基于单片机的水位控制系统设计

1、河北经贸大学毕业设计（论文）毕业设计（论文） 基于单片机的水位控制系统的设计基于单片机的水位控制系统的设计系 别 信息技术学院 专 业 电子信息工程 班 级 2009 （1）班学生姓名 林杰 学 号 指导教师 周严良 摘摘 要要液位测量广泛应用于工业、经济、生活等领域。本设计以水箱供水为模型，用于对水箱液位信号进行测量监控记录。基于单片机的液位测量装置具有测量准确、重复性好、功耗低、使用寿命长的特点，是广泛采用的技术。在深入学习科学发展观的同时，电子设备的设计也需融入可持续发展的设计理念。故此，在基于单片机的液位测量装置基础上，扩展实时监控、数据采集、计算机串行通信等功能，从而能够通过科学的方

2、法将液位测量与统计科学结合，合理调度水资源，降低能源消耗。本文从系统方案选择与论证，硬件电路设计，系统软件与上位机软件设计等几个方面介绍了基于单片机的液位测量监控系统的设计过程，最终实现了液位的实时测量与监控。最后，本文总结了设计过程中出现的问题及解决方法，简要叙述了所获数据的处理方法，引出了进一步设计开发的思路。关键词：关键词：单片机；液位测量；实时监控；串口通信The Design of Liquid Level Control System Based on MCUAbstractThe liquid level measurement is widely used in industr

3、y, 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. The liquid level measurement device base on MCU is widely used because of many characteristics such as high measure

4、ment accuracy, good repeatability, low power consumption and long useful time. When we study Scientific 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 funct

5、ions of real-time monitoring, data acquisition, serial communication. Through the new functions, the scientific method of the liquid level measurement could be combined with Statistical Science, be used to manage the water resources reasonable, reduce energy consumption.This thesis introduces the de

6、sign process of the liquid level control system by several parts as system schema, the design of hardware 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

7、 design process, describes briefly the method of data processing, and leads to ideas of the further design and development.Keywords：MCU；Liquid Level Measurement；Real-time monitoring；Serial Communication目目 录录引言引言 .1第第 1 1 章章 绪论绪论 .21.1 课题背景与研究意义.21.2 国内外研究现状及发展.2第第 2 2 章章 系统总体方案系统总体方案 .42.1 系统设计要求.42

8、.2 系统框图.42.3 硬件设计方案.42.3.1 主控模块设计方案.52.3.2 键盘模块设计方案.52.3.3 显示模块设计方案.62.3.4 数据存储模块设计方案.62.3.5 时间模块设计方案.72.3.6 A/D 转换模块设计方案 .82.3.7 通信模块设计方案.92.3.8 电机控制模块设计方案.10第第 3 3 章章 硬件电路设计硬件电路设计 .113.1 AT89S52 硬件设计 .113.2 按键设计.133.3 显示单元硬件设计.143.4 存储单元硬件设计.153.5 时间单元硬件设计.173.6 A/D 转换单元硬件设计 .183.7 通信单元硬件设计.193.8

9、其他外围电路的设计.20第第 4 4 章章 系统软件设计系统软件设计 .224.1 系统软件.224.1 系统软件编译开发环境.224.2 系统主程序流程图.224.3 系统初始化.224.4 显示与 A/D 转换的数据处理.244.5 按键部分软件设计.254.6 显示模块的软件设计.264.7 A/D 转换模块软件设计 .264.8 电机控制模块软件设计.26结论与展望结论与展望 .35参考文献参考文献 .38附录附录 A A 系统电路原理图系统电路原理图.39引引 言言上世纪 40 年代，电子计算机的诞生，标志着人类电子技术进入了一个新的阶段 。1976 年单片机的推出为电子电路设计提供

10、了新的思路，也促进了模拟电路向数字电路发展的历程。它在一片芯片上集成了完整的计算机系统 。从它的发展来看，低功耗 CMOS 化、微型单片化、主流与多品种共存的发展趋势更进一步促使了单片机在各个行业的应用。这些应用，很大一方面体现在工业控制中。 在工业上，使用单片机可以构成形式多样的控制系统和数据采集系统。工程应用中液位的测量常用方法主要有超声波、激光红外测距、机械浮子、压力传感器测距等几种。这些测量方式对一般液位的测量来说各有各的优点，可根据不同的应用场合和要求进行选择。比如，常见的液位控制系统多采用浮标、电极等，这种控制形式结构简单成本低廉，但是控制精度不高，不能进行数值显示；另外容易引起误

