液位计算机控制系统设计方案.docx
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液位计算机控制系统设计方案
液位计算机控制系统设计方案
1、系统设计方案
1.1系统设计方案比较
对于水位进行控制的方式有很多,而应用较多的主要有2种,一种是简单的机械式控制装置控制,一种是复杂的控制器控制方式。
两种方式的实现如下：
（1）简单的机械式控制方式。
其常用形式有浮标式、电极式等,这种控制形式的优点是结构简单,成本低廉。
存在问题是精度不高,不能进行数值显示,另外很容易引起误动作,且只能单独控制,与计算机进行通信较难实现。
（2）复杂控制器控制方式。
这种控制方式是通过安装在水泵出口管道上的压力传感器,把出口压力变成标准工业电信号的模拟信号,经过前置放大、多路切换、A／D变换成数字信号传送到单片机,经单片机运算和给定参量的比较,进行PID运算,得出调节参量;经由D／A变换给调压／变频调速装置输入给定端,控制其输出电压变化,来调节电机转速,以达到控制水位的目的。
本设计利用单片机设计一个水位控制系统，要求选择合适的水位，当设定完水位后，系统根据水位情况控制电磁阀的开启和关断。
1.2系统设计总框图
图2-1系统总体框图
1.3A/D转换模块设计方案
TLC1543美国TI司生产的多通道、低价格的模数转换器。
采用串行通信接口，具有输入通道多、性价比高、易于和单片机接口的特点，可广泛应用于各种数据采集系统。
TLC1543为20脚DIP装的CMOS10位开关电容逐次A/D逼近模数转换器，引脚排列如图1所示。
其中A0～A10（1～9、11、12脚）为11个模拟输入端，REF+（14脚，通常为VCC）和REF-（13脚，通常为地）为基准电压正负端，CS（15脚）为片选端，在CS端的一个下降沿变化将复位内部计数器并控制和使能ADDRESS、I/OCLOCK（18脚）和DATAOUT（16脚）。
ADDRESS（17脚）为串行数据输入端，是一个1的串行地址用来选择下一个即将被转换的模拟输入或测试电压。
DATAOUT为A/D换结束3态串行输出端，它与微处理器或外围的串行口通信，可对数据长度和格式灵活编程。
I/OCLOCK数据输入/输出提供同步时钟，系统时钟由片内产生。
芯片内部有一个14通道多路选择器，可选择11个模拟输入通道或3个内部自测电压中的任意一个进行测试。
片内设有采样-保持电路，在转换结束时，EOC（19脚）输出端变高表明转换完成。
内部转换器具有高速（10µS转换时间），高精度（10分辨率，最大±1LSB不可调整误差）和低噪声的特点。
图1-1引脚排列
1.3.1TLC1543工作时序
TLC1543工作时序如图1-2示，其工作过程分为两个周期：
访问周期和采样周期。
工作状态由CS使能或禁止，工作时CS必须置低电平。
CS为高电平时，I/OCLOCK、ADDRESS被禁止，同时DATAOUT为高阻状态。
当CPU使CS变低时，TLC1543开始数据转换，I/OCLOCK、ADDRESS使能，DATAOUT脱离高阻状态。
随后，CPU向ADDRESS提供4位通道地址，控制14个模拟通道选择器从11个外部模拟输入和3个内部自测电压中选通1路送到采样保持电路。
同时，I/OCLOCK输入时钟时序，CPU从DATAOUT端接收前一次A/D转换结果。
I/OCLOCK从CPU接收10时钟长度的时钟序列。
前4个时钟用4位地址从ADDRESS端装载地址寄存器，选择所需的模拟通道，后6个时钟对模拟输入的采样提供控制时序。
模拟输入的采样起始于第4个I/OCLOCK下降沿，而采样一直持续6个I/OCLOCK周期，并一直保持到第10个I/OCLOCK下降沿。
转换过程中，CS的下降沿使DATAOUT引脚脱离高阻状态并起动一次I/OCLOCK工作过程。
CS上升沿终止这个过程并在规定的延迟时间内使DATAOUT引脚返回到高阻状态，经过两个系统时钟周期后禁止I/OCLOCK和ADDRESS端。
图1-2工作时序
1.3.2软硬件设计要点
TLC1543三个控制输入端CS、I/OCLOCK、ADDRESS和一个数据输出端DATAOUT遵循串行外设接口SPI协议，要求微处理器具有SPI口。
但大多数单片机均未内置SPI口（如目前国内广泛采用的MCS51和PIC列单片机），需通过软件模拟SPI协议以便和TLC1543接口。
