水位遙測(cè)系統(tǒng)最終版

1、 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文題 目： 水位遙測(cè)自控系統(tǒng) 學(xué) 院： 河南城建學(xué)院 專(zhuān) 業(yè)： 自動(dòng)化 姓 名： 閆佐明 學(xué) 號(hào)： 0924092159 指導(dǎo)老師： 邢廣成 完成時(shí)間： 2013年6月5日 河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摘要摘 要 本系統(tǒng)以AT89S51單片機(jī)為主控單元，通過(guò)電容傳感器和液位變送器實(shí)現(xiàn)液位實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的檢測(cè)和自動(dòng)控制。系統(tǒng)分主控站與測(cè)控站，通過(guò)主控站的鍵盤(pán)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)控站的水位上下限的控制和顯示。主控站與測(cè)控站之間的無(wú)線實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕鉀Q方案采用廣泛應(yīng)用于無(wú)線抄表、工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和水文氣象監(jiān)控等領(lǐng)域的無(wú)線通信芯片nRF905組成無(wú)線高速數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)所監(jiān)控水位

2、的短矩離無(wú)線測(cè)量與自動(dòng)控制，利用GFSK實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高速傳送以及較低的功耗。從測(cè)控站傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)人性化人機(jī)交換界面SMS0501E3實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示以及實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的報(bào)警提示。本系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)串口與電腦串口的通訊功能和利用互聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)水位的遠(yuǎn)程測(cè)量與自動(dòng)控制，這對(duì)江河水位的實(shí)時(shí)監(jiān)控非常實(shí)用。本系統(tǒng)可能通過(guò)簡(jiǎn)單地調(diào)整就可以移植到其它物位系統(tǒng)與無(wú)線抄表系統(tǒng)，非常有研究?jī)r(jià)值。結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有有性?xún)r(jià)比高、操作簡(jiǎn)便、可視化操作等優(yōu)點(diǎn).關(guān)鍵字：AT89S51單片機(jī), nRF905, 電容傳感器河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ABSTRCT ABSTRCT This system with AT

3、89S51 as the main control unit, through the capacitance sensor and the liquid level transmitter data level in real-time detection and automatic control. System master control station and control stations, through the keyboard master station can realize to the observation of water level lower limit o

4、n the control and display. Master station and the solution of wireless real-time data transmission between control stations are widely used in the wireless meter reading, industrial data collection system and hydrologic meteorological monitoring in areas such as wireless communication chip nRF905 wi

5、reless high-speed data transceiver module. System for monitoring water level by a short moment away from the wireless measurement and automatic control, using the GFSK realize high speed data transmission and low power consumption. From control stations transmit data through the humanized human-comp

6、uter interface SMS0501E3 to realize data exchange of real-time data display and realize the corresponding alarm prompt. This system through the microcontroller serial port and computer serial communication function and the use of the Internet can realize remote measurement and automatic control of w

7、ater level, the real-time monitoring of the water level in the river is very practical. May by simply adjusting the system can be transplanted to other level systems and wireless meter reading system, great research value. Results show that the system has high cost-effective, easy operation, visual

8、operation, etc. Key words: capacitance sensor automatic control I河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 目錄目錄摘 要IAbstractII第1章 緒 論11.1 研究的目的和意義11.2 國(guó)內(nèi)外水位測(cè)量的發(fā)展21.3 水位測(cè)量的優(yōu)缺點(diǎn)31.4 課題的主要工作3第2章 設(shè)計(jì)思路與方案42.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)42.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路42.2.1 水位測(cè)量方案42.2.2 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸方案5第3章 硬件設(shè)計(jì)73.1 單片機(jī)的概述73.2 水位測(cè)量電路的設(shè)計(jì)103.2.1工作原理103.2.2水位測(cè)量電路113.3 無(wú)線傳輸模塊的設(shè)計(jì)113

9、.3.1 NRF905工作原理113.3.2 NRF905電氣特性123.3.3 NRF905接口電路及管腳說(shuō)明133.3.4 無(wú)線傳輸模塊143.4 顯示電路設(shè)計(jì)143.4.1 SMS0501E3 液晶顯示模塊的概述153.4.2 SMS0501E3液晶顯示模塊的主要技術(shù)參數(shù)153.4.3 SMS0501E3 液晶顯示模塊的接口電路153.44顯示電路163.5 報(bào)警電路的設(shè)計(jì)163.6 閥門(mén)控制電路設(shè)計(jì)173.7 其他電路183.8 本章小節(jié)19第4章 軟件設(shè)計(jì)204.1 主電路的軟件設(shè)計(jì)214.2 水位測(cè)量軟件設(shè)計(jì)224.3 數(shù)碼管顯示軟件設(shè)計(jì)244.4 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸軟件設(shè)計(jì)264.4.

