基于單片機的水位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計說明

1、 摘要 水資源已成為中國當(dāng)前和未來發(fā)展重要資源，因此對水資源的合理利用有重要意義。在我國很多地方都需要水位監(jiān)測，如工廠蓄水池、農(nóng)田灌溉用的水庫、江河水位等等，因此利用現(xiàn)代化的通信手段對水資源進(jìn)行測控以與使用計算機管理系統(tǒng)來實現(xiàn)對水位監(jiān)測點現(xiàn)場水位等數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測，并可在水位信息管理平臺上進(jìn)行水位數(shù)據(jù)的存儲、顯示、查詢等，將是對水資源實現(xiàn)科學(xué)管理的一個重要手段。本文從經(jīng)濟性和可靠性出發(fā)，在實驗的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種能夠?qū)崿F(xiàn)水位自動控制的裝置。單片機技術(shù)的測控系統(tǒng)以其體積小，可靠性高而被廣泛采用。本文對該測控系統(tǒng)進(jìn)行了分析設(shè)計。首先，設(shè)計針對系統(tǒng)所使用的單片機的性能和發(fā)展情況做了簡單介紹；對超聲波

2、傳感器的原理做了簡單分析，對系統(tǒng)使用的模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0809也做了性能方面的簡單說明。其次，論文重點對測控硬件、軟件的組成進(jìn)行了分項、模塊化逐步分析設(shè)計。對各部分的電路一一進(jìn)行了介紹，最終實現(xiàn)了該系統(tǒng)的硬件電路。繪制了電路原理圖。關(guān)鍵詞：單片機、ADC0809、軟件系統(tǒng)、硬件系統(tǒng)AbstractThe water resources has become China's current and future development of the important resource,It has important significance for the rational ut

3、ilization of water resources. In many places of our country need to water level monitoring, such as plant reservoir, reservoirs, irrigation water level and so on, therefore the use of modern means of communication to measure and control the water resources as well as the use of computer management s

4、ystem to realize the acquisition and monitoring of data level monitoring in field level, and water level data storage, in the water level information management platform display, query and so on, is an important means to realize the scientific management of water resources. This paper from the econo

5、mic and reliability point of view, on the basis of experiment, a device which can realize automatic water level control is designed.Control system of single chip microcomputer technology with its small size, high reliability and is widely used in. The paper analyzes the design of the measurement and

6、 control system. First of all, the performance and the development of the design used in the single chip microcomputer is introduced briefly; principle of the ultrasonic sensor to do a simple analysis, the system uses the analog-to-digital conversion chip ADC0809 haalso made the simple description o

7、f properties.Secondly, the paper focuses on the measurement and control hardware composition, software for the breakdown, modular design analysis phase. On the part of the circuit one one is introduced, the final realization of the system hardware circuit. Drawing the circuit diagramKeyword: MCU, AD

8、C0809, software system, hardware system第一章 引言1.1 課題研究的意義與作用中國水之源總量居世界第六位，人均占有水資源量僅為世界人均占有量的四分之一，并且在地域上分布很不平衡，長江以北的廣區(qū)，特別是北方大、中城市大部分地區(qū)處于缺水狀態(tài)，水資源短缺已成為制約我國經(jīng)濟發(fā)展的一個重要因素。合理的利用水資源已成為我國現(xiàn)在面臨的一個重要問題。 為了達(dá)到水資源的合理利用，除了要在興修水利工程和提高全民節(jié)水意識等方面努力提高。而更重要的是應(yīng)用新的技術(shù)信息，實時準(zhǔn)確的了解和掌握各種水情信息，以此根據(jù)做出正確的水資源調(diào)度和管理，做到防患于未然，盡可能減少水資源的浪費。再

9、加上長久以來水情水位測量一直是水文、水利部門的重要課題。為與時發(fā)現(xiàn)事故苗頭，防患于未來，經(jīng)濟實用、可靠的水位無線監(jiān)測系統(tǒng)將會發(fā)揮巨大的作用。水位是水庫大壩安全、水利排灌調(diào)度、蓄水、泄洪的重要參數(shù)之一。水位的自動化監(jiān)測、傳輸和處理為水庫現(xiàn)代化建設(shè)提供了良好的基礎(chǔ)資料。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的許多領(lǐng)域都需要對水位進(jìn)行監(jiān)控。在現(xiàn)場可能無法靠近或 無需人力來監(jiān)控時，我們就可以通過遠(yuǎn)程監(jiān)控，坐在監(jiān)控室里對著相關(guān)的儀器就能對現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)控，既方便又節(jié)省人力。為了保證地區(qū)安全，需要對水庫水位、攔污柵壓差和尾水位進(jìn)行監(jiān)測。但是,由于實際情況的不同,因此就有著不同的技術(shù)要求,而且水位參數(shù)的測量方法和測量位置不同，對監(jiān)測設(shè)備

