基于STC89C52单片机的双容水箱液位控制器设计（已处理）

基于STC89C52单片机的双容水箱液位控制器设计（已处理） 基于STC89C52单片机的双容水箱液位控制器设计 内蒙古科技大学 本科生毕业设计说明书(毕业论文) 题 目:基于单片机的双容水箱液位控制器设计 学生姓名: 学 号: 专 业:测控技术与仪器 班 级: 指导教师: 基于单片机的双容水箱液位控制器设计 摘 要 液位作为工业生产过程中的主要的被控参数之一,被广泛应用于冶金、建材、化工、食品、石油等工业中,工艺过程中液位的控制效果直接影响着所生产出的产品质量。现代工业中的液位控制系统规模日趋复杂化、大型化,液位控制已逐渐成为目前过控领域的一个研究热点。基于单片机的液位控制器具有性能稳定、可靠,控制精度高,造价低,设置方便,操作方便等优点。 本设计利用单片机实现对双容水箱液位的控制,该系统是以上下两个串联的水箱为研究对象,把下水箱的液位作为被控参数,通过压力变送器测量水箱的液位,并把测量结果送到以单片机为核心的控制器作为反馈信号,控制器再根据预先设置的增量型PID控制算法进行运算,发出控制命令控制执行机构之一的 调节阀开度大小,从而改变进入上水箱中水的流量大小,实现水箱液位的自动控 制,整个控制过程中,水泵电机保持匀速供水。 关键词:单片机STC89C52,液位控制,增量式PID控制算法,LED显示 Based on single chip dual tank water level controller design Abstract The level is charged with one of the parameters 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 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 controller has many advantages, such as stable performance, reliable, high control precision, low cost, easy set up, easy operationThe 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 as 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 chip STC89C52,liquid level control, incremental PID control algorithm, LED display 目 录 摘 要 I Abstract II 第一章 引言 1 1.1 研究背景 1 1.2 国内液位控制的发展现状 1 1.3 PID调节器简介 2 1.4 设计思路 2 1.5 设计意义 3 第二章 硬件组成 4 2.1 系统硬件组成概述 4 2.2 数据采集电路 4 2.2.1 压力变送器 4 2.2.2 I/V转换电路 5 2.2.3 A/D转换器 5 2.3 STC89C52RC单片机 8 2.4 D/A转换器 10 2.4.1 DAC0832引脚功能 11 2.4.2 DAC0832工作方式 12 2.4.3 DAC0832工作时序 12 2.5 V/I转换电路 12 2.6 执行机构 12 2.6.1 控制阀 12 2.6.2 水泵电机 13 2.7 掉电存储器 13 2.8 LED显示 14 2.8.1 LED显示器的结构 14 2.8.2 移位寄存器 16 第三章 硬件设计 19 3.1 STC89C52单片机模块电路 19 3.1.1 晶振电路 19 3.1.2 复位电路 19 3.1.3 最小系统 20 3.2 LED显示模块 21 3.3 A/D转换电路 22 3.4 D/A转换电路 22 3.5 V/I转换电路 23 3.6 键盘电路 24 3.7 串口通信电路 24 第四章 软件设计 26 4.1 主程序 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 图 26 4.2 A/D转换子程序 27 4.3 键盘控制子程序 28 4.4 PID控制子程序 29 4.5 LED显示子程序 32 4.6 Keil软件 33 4.6.1 Keil软件简介 33 4.6.2 Keil软件编程流程及程序下载 33 第五章 系统的调试及说明 36 5.1 硬件设计调试 36 5.2 软件设计调试 37 5.2.1 键盘和显示软件设计 37 5.2.2 输入信号的测量 38 5.2.3 PID控制量计算及数据处理 38 5.3 软硬件联合调试 41 总结 42 参考文献 43 附录A 本设计原理图 45 附录B 主程序 46 致谢 52 引言 研究背景 液位是工业生产过程中的主要被控参数之一,广泛应用于冶金、化工、建 材、食品、石油等工业中,工艺过程中液位的控制效果直接影响着所生产出的产品质量。现代工业中的液位控制系统规模日趋复杂化、大型化,液位控制已逐渐成为目前过控领域的一个研究热点。 