TLC1543芯片的三个输入端和一个输出端与51系列单片机的I/O口可直接连接。
软件设计中，应注意区分TLC1543的11个模拟输入通道和3个内部测试电压地址（后3个地址只用来测试你写的地址是不是正确的，真正使用时不用后三个地址）。
附表为模拟通道和内部电压测试地址。
程序软件编写应注意TLC1543通道地址必须为写入字节的高四位，而CPU读入的数据是芯片上次A/D转换完成的数据。
系统中，显示输出的要求为压缩BCD码，而A/D转换输入的数据是8位16进制码，因此在实现显示之前需要编码的转换。
对8位A/D转换器而言，其十六进制、相对满偏电压比率、相对电压幅值的关系对应如表1-1：
表1-1A/D转换幅值数据关系对照表
十六进制
二进制
满刻度比率
相对电压幅值Vref=2.5V
高四位
低四位
高四位电压
低四位电压
F
1111
15/16
15/256
4.800
0.320
E
1110
14/16
14/256
4.480
0.280
D
1101
13/16
13/256
4.160
0.260
C
1100
12/16
12/256
3.840
0.240
B
1011
11/16
11/256
3.520
0.220
A
1010
10/16
10/256
3.200
0.200
9
1001
9/16
9/256
2.880
0.180
0
1000
8/16
8/256
2.560
0.160
7
0111
7/16
7/256
2.240
0.140
6
0110
6/16
6/256
1.920
0.120
5
0101
5/16
5/256
1.600
0.100
4
0100
4/16
4/256
1.280
0.080
3
0011
3/16
3/256
0.960
0.060
2
0010
2/16
2/256
0.640
0.040
1
0001
1/16
1/256
0.320
0.020
0
0000
0/16
0/256
0.000
0.000
1.3.3TLC1543的应用
TLC1543在一个通信电源数据采集系统中的实际应用。
此例中的TLC1543主要用于完成8组-48V直流电源、2组220V交流电源和1组温度参数的采样。
采样数据由89C52单片机通过RS232标准串口送给后台PC机进行处理。
各单元的功能介绍如下：
看门狗和E2PROM存储器：
TLC1543中的X25045（IC4）是一种新型的看门狗和E2PROM存储芯片，它将电压监控、看门狗定时器和E2PROM三种功能组合在单个芯片之内。
X25045为89C52提供上电复位，当程序紊乱或电压失常时启动内部的看门狗电路以强制单片机复位，使程序从头开始执行。
X25045还内置512字节E2PROM存储单元，可随时保存各种重要数据，如A/D采样结果等，这使系统掉电后重要数据仍然不会丢失。
串行显示驱动器PS7219 PS7219（IC2）是多功能8位LED显示驱动芯片。
接口采用三线SPI方式，用户只需简单修改内部相关的控制字，便可以实现多位LED显示。
图3中的PS7219主要用来显示设置参数，如显示通信速率参数等。
PC机通信接口电路 MAX232（IC3）为标准RS232接口转换芯片，主要完成TTL至RS232电平的转换，为单片机和PC机通信提供通道。
在整个数据采集系统中，PC机除了处理各种采样数据外，还负责对前台单片机系统进行管理，如故障诊断，参数设置等等。
参数设置的其中一项为系统通信速率设置，管理人员可通过PC机任意设置单片机和PC机的通信速率，其设置参数保存在X25045的E2PROM存储单元中，在下次设置之前，该参数不会被更改。
本例为单个采集系统的应用实例，实际应用中往往存在多系统并存的情况，这时可将MAX232更换为MAX485接口芯片，采用485总线标准，通过一台PC机可在几千米范围内管理数十台前端机。
极性转换电路 鉴于目前国内采用的通信电源均为负电压，而TLC1543模拟通道输入只能为正电压，因此-48V直流电压在送到A/D转换器前除了要分压外，还需将负电压转换为正电压。
图4为一个简单的极性转换电路，仅增加两个电阻便可完成负电压到正电压的转换，省去了复杂的极性转换芯片。
图4中当输入电压为0V时，TLC1543A0端电压为2.5V；当输入电压为-5V时，A0端电压为0V。
通过电阻R1、R2的简单分压便完成了输入通道的负电压到正电压的极性转换。