10、的要求亦有所不同。這樣往往造成監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備專用化程度高,品種多,互換性差,不利于設(shè)備維護,亦增加了設(shè)備設(shè)計、生產(chǎn)、安裝的復(fù)雜性。因此,在綜合研究水庫水位監(jiān)測的實際情況以與特點的基礎(chǔ)上,利用現(xiàn)代電子技術(shù),特別是單片機技術(shù),設(shè)計開發(fā)一種通用性好,可靠性高,維護方便,可適用于多種監(jiān)測環(huán)境的多模式水位自動監(jiān)測系統(tǒng)具有重要的實際意義。 本課題根據(jù)水庫的水位測量需要,設(shè)計遠(yuǎn)程單片機水位監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)具有水位的自動檢測，定時處理、數(shù)據(jù)GPRS 遠(yuǎn)程上傳等功能。該監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計將會大大節(jié)省了人力物力，能夠低功耗的實現(xiàn)24 小時連續(xù)監(jiān)測和上傳，為更好的適應(yīng)現(xiàn)代水位測量的需求，為水庫的大壩的安全、蓄水泄洪等提供依

11、據(jù)。1.2 課題研究的背景與發(fā)展現(xiàn)狀隨著我國經(jīng)濟社會的發(fā)展，對水文信息不斷提出新要求，水文觀測容不斷增加，對觀測手段和方法以與水文監(jiān)測技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用提出了越來越高的要求；現(xiàn)代電子技術(shù)、傳感技術(shù)、通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展和普與，為遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了理想的平臺，因此越來越多的水文站把基于無線通訊技術(shù)的嵌入式arm監(jiān)控系統(tǒng)作為水利系統(tǒng)自動化管理的新手段。而隨著水利自動化技術(shù)不斷發(fā)展，水利系統(tǒng)的自動化水平也在逐步提高。水文監(jiān)測是水文傳感器技術(shù)與采集、存儲、傳輸、處理技術(shù)的集成。其監(jiān)測圍為：江、河、湖泊、水庫、渠道和地下水等水文參數(shù)。監(jiān)測容為：水位、流量、流速、降雨（雪）、蒸發(fā)

12、、泥沙、冰凌、墑情、水質(zhì)等。而本次設(shè)計所涉與的水庫水位遠(yuǎn)程監(jiān)測只是水文監(jiān)測系統(tǒng)中的一部分，用來監(jiān)測水庫水位。從水文傳統(tǒng)的人工監(jiān)測技術(shù)分析來看，主要存在以下問題：記錄方式以模擬方式為主，就是數(shù)字方式記錄的也很難方便的輸入計算機處理；據(jù)處理基本靠人工處理判斷，費時易錯；水文信息的采集、傳輸、處理的實時性和準(zhǔn)確性較差，無法適應(yīng)現(xiàn)代水文的需求。目前我國水文自動測報系統(tǒng)建設(shè)的三個階段：初級階段、發(fā)展階段以與網(wǎng)絡(luò)化階段。上一世紀(jì)七十年代中期開始到八十年代中期為初級階段。八十年代中后期開始的十余年為（小流域）水文自動測試系統(tǒng)建設(shè)的發(fā)展期。九十年代后期為適應(yīng)防汛和水利調(diào)度現(xiàn)代化、信息化的要求，以與近代通信、嵌

13、入式、計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高速發(fā)展的時代特點，水文自動測試系統(tǒng)的建設(shè)進(jìn)入了網(wǎng)絡(luò)化階段。近三十年的發(fā)展歷史，水文自動測報系統(tǒng)的建設(shè)和技術(shù)有了巨大的進(jìn)步。在不同的歷史時期，所建系統(tǒng)快速采集的數(shù)據(jù)，為防汛和水利調(diào)度的決策提供了依據(jù)和參考，發(fā)揮了相當(dāng)大的社會經(jīng)濟效益。不少系統(tǒng)除常規(guī)水雨情信息外，閘門開度、大壩滲壓滲流、灌區(qū)水位流量、土壤墑情、風(fēng)向風(fēng)速、溫度濕度、地下水位乃至在線水質(zhì)監(jiān)視參數(shù)陸續(xù)納入遙測系統(tǒng)，使遙測系統(tǒng)的功能大為擴展，從而可為防汛、水利調(diào)度、水環(huán)境管理等各應(yīng)用服務(wù)提供了更多的實時數(shù)據(jù)。水文自動測報系統(tǒng)運用的先進(jìn)技術(shù)有：·可靠的傳感技術(shù)：各種類型的傳感技術(shù)，聲學(xué)、光學(xué)、力學(xué)和化學(xué)的傳

