PAGE水位報警器畢業論文專業電子信息工程技術題目水位報警器的研究與設計PAGE2目錄1引言 11.1選題的目的意義 11.2應解決的主要問題 11.3國內外發展現狀 22設計方案的確定 13硬件設計 13.1傳感器的選擇 13.1.1傳感器的概述 13.1.2傳感器類別的選擇 23.1.3傳感器型號的選擇 43.2A/D轉換器的選擇 63.2.1A/D轉換器的主要技術指標 63.2.2A/D轉換器的類別的選擇 73.2.3A/D轉換器型號的選擇 83.3單片機選擇 123.3.1單片機的簡介 123.3.28051芯片引腳 133.3.3存儲器 163.4復位電路和時鐘電路的設計 173.4.1復位電路設計 173.4.2 時鐘電路選擇 193.5報警電路設計 203.6控制電路的設計 203.7鍵盤顯示電路設計 213.7.1鍵盤電路簡介 213.7.2鍵盤電路的分類 223.7.38155的結構與引腳 233.7.4矩陣式鍵盤電路簡介 243.8顯示電路設計 253.8.1顯示器件的選擇 253.8.2驅動芯片的選擇 253.8.3MC14499芯片簡介 263.8.4LED驅動芯片MC14499 283.9集成穩壓器電路 293.9.1集成穩壓器電路簡介 293.9.2W7805芯片簡介 303.10電源監控器件 314軟件設計 14.1程序模塊 14.2程序流程圖 14.2.1主程序流程圖 14.2.2A/D0809轉換程序流程 24.2.3鍵盤掃描子程序 24.2.4鍵盤顯示子程序的設計 4總結 1參考文獻 1致謝 1附錄A 1附錄B 21引言1.1選題的目的意義隨著計算機技術和現代通信技術的迅速發展，水位報警計已經從普通型發展到智能化，而且水位報警計的功能日益趨向于完善，然而水位報警計的許多相關理論與技術仍在不斷發展。本次設計的就是針對鍋爐水位報警計研究的一個課題。因鍋爐里的水在高溫時汽化供暖，水和汽的損耗較大，要不斷地補充水，使鍋爐里的水位保持一定的高度，水位過低，鍋爐就有爆炸的危險。為了隨時了解鍋爐內的水位，在鍋爐上都裝有水位計，水位計和鍋爐構成一個連通器。常用的有玻璃液位計、壓強液位計、浮標液位計、電容液位計及電阻液位計等。在高溫和高壓下，也可采用同位素液位計。水位計產品多種多樣，其中以玻璃管液位計和玻璃板液位計使用的最多，玻璃管液位計又因材質的不同分為普通玻璃管液位計和石英玻璃管液位計，二者是有區別的。本人之選題《水位報警計》，具有如下目的意義：①通過查閱資料可以了解當前行業前沿的水位報警計技術及產品發展狀況。②培養自己將所學的知識與現實相聯系的能力。③水位報警計，它的作用是觀測和控制容器內的介質多少量，通過液面的高度來掌握體積的多少，從而達到防止超裝和掌握存液數量的目的。④對水位報警計研究，有利于滿足人們日益增長的物質需求，通過將科學技術應用到水位控制上從而使得人們真正體會到科技的發展給自己的現實生活所帶來的方便和舒適。1.2應解決的主要問題本設計主要解決傳感器的選擇、硬件電路的設計和軟件程序的設計。其所能達到的技術指標為①可以對水罐水位信息進行采集。②通過單片機控制，使水罐水位水位維持在正常的范圍內。③具有鍵盤顯示功能。④具有報警功能當水位超過上限或下限時，能及時報警。⑤對水位進行控制的功能。⑥對整個電路有一個專門提供電源的基準電壓回路。⑦對電源進行監控的電源監控器件。1.3國內外發展現狀2009-2010年中國容器液位報警計產業專題調查分析報告中指出《中國容器液位報警計市場分析報告》立足于容器液位報警計市場發展現狀分析，通過對容器液位報警計行業環境、容器液位報警計產業鏈、容器液位報警計市場供需、容器液位報警計價格、容器液位報警計生產企業的詳盡分析，以使企業和投資者達到對容器液位報警計產品市場發展現狀的全面、深入掌握；同時為使企業和投資者把握容器液位報警計未來的市場發展趨勢，單位還對容器液位報警計行業未來發展趨勢和市場前景進行科學、嚴謹的分析與預測；另外在投資分析部分，針對企業投資決策依據進行了重點分析，并綜合給出投資建議。目前國內外液位計的種類很多，有雷達液位計、磁性浮子液位計、石英管液位計、智能雷達液位計、彩色石英管液位計和超聲波液位計等等。而生產液位計的公司有美國羅斯蒙特ROSEMOUNT、德國E+H、日本橫河YOKOGAWA、德國西門子SIEMENS、瑞士ABB、德國VEGA。這些只是常用而較熱門的品牌。2總體設計方案的確定數據采集系統主要是指這樣的系統，它具有將模擬量（例如溫度、壓力、位移、語音、圖像等）變為數字量，然后經計算機進行適當的處理后，再配以顯示、記錄等功能。典型的數據采集系統框圖如圖2.1所示，圖中各單元的功能如下：被測物理量被測物理量傳感器放大，整形，濾波A/D轉換器單片機控制設備顯示設備報警設備變送器2.1典型的數據采集系統框圖被測物理量：主要是指非電的物理量，例如工業控制中的溫度、壓力、流量、水位等。傳感器：將輸入的物理量轉換成相應的電信號輸出，實現非電量到電量的變換。傳感器的精度直接影響到整個系統的性能，所以是系統中一個重要的部件。放大，整形，濾波：傳感器的輸出信號一般不適合直接去轉換數字量，通常要進行放大，特性補償，濾波等環節的預處理來完成。A/D轉換器：實現將模擬量轉換成數字量，常用的是并行比較型、逐次逼近式、積分式等。單片機：目前的數據采集系統功能和性能日趨完善，因此主控部分一般都采用單片機。顯示設備：常用的顯示器有發光二極管、7段數碼管等。控制設備：一般有按鍵控制，具有設定，確定等功能。報警設備：當所測的信號超出了設定值，應該通知工作人員進行處理的設備，一般有聲光報警等。綜上所述，設計數據采集系統時在硬件方面的工作主要是根據系統要求，合理選好個單元器件及互相連接，以及完成輸入、輸出的設計。而數據采集系統的軟件設計是根據系統要實現的功能，經接口對各個部分進行控制；對模擬多路輸入通道的選擇以保證選擇正確的通道；在正確的時刻取樣和保持以使ADC能正確完成轉換；對輸入的數字信息進行運算處理以及顯示、記錄和傳輸，對信息格式可能還要做變換工作，這些基本上都是通過編程來實現。基于上述的考慮本設計的整體思路如下:以MCS-51系列單片機為核心開始設計，選用合適的液位傳感器對水罐中的液位參數進行報警把檢測到的模擬信號轉換成電信號。本次設計采用的是變送器，它可以直接把液位信號轉化成標準的電信號，而不需要放大、整形、濾波等。對該電信號通過模數轉換把模擬信號轉換成數字信號。模數轉換器A/D與單片機相連，由I/O端口輸入到單片機，由單片機對其進行監測和控制。在控制電路的控制下，最后經過輸出端口單片機與顯示電路相連通過所編的程序完成顯示功能。設計方法從整體上把它分成兩塊：第一塊為硬件電路的設計，對傳感器的選型，A/D轉換器，接口芯片的選型。為顯示的驅動電路、數碼管的選型。