10、1 ShockBurst TX 發(fā)送流程27I4.4.2 ShockBurst RX 接收流程284.4.3 節(jié)能模式284.5 本章小結(jié)29第5章 系統(tǒng)仿真305.1程序編譯和加載305.2系統(tǒng)仿真305.3系統(tǒng)仿真結(jié)果分析32總 結(jié)33致 謝35II河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第1章 緒論第1章 緒 論1.1 研究的目的和意義在社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的今天，水在人們正常生活和生產(chǎn)中起著越來(lái)越重要的作用。一旦斷了水，輕則給人民生活帶來(lái)極大的不便，重則可能造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故及損失。因此給水工程往往成為高層建筑或工礦企業(yè)中最重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一。任何時(shí)候都能提供足夠的水量、平穩(wěn)的水壓、合格的水質(zhì)是

11、對(duì)給水系統(tǒng)提出的基本要求。就目前而言，多數(shù)工業(yè)、生活供水系統(tǒng)都采用水塔、頂層水箱等作為基本儲(chǔ)水設(shè)備，由一級(jí)或二級(jí)水泵從地下市政水管補(bǔ)給。因此，如何建立一個(gè)可靠安全、又易于維護(hù)的給水系統(tǒng)是值得我們研究的課題。水位自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)屬于應(yīng)用現(xiàn)代遙測(cè)、通信、計(jì)算機(jī)技術(shù)，是完成江河流域降雨量、蒸發(fā)量、河流湖泊水位、海洋潮位、流量（流速）、風(fēng)向風(fēng)速、水質(zhì)、閘壩的閘門(mén)開(kāi)度、滲壓、土壤墑情等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、報(bào)送和處理應(yīng)用的信息系統(tǒng)，屬于非工程性防洪措施。它能將某一流域或區(qū)域內(nèi)的水文氣象、水資源信息在短時(shí)間內(nèi)傳遞至決策機(jī)構(gòu)，以便進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)和水資源優(yōu)化調(diào)度，減少水害損失，提高水資源的利用率，可以產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益和

12、經(jīng)濟(jì)效益。水位自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)多用在重點(diǎn)防洪地區(qū)及大型水利工程上，特別是在流域性、區(qū)域性的水位數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理、 應(yīng)用的自動(dòng)化方面起到了積極作用。水位自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)包括三種工作制式：自報(bào)式、查詢(xún)應(yīng)答式 和混合式。（1）自報(bào)式工作制式：在遙測(cè)站設(shè)備控制下每當(dāng)被測(cè)參數(shù)發(fā)生一個(gè)規(guī)定的增 減量變化或按設(shè)定的時(shí)間間隔，即向中心站發(fā)送所采集的數(shù)據(jù)，接收端的數(shù)據(jù)接收設(shè)備始終處于值守狀態(tài)?，F(xiàn)在已經(jīng)對(duì)傳統(tǒng)的自報(bào)式工作制式進(jìn)行了改進(jìn)，使自報(bào)式工作制式有了較大發(fā)展。改進(jìn)后自報(bào)式也是雙向通信方式，不是過(guò)去的純單向工作方式。在遙測(cè)站設(shè)備控制下每當(dāng)被測(cè)參數(shù)發(fā)生一個(gè)規(guī)定的增減量變化或按設(shè)定的時(shí)間間隔，即向中心站發(fā)送所采集的數(shù)

13、據(jù)，中心站收到數(shù)據(jù)后，給遙測(cè)站發(fā)送“確認(rèn)”信息，告知遙測(cè)站這組數(shù)據(jù)接收正確或是接收錯(cuò)誤。自報(bào)式只有采用“確認(rèn)”機(jī)制，才可以實(shí)現(xiàn)雙信道的自動(dòng)切換。（2）查詢(xún)應(yīng)答式：由中心站自動(dòng)定時(shí)巡測(cè)或隨機(jī)呼叫遙測(cè)站，遙測(cè)站響應(yīng)中心站的查詢(xún)指令，將所采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給中心站。定時(shí)自動(dòng)巡測(cè)的時(shí)間間隔可根據(jù)數(shù)據(jù)處理和預(yù)報(bào)作業(yè)的需要確定。（3）混合式：系統(tǒng)兼容自報(bào)式和查詢(xún)應(yīng)答式兩種工作制式。 現(xiàn)在被廣泛運(yùn)用。特別是采用公網(wǎng)組網(wǎng)（包括VSAT）的水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)，為了保證數(shù)據(jù)的時(shí)效性，又節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，采用混合式工作制式組 網(wǎng)比較合理。在汛情不緊張、數(shù)據(jù)量小的時(shí)間段內(nèi)用查詢(xún)應(yīng)答式；當(dāng)出現(xiàn)暴雨或水位變化較快時(shí)以自報(bào)方式加報(bào)。