14、感技術(shù)。系統(tǒng)的可自動監(jiān)測的參數(shù)不斷豐富。·所有可利用的通信技術(shù)：有線和無線通信技術(shù)，自建和公共通信網(wǎng)等。系統(tǒng)的實時傳輸越來越快捷、準(zhǔn)確。·計算機與電子技術(shù)：從單片機到個人電腦、服務(wù)器，從高可靠的RTU 到雙機冗余，系統(tǒng)功能和可靠性不斷提高。·網(wǎng)絡(luò)技術(shù)：從局域網(wǎng)到廣域網(wǎng)，從數(shù)據(jù)庫到數(shù)據(jù)共享，為預(yù)報提供了更好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。系統(tǒng)為地方乃至全國的防汛、水資源調(diào)度與時提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的能力越來越強。 現(xiàn)在用于自動化監(jiān)測的水位傳感器主要有浮子式水位計、壓力式水位計、電子水尺和超聲波水位計等。（1）采用浮子感應(yīng)原理。當(dāng)水庫水位變化時，浮子的移動通過鋼絲繩、鼓形輪使軸上的光電編碼器發(fā)生

15、相應(yīng)的移動，從而將機械位移量轉(zhuǎn)換成電子數(shù)字量送給微機系統(tǒng)進(jìn)行處理，實時顯示水位信號。該測量方式是我國最早采用的一種水位測量方式，技術(shù)相對成熟，比其其它水位測量方式，要多一套機械傳動機構(gòu)，容易發(fā)生鋼絲銹蝕、纏繞等故障，維護安裝相對較繁雜，九十年代以后已不常采用。（2）采用壓阻式液位變送器。水庫水位變化時，壓阻式液位變送器將水深壓力信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，送給微機系統(tǒng)進(jìn)行處理，實時顯示水位信號。該水位測量方式因無機械傳動部分，維護安裝方便，測量精度可靠性不斷提高，是當(dāng)今用得較多的一種水位測量方式。（3）超聲波水位測量。超聲波測量水位的原理是利用超聲波的反射時間來測距，傳感裝置向水面發(fā)射超聲波，水面反射

16、部分回波，反射波被裝置探測，波的運動時間與距離成正比，通過聲速與所測時間即可求得水位。水位測量方式比較結(jié)果：水位測量方式較多，有浮子式、壓阻式、超聲波、激光、吹氣式等。從發(fā)展前途出發(fā)，對于我們來說，選取超聲波水位測量比較合適。第二章 單片機水位監(jiān)控系統(tǒng)的分析與設(shè)計 2.1 系統(tǒng)實現(xiàn)方案 水庫水位監(jiān)控系統(tǒng)主要又CPU（89C51），水位監(jiān)測接口電路，液晶顯示電路，報警電路，復(fù)位電路，時鐘電路等部分組成。如下圖所示。2.2 AT89C51單片機的性能與應(yīng)用單片機是早期Single Chip Microcomputer的直譯，它反映了早期單片機的形態(tài)和本質(zhì)。然后，按照面向?qū)ο?，突出控制功能，在片集?/p>

17、了許多外圍電路與外設(shè)接口，突破了傳統(tǒng)意義上的計算機結(jié)構(gòu)，發(fā)展成microcontroller的體系結(jié)構(gòu)，目前國外已普遍稱之為微控制器MCU（Microcontroller Unit）。鑒于它完全作嵌入應(yīng)用，故又稱為嵌入式微控制器(Embedded Microcontroller)。大多數(shù)單片機采用哈佛（Harvard）結(jié)構(gòu)體系，即數(shù)據(jù)存儲空間與程序存儲空間相互獨立的結(jié)構(gòu)體系。它不同于一般通用計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即程序和數(shù)據(jù)共用一個空間的諾伊曼(Von Neumann)結(jié)構(gòu)。AT89C51單片機溫度測控儀采用Atmel公司的AT89C51單片機，采用雙列直插封裝（DIP），有40個引腳。該單片機采用

18、Atmel公司的高密度非易失性存儲技術(shù)制造，與美國Intel公司生產(chǎn)的MCS51系列單片機的指令和引腳設(shè)置兼容。其主要特征如下：8位CPU置4K字節(jié)可重復(fù)編程Flash，可重復(fù)擦寫1000次完全靜態(tài)操作：0Hz24Hz，可輸出時鐘信號三級加密程序存儲器128B×8的片數(shù)據(jù)存儲器(RAM)32根可編程I/O線2個16位定時/計數(shù)器中斷系統(tǒng)有6個中斷源，可編為兩個優(yōu)先級一個全雙工可編程串行通道可編程串行UART通道具有兩種節(jié)能模式：閑置模式和掉電模式（1）單片機的基本組成  它由 CPU 、存儲器（包括 RAM 和 R

