1、科技大學本科生畢業設計說明書（畢業論文）題 目：基于單片機的雙容水箱液位控制器設計學生：學 號：專 業：測控技術與儀器班 級：指導教師：57 / 63基于單片機的雙容水箱液位控制器設計摘 要液位作為工業生產過程中的主要的被控參數之一，被廣泛應用于冶金、建材、化工、食品、石油等工業中，工藝過程中液位的控制效果直接影響著所生產出的產品質量。現代工業中的液位控制系統規模日趨復雜化、大型化，液位控制已逐漸成為目前過控領域的一個研究熱點。基于單片機的液位控制器具有性能穩定、可靠，控制精度高，造價低，設置方便，操作方便等優點。本設計利用單片機實現對雙容水箱液位的控制，該系統是以上下兩個串聯的水箱為研究對象

2、，把下水箱的液位作為被控參數，通過壓力變送器測量水箱的液位，并把測量結果送到以單片機為核心的控制器作為反饋信號，控制器再根據預先設置的增量型PID控制算法進行運算，發出控制命令控制執行機構之一的調節閥開度大小，從而改變進入上水箱中水的流量大小，實現水箱液位的自動控制，整個控制過程中，水泵電機保持勻速供水。關鍵詞：單片機STC89C52，液位控制，增量式PID控制算法，LED顯示Based on single chip dual tank water level controller designAbstractThe level is charged with one of the param

3、eters of the industrial production process, the most important, widely used in metallurgy, building materials, chemicals, food, petroleum and other industries, the level of control in the process directly influences the production of productsquality. Level Control System scale of modern industry are

4、 becoming increasingly complex, large-scale, level control has gradually become the Process Control field of a hot research topic. Based on single chip water level controllerhas many advantages, such as stable performance, reliable, high control precision, low cost, easy set up, easy operation. The

5、design use single chip achieve dual-tank water level control system is based on the two upper and lower water tanks in series for the study, the following tank level is controlled parameters, the pressure transmitter to measure the level of the water tank, and the measurements gave microcontroller a

6、s the core controller as the feedback signal, the controller based on incremental PID control algorithm is pre-set computing, issue control commands to control the actuator valve opening size, thus changing into the flow of water on the tank size. tank liquid level automatic control.Key words:single

7、 chip STC89C52,liquid level control, incremental PID control algorithm, LED display目 錄摘要IAbstractII第一章 引言11.1 研究背景11.2 國液位控制的發展現狀11.3 PID調節器簡介21.4 設計思路21.5 設計意義3第二章 硬件組成42.1 系統硬件組成概述42.2 數據采集電路42.2.1 壓力變送器42.2.2 I/V轉換電路52.2.3 A/D轉換器52.3 STC89C52RC單片機82.4 D/A轉換器102.4.1 DAC0832引腳功能112.4.2 DAC0832工作方式1

8、22.4.3 DAC0832工作時序122.5 V/I轉換電路122.6 執行機構122.6.1 控制閥122.6.2 水泵電機132.7 掉電存儲器132.8 LED顯示142.8.1 LED顯示器的結構142.8.2 移位寄存器16第三章 硬件設計193.1 STC89C52單片機模塊電路193.1.1 晶振電路193.1.2 復位電路193.1.3 最小系統203.2 LED顯示模塊213.3 A/D轉換電路223.4 D/A轉換電路223.5 V/I轉換電路233.6 鍵盤電路243.7 串口通信電路24第四章 軟件設計264.1 主程序流程圖264.2 A/D轉換子程序274.3 鍵

9、盤控制子程序284.4 PID控制子程序294.5 LED顯示子程序324.6 Keil軟件334.6.1 Keil軟件簡介334.6.2 Keil軟件編程流程與程序下載33第五章 系統的調試與說明365.1 硬件設計調試365.2 軟件設計調試375.2.1 鍵盤和顯示軟件設計375.2.2 輸入信號的測量385.2.3 PID控制量計算與數據處理385.3 軟硬件聯合調試41總結42參考文獻43附錄A 本設計原理圖45附錄B 主程序46致52第一章 引言1.1 研究背景液位是工業生產過程中的主要被控參數之一，廣泛應用于冶金、化工、建材、食品、石油等工業中，工藝過程中液位的控制效果直接影響著

10、所生產出的產品質量。現代工業中的液位控制系統規模日趨復雜化、大型化，液位控制已逐漸成為目前過控領域的一個研究熱點。1.2 國液位控制的發展現狀學院機電工程系的金秀慧做了基于MCGS的液位監控系統設計，它是一種基于AT89C51單片機的遠程液位數據采集監控系統，采用單片機作為控制核心，上位機采用MCGS編寫的監控軟件，整個監控系統可以完成液位信號的采集與轉換、數據傳送和顯示、控制等功能2。北方工業大學理學院的安艷偉做了基于單片機的分布式液位控制系統設計，設計了一種基于51單片機為核心的多機分布式液位控制系統，由數據采集模塊，處理模塊和多機通信平臺組成，既滿足了測量精度的要求，同時具有較高的可靠性

