畢業設計-基于單片機的液位測量監控系統(完整版)

　　

【正文】 ? 串行 I/O口方式使得管腳數量最少 。實時時鐘 /日歷電路提供秒、分、時、日、日期、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。鑒于系統的復雜程度，暫時不考慮使用 FLASH作為存儲單元。這區區 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。 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。但靜態顯示也有其缺點，主要是占用 I/O口資源較多，硬件成本較高。另外， AT89S52可降至 0Hz靜態 邏輯操作，支持 2種軟件可選擇節電模式。 15) 和其他外設芯片放在一起的綜合考慮。例如設計電視機遙控器 ， 2節干電池供電 ,至少應該能在 范圍內工作。 例如速度 、 程序存儲器容量 、 I/O引腳數量 等。能夠根據一定的算法，計算分析單位時間水塔消耗水量，繪制圖形，通過計算分析的結果，可以進行區域用水統籌，降低能源的消耗。 本設計以水塔供水為模型， 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控記錄系統。無論怎樣 ，這些方法的關鍵是 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。它在一片芯片上集成了完整的計算機系統 。故此，在基于單片機的液位測量裝置基礎上，擴展實時 監控、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。 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控系統 的設計過程， 最終實現了液位的實時測量與監控，并能夠對特殊的監控點進行時間信息及電機狀態信息的記錄，同時能夠控制電機的啟動、停止。 從 它的發展來看，低功耗 CMOS 化、微型單片化、主流與多品種共存的發展趨勢更進一步促使了單片機在各個行業的應用。本文不對這些方法進行深入的討論。 具有實時 液位測量監控 數據處理等功能。 系統 框圖 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。 2) 單片機的增強功能 。 8) 供貨渠道暢通 。 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，且系統規模不大，采用時分復用的方式使用總線，對 I/O口的數量可以要求進一步降低。空閑模式下， CPU停止工作，允許 RAM、定時器 /計數器、串口、中斷繼續工作。所以靜態顯示法常用在顯示器數目較少的應用系統中。這種存儲器在斷電時將丟失其存儲內容，故主要用于存儲短時間使用的程序。 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。 根據設計要求， 記錄某一記錄點（電機狀態改變時刻）的狀態與時間需要 6字節數據，即年（ 20212099年）、月（ 112月）、日（ 131日）、時（ 023時）、分（ 059分）、狀態（ 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。 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 需用到三個口線 (1)RES（復位）， (2) I/O（數據線）， (3)SCLK（串行時鐘）。 ? 寬范圍工作電壓 。 ? 在 DS1202基礎上增加的特性 ： 對 Vcc1有可選的涓流充電能力 。 基本上，可以根據以下幾個方面的指標選擇一個 A/D器件。 A/D轉換器的精度應與測量裝置的精度相匹配。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。有的轉換器提供了不同量程的引腳，只有正確使用，才能保證轉換精度。 利用該接口，可實現系統與上位機的通信。 3) RS485接口是采用平衡驅動器和差分接收器的組合，抗共模干能力增強，即抗噪聲干擾性好。它完成將 TTL電平轉換為 RS－ 485電平的功能。 2) 直流電阻。當繼電器吸合狀態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。作為輸出口，每位能驅動 8個 TTL邏輯電平。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。當振蕩器工作時， RST引腳出現兩個機器周期以上高電平將是單片機復位。 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 AT89C52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，即輸出兩個脈沖，在此期間，當訪問外部數據存儲器，將跳過兩次 PSEN信號。并附加復位電路，組成單片機最小系統。 ag用于共陽極數碼管的相應管腳的連接。此次設計采用 DIP8封裝，管腳 功能 如 圖 8： 其中 Vcc1為后備電源， Vcc2為主電源。如果傳送過程中 RST置為低電平，則會終止此次傳輸， I/O引腳變為高阻態。 /RD 外部讀取轉換結果的控制輸出信號。 DB0~DB7 8位的數字輸出 。 因此，液位高度的變化同樣正比于 輸入電壓，顧而 A/D轉換器輸出的數據正比于液位高度。 圖 13：串行通信模塊電路圖 硬件電路如圖 13： 17 圖 14： 繼電器部分電路圖 圖 15： 電源 指示燈電路圖 其他外圍電路的設計 繼電器電路設計。 C語言是一種編譯型程序設計語言。 