19、OM ）、 I/O 接口、定時 / 計數(shù)器、中斷控制功能等均集成在一塊芯片上，片各功能通過部總線相互連接起來。  輸入 / 輸出引腳 P0、P1、P2、P3的功能：圖2-1為AT89C51的引腳圖：圖2-1 AT89C51的引腳圖P0 口（P0.0-P0.7）：P0 口是一個 8 位漏極開路型雙向 I/O 端口。在訪問片外存儲器時，它分時作低 8 位地址和 8 位雙向數(shù)據(jù)總線用。在EPROM

20、60;編程時，由 P0 輸入指令字節(jié)，而在驗證程序時，則輸出指令字節(jié)。驗證程序時，要求外接上拉電阻。 P0 能以吸收電流的方式驅(qū)動8個LSTTL 負(fù)載。在Flash編程時，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。P1口（P1.0-P1.7（1-8腳）: P1口是一上帶部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。在 EPROM 編程和驗證程序時，由它輸入低 8 位地址。 P1 能驅(qū)動 4 個

21、0;LSTTL 負(fù)載。  在AT89C51 中， P1. 0 還相當(dāng)于專用功能端 T2 ，即定時器的計數(shù)觸發(fā)輸入端； P1. 1 還相當(dāng)于專用功能端T2EX ，即定時器 T2 的外部控制端。Flash編程和程序校驗期間，P1接收低8位地址。P2口（P2.0-P2.7（21-28腳）：P2也是一上帶部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2口的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“

22、1”，通過部的上拉電阻把端口拉到高電平。在訪問外部存儲器時，由它輸出高 8 位地址。在對 EPROM 編程和程序驗證時，由它輸入高 8 位地址。 P驅(qū)動4個 LSTTL 負(fù)載。在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX DPTR指令）時，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX RI指令）時，P2口線上的容（也即特殊功能寄存器SFR區(qū)中R2寄存器的容），在整個訪問期間不改變。Flash編程或校驗時，P2亦接收高位地址和其它控制信號。P3口（P3.0

23、-P3.7（10-17腳）：P3口是一組帶有部上拉電阻的8 位雙向I/O口。P3 口輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4 個TTL 邏輯門電路。對P3 口寫入“1”時，它們被部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時，被外部拉低的P3 口將用上拉電阻輸出電流（IIL）。 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，如表1-1所示：表1-1 AT89C51的P3口特殊功能口管腳備選功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2/INT0（外部中斷0）P3.3/INT1（外部中斷1）P3.4T0（定時/計數(shù)器0外部輸入）P3.5T1（定時/計數(shù)器1外部輸

24、入）P3.6/WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7/RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）P3口還接收一些用于Flash閃速存儲器和程序校驗的控制信號。（2）MCS-51 的尋址方式：（1） 、立即尋址 如： MOV A ， #40H  （2） 、直接尋址 如： MOV A ， 3AH  （3） 、寄存器尋址 如： MOV A ， Rn  （4） 

25、、寄存器間接尋址 如： MOV A ， Rn （5）、基址加變址尋址 如： MOVC A ， A+DPTR  （6）、相對尋址 如： SJMP 08H  （7） 、位尋址 MOV 20H ， C  （3）指令：  MOV ： 片 RAM 傳送 MOVX ： 片

26、外 RAM 傳送  MOVC ： ROM 傳送  XCH ： 交換（和 A 交換）  SWAP ： A 半字節(jié)交換  ADD ：不帶進(jìn)位加  ADDC ：帶進(jìn)位加  SUBB ：帶進(jìn)位減  INC ：加 1  DEC ：減 1  

27、MUL ：乘法  DIV ：除法  DAA ：調(diào)整  （4）計數(shù)初值的計算 定時或計數(shù)方式下計數(shù)初值如何確定，定時器選擇不同的工作方式，不同的操作模式其計數(shù)值均不一樣。若設(shè)最大計數(shù)值為 M ，各操作模式下的 M 值為：  模式 0 ： M=2 13 =8192  模式 1 ： M=2 16 =65536 &#

28、160;模式 2 ： M=2 8 =256  模式 3 ： M=256 ，定時器 T0 分成 2 個獨立的 8 位計數(shù)器，所以 TH0 、 TL0 的 M 均為 256 。  因為 AT89C51 的兩個定時器均為加 1 計數(shù)器，當(dāng)初到最大值（ 00H 或 0