第二塊為軟件的設計，采用匯編語言編程，這里面包含定時對檢測電路數據采集，輸出信號驅動數碼管顯示等。3硬件設計硬件設計大體可以分為5步：①用傳感器將非電量信號轉換成電量信號，而在設計中選用什么類型的傳感器，從經濟性，可靠性和準確性的方面考慮。②用模/數轉換器將模擬信號轉換成數字信號，然后傳送到單片機里。③是控制電路的設計，即鍵盤、按鈕等對水位報警系統的控制。④顯示、監控電路的設計。⑤對電壓基準電路和電源監控電路的設計。硬件系統的設計框圖如圖3.1所示。單單片機液位變送器時鐘電路復位電路操作鍵盤LED顯示驅動電路報警電路電壓基準回路電源監控電路LED顯示電路A/D轉換器水位控制電路3.1硬件系統的設計框圖3.1傳感器的選擇3.1.1傳感器的概述傳感器是一種能將與待報警的能量形式，轉化成另一種可供處理查詢的能量形式的裝置。信號處理電路用于處理信息，而輸出器件是一種利用已處理過的信號的裝置、顯示或動作。傳感器不但對被測信號敏感，而且具有把它對被測變量的響應送出去的功能。也就是說，傳感器不是一般的敏感元件，它的輸出響應還必須易于傳送的物理量。例如彈性膜盒的輸出響應是形變，是微小的幾何量（位移）不便于遠距離傳送。如果把膜盒中心的位移轉變為電容極板的間隙變化，就稱為輸出響應是電容量的壓力傳感器。倘若，再通過適當的電路使電容量的大小為振蕩頻率的高低，就演變成輸出響應是頻率值的壓力傳感器。某些敏感元件的輸出響應本來就能夠傳送到別處報警，例如，鉑電阻應變電阻的阻值，熱電偶的電動勢等，把這些敏感元件稱為傳感器也未嘗不可。由于電信號便于遠距離傳送，所以絕大多數傳感器的輸出是電量的形式，如電壓、電流、電阻、電感、電容、頻率等。也有利用壓縮空氣的壓力大小傳送信息的這種方法在抗電磁干擾和防報安全方面比電傳送要優越，但氣源和線路上的投資較大，而且傳送速度較低。近年來利用光纖傳送信號信息的傳感器正在發展，其抗干擾、防爆、快速性都有突出的優點。總之，傳感器的輸出物理量不拘一格，其數值范圍也沒有一定的范圍限制。3.1.2傳感器類別的選擇常用于報警液位的液位計有連通器式、吹泡式、差壓式、電容式等，報警物位的有超聲波物位計和放射性物位計等。其報警原理和特點如下：①連通器式就是應用最普通的玻璃液位計，它的特點是結構簡單、價廉、直觀，適于現場使用，但易破損，內表面沾污，造成讀數困難，不便于遠傳和調節。②浮力式液位計包括恒浮力式和變浮力式兩類。1）恒浮力式液位計。恒浮力式液位計是依靠浮標或浮子浮在液體中隨液面變化而升降，它的特點是結構簡單、價格較低，適于各種貯罐的報警；2）變浮力式液位計。變浮力式亦稱沉筒式液位計，當液面不同時，沉筒浸泡于液體內的體積不同，因而所受浮力不同而產生位移，通過機械傳動轉換為角位移來報警液位。此類儀表能實現遠傳和自動調節。③吹泡式液位計是應用靜壓原理報警敞口容器液位。壓縮空氣經過過濾減壓閥后，再經定值器輸出一定的壓力，經節流元件后分兩路：1）一路進到安裝在容器內的導管，由容器底部吹出；2）另一路進入壓力計進行指示。當液位最低時，氣泡吹出沒有阻力，背壓力零，壓力計指零；當液位增高時，氣泡吹出要克服液柱的靜壓力，背壓增加，壓力指示增大。因此，背壓即壓力計指示的壓力大小，就反映了液面的高低。吹泡式液位計結構簡單、價廉，適用于報警具有腐蝕性、粘度大和含有懸浮顆粒的敞口容器的液位，但精度較低。④差壓式液位計有氣相和液相兩個取壓口。氣相取壓點處壓力為設備內氣相壓力；液相取壓點處壓力除受氣相壓力作用外，還受液柱靜壓力的作用，液相和氣相壓力之差，就是液柱所產生的靜壓力。這類儀表包括氣動、電動差壓變送器及法蘭式液位變送器，安裝方便，容易實現遠傳和自動調節，工業上應用較多。⑤電容式液位計是采用報警電容的變化來報警液面的高低的。它是一根金屬棒插入盛液容器內，金屬棒作為電容的一個極，容器壁作為電容的另一極。兩電極間的介質即為液體及其上面的氣體。由于液體的介電常數ε1和液面上的介電常數ε2不同，比如：ε1>ε2，則當液位升高時，兩電極間總的介電常數值隨之加大因而電容量增大。反之當液位下降，ε值減小，電容量也減小。所以，可通過兩電極間的電容量的變化來報警液位的高低。電容液位計的靈敏度主要取決于兩種介電常數的差值，而且，只有ε1和ε2的恒定才能保證液位報警準確，因被測介質具有導電性，所以金屬棒電極都有絕緣層覆蓋。電容液位計體積小，容易實現遠傳和調節，適用于具有腐蝕性和高壓的介質的液位報警。接下來來分析一下本設計到底用哪一種液位傳感器更為合適，首先，應該明確一下，本設計是水位報警計，因此有很多種，如石油、化工、環保和水利等。本次所選的是一個大型水罐，但類似于水塔。根據下面的信息來確定應該用何種傳感器。①連通式傳感器，俗稱直讀液位計，由于它易于破損，不便于遠傳和調節。所以它不適合用在大型水罐上；②浮力式液位計，價格較低，簡單易于操作，可用來遠傳和調節。適合用在大型水罐上；③吹泡式液位計簡單價廉，但精度較低，不適合用在大型水罐上；④差壓是液位計，主要用表報警粘稠、有沉淀、有腐蝕或易凍結的液體，一般不會用在大型水罐上；⑤電容液位計體積小，容易實現遠傳和調節，適用于具有高腐蝕性和高壓液位報警，因此不適合用在大型水罐上；從上面分析中，可以看出浮子式液位計和應變式傳感器都適合作為大型水罐的液位傳感器。在本設計中選擇應變式液位計作為液位傳感器。3.1.3傳感器型號的選擇在本次設計中，準備選用液位傳感器為JBY系列L形普通投入式液位變送器。作為此次設計所使用的傳感器。簡介：投入式靜壓式液位變送器是基于所測液體靜壓與該液體的高度成比例的原理，采用外國先進的隔離型擴散硅敏感元件，利用壓阻效應，將靜壓轉換為電信號，再經過溫度補償和線性修正，轉化成標準電信號（一般為4～20mA）。JYB系列L形普通投入式液位變送器適用于石油、化工、冶金、電力、制藥、環保等行邪惡各種介質的液位報警。精巧的結構，簡單的調校和靈活的安裝方式為用戶輕松地使用提供了方便。4～20mA、0～5V、0～10mA等標準信號輸出方式由用戶根據需要任選。用途與特點：可廣泛用于水廠、污水處理廠、城市供水、高樓水池、水井、礦井、工業水池、水罐、水文地質、水庫、河道、海洋等場所、抗過載能力強、防浪涌電壓，抗腐蝕性能優良，具有過壓過流保護，反向極性保護，穩定性高，抗干擾能力強，實用性強，安裝簡便。主要性能指標如表3.2所示：表3.2:量程/m0～100內各量程，最小量程0.5遲滯性與可重復性/%FS≤0.1長期穩定性/（%FS/年）≤0.1介質溫度/℃-20～+70熱力零點漂移/（%FS/℃）≤0.03環境溫度/℃-10～+60相應時間/ms﹤30供電電壓/VDC＞100，12～32（通常24）最大工作壓力2倍量程輸出信號電流輸出型≤600電壓輸出型≥3000電氣連接電纜連接外部零件的材料普通不銹鋼/316不銹鋼負載特性/0～10mA/4～20mA0～5VDC/1～5VDC殼體材料普通不銹鋼/316不銹鋼/鑄鋁外殼報警介質油，水，氣體及其他與316不銹鋼兼容介質絕緣電阻/M﹥100準確度/%FSA級：0.25B級：0.5防護等級IP68非線性/%FS﹤0.2本質安全防爆ExiaⅡ生產廠家：北京昆侖海岸傳感技術中心3.2A/D轉換器的選擇3.2.1A/D轉換器的主要技術指標A/D轉換器的作用是把模擬量轉化成數字量，以便于計算機進行處理。