国内液位控制的发展现状 德州学院机电工程系的金秀慧做了基于MCGS的液位监控系统设计,它是一种基于AT89C51单片机的远程液位数据采集监控系统,采用单片机作为控制核心,上位机采用MCGS编写的监控软件,整个监控系统可以完成液位信号的采集与转换、数据传送和显示、控制等功能[2]。 北方工业大学理学院的安艳伟做了基于单片机的分布式液位控制系统设计,设计了一种基于51单片机为核心的多机分布式液位控制系统,由数据采集模块,处理模块和多机通信平台组成,既满足了测量精度的要求,同时具有较高的可靠性,成本低,控制灵活。随着传感技术的不断提高,分布式监控系统应用日趋广泛,一个高质量、合理化的多机串行通信平台就显得尤为重要[19]。 南京邮电大学的牛标和张代远所做的可监控智能液位控制器系统设计中列举了液位控制系统可以采取的硬件 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 以及他们各自的优缺点,采用FPGA作为控制器可以实现各种复杂的逻辑功能,规模大,密度高,它将所有器件集成在一块芯片上,减小了体积,提高了稳定性,并且可应用EDA软件仿真、调试,易于进行功能扩展[5]。FPGA采用并行输入输出方式,提高了系统的处理速度,适合作为大规模实时系统的控制核心。但是由于其集成度高,使其成本偏高,同时由于芯片的引脚较多,实物硬件电路板布线复杂,加重了电路设计和实际焊接的工作[5]。 根据哈尔滨工业大学的李小平所做的《液位控制系统建模及其控制算法的研究》对几种控制算法进行了研究,其中包括PID控制算法、大林算法、Smith 预估控制算法、模糊控制算法等,并通过编程说明了其可行性和优越性:PID控制器是迄今为止应用最广泛的反馈形式,它具有结构简单、容易实现、控制效果好等特点,且原理简明,参数物理意义明确,理论分析体系完整;大林控制算法的最大的特点是,将期望的闭环响应设计成一阶惯性环节加纯延迟,然后反过来得到能满足这种闭环响应的控制器[12]。它是克服纯滞后的有效方法,一阶系统很快达到稳定,波动较少;Smith预估控制算法是一种简单而有效的控制方法,但只适用于单输入单输出系统,它的最大优点是将时滞环节移到了闭环之外,是控制品质大大提高,它的最大缺点是太过依赖精确的数学模型,对于外部扰动非常敏感,鲁棒性较差;模糊控制是一种新型控制方法,在冶金、化工、电力和家电等工业部门都有成功应用,它避开了复杂的数学模型,控制系统的鲁棒性强,通常能得到比较好的性能指标,适用于水位这样的滞后非线性系统[12]。 PID调节器简介 传统的调节器多为模拟调节器,这种调节器多用气动或电动单元组合仪表来完成。随着单片机在控制领域中的广泛应用,利用计算机软件设计控制算法,具有更大的可靠性、灵活性以及更好的控制效果。因此,以单片机为中心、采用数字算法的数字调节器正不断代替着模拟调节器。在控制过程中,应用最广泛的调节器控制规律为比例(P)、积分(I)、微分(D)控制,简称PID控制,又称PID调节。在单回路反馈控制系统中,由被控对象、变送器、控制器、和控制阀四个基本环节构成。控制器的参数对控制系统的控制效果产生很大影响:控制系统的动态误差、静态误差、稳定性都是通过对控制器的参数调节进行控制的。 自从PID控制器问世到现在已有近70年的历史,它以稳定性好、结构简单、调整方便、工作可靠为优点成为工业控制领域的主要技术之一。 当被控对象的参数和结构不能完全掌握,或者得不到准确的数学模型时,系统控制器的参数和结构必须依靠现场调试和经验来确定,这时采用PID控制最为方便。即当我们不能完全了解系统的被控对象或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时,最适合采用PID控制技术。 设计思路 本设计利用单片机实现对双容水箱液位的控制,该系统是以上下两个串联的水箱为研究对象,把下水箱的液位作为被控参数,通过压力变送器测量水箱的液位,并把测量结果送到以单片机为核心的控制器作为反馈信号,控制器再根据预先设置的增量型PID控制算法进行运算,发出控制命令控制执行机构之一的调节阀开度大小,从而改变进入上水箱中水的流量大小,实现水箱液位的自动控制,整个控制过程中,水泵电机保持匀速供水。系统工艺如图1.1所示: 图1.1 系统工艺图 设计意义 本设计之所以选择用单片机进行控制是由于其具有体积小、功能强、可靠性能高、造价比低和开发周期短等优点。而单片机控制系统以其性能稳定、可靠,控制精度高,造价低,设置方便,操作方便等优点,被应用到液位控制系统中来,增强了系统的可视性,使得人机交互的能力进一步提高。 双容水箱本身存在惯性大、扰动多等问题,本设计利用积分分离和带死区的增量型PID控制可以成功的克服这些问题。这些问题的有效克服使得液位控制系统在工业上具有很大的研究价值。 硬件组成 系统硬件组成概述 本设计的硬件结构如图2.1所示。 图2.1 系统硬件结构框图 数据采集电路 数据采集电路的功能主要是采集容器中的实时液位高度,并且把这个采集到的模拟信号转换成单片机可识别的数字信号送入单片机。 压力变送器 压力变送器测量的是压力信号,根据液位参数与压力参数的关系即式(2.1)得到液位信号,从而将液位测量的数据转换为压力测量的数据。 (2.1) 本设计所选用的压力变送器是JYB-KO-HAG,技术参数如表2.1所示: 表2.1 JYB-KO-HAG压力变送器技术参数 环境温度 - 10?~+60? 介质温度 - 20?~+70? 电压输出型 输出阻抗? 250ΩDC 24V供电时:0~5VDC 供电电压 DC 24V12V~32V 负载能力 电流输出型? 500Ω:4~20mADC JYB-KO-HAG压力变送器用途:航空航天领域,工业现场过程压力控制,仪器医疗食品等行业,石油化工行业,航海及造船行业,水电、水利、发电厂等行业。 JYB-KO-HAG压力变送器具有以下的特点:抗过载、抗冲击、抗干扰等能力强;温度补偿激光调阻,使用温域宽;防浪涌电压,反向极性保护;抗腐蚀性能好,可以测量多种介质;过流过压保护电路;进口陶瓷芯片或扩散硅,适用于不同场合 的压力测量;稳定性高,实用性广;安装简便,小巧精致等。 JYB-KO-HAG型扩散硅压力传感器的测量精度:A级(? 0.25%F.S),B级(?0.5%F.S)。量程是:0-60MPa内任量程,最小量程为 5kPa。 JYB-KO-HAG型陶瓷压力传感器的测量精度:A级(? 0.5%F.S),B级(? 1%F.S)。量程是:0-10MPa内任量程,最小量程为 30kPa。 I/V转换电路 测量所得的液位模拟信号经过压力变送器输出4-20mA直流信号后,再经250Ω电阻转换成直流1-5V 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 电压信号,送入A/D 转换器。 A/D转换器 在工业控制过程中,被测参数(如流量、温度、液位、压力、速度等)都是连续变化的量,称为模拟量。而单片机只能处理数字量,所以在数据进入单片机之前,必须把模拟量转换成为单片机可识别的数字量,能够达到这一目的的器件,称之为模数转换器,即A/D转换器。A/D转换器有很多种,依据位数来区分,有16位、12位、10位、8位等。其位数越高,分辨率也就越高。 通常使用的A/D转换器是将一个输入模拟信号转换为一个输出的数字信号,本设计所用的A/D转换器是ADC0832,它可实现0-5V模拟电压信号的8位数字量转换。 本设计采用ADC0832模数转换器与I/V转换电路相连接,对输入的1-5V电压信号进行采样。现场传来的4-20mA电流信号经过适当的输入转换电路转换为单片机可接受的1-5V电压信号后直接接至单片机读写引脚上。同时对转换后的数字量进行数字滤波、标度变换等数据处理,增加数据的可信度、提高其抗干扰能力和稳定性。 ADC0832 是美国国家半导体公司生产的一种双通道、8 位分辨率的A/D转换芯片。由于它的兼容性、性价比高,体积小而深受企业及单片机爱好者欢迎,因此到目前为止它已经有很高的普及率了。 ADC0832 具有以下特点:双通道A/D转换;8位分辨率;5V电源供电时输入电压在0-5V之间;输入输出电平与TTL/CMOS相兼容;一般功耗仅为15mW;8P、14P-DIP(双列直插)、PICC 多种封装;商用级芯片温宽为0?到+70?,而工业级芯片温宽则为?40?到+85?;工作频率为250KHz,转换时间为32μS。 芯片引脚如图2.2所示。 芯片接口说明: CS:低电平芯片使能,片选使能。 CH1:模拟输入通道1(或作为IN+或IN-使用)。 CH0:模拟输入通道0(作为IN+或IN-使用)。 GND:地(芯片参与0电位)。 DO:转换数据输出,数据信号输出。 DI:选择通道控制,数据信号输入。 VCC/REF:电源输入端及参考电压输入端(复用)。 CLK:芯片时钟输入端。 图2.2 ADC0832引脚 ADC0832为8位分辨率的A/D转换芯片,其最高可达256级分辨率,可以适应一般的模数转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用(VCC/REF),使得芯片的模拟电压输入在0-5V之间。芯片据有双数据输出,其可作为数据校验,以减少数据误差,芯片转换时间仅为32μS,转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使 能输入,使处理器控制和多器件挂接变的更加方便。通过DI数据输入端,可以轻易实现通道功能的选择。 正常情况下,单片机与ADC0832的接口应为4条数据线(CS、CLK、DO、DI)。其中,由于DI端与DO端在通信时与单片机的接口是双向的并且未同时有效,所以电路设计时可以将DI和DO并联在一根数据线上使用。 当ADC0832没有开始工作时,它的CS使能端应为高电平,此时芯片禁用,DO/DI和CLK的电平可任意。当要进行A/D转换时,需先将CS使能端置低电平并保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作,同时由处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲,DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第一个时钟脉冲下沉之前DI端必须置高电平,表示起始信号。在第二、三个脉冲下沉前DI端应输入2位数据用于选择通道功能,其功能见表2.2。 