11、，成本低，控制靈活。隨著傳感技術的不斷提高，分布式監控系統應用日趨廣泛，一個高質量、合理化的多機串行通信平臺就顯得尤為重要19。郵電大學的牛標和代遠所做的可監控智能液位控制器系統設計中列舉了液位控制系統可以采取的硬件方案以與他們各自的優缺點，采用FPGA作為控制器可以實現各種復雜的邏輯功能，規模大，密度高，它將所有器件集成在一塊芯片上，減小了體積，提高了穩定性，并且可應用EDA軟件仿真、調試，易于進行功能擴展5。FPGA采用并行輸入輸出方式，提高了系統的處理速度，適合作為大規模實時系統的控制核心。但是由于其集成度高，使其成本偏高，同時由于芯片的引腳較多，實物硬件電路板布線復雜，加重了電路設計和

12、實際焊接的工作5。根據工業大學的小平所做的液位控制系統建模與其控制算法的研究對幾種控制算法進行了研究，其中包括PID控制算法、大林算法、Smith預估控制算法、模糊控制算法等，并通過編程說明了其可行性和優越性：PID控制器是迄今為止應用最廣泛的反饋形式，它具有結構簡單、容易實現、控制效果好等特點，且原理簡明，參數物理意義明確，理論分析體系完整；大林控制算法的最大的特點是，將期望的閉環響應設計成一階慣性環節加純延遲，然后反過來得到能滿足這種閉環響應的控制器12。它是克服純滯后的有效方法，一階系統很快達到穩定，波動較少；Smith預估控制算法是一種簡單而有效的控制方法，但只適用于單輸入單輸出系統，

13、它的最大優點是將時滯環節移到了閉環之外，是控制品質大大提高，它的最大缺點是太過依賴精確的數學模型，對于外部擾動非常敏感，魯棒性較差；模糊控制是一種新型控制方法，在冶金、化工、電力和家電等工業部門都有成功應用，它避開了復雜的數學模型，控制系統的魯棒性強，通常能得到比較好的性能指標，適用于水位這樣的滯后非線性系統12。1.3 PID調節器簡介傳統的調節器多為模擬調節器，這種調節器多用氣動或電動單元組合儀表來完成。隨著單片機在控制領域中的廣泛應用，利用計算機軟件設計控制算法，具有更大的可靠性、靈活性以與更好的控制效果。因此，以單片機為中心、采用數字算法的數字調節器正不斷代替著模擬調節器。在控制過程中

14、，應用最廣泛的調節器控制規律為比例（P）、積分（I）、微分（D）控制，簡稱PID控制，又稱PID調節。在單回路反饋控制系統中，由被控對象、變送器、控制器、和控制閥四個基本環節構成。控制器的參數對控制系統的控制效果產生很大影響：控制系統的動態誤差、靜態誤差、穩定性都是通過對控制器的參數調節進行控制的。自從PID控制器問世到現在已有近70年的歷史，它以穩定性好、結構簡單、調整方便、工作可靠為優點成為工業控制領域的主要技術之一。當被控對象的參數和結構不能完全掌握，或者得不到準確的數學模型時，系統控制器的參數和結構必須依靠現場調試和經驗來確定，這時采用PID控制最為方便。即當我們不能完全了解系統的被控

15、對象或不能通過有效的測量手段來獲得系統參數時，最適合采用PID控制技術。1.4 設計思路本設計利用單片機實現對雙容水箱液位的控制，該系統是以上下兩個串聯的水箱為研究對象，把下水箱的液位作為被控參數，通過壓力變送器測量水箱的液位，并把測量結果送到以單片機為核心的控制器作為反饋信號，控制器再根據預先設置的增量型PID控制算法進行運算，發出控制命令控制執行機構之一的調節閥開度大小，從而改變進入上水箱中水的流量大小，實現水箱液位的自動控制，整個控制過程中，水泵電機保持勻速供水。系統工藝如圖1.1所示：圖1.1 系統工藝圖1.5 設計意義本設計之所以選擇用單片機進行控制是由于其具有體積小、功能強、可靠性

16、能高、造價比低和開發周期短等優點。而單片機控制系統以其性能穩定、可靠，控制精度高，造價低，設置方便，操作方便等優點，被應用到液位控制系統中來，增強了系統的可視性，使得人機交互的能力進一步提高。雙容水箱本身存在慣性大、擾動多等問題，本設計利用積分分離和帶死區的增量型PID控制可以成功的克服這些問題。這些問題的有效克服使得液位控制系統在工業上具有很大的研究價值。第二章 硬件組成2.1 系統硬件組成概述本設計的硬件結構如圖2.1所示。圖2.1 系統硬件結構框圖2.2 數據采集電路數據采集電路的功能主要是采集容器中的實時液位高度，并且把這個采集到的模擬信號轉換成單片機可識別的數字信號送入單片機。2.2

17、.1 壓力變送器壓力變送器測量的是壓力信號，根據液位參數與壓力參數的關系即式（2.1）得到液位信號，從而將液位測量的數據轉換為壓力測量的數據。 （2.1）本設計所選用的壓力變送器是JYB-KO-HAG，技術參數如表2.1所示：表2.1 JYB-KO-HAG壓力變送器技術參數環境溫度 10+60介質溫度 20+70電壓輸出型輸出阻抗 250(DC 24V供電時)：05VDC供電電壓DC 24V(12V32V)負載能力電流輸出型 500：420mADCJYB-KO-HAG壓力變送器用途：航空航天領域，工業現場過程壓力控制，儀器醫療食品等行業，石油化工行業，航海與造船行業，水電、水利、發電廠等行業。