隨著超大規模集成電路技術的飛速發展，A/D轉換器的新設計思想和制造技術層出不窮。為滿足各種不同的檢測及控制任務的需要，大量結構不同，性能不同的A/D轉換芯片應運而生。①轉換精度 單片集成A/D轉換器的轉換精度是用分辨率和轉換誤差來描述的。1）分辨率：它說明A/D轉換器對輸入信號的分辨能力。A/D轉換器的分辨率以輸出二進制（或十進制）數的位數表示。從理論上講，n位輸出的A/D轉換器能區分個不同等級的輸入模擬電壓，能區分輸入電壓的最小值為滿量程輸入的1/。在最大輸入電壓一定時，輸出位數越多，量化單位越小，分辨率越高。例如A/D轉換器輸出8位二進制數，輸入信號最大值為5V，那么這個轉換器應能區分輸入信號的最小電壓為19.53mV。2）轉換誤差：表示A/D轉換器是輸出的數字量和理論上的輸出數字量之間的差別。常用最低有效位的倍數表示。例如給出相對誤差LSB/2，這就表明實際輸出的數字量和理論上應得到的輸出數字量之間的誤差小于最低位的半個字。②轉換時間轉換時間指A/D轉換器從轉換控制信號到來開始，到輸出端得到穩定的數字信號所經過的時間。不同類型的轉換器轉換速度相差甚遠。其中并行比較A/D轉換器轉換速度最高，8位二進制輸出的單片集成A/D轉換器時間可達50ms以內。逐次比較型A/D轉換器次之，轉換速度較慢，一般在10s～50s之間，也有達幾百納秒的。雙積分型A/D轉換器的轉換時間大都在幾十毫秒至幾百毫秒之間。在實際應用中，應根據系統數據總位數、精度要求、輸入模擬信號的范圍及輸入信號極性等方面綜合考慮選用何種A/D轉換器。3.2.2A/D轉換器的類別的選擇常用的A/D轉換器可分為并行比較型、逐次比較型和雙積分型等幾種。①并行比較型A/D轉換器并行A/D轉換器具有如下特點。1）由于轉換是并行的，其轉換時間只受比較器，觸發器和編碼電路延遲時間的限制，因此轉換精度較快。使用這種含有寄存器的并行A/D轉換電路時，可以不用附加取樣-保持電路，因為比較器和寄存器這兩部分兼有取樣-保持功能。隨著分辨率的提高，元件數目要按幾何級數增加，一個n位轉換器，所用的比較器個數為-1，如8位的并行A/D轉換器需要-1=255個比較器。位數越多，電路越復雜，因此要得到分辨率較高的集成并行A/D轉換器，需要很復雜的電路，這也是并行A/D轉換器最大的缺點。②逐次比較型A/D轉換器逐次比較型A/D轉換器的轉換過程與用天平稱物體質量的過程非常相似。逐次比較型A/D轉換器的工作原理就是將輸入的模擬信號與不同的參考電壓做多次比較，使轉換所得的數字量在數值上主次逼近輸入模擬量的對應值。逐次比較型A/D轉換器完成一次轉換所需要的時間與其位數和時鐘脈沖頻率有關，位數越少，時鐘頻率越高，轉換時間就越短。這種A/D轉換器具有轉換速度快、精度高的特點。常用的集成逐次比較型A/D轉換器有ADC0808/0809系列（8）位、ADC0804(8位)和AD7810（10位）等。③雙積分型A/D轉換器雙積分型A/D轉換器是一種間接A/D轉換器。它的基本原理是，對輸入模擬電壓和參考電壓分別進行兩次積分，將輸入電壓平均值轉換成與之成正比的時間間隔，然后利用時鐘脈沖和計數器測出此時間間隔，進而得到相應的數字量輸出。由于該轉換電路是對輸入電壓的平均值進行轉換，所以它具有很強的抗工頻干擾能力，在報警中得到廣泛應用。由于雙積分A/D轉換器在T1時間內采用的是輸入電壓的平均值，因此具有很強的抗工頻干擾能力。從理論上來說，尤其對周期等于T1或幾分之一T1的對稱干擾（所謂對稱干擾是指整個周期內平均值為零的干擾），有無窮大的抑制能力。即使在工頻干擾幅度大于被測直流信號，使輸入信號正負變化時，仍有良好的抑制能力。在工業系統中經常碰到的是工頻（50Hz）或工頻的倍頻干擾，故通常選定采樣時間T1總是等于工頻電源周期的倍數，如20ms或40ms等。另一方面，由于在轉換過程中，前后兩次積分所采用的是同一積分器，因此，在兩次積分期間（一般在幾十至數百毫秒之間），R、C和脈沖源等元件參數的變化對轉換精度的影響均可以忽略。常用的A/D轉換器可分為并行比較型、逐次比較型和雙積分型等幾種，不同類型的轉換器轉換速度相差甚遠。其中并行比較A/D轉換器轉換速度最高，8位二進制輸出的單片集成A/D轉換器時間可達50ms以內。逐次比較型A/D轉換器次之，轉換速度較慢，一般在10s～50s之間，也有達幾百納秒的。雙積分型A/D轉換器的轉換時間大都在幾十毫秒至幾百毫秒之間。而且雙積分型A/D轉換器很強的抗工頻干擾能力，再從經濟性方面綜合考慮，逐次比較型是最適合應用在設計中的A/D轉換器。3.2.3A/D轉換器型號的選擇本設計采用A/D轉換器ADC0809。ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A／D轉換器，由于輸出級有8位三態輸出鎖存器，因而0809的數據輸出端可以直接與單片機的數據總線連接。ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖3.2所示。圖3.2ADC0809引腳圖ADC0809各引腳功能如下：IN7～IN0:8路模擬量輸入端，即內部8選1多路開關的輸入端。D7～D0:A/D轉換輸出端，輸出信號與TTL電平兼容，可直接至微型計算機數據總線。ADDA、ADDB、ADDC為多路地址選擇端，用于切換A/D通道，其取值與A/D轉換通道的對應關系如3.4表所示。ADC0809的ADDA、ADDB、ADDC與A/D轉換通道的對應關系表3.4：多路開關地址線被選中的輸入通道對應通道的入口地址ADDCADDBADDA000IN000001IN101010IN202011IN303100IN404101IN505110IN606111IN707ALE：地址鎖存信號輸入線。ADC0809完成一次A/D轉換的典型時間為120S，為保證轉換結果正確，轉換期間要保證不進行通道切換，ALE信號下降沿將啟動A/D時的ADDA、ADDB、ADDC信號鎖存入芯片內部地址鎖存器。START：啟動轉換信號輸入引腳，其上升沿清除上一次A/D轉換結果，其下降沿用以啟動內部控制邏輯，是A/D轉換器開始工作。EOC：轉換結束信號輸出引腳，其上升沿表示A/D轉換已經結束，可以讀取結果。OE:輸出允許控制端，高電平有效。信號有效時，轉換結果送到D0～D7數據線上。CLOCK：轉換器時鐘信號輸入端。