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1、畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文題目： 水位測(cè)量計(jì)的設(shè)計(jì)系 別： 專 業(yè)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 年 月 日摘 要隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)的迅速發(fā)展，水位測(cè)量計(jì)已經(jīng)從普通型對(duì)講發(fā)展到智能化，而且水位測(cè)量計(jì)的功能日益趨向于完善，然而水位測(cè)量計(jì)的許多相關(guān)理論與技術(shù)仍在不斷發(fā)展。水位測(cè)量計(jì)是近年來開發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù)，它是傳感器、硬件、軟件等幾項(xiàng)技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物，作為鍋爐控制裝置，其主要任務(wù)是保證水罐的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行，減輕工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。采用單片機(jī)，能對(duì)鍋爐進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制等多項(xiàng)功能。由于我國水位測(cè)量操作水平落后，工作人員過多，但是現(xiàn)在水位測(cè)量計(jì)為水位控制開辟了廣闊的前景。 水位

2、測(cè)量計(jì)，它的作用是觀測(cè)和控制容器內(nèi)的介質(zhì)多少量，通過液面的高度來掌握體積的多少，從而達(dá)到防止超裝和掌握存液數(shù)量的目的。對(duì)水位測(cè)量計(jì)研究，有利于滿足人們?nèi)找嬖鲩L的物質(zhì)需求，通過將科學(xué)技術(shù)應(yīng)用到水位控制上從而使得人們真正體會(huì)到科技的發(fā)展給自己的現(xiàn)實(shí)生活所帶來的方便和舒適。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī) 水位 傳感器Abstract：Along with the computer technology and Modern Communication Technologys rapidly expand, the water level survey meter already to said from the p

3、opular type develops the intellectualization, moreover the water level survey meters function tends to day by day the consummation, however water level survey meters many correlation theories and the technology unceasingly were still developing. The water level survey meter is a new technology which

4、 the recent years developed, it was the sensor, the hardware, the software and so on several technical close union product, as the boiler control installment, its primary mission was guaranteed that watering cans security, stable, economical movement, reduced staffs labor intensity. Uses the monolit

5、hic integrated circuit, can carry on the automatic detection, the automatic control to the boiler and so on many functions. Because our country water level survey operational level is backward, the staff are excessively many, but the present water level survey meter opened the broad prospect for the

6、 water monitor. The water level survey meter, its function is in the observation and the control vessels medium are much few, grasps the volume highly through the liquid level how many, thus achieves prevents the ultra attire and grasps saves the fluid quantity the goal. To the water level survey me

7、ter research, is advantageous satisfies the material needs which the people grow day by day, through applies the science and technology in the water monitor, thus causes the people to realize truly the science and technology the development convenient which and the comfort brings for own real life.K

8、eywords:Monolithic integrated circuit Water level Sensor 目 錄1 引言11.1 選題的目的意義11.2 應(yīng)解決的主要問題11.3 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀12 設(shè)計(jì)方案的確定33 硬件設(shè)計(jì)53.1 傳感器的選擇53.1.1 傳感器的概述53.1.2 傳感器類別的選擇63.1.3 傳感器型號(hào)的選擇83.2 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇113.2.1 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)113.2.2 A/D轉(zhuǎn)換器的類別的選擇123.2.3 A/D轉(zhuǎn)換器型號(hào)的選擇133.2.4 ADC0809芯片的引腳功能153.3 單片機(jī)選擇193.3.1 單片機(jī)的簡(jiǎn)介193.3.2