TLC1543与89C52接口程序 TLC1543与89C52接口程序应完全依照TLC1543的工作时序编写，主要由CONVETER子程序组成。
由于转换完成的数据为10位，软件编写时将数据的高位字节存放在2EH单元中，低位字节存放在2FH单元中。
其中R4、R3寄存器分别存放TLC1543的通道地址和数量；R1、R2寄存器存放A/D转换结果。
本例程序中89C52晶振为11.0592MHz。
2.AT89C52单片机的基本结构
2.1控制器
控制器是单片机的指挥控制部件，控制器的主要任务是识别指令，并根据指令的性质控制单片机各功能部件，从而保证单片机各部分能自动而协调地工作。
单片机执行指令是在控制器的控制下进行的。
首先从程序存储器中读出指令，送指令寄存器保存，然后送至指令译码器进行译码，译码结果送定时控制逻辑电路，由定时控制逻辑产生各种定时信号和控制信号，再送到单片机的各个部件去进行相应的操作。
这就是执行一条指令的全过程，执行程序就是不断重复这一过程。
控制器主要包括程序计数器、程序地址寄存器、指令寄存器IR、指令译码器、条件转移逻辑电路及时序控制逻辑电路。
2.2存储器结构
MCS-51器件有单独的程序存储器和数据存储器。
外部程序存储器和数据存储器都可以64K寻址。
如果程序存储器在EA引脚接地，程序读取只从外部存储器开始。
对于89C52，如果EA接VCC，程序先从内部存储器（地址为0000H~1FFFFH）开始，接着从外部寻址，寻址范围为：
2000H~FFFFH。
数据存储器AT89C52有256字节RAM。
高128字节与特殊功能寄存器重叠。
也就是说高128字节与特殊功能寄存器有相同的地址，而物理上是分开的。
当一条指令访问高于7FH的地址时，寻址方式决定CPU访问高字节RAM还是特殊功能寄存器空间。
直接寻址方式访问特殊功能寄存器（SFR）。
2.3并行I/O口
MCS-51单片机共有4个双向的8位并行I/O端口（Port），分别记作P0-P3，共有32根口线，各口的每一位均由锁存器、输出驱动器和输入缓冲器所组成。
实际上P0-P3已被归入特殊功能寄存器之列。
这四个口除了按字节寻址以外，还可以按位寻址。
由于它们在结构上有一些差异，故各口的性质和功能有一些差异。
2.4时钟电路与时序
时钟电路用于产生MCS-51单片机工作时所必需的时钟信号。
MCS-51单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为保证同步工作方式的实现，MCS-51单片机应在唯一的时钟信号控制下，严格地按时序执行进行工作，而时序所研究的是指令执行中各个信号的关系。
2.5晶振特性
AT89C52单片机有一个用于构成内部振荡器的反相放大器，XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入、输出端。
石英晶体和陶瓷谐振器都可以用来一起构成自激振荡器。
从外部时钟远驱动器件的话，XTAL2可以不接，而从XTAL1接入。
由于外部时钟信号经过二分频触发后作为外部时钟电路输入的，所以对外部时钟信号的占空比没有其它要求，最长低电平持续时间和最少高电平持续时间等还是要符合要求的。
3.最小系统设计
AT89C52的结构特点及引脚特性：
为40脚双列直插封装的8位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。
功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。
各引脚特性：
1.P0口P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时，每位能吸收电流的
2.P1口P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑
3.P2口P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑
4.P3口P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻
5.RST复位输入。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
3.1复位电路