它的頻率決定了A/D轉換器的轉換速度。但該頻率不得高于640kHz,其對應的轉換時間為100S。和：ADC0809內部A/D轉換時的參考電壓輸入引腳。不能為負值，不能超過，且應滿足如下關系：/2-/2和GND：ADC0809的電源引腳，它采用+5V電源供電。主要特性：①8路8位A／D轉換器，即分辨率8位。②具有轉換起停控制端。③轉換時間為100μs。④單個＋5V電源供電。⑤模擬輸入電壓范圍0～＋5V，不需零點和滿刻度校準。⑥工作溫度范圍為-40～＋85攝氏度。⑦低功耗，約15mW。在本設計中使用到74LS373。74LS373是一種帶有三態門的8D鎖存器，其引腳如圖3.3所示。圖3.3鎖存器74LS373的引腳其引腳的功能如下：D7～D0：8位數據輸入線Q7～Q0：8位數據輸出線G：數據輸入鎖存選通信號，高電平有效。當該信號為高電平的時候，外部數據選通到內部鎖存器，負跳變時，數據鎖存到鎖存器中。：數據輸出允許信號，低電平有效。當該信號為低電平的時候，三態門打開，鎖存器中數據輸出到數據輸出線。當該信號為高電平的時候，輸出線為高阻態。74LS373的功能表如表3.5所示。表3.5：GDQ0111010000×不變1××高阻態ADC0809的工作過程是：首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復位。下降沿啟動A/D轉換，之后EOC輸出信號變低，指示轉換正在進行。直到A/D轉換完成，EOC變為高電平，指示A/D轉換結束，結果數據已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當OE輸入高電平時，輸出三態門打開，轉換結果的數字量輸出到數據總線上.ADC0809轉換是采用逐次比較的方法完成A/D轉換的，由單一的+5V供電，片內帶有鎖存功能的8路選一的模擬開關，由A，B，C引腳的編碼來確定所選通道。0809完成一次轉換需要100us左右，輸出具有TTL三態鎖存緩沖器，可直接連到MCS-51的數據總線上，通過適當的外接電路，0809可對0-5V的模擬信號進行轉換。如上所說，ADC0809與單片機的接口電路如圖3.4所示。圖3.4ADC0809與單片機的接口電路3.3單片機選擇3.3.1單片機的簡介單片機就是在一塊半導體硅片上集成了微處理器（CPU），存儲器和各種輸入，輸出接口，這樣一塊集成電路芯片具有一臺計算機的屬性，因而被稱為單片機微型機算機，簡稱單片機。MCS是Intel公司生產的單片機的系列符號，例如Intel公司的MCS-48、MCS-51、MCCS-96系列單片機。MCS-51系列單片機包括三個基本型8031，8051，8751。MCS-51由如下幾個功能部件組成：①微處理器②數據存儲器③程序存儲器④4個8位并行I/O口⑤一個串行口⑥2個16位定時器/計數器⑦中斷系統⑧特殊功能寄存器。MCS-51單片機的硬件結構具有功能部件種類全，功能強等特點，特別值得一提的是MCS-51CPU中的位處理器，它實際上是一個完整的1位微機算機。這個1位計算機有自己的CPU，位寄存器，I/O口和指令集。1位機在開關決策，邏輯電路仿真，工業控制方面非常有效：而8位機在數據采集，運算處理方面有明顯的長處。MCS-51單片機中8位機和1位機的硬件資源復合在一起，二者相輔相成，它是計算機的技術上的一個突破，本設計采用8051單片機。MCS-51的內部結構如圖3.5所示。系統時鐘系統時鐘ROM定時/計數器串行I/O并行I/ORAMCPU外部時鐘復位中斷電源圖3.5MCS-51內部結構框圖3.3.28051芯片引腳8051是標準的40引腳雙列直插式集成電路芯片，引腳圖如圖3.6所示：圖3.68051引腳圖其引腳功能如下：P0.0～P0.7P0口8位雙向口線（在引腳的39～32號端子）。P1.0～P1.7P1口8位雙向口線（在引腳的1～8號端子）。P2.0～P2.7P2口8位雙向口線（在引腳的21～28號端子）。P3.0～P3.7P2口8位雙向口線（在引腳的10～17號端子）。P0口有三個功能：1）外部擴展存儲器時，當做數據總線（如圖1中的D0～D7為數據總線接口）2）外部擴展存儲器時，當作地址總線（如圖1中的A0～A7為地址總線接口）3）不擴展時，可做一般的I/O使用，但內部無上拉電阻，作為輸入或輸出時應在外部接上拉電阻。P1口只做I/O口使用：其內部有上拉電阻。P2口有兩個功能：①擴展外部存儲器時，當作地址總線使用②做一般I/O口使用，其內部有上拉電阻；1)ALE/PROG地址鎖存控制信號在系統擴展時，ALE用于控制把P0口的輸出低8位地址送鎖存器鎖存起來，以實現低位地址和數據的隔離。8051擴展EEPROM電路，ALE與74LS373鎖存器的G相連接，當CPU對外部進行存取時，用以鎖住地址的低位地址，即P0口輸出。ALE有可能是高電平也有可能是低電平，當ALE是高電平時，允許地址鎖存信號，當訪問外部存儲器時，ALE信號負跳變（即由正變負）將P0口上低8位地址信號送入鎖存器。當ALE是低電平時，P0口上的內容和鎖存器輸出一致。

在沒有訪問外部存儲器期間，ALE以1/6振蕩周期頻率輸出（即6分頻），當訪問外部存儲器以1/12振蕩周期輸出（12分頻）。從這里可以看到，當系統沒有進行擴展時ALE會以1/6振蕩周期的固定頻率輸出，因此可以做為外部時鐘，或者外部定時脈沖使用。

2)PORG為編程脈沖的輸入端在單片機的內部結構及其組成中，8051單片機內部有一個4KB或8KB的程序存儲器（ROM），ROM的作用就是用來存放用戶需要執行的程序的，實際上是通過編程脈沖輸入才能寫進去的，這個脈沖的輸入端口就是PROG。

3)PSEN外部程序存儲器讀選通信號在讀外部ROM時PSEN低電平有效，以實現外部ROM單元的讀操作。內部ROM讀取時，PSEN不動作；外部ROM讀取時，在每個機器周期會動作兩次；外部RAM讀取時，兩個PSEN脈沖被跳過不會輸出；外接ROM時，與ROM的OE腳相接。4)EA/VPP訪問和序存儲器控制信號接高電平時：CPU讀取內部程序存儲器（ROM）。擴展外部ROM：當讀取內部程序存儲器超過0FFFH（8051）1FFFH（8052）時自動讀取外部ROM。接低電平時：CPU讀取外部程序存儲器（ROM）。8031單片機內部是沒有ROM的，那么在應用8031單片機時，這個腳是一直接低電平的。5)RST復位信號當輸入的信號連續2個機器周期以上高電平時即為有效，用以完成單片機的復位初始化操作，當復位后程序計數器PC=0000H，即復位后將從程序存儲器的0000H單元讀取第一條指令碼。6)XTAL1和XTAL2外接晶振引腳。當使用芯片內部時鐘時，此二引腳用于外接石英晶體和微調電容；當使用外部時鐘時，用于接外部時鐘脈沖信號。

