模型的建立为作出异型水箱，在标准水箱的不同高度打尺寸相同的流出口，在不同高度上阀门处的静压液阻不同。用机理演绎法建立异型水箱的数学模型。1 当液位h<H1时图2.7 异型水箱H<H1时液位过程 图2.8 异型水箱液位过程阶跃响应当液位低于分界点H1时，把异型水箱近似为一个单容自衡过程，如图2.7所示。符号说明：Q1水箱流入量；水箱第一个出口的流出量；水箱第二个出口的流出量；R1水箱阀门1处

23、的静压液阻；R2水箱阀门2处的静压液阻；A水箱截面积；H1分界点液位；h水箱液位高度。根据动态物料平衡关系，故有 (2-14)表示成增量形式则为 (2-15)静态时应有，发生变化，液位h也随之而变，使贮蓄罐出口处的静压发生变化，也要发生变化。假定与h近似成线性关系，与阀门处的静压液阻成反比关系，则有 (2-16)将式（2-16）代入式（2-15）中，经整理可得 (2-17)式（2-17）即为单容液位被控过程的微分方程增量表示形式。将式（2-17）进行拉氏变换，写成传递函数形式则有 (2-18)为了更一般起见，将式（2-18）写成 (2-19)式中，T为过程的时间常数，；K为过程的放大系数，；C

24、为过程的容量系数，或称过程容量，此处C=A。 此过程输入为单位阶跃信号，响应曲线如图2.8所示。2当液位h>H1时图2.9 异型水箱液位过程图2.10 异型水箱液位过程阶跃响应当液位达到分界点H1时，加入了第二个孔的流量，整个过程的稳态值将发生变化，把整个过程近似为单容自衡过程，如图2.9。符号说明：Q1水箱流入量；水箱第一个出口的流出量；水箱第二个出口的流出量；Q水箱的总流出量；R1水箱阀门1处的静压液阻；R2水箱阀门2处的静压液阻；A水箱截面积；H1分界点液位；h水箱液位高度。根据动态物料平衡关系，故有 (2-20) 表示成增量形式则为 (2-21)静态时应有,，发生变化，液位也随之

25、而变，使贮蓄罐出口处的静压发生变化，Q也要发生变化。假定Q与近似成线性关系，与阀门处的静压液阻成反比关系，则有 (2-22)将式（2-22）代入式（2-21）中，经整理可得 (2-23) 式（2-23）即为单容液位被控过程的微分方程增量表示形式。将式（2-23）进行拉氏变换，写成传递函数形式则有 (2-24) 为了更一般起见，将式（2-24）写成 (2-25)式中，T为过程的时间常数，；K为过程的放大系数，；C为过程的容量系数，或称过程容量，此处C=A。 此过程输入为单位阶跃信号，响应曲线如图2.10。第三章 基于单片机的异型水箱仿真装置硬件设计3.1 系统硬件的总体设计基于单片机的异型水箱仿

26、真装置硬件设计的原理框图如图3.1所示。其硬件电路图见附录A。图3.1 异型水箱仿真装置电路框图 系统硬件部分由A/D转换电路、键盘输入、电源监测及看门狗X25045、单片机、输出显示以及报警指示电路组成。将采集来的水箱进水处流量经A/D转换送入单片机处理并输出显示异型水箱的实际水位。其中，键盘设置参数模拟水箱特性。3.2 中央控制部件3.2.1 中央控制部件的选择由图3.1硬件设计原理图可知，在对水位信号处理的整个过程中，单片机是一个最繁忙部分，是整个控制系统的核心，本设计中选用ATMEL公司生产的89系列单片机AT89C52。此单片机是以8031核构成的，与8051系列单片机兼容，因此设计

27、者很容易以8051为基础进行构造设计。用在这里不仅使电路大大简化，省去了许多元器件,而且使电路的智能性与灵活性也大大提高。此外，89系列单片机还具有一些很明显的优点16：内部含Flash存储器、和80C51插座兼容、静态时钟方式、错误编程亦无废品产生、可反复进行系统试验。3.2.2 AT89C52的封装形式与引脚AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。AT89C52的PQFP或TQFP封装为扁平的44个引脚封装，这种封装的体积很小、成本较低，为目前商品的主流，但在学校或培训机构中，这是行不通的。PLCC（塑料有引线芯片载体）封装也是AT89C