14、隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展,遙測(cè)及遙控技術(shù)已經(jīng)深入人們的生活與工作當(dāng)中,在工業(yè)與生活中水位的測(cè)量與控制是經(jīng)常要測(cè)控的一個(gè)因素。儀器自動(dòng)一體化，短距離無(wú)線抄表技術(shù)已經(jīng)成為下一代無(wú)線技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要分支。應(yīng)此勢(shì)要求，本設(shè)計(jì)就以一水位遙測(cè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，對(duì)于無(wú)線技術(shù)的研究只是作個(gè)拋磚引玉。1.2 國(guó)內(nèi)外水位測(cè)量的發(fā)展我國(guó)的水位自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)從70年代末起步，在浙江省浦陽(yáng)江流域首先應(yīng)用。80年代初期為引進(jìn)階段，先后在淮河王家壩區(qū)間、長(zhǎng)江流域漢江丹江口水庫(kù)、黃河的三門(mén)峽至花園口建成進(jìn)口設(shè)備的水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)。1985年以后為國(guó)產(chǎn)設(shè)備研制、定型階段，有淮河正陽(yáng)關(guān)以上流域水位自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)、黃河流域陸渾小區(qū)自報(bào)式水

15、情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)、長(zhǎng)江流域漢江的黃龍灘水庫(kù)水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)等。90年代后為推廣應(yīng)用階段。從上世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的新技術(shù)運(yùn)用于各行各業(yè)，人們對(duì)信息傳遞的要求越來(lái)越高，尤其是在水文監(jiān)測(cè)方面。以長(zhǎng)江上游為例，該區(qū)域以山區(qū)性河流為主，有三大暴雨中心，災(zāi)害性洪水較多。測(cè)報(bào)系統(tǒng)除了為國(guó)家防總、重慶市防汛辦、長(zhǎng)江防總、三峽工程及沿江省、地、市的46個(gè)防汛部門(mén)提供水情信息外，還為航運(yùn)、航道、供水、港務(wù)、碼頭等70余個(gè)企事業(yè)單位提供水情服務(wù)。在這些大量的監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)任務(wù)中，原始數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸并匯總上報(bào)是一大難題。為了提高水文監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)的實(shí)時(shí)性、可靠性，采用先進(jìn)科技手段對(duì)現(xiàn)有水文監(jiān)測(cè)管理

16、進(jìn)行系統(tǒng)改造已勢(shì)在必行。根據(jù)水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)規(guī)模和性質(zhì)的不同，可將其分為水文自動(dòng)測(cè)報(bào)基本系統(tǒng)和水文自動(dòng)測(cè)報(bào)網(wǎng)兩部分。水文自動(dòng)測(cè)報(bào)基本系統(tǒng)由中心站、遙測(cè)站（包括監(jiān)測(cè)站）、通信系統(tǒng)（包括中繼站）組成。水位自動(dòng)測(cè)報(bào)網(wǎng)是通過(guò)計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)接口和各種信道，把若干個(gè)基本系統(tǒng)連接起來(lái)，組成進(jìn)行數(shù)據(jù)交換共享的水文自動(dòng)測(cè)報(bào)網(wǎng)絡(luò)。1.3 水位測(cè)量的優(yōu)缺點(diǎn)水位控制在日常生活及工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用相當(dāng)廣泛，比如水塔、地下水、水電站等情況下的水位控制。而以往水位的檢測(cè)是由人工完成的，值班人員全天候地對(duì)水位的變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，用有線電話及時(shí)把水位變化情況報(bào)知主控室。然后主控室再開(kāi)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行給排水。很顯然上述重復(fù)性的工作無(wú)論從人員、時(shí)

17、間和資金上都將造成很大的浪費(fèi)。同時(shí)也容易出差錯(cuò)。因此急需一種能自動(dòng)檢測(cè)水位，并根據(jù)水位變化的情況自動(dòng)調(diào)節(jié)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。水塔很高，水位高低位不便于觀察，水多會(huì)溢出來(lái)，可用以下方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，改進(jìn)供水裝置就能實(shí)現(xiàn)供水自動(dòng)化，供水系統(tǒng)中的水塔和高位水池等設(shè)備由于所處地勢(shì)高，上下極為不便，有時(shí)水即將用完也不知道，造成需用水時(shí)卻無(wú)水可用的情況。此外，在向池中注入水的過(guò)程中，由于不知道水位的情況，也就無(wú)法控制注水量的多少，這會(huì)嚴(yán)重影響正常的工作效率。為此需要對(duì)水位進(jìn)行自動(dòng)顯示、監(jiān)測(cè)和報(bào)警。傳統(tǒng)的水位檢測(cè)系統(tǒng)一般通過(guò)有線方式與監(jiān)控中心取得聯(lián)系，這種方式不但維護(hù)起來(lái)困難，而且在很大程度上限制了其在時(shí)空上