7)VCC：電源+5V輸入8)VSS：GND接地。3.3.3存儲器MCS-51單片機在物理結構上有四個存儲空間：①片內程序存儲器。②片外程序存儲器。③片內數據存儲器。④片外數據存儲器。但在邏輯上，即從用戶的角度上，8051單片機有三個存儲空間：①片內外統一編址的64K的程序存儲器地址空間(MOVC)。②256B的片內數據存儲器的地址空間(MOV)。③以及64K片外數據存儲器的地址空間(MOVX)。在訪問三個不同的邏輯空間時，應采用不同形式的指令,以產生不同的存儲器空間的選通信號。8051單片機存儲器的空間結構圖如圖3.7所示。圖3.78051單片機存儲器的空間結構圖①程序存儲器它是用于存放用戶程序。數據和表格等信息。對于內部無ROM的8031單片機，它的程序存儲器必須外接，空間地址為64kB,此時單片機的端必須接地。強制CPU從外部程序存儲器讀取程序。對于內部有ROM的8051等單片機，正常運行時，則需接高電平，使CPU先從內部的一個微處理器能夠聰明地執行某種任務，除了它們強大的硬件外，還需要它們運行的軟件，其實微處理器并不聰明，它們只是完全按照人們預先編寫的程序而執行之。那么設計人員編寫的程序就存放在微處理器的程序存儲器中，俗稱只讀程序存儲器(ROM)。程序相當于給微處理器處理問題的一系列命令。其實程序和數據一樣，都是由機器碼組成的代碼串。只是程序代碼則存放于程序存儲器中。MCS-51具有64kB程序存儲器尋址空間，程序存儲中讀取程序，當PC值超過內部ROM的容量時，才會轉向外部的程序存儲器讀取程序。當=1時，程序從片內ROM開始執行，當PC值超過片內ROM容量時會自動轉向外部ROM空間。當=0時，程序從外部存儲器開始執行，例如前面提到的片內無ROM的8031單片機，在實際應用中就要把8031的引腳接為低電平。②數據存儲器數據存儲器也稱為隨機存取數據存儲器。數據存儲器分為內部數據存儲和外部數據存儲。MCS-51內部RAM有128或256個字節的用戶數據存儲(不同的型號有分別),片外最多可擴展64KB的RAM,構成兩個地址空間，訪問片內RAM用“MOV”指令，訪問片外RAM用“MOVX”指令。它們是用于存放執行的中間結果和過程數據的。MCS-51的數據存儲器均可讀寫，部分單元還可以位尋址。8051單片機片內RAM共有256個單元(00H-FFH),這256個單元共分為兩部分。其一是地址從00H—7FH單元(共128個字節)為用戶數據RAM。從80H—FFH地址單元(也是128個字節)為特殊寄存器(SFR)單元。3.4復位電路和時鐘電路的設計3.4.1復位電路設計MCS-51的復位是由外部的復位電路來實現的。當MCS-5l系列單片機的復位引腳RST(全稱RESET)出現2個機器周期以上的高電平時，單片機就執行復位操作。如果RST持續為高電平，單片機就處于循環復位狀態。復位是單片機的初始化操作。單片機啟運運行時，都需要先復位，其作用是使CPU和系統中其他部件處于一個確定的初始狀態，并從這個狀態開始工作。因而，復位是一個很重要的操作方式。但單片機本身是不能自動進行復位的，必須配合相應的外部電路才能實現。復位電路通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種形式。①上電自動復位上電自動復位是通過外部復位電路的電容充電來實現的。MCS-51單片機的上電自動復位電路如圖3.8所示，在時鐘電路工作后，在RST端連續給出兩個機器周期的高電平就可完成復位操作。圖中給出了復位電路參數。圖3.8MCS-51單片機的上電自動復位電路②上電加按鍵手動復位MCS-51單片機的上電加按鍵手動復位電路如圖3.9所示。當復位按鍵按下后，復位端通過51的小電阻與+5V電源接通，電容迅速放電，使RST引腳為高電平；當復位按鍵彈起后，+5V電源通過2k電阻對22F電容重新充電，RST引腳端出現復位正脈沖。其持續時間取決于RC電路的時間常數。圖3.9MCS-51單片機的上電加按鍵手動復位復位時，ALE和成復位狀態，即ALE==1時，片內RAM不受復位影響。復位后，P0～P3口輸出高電平且使這些雙向口皆處于輸入狀態，并將07H寫入堆棧指針SP，同時將PC和其余特殊功能寄存器清零。此時，單片機從起始地址0000H開始重新執行程序。所以，當單片機運行出錯或進入死循環時，可使其復位后重新運行。在本次設計中使用復位電路上電加按鍵手動復位電路。時鐘電路選擇MCS-51單片機各功能部件的運行都是以時鐘控制信號為基準，有條不紊的一拍一拍地工作。因此，時鐘頻率直接影響單片機的速度，時鐘電路的質量也直接影響單片機系統的穩定性，常用的時鐘電路設計有兩種方式，一種是內部時鐘方式，另外一種為外部時鐘方式。①內部時鐘方式利用芯片內部的振蕩器，然后再引腳XTAL1和XTAL2兩端跨接晶體振蕩器（簡稱晶振），就構成了穩定的自激振蕩器，發出的脈沖直接接送人內部時鐘電路，外接晶振時，C1和C2的值通常選擇為30pf左右；C1和C2對頻率有微調作用，對外接電容的值雖然沒有嚴格要求，但電容的大小會影響振蕩器頻率的高低，振蕩器的穩定性和起振的快速性，晶振的頻率越高，單片機的運行速度也越快。晶振或陶瓷諧振器的頻率范圍可在1.2～12MHZ之間選擇。為了減少寄生電容，更好地保證振蕩器穩定、可靠的工作，振蕩器和電容應盡可能安裝得與單片機引腳XTAL1和XTAL2靠近。單片機內部時鐘電路如圖3.10所示。圖3.10單片機內部時鐘電路②外部時鐘方式外部時鐘方式是使用外部振蕩脈沖信號，常用于多片MCS-51單片機同時工作，以便于多片單片機之間的同步，一般低于12MHz的方波。如圖3.11所示。圖3.11單片機外部時鐘電路在本設計采用的是內部時鐘方式。3.5報警電路設計在單片機測控系統發生故障或處于某種緊急狀態時，單片機系統能發出提醒人們警覺的報警信號或者提示信號，常見的報警信號為聲音報警。蜂鳴音報警接口電路的設計只需要購買市售的壓電式蜂鳴器，然后通過MCS-51的一根口線經三極管驅動蜂鳴器發聲。本設計采用蜂鳴報警裝置，如圖3.12所示圖3.12蜂鳴報警電路3.6控制電路的設計控制電路在這里起到非常重要的作用，在水位報警中報警到水罐中水位的高度，當水位高于警戒水位時，電動機停轉，水泵停止對水罐供水；當水位低于警戒水位時，電動機起轉，水泵開始對水罐供水。其電路圖如圖3.13所示。3.13控制電路電路圖3.7鍵盤顯示電路設計3.7.1鍵盤電路簡介單片機應用系統中，鍵盤掃描只是單片機的工作內容之一。單片機在忙于各種工作任務時，如何兼顧鍵盤的輸入，取決于鍵盤的工作方式鍵盤工作方式的選取應根據實際應用系統中CPU工作的繁忙情況而定，其原則是既要保證能及時響應按鍵操作，又不要過多占用CPU的工作時間。鍵盤是單片機應用系統中最常用的輸入設備，在單片機應用系統中，操作人員一般都是通過鍵盤向單片機系統輸入命令、地址和數據，實現簡單的人機通信。