28、52常用的封装方式，这也是44个表面粘着式引脚（SMT）的封装，其中包括4个空引脚，其引脚编号与QFP封装非常类似（相容）。一般来说，采用这种封装的部件，可直接应用在电路板上，而不必钻孔。在研发、实验或教学时，还可利用插座，以缩短开发与生产的差距。本设计中AT89C52的封装是40个引脚双并排的封装，简称DIP40。由于现在都是采用较便宜的塑料封装，所以又叫做PDIP。在DIP封装里，俯视图左上方有记号者为第一脚，然后逆时针排序，分别为2、340脚。相邻两只脚的间距为0.1英尺，而两排引脚之间距为0.6英寸，刚好可插在面包板或40pin的插座上，特别适用于学校、培训机构里。不过，由于针脚式封装

29、体积较大、电路板制作成本较高，已很少用在商品里。AT89C52的40个引脚中包括电源引脚VCC，输入/输出口Port0、Port1、Port2、Port3，复位引脚Reset，频率引脚（就是时钟脉冲引脚）XTAL1、XTAL2，存储器引脚（时，系统使用内部存储器；时，系统使用外部存储器。）外部存储器控制引脚ALE（地址锁存允许信号）、（程序存储器允许输出端）。其引脚图如图3.2所示。图3.2 AT89C52引脚图3.2.3 AT89C52的基本电路图3.3 AT89C52的基本电路AT89C52的整个基本电路图如图3.3所示。1电源没有电路是不需要电源的，AT89C52亦是如此。首先将40脚接

30、VCC，也就是+5V，20脚接地GND。如图3.3中所示。2时钟脉冲AT89C52内部已具备振荡电路，只要在接地引脚上面的两个引脚（即19、18脚）连接简单的石英振荡晶体（Crystal）即可。如图3.3中所示。 3复位电路AT98C52的复位引脚是第九脚，当此引脚连接高电平超过2个机器周期（一个机器周期为6个时钟脉冲），即可产生复位的动作。12MHz的时钟脉冲，每个时钟脉冲1s，两个机器周期2s，因此，在第九脚上连接一个2s以上的高电平脉冲，即可产生复位的动作。通常，还会在电容两端并连一个按钮开关，如图3.5所示，此按钮开关是手动的Reset开关（强制Reset）。如图3.3中所示。4存储器

31、设定电路基本电路的最后部分是存储器的设定，如果把31脚（）接地，则采用外部存储器；如果把31脚（）接VCC，则采用内部存储器。在本设计中采用内部存储器，所以把31脚（）与VCC相连。如图3.3中所示。3.2.4 AT89C52的口线分配现在把单片机AT89C52口线的具体分配方法列表3.1如下：表3.1 AT89C52口线分配I/O线功能分配所属模块P1.0TLC0832的CS端模数转换P1.2TLC0832的DO/DI端模数转换P1.4X25045的复位端内存扩展P1.5X25045的CS端内存扩展P1.6X25045的时钟端内存扩展P0.0数码显示输入端人机接口P0.2数码显示时钟端人机接

32、口P0.5控制扬声器人机接口P2.0P2.7按键输入口人机接口3.3 串行程序存储器现代单片机的应用系统要求功能齐全、结构简单、价格低廉。在单片机系统的设计中，设计人员必须考虑单片机系统的抗干扰能力和数据长期可靠保存，并且具有看门狗功能、断电后能保存数据和上电、掉电时的复位功能。近几年来，产品设计变化很快。体积更小、可编程、高性能的产品需求飞涨。过去通常用来提高系统可靠性的三种电路分别为：看门狗定时器、低压复位和上电复位电路。通过联合这些电路的特性，美国Xiocr公司为系统设计师们提供了一个更小、功能更强、花销更少的芯片X25045。该芯片就是将单片机测控系统中常用的功能：看门狗定时器；电源电

33、压监控；上电复位；单行E2PROM集成在一起的集成芯片。3.3.1 X25045的引脚排列及引脚说明X25045引脚排列如图3.4。 图3.4 X25045引脚图其引脚功能说明如下：SO：串行输出引脚。在读周期内，数据在此引脚输出，数据由串行时钟的下降沿同步输出。SI：串行输人引脚。所有操作码、字节地址以及储存器的数据在此引脚上输人。数据由串行时钟的上升沿锁存。SCK：串行时钟控制，用于数据输人和输出的串行总线定时。操作码、地址或出现在SI引脚上的数据在时钟输人的上升沿锁定，而SO引脚上的数据在时钟输人的下降沿之后发生改变。：芯片选择引脚。当CS为高电平时，X25045不被选择，SO输出脚处于