11、操作，与上位机进行信息交互比较困难。随着科技的发展，液位测量技术趋于智能化、微型化、可视化。本设计思想是用单片机做下位机， PC 机做上位机，单片机和 PC 机相结合对水箱液位进行测量和监控。该设计要求具有一定的智能化，可操作性和稳定性好。第第 1 章章 绪论绪论1.1 课题背景与研究意义在工农业生产中，常常需要测量液体液位。 随着国家工业的迅速发展，液位测量技术被广泛应用到石油、化工、医药、食品等各行各业中。低温液体 （液氧、液氮、液氩、液化天然气及液体二氧化碳等 ）得到广泛的应用，作为贮存低温液体的容器要保证能承受其载荷；在发电厂、炼钢厂中，保持正常的锅炉汽包水位、除氧器水位、汽轮机凝气器

12、水位、高、低压加热器水位等，是设备安全运行的保证；在教学与科学研究中，也经常碰到需要进行液位控制的实验装置。1.2 国内外研究现状及发展液位测量的方法比较多， 依据测量方式的不同可分为接触式与非接触式两种类型。接触式测量法接触式测量法是指测量用传感器直接与容器内存储液体相接触，从而获得测量参数的方法。1.人工检尺法人工检尺法可用于测量油罐液位，其历史十分悠久。它利用浸入式刻度钢皮尺测量液位， 这种方法具有测量简单、可靠性高、直观、成本低的优点，但人为读数误差大、无法实现自动检测和操作。2.电参数测量法常见的有电阻法 、光电法、测重法 、电容法、浮标法及声光电的反射回波法等。无论怎样，这些方法的

13、关键是 利用液位传感器 将液位的相对位移量转换成为电压、电流、阻抗等便于进行电处理的物理量。限于篇幅，下面仅简单介绍电容测量法的基本原理。本方法所使用的电容通常由两块圆柱形极板或一个探极与罐壁构成。当液位不同时，电容器的介电常数就不同，故电容量也不同。在此基础上可以把电容量转化为电压、相移、频率、脉宽等物理量，再进行测量。非接触式测量法非接触式测量法包括超声波法、调制型光学法、微波法等。其特点是测量手段并不采用浮子之类的固态物，而是利用声、光、射线、磁场等的能量。液位传感器不和被测介质接触，不受被测介质影响，也不影响被测介质，故适用范围广泛。特别是接触式测量装置不能适用的特殊场合，如高粘度、强

14、腐蚀性、污染性强，易结晶的介质。第第 2 2 章章 系统总体方案系统总体方案2.1 系统设计要求本设计以水箱供水为模型，鉴于单片机液位测量装置的测量准确、重复性能好、功耗低、使用寿命长等特点，设计以单片机为基础的液位测量监控记录系统。它具有实时测量监控水 箱液位高度并显示的 功能，并根据实时水量与设置的上、下液位参数的比较，启动电机供水或停止水泵。在启动电机与停止 水泵时，实时记录时间点与电机状态。液位测量高度5 米，测量精度 10%，AC220V 供电。2.2 系统框图根据系统的设计要求，采用单片机为主控芯片，通过单片机数据地址总线及 I/O 端口，扩展数据存储模块、 A/D 转换模块、显示

15、模块、时间模块、串口通信模块以及 A/D 转换、电机控制等外围电路 ，从而实现系统所需的设计功能。系统总体方案框图如图2-1：电机控制模块A/D 转换模块按键与显示模块时间模块存储模块通信模块单片机主控模块图 2-1 系统总体框图图中，信号流向仅指示了通过数据地址总线或I/O 口上发生的数据信号，不包括控制信号。2.3 硬件设计方案2.3.1 主控模块设计方案我们采用与 MCS-51 兼容的 AT89S52 单片机满足设计要求。2.3.2 键盘模块设计方案键盘在单片机应用系统中是一个很关键的部件，它能实现向单片机输入数据、发送命令等功能，是人工干预单片机系统的主要手段。考虑到本设计实际需要的按

16、键较少，故采用独立式键盘接口电路即可。2.3.3 显示模块设计方案显示器是计算机的主要输出设备，在简单的工业控制系统中，常用的显示器有数码管显示器（ LED） ，液晶显示器（ LCD）等，该系统仅需显示液位高度， 即数字量，采用 LED 显示器已能满足系统要求。系统中，要求测量范围 5m，测量精度为 10%，假设测量范围为5m，在 10%精度的要求下，其测量的有效值为5*10%=0.5m。因而采用2 位 LED 显示器便能满足设计要求 。在单片机应用系统中， LED 显示器的现实方法有两种：静态显示法和动态显示法。静态显示法的优点是显示程序十分简单，显示亮度大，由于 CPU 不必经常扫描显示器

17、，所以节约了CPU 的工作时间。但静态显示也有其缺点，主要是占用 I/O 口资源较多，硬件成本较高。所以静态显示法常用在显示器数目较少的应用系统中。为了解决静态显示占用 I/O 口资源的缺点，在软件上采用压缩BCD 码输出显示数据，硬件上使用一个 8 位锁存器 74LS273 与两个 BCD 数码显示译码驱动芯片74LS47 连接，减少对系统资源的占用时间。由于74LS47 译码为共阳极数码管的码表，因而选用 8 段（带小数点）共阳极 LED 用于数据显示。高位显示米单位，低位显示分米单位，且高位小数点常亮。单片机使用 1 位 I/O 口控制数据的锁存。2.3.4 数据存储模块设计方案使用 A