鍵盤實際上式一組按鍵開關的集合，平均按鍵開關總是處于斷開狀態，當按下鍵時它才閉合。當按鍵開關未按下時，開關處于斷開狀態，輸出為高電平；當按鍵開關按下時，開關處于閉合狀態，輸出為低電平。通常按鍵開關為機械式開關，由于機械觸點的彈性作用，一個按鍵開關在閉合時不會馬上穩定地接通，斷開時也不會馬上斷開，因而在閉合和斷開的瞬間都會伴隨著一串的抖動，如圖所。抖動時間的長短由按鍵開關的機械特性決定，一般為5～10ms，這種抖動對于人來說是感覺不到的，但對于單片機來說，則是完全可以感應到的。鍵盤的處理主要涉及2個方面的內容：①按鍵的識別由于鍵位未按下，輸出為高電平，鍵位按下，輸出為低電平，因此可以通過檢測輸出線上的高/低來判斷鍵位有無按下。如果檢測到位高電平，說明沒有按下；如果檢測到為低電平，則說明該線路上的鍵位已按下。②抖動的消除按鍵時，無論按下鍵位還是放開鍵位都會產生抖動，按下鍵位時產生的抖動成為前沿抖動，松開鍵位時產生的抖動成為后沿抖動。如果對抖動不作處理，必須會出現暗一次鍵輸入多次，為確保按一次鍵只確認一次，必須消除按鍵抖動。消除按鍵抖動通常有兩種方法：硬件消抖和軟件消抖。硬件消抖是通過在按鍵輸出電路上加一定的硬件線路來消除抖動，一般采用R-S出發器或單穩態電路。經過圖中的R-S觸發器消抖后，輸出端的信號就為標準的矩形波。軟件消抖是利用延時來跳過抖動過程，當判斷有鍵按下后，先執行一段大于10ms的延時程序后再去判斷按下的鍵位是哪一個，從而消除前沿抖動的影響。對于后沿抖動，只需在接受一個鍵位后，經過一定時間再去檢測有無按鍵，這樣就自然跳過后抖動時間而消除后沿抖動了，鍵盤處理過程往往是采用這樣的方式。3.7.2鍵盤電路的分類鍵盤的結構形式一般有兩種：獨立式鍵盤和矩陣式鍵盤。①獨立式鍵盤與單片機的接口獨立式鍵盤就是各按鍵相互獨立，每個按鍵各接一根I/O接口線，每根I/O接口線上的按鍵都不會影響其他的I/O接口線。因此，通過檢測I/O接口線的電平狀態就可以很容易地判斷出哪個按鍵被按下了。獨立式鍵盤的電路配置靈活，軟件簡單。但每個按鍵要占用一根I/O接口線，在按鍵數量較多時，I/O接口線浪費很大。故在按鍵數量不多時，常采用這種形式。②矩陣式鍵盤與單片機的接口矩陣式鍵盤又叫行列式鍵盤。用I/O接口線組成行、列結構，鍵位設置在行、列的交點上。例如44的行、列結構可組成16個鍵的鍵盤，比一個鍵位用一根I/O接口線的獨立式鍵盤少了一般的I/O接口線。而且鍵位越多，情況越明顯。因此，在按鍵數量較多時，往往采用矩陣式鍵盤。行列式鍵盤適用于按鍵數目較多的場合，它由行線和列線組成，按鍵位于行列的交叉點上。很明顯，在按鍵數目較多的場，行列式鍵盤與獨立式鍵盤相比，要節省很多的I/O口線。對于獨立式鍵盤，由于按鍵的數目比較少，可根據需要靈活編碼。對于行列式鍵盤，按鍵的位置有行號和列號唯一確定，所以常常采用依次排列鍵號的方式對鍵盤進行編碼。在本設計中由于按鍵較多，所以采用矩陣式鍵盤。它是采用8155并行擴展接口構成的鍵盤顯示接口電路。下面簡要介紹的8155的結構與引腳。3.7.38155的結構與引腳8155的內部結構如圖6―12(b)所示。它含有1個256字節的RAM、1個14位定時/計數器以及3個并行I/O口,其中A口、B口均為8位,C口為6位。A口、B口既可作為基本I/O口,也可作為選通I/O口；C口除可作為基本I/O口外,還可用作A口、B口的應答控制聯絡信號線。此外,8155內部還有一個控制寄存器組,用來存放控制命令字。8155引腳圖如圖3.14所示。圖3.148155的引腳圖8155引腳功能8155為40引腳雙列直插式封裝芯片。現將其各引腳的功能簡介如下：AD0～AD7：地址/數據復用線。它與8031單片機的P0口直接相連。8155和CPU之間的地址、數據、命令及狀態信號都通過這組信號線傳送。：片選信號,輸入,低電平有效。：RAM和I/O口選擇線。當=1時,選中I/O口；當=0時,選中RAM。ALE：地址鎖存信號。：讀選通信號,輸入,低電平有效。：寫選通信號,輸入,低電平有效。TIMERIN：定時器輸入。它是8155片內定時器的脈沖信號輸入端。TIMEROUT：定時器輸出。通過它可以輸出矩形波或脈沖波。PA0～PA7：A口通用的輸入/輸出線。由編程來決定是輸入還是輸出。PB0～PB7：B口通用的輸入/輸出線。由編程來決定是輸入還是輸出。PC0～PC5：C口的輸入/輸出或控制信號線。3.7.4矩陣式鍵盤電路簡介行列式鍵盤工作原理:按鍵設置在行列線交點上，行列線分別連接到按鍵開關的兩端。行線通過上拉電阻接到+5V上。無按鍵按下時，行線處于高電平狀態，而當有按鍵按下時，行線電平狀態將由于此行線相連的列線電平決定。其鍵盤顯示電路如圖3.15所示。圖3.15鍵盤顯示電路水位控制系統的水位顯示和水位的設定直接采用電路在一塊。當水位低于設定的最低水位值時，也采用蜂鳴器進行報警。用0#、1#鍵作為水位最高限、最低限的設定功能鍵；2#、3#鍵作為水位值設定的增加和減小功能鍵。0#鍵：作為最高水位的設定功能鍵。按一次進入最高水位設定狀態，選擇最高限水位值后，再按一次確認設定完成。1#鍵：作為最低水位的設定功能鍵。按一次進入最低水位設定狀態，選擇最低限水位值后，再按一次確認設定完成。2#鍵：+1功能鍵，每一次將溫度值加1，范圍為1～99m。3#鍵：-1功能鍵，每一次將溫度值減1，范圍為99～1m。3.8顯示電路設計3.8.1顯示器件的選擇①LED顯示器件單片機應用系統中經常用到LED數碼管作為顯示輸出設備。LED數碼管顯示器雖然顯示信息簡單，但它具有顯示清晰、亮度高、使用電壓低、壽命長、與單片機接口方便等特點，基本上能滿足單片機應用系統的需要，所以在單片機應用系統中經常用到。②LCD顯示器件液晶顯示器簡稱LCD顯示器，它是利用液晶經過處理后能改變光線的傳播方向的特性實現顯示信息的。液晶顯示器具有體積小、重量輕、功耗極低、顯示內容豐富等特點，在單片機應用系統中得到了日益廣泛的應用。液晶顯示器按其功能可分為三類：筆段式液晶顯示器、字符點陣式液晶顯示器和圖形點陣式液晶顯示器。前兩種可顯示數字、字符和符號等，而圖形點陣式液晶顯示器還可以顯示漢字和任意圖形，達到圖文并茂的效果。LED和LCD是完全不一樣的概念，LED是發光二極管屬于二極管的一種，LCD是液晶顯示器，兩者相差太多，但是用LED的點陣也能組成顯示器，適用于戶外大屏幕顯示，分辨率較低。在設計中，所設計的液位報警計，顯示電路是對液位進行顯示，它所需的精度要求不是很高，而且從價格上綜合考慮，應選用LED數碼管作為輸出設備。3.8.2驅動芯片的選擇從資料上查得：LED數碼管的驅動芯片有ICM7218和MC14499。①LED驅動芯片ICM7218。ICM7218是有Maxim公司生產的LED顯示驅動芯片，它能夠驅動8個七段LED顯示。