在复位引脚（9脚）持续出现24个振荡器脉冲周期（即2个机器周期）的高电平信号将使单片机复位。
如图2-1所示电容C和电阻R构成了单片机上电自动复位电路。
复位后，单片机从0000H单元开始执行程序，并初始化一些专用寄存器为复位状态值，受影响的专用寄存器如表2-1所示。
表2-1复位寄存器状态表
寄存器
状态
寄存器
状态
PC
000H
TC0N
00H
ACC
00H
TL0
00H
PSW
00H
TH0
00H
SP
07H
TL1
00H
DPTR
0000H
TH1
00H
P0—P3
FFH
SCON
00H
IP
XXX00000H
SBUF
不确定
IE
OXX00000H
PCON
0XXX0000H
TMOD
00H
3.2控制引脚EA接法
EA/VPP（31脚）为内外程序存储器选择控制引脚，当EA为低电位时单片机从外部程序存储器取指令；当EA接高电平时单片机从内部程序存储器取指令。
AT89S51单片机内部有4KB可反复擦写1000次以上的程序存储器，因此要把EA接+5V高电平，让单片机运行内部的程序，这样就可以通过反复烧写来验证程序了。
这就是AT89C52单片机最小化系统的连接，只要把编写好的程序烧写到单片机内部，并接上5V电源就可以正常运行了，在17脚接上的发光二极管可以用来验证系统是否正常。
4.数字钟的外围电路设计
4.1晶振电路
时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准，有条不紊的一拍一拍地工作。
因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。
常用的时钟电路有两种方式：
一种是内部时钟方式，另一种为外部时钟方式。
单片机内部具有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。
通常在引脚XTALl和XTAL2跨接石英晶体和两个补偿电容构成自激振荡器，我们选择11.0592mhz晶体。
本文用的是内部时钟方式。
电路设计如图4-1所示。
图4-1单片机时钟
4.2复位电路
单片机小系统采用上电自动复位和手动按键复位两种方式实现系统的复位操作。
上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。
手动复位要求在电源接通的条件下，在单片机运行期间，用按钮开关操作使单片机复位。
复位电路结构如图3所示。
上电自动复位通过电容C3充电来实现。
手动按键复位是通过按键将电阻R29与VCC接通来实现。
上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。
只要Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位。
图4-2复位电路
4.3显示电路
系统设置了5个共阳极LED数码管LED1-LED2，单片机P0口提供段码信号，低电平有效，P0口输出端通过限流电阻R1～R8与数码管的段码数据线相连，用来送出LED数码管的段码数据信号。
图4-3显示电路
4.4LED显示器
LED显示器是由发光二极管显示字段组成的显示块，有7段和“米”字段之分。
这种显示块有共阳极和共阴极两种。
此外，显示块中还有一个圆点型发光二极管（在图中以dP表示）用于显示小数点。
通过发光二极管亮、暗的不同组，可以显示多中数字、字母以及其他符号。
LED显示块中的发光二极管共有两种连接方法:
4.5共阳极接法
发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极。
使用时公共阳极接＋5V，这样，阴极端输入低电平的段的发光二极管被点亮，相应的段被显示；而输入高电平的段则不点亮。
汇编语言：
共阳极：
DB0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H
4.6共阴极接法
发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极。
使用时公共阴极接地，这样，阳极端输入高电平的段的发光二极管被点亮，相应的段被显示；而输入低电平的段则不点亮。
下面是七段数码管的代码如下。
共阴极：
DB3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH
4.7电源电路
电源电路包括变压器、桥式整流器、电容和稳压器。
通过变压器变压，使得220V电压变为12V，在通过桥式整流，电容的滤波作用，稳压器的稳压作用，可输出5V的稳定电压。
如图4-4所示。
图4-4系统电源电路
5相关控制电路
5.1按键电路
按键电路如图3-8所示，按键的开关状态通过一定的电路转换为高、低电平状态。
按键闭合过程在相应的I/O端口形成一个负脉冲。
闭合和释放过程都要经过一定的过程才能达到稳定，这一过程是处于高、低电平之间的一种不稳定状态，称为抖动。
抖动持续时间的常长短与开关的机械特性有关，一般在5-10ms之间。
为了避免CPU多次处理按键的一次闭合，应采用措施消除抖动。
本文采用的是独立式按键，直接用I/O口线构成单个按键电路，每个按键占用一条I/O口线，每个按键的工作状态不会产生互相影响。
图5-1按键电路图
5.2定时工作方式
方式0是13位计数结构的工作方式[15]，其计数器由TH0高8位和TL0的低五位构成。
TL0的高3位弃之不用。
当C/=0时，多中开关接通振荡脉冲的12分频输出，13位计数器以此进行计数，这就是所谓定时器工作方式。
当C/=1[16]时，多路开关接通计数引脚（T0），外部计数脉冲由引脚T0输入。
当计数脉冲发生负跳变时，这就是所谓计数工作方式。
不管是哪种工作方式，当TL0的低五位计数溢出时，向TH0进位，而全部13位计数溢出时，则向计数溢出标志位TF0进位。
5.3中断子程序
MCS-51系列单片机有5个中断源，中断分为2个中断优先级，即高优先级和低优先级，每个中断源的优先级都可以由软件来设定。
中断地址如表4-1所示。
程序中的中断流程框图如图5-1所示。
表5-1中断地址表
五个中断源
入口地址
外部中断0（/INT0）
0003H
T0溢出中断
000BH
外部中断1（/INT1）
0013H
T1溢出中断
001BH
串口中断
0023H
6.软件调试问题及解决
显示程序开始怎么调试就是不通，后来看了一位网友的文章写的是关于水位调试过程中应注意的事项，指出了A/D转换t中的一些错误，这才使我恍然大悟，原来读数据的时间要求是非常严格的。
要求在命令字之后的第一个下降沿就要读数据，否则读出的数据就是错误的，也不能说完全错误，那就必须作必要的调整。
下次一定要注意：
别人的程序很可能有缺陷，能参考，但不能够完全照抄，数据手册一定要细读。
这告诉我，自己的汇编语言功夫还不够，具体地说差得好远。
提醒自己要努力。
一定要学会应用汇编。
7.结论
本设计主要介绍了单片机的功能、用途等，以及水位在日常生活中的具体应用给日常生活带来的方便。
。
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人民邮电出版社,200
源程序
;;;;;水位稳定
AD_CSBITP1.6;AD片选
AD_DOUTBITP1.3;AD数据输出
AD_DINBITP1.2;AD地址输入
AD_CLKBITP1.0;AD时钟
AD_EOCBITP3.2;AD转换完成
AD_HEQU34H;AD通道地址
RS_HEQU35H;AD结果高位
RS_LEQU36H;AD结果地位
DA_CLkBITP1.0;DA时钟
DA_DINBITP1.2;DA地址输入
DA_CSBITP1.7;DA片选
ORG0000H
LJMPSTART
ORG0030H
START:
NOP
MOVR3,#09FH;;;;;定义水位
MOVR4,#01H
MOVAD_H,#70H;选通道7
MOVRS_L,#00H
MOVRS_H,#00H
MOV20H,#00H
MOV21H,#00H
MOV22H,#00H
MOV23H,#01H
MOV24H,#03H
MOVR2,#00H;;;;;调节电压
MOVR1,#00H
W1:
JBP3.4,W1;;;;;按键
CALLDELAY;;;;;防止抖动
CALLDELAY
JBP3.4,W1
W2:
CALLDOUT
CALLDOUT
CALLDISP
CALLAD
CALLPID
LJMPW2
PID:
NOP;;;;;水位比较
MOVA,R4
CJNEA,RS_H,M3;;;;;高水位对比
MOVA,R3
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