畢業(yè)論文：基于單片機(jī)的雙容水箱液位控制器設(shè)計(jì)

1、內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文）題 目：基于單片機(jī)的雙容水箱液位控制器設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：學(xué) 號(hào)：專(zhuān) 業(yè)：測(cè)控技術(shù)與儀器班 級(jí)：指導(dǎo)教師：基于單片機(jī)的雙容水箱液位控制器設(shè)計(jì)摘 要液位作為工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的主要的被控參數(shù)之一，被廣泛應(yīng)用于冶金、建材、化工、食品、石油等工業(yè)中，工藝過(guò)程中液位的控制效果直接影響著所生產(chǎn)出的產(chǎn)品質(zhì)量?，F(xiàn)代工業(yè)中的液位控制系統(tǒng)規(guī)模日趨復(fù)雜化、大型化，液位控制已逐漸成為目前過(guò)控領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)?；趩纹瑱C(jī)的液位控制器具有性能穩(wěn)定、可靠，控制精度高，造價(jià)低，設(shè)置方便，操作方便等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)雙容水箱液位的控制，該系統(tǒng)是以上下兩個(gè)串聯(lián)的水箱為研究對(duì)象，把

2、下水箱的液位作為被控參數(shù)，通過(guò)壓力變送器測(cè)量水箱的液位，并把測(cè)量結(jié)果送到以單片機(jī)為核心的控制器作為反饋信號(hào)，控制器再根據(jù)預(yù)先設(shè)置的增量型PID控制算法進(jìn)行運(yùn)算，發(fā)出控制命令控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)之一的調(diào)節(jié)閥開(kāi)度大小，從而改變進(jìn)入上水箱中水的流量大小，實(shí)現(xiàn)水箱液位的自動(dòng)控制，整個(gè)控制過(guò)程中，水泵電機(jī)保持勻速供水。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)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 paramet

3、ers 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 b

4、ecoming 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 operation. The d

5、esign 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

6、 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(guó)內(nèi)液位控制的發(fā)展現(xiàn)狀11.3 PID調(diào)節(jié)器簡(jiǎn)介21.4 設(shè)計(jì)思路21.5 設(shè)計(jì)意義3第二章 硬件組成42.1 系統(tǒng)硬件組成概述42.2 數(shù)據(jù)采集電路42.2.1 壓力變送器42.2.2 I/V轉(zhuǎn)換電路52.2.3 A/D轉(zhuǎn)換器52.3 STC89C52RC單片機(jī)82.4 D/A轉(zhuǎn)換器102.4.1 DAC0832引腳功能112.4.2 DAC0832工作方

8、式122.4.3 DAC0832工作時(shí)序122.5 V/I轉(zhuǎn)換電路122.6 執(zhí)行機(jī)構(gòu)122.6.1 控制閥122.6.2 水泵電機(jī)132.7 掉電存儲(chǔ)器132.8 LED顯示142.8.1 LED顯示器的結(jié)構(gòu)142.8.2 移位寄存器16第三章 硬件設(shè)計(jì)193.1 STC89C52單片機(jī)模塊電路193.1.1 晶振電路193.1.2 復(fù)位電路193.1.3 最小系統(tǒng)203.2 LED顯示模塊213.3 A/D轉(zhuǎn)換電路223.4 D/A轉(zhuǎn)換電路223.5 V/I轉(zhuǎn)換電路233.6 鍵盤(pán)電路243.7 串口通信電路24第四章 軟件設(shè)計(jì)264.1 主程序流程圖264.2 A/D轉(zhuǎn)換子程序274.3

9、 鍵盤(pán)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(jiǎn)介334.6.2 Keil軟件編程流程及程序下載33第五章 系統(tǒng)的調(diào)試及說(shuō)明365.1 硬件設(shè)計(jì)調(diào)試365.2 軟件設(shè)計(jì)調(diào)試375.2.1 鍵盤(pán)和顯示軟件設(shè)計(jì)375.2.2 輸入信號(hào)的測(cè)量385.2.3 PID控制量計(jì)算及數(shù)據(jù)處理385.3 軟硬件聯(lián)合調(diào)試41總結(jié)42參考文獻(xiàn)43附錄A 本設(shè)計(jì)原理圖45附錄B 主程序46致謝52第一章 引言1.1 研究背景液位是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的主要被控參數(shù)之一，廣泛應(yīng)用于冶金、化工、建材、食品、石油等工業(yè)中，工藝過(guò)程中液位的控制效果直接

10、影響著所生產(chǎn)出的產(chǎn)品質(zhì)量。現(xiàn)代工業(yè)中的液位控制系統(tǒng)規(guī)模日趨復(fù)雜化、大型化，液位控制已逐漸成為目前過(guò)控領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。1.2 國(guó)內(nèi)液位控制的發(fā)展現(xiàn)狀德州學(xué)院機(jī)電工程系的金秀慧做了基于MCGS的液位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，它是一種基于AT89C51單片機(jī)的遠(yuǎn)程液位數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)，采用單片機(jī)作為控制核心，上位機(jī)采用MCGS編寫(xiě)的監(jiān)控軟件，整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)可以完成液位信號(hào)的采集與轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳送和顯示、控制等功能2。北方工業(yè)大學(xué)理學(xué)院的安艷偉做了基于單片機(jī)的分布式液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了一種基于51單片機(jī)為核心的多機(jī)分布式液位控制系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)采集模塊，處理模塊和多機(jī)通信平臺(tái)組成，既滿足了測(cè)量精度的要求，同時(shí)具有

11、較高的可靠性，成本低，控制靈活。隨著傳感技術(shù)的不斷提高，分布式監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用日趨廣泛，一個(gè)高質(zhì)量、合理化的多機(jī)串行通信平臺(tái)就顯得尤為重要19。南京郵電大學(xué)的牛標(biāo)和張代遠(yuǎn)所做的可監(jiān)控智能液位控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)中列舉了液位控制系統(tǒng)可以采取的硬件方案以及他們各自的優(yōu)缺點(diǎn)，采用FPGA作為控制器可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，規(guī)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(wěn)定性，并且可應(yīng)用EDA軟件仿真、調(diào)試，易于進(jìn)行功能擴(kuò)展5。FPGA采用并行輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模實(shí)時(shí)系統(tǒng)的控制核心。但是由于其集成度高，使其成本偏高，同時(shí)由于芯片的引腳較多，實(shí)物硬件電路板布線復(fù)雜

