毕业设计论文基于AT89C51单片机的恒压供水系统控制器官的设计

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1、III恒压供水系统控制器的设计摘 要 随着我国经济的快速发展，高层建筑越来越多，这为高层建筑的供水提出了挑战，传统的通过水塔、气压增压等供水方式不仅设备投资大，占地面积大，维修困难，水压不稳定，使得难以满足高层建筑的需要。恒压供水系统具有供水安全、节约能源、节省钢材、节省占地、节省投资、调节能力大、运行稳定可靠的优势，具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。所以某些用水区采用恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。 本设计以单片机AT89C51做为控制核心并协调整个系统的工作，通过压力传感器检测当前水的压力，压力传感器输出的是05V的模拟量，要经过A/D转换成为数字量再送入单片机AT89

2、C51进行处理，通过单片机的处理在LED数码管上显示当前的压力值。按键用来设定想要控制的压力值，单片机在内部通过比较设定的压力和当前压力，当前压力小于设定压力时就会闭合电磁开关，开启电机装置，并开始报警。高于设定压力时断开开关电机停止转动。压力和设定值在时时检测，达到控制目的。关键词：恒压供水,传感器,单片机The Controller Design of Constant Pressure Water Supply System ABSTRACTWith Chinas rapid economic development, more and more high-rise buildings,

3、 which the water supply for the high-rise buildings posed a challenge to the traditional through the towers, air pressure and other pressurized water supply not only the equipment investment, covers an area of major maintenance problems, water pressure instability, makes it difficult to meet the nee

4、ds of high-rise buildings. Constant pressure water supply system has the water supply security, energy conservation, save steel, saving land, saving investment, adjustment capacity, the advantages of stable and reliable, and has broad prospects and significant economic and social benefits. So some o

5、f the water area with constant water supply system, with great economic and social significance.AT89C51 microcontroller as the control design and coordinate the core of the work of the entire system, through the pressure sensor detecting the current water pressure, the pressure sensor output is 0 5V

6、 analog, to go through the A / D converted into digital and then sent to microcontroller AT89C51 processed, handled by the microcontroller on the LED digital display the current pressure value. Button to set the desired control pressure, the microcontroller setting the internal pressure and by compa

7、ring the current pressure, current pressure is less than the set pressure will be closed when the electromagnetic switch, open the electrical device, and start the alarm. Above the set pressure switch off the motor stops rotating. Constant pressure and set the value in the detection, to control purp

8、oses.KEY WORDS: constant pressure water supply, sensor, microcontroller目 录摘 要IABSTRACTII1 前言11.1 课题背景和意义11.2 本课题研究内容与主要工作11.3 本课题的研究预期成果22 总体系统设计33 硬件设计53.1 压力传感器53.1.1 传感器的基本概念53.1.2 传感器的分类63.1.3 传感器选用原则63.2 单片机控制系统83.3 模/数转换器和ADC0809结构113.3.1 模/数转换器的转换原理及主要技术指标113.3.2 简单介绍ADC0809结构123.3.3 单片机与ADC0

9、809的接口设计133.4 关于74HC595的介绍143.5 电磁开关电路及原理153.5.1 光电隔离器的原理163.5.2 电磁继电器的原理163.6 数码管LED显示电路设计173.7 按键电路设计183.8 声光报警电路设计194 软件设计方案204.1 软件总体设计204.2 转换程序214.3 串进并出程序224.4 按键控制程序设计234.5 数码管LED显示程序设计265 硬件电路仿真结果295.1 压力仿真295.1.1 压力显示仿真295.1.2 压力设定值仿真295.2 报警电路仿真305.3 压力控制仿真316 总结33致 谢34参 考 文 献35附录 系统总原理图3

10、6附录 系统源程序3743恒压供水系统控制器的设计1 前言1.1 课题背景和意义随着社会经济的飞速发展，城市建设规模的不断扩大，人口的增多以及人们生活水平的不断提高，对城市供水的数量、质量、稳定性提出了越来越高的要求。尤其高层建筑越来越多，这为高层建筑的供水提出了挑战。传统高层供水通常是采用固定在建筑上的供水塔或楼顶高位水箱，以来自水局部加压的形式供水，但由于其造价高且影响建筑物结构强度及抗震性，已逐渐被发展起来气压供水所取代，这种气压供水虽然可以取代任何高度的水塔或楼顶高位水箱，水质亦不易污染，占地面积亦小，然而它亦存在着极明显的弱点，首先，气压供水设备笨重，且主要部件气压罐是采用电容器，其

