基于GTM900C的水箱液位控制系统设计毕业设计说明书

《基于GTM900C的水箱液位控制系统设计毕业设计说明书》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于GTM900C的水箱液位控制系统设计毕业设计说明书（114页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、此页设计用摘 要在现代工业生产及日常生活过程中，液位控制已成为被广泛应用的重要的控制技术，同时也是目前过程控制领域的一个研究热点。现代的液位控制日趋大型化、复杂化、智能化、精细化，为适应各种复杂的工作环境，降低控制难度与成本，基于无线技术的液位控制的诞生成为了技术发展的必然。为实现无线传输技术与液位控制技术的结合，以水箱液位控制系统为模型，选用华为公司生产的GTM900C作为无线传输模块，采用目前常用的AT89S52单片机作为控制单元，电动机作为动作单元，结合其他组成部分，分别对器件选用、硬件设计、软件设计进行讨论，对整体方案、系统工作流程进行论证，以此论证基于无线技术的液位控制方案在理论上和

2、实际应用中的可行性及其优势。基于GTM900C的水箱液位控制系统可实现液位监测、处理、本地或远程报警、远程控制等功能。系统采用模块化设计，便于扩展，系统结构简单清晰，控制方式灵活，可以此为模型，推广到任意液位控制系统中。关键词：控制技术；无线技术；检测技术；单片机AbstractIn modern industrial production and daily life in the process, the liquid level control has become a widely used and important control technology, process contr

3、ol at the same time it is a research hotspot in the field of. The modern level control increasingly large-scale, complex, intelligent, meticulous, to meet a variety of complex environment, reducing the difficulty of controlling and cost, the liquid level control based on wireless technology has beco

4、me the inevitable trend of the development of the birth of technology. In order to realize the wireless communication technology and control technology, the water tank liquid level control system for model, selection of Huawei Company GTM900C as wireless transmission module, using the current AT89S5

5、2 MCU as a control unit, a motor as a motor unit, combined with other components, respectively, on the choice of device, hardware design, software design discussions, the total scheme, system workflow are discussed, it is proved that the liquid level control scheme based on wireless technology in th

6、eory and practical application of the feasibility and advantages of. Based on the GTM900C tank liquid level control system can realize liquid level monitoring, treatment, local or remote alarm, remote control functions. The system adopts modular design, easy to expand, the system has simple and clea

7、r structure, flexible control method, this model can be generalized to arbitrary, in liquid level control system.Key words: Control Technology; Wireless Technology; Detection Technique; MCU目 录第一章绪论11.1课题研究背景及意义11.2国内外研究现状及发展21.2.1无线液位控制技术的研究现状21.2.2无线液位控制技术研究趋势31.3系统概述3第二章系统方案设计52.1系统设计要求52.2系统框图52.

8、3硬件设计方案62.3.1单片机选型62.3.2无线模块设计方案72.3.3通信模块设计方案82.3.4键盘模块设计方案102.3.5显示模块设计方案102.3.6数据模块设计方案112.3.7计时模块设计方案132.3.8A/D模块设计方案142.3.9传感器模块设计方案16第三章硬件电路设计213.1单片机AT89S52硬件设计213.2无线模块硬件设计263.3通信模块硬件设计323.4键盘模块硬件设计343.5显示单元硬件设计343.6存储单元硬件设计363.7时间单元硬件设计373.8A/D转换单元硬件设计383.9其他外围电路的设计40第四章系统软件设计424.1 系统软件424.

9、1.1 系统软件编译开发环境424.1.2 系统主程序流程图424.1.3 系统初始化424.1.4 显示与A/D转换的数据处理454.1.5 按键部分软件设计464.1.6 显示模块的软件设计484.1.7 A/D转换模块软件设计484.1.8 电机控制模块软件设计494.1.9 通信协议及通信模块软件设计504.1.10 时间模块软件设计524.2 GTM900C软件设计544.2.1 AT命令简介544.2.2 AT命令类型554.2.3 AT 命令语法554.2.4 AT命令说明564.2.5液位信息发送软件设计63第五章经济技术分析66第六章结论68参考文献69谢 辞70附录一附录二

10、沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计（论文）基于GTM900C的水箱液位控制系统设计第一章 绪论1.1 课题研究背景及意义液位控制是生产生活过程中一项非常重要的控制技术。最早的液位控制可以追溯到农耕时代，那时的人们就懂得了调节灌入田地的水量，来控制液位。随着科技的发展，现代的液位控制日趋大型化、复杂化、智能化、精细化，液位控制已成为目前过程控制领域的一个研究热点1。应用范围也日趋广泛，大到农业灌溉、河流水位、工业生产，小到水塔、油箱甚至鱼缸，都有液位控制的应用。随着电子信息技术的发展和大规模集成电路的普及，液位控制也迎来了新的发展机遇，单片机以其控制精度高，性能稳定、可靠，操作设置方便，成本低廉等