12、，加重了電路設(shè)計(jì)和實(shí)際焊接的工作5。根據(jù)哈爾濱工業(yè)大學(xué)的李小平所做的液位控制系統(tǒng)建模及其控制算法的研究對(duì)幾種控制算法進(jìn)行了研究，其中包括PID控制算法、大林算法、Smith預(yù)估控制算法、模糊控制算法等，并通過(guò)編程說(shuō)明了其可行性和優(yōu)越性：PID控制器是迄今為止應(yīng)用最廣泛的反饋形式，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)、控制效果好等特點(diǎn)，且原理簡(jiǎn)明，參數(shù)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(diǎn)是，將期望的閉環(huán)響應(yīng)設(shè)計(jì)成一階慣性環(huán)節(jié)加純延遲，然后反過(guò)來(lái)得到能滿足這種閉環(huán)響應(yīng)的控制器12。它是克服純滯后的有效方法，一階系統(tǒng)很快達(dá)到穩(wěn)定，波動(dòng)較少；Smith預(yù)估控制算法是一種簡(jiǎn)單而有效的控制方法，但

13、只適用于單輸入單輸出系統(tǒng)，它的最大優(yōu)點(diǎn)是將時(shí)滯環(huán)節(jié)移到了閉環(huán)之外，是控制品質(zhì)大大提高，它的最大缺點(diǎn)是太過(guò)依賴(lài)精確的數(shù)學(xué)模型，對(duì)于外部擾動(dòng)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(yè)部門(mén)都有成功應(yīng)用，它避開(kāi)了復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，控制系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)，通常能得到比較好的性能指標(biāo)，適用于水位這樣的滯后非線性系統(tǒng)12。1.3 PID調(diào)節(jié)器簡(jiǎn)介傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)器多為模擬調(diào)節(jié)器，這種調(diào)節(jié)器多用氣動(dòng)或電動(dòng)單元組合儀表來(lái)完成。隨著單片機(jī)在控制領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，利用計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)控制算法，具有更大的可靠性、靈活性以及更好的控制效果。因此，以單片機(jī)為中心、采用數(shù)字算法的數(shù)字調(diào)節(jié)器正不斷代替

14、著模擬調(diào)節(jié)器。在控制過(guò)程中，應(yīng)用最廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例（P）、積分（I）、微分（D）控制，簡(jiǎn)稱(chēng)PID控制，又稱(chēng)PID調(diào)節(jié)。在單回路反饋控制系統(tǒng)中，由被控對(duì)象、變送器、控制器、和控制閥四個(gè)基本環(huán)節(jié)構(gòu)成?？刂破鞯膮?shù)對(duì)控制系統(tǒng)的控制效果產(chǎn)生很大影響：控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)誤差、靜態(tài)誤差、穩(wěn)定性都是通過(guò)對(duì)控制器的參數(shù)調(diào)節(jié)進(jìn)行控制的。自從PID控制器問(wèn)世到現(xiàn)在已有近70年的歷史，它以穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)整方便、工作可靠為優(yōu)點(diǎn)成為工業(yè)控制領(lǐng)域的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的參數(shù)和結(jié)構(gòu)不能完全掌握，或者得不到準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，系統(tǒng)控制器的參數(shù)和結(jié)構(gòu)必須依靠現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定，這時(shí)采用PID控制最為方便。即當(dāng)

15、我們不能完全了解系統(tǒng)的被控對(duì)象或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合采用PID控制技術(shù)。1.4 設(shè)計(jì)思路本設(shè)計(jì)利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)雙容水箱液位的控制，該系統(tǒng)是以上下兩個(gè)串聯(lián)的水箱為研究對(duì)象，把下水箱的液位作為被控參數(shù)，通過(guò)壓力變送器測(cè)量水箱的液位，并把測(cè)量結(jié)果送到以單片機(jī)為核心的控制器作為反饋信號(hào)，控制器再根據(jù)預(yù)先設(shè)置的增量型PID控制算法進(jìn)行運(yùn)算，發(fā)出控制命令控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)之一的調(diào)節(jié)閥開(kāi)度大小，從而改變進(jìn)入上水箱中水的流量大小，實(shí)現(xiàn)水箱液位的自動(dòng)控制，整個(gè)控制過(guò)程中，水泵電機(jī)保持勻速供水。系統(tǒng)工藝如圖1.1所示：圖1.1 系統(tǒng)工藝圖1.5 設(shè)計(jì)意義本設(shè)計(jì)之所以選擇用單片機(jī)進(jìn)行控制是由于其

16、具有體積小、功能強(qiáng)、可靠性能高、造價(jià)比低和開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。而單片機(jī)控制系統(tǒng)以其性能穩(wěn)定、可靠，控制精度高，造價(jià)低，設(shè)置方便，操作方便等優(yōu)點(diǎn)，被應(yīng)用到液位控制系統(tǒng)中來(lái)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可視性，使得人機(jī)交互的能力進(jìn)一步提高。雙容水箱本身存在慣性大、擾動(dòng)多等問(wèn)題，本設(shè)計(jì)利用積分分離和帶死區(qū)的增量型PID控制可以成功的克服這些問(wèn)題。這些問(wèn)題的有效克服使得液位控制系統(tǒng)在工業(yè)上具有很大的研究?jī)r(jià)值。第二章 硬件組成2.1 系統(tǒng)硬件組成概述本設(shè)計(jì)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。圖2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖2.2 數(shù)據(jù)采集電路數(shù)據(jù)采集電路的功能主要是采集容器中的實(shí)時(shí)液位高度，并且把這個(gè)采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可識(shí)別的