ICM7218A和ICM7218B何以接受串行數據，并且驅動LED進行顯示。ICM7218C和ICM7218D則可以接收并行數據驅動LED進行顯示。ICM7218可以廣泛應用于儀器、測試設備以及一次而手持設備中，以驅動各種輸出顯示。②LED驅動芯片MC14499。MC14499是有摩托羅拉公司生產的LED顯示驅動芯片，它能夠驅動5個七段LED顯示器，它通過同步串行口與微處理器通信。它內部具有數據鎖存、譯碼和掃描電路，可以直接驅動共陰極LED數碼管及發光二極管，減少了處理器在顯示方面的開支，并簡化了單片機系統的電路設計。MC14499芯片可以廣泛應用于儀器、測試設備以及一些手持設備中，可以驅動各種輸出顯示。根據題目的要求，在現有條件下，用一個能夠驅動5個七段LED顯示器就可以滿足設計的要求，本著節約和價格等各方面綜合考慮，本次設計中選用MC14499芯片作為LED顯示驅動芯片。3.8.3MC14499芯片簡介①主要性能MC14499的主要性能如下。高電流驅動能力。驅動4為LED顯示。供電電源為4.5V～6V。工作溫度為0℃～+70℃。18針DIP封裝。20針SOG封裝。②工作特性1）供電電源為4.5V～6V。2）工作溫度為0℃～+70℃。③MC14499是一個BCD-鎖存/7段譯碼/驅動器,雙列直插式18腳封裝,其引腳排列如圖3.16所示。各引腳的功能如下:圖3.16MC14499引腳圖a～g:7段顯示輸出,用于驅動共陰極LED顯示。I～IV:4個位選通輸出,用于片選顯示位。D:串行數據輸入端。dp:小數點顯示輸入端。CLK:時鐘輸入端,用作串行數據輸入的同步信號。EN:使能端。為時,允許接收串行數據輸入；為1時,片內移位寄存器將數據送入鎖存器中鎖存。OSC:晶體輸入,只需在此引腳與地之間接上電容,使片內產生200Hz～800Hz的掃描信號,以防顯示器閃爍。MC14499在接收串行數據的同時,就決定了各顯示位的小數點是否顯示,其工作過程如下:MC14499每次接收20個二進制數據(稱為一幀數據),1～20個數據依次串行輸入,最先進入的4個數據規定了隨后串行輸入的4位BCD碼(后16個數據)的小數點是否顯示,如先進入的4個二進制數據為0001,則第4位LED顯示小數點；如先進入的4個二進制數據為1000,則第1位LED顯示小數點。即先輸入的4個二進制數據中為“1”的位顯示小數點,為“0”的位則不顯示小數點。一幀串行輸入數據的格式如表3.6所示。表3.6：一幀串行輸入數據格式——時間2019181716151413121110987654321——移位LSBMSBLSBMSBLSBMSBLSBMSB第Ⅳ位BCD碼第Ⅲ位BCD碼第Ⅱ位BCD碼第Ⅰ位BCD碼小數點選擇MC14499具有輸入鎖存功能,一幀數據輸入之后,就被鎖存起來,直至下一幀數據輸入為止。一幀串行數據輸入之后,MC14499就自動開始動態掃描,MC14499設計的LED顯示器動態顯示接口電路實現動態顯示。在應用中要注意一下三點：①OSC端接一個電容接地，以提供顯示掃描脈沖，電容的容值一般為0.015F；②7段顯示驅動輸入要經過一個電阻接到LED輸入端，電阻的阻值一般為36～82；③要將LED驅動選擇端Ⅰ端、Ⅱ端、Ⅲ端、Ⅳ端分別接到一只三極管上以增強其驅動能力。3.8.4LED驅動芯片MC14499發現通常只需要4位的LED即可滿足大多數的顯示精度要求,為了減少所需的I/O數量,降低成本,采用動態顯示控制方式。通過對顯示接口電路的綜合分析,發現測距儀利用串行輸入BCD碼—十進制譯碼驅動顯示器件MC14499來完成與單片機系統的顯示接口較為簡單可靠。用MC14499設計的LED顯示器動態顯示接口電路如圖3.17所示。圖1.17MC14499設計的LED顯示器動態顯示接口電路用MCS-51系列單片機作為控制核心的水位報警計,其數據輸出既可以通過單片機的通用I/O口輸出,也可以通過單片機的串口用串行方式輸出。這里假設使用的單片機是8051,單片機的P1口為數據輸出口,顯示器采用共陰極7段LED,顯示位數為4位,由于一片MC14499可以驅動4個LED顯示器,因此該顯示接口只需用一片MC14499和單片機連接。圖是該動態顯示接口的原理圖。P1.0用來向MC14499發送數據,P1.1用來向MC14499發送時鐘脈沖,P1.2用于控制單片機輸出數據向MC14499串行輸入(當P1.2=0時,允許MC14499輸入數據)。反相器74LS06作為顯示器的位驅動,8個47Ω的電阻是LED的限流電阻,3個5.1kΩ的電阻是上拉電阻,使單片機8031輸出電平與MC14499輸入電平相兼容。由于MC14499具有輸入自動鎖存功能,而串行輸入一幀數據又需要一定的時間,所以LED顯示的數據不會出現閃爍現象。3.9集成穩壓器電路3.9.1集成穩壓器電路簡介圖3.18W7800引腳圖如圖3.18所示，從外形上看，集成串聯型穩壓電路有三個引腳，分別為輸入端、輸出端和公共端（或調整端），因而成為三端穩壓器。按功能可分為固定式穩壓電路和可調式穩壓電路；前者的輸出電壓不能進行調節，為固定值；后者可通過外接元件使輸出電壓得到很寬的調節范圍。W7800三端穩壓器輸出電壓和輸出電流。W7800系列三端穩壓器的輸出電壓有5V、6V、9V、12V、15V、18V和24V七個檔次，型號后面的兩個數字表示輸出電壓值。輸出電流有1.5A（W7800）、0.5A（W78M00）和0.1A(W78L00)三個檔次。例如，W7805表示輸出電壓為5V、最大輸出電流為1.5A，W78M05表示輸出電壓為5V、最大輸出電流為0.5AW78L05表示輸出電壓為5V、最大輸出電流為0.1A，其他類推。它因性能穩定、價格低廉而得到廣泛的應用。本設計采用W7805集成穩壓器3.9.2W7805芯片簡介主要參數：在溫度為25℃條件下W7805的主要參數如表3.7所示。表3.7：W7805的主要參數參數名稱符號測試條件單位W7805（典型值）輸入電壓V10輸出電壓=500mAV5最小輸入電壓1.5AV7電壓調整率=500mA8V18VmV7電流調整率10mA1.5AmV25輸出電壓溫度變化率=5mAmV/℃1輸出噪聲電壓10Hzf100kHzV40從表中參數可知，W7805輸入端和輸出端之間的電壓允許值為3～13V；輸出交流噪聲很小，溫度穩定性好。其構成的如圖3.19所示。圖3.19電壓基準電路3.10電源監控器件MAX705/706/813L是一組CMOS監控電路，能夠監控電源電壓、電池故障、微處理器（MPU或Mp)或微控制器（MCU或Mc)的工作狀態。它將常用的多項功能集成到一片8腳封裝的小芯片內，與采用分立元件或單一功能芯片組合的電路相比，大大減小了系統電路的復雜性和元件的數量，顯著提高了系統可靠性和精確度。