模塊 變量 /端口 初始值 功能 控制端口初始化 adRD/ 1 A/D轉換芯片數據讀入控制，初始為不讀入 adWR/ 0 A/D轉換芯片轉換控制，初始為 停止 E/ 0 通信接收發送控制，初始為接收 DIS/ 0 顯示數據鎖存控制，初始為保持 RELAY/ 1 繼電器控制，初始狀態為斷開 波特率發生器初始化 TMOD 0x22 單片機片內定時 /計數器工作在方式二 SCON 0x40 串行口為 8位 UART工作方式 TH1 0xf4 波特率設置為 4800bps TL1 0xf4 IE 0 禁止定時器中斷 TR1 1 啟動定時器 REN 1 允許串行口接收數據 時間初始化 sec 0x00 初始化系統時間為 2021年 1月 1日 0時 0分 0秒星期四 其中 sec,min,hr,date,mon,day,year 依次為秒 、 分 、 時 、日、月、星期、年 min 0x00 hr 0x00 date 0x01 mon 0x01 day 0x04 year 0x09 數據參數初始化 xmark 0x7531 數據存儲狀態標志字節 指針 numtab 0x0001 數據存儲區指針 uplq 0xCF 高液位警戒高度，初始值 downlq 0x10 低液位警戒高度，初始值 初始化過程中，調用 A/D轉換模塊獲得首次液位數據，同時將其顯示，完成初始化工作 表 2：初始化參數及含義 顯示 與 A/D轉換的數據處理 系統中，顯示輸出的要求為壓縮 BCD碼，而 A/D轉換輸入的數據是 8位 16進制碼，因此在實現顯示之前需要編碼的轉換。第二階段是數據的提取過程，由于 P0口做輸入時的特性，首先軟件上將 P0口寄存器置為 0xFF， 延遲適當時間后 adRD復位，輸出 A/D轉換結果，隨之通過 P0口讀入數據，還原 adRD為高，該階段結束。 發送的過程：置 E為 1，使系統處于發送數據狀態；將數據寫入串行通信緩沖區 SBUF；等待，直到發送完畢，將 E清 0,返回 接收狀態。讀寫的核心 是 產生 SCLK移位信號與移位 ，讀操作是將數據從 DS1302的 I/O口移入單片機，寫操作是將數據從單片機移入DS1302時鐘芯片。完成時間的模塊軟件的設計。 這兩個子程序 在其他函數需要進行串口通信時調用即可實現與上位機的串行通信。 通信 協議及通信模塊 軟件設計 1) 通信協議 為了使 PC上位機與設備實現有意義的通信，設計了簡單的通信協議。為了通過 LED直觀顯示液位高度，進行轉換的思路如下： 設輸入 8二進制數據為 n ， 5/n 的商即為 以分米為單位的液位高度 數據，余數為 以 厘米 為單位的 數據，由于顯示位數僅為 2位，最低位為分米， 固使用 “二舍三入 ”的辦法 保留分米單位的整數倍數據 1n 。用 C語言來編寫目標系統軟件，會大大縮短開發周期，且明顯地增加了軟件的可讀性，便于改進和擴充，從而研制出規模更大，性能更完善的系統。設計電路如圖 14。 根據以上參數 分析 ，設計電路如 圖 11：16 V c c20C L K R19D B 018D B 117D B 216D B 315D B 414D B 612D B 513D B 711CS1RD2WR3C L K I N4I N T R5V i n ( + )6V i n ( )7A G N D8V r e f9D G N D10A D C 0 8 0 4U9A D C 0 8 0 4R410kR61kR71kV C CR510kC4150pFA D _ W RA D _ R DV C CAD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD712J P 2JPR810kV C CS2S W S P D T 圖 11： A/D轉換單元電路圖 通信單元硬件設計 MAX485僅有 8個管腳，電路設計比較簡單。 設計滿偏電壓為 5V，則 VREF輔助參考電壓為 5V/2=， 在 10%的誤差范圍內，無需過分苛刻參考電壓的電壓源，由于系統中 DC5V供電，采用兩只相同阻值電阻分壓，便能近似得到 。 /WR 用來啟動轉換的控制輸入，相當于 ADC的轉換開始（ /CS=0 時），當 /WR 由高電平變為低電平時，轉換器被清除 ； 當 /WR 回到高電平時，轉換正式開始。只有在 SCLK為低電平時，才能將 RST置為高電平。 DS1302由 Vcc1或 Vcc2兩者中電壓較大者供電。 根 據以上的設計思路，設計電路圖如 圖 5： 圖 5：顯示部分電路圖 13 圖 6： 62256 引腳圖 存儲單元硬件設計 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。 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。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。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。 P3口 ： P3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。 ? 在 flash編程和校驗時， P1口接收低 8位地址字節。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。 5) 觸點切換電壓和電流。 3) 吸合電流。 選用 繼電器作為電機控制的元件。而 RS485接口在總線上是允許連接多達 128個收發器。 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 。 5) 滿刻度誤差 滿度輸出時對應的輸入信號與理想輸入信號值之差。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、循環計數等已經比 較困難了。 目前，大多數測量裝置的精度值不小于 %~%，故 A/D轉換器的精度取%~%即可，相應的二進制碼為 10~11位，加上符號位，即為 11~12位。從靜態精度方面來說，要考慮輸入信號的原始誤差傳遞到輸出所產生的誤差，它是模擬信號數字化時產生誤差的主要部分。 備份電源管腳可由電池或大容量電容輸入 。 ? 讀 /寫時鐘或 RAM數據時有兩種傳送方式單字節傳送和多字節傳送字符組方式 。 DS1302 工作時功耗很低，保持數據和時鐘信息時功率小于 1mW。在實際應用中，系統設計在不掉電的工作環境下； 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。 NOR的傳輸效率很高 ,在 1～ 4MB的小容量時具有很高的成