18、JYB-KO-HAG壓力變送器具有以下的特點：抗過載、抗沖擊、抗干擾等能力強；溫度補償激光調阻，使用溫域寬；防浪涌電壓，反向極性保護；抗腐蝕性能好，可以測量多種介質；過流過壓保護電路；進口瓷芯片或擴散硅，適用于不同場合的壓力測量；穩定性高，實用性廣；安裝簡便，小巧精致等。JYB-KO-HAG型擴散硅壓力傳感器的測量精度：A級（± 0.25F.S），B級（±0.5F.S）。量程是：0-60MPa任量程，最小量程為 5kPa。JYB-KO-HAG型瓷壓力傳感器的測量精度：A級（± 0.5F.S），B級（± 1F.S）。量程是：0-10MPa任量程，最小量程為

19、 30kPa。2.2.2 I/V轉換電路測量所得的液位模擬信號經過壓力變送器輸出4-20mA直流信號后，再經250電阻轉換成直流1-5V標準電壓信號，送入A/D 轉換器。2.2.3 A/D轉換器在工業控制過程中，被測參數（如流量、溫度、液位、壓力、速度等）都是連續變化的量，稱為模擬量。而單片機只能處理數字量，所以在數據進入單片機之前，必須把模擬量轉換成為單片機可識別的數字量，能夠達到這一目的的器件，稱之為模數轉換器，即A/D轉換器。A/D轉換器有很多種，依據位數來區分，有16位、12位、10位、8位等。其位數越高，分辨率也就越高。通常使用的A/D轉換器是將一個輸入模擬信號轉換為一個輸出的數字信

20、號，本設計所用的A/D轉換器是ADC0832，它可實現0-5V模擬電壓信號的8位數字量轉換。本設計采用ADC0832模數轉換器與I/V轉換電路相連接，對輸入的1-5V電壓信號進行采樣。現場傳來的4-20mA電流信號經過適當的輸入轉換電路轉換為單片機可接受的1-5V電壓信號后直接接至單片機讀寫引腳上。同時對轉換后的數字量進行數字濾波、標度變換等數據處理,增加數據的可信度、提高其抗干擾能力和穩定性。ADC0832 是美國國家半導體公司生產的一種雙通道、8 位分辨率的A/D轉換芯片。由于它的兼容性、性價比高，體積小而深受企業與單片機愛好者歡迎，因此到目前為止它已經有很高的普與率了。ADC0832 具

21、有以下特點：雙通道A/D轉換；8位分辨率；5V電源供電時輸入電壓在0-5V之間；輸入輸出電平與TTL/CMOS相兼容；一般功耗僅為15mW；8P、14P-DIP（雙列直插）、PICC 多種封裝；商用級芯片溫寬為0到+70，而工業級芯片溫寬則為40到+85；工作頻率為250KHz，轉換時間為32S。 芯片引腳如圖2.2所示。芯片接口說明：CS：低電平芯片使能，片選使能。CH1：模擬輸入通道1（或作為IN+或IN-使用）。CH0：模擬輸入通道0（作為IN+或IN-使用）。GND：地（芯片參與0電位）。DO：轉換數據輸出，數據信號輸出。DI：選擇通道控制，數據信號輸入。VCC/REF：電源輸入端與參

22、考電壓輸入端（復用）。CLK：芯片時鐘輸入端。圖2.2 ADC0832引腳ADC0832為8位分辨率的A/D轉換芯片，其最高可達256級分辨率，可以適應一般的模數轉換要求。其部電源輸入與參考電壓的復用（VCC/REF），使得芯片的模擬電壓輸入在0-5V之間。芯片據有雙數據輸出，其可作為數據校驗，以減少數據誤差，芯片轉換時間僅為32S，轉換速度快且穩定性能強。獨立的芯片使能輸入，使處理器控制和多器件掛接變的更加方便。通過DI數據輸入端，可以輕易實現通道功能的選擇。正常情況下，單片機與ADC0832的接口應為4條數據線（CS、CLK、DO、DI）。其中，由于DI端與DO端在通信時與單片機的接口是雙

23、向的并且未同時有效，所以電路設計時可以將DI和DO并聯在一根數據線上使用。當ADC0832沒有開始工作時，它的CS使能端應為高電平，此時芯片禁用，DO/DI和CLK的電平可任意。當要進行A/D轉換時，需先將CS使能端置低電平并保持低電平直到轉換完全結束。此時芯片開始轉換工作，同時由處理器向芯片時鐘輸入端CLK輸入時鐘脈沖，DO/DI端則使用DI端輸入通道功能選擇的數據信號。在第一個時鐘脈沖下沉之前DI端必須置高電平，表示起始信號。在第二、三個脈沖下沉前DI端應輸入2位數據用于選擇通道功能，其功能見表2.2。如表2.2所示，當2位數據為“1、1”時，只對CH1進行單通道轉換。當2位數據為“1、0