9、 8051芯片引腳203.3.3 存儲(chǔ)器223.4 復(fù)位電路和時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)243.4.1 復(fù)位電路設(shè)計(jì)243.4.2時(shí)鐘電路選擇253.5 報(bào)警電路設(shè)計(jì)263.6 控制電路的設(shè)計(jì)273.7 鍵盤顯示電路設(shè)計(jì)273.7.1 鍵盤電路簡(jiǎn)介273.7.2 鍵盤電路的分類283.7.3 8155的結(jié)構(gòu)與引腳293.7.4 矩陣式鍵盤電路簡(jiǎn)介303.8 顯示電路設(shè)計(jì)313.8.1 顯示器件的選擇313.8.2 驅(qū)動(dòng)芯片的選擇313.8.3 MC14499芯片簡(jiǎn)介323.8.4 LED驅(qū)動(dòng)芯片MC14499343.9 集成穩(wěn)壓器電路353.9.1 集成穩(wěn)壓器電路簡(jiǎn)介353.9.2 W7805芯片簡(jiǎn)介35

10、3.10 電源監(jiān)控器件364 軟件設(shè)計(jì)384.1 程序模塊384.2 程序流程圖384.2.1 主程序流程圖384.2.2 A/D0809轉(zhuǎn)換程序流程394.2.3 鍵盤掃描子程序394.2.4 鍵盤顯示子程序的設(shè)計(jì)41總結(jié)42參考文獻(xiàn)43致 謝44附錄A45附錄B4663河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 引言1 引言1.1 選題的目的意義隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)的迅速發(fā)展，水位測(cè)量計(jì)已經(jīng)從普通型對(duì)講發(fā)展到智能化，而且水位測(cè)量計(jì)的功能日益趨向于完善，然而水位測(cè)量計(jì)的許多相關(guān)理論與技術(shù)仍在不斷發(fā)展。本次設(shè)計(jì)的就是水位測(cè)量計(jì)研究的一個(gè)課題。水位計(jì)也叫“液位計(jì)”或“液面計(jì)”。因鍋爐里的水在高溫時(shí)

11、汽化供暖，水和汽的損耗較大，要不斷地補(bǔ)充水，使鍋爐里的水位保持一定的高度，水位過低，鍋爐就有爆炸的危險(xiǎn)。為了隨時(shí)了解鍋爐內(nèi)的水位，在鍋爐上都裝有水位計(jì)，水位計(jì)和鍋爐構(gòu)成一個(gè)連通器。常用的有玻璃液位計(jì)、壓強(qiáng)液位計(jì)、浮標(biāo)液位計(jì)、電容液位計(jì)及電阻液位計(jì)等。在高溫和高壓下，也可采用同位素液位計(jì)。 水位計(jì)產(chǎn)品多種多樣，其中以玻璃管液位計(jì)和玻璃板液位計(jì)使用的最多，玻璃管液位計(jì)又因材質(zhì)的不同分為普通玻璃管液位計(jì)和石英玻璃管液位計(jì)，二者是有區(qū)別的。本人之選題水位測(cè)量計(jì)，具有如下目的意義：通過查閱資料可以了解當(dāng)前行業(yè)前沿的水位測(cè)量計(jì)技術(shù)及產(chǎn)品發(fā)展?fàn)顩r。培養(yǎng)自己將所學(xué)的知識(shí)與現(xiàn)實(shí)相聯(lián)系的能力。水位測(cè)量計(jì)，它的作用

12、是觀測(cè)和控制容器內(nèi)的介質(zhì)多少量，通過液面的高度來掌握體積的多少，從而達(dá)到防止超裝和掌握存液數(shù)量的目的。對(duì)水位測(cè)量計(jì)研究，有利于滿足人們?nèi)找嬖鲩L的物質(zhì)需求，通過將科學(xué)技術(shù)應(yīng)用到水位控制上從而使得人們真正體會(huì)到科技的發(fā)展給自己的現(xiàn)實(shí)生活所帶來的方便和舒適。1.2 應(yīng)解決的主要問題本設(shè)計(jì)主要解決傳感器的選擇、硬件電路的設(shè)計(jì)和軟件程序的設(shè)計(jì)。其所能達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)為可以對(duì)水罐水位信息進(jìn)行采集。通過單片機(jī)控制，使水罐水位水位維持在正常的范圍內(nèi)。具有鍵盤顯示功能。具有報(bào)警功能當(dāng)水位超過上限或下限時(shí)，能及時(shí)報(bào)警。對(duì)水位進(jìn)行控制的功能。對(duì)整個(gè)電路有一個(gè)專門提供電源的基準(zhǔn)電壓回路。對(duì)電源進(jìn)行監(jiān)控的電源監(jiān)控器件。1