11、生产工艺复杂，钢材耗用量大，投资成本高；其次，由于气压罐的调节容积较小，水泵启动频繁，这既影响了其电控装置中的电磁元件和水泵电机的寿命，同时大的供水泵电机功率又耗电和干扰电网，气压供水压力变动较大，直接影响水管网、阀、水表等使用寿命。过去经常出现在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不应求的现象，而在用水低峰期，水的供给量常常高于需求量，出现水压升高供大于求的情况，此时会造成能量的浪费，同时还有可能造成水管爆裂和用水设备的损坏。而传统调节供水压力的方式，多采用频繁启/停电机控制和水塔二次调节的方式，前者产生大量能耗的，而且对电网中其他负荷造成影响，设备不断启停会影响设备寿命，后

12、者则需要大量的占地与投资。且由于是二次供水，不能保证供水质量的安全与可靠性。而恒压供水系统的运行十分稳定可靠，没有频繁的启动现象，启动方式为软启动，设备运行十分平稳，避免了电气、机械冲击，也没有水塔供水所带来的二次污染的危险。第一方面：在我国，节电节水的潜力非常大。据有关国际组织发表显示：中国的单位国民经济总产值所消耗的电视美国、德国等的4倍左右，消耗的水是他们的2倍左右。我国的大量用电设备中，风机和泵类电机的耗电量占全国发电量的50%左右，若推广新型电机调速技术，可节约大量电资源，由于在我国一方面水电供应紧张，而另一方面，水电的浪费又十分惊人，节电节水，不仅潜力巨大，而且意义深。第二方面：恒

13、压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的。例如在某些生产过程中，若自来水供水因故压力不足或短时供水，可能影响产品质量，严重时使产品报废和设备损坏，又如发生火灾时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。而且恒压供水系统具有供水安全、节约能源、节省钢材、节省占地、节省投资、调节能力大、运行稳定可靠的优势，具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。所以某些用水区采用恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。1.2 本课题研究内容与主要工作本设计以单片机为核心，通过出水管道上的压力传感器将水流量转化成标准的模拟信号，通过 A/D转化后送入单片机，一方面通过LED

14、显示当前供水压力，另外一方面通过键盘把压力设定值输入并通过LED显示设定值，最后当前供水压力与压力设定值进行比较、判断，输出判断结果并送给电磁开关和声光报警电路。整个电路要经过五部分的设计来完成：（a）A/D转换部分设计 （b）LED数码管显示当前压力部分设计（c）按键电路部分设计（d）LED数码管显示设定值部分设计（e）控制电路和报警电路部分设计 从系统需要和研究内容可以看出，本设计需要做的主要工作有：查阅相关资料，了解各部分功能原理。查阅元器件资料，掌握器件工作原理和硬件实现方法。利用电脑仿真，对设计的电路进行模拟检测。1.3 本课题的研究预期成果设计出恒压供水系统控制器，编写出稳定简洁的

15、程序，调试成功，并在PROTEUS上进行仿真达到预期的目的，完成设计任务。2 总体系统设计总体设计之前，根据该系统所要达到的功能，选择适当的元器件和合适的芯片来设计系统，了解各器件的原理和功能。恒压供水系统控制器的设计，就要有压力采集器件，根据相关参数范围选择了模拟压力传感器，采集到的数据为模拟量，模拟量不能直接进入单片机进行处理，把采集到的压力信号变成二进制数字量才能送入单片机，这就要通过A/D转换，A/D转换的器件根据相关参数范围选择了ADC0809，把模拟量转换成数字量，数字量直接送入单片机处理，通过LED数码管把要显示的当前压力显示出来。ADC0809转换芯片，它是一个8路模拟开关、一

16、个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成，多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁存用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完得数据。显示所测量的结果要用到LED数码管，用LED数码管来显示结果比较清楚，防水和磨损，是比较好的显示方式。要实现恒压稳定控制，就需要设定水压的标准量，是和当前水的压力进行比较的，看当前水的压力有没有大于或者小于标准的压力，然后加以控制，要设置给定的压力就要有输入装置，采用简单的按键作为输入是很简便的，不会带来复杂的问题。控制装置要采用电磁开关控制，这样就不用人

17、为的操作，电磁开关在闭合或打开的时候在电磁线圈上会产生电流，为了防止这样的电流对前面的电路产生不良效果，与线圈并联一个二极管，利用二极管的单项导通性就能阻止电流流回电路，保证电路的安全。为了保证单片机输出的控制信号稳定而且有足够大的电流，在单片机输出信号后加上正向驱动器来增大信号强度，再在电磁开关之前加上光电隔离，会阻隔掉不必要的干扰，通过光电隔离的电压信号是稳定的，这样的控制系统才能稳定可靠的工作。经过对所要设计的控制系统的功能要求进行分析，可以得道系统的总体硬件设计框图，如图2-1所示。图2-1 系统总体硬件框图由系统的总框图可以看出该系统的工作原理为：单片机89C51作为控制核心并协调整