24、”時，只對CH0進行單通道轉換。如表2.3所示，當2位數據為“0、0”時，CH1作為負輸入端IN-進行輸入，將CH0作為正輸入端IN+。當2位數據為“0、1”時，CH0作為負輸入端IN-進行輸入，將CH1作為正輸入端IN+。作為單通道模擬信號輸入時，8位分辨率時的電壓精度為19.53mV ，ADC0832的輸入電壓是0-5V。如果作為由IN-與IN+輸入時，可以將電壓值設定在一個較大的圍之，從而提高轉換寬度。值得注意的是，在進行IN-與IN+的輸入時，如果IN+的電壓小于IN-的電壓則轉換后的數據結果始終為00H。表2.2 多路尋址：ADC0832單端多路方式多路尋址通道SGL/DIF ODD

25、/SIGN 0110+11+表2.3 多路尋址：ADC0832差分多路方式多路尋址通道SGL/DIFODD/SIGN0100+01+圖2.3 ADC0832時序圖ADC0832時序如圖2.3所示，當 CS由高變低時，ADC0832選通。在時鐘信號是上升沿時，DI 端的數據移入 ADC0832部的多路地址移位寄存器。在第一個時鐘脈沖期間，DI為高電平，表示啟動位，緊接著輸入兩位配置位。當輸入啟動位和配置位后，選通輸入模擬控制通道，轉換開始。轉換開始后，經過一個時鐘周期延接著在第一個時鐘周期的延遲，以達到使選定通道穩定的目的。到第3個時鐘脈沖的下降沿之后DI端的輸入電平就失去了輸入作用，此后DO/

26、DI端則開始依靠數據輸出端DO進行轉換數據的讀取。從第4個時鐘脈沖下降開始由DO端輸出轉換數據最高位data7，隨著每一個時鐘脈沖下沉，DO端輸出下一位數據，直到第11個脈沖時輸出最低位數據data0，一個字節的數據輸出結束。反過來從此位開始輸出下一個相反字節的數據，即從第11個字節的下降沿輸出data0，隨后依次輸出8位數據，到第19個脈沖時數據輸出結束。這也標志著一次A/D轉換結束了。最后將CS置高電平使芯片禁用，然后直接將轉換過的數據進行處理就可以了。若要再進行一次AD轉換，片選信號CS必須再次從高向低跳變，然后后面再輸入啟動位和配置位。2.3 STC89C52RC單片機STC系列單片機

27、芯片是由STMicroelectronics 公司生產，并有宏晶公司做為大陸代理商。STMicroelectronics（意法半導體公司）是1987年6月位于意大利的SGS微電子公司和位于法國的湯姆遜微電子公司合并后產生的。1998年5月，公司由原來的SGS湯姆遜（SGSTHOMSON）微電子公司改名為意法半導體公司（STMicroelectronics），簡稱ST公司。STC89C52是一種帶8K字節閃爍可擦除可編程只讀存儲器（FPEROM-Flash Programable and Erasable Read Only Memory）的高性能、低電壓的微處理器，俗稱單片機。單片機引腳電路如

28、圖2.4所示，實物如下圖2.5所示：圖2.4 單片機引腳電路圖2.5 單片機STC89C52實物圖STC89C52RC可以代替AT89C51，速度更快，功能更強，價格更低，壽命更長。STC89C52RC的核與AT51系列單片機一樣，即引腳排列與外形一樣。管腳說明如下：GND：地線。VCC：電源輸入端，接5V電源。P0口：8位漏級開路雙向I/O口，名稱為P0.0P0.7。每個引腳可吸收8個TTL門電流。P0能夠當做外部程序數據存儲器使用，它可以被定義為數據/地址的第八位。在FIASH編程過程中，P0 口被當作原碼輸入口，在FIASH進行校驗時，P0口輸出原碼，此時的P0外部必須被拉高。P1口：帶

29、部上拉電阻的8位雙向I/O口，名稱為P1.0P1.7 。P1口緩沖器能接收輸出4個TTL門電流。P1口管腳寫入“1”時，其管腳被部上拉電阻拉至高電平時，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于部上拉電阻的原因。在FLASH校驗和編程時，P1口被用作第八位地址接收端。 P2口：帶部上拉電阻的8位雙向I/O口，名稱為P2.0P2.7 。P2口緩沖器可接收輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被部上拉電阻拉至高電平時，可用為輸入。P2口的管腳被外部拉至低電平時，將輸出電流。這是由于部上拉電阻的原因。P2口當做16位地址外部數據存儲器或作外部程序存儲器進行存取時，P2口

30、輸出地址的高八位在寫入地址“1”時，利用部上拉電阻優勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的容。P2口在FLASH校驗和編程時接收高八位控制信號和地址信號。P3口：帶部上拉電阻的雙向I/O口，名稱為P3.0P3.7。可接收輸出4個TTL門電流。當P3口被寫入“1”后，它們被部上拉電阻拉至高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部電阻下拉至低電平，P3口將輸出電流，這是由于上拉電阻的原因。在校驗和編程時，P3口可接收某些控制信號。具體的P3口功能，如表2.4所示。ALE/PROG：地址鎖存允許信號。當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址。在flash編程