該器件在電源低于4.65V時，產生一路復位信號使微控制器復位，保證了微控制器的電壓安全。該器件主要應用于微處理器和微控制器系統、嵌入式控制器系統、電池供電系統、智能儀表系統、通信系統、尋呼機、蜂窩移動電話機、手持設備、個人數字處理（PDA）、電腦電話機和無繩電話機等設備中。本設計中采用MAX705。其引腳如圖3.20所示。圖3.20MAX705引腳圖MAX705的主要性能如下。①微型封裝，最小只有8針。②準確的電壓監控功能。③對于MAX705/707/813為4.65V，對于MAX706/MAX708為4.40V。④200ms的復位脈沖寬度，能保證大多數微控制器可靠復位。⑤TTL/CMOS兼容。⑥獨立的看門狗定時器。4軟件設計4.1程序模塊水位系統采用模塊化程序結構，可以分成以下程序模塊：①系統初始化程序：首先完成變量的設定、中斷入口的設定、堆棧、輸入輸出口及外部的初始化工作。②主程序MAIN：完成鍵盤掃描、溫度值采集及轉換、水位的顯示。當水位值高于設定最高限時，驅動蜂鳴器報警，水泵停止動作；當水位值低于設定最低限時，驅動蜂鳴器報警，水泵動作。③鍵盤掃描程序KEYSCAN:完成鍵盤的掃描并根據確定的鍵盤值執行相應的功能，主要完成最高水位、低水位的設定。④鍵盤顯示子程序DISPLAY：顯示實時水位及設定水位值。4.2程序流程圖4.2.1主程序流程圖YY程序初始化開始有鍵輸入碼？采集溫度值將采集到的值轉化為壓縮BCD碼顯示溫度值執行相應鍵的功能N圖4.1主程序流程圖4.2.2A/D0809轉換程序流程啟動A/D轉換啟動A/D轉換開始A/D轉換完畢？讀入狀態信息數據輸出顯示YN圖4.2A/D0809轉換程序流程4.2.3鍵盤掃描子程序是S1嗎?是S1嗎?RET#0FEH-PORTA是在設置狀態嗎？是第一次輸入嗎？減到0了嗎？保存設定值N=N-1設置最低水位值顯示“L-”是S2嗎?是S3嗎?是S4嗎?是第一次輸入嗎？設置最高水位值顯示“H-”保存設定值滿99了嗎？是在設置狀態嗎？N=N+1顯示“XX”顯示“XX”是否有鍵輸入？開始YYNNNNYNYYNYNYYYNNYNYY圖4.3鍵盤掃描子程序流程圖4.2.4鍵盤顯示子程序的設計開始開始置顯示緩沖區首位置置位選碼初值指向下一顯示緩沖區地址段碼PC口延時位選碼PA口8155初始化查段碼表4位顯示完否？返回調整位選碼YNYN圖4.4鍵盤顯示子程序流程圖總結整個設計報告共分為四章，其中前兩章主要講述了本設計的主要方案和國內外發展狀況；第三章講述了水位報警計的硬件設計，第四章主要講述了水位報警計的所有軟件設計。水位報警計的設計首先應該從選用傳感器的類型入手，可以說，水位傳感器的選材是整個設計中比較重要的，在查閱資料時，可以知道水位報警計的傳感器有很多種，到底選用哪一種最適合對本設計報警水位，這就需要認真的分析，從水位傳感器類別的選擇到傳感器類型的選擇，都要仔細。最終在本設計中選擇了JBY系列L形普通投入式液位變送器作為本設計所使用的液位傳感器。其次在硬件設計方面也需要下大工夫，從A/D轉換器到報警電路的選型都要慎重，使其性價比達到最佳水平。最后就是軟件方面的設計，對于編程是非常復雜的，對于結構化程序設計的方法有順序結構程序、分支結構程序和循環結構程序等。本設計采用模塊化設計，然后進行調用子程序，使其運行方式一目了然，在鍵盤掃描程序中就應用到了分支結構程序，使編程井井有條。在編程的時候還有一點就是要先畫出程序流程圖，這樣在編程的時候就會事半功倍。參考文獻[1]王家幀，王俊杰．傳感器與變送器．北京：清華大學出版社．1996[2]王俊杰．檢測技術與儀表．武漢：武漢理工大學出版社．2008[3]張國忠，趙家貴．檢測技術．北京：中國計量出版社．1998[4]胡健，劉玉斌．單片機與接口技術．北京：機械工業出版社．2005[5]張永楓．單片機應用實訓教程．西安：西安電子科技大學出版社．2005[6]蔡朝洋單片機控制實習與專題制作．北京：北京航空航天大學出版社．2006[7]牛意光．單片機原理．北京:電子工業出版社．2009[8]華成英，童詩白．模擬電子技術基礎．北京：高等教育出版社．2006[9]蔣志海．單片機原理及應用．北京：電子工業出版社．2005[10]謝維成，楊加國．單片機原理與應用及C51程序設計．北京：清華大學出版社．2006[11]求是科技．單片機典型外圍器件及應用實例．北京：人民郵電出版社．2006[12]李光飛．單片機課程設計實例指導．北京：北京航空航天大學出版社．2005[13]蔡菲娜．單片微型計算機原理和應用．杭州：杭州大學出版社．1995[14]王建校，楊建國．51系列單片機及C51程序設計．北京：科學出版社．2002致謝經歷了兩個月的畢業設計，在這短暫的時間里，它不僅僅使我學到了寶貴的專業知識，更重要的是它使我學到了怎樣去獨立思考問題，解決問題，大大提高了我自己的動手能力和操作能力，為我今后的工作奠定堅實的基礎。這次們設計的課題為——水位報警計的設計，它不僅是必須完成的課目，其真正的目的是我對整個大學的學習情況做一個總結，檢驗學生的專業知識的掌握程度。可以說這絕對是一個展望自我，實現自我價值的好機會。在這次畢業設計中，我特別感謝我的指導老師宋老師的耐心幫助和各位同學大力支持。在這次編寫設計報告中，由于時間的緊促和編寫者的專業知識的有限，再加上我們缺少實踐經驗，對使得所寫的畢業論文的知識覆蓋面有很大的局限性，而且報告中難免有不妥之處，所以我懇請各位指導老師能夠給予批評指正。附錄A硬件電路原理接線圖硬件電路原理接線圖基于C8051F單片機直流電動機反饋控制系統的設計與研究基于單片機的嵌入式Web服務器的研究MOTOROLA單片機MC68HC（8）05PV8/A內嵌EEPROM的工藝和制程方法及對良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機溫度控制系統的研制基于MCS-51系列單片機的通用控制模塊的研究基于單片機實現的供暖系統最佳啟停自校正（STR）調節器單片機控制的二級倒立擺系統的研究基于增強型51系列單片機的TCP/IP協議棧的實現基于單片機的蓄電池自動監測系統基于32位嵌入式單片機系統的圖像采集與處理技術的研究基于單片機的作物營養診斷專家系統的研究基于單片機的交流伺服電機運動控制系統研究與開發基于單片機的泵管內壁硬度測試儀的研制基于單片機的自動找平控制系統研究基于C8051F040單片機的嵌入式系統開發基于單片機的液壓動力系統狀態監測儀開發模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機實現一種基于單片機的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機沖床數控系統的研究基于CYGNAL單片機的在線間歇式濁度儀的