17、數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)。2.2.1 壓力變送器壓力變送器測(cè)量的是壓力信號(hào)，根據(jù)液位參數(shù)與壓力參數(shù)的關(guān)系即式（2.1）得到液位信號(hào)，從而將液位測(cè)量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為壓力測(cè)量的數(shù)據(jù)。 （2.1）本設(shè)計(jì)所選用的壓力變送器是JYB-KO-HAG，技術(shù)參數(shù)如表2.1所示：表2.1 JYB-KO-HAG壓力變送器技術(shù)參數(shù)環(huán)境溫度 10+60介質(zhì)溫度 20+70電壓輸出型輸出阻抗 250(DC 24V供電時(shí))：05VDC供電電壓DC 24V(12V32V)負(fù)載能力電流輸出型 500：420mADCJYB-KO-HAG壓力變送器用途：航空航天領(lǐng)域，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程壓力控制，儀器醫(yī)療食品等行業(yè)，石油化工行業(yè)，航海及造船行業(yè)，

18、水電、水利、發(fā)電廠等行業(yè)。JYB-KO-HAG壓力變送器具有以下的特點(diǎn)：抗過(guò)載、抗沖擊、抗干擾等能力強(qiáng)；溫度補(bǔ)償激光調(diào)阻，使用溫域?qū)?；防浪涌電壓，反向極性保護(hù)；抗腐蝕性能好，可以測(cè)量多種介質(zhì)；過(guò)流過(guò)壓保護(hù)電路；進(jìn)口陶瓷芯片或擴(kuò)散硅，適用于不同場(chǎng)合的壓力測(cè)量；穩(wěn)定性高，實(shí)用性廣；安裝簡(jiǎn)便，小巧精致等。JYB-KO-HAG型擴(kuò)散硅壓力傳感器的測(cè)量精度：A級(jí)（ 0.25F.S），B級(jí)（0.5F.S）。量程是：0-60MPa內(nèi)任量程，最小量程為 5kPa。JYB-KO-HAG型陶瓷壓力傳感器的測(cè)量精度：A級(jí)（ 0.5F.S），B級(jí)（ 1F.S）。量程是：0-10MPa內(nèi)任量程，最小量程為 30kPa。

19、2.2.2 I/V轉(zhuǎn)換電路測(cè)量所得的液位模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)壓力變送器輸出4-20mA直流信號(hào)后，再經(jīng)250電阻轉(zhuǎn)換成直流1-5V標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，送入A/D 轉(zhuǎn)換器。2.2.3 A/D轉(zhuǎn)換器在工業(yè)控制過(guò)程中，被測(cè)參數(shù)（如流量、溫度、液位、壓力、速度等）都是連續(xù)變化的量，稱(chēng)為模擬量。而單片機(jī)只能處理數(shù)字量，所以在數(shù)據(jù)進(jìn)入單片機(jī)之前，必須把模擬量轉(zhuǎn)換成為單片機(jī)可識(shí)別的數(shù)字量，能夠達(dá)到這一目的的器件，稱(chēng)之為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，即A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器有很多種，依據(jù)位數(shù)來(lái)區(qū)分，有16位、12位、10位、8位等。其位數(shù)越高，分辨率也就越高。通常使用的A/D轉(zhuǎn)換器是將一個(gè)輸入模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)輸出的數(shù)字信號(hào)，本設(shè)計(jì)所用

20、的A/D轉(zhuǎn)換器是ADC0832，它可實(shí)現(xiàn)0-5V模擬電壓信號(hào)的8位數(shù)字量轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)采用ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器與I/V轉(zhuǎn)換電路相連接，對(duì)輸入的1-5V電壓信號(hào)進(jìn)行采樣?，F(xiàn)場(chǎng)傳來(lái)的4-20mA電流信號(hào)經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)妮斎朕D(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可接受的1-5V電壓信號(hào)后直接接至單片機(jī)讀寫(xiě)引腳上。同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量進(jìn)行數(shù)字濾波、標(biāo)度變換等數(shù)據(jù)處理,增加數(shù)據(jù)的可信度、提高其抗干擾能力和穩(wěn)定性。ADC0832 是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種雙通道、8 位分辨率的A/D轉(zhuǎn)換芯片。由于它的兼容性、性?xún)r(jià)比高，體積小而深受企業(yè)及單片機(jī)愛(ài)好者歡迎，因此到目前為止它已經(jīng)有很高的普及率了。ADC0832 具有以下特點(diǎn)：雙

21、通道A/D轉(zhuǎn)換；8位分辨率；5V電源供電時(shí)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(jí)芯片溫寬為0到+70，而工業(yè)級(jí)芯片溫寬則為40到+85；工作頻率為250KHz，轉(zhuǎn)換時(shí)間為32S。 芯片引腳如圖2.2所示。芯片接口說(shuō)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(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出，數(shù)據(jù)信號(hào)輸出。DI：選擇通道控制，數(shù)據(jù)信號(hào)輸入。VCC/REF：電源輸入端及參考電壓輸入端（

22、復(fù)用）。CLK：芯片時(shí)鐘輸入端。圖2.2 ADC0832引腳ADC0832為8位分辨率的A/D轉(zhuǎn)換芯片，其最高可達(dá)256級(jí)分辨率，可以適應(yīng)一般的模數(shù)轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復(fù)用（VCC/REF），使得芯片的模擬電壓輸入在0-5V之間。芯片據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出，其可作為數(shù)據(jù)校驗(yàn)，以減少數(shù)據(jù)誤差，芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為32S，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強(qiáng)。獨(dú)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(guò)DI數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易實(shí)現(xiàn)通道功能的選擇。 正常情況下，單片機(jī)與ADC0832的接口應(yīng)為4條數(shù)據(jù)線（CS、CLK、DO、DI）。其中，由于DI端與DO端在通信時(shí)與單片機(jī)的接口是雙向的并且未