34、高阻状态；当为低电平时，X25045开始工作。应当注意，在上电之后，在任何操作开始之前，需要从高电平至低电平的跳变。：写保护引脚。当为低电平时，X25045的非易失性写操作被禁止，但是芯片的其它功能正常。当保持高电平时，所有的功能，包括非易失性写操作都正常。在仍为低电平时变为低电平将中断对X25045的写操作。RESET：复位引脚。X25045的RESET引脚是高电平有效，漏极开路的输出端。只要VCC下降至低于最小VCC检测电平，RESET将变为高电平。它将保持高电平直至VCC上升到最小VCC检测电平200ms为止。如果允许看门狗定时器工作且保持高电平或低电平的时间长于看门狗超时周期，那么RE

35、SET也变为高电平。的下降沿将复位看门狗定时器。Vss：地。Vcc：电源电压。3.3.2 X25045芯片功能X25045有三种常用的功能：看门狗定时器、电压监控和E2PROM。1看门狗看门狗定时器对微机控制系统提供了独立的保护系统。它提供了三种定时间，可编程选择200ms、600ms、1.4s。在设定的时间内如果没有对X25045进行访问，则看门狗以RESET信号做输出响应，即变为高电平，延时约200ms后，RESET由高电平变为低电平，进行系统复位。2电压监控上电时，电源电压超过4.5V后，经过约200ms的稳定时间后，RESET信号由高电平变为低电平。掉电时，如电源电压低于4.5V，RE

36、SET信号就立刻由低电平变为高电平并一直保持到电源电压恢复到稳定为止。3E2PROM功能X25045芯片内部的储存器采用CMOS工艺的4096为串行E2PROM，按512×8组织，每个字节可以擦写10万次以上，内部数据可以保存100年以上。芯片具有编程块锁定功能。采用简单的三线总线的串行外设接口就可以对该芯片进行读写。3.3.3 X25045工作原理X25045芯片是设计成直接与许多常用微控制器系列的同步串行外设接口（SPI）相接的512×8E2PROM。X25045包括一个8位指令寄存器，它可通过SI输人来访问。数据在SCK的上升沿由时钟同步输人。在整个工作周期内，必须是

37、低电平且输人必须是高电平。X25045监视总线，如果在预置的时间周期内没有总线活动，那么它将提供RESET输出。3.3.4 X25045与AT89C52的接口电路X25045与AT89C52的接口电路如图3.5所示。图3.5 X25045与AT89C52的接口电路3.4 模数转换部件3.4.1 模数转换部件的选择由于TLC0832性能价格比较高，市场售价较低，购买也很方便，是单片机控制系统中常用的A/D转换芯片，所以被选为本设计中模数转换部件。TLC0832是美国德州仪器公司生产的串行控制模数转换器，有两个可多路选择的输入通道，与单片机或控制器通过三线接口连接。TLC0832是广泛应用的8位A

38、/D转换器，双通道输入，并且可以软件配置成单端或差分输入。串行输出可以方便的和标准的移位寄存器及微处理器接口。TLC0832的基准输入在片内与VCC连接。 TLC0832芯片特点：1. 8位分辨率；2. 5V单电源供电，基准电压为5V；3. 输入模拟信号电压范围为05V；4. 输入和输出电平与TTL和CMOS兼容；5. 可直接和微处理器接口或独立使用；6. 在250kHz时钟频率时，转换时间为32；7. 有两个可多路选择的模拟输入通道。应用领域：8位转换结果、数据采集系统、简单的微处理器接口、工业控制、单通道或多通道可配置单端及差分输入、工厂自动化系统。3.4.2 TLC0832引脚分配TLC

39、0832有SOIC和DIP两种封装，DIP封装的TLC0832引脚分配如图3.6所示。图3.6 TLC0832引脚图各引脚说明如下：为片选端，低电平有效；CH0、CH1为模拟信号输入端；DI为多路器地址选择输入端；DO为模数转换结果串行输出端；CLK为串行时钟输入端；GND为电源地；VCC/REF为正电源端和基准电压输入端。3.4.3 TLC0832配置位说明TLC0832工作时，选择哪个模拟通道，取决于输入时序中的配置位。同时，配置位也决定了输入是单端输入还是差分输入。当输入是差分时，要分配输入通道的极性；两个输入通道的任一个通道都可作为正极或负极。TLC0832的配置位逻辑表如表3.3所列

40、。表3.2中：+表示输入通道的端点为正极性，表示输入通道的端点为负极性，H或L表示高、低电平。输入配置位时，高位在前，低位在后。表3.2TLC0832的配置位逻辑表配置位选择通道号CH0CHILLLHHLHH3.4.4 TLC0832时序分析图3.7 TLC0832工作时序图TLC0832的工作时序如图3.7所示。由时序可以看出，置为低电平时，选中TLC0832，使所有逻辑电路使能。在每个时钟CLK的上升跳变时，DI端的数据移入TLC0832内部的多路器地址移位寄存器。在第一个时钟期间，DI为高，表示启始位，紧接着要输入两位配置位。当输入启始位和配置位后，选通输入模拟通道转换开始。转换开始后，