18、个系统的工作，通过压力传感器检测当前水的压力，水压传感器输出的是05V的模拟量，要经过A/D转换成为数字量再送入单片机89C51进行处理，通过单片机的处理在LED数码管上显示当前的压力值。按键用来设定想要的压力值，单片机在内部通过比较设定的压力和当前压力，当前压力小于设定值时就会闭合电磁开关，开启电机装置。同时输出信号给送入报警电路。3 硬件设计3.1 压力传感器3.1.1 传感器的基本概念传感器的主要作用是感受和响应规定的被测量，并按一定规律将其转换成有用输出，特别是完成非电量的转换。传感器的组成并无严格的规定。一般来说，可以把传感器看做由敏感元件和变换元件两部分组成。图3-1 传感器的一般

19、组成传感器技术是一门边缘技术，它设计物理学，数学，化学，材料学等对其敏感元件部分的研究和开发，除了对其芯片的研究和开发外，也十分重视传感器的封装工艺和封装结构的研究，这往往是引起传感器不能稳定可靠地工作的关键因素之一。当今的社会是信息化得社会，信息化的社会离不开科技的发展。高科技的发展伴随着电脑、各类智能仪器、机器人的越来越广泛的应用。但是，智能仪器、电脑、机器人并不能直接感受及识别外界的信息，它们都需要必不可少的感觉器官，而充当它们的感觉器官的就是传感器。传感器很像人体的五官，能感受外界的各种刺激，并做出及时的反应,因此，传感器又被人们称做“电五官”，实际上，目前一些传感器已经具有超出人类五

20、官所能感知信息的功能。在整个科学技术和人类生活中，传感器体现出了重要的一面。在自动化检测和自动化控制中，传感器是首要环节，只有传感器对原始的各种参数进行精确可靠的测量，才能有精确可靠的自动检测和控制系统。在航天、航海事业中，传感器是不可缺少的器件，在现代飞行器上，装备着繁多的显示与控制系统，以确保各种飞行任务的顺利完成。在这些系统中，传感器首当其冲地反映飞行器的参数、姿态、工作状态的各个物理量加以检测，并显示在各类显示设备上，以便控制者及时控制和正确操作。航天飞机的机翼上仅温度传感器就多达几十个。在环境保护中传感器也发挥着重要作用。例如，空气质量检测、污染防治、工业污水排放检测、室内装饰环境检

21、测，环境噪音检测、环境电磁波检测等。在日常生活中，也到处充斥着传感器，电磁炉、电冰箱、洗衣机、煤气、液化气泄漏报警装置等都离不开传感器。在产品定型、汽车试车、飞机试飞等操作中传感器是必要器件。传感器在整个科学技术及人类生活中的重要性已越来越被更多的人所认识。瑞士巴塞尔PROGNOSAG公司对日本、美国、西欧一些国家和地区的传感器发展情况进行调查之后发表的报告声明，目前非军用传感器的世界市场发展迅速，每年将以9.1%的速度增长。对某些发达国家的调查说明，今后几年最引人注目的几项技术发展中，传感器技术名列前茅。在我国，传感器技术的发展已有了一个良好的势头。目前研制传感器的企业、研究所、大专院校有上

22、千家，遍及全国各个省、市、自治区。但系列品种发展不均衡，推广应用的深度和广度还不够。可以相信，只要我们进一步统筹规划，突出重点，加强基础，扩大应用，我国的传感器技术必将获得迅猛发展，在不久的将来我国会有大量的传感器产品赶上和超过世界先进水品。3.1.2 传感器的分类a）按输入量分类，以被测物理量命名，如位移传感器、速度传感器、压力传感器、温度传感器、气敏传感器等。b）按输出信号形式分类，以模拟量输出的为模拟式传感器，以数字量输出的为数字式传感器。c）按工作原理分类，以工作原理命名，如应变式传感器、电容式传感器、电感式传感器、热释电传感器、压电式传感器、光电传感器等。d）按能量关系分类，分为有源

23、传感器和无源传感器。有源传感器将非电量转换为电能量，如电动势、电荷式传感器等；无源程序传感器不起能量转换作用。只是将被测非电量转换为电参数的量，如电阻式、电感式及电容光焕发式传感器等。3.1.3 传感器选用原则 现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。1）根据测量对象与测量环境确定传感器的类型 要进行一个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能