31、時，其用于輸入編程脈沖。一般情況下，ALE端以振蕩器頻率的1/6為頻率周期輸出正脈沖信號。因此它可用于定時目的或用作對外部輸出的脈沖。值得注意的是，每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。若想禁止ALE的輸出，可在SFR8EH地址上置0，此時，ALE只有在執行MOVC，MOVX指令時ALE才起作用。反之，該引腳被稍微拉高。如果微處理器在外部執行狀態ALE禁止，則置位無效。表2.4 P3口的特殊功能引腳替代功能說明P3.0RXD串行數據接收端P3.1TXD串行數據發送端P3.2INT0外部中斷0申請端P3.3INT1外部中斷1申請端P3.4T0定時器0外部事件計數輸入端P3.5T1定時器

32、1外部事件計數輸入端P3.6WR外部RAM寫選通端P3.7RD外部RAM讀選通端EA/VPP：程序存儲器的外部選通引腳。接低電平從外部程序存儲器讀指令，如果接高電平則從部程序存儲器讀指令。當EA接低電平時，則在此期間為外部程序存儲器（0000HFFFFH）讀指令，注意當加密方式“1”時，EA將部鎖定為RESET；當EA端接高電平時，此期間為部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。RST：復位輸入端。引腳上出現2個機器周期的高電平時，將使單片機復位。PSEN：外部程序存儲器的讀選通信號。在由外部程序存儲器取址期間，每個機器周期PSEN兩次有效。但在訪問外部數

33、據存儲器時，這兩次有效的PSEN信號將消失。XTAL1：部時鐘工作電路的輸入與反向振蕩器的輸入。XTAL2：反向振蕩器的輸出。2.4 D/A轉換器本設計采用的D/A轉換器是DAC0832。它是采用CMOS工藝制成的直流輸出型8位數/模轉換器。它由模擬開關、倒T型R-2R電阻網絡、參考電壓VREF和運算放大器四大部分組成。輸入的數字量與輸出的模擬量成正比，這就實現了從數字量轉換成模擬量的目的。一個8位D/A轉換器有一個模擬輸出端和8個輸入端（其中每個輸入端是8位二進制數的一位）。輸入端有256個不同的二進制組態，輸出則為256個電壓之一，即輸出電壓不是整個電壓圍任意值，而只能是256個可能值。2

34、.4.1 DAC0832引腳功能DAC0832的引腳如圖2.6所示。圖2.6 DAC0832引腳引腳說明：DI0DI7：轉換數據輸入。CS：片選信號（輸入），低電平有效。ILE：數據鎖存允許信號端（輸入），高電平有效。WR1：第1寫信號（輸入），低電平有效。WR1和ILE兩個信號控制輸入寄存器的控制方式：當ILE=1和WR1=1時，為輸入寄存器鎖存方式；當ILE=1和WR1=0時，為輸入寄存器直通方式。WR2：第2寫信號（輸入），低電平有效。XFER：數據傳送控制信號（輸入），低電平有效。XFER和WR2兩個信號控制DAC寄存器工作方式：當WR2=1和XFER=0時，為DAC寄存器鎖存方式；當

35、WR2=0和XFER=0時，為DAC寄存器直通方式。IOUT1：DAC電流輸出級1。IOUT2：DAC電流輸出級2。（IOUT1+IOUT2為常數）Rfb：反饋電阻端。DAC0832是電流輸出型，為了取得電壓輸出，需在電壓輸出端接運算放大器，Rfb即為集成在片的外接運放的反饋電阻。 Vref：基準電壓（-10到+10V）。Vcc：是源電壓（+5到+15V）。DGND：數字地，可與AGND接在一起使用。AGND：模擬地。2.4.2 DAC0832工作方式DAC0832部主要有3個寄存器，即8位D/A寄存器、8位輸入寄存器、8位D/A轉換器，對應3個寄存器的控制DAC0832有3個工作方式。單緩沖

36、方式：兩個寄存器中的一個寄存器始終處于直通狀態，即WR1=0或WR2=0，另一個寄存器始終處于受控狀態。直通方式：WR1=WR2=0時，數據可以從輸入端DI0DI7經兩個寄存器直接進入D/A轉換器。雙緩沖方式：兩個寄存器均處于受控狀態。這種工作方式適合于多模擬信號同時輸出的應用場合。2.4.3 DAC0832工作時序DAC0832工作時序如圖2.7所示。圖2.7 DAC0832工作時序圖WR1=0、CS=0、ILE=1，使輸入數據鎖存到輸入寄存器。XFER=0、WR2=0，數據傳送到DAC寄存器并開始轉換。2.5 V/I轉換電路V/I轉換是將輸入的電壓信號轉換成需要的電流信號，轉換后的電流相當

37、于一個輸出可調的恒流源，其輸出電流應能夠保持穩定而不會隨負載的變化而變化。本設計采用的是三個運放實現電壓到電流的轉換。2.6 執行機構2.6.1 控制閥該設計采用的控制閥ML7420A6033是一個能夠通過提供其電流大小來控制通過其中的液體流量的裝置。若單片機分析得出的即時液體高度比設定值低許多時，就會輸出一個比較大的電流，來控制流量閥的開度使其在單位時間通過更多的液體，以便液體高度盡快地恢復到設定的初始液位值上。反之，開啟排水閥進行調整。技術參數如表2.5所示。表2.5 控制閥ML7420A6033技術參數執行器類型閥門提供電壓24Vac±15%控制信號調節型手動操作是反饋2-10