18、的拓展性。1.4 課題的主要工作本研究的主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)一種利用單片機(jī)的無(wú)線測(cè)量和自動(dòng)控制系統(tǒng)。不需要架設(shè)電纜，而且可以實(shí)現(xiàn)水位的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制和遙測(cè)。采用無(wú)線傳輸模塊與單片機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)則能夠解決以上的問(wèn)題。通過(guò)單片機(jī)可以很方便的實(shí)現(xiàn)水位的顯示功能，還可以通過(guò)這種無(wú)線通信的方式以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程終端監(jiān)控和報(bào)警的功能。此外,這次設(shè)計(jì)還有以下任務(wù):（1）通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，加深對(duì)單片機(jī)理論方面的理解。（2）掌握單片機(jī)的內(nèi)部模塊的應(yīng)用，如中斷、控制、I/O口、串行口通訊等。（3）了解和掌握單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)過(guò)程、方法及實(shí)現(xiàn)，為以后設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)單片器應(yīng)用系統(tǒng)打下良好基礎(chǔ)。（4）通過(guò)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，了解必須提交的各

19、項(xiàng)工程文件，也達(dá)到鞏固、充實(shí)和綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的目的。2河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第2章 設(shè)計(jì)思路與方案第2章 設(shè)計(jì)思路與方案 2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水位遙測(cè)自控裝置從功能上看需要實(shí)現(xiàn)以下幾點(diǎn)：水位的測(cè)量，水位信息的遠(yuǎn)程傳輸，水位的自動(dòng)控制。系統(tǒng)由水位測(cè)量模塊、無(wú)線發(fā)送接收模塊、微控制器模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊、閥門(mén)控制模塊和鍵盤(pán)模塊組成，總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示。圖2.1 水位遙測(cè)自控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖水位測(cè)量模塊測(cè)量出水位信息，由微控制器將水位信息寫(xiě)入無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送裝置，無(wú)線數(shù)據(jù)接收裝置接收到的水位信息通過(guò)微控制器進(jìn)行顯示，當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)超過(guò)警戒水位的上限或低于警戒水位的下

20、線時(shí)，微控制器控制報(bào)警模塊及閥門(mén)控制模塊進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路水位遙測(cè)自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的選擇主要包括兩方面：水位測(cè)量方案的選擇和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸方案的選擇。2.2.1 水位測(cè)量方案方案1：壓力傳感器壓力傳感器測(cè)量水位原理：不同的水位產(chǎn)生凈水壓強(qiáng)是不同的，測(cè)量出水壓，就可以計(jì)算出水位值。一般選擇輸出信號(hào)為420mA。水質(zhì)對(duì)采集精度的影響：投入壓力傳感器是通過(guò)測(cè)量水的靜壓力來(lái)間接的測(cè)量水位，其基準(zhǔn)是以?xún)羲畨毫?lái)核算的，在多泥沙的水質(zhì)中，必須考慮水質(zhì)對(duì)水位值的影響，一般要根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定一個(gè)水質(zhì)系數(shù)進(jìn)行彌補(bǔ)。 實(shí)際水位值=測(cè)量水位值*水質(zhì)系數(shù)（水質(zhì)系數(shù)小于等于1） 方案2：電容傳感器運(yùn)用兩

21、根一端封閉的導(dǎo)線，將距離固定制作成簡(jiǎn)單的平行板電容器即電容傳感器。水位的變化直接影響導(dǎo)線間的介質(zhì)多少變化，從而引起電容值的變化。一般，電容的計(jì)算公式如式2.2。C=Q/U 平行板電容器的電容：理論和實(shí)驗(yàn)表明，平行板電容器的電容C跟介電常數(shù)成正比，跟正對(duì)面積成反比，跟極板間的距離d成反比，有式2.3。C=S/4kd 式2.3中：k為靜電力常量，介電常數(shù)由兩極板之間介質(zhì)決定，圓周率3.1415926。方案2與方案1比較：一般工農(nóng)業(yè)上進(jìn)行水位測(cè)試的裝置多采用方案1的壓力傳感器，然而對(duì)于本次的設(shè)計(jì)，方案2的電容傳感器相比之下更經(jīng)濟(jì)，可操作性更強(qiáng)，更能達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)模擬的目的，因此傳感器采用方案2。為提高水位