23、同時(shí)有效，所以電路設(shè)計(jì)時(shí)可以將DI和DO并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。 當(dāng)ADC0832沒(méi)有開(kāi)始工作時(shí)，它的CS使能端應(yīng)為高電平，此時(shí)芯片禁用，DO/DI和CLK的電平可任意。當(dāng)要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，需先將CS使能端置低電平并保持低電平直到轉(zhuǎn)換完全結(jié)束。此時(shí)芯片開(kāi)始轉(zhuǎn)換工作，同時(shí)由處理器向芯片時(shí)鐘輸入端CLK輸入時(shí)鐘脈沖，DO/DI端則使用DI端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號(hào)。在第一個(gè)時(shí)鐘脈沖下沉之前DI端必須置高電平，表示起始信號(hào)。在第二、三個(gè)脈沖下沉前DI端應(yīng)輸入2位數(shù)據(jù)用于選擇通道功能，其功能見(jiàn)表2.2。如表2.2所示，當(dāng)2位數(shù)據(jù)為“1、1”時(shí)，只對(duì)CH1進(jìn)行單通道轉(zhuǎn)換。當(dāng)2位數(shù)據(jù)為“1、0”時(shí)，只

24、對(duì)CH0進(jìn)行單通道轉(zhuǎn)換。如表2.3所示，當(dāng)2位數(shù)據(jù)為“0、0”時(shí)，CH1作為負(fù)輸入端IN-進(jìn)行輸入，將CH0作為正輸入端IN+。當(dāng)2位數(shù)據(jù)為“0、1”時(shí)，CH0作為負(fù)輸入端IN-進(jìn)行輸入，將CH1作為正輸入端IN+。作為單通道模擬信號(hào)輸入時(shí)，8位分辨率時(shí)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(shí)，可以將電壓值設(shè)定在一個(gè)較大的范圍之內(nèi)，從而提高轉(zhuǎn)換寬度。值得注意的是，在進(jìn)行IN-與IN+的輸入時(shí)，如果IN+的電壓小于IN-的電壓則轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)結(jié)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/S

25、IGN 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(shí)序圖ADC0832時(shí)序如圖2.3所示，當(dāng) CS由高變低時(shí)，ADC0832選通。在時(shí)鐘信號(hào)是上升沿時(shí)，DI 端的數(shù)據(jù)移入 ADC0832內(nèi)部的多路地址移位寄存器。在第一個(gè)時(shí)鐘脈沖期間，DI為高電平，表示啟動(dòng)位，緊接著輸入兩位配置位。當(dāng)輸入啟動(dòng)位和配置位后，選通輸入模擬控制通道，轉(zhuǎn)換開(kāi)始。轉(zhuǎn)換開(kāi)始后，經(jīng)過(guò)一個(gè)時(shí)鐘周期延接著在第一個(gè)時(shí)鐘周期的延遲，以達(dá)到使選定通道穩(wěn)定的目的。到第3個(gè)時(shí)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/D

26、I端則開(kāi)始依靠數(shù)據(jù)輸出端DO進(jìn)行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取。從第4個(gè)時(shí)鐘脈沖下降開(kāi)始由DO端輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)最高位data7，隨著每一個(gè)時(shí)鐘脈沖下沉，DO端輸出下一位數(shù)據(jù)，直到第11個(gè)脈沖時(shí)輸出最低位數(shù)據(jù)data0，一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)輸出結(jié)束。反過(guò)來(lái)從此位開(kāi)始輸出下一個(gè)相反字節(jié)的數(shù)據(jù)，即從第11個(gè)字節(jié)的下降沿輸出data0，隨后依次輸出8位數(shù)據(jù)，到第19個(gè)脈沖時(shí)數(shù)據(jù)輸出結(jié)束。這也標(biāo)志著一次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束了。最后將CS置高電平使芯片禁用，然后直接將轉(zhuǎn)換過(guò)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理就可以了。若要再進(jìn)行一次AD轉(zhuǎn)換，片選信號(hào)CS必須再次從高向低跳變，然后后面再輸入啟動(dòng)位和配置位。2.3 STC89C52RC單片機(jī)STC系列單片機(jī)芯

27、片是由STMicroelectronics 公司生產(chǎn)，并有宏晶公司做為大陸代理商。STMicroelectronics（意法半導(dǎo)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(guó)的湯姆遜微電子公司合并后產(chǎn)生的。1998年5月，公司由原來(lái)的SGS湯姆遜（SGSTHOMSON）微電子公司改名為意法半導(dǎo)體公司（STMicroelectronics），簡(jiǎn)稱(chēng)ST公司。STC89C52是一種帶8K字節(jié)閃爍可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器（FPEROM-Flash Programable and Erasable Read Only Memory）的高性能、低電壓的微處理器，俗稱(chēng)單片機(jī)。單片機(jī)引腳電路如圖

28、2.4所示，實(shí)物如下圖2.5所示：圖2.4 單片機(jī)引腳電路圖2.5 單片機(jī)STC89C52實(shí)物圖STC89C52RC可以代替AT89C51，速度更快，功能更強(qiáng)，價(jià)格更低，壽命更長(zhǎng)。STC89C52RC的內(nèi)核與AT51系列單片機(jī)一樣，即引腳排列與外形相同。管腳說(shuō)明如下：GND：地線。VCC：電源輸入端，接5V電源。P0口：8位漏級(jí)開(kāi)路雙向I/O口，名稱(chēng)為P0.0P0.7。每個(gè)引腳可吸收8個(gè)TTL門(mén)電流。P0能夠當(dāng)做外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使用，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程過(guò)程中，P0 口被當(dāng)作原碼輸入口，在FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0口輸出原碼，此時(shí)的P0外部必須被拉高。P1口：帶

29、內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，名稱(chēng)為P1.0P1.7 。P1口緩沖器能接收輸出4個(gè)TTL門(mén)電流。P1口管腳寫(xiě)入“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉至高電平時(shí)，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉電阻的原因。在FLASH校驗(yàn)和編程時(shí)，P1口被用作第八位地址接收端。 P2口：帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，名稱(chēng)為P2.0P2.7 。P2口緩沖器可接收輸出4個(gè)TTL門(mén)電流，當(dāng)P2口被寫(xiě)“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉至高電平時(shí)，可用為輸入。P2口的管腳被外部拉至低電平時(shí)，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉電阻的原因。P2口當(dāng)做16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或作外部程序存儲(chǔ)器進(jìn)行存