11、特点成为推动液位控制发展的新动力。同时单片机应用广泛，可扩展性强，可与各种类型的传感器相兼容，实现诸如电压、功率、频率、湿度、流量、速度、厚度、压力、温度等物理量的测量，这使得液位控制的应用范围变得更加广泛。工程应用中液位传感器的多样化使得液位控制可以应用于各种多变的环境中，使其拥有更高的应用价值。单片机的可编程性不仅可以实现测量功能，还能实现智能化的控制，丰富的接口也为信息的传输和远程控制提供了可能。随着国家经济的飞速发展，原有的液位控制技术已不能满足社会生产的要求，由于工作环境的多样性和复杂性，控制系统的使用依然会受到地域、空间等条件的限制，苛刻复杂的工作环境限制了液位控制系统的应用，例如

12、不便于铺设线缆的山区水坝，高温、强腐蚀性的工业生产厂液池，操作地点不固定的液位控制台等。在液位控制技术和无线技术日益成熟的今天，这种技术的融合创新成为解决这些问题的要求，基于无线技术的液位控制技术的诞生也成为了必然。由于无线技术拥有可跨视距的可靠通信能力，实时数据传输能力，可移动性等优势，有效的弥补了原有液位控制的缺陷，技术的融合不仅解决了当下液位控制的地域空间使用限制，而且使得控制成本变得更低。基于无线技术的控制端对接入的受控端数目几乎没有限制，这为集中化控制提供了可能。对于一些不便于铺设线缆的液位控制端，可以结合太阳能技术，利用单片机低功耗的特性，真正实现完全自由的无线液位控制系统。本课题

13、研究和讨论的就是基于无线传输技术的液位控制系统。1.2 国内外研究现状及发展由于无线液位控制技术在控制领域占有重要地位，它也越来越受到各国的重视，很多企业都投入了大量的技术力量和资金进行研究开发。虽然红外遥控也可以实现液位控制技术的远程遥控，但是由于红外遥控存在对工作背景要求高、能耗高、传输距离短（一般不会超过10米），且必需在同一直线上，中间不能有任何障碍物以及易受工业热辐射影响等缺点，使得基于现有网络的无线液位控制技术成为当前研究的主要方向。1.2.1 无线液位控制技术的研究现状最初，遥控液位控制系统都是采用有线遥控方式进行的。早在60年代初期，人们就能利用拖缆遥控装置来控制供液系统工作。

14、虽然这种方式也可以使操作人员在作业区外对控制设备进行操作管理，但是由于控制信号在电缆线中的衰减，使得遥控的距离有限，同时由于电缆线的存在，影响了操作的灵活性，而且数米长的电缆经常是生产事故中的主要根源。随着无线电技术的成熟，把无线电技术引入液位控制系统成为了可能。由于无线液位控制技术是通过无线电波来传递控制指令，完全消除了拖缆式遥控装置所带来的故障隐患。但是一开始的无线液位控制系统都只能发射简单的指令，如：打开/关闭等指令。进入70年代后，随着大规模集成电路及专用微处理器的出现，开发出了可靠性更高的手持式无线遥控系统。后来，随着数字处理技术的快速发展，无线数字通信技术的日趋成熟，利用数字通信技

15、术的抗干扰能力强、易于对数字信号进行各种处理等等的优点，使得遥控系统的抗干扰性能逐步提高，安全性能大大改善；与此同时，模拟集成电路设计的迅速发展，各种高精度的模拟/数字转换器（A/D）和数字/模拟转换器（D/A）的研制成功，并把他们应用到无线液位控制系统中，使得无线液位控制系统不但能够传输开关信号，也能够传输模拟控制量并且对控制指令有较高分辨能力，也就是说，无线液位控制系统不但能够控制供放液体，而且能实现液位的实时监控。由于无线控制技术既有控制技术的优点，又有无线技术的优点，因此它有着很广泛的应用，特别是在工业生产领域中。但由于工厂范围相对较小，所需的网络覆盖范围也比较有限，所以基于无线技术的

16、控制依旧局限于一定范围内的控制系统中。最初的无线控制系统的应用是在机械控制方面。80年代初，美国Kraft TeleRobtics和约翰迪尔等公司，相继开发出无线遥控系统，并应用于工业生产中；1983年，日本小松制作所研究开发了各种工作装置的微动控制和复合动作的无线电操纵；1987年，德国HBC公司研制成功应用于工程机械领域的工业无线电遥控装置，真正的实现了数字化的无线控制。与国外对无线控制技术的研究应用相比较，国内则相对比较晚，技术相对也落后一些。上海宝山钢铁公司于1997年引入HBC无线遥控系统，正式将无线控制技术应用于工业生产中。1.2.2 无线液位控制技术研究趋势随着数字通信技术和超大

17、规模集成电路的高速发展，把数字通信技术和高性能、高集成度的集成电路应用到无线液位控制技术中，使得无线液控制系统的性能更加完善，可靠性更加高。它们都推动着无线液位控制技术的发展，具体表现在以下几个方面：(1) 超大规模集成电路的飞速发展使无线液位控制器硬件电路的可靠性提高，同时为实现更强大的功能提供了可能性；(2) 数字通信技术提高了无线电液控制器的性能；(3) 纠错编码技术提高了无线液位控制器的抗干扰能力。(4) 基于GSM网络无线技术的成熟使得无线控制突破地域的局限，实现更为广阔的应用。1.3 系统概述液位控制的应用极其广泛，工业生产中液池液位的控制；农业生产中灌溉水池；河流水库的水位控制；