如表2.2所示,当2位数据为“1、1”时,只对CH1进行单通道转换。当2位数据为“1、0”时,只对CH0进行单通道转换。如表2.3所示,当2位数据为“0、0”时,CH1作为负输入端IN-进行输入,将CH0作为正输入端IN+。当2位数据为“0、1”时,CH0作为负输入端IN-进行输入,将CH1作为正输入端IN+。 作为单通道模拟信号输入时,8位分辨率时的电压精度为19.53mV ,ADC0832的输入电压是0-5V。如果作为由IN-与IN+输入时,可以将电压值设定在一个较大的范围之内,从而提高转换宽度。值得注意的是,在进行IN-与IN+的输入时,如果IN+的电压小于IN-的电压则转换后的数据结果始终为00H。 表2.2 多路寻址:ADC0832单端多路方式 多路寻址 通道 SGL/DIF ODD/SIGN0 1 1 0 + 1 1+ 表2.3 多路寻址:ADC0832差分多路方式 多路寻址 通道 SGL/DIF ODD/SIGN 0 1 0 0 + ? 0 1 ? + 图2.3 ADC0832时序图 ADC0832时序如图2.3所示,当 CS由高变低时,ADC0832选通。在时钟信号是上升沿时,DI 端的数据移入 ADC0832内部的多路地址移位寄存器。在第一个时钟脉冲期间,DI为高电平,表示启动位,紧接着输入两位配置位。当输入启动位和配置位后,选通输入模拟控制通道,转换开始。转换开始后,经过一个时钟周期延接着在第一个时钟周期的延迟,以达到使选定通道稳定的目的。到第3个时钟脉冲的下降沿之后DI端的输入电平就失去了输入作用,此后DO/DI端则开始依靠数据输出端DO进行转换数据的读取。从第4个时钟脉冲下降开始由DO端输出转换数据最高位data7,随着每一个时钟脉冲下沉,DO端输出下一位数据,直到第11个脉冲时输出最低位数据data0,一个字节的数据输出结束。反过来从此位开始输出下一个相反字节的数据,即从第11个字节的下降沿输出data0,随后依次输出8位数据,到第19个脉冲时数据输出结束。这也标志着一次A/D转换结束了。最后将CS置高电平使芯片禁用,然后直接将转换过的数据进行处理就可以了。若要再进行一次AD转换,片选信号CS必须再次从高向低跳变,然后后面再输入启动位和配置位。 STC89C52RC单片机 STC系列单片机芯片是由STMicroelectronics 公司生产,并有宏晶公司做为大陆代理商。STMicroelectronics(意法半导体公司)是1987年6月位于意大利的SGS微电子公司和位于法国的汤姆逊微电子公司合并后产生的。1998年5月,公司由原来的SGS汤姆逊(SGSTHOMSON)微电子公司改名为意法半导体公司(STMicroelectronics),简称ST公司。 STC89C52是一种带8K字节闪烁可擦除可编程只读存储器(FPEROM-Flash Programable and Erasable Read Only Memory)的高性能、低电压的微处理器,俗称单片机。单片机引脚电路如图2.4所示,实物如下图2.5所示: 图2.4 单片机引脚电路 图2.5 单片机STC89C52实物图 STC89C52RC可以代替AT89C51,速度更快,功能更强,价格更低,寿命更长。STC89C52RC的内核与AT51系列单片机一样,即引脚排列与外形相同。 管脚说明如下: GND:地线。 VCC:电源输入端,接+5V电源。 P0口:8位漏级开路双向I/O口,名称为P0.0?P0.7。每个引脚可吸收8个TTL门电流。P0能够当做外部程序数据存储器使用,它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程过程中,P0 口被当作原码输入口,在FIASH进行校验时,P0口输出原码,此时的P0外部必须被拉高。 P1口:带内部上拉电阻的8位双向I/O口,名称为P1.0?P1.7 。P1口缓 冲器能接收输出4个TTL门电流。P1口管脚写入“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉至高电平时,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉电阻的原因。在FLASH校验和编程时,P1口被用作第八位地址接收端。 P2口:带内部上拉电阻的8位双向I/O口,名称为P2.0?P2.7 。P2口缓冲器可接收输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉至高电平时,可用为输入。P2口的管脚被外部拉至低电平时,将输出电流。这是由于内部上拉电阻的原因。P2口当做16位地址外部数据存储器或作外部程序存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位在写入地址“1”时,利用内部上拉电阻优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH校验和编程时接收高八位控制信号和地址信号。 P3口:带内部上拉电阻的双向I/O口,名称为P3.0?P3.7。可接收输出4个TTL门电流。