30、取時(shí)，P2口輸出地址的高八位在寫(xiě)入地址“1”時(shí)，利用內(nèi)部上拉電阻優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH校驗(yàn)和編程時(shí)接收高八位控制信號(hào)和地址信號(hào)。P3口：帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，名稱(chēng)為P3.0P3.7?？山邮蛰敵?個(gè)TTL門(mén)電流。當(dāng)P3口被寫(xiě)入“1”后，它們被內(nèi)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(yàn)和編程時(shí)，P3口可接收某些控制信號(hào)。具體的P3口功能，如表2.4所示。ALE/PROG：地址鎖存允許信號(hào)。當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地

31、址。在flash編程時(shí)，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(hào)。因此它可用于定時(shí)目的或用作對(duì)外部輸出的脈沖。值得注意的是，每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。若想禁止ALE的輸出，可在SFR8EH地址上置0，此時(shí)，ALE只有在執(zhí)行MOVC，MOVX指令時(shí)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(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，則置位無(wú)效。表2.4 P3口的特殊功能引腳替代功能說(shuō)明P3.0RXD串行數(shù)據(jù)接收端P3.1TXD串行數(shù)據(jù)發(fā)送端P3.2INT0外部中斷0申請(qǐng)端P3.3INT1外部中斷1申請(qǐng)端P3.4T0定時(shí)器0外部事件計(jì)數(shù)輸入

32、端P3.5T1定時(shí)器1外部事件計(jì)數(shù)輸入端P3.6WR外部RAM寫(xiě)選通端P3.7RD外部RAM讀選通端EA/VPP：程序存儲(chǔ)器的內(nèi)外部選通引腳。接低電平從外部程序存儲(chǔ)器讀指令，如果接高電平則從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器讀指令。當(dāng)EA接低電平時(shí)，則在此期間為外部程序存儲(chǔ)器（0000HFFFFH）讀指令，注意當(dāng)加密方式“1”時(shí)，EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)EA端接高電平時(shí)，此期間為內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。RST：復(fù)位輸入端。引腳上出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)，將使單片機(jī)復(fù)位。PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取址期間，每個(gè)機(jī)器周期PS

33、EN兩次有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的PSEN信號(hào)將消失。XTAL1：內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入及反向振蕩器的輸入。XTAL2：反向振蕩器的輸出。2.4 D/A轉(zhuǎn)換器本設(shè)計(jì)采用的D/A轉(zhuǎn)換器是DAC0832。它是采用CMOS工藝制成的直流輸出型8位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。它由模擬開(kāi)關(guān)、倒T型R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)、參考電壓VREF和運(yùn)算放大器四大部分組成。輸入的數(shù)字量與輸出的模擬量成正比，這就實(shí)現(xiàn)了從數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的目的。一個(gè)8位D/A轉(zhuǎn)換器有一個(gè)模擬輸出端和8個(gè)輸入端（其中每個(gè)輸入端是8位二進(jìn)制數(shù)的一位）。輸入端有256個(gè)不同的二進(jìn)制組態(tài)，輸出則為256個(gè)電壓之一，即輸出電壓不是整個(gè)電壓范圍內(nèi)

34、任意值，而只能是256個(gè)可能值。2.4.1 DAC0832引腳功能DAC0832的引腳如圖2.6所示。圖2.6 DAC0832引腳引腳說(shuō)明：DI0DI7：轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸入。CS：片選信號(hào)（輸入），低電平有效。ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許信號(hào)端（輸入），高電平有效。WR1：第1寫(xiě)信號(hào)（輸入），低電平有效。WR1和ILE兩個(gè)信號(hào)控制輸入寄存器的控制方式：當(dāng)ILE=1和WR1=1時(shí)，為輸入寄存器鎖存方式；當(dāng)ILE=1和WR1=0時(shí)，為輸入寄存器直通方式。WR2：第2寫(xiě)信號(hào)（輸入），低電平有效。XFER：數(shù)據(jù)傳送控制信號(hào)（輸入），低電平有效。XFER和WR2兩個(gè)信號(hào)控制DAC寄存器工作方式：當(dāng)WR2=1和XFER

35、=0時(shí)，為DAC寄存器鎖存方式；當(dāng)WR2=0和XFER=0時(shí)，為DAC寄存器直通方式。IOUT1：DAC電流輸出級(jí)1。IOUT2：DAC電流輸出級(jí)2。（IOUT1+IOUT2為常數(shù)）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(yùn)算放大器，Rfb即為集成在片內(nèi)的外接運(yùn)放的反饋電阻。 Vref：基準(zhǔn)電壓（-10到+10V）。Vcc：是源電壓（+5到+15V）。DGND：數(shù)字地，可與AGND接在一起使用。AGND：模擬地。2.4.2 DAC0832工作方式DAC0832內(nèi)部主要有3個(gè)寄存器，即8位D/A寄存器、8位輸入寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換器，對(duì)應(yīng)3個(gè)寄存器的控

36、制DAC0832有3個(gè)工作方式。單緩沖方式：兩個(gè)寄存器中的一個(gè)寄存器始終處于直通狀態(tài)，即WR1=0或WR2=0，另一個(gè)寄存器始終處于受控狀態(tài)。直通方式：WR1=WR2=0時(shí)，數(shù)據(jù)可以從輸入端DI0DI7經(jīng)兩個(gè)寄存器直接進(jìn)入D/A轉(zhuǎn)換器。雙緩沖方式：兩個(gè)寄存器均處于受控狀態(tài)。這種工作方式適合于多模擬信號(hào)同時(shí)輸出的應(yīng)用場(chǎng)合。2.4.3 DAC0832工作時(shí)序DAC0832工作時(shí)序如圖2.7所示。圖2.7 DAC0832工作時(shí)序圖WR1=0、CS=0、ILE=1，使輸入數(shù)據(jù)鎖存到輸入寄存器。XFER=0、WR2=0，數(shù)據(jù)傳送到DAC寄存器并開(kāi)始轉(zhuǎn)換。2.5 V/I轉(zhuǎn)換電路V/I轉(zhuǎn)換是將輸入的電壓信號(hào)