38、Vdc頻率50/60Hz介質溫度()最大值1502.6.2 水泵電機當水箱水位下降到設定水位時，水泵電機可自動啟動運轉工作，給水箱補水；當水箱水位上漲到設定的高度時，水泵電機能自動停止供水。本設計中水泵電機的轉速始終保持勻速轉動。2.7 掉電存儲器本設計采用的掉電存儲設備是AT24C08。引腳如圖2.8所示。圖2.8 掉電存儲電路原理圖AT24C08屬于AT24C0X系列設備，該系列具有以下特點：與400KHz I2C總線兼容；低功耗CMOS 技術；1.8 到6.0 伏工作電壓圍；溫度圍商業級工業級和汽車級；寫保護功能當WP為高電平時進入寫保護狀態；自定時擦寫周期；1,000,000編程/擦除

39、周期；可保存數據100年；寫緩沖器；8腳DIP SOIC 或TSSOP 封裝。AT24C08是一個8K位串行CMOS E2PROM，部含有1024個8位字節CATALYST公司的先進CMOS 技術，實質上減少了器件的功耗，AT24C08有一個16字節寫緩沖器，該器件通過I2C總線接口進行操作，有一個專門的寫保護功能。使用AT24C08時最多可接兩個器件。若只有一個AT24C08被總線尋址，A2管腳可連接到Vss或懸空。且僅使用地址管腳A0、A1、A2管腳未用，可以懸空或連接到Vss。AT24C08集成電路采用8腳雙列直插式封裝，其集成電路的引腳功能與數據見表2.6所列。AT24C08的極限參數

40、：各管腳承受電壓-2.0Vcc+2.0V；封裝功率損耗Ta為251.0W；焊接溫度(10秒)300；工作溫度工業級-55到+125；輸出短路電流100mA；商業級0到+75；貯存溫度-65到+150；Vcc 管腳承受電壓-2.0V到+7.0V。表2.6 AT24C08集成電路引腳功能與數據引腳功能電壓（V）電阻（K）紅筆測量黑筆測量1地址A00002地址A00003地址A00004地GND0005數據SDA4.85.24.56時鐘SCL4.85.24.97寫保護WP4.27.65.58電源Vcc51.4-21.4-22.8 LED顯示2.8.1 LED顯示器的結構數碼管由7個發光二極管（LED

41、）構成一個“日”字形，它門可以共陽極，也可以共陰極。它的工作原理是通過解碼電路得到的數碼導通相應的發光二極而形成相應的字。一般的半導體數碼管是由7個條狀的發光二極管（LED）排列而形成的，可實現少量字符與數字“09”的顯示。除此之外，為了實現小數點的顯示，增加了1個點狀的發光二極管，所以數碼管由8個發光二極管（LED）構成，這些發光二極管被分別命名為“a,b,c,d,e,f,g,dp”。其引腳如圖2.9所示。圖2.9 數碼管引腳圖圖 數碼管按各自發光二極管（LED）電極的連接方式可分為共陽極數碼管和共陰極數碼管兩種。共陽極數碼管指將所有發光二極管的陽極連接在一起形成公共陽極（COM）的數碼管。

42、共陽極數碼管在應用時應將公共陽極（COM）接+5V，當某一字段的發光二極管的陰極為高時，相應字段不亮，反之，當某一字段的發光二極管的陰極為低時，相應字段點亮。共陽極數碼管部連接如圖2.10所示。圖2.10 共陽極數碼管部連接圖共陰極數碼管指將所有發光二極管的陰極連接在一起形成公共陰極（COM）的數碼管。共陰極數碼管在應用時應將公共陰極（COM）接地線GND上，當某一字段的發光二極管的陽極為低時，相應字段不亮，反之，當某一字段的發光二極管的陽極為高時，相應字段點亮。共陰數碼管部連接如圖2.11所示。圖2.11 共陰極數碼管部連接圖若要數碼管能正常顯示，必須用驅動電路驅動數碼管的各個段碼，以便能夠

43、顯示出我們需要的數字，故根據數碼管驅動方式的不同，可以分為動態方式和靜態方式兩種。靜態顯示驅動（也稱直流驅動）：指每個數碼管的每一個段碼都由一個單片機的I/O 端口進行驅動，或者使用譯碼器譯碼進行驅動。靜態顯示具有顯示亮度高和編程簡單的優點。其缺點為占用I/O 端口過多（如驅動5個數碼管的靜態顯示則需40根I/O端口來驅動，然而一個51單片機可用的I/O 端口只有32個）；實際應用中必須增加譯碼驅動器進行驅動，這就增加了硬件電路的復雜性。動態顯示驅動：它是單片機中應用最廣泛的一種顯示方式之一。動態顯示驅動是指將所有數碼管的8個發光二極管"a,b,c,d,e,f,g,dp"的