22、測(cè)量的精度，一般要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，水位測(cè)量裝置常用的濾波算法有：（1）取平均值：同時(shí)采集多個(gè)值，取其平均值作為實(shí)際的數(shù)據(jù)。（2）一階滯后濾波法 ：一般取a=01。 本次濾波結(jié)果=（1-a）*本次采樣值+a*上次濾波結(jié)果 2.2.2 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸方案方案1： GSM無(wú)線短信芯片GSM無(wú)線短信模塊G100A是由北京捷麥公司推出的，該模塊采用全SMT組裝，工藝先進(jìn)、可靠性高，工作電壓范圍為515 v。其內(nèi)置的德國(guó)西門(mén)子公司GSM模塊TC35使得模塊操作簡(jiǎn)單，無(wú)須學(xué)習(xí)復(fù)雜的GSM模塊AT指令集。G100A的串口具有TTL、RS232和RS485半雙工三種形式，標(biāo)準(zhǔn)配置為RS232。采用GSM模塊與單片

23、機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)的并行I0口可以很方便的實(shí)現(xiàn)水位的顯示功能?，F(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)在全國(guó)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)和漫游，采用GSM模塊時(shí)，就可以通過(guò)一種無(wú)線通信的方式以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程終端監(jiān)控和報(bào)警的功能。方案2：無(wú)線收發(fā)器nRF905NRF905無(wú)線收發(fā)器工作在433/868/915MHZ的ISM頻段，由一個(gè)完全集成的頻率調(diào)制器，一個(gè)帶解調(diào)器的接收器，一個(gè)功率放大器，一個(gè)晶體震蕩器和一個(gè)調(diào)節(jié)器組成，可以通過(guò)一種無(wú)線通信的方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程終端監(jiān)控和報(bào)警的功能。單片的NRF905可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線接收和發(fā)送功能，它具有低功耗ShockBurst模式，工作電源電壓范圍1.9-3.6V。NRF905無(wú)線收發(fā)器用戶(hù)無(wú)需另外組網(wǎng)

24、，為客戶(hù)節(jié)省了昂貴的建網(wǎng)費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用。方案2與方案1比較：方案1的GSM模塊受到網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的限制，對(duì)于一些信號(hào)強(qiáng)度較弱的區(qū)域，同時(shí)受到通信協(xié)議等各方面因素的限制，無(wú)法保證正常工作。方案2的nRF905模塊更方便應(yīng)用于本次設(shè)計(jì)，因此本設(shè)計(jì)無(wú)線傳輸方案選擇方案2。6河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第3章 硬件設(shè)計(jì)河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第3章 硬件設(shè)計(jì)第3章 硬件設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用STC89C52單片機(jī)為核心的智能控制器系統(tǒng)的硬件接口電路包括：控制器實(shí)時(shí)時(shí)鐘接口電路、水位測(cè)量電路、無(wú)線傳輸接口電路、報(bào)警電路、顯示接口電路以及繼電器輸出接口電路等。其中STC89C52為核心控制器件，

25、水位測(cè)量運(yùn)用電容傳感器及555頻率計(jì)算器組成，無(wú)線傳輸運(yùn)用NRF905模塊，數(shù)碼管為顯示器件，繼電器為控制器件。下面將對(duì)各個(gè)電路與其核心器件的工作原理做詳細(xì)介紹。3.1 單片機(jī)的概述我們選用STC89C52作為我們的控制芯片其引腳圖如3.2.1（1） 89C52是INTEL公司MCS-52系列單片機(jī)中最基本的產(chǎn)品，它采用NTEL公司可靠的CHMOS工藝技術(shù)制造的高性能8位單片機(jī)，屬于標(biāo)準(zhǔn)的MCS-52的HCMOS產(chǎn)品。它結(jié)合了HMOS的高速和高密度技術(shù)及CHMOS的低功耗特征，它繼承和擴(kuò)展了MCS-48單片機(jī)的體系結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng).（2） 89C52的封裝 89C52的封裝如圖 圖3.2.1ST

26、C89C52引腳圖 圖3.2.2 89C52封裝圖（3） STC89C52各引腳功能及管腳電壓概述：STCAT89C52P為40 腳雙列直插封裝的8 位通用微處理器，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的C51內(nèi)核，在內(nèi)部功能及管腳排布上與通用的8xc52 相同，其主要用于會(huì)聚調(diào)整時(shí)的功能控制。功能包括對(duì)會(huì)聚主IC 內(nèi)部寄存器、數(shù)據(jù)RAM及外部接口等功能部件的初始化，會(huì)聚調(diào)整控制，會(huì)聚測(cè)試圖控制，紅外遙控信號(hào)IR的接收解碼及與主板CPU通信等。主要管腳有：XTAL1（19 腳）和XTAL2（18 腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 腳）為復(fù)位輸入端口，外接電阻電容組成的復(fù)位電路。VCC