37、轉(zhuǎn)換成需要的電流信號(hào)，轉(zhuǎn)換后的電流相當(dāng)于一個(gè)輸出可調(diào)的恒流源，其輸出電流應(yīng)能夠保持穩(wěn)定而不會(huì)隨負(fù)載的變化而變化。本設(shè)計(jì)采用的是三個(gè)運(yùn)放實(shí)現(xiàn)電壓到電流的轉(zhuǎn)換。2.6 執(zhí)行機(jī)構(gòu)2.6.1 控制閥該設(shè)計(jì)采用的控制閥ML7420A6033是一個(gè)能夠通過(guò)提供其電流大小來(lái)控制通過(guò)其中的液體流量的裝置。若單片機(jī)分析得出的即時(shí)液體高度比設(shè)定值低許多時(shí)，就會(huì)輸出一個(gè)比較大的電流，來(lái)控制流量閥的開(kāi)度使其在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)更多的液體，以便液體高度盡快地恢復(fù)到設(shè)定的初始液位值上。反之，開(kāi)啟排水閥進(jìn)行調(diào)整。技術(shù)參數(shù)如表2.5所示。表2.5 控制閥ML7420A6033技術(shù)參數(shù)執(zhí)行器類(lèi)型閥門(mén)提供電壓24Vac15%控制信號(hào)

38、調(diào)節(jié)型手動(dòng)操作是反饋2-10Vdc頻率50/60Hz介質(zhì)溫度()最大值1502.6.2 水泵電機(jī)當(dāng)水箱水位下降到設(shè)定水位時(shí)，水泵電機(jī)可自動(dòng)啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)工作，給水箱補(bǔ)水；當(dāng)水箱水位上漲到設(shè)定的高度時(shí)，水泵電機(jī)能自動(dòng)停止供水。本設(shè)計(jì)中水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速始終保持勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。2.7 掉電存儲(chǔ)器本設(shè)計(jì)采用的掉電存儲(chǔ)設(shè)備是AT24C08。引腳如圖2.8所示。圖2.8 掉電存儲(chǔ)電路原理圖AT24C08屬于AT24C0X系列設(shè)備，該系列具有以下特點(diǎn)：與400KHz I2C 總線兼容；低功耗CMOS 技術(shù)；1.8 到6.0 伏工作電壓范圍；溫度范圍商業(yè)級(jí)工業(yè)級(jí)和汽車(chē)級(jí)；寫(xiě)保護(hù)功能當(dāng)WP為高電平時(shí)進(jìn)入寫(xiě)保護(hù)狀態(tài)；自定時(shí)擦寫(xiě)

39、周期；1,000,000編程/擦除周期；可保存數(shù)據(jù)100年；寫(xiě)緩沖器；8腳DIP SOIC 或TSSOP 封裝。AT24C08是一個(gè)8K位串行CMOS E2PROM，內(nèi)部含有1024個(gè)8位字節(jié)CATALYST公司的先進(jìn)CMOS 技術(shù)，實(shí)質(zhì)上減少了器件的功耗，AT24C08有一個(gè)16字節(jié)寫(xiě)緩沖器，該器件通過(guò)I2C總線接口進(jìn)行操作，有一個(gè)專(zhuān)門(mén)的寫(xiě)保護(hù)功能。使用AT24C08時(shí)最多可接兩個(gè)器件。若只有一個(gè)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及數(shù)據(jù)見(jiàn)表

40、2.6所列。AT24C08的極限參數(shù)：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(yè)級(jí)-55到+125；輸出短路電流100mA；商業(yè)級(jí)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集成電路引腳功能及數(shù)據(jù)引腳功能電壓（V）電阻（K）紅筆測(cè)量黑筆測(cè)量1地址A00002地址A00003地址A00004地GND0005數(shù)據(jù)SDA4.85.24.56時(shí)鐘SCL4.85.24.97寫(xiě)保護(hù)WP4.27.65.58電源Vcc51.4-21.4-22.8 LED顯示2.8.1 LED顯示器

41、的結(jié)構(gòu)數(shù)碼管由7個(gè)發(fā)光二極管（LED）構(gòu)成一個(gè)“日”字形，它門(mén)可以共陽(yáng)極，也可以共陰極。它的工作原理是通過(guò)解碼電路得到的數(shù)碼導(dǎo)通相應(yīng)的發(fā)光二極而形成相應(yīng)的字。一般的半導(dǎo)體數(shù)碼管是由7個(gè)條狀的發(fā)光二極管（LED）排列而形成的，可實(shí)現(xiàn)少量字符及數(shù)字“09”的顯示。除此之外，為了實(shí)現(xiàn)小數(shù)點(diǎn)的顯示，增加了1個(gè)點(diǎn)狀的發(fā)光二極管，所以數(shù)碼管由8個(gè)發(fā)光二極管（LED）構(gòu)成，這些發(fā)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(shù)碼管引腳圖圖 數(shù)碼管按各自發(fā)光二極管（LED）電極的連接方式可分為共陽(yáng)極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管兩種。共陽(yáng)極數(shù)碼管指將所有發(fā)光二極管的陽(yáng)極連接

42、在一起形成公共陽(yáng)極（COM）的數(shù)碼管。共陽(yáng)極數(shù)碼管在應(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共陽(yáng)極（COM）接+5V，當(dāng)某一字段的發(fā)光二極管的陰極為高時(shí)，相應(yīng)字段不亮，反之，當(dāng)某一字段的發(fā)光二極管的陰極為低時(shí)，相應(yīng)字段點(diǎn)亮。共陽(yáng)極數(shù)碼管內(nèi)部連接如圖2.10所示。圖2.10 共陽(yáng)極數(shù)碼管內(nèi)部連接圖共陰極數(shù)碼管指將所有發(fā)光二極管的陰極連接在一起形成公共陰極（COM）的數(shù)碼管。共陰極數(shù)碼管在應(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共陰極（COM）接地線GND上，當(dāng)某一字段的發(fā)光二極管的陽(yáng)極為低時(shí)，相應(yīng)字段不亮，反之，當(dāng)某一字段的發(fā)光二極管的陽(yáng)極為高時(shí)，相應(yīng)字段點(diǎn)亮。共陰數(shù)碼管內(nèi)部連接如圖2.11所示。圖2.11 共陰極數(shù)碼管內(nèi)部連接圖若要數(shù)碼管能正常顯示