24、确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。2）灵敏度的选择 通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声

25、也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入的干扰信号。传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其它方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。3）频率响应特性 传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有一定延迟，希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，固有频率低的传感器可测信号的频率较低。在动态测量中，应根据信号的特点(稳态、

26、瞬态、随机等)响应特性，以免产生过火的误差。4）线性范围 传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。5）稳定性 传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有

27、良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。 在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。6)精度精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多

28、传感器中选择比较便宜和简单的传感器。如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。对某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器，则需自行设计制造传感自制传感器的性能应满足使用要求。本设计中选用PTJ206压力传感器。PTJ206压力传感器采用全不锈钢封焊结构，具有良好的防潮能力及优异的介质兼容性。适于与楼宇供水等压力测量与控制。PTJ206量程：0-1-150（MPa）；综合精度：0.1%FS、0.2%FS、0.5%FS、1%FS；输出信号：0-5V、1-5V、0-10V；供电电压：24

29、DCV；介质温度：常温（-2085C）；负载电阻大于50K；绝缘电阻：大于2000M； 密封等级：IP65。3.2 单片机控制系统单片机系统有基本的时钟电路和复位电路，单片机的频率一般为12M，复位电路有手动和上电自动复位电路，RST复位信号复位端，当此引脚保持两个机器周期的高电平时，就可以完成复位操作。复位电路如图： 图3-2 手动复位电路 图3-3 自动复位电路单片机的时钟信号是由外部接的晶振产生，晶振的连接电路如图：图3-4 单片机晶振电路单片机芯片上集成了各种功能部件：中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、定时/计数器、和各种输入/输出（I/O）接口等。

30、它们之间相互连接，构成一个完整的单片机。89C51单片机采用40引脚的双列直插封装（DIP方式），在单片机的40条引脚中有2条专用于主电源的引脚，2条外接晶体振荡的引脚，4条控制与其它电源复用的引脚，32条输入/输出（I/O）引脚。AT89C51单片机是一种低功耗高性能的COMS8位微控制器，内置4KB的可反复擦写的程序存储器（PEPROM）。和128字节的存取数据存储器（RAM），该器件采用Atmel公司的高密度非易失性存储技术生产，其指令与工业标准的MCS-51指令集兼容。片内含有8位中央处理器和闪烁存储单元，有较强的功能的AT89C51单片机能够被应用到控制领域中。AT89C51提供以下

31、的功能标准：4K字节闪烁存储器，128字节随机存取数据存储器，32个I/O口，2个16位定时/计数器，1个5向量两级中断结构，1个串行通信口，片内振荡器和时钟电路。另外，AT89C51还可以进行0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件的节电模式。闲散方式停止中央处理器的工作，能够允许随机存取数据存储器、定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存随机存取数据存储器中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件的工作直到下一个复位。其芯片引脚如图35所示：图3-5 单片机芯片封装引脚RST: 复位输入信号端，高电平有效。当振荡器运行时，在此引脚输入最少两个机器周期以上的高电平，将使单片机复

32、位，复位后单片机将从程序计数器PC=0000H地址开始执行程序。对HMOS工艺的单片机此引脚还有备用电源VPD功能。该引脚接上备用电源，在VCC掉电期间。可以保持片内RAM的数据不丢失的。ALE：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8 位地址的输出脉冲。在一般情况下，ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。: 外部程序存储器选通信号（）是外部程序存储器选通信号。当 AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，将不被激活。/V

33、PP: 访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H 到FFFFH的外部程序存储器读取指令，必须接GND。为了执行内部程序指令，应该接VCC。P0口：P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，每个脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电

34、平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，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高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P3口：P3口管脚是8个内部带上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流这是由于上拉的缘故。在单片机中，这8个引脚還用于专门功能，是复用双功能口，作为第一功能

35、使用时，就是普通的I/O端口，值得强调的是，每一条引脚都可以独立定义第一功能的输入输出或第二个功能。其第二功能如表31所示：表31 P3口的第二功能说明口线引脚第二功能P3.010RXD（串行输入口）P3.111TXD（串行输出口）P3.212INT0（外部中断0）P3.313INT1（外部中断1）P3.414T0（定时器0外部输入）P3.515T1（定时器1外部输入）P3.616WR（外部数据存储器写脉冲）P3.717RD（外部数据存储器读脉冲）3.3 模/数转换器和ADC0809结构3.3.1 模/数转换器的转换原理及主要技术指标A/D转换器是一种能把输入模拟电压变成与它成正比的数字量的器