13、.3 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀2009-2010年中國容器液位測(cè)量計(jì)產(chǎn)業(yè)專題調(diào)查分析報(bào)告中指出中國容器液位測(cè)量計(jì)市場(chǎng)分析報(bào)告立足于容器液位測(cè)量計(jì)市場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀分析，通過對(duì)容器液位測(cè)量計(jì)行業(yè)環(huán)境、容器液位測(cè)量計(jì)產(chǎn)業(yè)鏈、容器液位測(cè)量計(jì)市場(chǎng)供需、容器液位測(cè)量計(jì)價(jià)格、容器液位測(cè)量計(jì)生產(chǎn)企業(yè)的詳盡分析，以使企業(yè)和投資者達(dá)到對(duì)容器液位測(cè)量計(jì)產(chǎn)品市場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀的全面、深入掌握；同時(shí)為使企業(yè)和投資者把握容器液位測(cè)量計(jì)未來的市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)，單位還對(duì)容器液位測(cè)量計(jì)行業(yè)未來發(fā)展趨勢(shì)和市場(chǎng)前景進(jìn)行科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治雠c預(yù)測(cè)；另外在投資分析部分，針對(duì)企業(yè)投資決策依據(jù)進(jìn)行了重點(diǎn)分析，并綜合給出投資建議。目前國內(nèi)外液位計(jì)的種類很多，有雷達(dá)液位

14、計(jì)、磁性浮子液位計(jì)、石英管液位計(jì)、智能雷達(dá)液位計(jì)、彩色石英管液位計(jì)和超聲波液位計(jì)等等。而生產(chǎn)液位計(jì)的公司有美國羅斯蒙特ROSEMOUNT、德國E+H、日本橫河YOKOGAWA、德國西門子SIEMENS、瑞士ABB、德國VEGA 。這些只是常用而較熱門的品牌。河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 設(shè)計(jì)方案的確定2 設(shè)計(jì)方案的確定數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是指這樣的系統(tǒng)，它具有將模擬量（例如 溫度、壓力、位移、語音、圖像等）變?yōu)閿?shù)字量，然后經(jīng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚砗?，再配以顯示、記錄等功能。典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖如圖2.1所示，圖中各單元的功能如下：被測(cè)物理量傳感器放大，整形，濾波A/D轉(zhuǎn)換器單片機(jī)控制設(shè)備顯示設(shè)

15、備報(bào)警設(shè)備變送器2.1 典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖被測(cè)物理量：主要是指非電的物理量，例如工業(yè)控制中的溫度、壓力、流量、水位等。傳感器：將輸入的物理量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)非電量到電量的變換。傳感器的精度直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能，所以是系統(tǒng)中一個(gè)重要的部件。放大，整形，濾波：傳感器的輸出信號(hào)一般不適合直接去轉(zhuǎn)換數(shù)字量，通常要進(jìn)行放大，特性補(bǔ)償，濾波等環(huán)節(jié)的預(yù)處理來完成。A/D轉(zhuǎn)換器：實(shí)現(xiàn)將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，常用的是并行比較型、逐次逼近式、積分式等。單片機(jī)：目前的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能和性能日趨完善，因此主控部分一般都采用單片機(jī)。顯示設(shè)備：常用的顯示器有發(fā)光二極管、7段數(shù)碼管等。控制設(shè)備：一般有按鍵