43、，必須用驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的各個(gè)段碼，以便能夠顯示出我們需要的數(shù)字，故根據(jù)數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)方式的不同，可以分為動(dòng)態(tài)方式和靜態(tài)方式兩種。靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)（也稱(chēng)直流驅(qū)動(dòng)）：指每個(gè)數(shù)碼管的每一個(gè)段碼都由一個(gè)單片機(jī)的I/O 端口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，或者使用譯碼器譯碼進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。靜態(tài)顯示具有顯示亮度高和編程簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)為占用I/O 端口過(guò)多（如驅(qū)動(dòng)5個(gè)數(shù)碼管的靜態(tài)顯示則需40根I/O端口來(lái)驅(qū)動(dòng)，然而一個(gè)51單片機(jī)可用的I/O 端口只有32個(gè)）；實(shí)際應(yīng)用中必須增加譯碼驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這就增加了硬件電路的復(fù)雜性。動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)：它是單片機(jī)中應(yīng)用最廣泛的一種顯示方式之一。動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)是指將所有數(shù)碼管的8個(gè)發(fā)光二極管a,b,c,

44、d,e,f,g,dp的同名端連接在一起，然后為每個(gè)數(shù)碼管的公共極（COM）增加一個(gè)位選通控制電路，位選通控制電路是由各自獨(dú)立的I/O線控制的，當(dāng)單片機(jī)輸出的是字形碼時(shí)，所有的數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但要想知道究竟是哪個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字，則取決于單片機(jī)對(duì)位選通電路的控制，故只需將要顯示字形的對(duì)應(yīng)數(shù)碼管的選通控制打開(kāi)，該位就顯示出字形，若數(shù)碼管沒(méi)有被選通，則該數(shù)碼管不會(huì)亮。輪流分時(shí)控制各個(gè)數(shù)碼管的公共（COM）端，就可以使各個(gè)數(shù)碼管在控制下輪流顯示，這就是動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)。在輪流顯示過(guò)程中，每位數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為1 ms2ms，由于發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)及人的視覺(jué)暫留現(xiàn)象，即使實(shí)際上各位數(shù)碼管并不是

45、同時(shí)被點(diǎn)亮，但是只要掃描的速度足夠快，那么它給人的感覺(jué)就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會(huì)有閃爍的感覺(jué)，動(dòng)態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示一樣。用LED顯示器顯示十六進(jìn)制數(shù)的字型代碼如表2.7所示：表2.7 LED顯示十六進(jìn)制數(shù)的字型代碼字形共陽(yáng)極代碼共陰極代碼字形共陽(yáng)極代碼共陰極代碼0C0H3FH1F9H06H2A4H5BH3B0H4FH499H66H592H6DH682H7DH7F8H07H880H7FH990H6FHA88H77HB83H7CHCC6H39HDA1H5EHE86H79HF8EH71H滅FFH00H2.8.2 移位寄存器本設(shè)計(jì)采用的74LS164是8位移位寄存器，其引腳如圖2.12。圖2.1

46、2 74LS164引腳圖引腳功能：Clock：時(shí)鐘輸入端。Clear：同步清除輸入端（低電平有效）。A、B：為串行數(shù)據(jù)輸入端。QAQH：為輸出端。內(nèi)部邏輯如圖2.13所示。圖2.13 74LS164 內(nèi)部邏輯圖 74LS164工作范圍：輸入電壓5.5V 。電源電壓7V。儲(chǔ)存溫度-65150。工作環(huán)境溫度070。當(dāng)清除端（Clear）為低電平時(shí)，輸出端（QAQH）都為低電平，串行數(shù)據(jù)輸入端（A，B）可控制數(shù)據(jù)。當(dāng)輸入端(A，B)任意一個(gè)為低電平時(shí)，在時(shí)鐘端（Clock）脈沖上升沿作用下Q0為低電平，禁止新的數(shù)據(jù)輸入。當(dāng)輸入端(A，B)有一個(gè)為高電平時(shí)，另一個(gè)輸出端就允許輸入數(shù)據(jù)，并在Clock上

47、升沿作用下決定Q0的狀態(tài)。74LS164的時(shí)序如圖2.14所示。圖2.14 時(shí)序圖第三章 硬件設(shè)計(jì)3.1 STC89C52單片機(jī)模塊電路3.1.1 晶振電路圖3.1 晶振電路單片機(jī)晶振電路的作用是為單片機(jī)提供工作頻率，使單片機(jī)能夠完成一定的功能。單片機(jī)的晶振電路分為外部時(shí)鐘信號(hào)和片內(nèi)振蕩電路。當(dāng)使用片內(nèi)振蕩電路時(shí)，X1（J1）、X2(J2)與晶體振蕩器（簡(jiǎn)稱(chēng)晶振）及電容C1、C2如圖3.1所示的方式連接構(gòu)成晶振電路。在該電路中，電容C1、C2、晶振以及片內(nèi)與非門(mén)（起反饋放大作用的元件，類(lèi)似于電容三點(diǎn)式振蕩電路中的三極管）構(gòu)成了電容三點(diǎn)式振蕩器。振蕩電容C1和C2的取值范圍與晶振的頻率及種類(lèi)有關(guān)

48、。為了減少寄生電容對(duì)振蕩頻率的影響，在印制板上電容C1和C2應(yīng)盡可能靠近單片機(jī)芯片的X1和X2引腳，必要時(shí)可以采用溫度系數(shù)較小的NPO電容。當(dāng)采用外部時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，外部時(shí)鐘信號(hào)需從X1引腳輸入，X2引腳懸空，原因是單片機(jī)的片內(nèi)時(shí)鐘信號(hào)取自作為反饋放大元件的二輸入與非門(mén)的一個(gè)輸入端。晶振的電容值，是根據(jù)晶振的頻率計(jì)算出來(lái)的，在晶振中含有電阻，由單片機(jī)的頻率值，加上式（3.1）可以推導(dǎo)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(fù)位電路為了確保單片機(jī)系統(tǒng)電路可以穩(wěn)定可靠的工作，復(fù)位電路是必不可少的一部分，復(fù)位電路的主要功能是上電復(fù)位。在本設(shè)計(jì)中，RET引腳