41、先提供一个时钟，以使选定的通道稳定。TLC0832接着输出转换的数据，数据输出时先输出最高位；输出完转换的数据后，又以最低位开始重新输出一遍数据。当片选变高时，内部所有寄存器清零，输出变为高阻状态。如果要想再一次模数转换，片选必须再次要由从高变低的跳变，后面再输入启始位和配置位。由于DI端只在多路寻址时被检测，而此时DO端仍为高阻状态，因此DI端和DO端可以连在一起。3.4.5 TLC0832与AT89C52的接口电路TLC0832与AT89C52的接口电路如图3.8所示。图3.8 TLC0832与AT89C52的接口电路3.5 人机接口部件3.5.1 输出显示1. 数码管介绍LED数码管的结

42、构简单，分为七段和八段两种形式，也有共阳和共阴之分。以八段共阴管为例，它有8个发光二极管(比七段多一个发光二极管，用来显示SP即点)，每个发光二极管的阴极连在一起。这样，一个LED数码管就有1根位选线和8根段选线，要想显示一个数值，就要分别对它们的高低电平来加以控制。一般的显示电路由多个数码管构成，N个数码管可以构成N位LED显示器，共有N根位选线和8N根段选线。依据位选线和段选线的连接方式的不同，MCS-51系列单片机对LED显示管的显示主要有静态显示和动态显示两种方式。本设计主要讨论4位共阴八段LED数码显示管。其中八段LED数码显示管外形及引脚如图3.9所示。图3.9 八段LED数码显示

43、管外形及引脚2. LED静态显示方式利用静态显示稳定的优点，本系统采用串行口输出的静态显示接口电路，使用MCS-51单片机的串行口输出，外接串行转换芯片74LS164作为LED显示器的静态显示接口，把MCS-51的p0.0定义为74LS164的输出信号，p0.2定义为74LS164的时钟信号，如图3.10所示。 74LS164是TTL单向8位移位寄存器，可以实现串行输入，并行输出，其引脚图如图3.11所示。它的A、B(第1、2脚)为串行数据输入端，两个引脚按照逻辑与运算规律输入信号，若共用一个信号时可以连到一起，共同连接到p0.0端。CLK(8脚)为时钟信号输入端，本设计中连接到串行口的p0.

44、2端，每个时钟的上升沿过来，移位计数器就移一位，8个时钟脉冲过后，8位二进制数全部移入74LS164中。为清零复位端，为低电平时所有输出端口复零，为使其不起作用而让数据正常传输，加一个高电平。多个74LS164首尾相串联。而时钟信号接在一起，这样当输入8个脉冲时，从单片机p0.0端输入的数据就进入了第一片74LS164中，下一次8个脉冲到来后，这个数据就进入了第二片74LS164，而新的数据就进入了第一片图3.10静态显示接口电路图3.11 74LS164引脚图3.5.2 键盘输入1. 键盘扫描原理图3.12（a）所示为4×4键盘，图3.14（b）为其内部结构，其中包括4行、4列，构

45、成一个4×4的数组。Y0、Y1、Y2、Y3各连接一个电阻到共同点com上。依扫描方式的不同，com可能连接到VCC或GND，当进行键盘扫描时，则将扫描信号送至Y0、Y1、Y2、Y3，再由X0、X1、X2、X3读取键盘状态，即可判断哪个按键被按下。键盘扫描的方式有两种，即低电平扫描与高电平扫描。通常以低电平扫描为多。低电平扫描是将共同点com连接VCC，无论哪个按键被按下，X0、X1、X2、X3端都能保持为高电平（即1）。送入Y0、Y1、Y2、Y3的扫描信号中，只有一个为低电平（即0），其余3个为高电平。整个工作可分为4个阶段。（a）4×4键盘外观（b）4×4键盘内

46、部结构图3.12 4×4键盘第一阶段，主要是判断key3，key2，key1及key0有没有被按下。首先将1110B信号送入列，紧接着读取行的状态。若为1110，表示key0被按下；若Y3、Y2、Y1、Y0为1101，表示key1被按下。若Y3、Y2、Y1、Y0为1011，表示key2被按下。若Y3、Y2、Y1、Y0为0111，表示key3被按下。若Y3、Y2、Y1、Y0为1111，表示key0、key1、key2及key3都没被按下，进入下一阶段。第二阶段，主要是判断key7，key6，key5及key4有没有被按下。首先将1101B信号送入列，紧接着读取行的状态。若Y3、Y2、Y