18、城市水塔的控制等等。用途的多样就造成了控制系统的多样，本文讨论的重点在于无线技术与液位控制技术的结合，所以选用较为简单的水箱液位控制作为液位控制系统的模型。在无线传输方式的选择上，基于成本和功能上的综合考虑，选用华为生产的适用于GSM网络的GTM900C通讯模块作为工具，通过其与水箱液位控制系统的结合来讨论基于无线技术的液位控制系统的可行性、功能及应用价值。无线液位控制技术的基本工作原理：首先，无线液位控制系统将操作者或机器的控制指令进行数字化处理（包括对信号的滤波，A/D转化等处理），变为易于处理的数字信号；其次，对数字指令信号进行编码处理；再次，指令信号在经发射系统进行数字调制后，通过发射

19、天线以无线电波的方式传递给远处的接收系统。最后，接收系统通过接收天线把带控制指令的无线电波接收下来，经过解调和解码，转换为控制指令，发送给单片机，单片机根据预先编写的程序，对指令作出相应，同时将收集到的液位信息、动作反馈等数据通过GSM网络，传回控制终端。系统主要由以下部分组成：(1) 通讯系统(2) 控制系统(3) 检测系统(4) 动作系统(5) 其他设计具体内容分为以下几个方面：(1) 系统硬件电路设计以及芯片选型；(2) 系统软件设计；(3) 单片机编程以及GTM900C的AT指令。108第二章 系统方案设计2.1 系统设计要求本设计以水箱液位控制系统为模型，通过液位监测传感器检测水位信

20、息，通过数模转换模块将信息发送至单片机，由单片机根据设计好的程序，在显示模块上显示水位信息，并存储相关数据，若达到警戒值则通过GTM900C模块发送数据并报警。单片机可根据用户设定，选择等待远程控制指令或根据程序，直接启动电机对液位进行调节。设计液位测量高度5米，测量精度10%，AC220V供电。2.2 系统框图根据系统的设计要求，采用单片机为主控芯片，通过单片机数据地址总线及I/O端口，扩展数据存储模块、A/D转换模块、显示模块、时间模块、串口通信模块以及A/D转换、电机控制等外围电路，从而实现系统所需的设计功能。系统总体方案框图如图2-1。图 2-1 系统框图2.3 硬件设计方案根据系统硬

21、件需求，设计硬件选用方案，针对系统中的各主要部分，分别进行方案论证，主要讨论单片机的选型、无线模块设计、通信模块设计、键盘模块设计、显示模块设计、数据模块设计、计时模块设计、A/D模块设计、传感器模块设计。2.3.1 单片机选型综合考虑整个产品的功能需求，在各项参数指标满足的情况下，选取外部资源丰富的单片机型号。这样，一方面可以减少外部扩展芯片的投入并减少电路板的面积，另一方面可以减少程序开发调试的难度，便于统一管理。估计代码工作量，选择合理的RAM、ROM或者Flash资源。如果选择不当，将会发生最终代码超过单片机程序存储器的容量，需要重新选型的麻烦2。对于一个试验性的电路，选用双列直插（D

22、IP封装）的单片机，这样便于手工焊接电路和调试，而不用投资去加工印刷电路板。对于最终的产品，选择贴片封装的单片机，这样，一方面可以减少电路板的面积，降低硬件成本，另一方面也可以也可以获得更好的电磁兼容性。考虑产品最终应用的场合，如果是野外或者需要长时间独立供电的场合，则需要尽量选择低功耗的单片机。考察单片机开发的成本以及编程器和仿真器的选择。选择带仿真功能的开发工具，这样可以减少调试的时间。如果条件有限，则选择程序下载接口简单的器件，这样可以减少编程器的投资。尽可能了解目前市场上各类主流单片机的情况，做好充足的市场调研工作。目前一些常用的单片机厂商如下：Atmel、Cypress、Infine

23、on、Maxim、Silicon、NXP、Winbond、Analog Devices、TI、Freescale、Renesas等。根据以上因素：系统的实时性要求不高，因而运算速度无需很快，且系统规模不大，采用分时复用的方式使用总线，对I/O口的数量可以要求进一步降低。使用4路8位I/O接口即可满足设计要求；系统中需要扩展外部存储器对数据进行存储，数据存储量为32KB已满足要求，因此采用16位或准16位地址总线的单片机即可满足设计需要3；由于是实验阶段，采用DIP（双列直插）封装的芯片便于实验，暂不考虑实际工业控制中的对外界环境的具体要求；系统采用AC220V供电，且对功耗没有具体要求，使用D

24、C5V为芯片供电，便于系统外围电路的设计；芯片支持ISP可节省仿真器的投入。综上所述，采用与MCS-51兼容的AT89S52单片机满足设计要求。 图 2-2 AT89S52单片机实物图AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS工艺的8位微控制器，具有8K在线系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗

25、定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止4。2.3.2 无线模块设计方案GSM模块，是一个类似于手机的通讯模块，集成了手机的若干功能于一块小电路板上，它可以发送短消息，通话等等，模块虽小，但它具备了很多手机的功能，它在很多应用领域中都有着广泛的应用，GSM模块通过使用AT指令控制，模块可

26、以与电脑RS232串口相连，也可以用单片机来进行控制。常见的GSM模块有：西门子的TC35i，BENQ的M22，华为的GTM900-A/B/C，Wavecom 的GSM（Mo3、Mo2）,爱立信的DM10/DM20, GM22/GM25,GM47/48，中兴的ZXGM18,ZXGM28，Motorola 的D10、D15等等。工业及车载的高可靠性应用西门子是第一选择，一般工业及车载应用的话，可以用Wavecom的。普通环境，建议用BenQ的。综合考虑性能及通用性，本课程设计选用了华为公司生产的GTMM900C为GSM模块，它不仅拥有完整的模块功能，良好的质量，而且价格便宜，通用性强，推广到工业

27、生产，可直接替换成TC35i，符合本设计的要求。 图 2-3 GTM900-C实物图华为GTM900C无线模块是一款双频段GSM/GPRS无线模块。它支持标准的AT命令及增强AT命令，提供丰富的语音和数据业务等功能，是高速数据传输等各种应用的理想解决方案。GTM900-C 在Terminal 型固定台、Phone 型固定台、车载台、公用电话、电力无线抄表业务、远程信息服务台等方面被广泛的应用。GTM900C工作在EGSM900/GSM1800双频段，最大发射功率为2W，模块接收灵敏度-106dBm，工作电压为3.4V4.7V，平均待机电流为3.5mA。通过UART接口与外部CPU通信，主要实现

28、无线发送和接收、基带处理、音频处理等功能。键盘、LCD等外部设备由外部CPU进行处理。外接CPU主要完成对SLIC芯片的配置以及电源管理、串口通信等功能，其余的功能均由GTM900C来完成。2.3.3 通信模块设计方案AT89S52单片机内部有一个全双工异步串行I/O接口，占用P3.0和P3.1两个引脚。利用该接口，可实现系统与计算机的通信、系统与GTM900C的通信。由于不同设备间串口通信的过程中，需要采用相同的的接口标准才能通信。综合考虑AT89S52和GTM900C的电气性能、实验环境，故选择便于设计的RS-232C标准。RS-232-C是美国电子工业协会EIA（Electronic I

29、ndustry Association）制定的一种串行物理接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数。RS-232-C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道6。 EIA-RS-232C 对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。（1）在TxD和RxD上：（2）逻辑1(MARK)=-3V-15V（3）逻辑0(SPACE)=+3+15V（4）在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上：（5）信号有效（接通，ON状态，正电压）=+3V+15V（6）信号无效（断开，OFF状态，负电压）=-3V-15V（7）以上规定说明了RS-232C标准对逻辑

30、电平的定义。 图 2-4 RS-232C接口示例及MAX232芯片实物图对于数据（信息码）：逻辑“1”（传号）的电平低于-3V，逻辑“0”（空号）的电平高于+3V；对于控制信号；接通状态（ON）即信号有效的电平高于+3V，断开状态（OFF）即信号无效的电平低于-3V，也就是当传输电平的绝对值大于3V时，电路可以有效地检查出来，介于-3+3V之间的电压无意义，低于-15V或高于+15V的电压也认为无意义，因此，实际工作时，应保证电平在（315）V之间。EIA RS-232C 与TTL转换：EIA RS-232C 是用正负电压来表示逻辑状态，与TTL以高低电平表示逻辑状态的规定不同。因此，为了能够

31、同计算机接口或终端的TTL器件连接，必须在EIA RS-232C 与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换。实现这种变换的方法可用分立元件，也可用集成电路芯片。目前较为广泛地使用集成电路转换器件，如MC1488、SN75150芯片可完成TTL电平到EIA电平的转换，而MC1489、SN75154可实现EIA电平到TTL电平的转换。MAX232芯片可完成TTLEIA双向电平转换。MAX232芯片是美信（MAXIM）公司专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5v单电源供电，额定电流为300A，采用半双工通讯方式。它完成将TTL电平转换为RS-232电平的功能7。（1）符合所有的R

32、S-232C技术标准（2）只需要单一 +5V电源供电（3）片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生10V电压V+、V-（4）功耗低，典型供电电流5mA（5）内部集成2个RS-232C驱动器（6）高集成度，片外最低只需4个电容即可工作。2.3.4 键盘模块设计方案在单片机应用系统中为了控制系统的工作状态以及向系统中输入数据，应用系统应设置键盘或按键。例如：为了复位用到复位键，功能转换用的功能键以及数字输入用的数字键盘等。键盘的设置可以实现人机对话，借助键盘可以向计算机系统输入程序、设置参数、键入操作命令、控制程序的执行等，所以用途十分广泛。单片机系统所用的键盘有全编码键盘和非全编码键盘两种