49、為復(fù)位輸入端，STC89C52RC采用高電平復(fù)位方式。為了保證CPU內(nèi)部各單元電路可靠復(fù)位，RET引腳復(fù)位脈沖高電平維持時(shí)間必須大于等于2個(gè)機(jī)器周期（即24個(gè)振蕩周期）。只要RET引腳保持高電平狀態(tài)，則每隔24個(gè)振蕩周期將重復(fù)一次復(fù)位操作，直到RET引腳變?yōu)榈碗娖?。?fù)位電路如圖3.2所示。電路方面采用的是由RC分立元件構(gòu)成的外部復(fù)位電路。工作原理：按下按鍵K0，RET端為低電平，此時(shí)電容通過(guò)電阻R1充電，一定時(shí)間后，電容兩端電壓增大，RET端近似為高電平，單片機(jī)復(fù)位，松開(kāi)按鍵后，電容通過(guò)電阻R2放電，放電一段時(shí)間后，RET端又近似為低電平，復(fù)位結(jié)束，復(fù)位時(shí)間小于等于T。 （3.2）圖3.2 復(fù)

50、位電路3.1.3 最小系統(tǒng)單片機(jī)最小系統(tǒng)很簡(jiǎn)單，就是能使單片機(jī)工作的最少的器件構(gòu)成的系統(tǒng)。最小系統(tǒng)雖然簡(jiǎn)單，但是卻是大多數(shù)控制系統(tǒng)所必不可少的關(guān)鍵部分。對(duì)于MCS-51 單片機(jī)，其內(nèi)部已經(jīng)包含了一定數(shù)量的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，在外部只要增加時(shí)鐘電路和復(fù)位電路即可構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)。STC89C52RC的最小系統(tǒng)如圖3.3所示。圖3.3 單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)中的各個(gè)部分是在一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)鐘脈沖控制下有序地進(jìn)行工作，因此時(shí)鐘電路是單片機(jī)系統(tǒng)最基本、最重要的電路。MCS-51 單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)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X

51、TAL2 兩端跨接上晶體振蕩器（晶振）或陶瓷振蕩器就構(gòu)成了穩(wěn)定的自激振蕩電路，該振蕩電路的輸出可直接送入內(nèi)部時(shí)序電路。大規(guī)模集成電路在上電時(shí)一般都需要進(jìn)行一次復(fù)位操作，以便使芯片內(nèi)的一些部件處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，復(fù)位是一種很重要的操作。器件本身一般不具有自動(dòng)上電復(fù)位能力，需要借助外部復(fù)位電路提供的復(fù)位信號(hào)才能進(jìn)行復(fù)位操作。3.2 LED顯示模塊在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，數(shù)碼管顯示器顯示常用兩種辦法：靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)掃描顯示?；贚ED的優(yōu)點(diǎn)在本次設(shè)計(jì)中采用了數(shù)碼管的靜態(tài)顯示。所謂靜態(tài)顯示，就是每一個(gè)數(shù)碼管顯示器都要占用單獨(dú)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(jī)只要把要顯示的字形代碼

52、發(fā)送到接口電路，就不用管它了，直到要顯示新的數(shù)據(jù)時(shí)，再發(fā)送新的字形碼，因此，使用這種辦法單片機(jī)中CPU的開(kāi)銷(xiāo)小。能供給單獨(dú)鎖存的I/O接口電路很多，常用的串并轉(zhuǎn)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(gè)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(dāng)其為低電平時(shí)，可使74LS164清零（復(fù)位）。因本設(shè)計(jì)不需要復(fù)位，所以將其接+5V。CLK為時(shí)鐘脈沖接收端，用以控制移位寄存器的移位節(jié)奏。如圖3.4所示，移位寄存器74LS164通過(guò)單片機(jī)的P10和P11口獲得數(shù)據(jù)和脈沖，然后再把數(shù)據(jù)

53、送給數(shù)碼管，顯示對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。3.3 A/D轉(zhuǎn)換電路正常情況下，單片機(jī)與ADC0832的接口應(yīng)為4條數(shù)據(jù)線（CS、CLK、DO、DI）。其中，由于DI端與DO端在通信時(shí)與單片機(jī)的接口是雙向的且并未同時(shí)有效，所以電路設(shè)計(jì)時(shí)可以將DI和DO并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。ADC0832和單片機(jī)相連電路如圖3.5所示。圖3.5 A/D轉(zhuǎn)換電路3.4 D/A轉(zhuǎn)換電路DAC0832經(jīng)過(guò)運(yùn)放uA741輸出0-5V電壓信號(hào)。電路如圖3.6所示。圖3.6 D/A轉(zhuǎn)換電路調(diào)幅分析：當(dāng)數(shù)字量為0FFH=255，參考電壓VREF=-5V時(shí), （3.1） (3.2) 3.5 V/I轉(zhuǎn)換電路圖3.7 V/I轉(zhuǎn)換電路選擇該電路的理

54、由是三個(gè)運(yùn)算放大電路共同作用，代替了三極管，使電路更簡(jiǎn)單、方便，也減少焊接時(shí)的麻煩。設(shè)經(jīng)過(guò)第一個(gè)運(yùn)算放大器的輸出電壓為U1，經(jīng)過(guò)第二個(gè)運(yùn)算放大器的輸出電壓為U2，經(jīng)過(guò)第三個(gè)運(yùn)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(pán)電路如圖3.8所示鍵盤(pán)控制電路是由K1、K2、K3、K4鍵接單片機(jī)的P1.4P1.7口相連組成的，它完成PID參數(shù)值的設(shè)定和修改。按鍵功能如表3.1，按鍵設(shè)定值如表3.2所示。圖3.8 鍵盤(pán)電路表3.1 按鍵功能表按鍵功能K1