当P3口被写入“1”后,它们被内部上拉电阻拉至高电平,并用作输入。作为输入,由于外部电阻下拉至低电平,P3口将输出电流,这是由于上拉电阻的原因。在校验和编程时,P3口可接收某些控制信号。具体的P3口功能,如表2.4所示。 ALE/PROG:地址锁存允许信号。当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址。在flash编程时,其用于输入编程脉冲。一般情况下,ALE端以振荡器频率的1/6为频率周期输出正脉冲信号。因此它可用于定时目的或用作对外部输出的脉冲。值得注意的是,每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。若想禁止ALE的输出,可在SFR8EH地址上置0,此时,ALE只有在执行MOVC,MOVX指令时ALE才起作用。反之,该引脚被稍微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,则置位无效。 表2.4 P3口的特殊功能 引脚 替代功能 说明 P3.0 RXD 串行数据接收端 P3.1 TXD 串行数据发送端 P3.2 INT0 外部中断0申请端 P3.3 INT1 外部中断1申请端 P3.4 T0 定时器0外部事件计数输入端 P3.5 T1 定时器1外部事件计数输入端 P3.6 WR 外部RAM写选通端 P3.7 RD 外部RAM读选通端 EA/VPP:程序存储器的内外部选通引脚。接低电平从外部程序存储器读指令,如果接高电平则从内部程序存储器读指令。当EA接低电平时,则在此期间为外部程序存储器(0000H-FFFFH)读指令,注意当加密方式“1”时,EA将内部锁定为RESET;当EA端接高电平时,此期间为内部程序存储器。在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。 RST:复位输入端。引脚上出现2个机器周期的高电平时,将使单片机复位。 PSEN:外部程序存储器的读选通信号。在由外部程序存储器取址期间,每个机器周期PSEN两次有效。但在访问外部数据存储器时,这两次有效的PSEN信号将消失。 XTAL1:内部时钟工作电路的输入及反向振荡器的输入。 XTAL2:反向振荡器的输出。 D/A转换器 本设计采用的D/A转换器是DAC0832。它是采用CMOS工艺制成的直流输出型8位数/模转换器。它由模拟开关、倒T型R-2R电阻网络、参考电压VREF和运算放大器四大部分组成。输入的数字量与输出的模拟量成正比,这就实现了从数字量转换成模拟量的目的。一个8位D/A转换器有一个模拟输出端和8个输入端(其中每个输入端是8位二进制数的一位)。输入端有256个不同的二进制组态,输出则为256个电压之一,即输出电压不是整个电压范围内任意值,而只能是256个可能值。 DAC0832引脚功能 DAC0832的引脚如图2.6所示。 图2.6 DAC0832引脚 引脚说明: DI0?DI7:转换数据输入。 CS:片选信号(输入),低电平有效。 ILE:数据锁存允许信号端(输入),高电平有效。 WR1:第1写信号(输入),低电平有效。WR1和ILE两个信号控制输入寄存器的控制方式:当ILE1和WR11时,为输入寄存器锁存方式;当ILE1和WR10时,为输入寄存器直通方式。 WR2:第2写信号(输入),低电平有效。 XFER:数据传送控制信号(输入),低电平有效。XFER和WR2两个信号控制DAC寄存器工作方式:当WR21和XFER0时,为DAC寄存器锁存方式;当WR20和XFER0时,为DAC寄存器直通方式。 IOUT1:DAC电流输出级1。 IOUT2:DAC电流输出级2。(IOUT1+IOUT2为常数) Rfb:反馈电阻端。DAC0832是电流输出型,为了取得电压输出,需在电压输出端接运算放大器,Rfb即为集成在片内的外接运放的反馈电阻。 Vref:基准电压(-10到+10V)。 Vcc:是源电压(+5到+15V)。 DGND:数字地,可与AGND接在一起使用。 AGND:模拟地。 DAC0832工作方式 DAC0832内部主要有3个寄存器,即8位D/A寄存器、8位输入寄存器、8位D/A转换器,对应3个寄存器的控制DAC0832有3个工作方式。 单缓冲方式:两个寄存器中的一个寄存器始终处于直通状态,即WR10或WR20,另一个寄存器始终处于受控状态。 直通方式:WR1WR20时,数据可以从输入端DI0?DI7经两个寄存器直接进入D/A转换器。 双缓冲方式:两个寄存器均处于受控状态。这种工作方式适合于多模拟信号同时输出的应用场合。 DAC0832工作时序 DAC0832工作时序如图2.7所示。 图2.7 DAC0832工作时序图 WR10、CS0、ILE1,使输入数据锁存到输入寄存器。 XFER0、WR20,数据传送到DAC寄存器并开始转换。 V/I转换电路 V/I转换是将输入的电压信号转换成需要的电流信号,转换后的电流相当于一个输出可调的恒流源,其输出电流应能够保持稳定而不会随负载的变化而变化。本设计采用的是三个运放实现电压到电流的转换。 执行机构 控制阀 该设计采用的控制阀ML7420A6033是一个能够通过提供其电流大小来控制通过其中的液体流量的装置。