16、控制，具有設(shè)定，確定等功能。報(bào)警設(shè)備：當(dāng)所測(cè)的信號(hào)超出了設(shè)定值，應(yīng)該通知工作人員進(jìn)行處理的設(shè)備，一般有聲光報(bào)警等。綜上所述，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)在硬件方面的工作主要是根據(jù)系統(tǒng)要求，合理選好個(gè)單元器件及互相連接，以及完成輸入、輸出的設(shè)計(jì)。而數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是根據(jù)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能，經(jīng)接口對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行控制；對(duì)模擬多路輸入通道的選擇以保證選擇正確的通道；在正確的時(shí)刻取樣和保持以使ADC能正確完成轉(zhuǎn)換；對(duì)輸入的數(shù)字信息進(jìn)行運(yùn)算處理以及顯示、記錄和傳輸，對(duì)信息格式可能還要做變換工作，這些基本上都是通過編程來實(shí)現(xiàn)?；谏鲜龅目紤]本設(shè)計(jì)的整體思路如下:以MCS-51系列單片機(jī)為核心開始設(shè)計(jì)，選用合適的液

17、位傳感器對(duì)水罐中的液位參數(shù)進(jìn)行測(cè)量把檢測(cè)到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。本次設(shè)計(jì)采用的是變送器，它可以直接把液位信號(hào)轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)，而不需要放大、整形、濾波等。對(duì)該電信號(hào)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D與單片機(jī)相連，由I/O端口輸入到單片機(jī)，由單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。在控制電路的控制下，最后經(jīng)過輸出端口單片機(jī)與顯示電路相連通過所編的程序完成顯示功能。設(shè)計(jì)方法從整體上把它分成兩塊：第一塊為硬件電路的設(shè)計(jì)，對(duì)傳感器的選型，A/D轉(zhuǎn)換器，接口芯片的選型。為顯示的驅(qū)動(dòng)電路、數(shù)碼管的選型。第二塊為軟件的設(shè)計(jì)，采用匯編語言編程，這里面包含定時(shí)對(duì)檢測(cè)電路數(shù)據(jù)采集，輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示

18、等。河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 硬件設(shè)計(jì)3 硬件設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)大體可以分為5步：用傳感器將非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換成電量信號(hào)，而在設(shè)計(jì)中選用什么類型的傳感器，從經(jīng)濟(jì)性，可靠性和準(zhǔn)確性的方面考慮。用模/數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后傳送到單片機(jī)里。是控制電路的設(shè)計(jì)，即鍵盤、按鈕等對(duì)水位測(cè)量系統(tǒng)的控制。顯示、監(jiān)控電路的設(shè)計(jì)。對(duì)電壓基準(zhǔn)電路和電源監(jiān)控電路的設(shè)計(jì)。硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖如圖3.1所示。單片機(jī)液位變送器時(shí)鐘電路復(fù)位電路操作鍵盤LED顯示驅(qū)動(dòng)電路報(bào)警電路電壓基準(zhǔn)回路電源監(jiān)控電路LED顯示電路A/D轉(zhuǎn)換器水位控制電路3.1 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖3.1 傳感器的選擇3.1.1 傳感器的概述傳感器是

19、一種能將與待測(cè)量的能量形式，轉(zhuǎn)化成另一種可供處理查詢的能量形式的裝置。信號(hào)處理電路用于處理信息，而輸出器件是一種利用已處理過的信號(hào)的裝置、顯示或動(dòng)作。傳感器不但對(duì)被測(cè)信號(hào)敏感，而且具有把它對(duì)被測(cè)變量的響應(yīng)送出去的功能。也就是說，傳感器不是一般的敏感元件，它的輸出響應(yīng)還必須易于傳送的物理量。例如彈性膜盒的輸出響應(yīng)是形變，是微小的幾何量（位移）不便于遠(yuǎn)距離傳送。如果把膜盒中心的位移轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙輼O板的間隙變化，就稱為輸出響應(yīng)是電容量的壓力傳感器。倘若，再通過適當(dāng)?shù)碾娐肥闺娙萘康拇笮檎袷庮l率的高低，就演變成輸出響應(yīng)是頻率值的壓力傳感器。某些敏感元件的輸出響應(yīng)本來就能夠傳送到別處測(cè)量，例如，鉑電阻應(yīng)變電