18、T89S52 内部 256 字节的数据存储器记录数据是远远不够的，因而需要扩展数据存储器进行数据存储。数据存储器可选择的种类繁多，常用的有随机存取存储器（RAM） 、只读存储器（ ROM）与闪存（FLASH） 。根据设计要求，记录某一记录点（电机状态改变时刻）的状态与时间需要 6 字节数据，即年（ 2000-2099 年） 、月（1-12 月） 、日（1-31日） 、时（0-23 时） 、分（0-59 分） 、状态（0 或 1）这些数据，如果系统长时间的工作，将会有大批量的数据产生，假若数据存储空间不够大，将会产生数据的覆盖，从而降低了对数据分析的准确性。因此选用32K 字节的数据存储器，可以

19、记录大于5000 项记录点数据，考虑到水箱上水与耗水的频繁程度 不高，5000 项数据已基本满足后期数据处理的需求。在实际应用中，系统设计在不掉电的工作环境下；软件上，上位机软件对数据提取后即可保存在PC 机中，5000 项数据进行时间上的缓冲是充足的。为节省 CPU 的工作时间，且由于 RAM 存储速度快、使用方便等特点，从而可以忽略了RAM 掉电数据丢失的缺点。2.3.5 时间模块设计方案通过单片机的定时器，可以设计时间功能，然而单片机自身的产生时间数据大大占用了系统的资源，降低了工作效率，甚至影响了其他功能的实现，因此在本设计方案中，采用了外部芯片提供时间信号，用以系统记录时间信息。目前

20、市场上的时钟芯片很多，如DS1302/DS1307/HT1380/HT1381/PCF8563 等。DS1302 是 DALLAS 公司推出的涓流充电时钟芯片，内含有一个实时时钟/日历和 31 字节静态 RAM，通过简单的串行接口与单片机进行通信。实时时钟/日历电路提供秒、分、时、 日期、日、月、年的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整，时钟操作可通过AM/PM 指示决定采用 24 或 12 小时格式。DS1302 与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信，仅需用到三个口线 (1) RES（复位） ，(2) I/O（数据线） ，(3) SCLK（串行时钟） 。时钟/RAM 的读、写数据

21、以一个字节或多达 31 个字节的字符组方式通信。 DS1302 工作时功耗很低，保持数据和时钟信息时功率小于 1mW。综上所述，选用 DS1302 时间芯片完全满足设计的需求。2.3.6 A/D转换模块设计方案A/D 器件和芯片是实现单片机数据采集的常用外围器件。A/D 转换器的品种繁多、性能各异，在设计数据采集系统时，首先碰到的就是如何选择合适的 A/D 转换器以满足系统设计要求的问题。选择A/D 转换器件需要考虑器件本身的品质和应用的场合要求 。基本上，可以根据以下几个方面的指标选择一个 A/D 器件。1) A/D 转换器位数A/D 转换器位数的确定，应该从数据采集系统的静态精度和动态平滑

22、性这两个方面进行考虑。从静态精度方面来说，要考虑输入信号的原始误差传递到输出所产生的误差，它是模拟信号数字化时产生误差的主要部分。量化误差与 A/D 转换器位数有关。一般把 8 位以下的 A/D 转换器归为低分辨率 A/D 转换器，912 位的称为中分辨率转换器， 13位以上的称为高分辨率转换器。 10 位以下的 A/D 芯片误差较大， 11位以上对减小误差并无太大贡献，但对A/D 转换器的要求却提得过高。因此，取 10 位或 11 位是合适的。由于模拟信号先经过测量装置，再经A/D 转换器转换后才进行处理，因此，总的误差是由测量误差和量化误差共同构成的。 A/D 转换器的精度应与测量装置的精

23、度相匹配。也就是说，一方面要求量化误差在总误差中所占的比重要小，使它不显著地扩大测量误差；另一方面必须根据目前测量装置的精度水平，对A/D 转换器的位数提出恰当的要求。目前，大多数测量装置的精度值不小于0.1%0.5%，故 A/D 转换器的精度取 0.05% 0.1%即可，相应的二进制码为 1011 位，加上符号位，即为 1112 位。当有特殊的应用时， A/D 转换器要求更多的位数，这时往往可采用双精度的转换方案。2) A/D 转换器的转换速率A/D 转换器从启动转换到转换结束，输出稳定的数字量，需要一定的转换时间。转换时间的倒数就是每秒钟能完成的转换次数，称为转换速率。确定 A/D 转换器