若单片机分析得出的即时液体高度比设定值低许多时,就会输出一个比较大的电流,来控制流量阀的开度使其在单位时间内通过更多的液体,以便液体高度尽快地恢复到设定的初始液位值上。反之,开启排水阀进行调整。技术参数如表2.5所示。 表2.5 控制阀ML7420A6033技术参数 执行器类型 阀门 提供电压 24Vac?15% 控制信号 调节型 手动操作 是 反馈 2-10Vdc 频率 50/60Hz 介质温度? 最大值150? 水泵电机 当水箱水位下降到设定水位时,水泵电机可自动启动运转工作,给水箱补水;当水箱水位上涨到设定的高度时,水泵电机能自动停止供水。本设计中水泵电 机的转速始终保持匀速转动。 掉电存储器 本设计采用的掉电存储设备是AT24C08。引脚如图2.8所示。 图2.8 掉电存储电路原理图 AT24C08属于AT24C0X系列设备,该系列具有以下特点:与400KHz I2C 总线兼容;低功耗CMOS 技术;1.8 到6.0 伏工作电压范围;温度范围商业级工业级和汽车级;写保护功能当WP为高电平时进入写保护状态;自定时擦写周期;1,000,000编程/擦除周期;可保存数据100年;写缓冲器;8脚DIP SOIC 或TSSOP 封装。 AT24C08是一个8K位串行CMOS E2PROM,内部含有1024个8位字节CATALYST公司的先进CMOS 技术,实质上减少了器件的功耗,AT24C08有一个16字节写缓冲器,该器件通过I2C总线接口进行操作,有一个专门的写保护功能。 使用AT24C08时最多可接两个器件。若只有一个AT24C08被总线寻址,A2管脚可连接到Vss或悬空。且仅使用地址管脚A0、A1、A2管脚未用,可以悬空或连接到Vss。 AT24C08集成电路采用8脚双列直插式封装,其集成电路的引脚功能及数据见表2.6所列。AT24C08的极限参数:各管脚承受电压-2.0Vcc+2.0V;封装功率损耗Ta为251.0W;焊接温度10秒300?;工作温度工业级-55?到+125?;输出短路电流100mA;商业级0?到+75?;贮存温度-65?到+150?;Vcc 管脚承受电压-2.0V到+7.0V。 表2.6 AT24C08集成电路引脚功能及数据 引脚 功能 电压(V) 电阻(KΩ) 红笔测量 黑笔测量 1 地址A0 0 0 0 2 地址A0 0 0 0 3 地址A0 0 0 0 4 地GND 0 0 0 5 数据SDA 4.8 5.2 4.5 6 时钟SCL 4.8 5.2 4.9 7 写保护WP 4.2 7.6 5.5 8 电源Vcc 5 1.4-2 1.4-2 LED显示 LED显示器的结构 数码管由7个发光二极管(LED)构成一个“日”字形,它门可以共阳极,也可以共阴极。它的工作原理是通过解码电路得到的数码导通相应的发光二极而形成相应的字。一般的半导体数码管是由7个条状的发光二极管(LED)排列而形成的,可实现少量字符及数字“0~9”的显示。除此之外,为了实现小数点的显示,增加了1个点状的发光二极管,所以数码管由8个发光二极管(LED)构成,这些发光二极管被分别命名为“a,b,c,d,e,f,g,dp”。其引脚如图2.9所示。图2.9 数码管引脚图图 数码管按各自发光二极管(LED)电极的连接方式可分为共阳极数码管和共阴极数码管两种。 共阳极数码管指将所有发光二极管的阳极连接在一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳极数码管在应用时应将公共阳极(COM)接+5V,当某一字段的发光 二极管的阴极为高时,相应字段不亮,反之,当某一字段的发光二极管的阴极为低时,相应字段点亮。共阳极数码管内部连接如图2.10所示。 图2.10 共阳极数码管内部连接图 共阴极数码管指将所有发光二极管的阴极连接在一起形成公共阴极(COM)的数码管。共阴极数码管在应用时应将公共阴极(COM)接地线GND上,当某一字段的发光二极管的阳极为低时,相应字段不亮,反之,当某一字段的发光二极管的阳极为高时,相应字段点亮。共阴数码管内部连接如图2.11所示。 图2.11 共阴极数码管内部连接图 若要数码管能正常显示,必须用驱动电路驱动数码管的各个段码,以便能够显示出我们需要的数字,故根据数码管驱动方式的不同,可以分为动态方式和静态方式两种。 静态显示驱动(也称直流驱动):指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O 端口进行驱动,或者使用译码器译码进行驱动。静态显示具有显示亮度高和编程简单的优点。其缺点为占用I/O 端口过多(如驱动5个数码管的静态显示则需40根I/O端口来驱动,然而一个51单片机可用的I/O 端口只有32个);实际应用中必须增加译码驱动器进行驱动,这就增加了硬件电路的复杂性。 动态显示驱动:它是单片机中应用最广泛的一种显示方式之一。动态显示驱动是指将所有数码管的8个发光二极管"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连接在一起,然后为每个数码管的公共极(COM)增加一个位选通控制电路,位选通控制电路是由各自独立的I/O线控制的,当单片机输出的是字形码时,所有的数码管都接收到相同的字形码,但要想知道究竟是哪个数码管会显示出字,则取决于单片机对位选通电路的控制,故只需将要显示字形的对应数码管的选通控制打开,该 位就显示出字形,若数码管没有被选通,则该数码管不会亮。