20、阻的阻值，熱電偶的電動(dòng)勢(shì)等，把這些敏感元件稱為傳感器也未嘗不可。由于電信號(hào)便于遠(yuǎn)距離傳送，所以絕大多數(shù)傳感器的輸出是電量的形式，如電壓、電流、電阻、電感、電容、頻率等。也有利用壓縮空氣的壓力大小傳送信息的這種方法在抗電磁干擾和防報(bào)安全方面比電傳送要優(yōu)越，但氣源和線路上的投資較大，而且傳送速度較低。近年來利用光纖傳送信號(hào)信息的傳感器正在發(fā)展，其抗干擾、防爆、快速性都有突出的優(yōu)點(diǎn)?？傊瑐鞲衅鞯妮敵鑫锢砹坎痪幸桓?，其數(shù)值范圍也沒有一定的范圍限制。在查閱傳感器類型的過程中遇到較多的是變送器。可是變送器和傳感器的區(qū)別在哪里？從字面上不難看出，傳感器不但應(yīng)該對(duì)被測(cè)變量敏感，而且有把被測(cè)變量的響應(yīng)變送出去

21、的功能，也就是說，傳感器不只是一般的敏感元件，它的輸出響應(yīng)還必須是易于變送的物理量。而變送器是傳感器發(fā)展而來的，凡能輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的傳感器就稱為變送器。標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)是物理量的形式和數(shù)值范圍都符合國際標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)。例如，直流電流420mA，空氣壓力20100kPa，直流電壓05V都是當(dāng)前通用的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。3.1.2 傳感器類別的選擇常用于測(cè)量液位的液位計(jì)有連通器式、吹泡式、差壓式、電容式等，測(cè)量物位的有超聲波物位計(jì)和放射性物位計(jì)等。其測(cè)量原理和特點(diǎn)如下：連通器式就是應(yīng)用最普通的玻璃液位計(jì)，它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)廉、直觀，適于現(xiàn)場(chǎng)使用，但易破損，內(nèi)表面沾污，造成讀數(shù)困難，不便于遠(yuǎn)傳和調(diào)節(jié)。 浮力式液位計(jì)包括

22、恒浮力式和變浮力式兩類。1）恒浮力式液位計(jì)。恒浮力式液位計(jì)是依靠浮標(biāo)或浮子浮在液體中隨液面變化而升降，它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格較低，適于各種貯罐的測(cè)量；2）變浮力式液位計(jì)。變浮力式亦稱沉筒式液位計(jì)，當(dāng)液面不同時(shí)，沉筒浸泡于液體內(nèi)的體積不同，因而所受浮力不同而產(chǎn)生位移，通過機(jī)械傳動(dòng)轉(zhuǎn)換為角位移來測(cè)量液位。此類儀表能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳和自動(dòng)調(diào)節(jié)。 吹泡式液位計(jì)是應(yīng)用靜壓原理測(cè)量敞口容器液位。壓縮空氣經(jīng)過過濾減壓閥后，再經(jīng)定值器輸出一定的壓力，經(jīng)節(jié)流元件后分兩路：1）一路進(jìn)到安裝在容器內(nèi)的導(dǎo)管，由容器底部吹出；2）另一路進(jìn)入壓力計(jì)進(jìn)行指示。當(dāng)液位最低時(shí)，氣泡吹出沒有阻力，背壓力零，壓力計(jì)指零；當(dāng)液位增高時(shí)，氣

23、泡吹出要克服液柱的靜壓力，背壓增加，壓力指示增大。因此，背壓即壓力計(jì)指示的壓力大小，就反映了液面的高低。吹泡式液位計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)廉，適用于測(cè)量具有腐蝕性、粘度大和含有懸浮顆粒的敞口容器的液位，但精度較低。差壓式液位計(jì)有氣相和液相兩個(gè)取壓口。氣相取壓點(diǎn)處壓力為設(shè)備內(nèi)氣相壓力；液相取壓點(diǎn)處壓力除受氣相壓力作用外，還受液柱靜壓力的作用，液相和氣相壓力之差，就是液柱所產(chǎn)生的靜壓力。這類儀表包括氣動(dòng)、電動(dòng)差壓變送器及法蘭式液位變送器，安裝方便，容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳和自動(dòng)調(diào)節(jié)，工業(yè)上應(yīng)用較多。電容式液位計(jì)是采用測(cè)量電容的變化來測(cè)量液面的高低的。它是一根金屬棒插入盛液容器內(nèi)，金屬棒作為電容的一個(gè)極，容器壁作為電容的