24、的转换速率时，应考虑系统的采样速率。例如，如果用转换时间为 100us 的 A/D 转换器，则其转换速率为 10KHz。根据采样定理和实际需要，一个周期的波形需采10 个样点，那么这样的A/D 转换器最高也只有处理频率为 1KHz 的模拟信号。把转换时间减小，信号频率可提高。对一般的单片机而言，要在采样时间内完成A/D 转换以外的工作，如读数据、再启动、存数据、循环计数等已经比较困难了。3) 采样/保持器采集直流和变化非常缓慢的模拟信号时可不用采样保持器。对于其他模拟信号一般都要加采样保持器。如果信号频率不高，A/D 转换器的转换时间短，即采样高速 A/D 时，也可不用采样 /保持器。4) A

25、/D 转换器量程A/D 转换时需要的是双极性的，有时是单极性的。输入信号最小值有的从零开始，也有从非零开始的。有的转换器提供了不同量程的引脚，只有正确使用，才能保证转换精度。在使用中，影响A/D 转换器量程的因素有：量程变换和双极性偏置；双基准电压； A/D 转换器内部比较器输入端的正确使用。5) 满刻度误差满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。6) 线性度实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移。ADC0804 是单路 8 位逐次比较型双极性输入 A/D 转换器，转换时间小于。量化间隔：s100 mVV53125.19258（2-1）绝对量化误差 ： mV765625. 92（2-2

26、）相对量化误差 ： %195. 02118（2-3）在液位传感器误差与参考电压误差不大的情况下， ADC0804 是完全满足设计误差要求的。2.3.7 通信模块设计方案AT89S52 单片机内部有一个全双工异步串行I/O 接口，占用 P3.0和 P3.1 两个引脚。利用该接口，可实现系统与上位机的通信。不同设备间串口通信的过程中，需要采用相同的的接口标准才能通信。典型的串行通讯标准是 RS232 和 RS485，它们定义了电压 ，阻抗等，但不对软件协议给予定义 。因 RS-485 接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口。PC 机作为上位机，一般情况

27、下带有 RS-232C 通信接口，鉴于 RS-485 接口的优点与系统实际工作环境的需要，系统采用RS-485 接口标准，使用 RS-232/RS-485 转换器与 PC 机连接进行通信。2.3.8 电机控制模块设计方案由于设计中没有规定水泵电机的参数规格，而且不同型号的水泵参数不尽相同，电气参数的不同使得在电路上的设计差异较大，因此在此仅作理论演示。选用继电器作为电机控制的元件。第第 3 3 章章 硬件电路设计硬件电路设计3.1 AT89S52硬件设计AT89S52引脚定义及功能介绍如图3-1。P0 口：P0 口是一个 8 位漏极开路的双向 I/O 口。作为输出口，每位能驱动 8 个 TTL

28、 逻辑电平。对 P0 端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时， P0 口也被作为低 8 位地址/数据复用。在这种模式下， P0 具有内部上拉电阻。在 FLASH 编程时，P0 口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 输图 3-1 AT89S52 引脚及网络标号出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对 P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（ IIL） 。此外，

29、P1.0和 P1.2 分别作定时器 /计数器 2 的外部计数输入（ P1.0/T2）和定时器/计数器 2 的触发输入（ P1.1/T2EX） ，具体如下所示 ：在 FLASH 编程和校验时， P1 口接收低 8 位地址字节。引脚号第二功能 ：P1.0/T2 （定时器/计数器 T2 的外部计数输入），时钟输出P1.1/T2EX （定时器/计数器 T2 的捕捉/重载触发信号和方向控制）P1.5 MOSI （在系统编程用）P1.6 MISO （在系统编程用）P1.7 SCK （在系统编程用）P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻

30、辑电平。对 P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（ IIL） 。在访问外部程序存储器或用 16 位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR）时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中， P2 口使用很强的内部上拉发送 1。在使用 8 位地址（如 MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2 口输出 P2 锁存器的内容。在 FLASH 编程和校验时， P2 口也接收高 8 位地址字节和一些控制信号。P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P3 输出缓冲器能驱动 4 个

31、 TTL 逻辑电平。对 P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（ IIL） 。P3 口亦作为AT89S52 特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。表3-1 端口引脚第二功能端口号第二功能P3.0RXD（串行输入口)P3.1TXD(串行输出口)P3.2INTO(外中断0)P3.3INT1(外中断1)P3.4TO(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)图中网络标号 RST 连接单片机 RST 引脚，具有上电复位与手动复位的功能