36、件，即能把被控对象的各种模拟信息转变成计算机可以识别的数字信息。A/D转换器的种类很多，例如：计数器式A/D转换器、双积分式A/D转换器、逐次逼近式A/D转换器、并行式A/D转换器。一般来说，计数器式A/D转换器、但转换速度也很慢，所以很少采用；双积分式A/D转换器抗干扰能力强，转换精度高，但转换速度也很高，但转换速度不够理想，常应用于数字式测量仪表中；计算机中广泛采用逐次逼近式A/D转换器作为A/D转换接口电路，因为它结构不太复杂，转换速度也高；并行式A/D转换器的 转换速度最快，但因其结构复杂而造价很高，故只用于转换速度极高的场合。1）分辨率 分辨率是指转换器所能分辨的被测量的最小值。对A

37、DC来讲，分辨率表示输出数字量变化一个相邻数码所需要输入模拟电压的最小变化量。如果数字量的位数为n，分辨率就等于1/2n满刻度值。 2）转换速度 转换速度是指完成一次A/D转换所需要的时间的倒数，是一个非常重要的指标。ADC型号不同，转换速度差别很大。一般情况下，8位ADC的转换时间为100s左右。3）转换精度 A/D转换器的转换精度由模拟误差和数字误差组成。模拟误差是比较器、解码网络中的电阻值以及基准电压波动等引起的误差。数字误差主要包括丢码误差和量化误差，前者属于非固定误差，由器件质量确定，后者和A/D转换器数字量的位数有关，位数越多，误差越小。3.3.2 简单介绍ADC0809结构 8路

38、模拟信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道抵制锁存译码电路，其转换时间100us为左右。ADC0809的内部逻辑结构图如图3-3所示。图3-6 ADC0809内部逻辑结构图中多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。地址锁存与译码电路完成对A、B、C 3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连，表3-2为通道选择表。 表3-2 通道选择表CBA被选择通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110

39、IN6111IN7ADC0809芯片为28引脚为双列直插式封装，其引脚排列见图3-3-3。对ADC0809主要信号引脚的功能说明如下：IN7IN0模拟量输入通道。ALE地址锁存允许信号。对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。START转换启动信号。START上升沿时，复位ADC0809；START下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持低电平。本信号有时简写为ST.A、B、C地址线。通道端口选择线，A为低地址，C为高地址，引脚图中为ADDA，ADDB和ADDC。其地址状态与通道对应关系见表3-1。CLK时钟信号。ADC0809的内部没有时钟电路，

40、所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。通常使用频率为500KHz的时钟信号。EOC转换结束信号。EOC=0,正在进行转换；EOC=1,转换结束。使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。D7D0数据输出线。为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。D0为最低位，D7为最高。 OE输出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE=0，输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换得到的数据。Vcc +5V电源。Vref参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典型值为+5V(Vref(+)=+5V, Vref(-)=-5V

41、)。3.3.3 单片机与ADC0809的接口设计单片机与ADC0809的接口电路如下图所示：图3-7 单片机与ADC0809接口电路图3.4 关于74HC595的介绍74HC595是一款漏极开路输出的CMOS移位寄存器，输出端口为可控的三态输出端，亦能串行输出控制下一级级联芯片。下面图3-7 74HC595引脚图图3-7 74HC595引脚图表3-3 74HC595引脚说明管脚编号管脚名说明1、2、3、4、5、6、7、15Q0-Q7三态输出管脚8GND电源地9Q7串行数据输出管脚10MR.移位寄存器清零端11SH_CP数据输入时钟线12ST_CP输出存储器锁存时钟线13OE.输出使能14DS数

42、据线15VCC电源端74HC595是具有8位移位寄存器和一个存储器，三态输出功能。移位寄存器和存储器是分别的时钟。数据在SH_CP的上升沿输入，在ST_CP的上升沿进入的存储寄存器中去。如果两个时钟连在一起，则移位寄存器总是比存储寄存器早一个脉冲。移位寄存器有一个串行移位输入，和一个串行输出，和一个异步的低电平复位，存储寄存器有一个并行8位的，具备三态的总线输出，当使能OE时（为低电平），存储寄存器的数据输出到总线。74HC595的主要优点是具有数据存储寄存器，在移位的过程中，输出端得数据可以保持不变。图3-8 数码管与74HC595接口电路图3.5 电磁开关电路及原理要实现自动控制，就要有能