24、另一極。兩電極間的介質(zhì)即為液體及其上面的氣體。由于液體的介電常數(shù)1和液面上的介電常數(shù)2不同，比如：12，則當(dāng)液位升高時(shí)，兩電極間總的介電常數(shù)值隨之加大因而電容量增大。反之當(dāng)液位下降，值減小，電容量也減小。所以，可通過兩電極間的電容量的變化來測(cè)量液位的高低。電容液位計(jì)的靈敏度主要取決于兩種介電常數(shù)的差值，而且，只有1和2的恒定才能保證液位測(cè)量準(zhǔn)確，因被測(cè)介質(zhì)具有導(dǎo)電性，所以金屬棒電極都有絕緣層覆蓋。電容液位計(jì)體積小，容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳和調(diào)節(jié)，適用于具有腐蝕性和高壓的介質(zhì)的液位測(cè)量。 超聲波物位計(jì)是利用超聲波在氣體、液體或固體中的衰減、穿透能力和聲阻抗不同的性質(zhì)來測(cè)量?jī)煞N介質(zhì)的界面。此類儀表精度高、反應(yīng)

25、快，但成本高、維護(hù)維修困難，都用于要求測(cè)量精度較高的場(chǎng)合。 放射形物位計(jì)是利用物位的高低對(duì)放射形同位素的射線吸收程度不同來測(cè)量物位高低的，它的測(cè)量范圍寬，可用于低溫、高溫、高壓容器中的高粘度、高腐蝕、易燃易爆介質(zhì)物位的測(cè)量。但此類儀表成本高，使用維護(hù)不方便，射線對(duì)人體危害性大。應(yīng)變電阻傳感器應(yīng)由應(yīng)變電阻片盒測(cè)量線路兩部分組成，其中應(yīng)變電阻片感應(yīng)被測(cè)量壓力（包括扭矩、荷重、拉力）并在外力作用下產(chǎn)生彈性形變導(dǎo)致電阻值發(fā)生改變，它是將力轉(zhuǎn)換成電阻變化的檢測(cè)元件，測(cè)量電阻將變化的電阻轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)被測(cè)壓力的最終指示和信號(hào)遠(yuǎn)傳。由于應(yīng)變測(cè)量方法靈敏度高，測(cè)量范圍廣，頻率響應(yīng)快，既可用于靜態(tài)測(cè)量，又可

26、用于動(dòng)態(tài)測(cè)量，尺寸小，重量輕，能夠在各種惡劣的環(huán)境條件下可靠工作，所以被廣泛地應(yīng)用于各種力的測(cè)量和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中。接下來來分析一下本設(shè)計(jì)到底用哪一種液位傳感器更為合適，首先，應(yīng)該明確一下，本設(shè)計(jì)是水位測(cè)量計(jì)，因此有很多種，如石油、化工、環(huán)保和水利等。本次所選的是一個(gè)大型水罐，但類似于水塔。根據(jù)下面的信息來確定應(yīng)該用何種傳感器。連通式傳感器，俗稱直讀液位計(jì)，由于它易于破損，不便于遠(yuǎn)傳和調(diào)節(jié)。所以它不適合用在大型水罐上；浮力式液位計(jì)，價(jià)格較低，簡(jiǎn)單易于操作，可用來遠(yuǎn)傳和調(diào)節(jié)。適合用在大型水罐上；吹泡式液位計(jì)簡(jiǎn)單價(jià)廉，但精度較低，不適合用在大型水罐上；差壓是液位計(jì)，主要用表測(cè)量粘稠、有沉淀、有腐蝕或易凍