27、（40 腳）和VSS（20 腳）為供電端口，分別接+5V電源的正負(fù)端。P0P3 為可編程通用I/O 腳，其功能用途由軟件定義。P0 口是一組8 位漏極開(kāi)路型雙向I/O 口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)，每位能吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8 個(gè)TTL邏輯門(mén)電路，對(duì)端口P0 寫(xiě)“1”時(shí)，可作為高阻抗輸入端用在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低8 位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問(wèn)期間激活內(nèi)部上拉電阻。在Flash 編程時(shí)，P0 口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。 P1 口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口， P1 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（

28、吸收或輸出電流）4 個(gè)TTL 邏輯門(mén)電路。對(duì)端口寫(xiě)“1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流(IIL)。與AT89C51 不同之處是，P1.0 和P1.1 還可分別作為定時(shí)/計(jì)數(shù)器2 的外部計(jì)數(shù)輸入（P1.0/T2）和輸入（P1.1/T2EX），F(xiàn)lash 編程和程序校驗(yàn)期間，P1 接收低8 位地址。 P2 口是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4 個(gè)TTL 邏輯門(mén)電路。對(duì)端口P2 寫(xiě)“1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入

29、口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流(IIL)。 在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行MOVX DPTR 指令）時(shí)，P2 口送出高8 位地址數(shù)據(jù)。在訪問(wèn)8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行MOVX RI 指令）時(shí)，P2 口輸出P2 鎖存器的內(nèi)容。Flash 編程或校驗(yàn)時(shí)，P2亦接收高位地址和一些控制信號(hào)。 P3 口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口。P3 口輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4 個(gè)TTL 邏輯門(mén)電路。對(duì)P3 口寫(xiě)入“1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時(shí)，被外部拉低的P3 口將用上拉電阻輸出電流（I

30、IL）。 P3 口除了作為一般的I/O 口線外，更重要的用途是它的第二功能 P3 口還接收一些用于Flash 閃速存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。 RST是復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。 ALE/PROG是指當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8 位字節(jié)。一般情況下，ALE 仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6 輸出固定的脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過(guò)一個(gè)ALE 脈沖。對(duì)Flash 存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。 如有必要，可通過(guò)對(duì)

31、特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH 單元的D0 位置位，可禁止ALE 操作。該位置位后，只有一條 MOVX 和MOVC指令才能將ALE 激活。此外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置ALE 禁止位無(wú)效。 程序儲(chǔ)存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)AT89C52 由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN 有效，即輸出兩個(gè)脈沖。在此期間，當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，將跳過(guò)兩次PSEN信號(hào)。 外部訪問(wèn)允許（EA/VPP）。欲使CPU 僅訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000HFFFFH），EA 端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1 被編程

32、，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。 Flash 存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上+12V 的編程允許電源Vpp，當(dāng)然這必須是該器件是使用12V 編程電壓Vpp。 XTAL1是振蕩器反相放大器及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。 XTAL2振蕩器反相放大器的輸出端。特殊功能寄存器在AT89C52 片內(nèi)存儲(chǔ)器中，80H-FFH 共128 個(gè)單元為特殊功能寄存器（SFE）。 并非所有的地址都被定義，從80HFFH 共128 個(gè)字節(jié)只有一部分被定義，還有相當(dāng)一部分沒(méi)有定義。對(duì)沒(méi)有定義的 單元讀寫(xiě)將是無(wú)效的，讀出的數(shù)值將不確定，而寫(xiě)入的數(shù)據(jù)也將丟失。不應(yīng)將

33、數(shù)據(jù)“1”寫(xiě)入未定義的單元，由于這些單元在將來(lái)的產(chǎn)品中可能賦予新的功能，在這種情況下，復(fù)位后這些單 元數(shù)值總是“0”。 AT89C52除了與AT89C51所有的定時(shí)/計(jì)數(shù)器0 和定時(shí)/計(jì)數(shù)器1 外，還增加了一個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器2。定時(shí)/計(jì)數(shù)器2 的控制和狀態(tài)位位于T2CON和T2MOD，寄存器對(duì)（RCAO2H、RCAP2L）是定時(shí)器2 在16 位捕獲方式或16 位自動(dòng)重裝載方式下的捕獲/自動(dòng)重裝載寄存器。3.2 水位測(cè)量電路的設(shè)計(jì)水位測(cè)量電路由簡(jiǎn)單的電容傳感器和ICM7555定時(shí)器構(gòu)成。3.2.1工作原理當(dāng)水位變化時(shí)，電容傳感器的電容值發(fā)生變化，電容傳感器的電容變化輸入ICM7555定時(shí)器電路，I