43、自动闭合的开关，这里用到的是电磁开关（继电器），继电器上有电流时，由于电磁感应就会在铁心上产生磁性，将开关弹片吸引，使外部电路导通。为了在电磁继电器上有稳定的电流流过，前端就要有相应的控制元器件，我选择的是光电隔离器件，隔离掉了不稳定的因素。使光电隔离前端的发光稳定，信号的前端还需要驱动，提供稳定的信号电流。只有发光部分的稳定，后面的信号才能得到稳定输出。控制电路工作原理：单片机根据处理的结果，从控制端口输出低电平控制信号，通过正向驱动器，得到稳定的信号，使得光电隔离前端的发光二极发光，电路接通，后续电路工作，输出电压经分压，三极管导通，电磁继电器工作，弹片向下吸引，开关闭合，后面的电路开始工

44、作。3.5.1 光电隔离器的原理光电隔离器（optical coupler，英文缩写为OC）亦称光耦合器，简称光耦。光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电到光再到电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。在发光二极管上提供一个偏置电流，再把信号电压通过电阻耦合到发光二极管上，这样光电晶体管接收到的是在偏置电

45、流上增、减变化的光信号，其输出电流将随输入的信号电压作线性变化。光电耦合器也可工作于开关状态，传输脉冲信号。在传输脉冲信号时，输入信号和输出信号之间存在一定的延迟时间，不同结构的光电耦合器输入、输出延迟时间相差很大。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端是电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。光耦合器的主要优点是：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离

46、，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。电耦合器之所以在传输信号的同时能有效地抑制尖脉冲和各种干扰，使通道上的信号稳定性大为提高，主要有以下几方面的原因：a）光电耦合器的输入阻抗很小，只有几百欧姆，而干扰源的阻抗较大，通常为105106。据分压原理可知，即使干扰电压的幅度较大，但馈送到光电耦合器输入端的干扰电压会很小，只能形成很微弱的电流，由于没有足够的能量而不能使二极体发光，从而被抑制掉了。b）光电耦合器的输入回路与输出回路之间没有电气联系，也没有共地；之间的分布电容极小，而绝缘电阻又很大，因此回路一边的各种干扰都很难通过光电耦合器馈送到另一边去，避

47、免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。c）光电耦合器可起到很好的安全保障作用，即使当外部设备出现故障，甚至输入信号线短接时，也不会损坏仪表。因为光耦合器件的输入回路和输出回路之间可以承受几千伏的高压。3.5.2 电磁继电器的原理继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。电磁继电器的工作原理并不复杂，它主要是利用电磁感应原理而工作的。当线圈通以电流时，线圈便产生磁场，线圈中间

48、的铁心被磁化产生磁力.从而使衔铁在电磁吸力的作用下吸向铁心，此时衔铁带动支杆将板簧推开，使两个常闭的触点断开。当断开继电器线圈的电流时，铁心便失去磁性，衔铁在板簧的作用下恢复初始状态，触点则又闭合。触点的形式一般分为三种:一种是继电器线圈未通电时处于接通状态的静触点，为常闭触点。二种是处于断开状态的静触点，称为常开触点，还有一种是一个动触点与一个静触点常闭，而同时与一个静触点常开，形成一开一闭的转换触点形式。常闭触点在线圈通电时由闭合状态断开，所以又称为动断触点，而把常开触点称为动合触点转换触点有两种情况，即先合后断的转换触点和先断后合的转换触点。先了解必要的条件：(1)控制电路的电源电压，能

49、提供的最大电流；(2)被控制电路中的电压和电流；(3)被控电路需要几组、什么形式的触点。选用继电器时，一般控制电路的电源电压可作为选用的依据。控制电路应能给继电器提供足够的工作电流，否则继电器吸合是不稳定的。3.6 数码管LED显示电路设计7段LED数码管是利用7个LED（发光二极管）外加一个小数点的LED组合而成的显示设备，可以显示09等10个数字和小数点，这类数码管可以分为公阴极与共阳极两种，共阳极就是把所有LED的阳极连接到共同的结点，而每个 LED的阴极分别为a,b,c,d,e,f,g及dp（小数点）；共阴极就是把所有LED的阳极连接到共同的结点，而每个 LED的阳极分别为a,b,c,

50、d,e,f,g及dp（小数点）。根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。 静态显示驱动：每个数码管的每个段都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码的二十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多。动态显示驱动:动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划“a,b,c,d,e,f,g,dp”的同名端连在一起，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形。 图3-9 单片机与