33、。全编码键盘能够由硬件逻辑自动提供与被按键对应的键码。此外，一般还具有去抖动和多键串键保护电路。这种键盘使用方便，但需要较多硬件，价格昂贵，一般单片机应用系统较少采用。非编码键盘只简单地提供行和列矩阵，其他工作都靠软件完成。由于非编码键盘经济实用，目前在单片机系统中使用较多。 图 2-5 独立接口的阵列键盘综上所述，本设计实际使用按键的情况较少，编程、控制都可以不使用键盘，故采用独立式键盘接口电路。2.3.5 显示模块设计方案为方便观察和监视单片机运行情况，通常把数码显示器作为单片机的输出设备，用来显示单片机应用系统的键值输入、中间信息以及运算结果。在单片机应用系统中，常用的显示器主要有LED

34、（发光二极管显示器）、LCD（液晶显示器）两种。这两种显示器具有省电、成本低、配置灵活、线路简单、安装方便、耐震东、寿命长等优点。但因其显示内容有限，且不方便显示图形，因而应用具有局限性，近年来对某些要求较高的单片机应用系统开始配置简易的CRT接口。本系统中仅需显示液位高度，即数字量，采用LED显示器已能满足系统要求。系统中，要求测量范围5m，测量精度为10%，假设测量范围为5m，在10%精度的要求下，其测量的有效值为5*10%=0.5m。因而采用2位LED显示器便能满足设计要求。图 2-6 2位LED显示器模块在单片机应用系统中，LED显示器的现实方法有两种：静态显示法和动态显示法。静态显示

35、法的优点是显示程序十分简单，显示亮度大，由于CPU不必经常扫描显示器，所以节约了CPU的工作时间。但静态显示也有其缺点，主要是占用I/O口资源较多，硬件成本较高。所以静态显示法常用在显示器数目较少的应用系统中。为了解决静态显示占用I/O口资源的缺点，在软件上采用压缩BCD码输出显示数据，硬件上使用一个8位锁存器74LS273与两个BCD数码显示译码驱动芯片74LS47连接，减少对系统资源的占用时间。由于74LS47译码为共阳极数码管的码表，因而选用8段（带小数点）共阳极LED用于数据显示。高位显示米单位，低位显示分米单位，且高位小数点常亮。单片机使用1位I/O口控制数据的锁存。2.3.6 数据

36、模块设计方案51系列单片机划分为如下4个存储区：（1） 片内数据存储区（2） 片外数据存储区（3） 片内程序存储区（4） 片外程序存储区 使用AT89S52内部256字节的数据存储器记录数据是远远不够的，因而需要扩展数据存储器进行数据存储。数据存储器可选择的种类繁多，常用的有随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）与闪存（FLASH）。RAM是存储单元的内容可按需随意取出或存入，且存取的速度与存储单元的位置无关的存储器。这种存储器在断电时将丢失其存储内容，故主要用于存储短时间使用的程序。ROM通常指固化存储器（一次写入，反复读取），它的特点与RAM相反。ROM又分一次性固化、光擦除和电擦

37、除重写两种类型。闪存则是一种不挥发性（Non-Volatile）内存，在没有电流供应的条件下也能够长久地保持数据，其存储特性相当于硬盘，这项特性正是闪存得以成为各类便携型数字设备的存储介质的基础。NOR和NAND是现在市场上两种主要的非易失闪存技术。NAND闪存的存储单元则采用串行结构，存储单元的读写是以页和块为单位来进行（一页包含若干字节，若干页则组成储存块，NAND的存储块大小为8到32KB），这种结构最大的优点在于容量可以做得很大，超过512MB容量的NAND产品相当普遍， NAND闪存的成本较低，有利于大规模普及。NAND闪存的缺点在于读速度较慢，它的I/O端口只有8个，比NOR要少多

38、了。这区区8个I/O端口只能以信号轮流传送的方式完成数据的传送，速度要比NOR闪存的并行传输模式慢得多。再加上NAND闪存的逻辑为电子盘模块结构，内部不存在专门的存储控制器，一旦出现数据坏块将无法修，可靠性较NOR闪存要差。NOR的特点是芯片内执行(XIP, eXecute In Place)，这样应用程序可以直接在flash闪存内运行，不必再把代码读到系统RAM中。NOR的传输效率很高，在14MB的小容量时具有很高的成本效益，但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。NAND结构能提供极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速度也很快。应用NAND的困难在于FLASH的管理和需

39、要特殊的。可以看出ROM的存储复杂，不适宜实时系统的数据存储。FLASH是一个不错的解决方案。鉴于系统的复杂程度，暂时不考虑使用FLASH作为存储单元。图 2-7 FLASH闪存芯片根据设计要求，记录某一记录点（电机状态改变时刻）的状态与时间需要6字节数据，即年（2000-2099年）、月（1-12月）、日（1-31日）、时（0-23时）、分（0-59分）、状态（0或1）这些数据，如果系统长时间的工作，将会有大批量的数据产生，假若数据存储空间不够大，将会产生数据的覆盖，从而降低了对数据分析的准确性。因此选用32K字节的数据存储器，可以记录大于5000项记录点数据，考虑到水箱上水与耗水的频繁程度