轮流分时控制各个数码管的公共(COM)端,就可以使各个数码管在控制下轮流显示,这就是动态显示驱动。在轮流显示过程中,每位数码管的点亮时间为1 ms?2ms,由于发光二极管的余辉效应及人的视觉暂留现象,即使实际上各位数码管并不是同时被点亮,但是只要扫描的速度足够快,那么它给人的感觉就是一组稳定的显示数据,不会有闪烁的感觉,动态显示的效果和静态显示一样。 用LED显示器显示十六进制数的字型代码如表2.7所示: 表2.7 LED显示十六进制数的字型代码 字形 共阳极代码 共阴极代码 字形 共阳极代码 共阴极代码 0 C0H 3FH 1 F9H 06H 2 A4H 5BH 3 B0H 4FH 4 99H 66H 5 92H 6DH 6 82H 7DH 7 F8H 07H 8 80H 7FH 9 90H 6FH A 88H 77H B 83H 7CH C C6H 39H D A1H 5EH E 86H 79H F 8EH 71H 灭 FFH 00H 移位寄存器 本设计采用的74LS164是8位移位寄存器,其引脚如图2.12。 图2.12 74LS164引脚图 引脚功能: Clock:时钟输入端。 Clear:同步清除输入端(低电平有效)。 A、B:为串行数据输入端。 QA?QH:为输出端。 内部逻辑如图2.13所示。??图2.13 74LS164 内部逻辑图 74LS164工作范围: 输入电压5.5V 。 电源电压7V。 储存温度-65??150?。 工作环境温度0??70?。 当清除端(Clear)为低电平时,输出端(QA?QH)都为低电平,串行数据输入端(A,B)可控制数据。当输入端A,B任意一个为低电平时,在时钟端(Clock)脉冲上升沿作用下Q0为低电平,禁止新的数据输入。当输入端A,B有一个为高电平时,另一个输出端就允许输入数据,并在Clock上升沿作用下决定Q0的状态。74LS164的时序如图2.14所示。 图2.14 时序图 硬件设计 STC89C52单片机模块电路 晶振电路 图3.1 晶振电路 单片机晶振电路的作用是为单片机提供工作频率,使单片机能够完成一定的功能。单片机的晶振电路分为外部时钟信号和片内振荡电路。当使用片内振 荡电路时,X1(J1)、X2J2与晶体振荡器(简称晶振)及电容C1、C2如图3.1所示的方式连接构成晶振电路。在该电路中,电容C1、C2、晶振以及片内与非门(起反馈放大作用的元件,类似于电容三点式振荡电路中的三极管)构成了电容三点式振荡器。振荡电容C1和C2的取值范围与晶振的频率及种类有关。为了减少寄生电容对振荡频率的影响,在印制板上电容C1和C2应尽可能靠近单片机芯片的X1和X2引脚,必要时可以采用温度系数较小的NPO电容。 当采用外部时钟信号时,外部时钟信号需从X1引脚输入,X2引脚悬空,原因是单片机的片内时钟信号取自作为反馈放大元件的二输入与非门的一个输入端。 晶振的电容值,是根据晶振的频率计算出来的,在晶振中含有电阻,由单片机的频率值,加上式(3.1)可以推导出晶振的上拉电容值在20?40P基本都可以,一般取电容值为30P。(3.1) 复位电路 为了确保单片机系统电路可以稳定可靠的工作,复位电路是必不可少的一部分,复位电路的主要功能是上电复位。在本设计中,RET引脚为复位输入端,STC89C52RC采用高电平复位方式。为了保证CPU内部各单元电路可靠复位,RET引脚复位脉冲高电平维持时间必须大于等于2个机器周期(即24个振荡周期)。只要RET引脚保持高电平状态,则每隔24个振荡周期将重复一次复位操作,直到RET引脚变为低电平。复位电路如图3.2所示。 电路方面采用的是由RC分立元件构成的外部复位电路。工作原理:按下按键K0,RET端为低电平,此时电容通过电阻R1充电,一定时间后,电容两端电压增大,RET端近似为高电平,单片机复位,松开按键后,电容通过电阻R2放电,放电 一段时间后,RET端又近似为低电平,复位结束,复位时间小于等于T。 (3.2) 图3.2 复位电路 最小系统 单片机最小系统很简单,就是能使单片机工作的最少的器件构成的系统。最小系统虽然简单,但是却是大多数控制系统所必不可少的关键部分。对于MCS-51 单片机,其内部已经包含了一定数量的程序存储器和数据存储器,在外部只要增加时钟电路和复位电路即可构成单片机最小系统。STC89C52RC的最小系统如图3.3所示。 图3.3 单片机最小系统 单片机系统中的各个部分是在一个统一的时钟脉冲控制下有序地进行工作,因此时钟电路是单片机系统最基本、最重要的电路。MCS-51 单片机内部有一个高增益反相放大器,引脚XTAL1 和XTAL2 分别是该放大器的输入端和输出端,如果引脚XTAL1 和XTAL2 两端跨接上晶体振荡器(晶振)或陶瓷振荡器就构成了稳定的自激振荡电路,该振荡电路的输出可直接送入内部时序电路。大规模集成电路在上电时一般都需要进行一次复位操作,以便使芯片内的一些部件处于一个确定的初始状态,复位是一种很重要的操作。