44、同名端連接在一起，然后為每個數碼管的公共極（COM）增加一個位選通控制電路，位選通控制電路是由各自獨立的I/O線控制的，當單片機輸出的是字形碼時，所有的數碼管都接收到一樣的字形碼，但要想知道究竟是哪個數碼管會顯示出字，則取決于單片機對位選通電路的控制，故只需將要顯示字形的對應數碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，若數碼管沒有被選通，則該數碼管不會亮。輪流分時控制各個數碼管的公共（COM）端，就可以使各個數碼管在控制下輪流顯示，這就是動態顯示驅動。在輪流顯示過程中，每位數碼管的點亮時間為1 ms2ms，由于發光二極管的余輝效應與人的視覺暫留現象，即使實際上各位數碼管并不是同時被點亮，但是只要掃

45、描的速度足夠快，那么它給人的感覺就是一組穩定的顯示數據，不會有閃爍的感覺，動態顯示的效果和靜態顯示一樣。用LED顯示器顯示十六進制數的字型代碼如表2.7所示：表2.7 LED顯示十六進制數的字型代碼字形共陽極代碼共陰極代碼字形共陽極代碼共陰極代碼0C0H3FH1F9H06H2A4H5BH3B0H4FH499H66H592H6DH682H7DH7F8H07H880H7FH990H6FHA88H77HB83H7CHCC6H39HDA1H5EHE86H79HF8EH71H滅FFH00H2.8.2 移位寄存器本設計采用的74LS164是8位移位寄存器，其引腳如圖2.12。圖2.12 74LS164引腳

46、圖引腳功能：Clock：時鐘輸入端。Clear：同步清除輸入端（低電平有效）。A、B：為串行數據輸入端。QAQH：為輸出端。部邏輯如圖2.13所示。                                     

47、0;              圖2.13 74LS164 部邏輯圖 74LS164工作圍：輸入電壓5.5V 。電源電壓7V。儲存溫度-65150。工作環境溫度070。當清除端（Clear）為低電平時，輸出端（QAQH）都為低電平，串行數據輸入端（A，B）可控制數據。當輸入端(A，B)任意一個為低電平時，在時鐘端（Clock）脈沖上升沿作用下Q0為低電平，禁止新的數據輸入。當輸入端(A，B)有一個為高電平時，另一個輸出端就允許輸入數據，并在Clock上升沿

48、作用下決定Q0的狀態。74LS164的時序如圖2.14所示。圖2.14 時序圖第三章 硬件設計3.1 STC89C52單片機模塊電路3.1.1 晶振電路圖3.1 晶振電路單片機晶振電路的作用是為單片機提供工作頻率，使單片機能夠完成一定的功能。單片機的晶振電路分為外部時鐘信號和片振蕩電路。當使用片振蕩電路時，X1（J1）、X2(J2)與晶體振蕩器（簡稱晶振）與電容C1、C2如圖3.1所示的方式連接構成晶振電路。在該電路中，電容C1、C2、晶振以與片與非門（起反饋放大作用的元件，類似于電容三點式振蕩電路中的三極管）構成了電容三點式振蕩器。振蕩電容C1和C2的取值圍與晶振的頻率與種類有關。為了減少寄

49、生電容對振蕩頻率的影響，在印制板上電容C1和C2應盡可能靠近單片機芯片的X1和X2引腳，必要時可以采用溫度系數較小的NPO電容。當采用外部時鐘信號時，外部時鐘信號需從X1引腳輸入，X2引腳懸空，原因是單片機的片時鐘信號取自作為反饋放大元件的二輸入與非門的一個輸入端。晶振的電容值，是根據晶振的頻率計算出來的，在晶振中含有電阻，由單片機的頻率值，加上式（3.1）可以推導出晶振的上拉電容值在2040P基本都可以，一般取電容值為30P。 （3.1）3.1.2 復位電路為了確保單片機系統電路可以穩定可靠的工作，復位電路是必不可少的一部分，復位電路的主要功能是上電復位。在本設計中，RET引腳為復位輸入端，

50、STC89C52RC采用高電平復位方式。為了保證CPU部各單元電路可靠復位，RET引腳復位脈沖高電平維持時間必須大于等于2個機器周期（即24個振蕩周期）。只要RET引腳保持高電平狀態，則每隔24個振蕩周期將重復一次復位操作，直到RET引腳變為低電平。復位電路如圖3.2所示。電路方面采用的是由RC分立元件構成的外部復位電路。工作原理：按下按鍵K0，RET端為低電平，此時電容通過電阻R1充電，一定時間后，電容兩端電壓增大，RET端近似為高電平，單片機復位，松開按鍵后，電容通過電阻R2放電，放電一段時間后，RET端又近似為低電平，復位結束，復位時間小于等于T。 （3.2）圖3.2 復位電路3.1.3