34、CM7555輸出相應(yīng)的頻率。電容傳感器的電容值與ICM7555輸出頻率值的轉(zhuǎn)換關(guān)系如式3.1。 3.2.2水位測(cè)量電路圖3.4 水位測(cè)量電路原理圖通過(guò)三極管Q6來(lái)控制ICM7555的電源供給，使單片機(jī)能自由控制其頻率的輸出，更有利于對(duì)頻率的測(cè)量和系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制。其中R26為三極管Q6基極的限流電阻。為了盡量的減小輸入干擾及其保護(hù)ICM7555，則在輸入端串接電容C23和C24。3.3 無(wú)線傳輸模塊的設(shè)計(jì)3.3.1 NRF905工作原理nRF905是單片工作在433/868/915MHZ頻段的無(wú)線收發(fā)器，由一個(gè)完全集成的頻率調(diào)制器，一個(gè)帶解調(diào)器的接收器，一個(gè)功率放大器，一個(gè)晶體振蕩器和一個(gè)調(diào)節(jié)

35、器組成11。ShockBurst工作模式的特點(diǎn)是自動(dòng)產(chǎn)生前導(dǎo)碼和CRC?？梢院苋菀淄ㄟ^(guò)SPI接口進(jìn)行編程配置。電流消耗很低，在發(fā)射功率為-10Bm時(shí)，發(fā)射電流為11mA，接收電流為12.5mA。進(jìn)入POWERDOWN模式可以很容易實(shí)現(xiàn)節(jié)電?？焖賲⒖紨?shù)據(jù)如表3.1。表3.1 nRF905快速參考數(shù)據(jù)參數(shù)數(shù)值單位最低工作電壓1.9V最大發(fā)射功率10dBm最大數(shù)據(jù)傳輸率曼切斯特編碼50kbps輸出功率為-10 dBm 時(shí)工作電流9mA接收模式時(shí)工作電流12.5mA溫度范圍-40 to +85典型靈敏度-100dBmPOWERDOWN 模式時(shí)工作電流2.5uA3.3.2 NRF905電氣特性nRF90

36、5 32L QFN 5*5封裝管腳分布圖如圖3.5：圖3.5 nRF905 32L QFN 5*5封裝管腳分布圖nRF905的電氣特性如下：（1）輸出頻率4MHZ，外部時(shí)鐘腳負(fù)載為5pf，晶體為4MHZ（2）晶體為4MHZ（3）POWERDOWN 模式時(shí)SPI 時(shí)鐘為1MHZ（4）工作在433/868/915MHZ的ISM頻段（5）晶體頻率有5種不同取值（4、8、12、16、20MHZ）（6）通道寬度和通道間隔為200KHZ3.3.3 NRF905接口電路及管腳說(shuō)明nRF905芯片管腳說(shuō)明如表3.2。 表3.2 nRF905芯片管腳說(shuō)明管腳名稱(chēng)管腳功能說(shuō)明1TRX_CE數(shù)字輸入使能芯片發(fā)射或接

37、收2PWR_UP數(shù)字輸入芯片上電3uPCL K時(shí)鐘輸出由晶體震蕩器分頻的輸出時(shí)鐘4VDD電源電源+3V DC5VSS電源地0V6CD數(shù)字輸出載波檢測(cè)7AM數(shù)字輸出地址匹配8DR數(shù)字輸出接收或發(fā)射數(shù)據(jù)完成9VSS電源地0V10MISOSPI 接 口SPI 輸出11MOSISPI 接 口SPI 輸入12SCKSPI 時(shí)鐘SPI 時(shí)鐘13CSNSPI 使能SPI 使能14XC1模擬輸入晶體震蕩器1 腳/外部時(shí)鐘輸入腳15XC2模擬輸出晶體震蕩器2 腳16VSS電源地0V17VDD電源電源+3V DC18VSS電源地0V19VDD_PA電源輸出給nRF905 功率放大器提供的+1 .8V 電源20AN