32、；XTAL1 与 XTAL2 连接单片机 XTAL1 和 XTAL2 引脚，且并联两个 30pF 匹配电容使晶振起振。由于单片机 P0 口作普通 I/O 口时不能输出高电平，因此需接上拉电阻，实际电路中，使用 8*10K 电阻作为上拉电阻。3.2 按键设计系统按键电路如图 3-3 所示。下图中，S2S5 便是控制显示用的按键。其作用就是通过按动它们实现对高低警戒液位的设置 。具体来说， S3、S4 分别实现数字的增一与减一，S2、S5 则作为高低警戒液位的模式选择和确认键。图 3-2 系统按键电路3.3 显示单元硬件设计在显示单元上，使用了 74LS273 带公共时钟复位八 位触发器与74LS

33、47 共阳极 BCD 显示译码驱动芯片。两个芯片的管脚图如 图 3-4：74LS273 与 74LS47 引脚功能说明 ：74LS273:1 脚是复位 CLR，低电平有效 ，当 1 脚是低电平时，输出图 3-3 74LS273 及 74LS47 引脚图脚 2（Q0） 、5（Q1） 、6（Q2） 、9（Q3） 、12（Q4） 、15（Q5） 、16（Q6） 、19（Q7）全部输出 0，即全部复位；当 1 脚为高电平时， 11(CLK)脚是锁存控制端 ，并且是上升沿触发锁存，当 11 脚有一个上升沿，立即锁存输入脚3、4、7、8、13、14、17、18 的电平状态，并且立即呈现在在输出脚2（Q0）

34、 、5（Q1） 、6（Q2） 、9（Q3） 、12（Q4） 、15（Q5） 、16（Q6） 、19（Q7）上。74LS47 上 BI/ROB，LI，RBI 引脚为控制引脚，主要用于测试和脉冲控制，均为低电平有效，设计上不适用此项功能，因此均接高电平。A0A3 是 BCD 输入，分解 74LS273 输出的高、低四位。 ag 用于共阳极数码管的相应管脚的连接。为了保护 LED 数码管，在 74LS47 与 LED 之间添加限流电阻，以满足数码管的工作需要 。3.4 存储单元硬件设计存储模块的硬件设计比较简单，由于AT89S52 单片机为数据线与低 8 位地址线复用，需要使用地址锁存芯片74LS3

35、73。上文中已叙述，使用 32KRAM 作为存储芯片，因此选用与 51 系列兼容的 62256 随机数据存储器。该模块中使用的两个芯片管脚功如 图 3-6：在 62256 中，A0A14 管脚为地址总线，共 15 位，寻址范围可达 到32kB；I/O0I/O7 为 8 位三态双向数据接口； Vcc，Vss 为电源和地；CS 是片选接口，低电平有效； OE/WE 分别是读选通和写选通数据输入输入线，低电平有效。图 3-5 存储的单元电路74LS373 引脚位置和功能与 74LS273 差异不大，区别在于其 1 脚是输出使能（OE） ，是低电平有效，当 1 脚是高电平时 ，不管输入3、4、7、8、

36、13、14、17、18 如何，也不管 11 脚（锁存控制端 ，G）如何，输出 2（Q0） 、5（Q1） 、6（Q2） 、9（Q3） 、12（Q4） 、15（Q5） 、图 3-4 62256 引脚图16（Q6） 、19（Q7）全部呈现高阻状态 （或者叫浮空状态 ） ；当 1 脚是低电平时，只要 11 脚（锁存控制端 ，G）上出现一个下降沿 ，输出2（Q0） 、5（Q1） 、6（Q2） 、9（Q3） 、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)立即呈现输入脚 3、4、7、8、13、14、17、18 的状态。74LS273 也可以作为地址锁存器来用， 作锁存器时，对 273 来说，1（C

37、LR）脚必须接高电平， ALE 信号经过反相后接 11 脚（因为单片机的 ALE 信号是以下降沿方式出现 ）对 373 来说，1 脚接低电平，保证使能，11 脚直接接单片机的 ALE 信号。3.5 时间单元硬件设计DS1302 因其较小的体积，占用 I/O 口资源少等特点，是常用的时间芯片。此次设计采用 DIP-8 封装，管脚功能如图 3-8：图 3-6 DS1302 引脚图其中 Vcc1 为后备电源， Vcc2 为主电源。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。 DS1302 由 Vcc1 或 Vcc2 两者中电压较大者供电。当 Vcc2 大于 Vcc10.2V 时，Vcc2 供电，当

38、 Vcc2 小于 Vcc1 时，DS1302 由 Vcc1 供电。X1 和 X2 是振荡源接口，外接 32.768kHz 晶振。RST 是复位/片选线，通过把 RST 输入驱动置高电平来启动所有的数据传输。RST 输入有两种功能：首先 RST 接通控制逻辑，允许地址 /命令序列送入移位 寄存存器；其次， RST 提供终止单字节或多字节数据 的传送手段。当 RST 为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302 进行操作。如果传送过程中 RST 置为低电平，则会终止此次传输，I/O 引脚变为高阻态。上电运行时，在Vcc2.5V 之前，RST 必须保持低电平。只有在 SCLK 为低电平时，