51、 最小系統單片機最小系統很簡單，就是能使單片機工作的最少的器件構成的系統。最小系統雖然簡單，但是卻是大多數控制系統所必不可少的關鍵部分。對于MCS-51 單片機，其部已經包含了一定數量的程序存儲器和數據存儲器，在外部只要增加時鐘電路和復位電路即可構成單片機最小系統。STC89C52RC的最小系統如圖3.3所示。圖3.3 單片機最小系統單片機系統中的各個部分是在一個統一的時鐘脈沖控制下有序地進行工作，因此時鐘電路是單片機系統最基本、最重要的電路。MCS-51 單片機部有一個高增益反相放大器，引腳XTAL1 和XTAL2 分別是該放大器的輸入端和輸出端，如果引腳XTAL1 和XTAL2 兩端跨接上

52、晶體振蕩器（晶振）或瓷振蕩器就構成了穩定的自激振蕩電路，該振蕩電路的輸出可直接送入部時序電路。大規模集成電路在上電時一般都需要進行一次復位操作，以便使芯片的一些部件處于一個確定的初始狀態，復位是一種很重要的操作。器件本身一般不具有自動上電復位能力，需要借助外部復位電路提供的復位信號才能進行復位操作。3.2 LED顯示模塊在單片機應用系統中，數碼管顯示器顯示常用兩種辦法：靜態顯示和動態掃描顯示。基于LED的優點在本次設計中采用了數碼管的靜態顯示。所謂靜態顯示，就是每一個數碼管顯示器都要占用單獨的具有鎖存功能的I/O接口用于筆劃段字形代碼。這樣單片機只要把要顯示的字形代碼發送到接口電路，就不用管它

53、了，直到要顯示新的數據時，再發送新的字形碼，因此，使用這種辦法單片機中CPU的開銷小。能供給單獨鎖存的I/O接口電路很多，常用的串并轉換電路74LS164。完整的顯示電路圖如圖3.4所示。圖3.4 LED顯示模塊74LS164是串行輸入并行輸出的移位寄存器。它具有兩個串行輸入端（A和B）和8位并行輸出端（QaQh）。CLR為異步清零端，當其為低電平時，可使74LS164清零（復位）。因本設計不需要復位，所以將其接+5V。CLK為時鐘脈沖接收端，用以控制移位寄存器的移位節奏。如圖3.4所示，移位寄存器74LS164通過單片機的P10和P11口獲得數據和脈沖，然后再把數據送給數碼管，顯示對應的數據

54、。3.3 A/D轉換電路正常情況下，單片機與ADC0832的接口應為4條數據線（CS、CLK、DO、DI）。其中，由于DI端與DO端在通信時與單片機的接口是雙向的且并未同時有效，所以電路設計時可以將DI和DO并聯在一根數據線上使用。ADC0832和單片機相連電路如圖3.5所示。圖3.5 A/D轉換電路3.4 D/A轉換電路DAC0832經過運放uA741輸出0-5V電壓信號。電路如圖3.6所示。圖3.6 D/A轉換電路調幅分析：當數字量為0FFH=255，參考電壓VREF=-5V時,（3.1）(3.2)3.5 V/I轉換電路圖3.7 V/I轉換電路選擇該電路的理由是三個運算放大電路共同作用，代

55、替了三極管，使電路更簡單、方便，也減少焊接時的麻煩。設經過第一個運算放大器的輸出電壓為U1，經過第二個運算放大器的輸出電壓為U2，經過第三個運算放大器的輸出電壓為U0，輸入電壓為Ui，輸出電流為I0。(3.3)(3.4)由式（3.3）和式（3.4）可得(3.5)(3.6)由式（3.5）和式（3.6）可得(3.7)(3.8)(3.9)3.6 鍵盤電路如圖3.8所示鍵盤控制電路是由K1、K2、K3、K4鍵接單片機的P1.4P1.7口相連組成的，它完成PID參數值的設定和修改。按鍵功能如表3.1，按鍵設定值如表3.2所示。圖3.8 鍵盤電路表3.1 按鍵功能表按鍵功能K1修改PID參數K2加1鍵K3

56、減1鍵K4確定并返回表3.2 按鍵設定值K1鍵按下的次數n設定PID參數n=1修改比例系數Kpn=2修改積分常數Tin=3修改微分常數Td3.7 串口通信電路單片機與上位機的聯系是通過串口來實現的，兩者遵循一定的協議。在單片機與微機之間的距離在15米圍，采用九針串口中的三根引腳與單片機相連即可，一個是串行數據發送端TXD，一個是串行數據接收端RXD，另一個是地端GND。由于單片機和微機之間的電平不兼容，單片機串口使用的是正邏輯的TTL電平，而上位機的串口使用的是負邏輯的EIA電平，這樣就存在TTL電平和EIA電平之間的轉換問題。為了使單片機和微機之間的電平相互兼容，使用電平轉換芯片RS232。RS-232電纜的兩端，一端為母頭（DB9孔式），一端為公頭（DB9針式）。DB9定義引腳： 1 DCD載波檢測、2 RXD接受數據、3 TXD發出數據、4 DTR數據終端準備好、5 SG信號地線、6 DSR數據準備好、7 RTS請求發送、8 CTS清除發送、9 RI振鈴指示。外部設備與串行接口之間的數據傳送是按位進行的。RS-232采用負邏輯，即5到15V代表“1”，5到15V代表“0”。必須經過相應的電平轉換，計算機才能通過串口通訊。 計算機串口通訊接口采用DB9芯接插件，