40、不高，5000项数据已基本满足后期数据处理的需求。在实际应用中，系统设计在不掉电的工作环境下；软件上，上位机软件对数据提取后即可保存在PC机中，5000项数据进行时间上的缓冲是充足的。为节省CPU的工作时间，且由于RAM存储速度快、使用方便等特点，从而可以忽略了RAM掉电数据丢失的缺点。2.3.7 计时模块设计方案通过单片机的定时器，可以设计时间功能，然而单片机自身的产生时间数据大大占用了系统的资源，降低了工作效率，甚至影响了其他功能的实现，因此在本设计方案中，采用了外部芯片提供时间信号，用以系统记录时间信息。目前市场上的时钟芯片很多，如DS1302/DS1307/HT1380/HT1381/

41、PCF8563等。DS1302是DALLAS公司推出的涓流充电时钟芯片，内含有一个实时时钟/日历和31字节静态RAM，通过简单的串行接口与单片机进行通信。实时时钟/日历电路提供秒、分、时、日期、日、月、年的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整，时钟操作可通过AM/PM指示决定采用24或12小时格式。DS1302与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信，仅需用到三个口线(1) RES（复位），(2) I/O（数据线），(3) SCLK（串行时钟）。时钟/RAM的读、写数据以一个字节或多达31个字节的字符组方式通信。DS1302工作时功耗很低，保持数据和时钟信息时功率小于1mW。图 2-8

42、 DS1302计时模块DS1302是由DS1202改进而来，增加了以下的特性双电源管脚用于主电源和备份电源供应，Vcc1为可编程涓流充电电源，附加七个字节存储器。它广泛应用于电话、传真、便携式仪器以及电池供电的仪器仪表等产品领域。其主要的性能指标如下：（1）实时时钟具有能计算2100年之前的秒、分、时、日期、星期、月、年的能力，有闰年调整的能力。（2）31*8位暂存数据存储RAM。（3）串行I/O口方式使得管脚数量最少。（4）宽范围工作电压2.05.5V。（5）工作电流2.0V时，小于300nA。（6）读/写时钟或RAM数据时有两种传送方式单字节传送和多字节传送字符组方式。（7）8脚DIP封装

43、或可选的8脚SOIC封装。（8）简单3线接口。（9）与TTL兼容VCC=5V。（10）可选工业级温度范围40至85摄氏度。（11）与DS1202兼容。（12）在DS1202基础上增加的特性：（13）对VCC1有可选的涓流充电能力；（14）双电源管用于主电源和备份电源供应；（15）备份电源管脚可由电池或大容量电容输入；（16）附加的7字节暂存存储器。综上所述，选用DS1302时间芯片完全满足设计的需求。2.3.8 A/D模块设计方案A/D器件和芯片是实现单片机数据采集的常用外围器件。A/D转换器的品种繁多、性能各异，在设计数据采集系统时，首先碰到的就是如何选择合适的A/D转换器以满足系统设计要求

44、的问题。选择A/D转换器件需要考虑器件本身的品质和应用的场合要求。基本上，可以根据以下几个方面的指标选择一个A/D器件。图 2-9 ADC0804芯片（1）A/D转换器位数A/D转换器位数的确定，应该从数据采集系统的静态精度和动态平滑性这两个方面进行考虑。从静态精度方面来说，要考虑输入信号的原始误差传递到输出所产生的误差，它是模拟信号数字化时产生误差的主要部分。量化误差与A/D转换器位数有关。一般把8位以下的A/D转换器归为低分辨率A/D转换器，912位的称为中分辨率转换器，13位以上的称为高分辨率转换器。10位以下的A/D芯片误差较大，11位以上对减小误差并无太大贡献，但对A/D转换器的要求

45、却提得过高。因此，取10位或11位是合适的。由于模拟信号先经过测量装置，再经A/D转换器转换后才进行处理，因此，总的误差是由测量误差和量化误差共同构成的。A/D转换器的精度应与测量装置的精度相匹配。也就是说，一方面要求量化误差在总误差中所占的比重要小，使它不显著地扩大测量误差；另一方面必须根据目前测量装置的精度水平，对A/D转换器的位数提出恰当的要求。目前，大多数测量装置的精度值不小于0.1%0.5%，故A/D转换器的精度取0.05% 0.1%即可，相应的二进制码为1011位，加上符号位，即为1112位。当有特殊的应用时，A/D转换器要求更多的位数，这时往往可采用双精度的转换方案。（2）A/D

46、转换器的转换速率A/D转换器从启动转换到转换结束，输出稳定的数字量，需要一定的转换时间。转换时间的倒数就是每秒钟能完成的转换次数，称为转换速率。确定A/D转换器的转换速率时，应考虑系统的采样速率。例如，如果用转换时间为100us的A/D转换器，则其转换速率为10KHz。根据采样定理和实际需要，一个周期的波形需采10个样点，那么这样的A/D转换器最高也只有处理频率为1KHz的模拟信号。把转换时间减小，信号频率可提高。对一般的单片机而言，要在采样时间内完成A/D转换以外的工作，如读数据、再启动、存数据、循环计数等已经比较困难了。（3）采样/保持器采集直流和变化非常缓慢的模拟信号时可不用采样保持器。