47、1、Y0为1110，表示key4被按下。若Y3、Y2、Y1、Y0为1101，表示key5被按下。若Y3、Y2、Y1、Y0为1011，表示key6被按下。若Y3、Y2、Y1、Y0为0111，表示key7被按下。若Y3、Y2、Y1、Y0为1111，表示key4、key5、key6及key7都没被按下，进入下一阶段。第三阶段，主要是判断keyB，keyA，key9及key8有没有被按下。首先将1011B信号送入列，紧接着读取行的状态。若Y3、Y2、Y1、Y0为1110，表示key8被按下。若Y3、Y2、Y1、Y0为1101，表示key9被按下。若Y3、Y2、Y1、Y0为1011，表示keyA被按下。

48、若Y3、Y2、Y1、Y0为0111，表示keyB被按下。若Y3、Y2、Y1、Y0为1111，表示key8、key9、keyA及keyB都没被按下，进入下一阶段。第四阶段，主要是判断keyF，keyE，keyD及keyC有没有被按下。首先将0111B信号送入列，紧接着读取行的状态。若Y3、Y2、Y1、Y0为1110，表示keyC被按下。若Y3、Y2、Y1、Y0为1101，表示keyD被按下。若Y3、Y2、Y1、Y0为1011，表示keyE被按下。若Y3、Y2、Y1、Y0为0111，表示keyF被按下。若Y3、Y2、Y1、Y0为1111，表示keyC、keyD、keyE及keyF都没被按下，进入下

49、一阶段,从头开始扫描。高电平扫描是将共同点com连接GND，无论哪个按键被按下，行端点都能保持为低电平（即0）。送入列的扫描信号中，只有一个为高电平（即1），其余3个为低电平。整个工作也可分为4个阶段。2. 键盘设计需解决的几个问题图3.13 键盘与AT89C52的接口电路 人机接口的键盘是若干按键的集合，是向系统提供操作人员干预命令及数据的接口设备，考虑到本设计的实际要求选用4×4矩阵键盘。控制键盘的8个引脚分别与单片机的P2.0P2.7口相连，实现对输出值的控制。键盘与AT89C52的接口电路图如图3.13所示。键盘是计算机应用系统中一个重要的组成部分，设计时必须解决下述一些问题

50、。1按键的确认。键盘是一组按键开关的集合，每一个按键就是一个开关量输入装置。键的闭合与否，取决于机械开关的通、断状态。反映在电压上就是呈现出高电平或低电平。所以通过电平状态（高，低）的检测，便可以确定按键是否按下。2重键和连击的处理。按键操作中无意同时或先后按下2个以上的键，系统确认哪个键操作是有效的，由设计者设定，如以按下时间最长或最先按下为有效，也可以将最后释放的键设为输入键，这都是由设计者的意志决定。3按键防抖动技术。键盘作为向系统提供操作员的干预指令的接口，其特定的按键序列代表着各种确定的操作命令。所以准确的确认每个键的动作及所处的状态，是系统能否正常的关键。防抖动的方法分为：(1)硬

51、件防抖动技术。通过硬件电路消除按键过程中抖动的影响，这种方法工作可靠且节省机时。(2)软件防抖技术硬件防抖电路的缺点是1个键对应1个防抖电路，当键的数量比较多时，就要有很多的防抖电路，这种情况下，硬件防抖将无法胜任。于是提出了用软件的方法进行防抖。但第一次检测到有键按下时，先用软件延时（10ms20ms），而后再确认该键是否仍维持闭合状态的电平。若保持闭合状态电平，则确认该键已按下。3.5.3 液位报警根据技术指标和设计要求，本系统设计了液位声音报警。此声音报警可用一个三极管直接把信号放大来驱动扬声器工作。电路连接图如图3.14所示。图3.14 声音报警器电路连接图第四章 基于单片机的异型水箱仿真装置软件设计4.1 系统主程序设计图4.1 主程序流程图系统的主程序设计主要完成系统初始化以及判断调用各模块程序，即主要实现各模块程序的链接程序，是整个软件的核心。异型水箱仿真装置是在程序控制下工作的，该系统的软件全部采用C语言编写，以提高系统的快速性和实时性。该设计采用模块化的设计思想，将该部分设计划分为相应的程序模块，分别进行设计、编制和调试，最后通过主程序和中断处理程序将各程序模块连接起来。整个软件系统主要有以下几部分：主程序、数据采集、数字滤波、标度变换处理及输出显示等程序。本设计主程序的设计思想：通过建立异型水箱仿真装置的数学模型得出 (4-1)将此式写成差分方程 (4-2