液位计算机控制课程实训报告.doc
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1、目录绪论11、 系统设计方案31.1 系统设计方案比较31.2 系统设计总框图31.3 A/D转换模块设计方案42. AT89C52单片机的基本结构72.1 控制器72.2存储器结构72.3 并行I/O口82.4 时钟电路与时序82.5晶振特性83.最小系统设计83.1 复位电路93.2 控制引脚EA接法94.数字钟的外围电路设计104.1 晶振电路104.2复位电路104.3显示电路114.4 LED显示器114.5共阳极接法124.6共阴极接法124.7 电源电路125相关控制电路135.1 按键电路135.2 定时工作方式145.3中断子程序146. 软件调试问题及解决147. 结 论1
2、4绪论在又可作为分布式计算机控制系统中的前端机,完成模拟量的采集和开关量的输入、处理和控制计算,然后输出控制信号。单片机广泛用于仪器仪表中,与不同类型的传感器相结合,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;在家用电器设备中,单片机已广泛用于电视机、录音机、电冰箱、电饭锅、微波炉、洗衣、高级电子玩具、家用防盗报警等各种家电设备中。在计算机网络和通信、医用设备、工商、金融、科研、教育、国防、航空航天等领域都有着十分广泛的应用。随着科技的发展,液位测量技术趋于智能化、微型化、可视化。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
3、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、AD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DA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
4、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 系统设计总框图电机控制模块A/D转换模块按键与显示模块时间模块存储模块通信模块单片片机主控模块 图2-1 系统总体框图1.3 A/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CMOS 10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A0A10(19 、11、12
5、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/O CLOCK (18脚)和DATA OUT(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。DATA OUT 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/O CLOCK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
6、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(10S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1.3.1 TLC1543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/O CLOCK、ADDRESS被禁止,同时DATA OUT为高阻状态。当CPU使CS变低时,TLC1543开始数据转换,I/O CLOCK、ADDRESS使能,DATA OUT脱离高
7、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/O CLOCK输入时钟时序,CPU从DATA OUT 端接收前一次A/D转换结果。I/O CLOCK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/O CLOCK下降沿,而采样一直持续6个I/O CLOCK周期,并一直保持到第10个I/O CLOCK下降沿。转换过程中,CS的下降沿使DATA OUT引脚脱离高
8、阻状态并起动一次I/O CLOCK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DATA OUT引脚返回到高阻状态,经过两个系统时钟周期后禁止I/O CLOCK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/O CLOCK、ADDRESS和一个数据输出端DATA OUT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。TLC 1543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
9、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1-1 A/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
10、位低四位高四位电压低四位电压F111115/1615/2564.8000.320E111014/1614/2564.4800.280D110113/1613/2564.1600.260C110012/1612/2563.8400.240B101111/1611/2563.5200.220A101010/1610/2563.2000.200910019/169/2562.8800.180010008/168/2562.5600.160701117/167/2562.2400.140601106/166/2561.9200.120501015/165/2561.6000.100401004/164
11、/2561.2800.080300113/163/2560.9600.060200102/162/2560.6400.040100011/161/2560.3200.020000000/160/2560.0000.000 1.3.3 TLC1543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E2PRO
12、M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
13、(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
14、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,TLC1543 A0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
15、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
16、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0000H1FFFFH)开始,接着从外部寻址,寻址范围为:2000HFFFFH。 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
17、。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
18、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
19、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
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