47、对于其他模拟信号一般都要加采样保持器。如果信号频率不高，A/D转换器的转换时间短，即采样高速A/D时，也可不用采样/保持器。（4）A/D转换器量程A/D转换时需要的是双极性的，有时是单极性的。输入信号最小值有的从零开始，也有从非零开始的。有的转换器提供了不同量程的引脚，只有正确使用，才能保证转换精度。在使用中，影响A/D转换器量程的因素有：量程变换和双极性偏置；双基准电压；A/D转换器内部比较器输入端的正确使用。（5）满刻度误差满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。（6）线性度实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移。ADC0804是单路8位逐次比较型双极性输入A/D转换器，转换时间小

48、于 。量化间隔：（2-1）绝对量化误差：（2-2）相对量化误差：（2-3）在液位传感器误差与参考电压误差不大的情况下，ADC0804是完全满足设计误差要求的。2.3.9 传感器模块设计方案液位控制是一项很重要的功能，在工业应用中有各种不同的液位控制系统，涵盖了很多种制程。有些制程会涉及到液体以外的其它介质，如干粉和化学原料。介质的种类如此广泛，没有一种单一的设备能满足所有的应用。（1） 浮球控制 - 有一个浮球会随着液位的改变而上下运动，按照预先设定的点来进行开关切换。（2） 探头型 - 我们会在下面的内容中介绍这种测量电导率或电容方法。（3） 钢棒电容型 - 一根悬浮在液体中的钢棒，电容的测

49、量值会随着水位的变化而变化。（4） 超声波型 - 传感器直接向被测量液体的表面发出高频声波脉冲，利用已知的温度、空气中声波的速度、脉冲反弹回传感器的时间来确定液位。（5） 微波雷达探测型 - 原理同超声波类似，只不过是利用高频电磁能来代替声能。（6） 流体静压型 - 利用一个压力传感器来测量感应器头上被测液体的液体静压和大气压之间的压差。压力的改变相应转换成4-20mA的输出信号。（7） 压差型 - 原理类似流体静压型，但是此处的被测液体除了静压还有动压。可以测量压力的微小改变，并与输出信号范围成比例。典型应用是测量锅炉的蒸汽汽包中的水位，或者是再沸器中冷凝水的液位。（8） 磁体型 - 在被测

50、液体的水箱中，一个浮球或锥体沿着不锈钢的探棒上升或下降。浮球与水箱外面的开关由于磁性互相影响，并且向控制器发回信息。（9） 扭矩型 - 扭矩变送器测量一个运动的浮球轴产生扭矩的变化。对于应用而言，使用正确的液位控制很重要，因此在选型之前需要向技术员寻求一些专业的建议。探讨上面所有的控制形式各自的优缺点已经超出了本论文内容的范围，水箱液位控制系统应用中，常用的是浮球和探头型的液位控制。浮球型的动作是完全自作用的，无需过多的解释，下面对采用电导率和电容性的探头的液位控制系统做进一步的讨论。液位控制的方法主要有三种：（1） 非调节的开/关液位控制最终的控制设备可能会是一台水泵或阀门，控制的是这些设备

51、的开/关。通常碰到的开/关液位控制系统主要有两种形式：浮球控制型和电导率探头型。浮球型的液位控制依靠液体表面上浮球的运动来直接控制阀门的动作，或者驱动电子开关。电导率探头会有几根探棒，这些探棒被切割成不同的长度，这些就是控制的设定点。（2） 可调的开/关液位控制同样，最终的控制设备可能会是一台水泵或阀门，控制的是这些设备的开/关。用来调整控制点的一种方法是电容探头。探头会监测液位，控制点由控制器来设定。电容型探头不需要切割以满足所需的液位，当然，整个探头的长度必须充分满足整个控制范围。（3） 调节型液位控制控制设备会是一个阀门，调节至从全开到全关中的某个点，其作用是对液位进行监控。调节型的液位

52、控制不能使用一个电导率探头。在这种应用中电容探头是一个理想的选择。在这种形式的系统中，水泵可以连续运转，阀门允许适量的液体通过。同样地，最终控制设备也可以是一个变频水泵。转速可以在一定的范围内进行设定。 图 2-10四探头型的液位感应器 图2-11电容式的液位感应器报警 常用于这些警告：高位报警，用于当水箱的溢流或者热流体的溢出会造成人员危险。低位报警，用于水箱液位太低，造成水泵空转损坏、制程供水不足造成危险。在扰动系统中浮球和探头的安装在某些水箱和容器中，可能会存在扰动，这样会造成信号失真、不具有代表性。如果这些状况可能存在（或已经存在），建议浮球或探头安装在保护套内。它们对于感应的水位具有

53、一定减弱的作用。对于三种控制方法的选择，主要依据是生产应用，本文讨论的是模型化的方案，因此，选择较为复杂，应用范围较广的调节型液位控制的方案进行详细介绍。调节型液位控制简介：调节型液位控制系统由一个电容探头和相应的控制器组成，控制器可以提供调节输出信号，一般为420mA。这些输出信号对不同设备的影响包括：调节控制阀、驱动变频水泵。优点:（1） 由于探头和控制器仅仅是提供一个输出信号给相应的设备，而不是给设备提供动力，因此在使用中没有口径的限制。（2） 可以提供水箱内稳定的液位控制。缺点:（1） 要比电导率探头液位控制系统昂贵。（2） 要比电导率探头液位控制系统复杂。（3） 必须要一直有电源供给