51、数码管连接电路3.7 按键电路设计按键是用来向系统提供操作人员命令的接口，所以准确无误地辨认每个键的动作以及其所处的状态，是系统能否正常工作的关键。多数按键多采用机械弹性开关，一次高低电平的变化就是一次命令。但是按键的抖动是难以避免的，为了稳定操作，我们要防止抖动的发生，就要消除抖动的影响，可以从硬件和软件两方面解决。硬件防抖电路：利用RC积分电路对干扰脉冲的吸收作用，选择好电路的时间常数，就能在按键抖动信号通过此滤波电路时，消除抖动影响。滤波防抖电路图如图所示。当K位按下时，电容C两端的电压均为0，非门输出为1。当K按下时，由于C两端电压不可能产生突变。尽管在触点接触过程种可能出现抖动，只要

52、适当选取R1、R2和C的值，即可保证电容C两端的充电电压波动不超过非门的开启电压（TTL位0.8V），非门的输出维持高电平。同理，当触点断开时，由于电容C经过电阻R放电，C两端的放电电压波动不会超过门的关闭电压，因此，门的输出也不会改变。总之，只要R1、R2和C的时间常数选取得当，确保电容C有稳态电压充电到开启电压，或放电到关闭电压的延迟时间等于或大于10ms，该电路就能消除抖动影响。软件防抖方法：当第一次检测到有键按下时，先用软件延时（1020ms），而后再确认该键电平是否仍维持闭合状态电平。若保持闭合状态电平，则确认此键一按下，从而消除了抖动的影响。3.8 声光报警电路设计声光报警电路由单

53、片机P1.5口控制，输出控制信号，驱动声光报警电路。声光报警电路由一个发光二极管、一个蜂鸣器、一个三极管和2个电阻组成，电路图如下图所示。图3-10 声光报警电路4 软件设计方案4.1 软件总体设计硬件电路是一切的基础，在其基础上软件设计是关键的部分，它是单片机工作的重点，就是让各部分协调工作的命令，软件程序的重要性是毋庸置疑的，是整个控制系统的命脉，根据各部分编写相应的驱动程序，才能使得相应的芯片有其功能，所以程序设计是非常重要的。芯片的工作有着与自己对应的时序图，只有根据时序准确的执行命令才能达到想要的目的，实现芯片的功能。程序的设计还要有着一定的思路，根据系统运行的过程要画出相应的程序流

54、程图，根据流程图写程序是非常方便的，也不容易产生错误，得到正确的程序。如图41所示。图41 系统程序总流程图4.2 转换程序 由于ADC0809片内无时钟信号，时钟信号由CLOCK端送入，最佳的时钟频率为640KHZ，在ADC0809与单片机的接口中，时钟信号通常由单片机的ALE信号4分频得到，由于单片机的ALE是晶振频率的6分频，若单片机的晶振频率为12MHz，则ALE的4分频为500KHz左右，满足ADC0809的CLOCK端的频率要求。 图4-2ADC0809工作时序图ADC0809的启动方式为脉冲启动方式，启动信号START启动后开始转换，EOC信号在START的下降沿10us后才变成

55、无效的低电平。这要求查询程序EOC无效后再开始查询，转换完成后，EOC输出高电平，在由OE变成高电平来输出转换数据。我们在设计程序时可以利用EOC信号来通知单片机（查询法或中断法）读入已转换的数据，也可以在启动ADC0809后经适当的延时在读入已转换的数据。编程思路：1）向ADC0809写入通道号并启动转换2）延时1MS后等待EOC出现高电平3）给OE置高并读入转换数据存入数据地址或数组中。4）显示ADC0809转换程序如下：ADCEQU 33HST BIT P3.2OE BIT P3.0EOCBIT P3.1ORG0000HSJMP STARTORG 0030HSTART: CLR STSE

56、TB STCLR STJNB EOC,$SETB OEMOV ADC,P0CLR OEMOV A,ADCMOV B,#100DIV ABMOV LED_2,AMOV A,BMOV B,#10DIV ABMOV LED_1,AMOV LED_0,B4.3 串进并出程序 74HC595具有一个8位串行输入并行输出的移位寄存器和一个8位输出锁存器。由于占用MCU的I/O口线少，硬件结构简单，因此应用广泛。1）应用原理 以点亮LED数码管显示“0”为例！见图一 a）并口输出： 共用P1八个口，输出用一条指令MOV P1,#3FH即可。 b）串并输出： 共用P1.0-P1.2三个口。但输出必须先将3FH