39、才能将 RST 置为高电平。I/O 为串行数据输入输出端。 SCLK 始终是输入端，用来输入串行时钟信号。3.6 A/D转换单元硬件设计A/D 转换模块是系统中较为重要的一部分，由于涉及到模拟部分，A/D 转换器的结构较为复杂。以下是ADC0804 管脚及功能的介绍：图 3-7 ADC0804 引脚图/CS 芯片选择信号。/RD 外部读取转换结果的控制输出信号。 /RD 为高电平时，DB0DB7 处于高阻抗： /RD 为低电平时，数据才会输出。/WR 用来启动转换的控制输入，相当于ADC 的转换开始（ /CS=0时） ，当/WR 由高电平变为低电平时，转换器被清除；当 /WR 回到高电平时，转

40、换正式开始。CLK IN，CLK R 时钟输入或接振荡元件（ R，C）频率约限制在100kHZ1460kHZ，如果使用 RC 电路则其振荡频率为 1/（1.1RC） 。/INTR 中断请求信号输出 ,低地平动作。VIN(+) VIN(-) 差动模拟电压输入 。输入单端正电压时 ,VIN(-)接地；而差动输入时 ,直接加入 VIN(+) VIN(-)。AGND,DGND 模拟信号以及数字信号的接地。VREF 辅助参考电压。DB0DB7 8 位的数字输出。VCC 电源供应以及作为电路的参考电压。设计满偏电压为 5V，则 VREF 辅助参考电压为 5V/2=2.5V，在 10%的误差范围内，无需过分

41、苛刻参考电压的电压源，由于系统中DC5V供电，采用两只相同阻值电阻分压，便能近似得到2.5V 的参考电压。系统中使用 10K 电阻与 150pF 电容组成 RC 振荡电路，根据技术手册计算公式： KHzRCfclk606)( 1 . 11（3-1）其振荡频率约为 606kHz，满足芯片要求。另外，以阻抗型液位传感器为模型，液位传感器阻值变化与液位的高度是成正比的，因此需要将电阻值转换为电压值匹配A/D 转换器。常用的阻抗-电压转换法如欧姆法。由于被测阻抗两端电压正比于被测电阻，可把被测阻抗转换为电压测量。即 xNxRaIU（3-2）式中，是转化电压，恒定电流，为被测电阻，为比例系xUNIxRa

42、数。因此，液位高度的变化同样正比于输入电压， 故而 A/D 转换器输出的数据正比于液位高度。为了简化设计调试过程，使用系统内部5V电压作为模拟输入， VIN(-)直接接地，通过接入传感器分压将阻抗转换为电压信号，接入电位器可实现模拟输入。根据以上参数分析，设计电路如 图 3-11：Vcc20CLK R19DB018DB117DB216DB315DB414DB612DB513DB711CS1RD2WR3CLK IN4INTR5Vin(+)6Vin(-)7A GN D8Vref9D GN D10ADC0 804U9ADC0 804R410kR61kR71kVCCR510kC4150pFAD_W R

43、AD_R DVCCAD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD712JP2JPR810kVCCS2SW-SPDT图 3-8 A/D 转换单元电路图3.7 通信单元硬件设计MAX485仅有8个管脚，电路设计比较简单。RO 引脚接到单片机串口接收引脚RXD（P3.0） ，DI 引脚接到单片机串口发送引脚 TXD（P3.1） 。由于MAX485 为半双工通信方式，不能同时发送和 接收数据，只能通过控制 RE 和 DE 引脚图 3-9 MAX485 引脚图的状态来进行发送数据和接收数据的转换。为了节省单片机I/O 口资源，将 RE 和 DE 引脚连在一起，输入低电平时， MAX485 处于接收状态；

44、输入高电平时，其处于发送数据状态。定义RE 和 DE 连接在一起的网络标号为 E，接入单片机 P1 口，用于发送与接收的转换。 A，B 端为发送接收差分信号端，一般需在 A,B 端之间加匹配电阻，匹配电阻为120。3.8 其他外围电路的设计继电器电路设计。 由于使用单片机 I/O 口的驱动电流较弱，不满足继电器吸合电流参数的要求，所以需使用三极管驱动继电器吸合。设计电路如图 3-14。为了防止电源尖峰脉冲引发的噪声干扰以及高频信号线间的耦合干扰，在电源入口处及芯片顶端或底端，接入去耦电容，以增强系统的稳定性。图 3-10 继电器部分电路图 第第 4 章章 系统软件设计系统软件设计4.1 系统软