29、000H ）時產(chǎn)生溢出，將 TF 位置 1 ，可發(fā)出溢出中斷，因此計數(shù)器初值 X 的計算式為： X=M- 計數(shù)值式中的 M 由操作模式確定，不同的操作模式計數(shù)器的長不一樣，故M值也不一樣。而式中的計數(shù)值與定時器的工作方式有關(guān)。 （a）計數(shù)工作方式  計數(shù)工作方式時，計數(shù)脈沖由外部引入，是對外部沖進(jìn)行計數(shù)，因此計數(shù)值根據(jù)要求確定。其計數(shù)初值： X=M- 計數(shù)值  例如：某工序要求對外部脈沖信號計 100

30、60;次， X=M-100  (b)定時工作方式 定時工作方式時，因為計數(shù)脈沖由部供給，是對機器周期進(jìn)行計數(shù)，故計數(shù)脈沖頻率為 f cont =f osc × 1/12  (式1-1)計數(shù)周期 T=1/f cont =12/f osc 定時工作方式的計數(shù)初值 X 等于：  X=M-計數(shù)值 =M-t/T=M- （ f osc ×&

31、#160;t ） /12   (式1-2)式中： fosc 為振蕩器的振蕩頻率， t 為要求定時的時間。  定時器有兩種工作方式 ：即定時和計數(shù)工作方式。由 TMOD 的 D6 位和 D2 位選擇，其中 D6 位選擇 T1 的工作方式， D2 位選擇 T0 的工作方式。 =0 工作在定時方式， =1 工作在計

32、數(shù)方式。并有四種操作模式：  1 、模式 0 ： 13 位計數(shù)器， TLi 只用低 5 位。 2 、模式 1 ： 16 位計數(shù)器。  3 、模式 2 ： 8 位自動重裝計數(shù)器， THi 的值在計數(shù)中不變， TLi 溢出時， THi 中的值自動裝入 TLi 中。 

33、0;4 、模式 3 ： T0 分成 2 個獨立的 8 位計數(shù)器， T1 停止計數(shù)。 MCS-51 有 5 個中斷源，可分為 2 個中斷優(yōu)先級，即高優(yōu)先級和低優(yōu)先級，中斷自然優(yōu)先級：  外部中斷 0 ；定時器 0 中斷； 外部中斷 1 ；定時器 1 中斷 ； 串行口中斷 ；定時器 

34、2 中斷 （a）同級或高優(yōu)先級的中斷正在進(jìn)行中； （b）現(xiàn)在的機器周期還不是執(zhí)行指令的最后一上機器周期，即正在執(zhí)行的指令還沒完成前不響應(yīng)任何中斷； （c）正在執(zhí)行的是中斷返回指令 RET1 或是訪問專用寄存器 IE 或 IP 的指令，換而言之，在 RETI 或者讀寫 IE 或 IP 之后，不會馬上響應(yīng)中斷請求，至少要在執(zhí)行其它一要指令之扣才會響應(yīng)。  (5)中斷響應(yīng)的條件  CPU 響應(yīng)

35、中斷的條件有：  （a）有中斷源發(fā)出中斷請求；  （b）中斷總允許位 EA=1 ，即 CPU 開中斷；（c）申請中斷的中斷源的中斷允許位為 1 ，即沒有被屏蔽。  (6)串行口工作方式與幀格式 MCS-51 單片機串行口可以通過軟件設(shè)置四種工作方式：  方式 0 ：這種工作方式比較特殊，與常見的微型計算機的串行口不同，它又叫同步移位寄存器輸出方式。在這種方式下，數(shù)據(jù)從 RXD 端串行輸出或輸入，同

36、步信號從 TXD 端輸出，波特率固定不變，為振蕩率的 1/12 。該方式是以 8 位數(shù)據(jù)為一幀，沒有起始位和停止位，先發(fā)送或接收最低位。 方式 2 ：采用這種方式可接收或發(fā)送 11 位數(shù)據(jù)，以 11 位為一幀，比方式 1 增加了一個數(shù)據(jù)位，其余一樣。第 9 個數(shù)據(jù)即 D8 位具有特別的用途，可以通過軟件摟控制它，再加特殊功能寄存器 SCON 中的 SM2 位的配合，可

37、使 MCS-51 單片機串行口適用于多機通信。方式 2 的波特率固定，只有兩種選擇，為振蕩率的 1/64 或 1/32 ，可由 PCON 的最高位選擇。  方式 3 ：方式 3 與方式 2 完全類似，唯一的區(qū)別是方式 3 的小組特率是可變的。而幀格式與方式 2- 樣為 11 位一幀。所以方式 3 也適合于多機通信。  