57、逐位移入。595移位寄存器内(即串入)，再锁存输出(即并出)。移位方式：1-1-1-1-1-1-0-0，由低到高。2）主要引脚 14脚：串行数据输入端。 11脚：移位时钟。 12脚：输出锁存器的送入信号。3）应用三步曲 第一步：目的：将要准备输入的位数据移入74HC595数据输入端上。 方法：送位数据到 P1.0。 第二步：目的：将位数据逐位移入74HC595，即数据串入 方法：P1.2产生一上升沿，将P1.0上的数据移入74HC595中.从低到高。 第三步：目的：并行输出数据。即数据并出 方法：P1.1产生一上升沿，将由P1.0上已移入数据寄存器中的数据 送入到输出锁存器。4）编程方法DS_

58、595 EQU P1.0 ;串行数据输入（595-14）CH_595 EQU P1.2 ;移位时钟脉冲（595-11）CT_595 EQU P1.1 ;输出锁存器控制脉冲（595-12）OUT_595:CALL WR_595 ;调用移位寄存器接收一个字节数据子程序 CLR CT_595 ;拉低锁存器控制脉冲NOPNOPSETB CT_595 ;上升沿将数据送到输出锁存器，LED数码管显示“0”NOPNOPCLR CT_595RETWR_595: MOV R4,#08H ;一个字节数据（8位） MOV A,R0 ;R0中存放要送入的数据3FH LOOP: ;第一步：准备移入74HC595数据RL

59、C A ;数据移位MOV DS_595,C ;送数据到串行数据输入端上（P1.0）CLR CH_595 ;拉低移位时钟 NOP NOPSETB CH_595 ;上升沿发生移位(移入一数据)DJNZ R4,LOOP ;一个字节数据没移完继续RET4.4 按键控制程序设计按键是外部命令的体现，一个按键从没有按下到按下以及释放是一个完整的过程，也就是说，当我们按下一个按键时，总希望某个命令只执行一次，而在按键按下的过程中，不要有干扰进来，因为，在按下的过程中，一旦有干扰过来，可能造成误触发过程，这并不是我们所想要的。因此在按键按下的时候，要把我们手上的干扰信号以及按键的机械接触等干扰信号滤除掉，一般

60、情况下，我们可以采用电容来滤除掉这些干扰信号，但实际上，会增加硬件成本及硬件电路的体积，这是我们不希望，总得有个办法解决这个问题，因此我们可以采用软件滤波的方法去除这些干扰信号，一般情况下，一个按键按下的时候，总是在按下的时刻存在着一定的干扰信号，按下之后就基本上进入了稳定的状态。具体的一个按键从按下到释放的全过程的信号图如下图所示：图43 按键理想波形图 图44 按键实际的波形从图中可以看出，由于按键的机械特性，当按键闭合时，并不能马上保存良好的接触，而是来回弹跳。这个时间很短，我们的手根本感觉不出来。但是对于一秒钟执行百万条指令的单片机而言，这个时间是相当的长了。那么在这段抖动的时间内，单

61、片机可能读到多次高低电平的变化。如果不加任何处理的话，就会认为已经按下，或者松开很多次了。而事实上，我们的手一直按在按键上，并没有重复按动很多次。要想能够正确的判断按键是否按下就要避开这段抖动的时间。我们在程序设计时，从按键被识别按下之后，延时10ms以上，从而避开了干扰信号区域，我们再来检测一次，看按键是否真得已经按下，若真得已经按下，这时肯定输出为低电平，若这时检测到的是高电平，证明刚才是由于干扰信号引起的误触发，CPU就认为是误触发信号而舍弃这次的按键识别过程。从而提高了系统的可靠性。由于要求每按下一次，命令被执行一次，直到下一次再按下的时候，再执行一次命令，因此从按键被识别出来之后，我

62、们就可以执行这次的命令，所以要有一个等待按键释放的过程，显然释放的过程，就是使其恢复成高电平状态。程序设计过程中按键识别过程的框图如下图所示：图45 按键检测框图KEY:JB P1.6,NEXTLCALL DELAYJB P1.6,NEXTJNB P1.6,$INC 34HAJMP OUTNEXT:JB P1.7,OUTLCALL DELAYJB P1.7,OUTJNB P1.7,$DEC 34HOUT:RET4.5 数码管LED显示程序设计将所得到的结果用LED数码管显示出来，给人直观的了解当前系统的状态，数码管要显示当前系统的值,就要有一定的端口往数码管送入数据，还要有点亮数码管的信号为，我们要将09这十个数字的码字定义成一个数组，通过检验输出的数据查断码表，就能显示相应的数字。表4-1 7段LED的字型码显示字符共阳极字型码共阴极字型码显示字符共阳极字型码共阴极字型码0