45、件4.1.1 系统软件编译开发环境C 语言是一种编译型程序设计语言。 它兼顾了多种高级语言的特点，并具备汇编语言的功能。用 C 语言来编写目标系统软件，会大大缩短开发周期，增加 软件的可读性，便于改进和扩充。用C 语言进行 51系列单片机程序设计是单片机开发与应用的必然趋势。KEIL C51 开发工具套件可用于汇编 C 语言程序、汇编源程序，链接和定位目标文件和库，创建 HEX 文件以及调试目标程序。本设计使用 KEIL C51 Vision3 为开发编译环境，使用 C 语言编写程序，实现各模块功能设计。4.1.2 系统主程序流程图系统主程序的功能主要是完成对单片机的初始化，设置警戒液位的上下

46、限，实时显示液位值以及键盘扫描等工作。主程序流程图如图4-1 所示。4.1.3 系统初始化该模块在系统上电开机时将系统端口、数据存储区、标志位、指针、地址等赋予有含义的值。具体分为以下几个模块列表描述。表4-1 初始化参数及含义模块变量/端口初始值功能adRD/P1.31A/D转换芯片数据读入控制，初始为不读入adWR/P1.40A/D转换芯片转换控制，初始为停止控制端口初始E/P1.50通信接收发送控制，初始为接收DIS/P1.60显示数据锁存控制，初始为保持化RELAY/P1.71继电器控制，初始状态为断开TMOD0 x22单片机片内定时/计数器工作在方式二SCON0 x40串行口为8位U

47、ART工作方式TH10 xf4TL10 xf4波特率设置为4800bpsIE0禁止定时器中断TR11启动定时器波特率发生器初始化REN1允许串行口接收数据sec0 x00min0 x00hr0 x00date0 x01mon0 x01day0 x06时间初始化year0 x11初始化系统时间为2011年1月1日0时0分0秒星期六其中sec,min,hr,date,mon,day,year依次为秒、分、时、日、月、星期、年xmark0 x7531数据存储状态标志字节指针numtab0 x0001数据存储区指针uplq0 xCF高液位警戒高度，初始值数据参数初始化downlq0 x10低液位警戒高

48、度，初始值初始化过程中，调用A/D转换模块获得首次液位数据，同时将其显示，完成初始化工作开始CPU 初始化参数设定是否有按键采样子程序显示实时液位数据处理子程序控制电机启停按键处理是否图 4-1 主程序流程图4.1.4 显示与A/D转换的数据处理系统中，显示输出的要求为压缩 BCD 码，而 A/D 转换输入的数据是 8 位 16 进制码，因此在实现显示之前需要编码的转换。对8 位 A/D转换器而言，其十六进制、相对满偏电压比率、相对电压幅值的关系对应如表 4-2：表4-2 A/D转换幅值数据关系对照表满刻度比率相对电压幅值Vref=2.5V十六进制二进制高四位低四位高四位电压低四位电压F111

49、115/1615/2564.8000.320E111014/1614/2564.4800.280D110113/1613/2564.1600.260C110012/1612/2563.8400.240B101111/1611/2563.5200.220A101010/1610/2563.2000.200910019/169/2562.8800.180010008/168/2562.5600.160701117/167/2562.2400.140601106/166/2561.9200.120501015/165/2561.6000.100401004/164/2561.2800.0803001

50、13/163/2560.9600.060200102/162/2560.6400.040100011/161/2560.3200.020000000/160/2560.0000.000综上，电压幅值与液位高度在数值上是相等的。为了通过LED 直观显示液位高度，进行转换的思路如下：设输入 8 位二进制数据为，的商即为以分米为单位的液位高n5/n度数据，余数为以厘米为单位的数据，由于显示位数仅为2 位，最低位为分米，固使用 “二舍三入”的办法保留分米单位的整数倍数据。1n为了将这个数据转换为为压缩 BCD 码，再将，得到的商左移四位10/1n（相当于乘以 16）为压缩 BCD 码高四位，余数为压缩

51、 BCD 码低四位，二者相加，就是最终的结果。4.1.5 按键部分软件设计由于使用的按键较少，所以本文采用了独立式键盘，即每个按键单独占用一根口线。在程序查询方式下，通过I/O 端口读入按键状态，当有按键按下时，相应的端口变为低电平，这样通过读入I/O 口状态判断是否有按键按下。查询式键盘的程序流程图如下：4.1.6 显示模块的软件设计由于使用了静态锁存显示，需要对显示数据进行处理后进行锁存控制。硬件设计中使用了 74LS273 锁存数据。它的特点是在 ALE 输入信号的下降沿到来时锁存信号，因此首先置控制引脚高电平，延迟几个时钟周期待信号稳定， P0 口输出处理后的数据，同样延迟几个时钟周期