38、隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)與其發(fā)展，將計算機的CPU 、RAM 、 ROM 、定時/數(shù)器和多種I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片級的計算機，因此單片機早期的含義稱為單片微型計算機，直譯為單片機 。 (7) 掉電模式：在掉電模式下，振蕩器停止工作，進(jìn)入掉電模式的指令是最后一條被執(zhí)行的指令，片RAM和特殊功能寄存器SFR的容在終止掉電模式前被凍結(jié)，退出掉電模式的唯一方法是硬件復(fù)位，復(fù)位后將重新定義全部特殊功能寄存器但不改變RAM中的容，在VCC恢復(fù)到正常工作電平前，復(fù)位應(yīng)無效，且必須保持一定時間以使振蕩器重啟動并穩(wěn)定工作。第3章

39、 單片機水位監(jiān)控系統(tǒng)分析與設(shè)計的硬件在第二章中已分析了系統(tǒng)并繪制了框圖，下面將根據(jù)框圖分別設(shè)計各部分電路。3.1 水位監(jiān)測電路的設(shè)計由于超聲波的穿透力很強，且不會影響到人們的正常工作，并且他的傳播速度快，所以本設(shè)計采用超聲波測距原理來監(jiān)測水位高度。超聲波測距電路主要包括超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路兩部分。使用單片機的P1.0端口輸出超聲波發(fā)射器所需的40kHz的方波信號，利用外中斷0口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號。超聲波發(fā)射電路主要由74LS00和超聲波發(fā)射器T-40構(gòu)成，單片機P1.0端口輸出的40kHz的方波信號一路經(jīng)一級與非門后送到超聲波發(fā)射器的一個電極，另一路經(jīng)兩級與非門后送

40、到超聲波發(fā)射器的另一個電極，用這種推換形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強度。壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波換能器部有兩個壓電晶片和一個換能板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波，這時它就是一個超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收換能器。超聲波檢測接收電路主要是由集成電路CX20106A組成，它是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻

41、率38 kHz與測距的超聲波頻率40 kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路。實驗證明用CX20106A接收超聲波(無信號時輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強的抗干擾能力。3.3放大電路的設(shè)計在許多需要A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字采集的單片機系統(tǒng)中，很多情況下，傳感器輸出的模擬信號都很微弱，必須通過一個模擬放大器對其進(jìn)行一定倍數(shù)的放大，才能滿足A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號電平的要求，這種情況下，就必須選擇一種符合要求的放大器。儀表器的選型很多，在這里介紹一種用途非常廣泛的儀表放大器，其實就是典型的差動放大器。它只需三個廉價的普通運算放大器和幾只電阻器，即可構(gòu)成性能優(yōu)越的儀表用放大器。廣泛應(yīng)用于工業(yè)自

42、動控制、儀器儀表、電氣測量、醫(yī)療器械與其它數(shù)字采集的系統(tǒng)中。電路原理并不復(fù)雜。要使電路滿足平衡，則R1=R2、R3=R4、R5=R6，因為每個運放的特性不可能完全一致，在A和A2的Pin1、Pin8增設(shè)了調(diào)零電位器VR1和VR2，這在實際的應(yīng)用中是非常有用的。假設(shè)A1、A2的失配、失調(diào)電壓和電流均為零的情況下，其差模電壓增益為： 整個電路采用正負(fù)兩組電源供電，這樣可對正或負(fù)輸入電壓進(jìn)行放大。電源電壓一般可取±5±15V，但對其穩(wěn)定度有一定的要求。圖3-1中的電容C用于除抖動和抗干擾，其取值應(yīng)以實際的用途，根據(jù)放大的信號特性決定。可選用的運算放大器相當(dāng)多，如OP-07，OP-

43、725，如果要求不高，甚至可選價廉的uA741等通用運算放大器。本設(shè)計的放大電路采用高精度集成運放OP-07做放大元件,OP-07為一種具有低失調(diào)電壓、低失調(diào)電流和低溫漂的超低失調(diào)運算放大器，其廣泛地應(yīng)用于穩(wěn)定積分、精密加法、比較、闔值電壓檢測、微弱信號精確放大等場合，是一種通用性極強的運算放大器。OP-07的電源電壓圍 3 18V，輸入電壓圍為0 14V，其引線圖如圖3- 2。OP07是高精度低失調(diào)電壓的精密運放集成電路，用于微弱信號的放大。如果使用雙電源，能達(dá)到最好的放大效果。OP07的主要參數(shù)1) 低的輸入噪聲電壓幅度0.35 VP-P (0.1Hz 10Hz)2) 極低的輸入失調(diào)電壓1