38、T1射頻輸出天線接口121ANT2射頻輸出天線接口222VSS電源地0V23IREF模擬輸入?yún)⒖茧娏?4VSS電源地0V25VDD電源電源+3V DC26VSS電源地0V27VSS電源地0V28VSS電源地0V29VSS電源地0V30VSS電源地0V31DVDD_1V2電源藕和的低壓正數(shù)字電源輸出32TX_EN數(shù)字輸入TX_EN= 1 TX 模式 TX_ EN= 0 RX 模式nRF905的接口電路如圖3.6所示。圖3.6 nRF905接口電路3.3.4 無(wú)線傳輸模塊圖3.7 無(wú)線傳輸模塊原理圖nRF905模塊的所有管腳都直接與單片機(jī)管腳相連。為了提供更穩(wěn)定的電源，在電源端并聯(lián)一個(gè)儲(chǔ)能電容C1

39、8。3.4 顯示電路設(shè)計(jì)3.4.1 SMS0501E3 液晶顯示模塊的概述SMS0501E3 數(shù)碼筆段型液晶顯示模塊(LCM)，采用數(shù)碼筆段型液晶顯示器(LCD)，可顯示 5 位數(shù)字及 3 個(gè)小數(shù)點(diǎn)，寬電壓工作范圍，微功耗，高亮發(fā)光管側(cè)背光，與 MCU 單片機(jī)采用二線式串口連接，廣泛應(yīng)用于手持式儀器儀表，智能顯示儀表。 3.4.2 SMS0501E3液晶顯示模塊的主要技術(shù)參數(shù) 表3.4 SMS0501E3液晶顯示模塊的主要技術(shù)參數(shù)項(xiàng)目參數(shù)項(xiàng)目參數(shù)顯示容量5 位數(shù)字+3 個(gè)小數(shù)點(diǎn)模塊工作電壓2.75.5V背光源顏色藍(lán)色工作電流300uA(5.0V)不含背光源工作電壓電流3.0V,20mA字高12

40、.0mm環(huán)境相對(duì)濕度8); command_buffer3=(0X20+command_buffer1+command_buffer2); void interrupt VectorNumber_Vtpm1ovf timer() TPM1SC = TPM1SC; TPM1SC_TOF=0; timer_num+;void interrupt VectorNumber_Vtpm1ch2 input() TPM1C2SC_CH2F=0; if(input_num=1) input_f=TPM1CNT; timer_num=0; if(input_num=2) input_s=TPM1CNT; in

41、put_num=0; subTemp=timer_num*6250+input_s-input_f; input_num+;4.3 數(shù)碼管顯示軟件設(shè)計(jì)SMS0501E3 液晶顯示模塊的地址映射表如表4.1所示。表4.1 SMS0501E3 液晶顯示模塊的地址映射表LCDBUFD7D6D5D4D3D2D1D00C1X0D1E1B1A1F1G11C2H2D2E2B2A2F2G22C3H3D3E3B3A3F3G33C4H4D4E4B4A4F4G44C5X0D5E5B5A5F5G5數(shù)碼管依次對(duì)百位，十位，個(gè)位進(jìn)行顯示。數(shù)碼管顯示子程序如圖4.3所示。以下是SMS0501程序：unsigned char

42、 LCD_table12=0x41, 0x77, 0xc2, 0x52, / 0, 1, 2, 30x74, 0x58, 0x48, 0x73, / 4, 5, 6, 7 0x40, 0x50, 0xff, 0xfe, / 8, 9, , - ;void Init_LCD() PTCDD_PTCDD4=1; PTCDD_PTCDD5=1; PTGDD_PTGDD3=1; LCD_BLK=1; /open BLK is highvoid LCD_write_byte(uint data) char i; for(i=0; i= 1;LCD_CLK = 0; LCD_CLK = 1; void L

43、CD_write_bytes(uint data, char dp, char minus) char i;char temp5;if(minus) temp0 = 0xff; else temp0 = 0xfe; temp1 = LCD_tabledata%10000/1000; temp2 = LCD_tabledata%1000/100; temp3 = LCD_tabledata%100/10; temp4 = LCD_tabledata%10; if(dp) tempdp &= 0xbf; for(i=0; i5; i+) LCD_write_byte(tempi);圖4.3 數(shù)碼管顯示子程序4.4 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸軟件設(shè)計(jì)NRF905一共有四種工作模式，其中有兩種活動(dòng)RX/TX模式和兩種節(jié)電模式14?；顒?dòng)模式（ShockBurst RX和ShockBurst TX），節(jié)電模式（掉電和SPI編程，STANDBY和SPI編程）。nRF905 工作模式由TRX_C E、TX_EN、PWR_UP 的設(shè)置來(lái)設(shè)定如表4.2所示。表4.2 nRF905 工作模式設(shè)定PWR_UPTRX_CETX_EN工作模式0XX掉電和SPI 編程10XStandby 和SPI 編程110ShockBurst RX111ShockBurst TXShockBurstTM 收發(fā)模式下，使用片內(nèi)的先入先