52、待信号稳定，控制引脚置低电平，数据锁存，显示输出。4.1.7 A/D转换模块软件设计键盘管理程序入口Key_value=P3&0 x3c是否有按键按下调用延时程序Key_value=P3&0 x3c调用相应子程序是否图 4-2 键盘程序流程图A/D 转换的控制变量有两个，即 adWR 与 adRD；上文中已说明了它的功能，故不再重复。该模块分为两个阶段，第一阶段是为A/D 转换启动控制，通过 adWR 复位延迟置位完成。第二阶段是数据的提取过程，由于 P0 口做输入时的特性，首先软件上将P0 口寄存器置为0 xFF，延迟适当时间后 adRD 复位，输出 A/D 转换结果，随之通

53、过 P0口读入数据，还原 adRD 为高，该阶段结束。两个阶段中可加如适当的延迟，以满足 ADC0804 100ns 的转换时间。4.1.8 电机控制模块软件设计本设计采用单片机主控芯片控制 继电器外围电路，用于驱动电机的启动与关停。其程序流程图如图 4-3 所示。结论与展望结论与展望此次历时一学期的设计研究工作，我受益匪浅。查阅了大量的中英启动 A/D 转换读取液位数据开始实际液位高警戒液位且电机已启动关闭电机记录数据实际液位低警戒液位且电机关闭返回启动电机记录数据是否是否图 4-3 液位检测流程图文资料，做了许多验证性试验，为最终设计的完成打下了坚实的基础。设计研究的过程也是一个学习的过程

54、，其中使用的许多知识、技术是大学课程中未涉及的，这就需要在短时间内将这些知识、技术学以致用。在这里，我将此次设计中值得注意的地方加以总结。液位测量监控系统的设计的基本功能的实现，说明设计思路的可行性。然而，在本次设计中仍有许多不足。由于时间和精力有限 ，在复杂的计算分析中，仅在水泵状态变化时记录数据往往是不够的，一项数据的内容也不够丰富。我们可在系统程序中，多增加若干个数据记录点记录数据。同时可增加实时高低液位间容积数据等内容，完善数据结构。参考文献参考文献1张毅刚,彭喜元,董继成.单片机原理及应用M.北京:高等教育出版社,2003.2李书旗,沈金荣.液位测量传感器系统的设计与实现J.计算机测

55、量与控制,2009,17(11):2131-2133.3郑伟建,夏扬,夏晴.自抗扰控制器在液位控制中的研究J.计算机仿真,2009,26(10):190-193.4钟晓强.基于单片机实现的液位控制器设计J.现代电子技术,2009,32(2):51-53.5蔡黎.一种基于单片机的水位控制系统设计J.仪器仪表用户,2007,14(4):44-45.6陈霞,白小军.基于单片机的液位监控系统J.武汉理工大学学报,2007,29(3):3-5.7陈新昌,王万章,李祥付.单片机在水位控制中的应用J.中国科技信息,2006，(24):89-90,94.8苏晓龙,王香婷.基于 RS-485 总线的数据采集系统

56、J.仪表技术与传感器,2007,(12).9张宝伟.基于 Lab VIEW 的液位监控系统D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2007.10张凤兰.液位测量与监控系统设计D.北京:北方工业大学,2010.11任开春,涂亚庆.20 余种液位测量方法分析J.工业仪表与自动化装置,2003,(5):12-16.12柳军,等.基于 AVR 单片机的液面测量监控系统的设计J.中国医疗设备,2009,24(12):27-30.13丁希顺.单片微型计算机液位测量系统设计J.安阳师范学院学报,2005(2):71-73.14老虎工作室编著.电路设计与制版:Protel 99SE 入门与提高M.北京:人民邮电出版社,2

57、007.15彭军.传感器与检测技术M.西安:西安电子科技大学出版社,2003.16余永权.单片机在控制系统中应用M.北京:电子工业出版社,2003.17刘鲲,孙春亮.单片机 C 语言入门M.北京:人民邮电出版社,2008.18姚振东,朱勇.电容传感器在液位测量中的应用J.传感器世界,2000,(9):4-7.附附 录录 A 系统电路原理图系统电路原理图12345678ABCD87654321DCBAT itleN um berR evisionSizeA 3D ate:31-M ay-2011Shee t of File:D :jxl.ddbD raw n B y:A7B1C2D6L T3B

58、I/R BO4R BI5a13b12c11d10e9f15g14U 574L S 47A7B1C2D6L T3B I/R BO4R BI5a13b12c11d10e9f15g14U 674L S 4712345678161514131211109R P1300*712345678161514131211109R P2300*7A _1B _1C _1D _1A _2B _2C _2D _2V CCV CCabfcgdeD P Y1234567abcdefg8dpdpD S2D PY _7-SE G _D PabfcgdeD P Y1234567abcdefg8dpdpD S1D PY _7-SE G _D PR 12300R 11300G N DG N DD 13Q 12D 24Q 25D 37Q 36D 48Q 49D 513Q 512D 614Q 615D 717Q 716D 818Q 819C L K11C L R1U 474L S 273A D 0A D 1A D 2A D 3A D 4A D 5A D 6A D 7D ISV