44、0 V3) 極低的輸入失調(diào)電壓溫漂0.2 V/ 4) 具有長期的穩(wěn)定性0.2 V/MO5) 低的輸入偏置電流± 1nA6) 高的共模抑制比126dB7) 寬的共模輸入電壓圍±14V8) 寬的電源電壓圍± 3V ± 22V9) 可替代725、108A、741、AD510 等電路3.4 ADC0809與AT89C51接口電路的設(shè)計ADC0809是美國國家半導(dǎo)體公司（National Semiconductor Corporation）產(chǎn)品。是逐次逼近型芯片，片帶有鎖存功能的8路模擬多路開關(guān)，可對8路05V的輸入模擬電壓信號分時進(jìn)行轉(zhuǎn)換，片具有多路開關(guān)的地址譯

45、碼和鎖存電路、比較器、256R電阻T型網(wǎng)絡(luò)、樹狀電子開關(guān)、逐次逼近寄存器SAR，控制與時序電路等。輸出具有TTL三態(tài)鎖存緩沖器，可直接連到單片機數(shù)據(jù)總線。ADC0809是采樣頻率為8位的、以逐次逼近原理進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。其部有一個8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。1主要特性1）8路8位AD轉(zhuǎn)換器，即分辨率8位。 2）具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫恕?3）轉(zhuǎn)換時間為100s4）單個5V電源供電 5）模擬輸入電壓圍05V，不需零點和滿刻度校準(zhǔn)。 6）工作溫度圍為-4085攝氏度7）低功耗，約15mW。 2部結(jié)構(gòu) ADC0809是CMOS單片型逐次

46、逼近式AD轉(zhuǎn)換器，部結(jié)構(gòu)如圖1322所示，它由8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關(guān)樹型DA轉(zhuǎn)換器、逐次逼近 3外部特性（引腳功能） ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖3-3所示。圖3-3 ADC0809的部結(jié)構(gòu)與引腳圖下面說明各引腳功能。 IN0IN7：8路模擬量輸入端。2-12-8：8位數(shù)字量輸出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路ALE：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。 START： AD轉(zhuǎn)換啟動信號，輸入，高電平有效。 EOC： AD轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，當(dāng)AD轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸出一個高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電

47、平）。 OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。當(dāng)AD轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。CLK：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于640KHZ。 REF（+）、REF（-）：基準(zhǔn)電壓。 Vcc：電源，單一5V。 GND：地。 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(jīng)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(fù)位。下降沿啟動 AD轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到AD轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖剑甘続D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當(dāng)OE輸入高

48、電平 時，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。不必進(jìn)行零點和滿刻度調(diào)整，外部時鐘頻率圍為10KHz1280KHz, ADC0809和AT89C51的硬件接口有三種方式：查詢方式，中斷方式，等待延時方式。此測量儀采用中斷方式。雖然ADC0809走過了自己的輝煌時期，已經(jīng)不是目前功能最好的模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，但是他的廉價和品質(zhì)在許多領(lǐng)域被廣泛使用。AD轉(zhuǎn)換器ADC0809與單片機的連接如圖3-4所示。ADC0809的8個模擬量輸入都用了，分別連接溫度傳感器的測量和放大電路的輸出。ADC0809的時鐘由AT89C51的ALE圖3-4 ADC0809與AT89C51的接口線路信號提供，根據(jù)AC

49、D0809對工作時鐘的要求和控制器對漏電和短路信號的反應(yīng)速度的要求，ADC0809時鐘頻率通過4024分頻器分頻，這樣，若AD轉(zhuǎn)換的時間為01ms，則控制器循環(huán)采樣完8個仿真輸入信號需要08ms時間。這樣的采樣速度足夠滿足漏電和短路的保護要求。3.5 顯示電路的設(shè)計3.4.1 四位LED數(shù)碼管驅(qū)動電路的設(shè)計在單片機系統(tǒng)中，常用的顯示器有：發(fā)光二極管顯示器，簡稱LED(Light Emitting Diode)，液晶顯示器，簡稱LCD(Liquid Crystal Display)；熒光管顯示器。近年來也開始使用簡易的CRT接口，顯示一些漢字與圖形。前三種顯示器都有兩種顯示結(jié)構(gòu)；段顯示(7段，“