器件本身一般不具有自动上电复位能力,需要借助外部复位电路提供的复位信号才能进行复位操作。 LED显示模块 在单片机应用系统中,数码管显示器显示常用两种办法:静态显示和动态扫描显示。基于LED的优点在本次设计中采用了数码管的静态显示。所谓静态显示,就是每一个数码管显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口用于笔划段字形代码。这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路,就不用管它 了,直到要显示新的数据时,再发送新的字形码,因此,使用这种办法单片机中CPU的开销小。能供给单独锁存的I/O接口电路很多,常用的串并转换电路74LS164。完整的显示电路图如图3.4所示。 图3.4 LED显示模块 74LS164是串行输入并行输出的移位寄存器。它具有两个串行输入端(A和B)和8位并行输出端(Qa?Qh)。CLR为异步清零端,当其为低电平时,可使74LS164清零(复位)。因本设计不需要复位,所以将其接+5V。CLK为时钟脉冲接收端,用以控制移位寄存器的移位节奏。 如图3.4所示,移位寄存器74LS164通过单片机的P10和P11口获得数据和脉冲,然后再把数据送给数码管,显示对应的数据。 A/D转换电路 正常情况下,单片机与ADC0832的接口应为4条数据线(CS、CLK、DO、DI)。其中,由于DI端与DO端在通信时与单片机的接口是双向的且并未同时有效,所以电路设计时可以将DI和DO并联在一根数据线上使用。ADC0832和单片机相连电路如图3.5所示。 图3.5 A/D转换电路 D/A转换电路 DAC0832经过运放uA741输出0-5V电压信号。电路如图3.6所示。 图3.6 D/A转换电路 调幅分析:当数字量为0FFH255,参考电压VREF-5V时, (3.1) 3.2 V/I转换电路 图3.7 V/I转换电路 选择该电路的理由是三个运算放大电路共同作用,代替了三极管,使电路更简单、方便,也减少焊接时的麻烦。 设经过第一个运算放大器的输出电压为U1,经过第二个运算放大器的输出电压为U2,经过第三个运算放大器的输出电压为U0,输入电压为Ui,输出电流为I0。 3.33.4 由式(3.3)和式(3.4)可得 3.53.6 由式(3.5)和式(3.6)可得 3.7 3.8 3.9 键盘电路 如图3.8所示键盘控制电路是由K1、K2、K3、K4键接单片机的P1.4?P1.7口相连组成的,它完成PID参数值的设定和修改。按键功能如表3.1,按键设定值如表3.2所示。 图3.8 键盘电路 表3.1 按键功能表 按键 功能 K1 修改PID参数 K2 加1键 K3 减1键 K4 确定并返回 表3.2 按键设定值 K1键按下的次数n 设定PID参数 n1 修改比例系数Kp n2 修改积分常数Ti n3 修改微分常数Td 串口通信电路 单片机与上位机的联系是通过串口来实现的,两者遵循一定的 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 。在单片机与微机之间的距离在15米范围内,采用九针串口中的三根引脚与单片机相连即可,一个是串行数据发送端TXD,一个是串行数据接收端RXD,另一个是地端GND。由于单片机和微机之间的电平不兼容,单片机串口使用的是正逻辑的TTL电平,而上位机的串口使用的是负逻辑的EIA电平,这样就存在TTL电平和EIA电平之间的转换问题。为了使单片机和微机之间的电平相互兼容,使用电平转换芯片RS232。 RS-232电缆的两端,一端为母头(DB9孔式),一端为公头(DB9针式)。 DB9定义引脚: 1 DCD载波检测、2 RXD接受数据、3 TXD发出数据、4 DTR数据终端准备好、5 SG信号地线、6 DSR数据准备好、7 RTS请求发送、8 CTS清除发送、9 RI振铃指示。外部设备与串行接口之间的数据传送是按位进行的。RS-232采用负逻辑,即-5到-15V代表“1”,+5到+15V代表“0”。必须经过相应的电平转换,计算机才能通过串口通讯。 计算机串口通讯接口采用DB9芯接插件,使用RS-232标准。 第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源,提供给RS-232串口电平的需要。第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。 其中13脚(R1IN)、12脚(R1OUT)、11脚(T1IN)、14脚(T1OUT)为第一数据通道。 8脚(R2IN)、9脚(R2OUT)、10脚(T2IN)、7脚(T2OUT)为第二数据通道。第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC(+5v)。完整的串口电路如图3.9所示。 TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头;DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。 图3.9 串口通信电路 软件设计 本