54、。（4） 不适合于“单独”操作。（5） 可能耗电量大。图 2-12 调节型的水箱液位控制系统的整体布置图控制器选择由于设计中没有规定水泵电机的参数规格，而且不同型号的水泵参数不尽相同，电气参数的不同使得在电路上的设计差异较大，因此在此仅作理论演示。选用继电器作为启动控制单元的元件。注意点:为了在调节阀关闭时防止给水泵过热，需要安装回流管道以保证最小量的水能通过水泵。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。图 2-13

55、继电器继电器主要产品技术参数：（1）额定工作电压。是指继电器正常工作时线圈所需要的电压。根据继电器的型号不同，可以是交流电压，也可以是直流电压。（2）直流电阻。是指继电器中线圈的直流电阻，可以通过万能表测量。（3）吸合电流。是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。在正常使用时，给定的电流必须略大于吸合电流，这样继电器才能稳定地工作。而对于线圈所加的工作电压，一般不要超过额定工作电压的1.5倍，否则会产生较大的电流而把线圈烧毁。（4）释放电流。是指继电器产生释放动作的最大电流。当继电器吸合状态的电流减小到一定程度时，继电器就会恢复到未通电的释放状态。这时的电流远远小于吸合电流。（5）触点切换电压和

56、电流。是指继电器允许加载的电压和电流。它决定了继电器能控制电压和电流的大小，使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器的触点。根据以上的参数，结合设计的演示性，选用额定工作电压120VAC/24VDC，工作电流3A，控制电压5VDC的小型继电器。第三章 硬件电路设计3.1 单片机AT89S52硬件设计AT89S52引脚定义及功能介绍如图3-1。图3-1 AT89S52引脚及网络标号电源引脚VCC（Pin40）：正电源引脚。正电源接4.05.0V电压，正常工作电压为+5V。GND（Pin20）：接地引脚。P0口：P0端口即P0.0P0.7，占据Pin39Pin32共8个引脚。P0端口具有两个功能，

57、既可以用作双向数据总线口，也可以分时复用输出低8位地址总线。P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在FLASH编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1口：P1端口即P1.0P1.7，占据Pin1Pin8共8个引脚。P1端口一般用做通用I/O端口，是8位准并行的，具备4个TTL负载的驱动能力。P1端口可以用做位处理，既各位都可以单独输出或输入数据。P1口是

58、一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下所示：在FLASH编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。引脚号第二功能：P1.0/T2 （定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出P1.1/T2EX （定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）P1.5 MOSI （在系统编

59、程用）P1.6 MISO （在系统编程用）P1.7 SCK （在系统编程用）P2口：P2端口即P2.0P2.7，占据Pin21Pin28共8个引脚。P2端口可以用作通用I/O端口，或者在扩展外部存储器时用作高8位地址线。P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR）时，P2口送出高八位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发

60、送1。在使用8位地址（如MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在FLASH编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P3口：P3端口即P3.0P3.7，占据Pin10Pin17共8个引脚。P3端口可以用作通用I/O端口，可进行位操作，同时还具有特定的第二功能。P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。表

61、3-1 端口引脚第二功能端口号第二功能P3.0RXD（串行输入口)P3.1TXD(串行输出口)P3.2INTO(外中断0)P3.3INT1(外中断1)P3.4TO(定时/计数器0)P3.5T1(定时/计数器1)P3.6WR(外部数据存储器写选通)P3.7RD(外部数据存储器读选通)此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。RST复位输入。单片机的复位引脚为RST（Pin9），单片机内部CPU的复位信号便从这里输入。 单片机复位完全通过RST引脚来完成，其基本原理是在单片机的时钟振荡电路启动后，如果RST引脚外加两个机器周期（即24个时钟振荡脉冲）以上的高电平，单片机便实

62、现了复位。图 3-2 自动/手动上电复位电路5ALE/PROG当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。ALE引脚（Pin30）具有两种功能，可以作为地址锁存使能端和编程脉冲输入端。下面分别进行介绍。当作为地址锁存使能端时为ALE。当单片机访问外部程序存储器时，ALE（地址锁存）的负跳变将低8位地址打入锁存。而当访问外部数据存储器时，例如执行MOVX类指令，ALE引脚会跳过一个脉冲。当单片机在非访问内部程序存储器时，ALE引脚将有一个1/6振荡频率的正脉冲信号输出，该信号可以用于外部计数或电路其他部分的时钟信号。当作为编程脉冲输入端时为，在进行

63、程序下载时使用。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。/PSEN/PSEN（Pin29）引脚是单片机访问外部程序存储器的读选通信号。当单片机访问外部程序存储器，读取指令码时，该引脚在每个机器周期产生两次有效信号，即该引脚输出两个负脉冲选通信号；在执行片内程序存储器读取指令码以及读写外部数据时，该引脚不产生脉冲信号。程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即