50、米”字型等)和點陣顯示(5X?，5X8，8X8點陣等)。而發(fā)光二極管顯示又分為固定段顯示和可以拼裝的大型字段顯示，此外還有共陽極和共陰極之分等。三種顯示器中，以熒光管顯示器亮度最高，發(fā)光二極管次之，而液晶顯示器最弱，為被動顯示器，必須有外光源。LED顯示塊是由發(fā)光二極管顯示字段組成的顯示器，有8字段和“米”字段之分。顯示塊都有dp顯示段，用于顯示小數(shù)點。7段LED的字型碼，由于只有7個段發(fā)光二極管，所以字型碼為一個字節(jié)?！懊住弊侄蜭ED的字型碼由于有15個段發(fā)光二極管，所以字型碼為兩個字節(jié)。這種顯示塊有共陽極和共陰極兩種。共陰極LED顯示塊的發(fā)光二極管的陰極連接在一起，通常此公共陰極接地，當(dāng)某

51、個發(fā)光二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二極管點亮，相應(yīng)的段被顯示。同樣，共陽板LED顯示塊的發(fā)光二極管的陽極連接在一起，通常此公共陽極接正電壓。由N片LED顯示塊可拼接成N位LED顯示器。本設(shè)計是4位LED顯示器的結(jié)構(gòu)。N位LED顯示器有N根位選線和8XN(或16XN)根段選線。根據(jù)顯示方式的不同，位選線和段選線的連接方法也各不一樣。段選線控制顯示字符的字型，而位選線則控制顯示位的亮、暗；LED顯示器有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種顯示方式，一是LED靜態(tài)顯示方式、二是動態(tài)顯示。 LED顯示器工作于靜態(tài)顯示方式時，各位的共陰極(或共陽極)連接在一起并接地(或+5v)，每位的段選線(adp)分別與一8位的鎖

52、存輸出相連。之所以稱為靜態(tài)顯示，是由于顯示器中的各位相互獨立，而且各位的顯示字符一經(jīng)確定，相應(yīng)鎖存器的輸出將維持不變，直到顯示另一個字符為止。也正因為如此，靜態(tài)顯示器的亮度都較高。本設(shè)計用的是陽極驅(qū)動。圖3-5所示為一個四位動態(tài)態(tài)LED顯示器電路。該電路各位可獨立顯示，只要在該位的段選線上保持段選碼電平，該位就能保持相應(yīng)的顯示字符。由于各位分別由一個8位輸出口控制段選碼，故在同一時間里，每一位顯示的字符可以各不一樣。這種顯示方式接口，編程容易，管理也簡單，付出的代價是占用口線資源較多。如圖3-4電路所示，若用I/O口線接口，則要占用4個8位I/O口，若用鎖存器(如74LS244)接口，則要用1

53、片74LS244芯片。而如果用“米”字段的LED顯示器，則靜態(tài)顯示方式需要更多的硬件資源。如果顯示器位數(shù)增多，則靜態(tài)顯示方式更是無法適應(yīng)。因此在顯示位數(shù)較多的情況下，一般都采用動態(tài)顯示方式。3.4.2 報警電路的設(shè)計聲音是由震動所產(chǎn)生的， 一定頻率的震動就產(chǎn)生了一定頻率的聲音。這個實驗是喇叭里發(fā)出滴答一長一短的報警聲音,送出的端口是p2.7，輸出1khz,2khz變頻信號報警,每一秒交換一次。接線方法： 用一根1PIN數(shù)據(jù)線一端插入CPU部分JP53（P2口）的P2.7另外一端插入小喇叭部分的輸入端JP16。3.5 電源的設(shè)計實現(xiàn)電源要對單片機和各種芯片提供5V,要對運放與傳感器提供正負(fù)12V

54、。本設(shè)計采用太陽能電池供電第4章 單片機水位監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計第5章 結(jié)束語多通道溫度采集測控系統(tǒng)實用性強，結(jié)構(gòu)較為簡單，成本低，外接元件少，適用圍廣泛，也可以作為智能控制系統(tǒng)的一部分，與其它設(shè)備協(xié)同工作。并且系統(tǒng)移植性強，只需改變前端測量用的傳感器類型，可在此基礎(chǔ)上修改為其他非電量參數(shù)的測量系統(tǒng)。5.2 總結(jié)2009年9月，我滿懷快樂和一份深藏心底的希望來到了理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，開始了一次漫長的奮斗。2013年7月我是怎樣的心情離開呢？開始一個新的征程。再回首，走過的路很值得回味和反思，是成是敗，我們都必須忘記這段過去開始新的奮斗，因此，我必須做一個全面的總結(jié)。首先，對大學(xué)三年中每一年的思想狀態(tài)，想做的和做過的事情來個快照吧！大一，還沒明確大學(xué)該怎么學(xué)習(xí)，需要學(xué)些什么，但是時間抓得很緊，努力去做了些事情。最開始我給自己三年定