27、結(jié)的液體，一般不會(huì)用在大型水罐上；電容液位計(jì)體積小，容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳和調(diào)節(jié)，適用于具有高腐蝕性和高壓液位測(cè)量，因此不適合用在大型水罐上；超聲波液位計(jì)和放射性液位計(jì)，雖然它的精度很高，但是在價(jià)格方面都過于昂貴，因此在大型水罐的液位傳感器中也不會(huì)選擇。從上面分析中，可以看出浮子式液位計(jì)和應(yīng)變式傳感器都適合作為大型水罐的液位傳感器。在本設(shè)計(jì)中選擇應(yīng)變式液位計(jì)作為液位傳感器。3.1.3 傳感器型號(hào)的選擇在本次設(shè)計(jì)中，準(zhǔn)備選用應(yīng)變式液位計(jì)作為此次設(shè)計(jì)所使用的傳感器。所查閱到的主要有三種型號(hào)的變送器。TBP-4投入式液位變送器用途與特點(diǎn)：采用進(jìn)口芯片，質(zhì)量可靠。液位測(cè)量計(jì)不受外界大氣壓變化的影響。具有優(yōu)良的密

28、封劑防腐性能，測(cè)量準(zhǔn)確，長期穩(wěn)定性好。適用于石油、化工、環(huán)保、水利等領(lǐng)域。量程規(guī)格：1mH20、10mH20、30mH20、50mH20、100mH20、150mH20、200mH20（1mH20=9.8066510-2Pa）主要技術(shù)指標(biāo)如表3.1所示：表3.1:額定載荷/mH201200長期穩(wěn)定性/(%FS/年)0.3綜合精度0.1，0.2，0.3（線性+滯后+重復(fù)性）安全過載/%FS150結(jié)構(gòu)形式便攜式，分體式，鎧裝式額定電壓24VDC蠕變/（%FS/30min）0.10.3材質(zhì)不銹鋼零點(diǎn)溫度影響/（%FS/10）0.10.3輸出信號(hào)05V或420mA輸出溫度影響/（%FS/10）0.10

29、.3輸出形式兩線或三線制工作溫度/-20+65測(cè)量介質(zhì)與或聚氟乙烯兼容的介質(zhì)注：1mH20=9.8066510-2Pa生產(chǎn)廠家：蚌埠天光測(cè)控儀表廠JBY系列L形普通投入式液位變送器簡(jiǎn)介：投入式靜壓式液位變送器是基于所測(cè)液體靜壓與該液體的高度成比例的原理，采用外國先進(jìn)的隔離型擴(kuò)散硅敏感元件，利用壓阻效應(yīng)，將靜壓轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過溫度補(bǔ)償和線性修正，轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)（一般為420mA）。JYB系列L形普通投入式液位變送器適用于石油、化工、冶金、電力、制藥、環(huán)保等行邪惡各種介質(zhì)的液位測(cè)量。精巧的結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單的調(diào)校和靈活的安裝方式為用戶輕松地使用提供了方便。420mA、05V、010mA等標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出

30、方式由用戶根據(jù)需要任選。用途與特點(diǎn)：可廣泛用于水廠、污水處理廠、城市供水、高樓水池、水井、礦井、工業(yè)水池、水罐、水文地質(zhì)、水庫、河道、海洋等場(chǎng)所、抗過載能力強(qiáng)、防浪涌電壓，抗腐蝕性能優(yōu)良，具有過壓過流保護(hù)，反向極性保護(hù)，穩(wěn)定性高，抗干擾能力強(qiáng)，實(shí)用性強(qiáng)，安裝簡(jiǎn)便。主要性能指標(biāo)如表3.2所示：表3.2:量程/m0100內(nèi)各量程，最小量程0.5遲滯性與可重復(fù)性/%FS0.1長期穩(wěn)定性/（%FS/年）0.1介質(zhì)溫度/-20+70熱力零點(diǎn)漂移/（%FS/）0.03環(huán)境溫度/-10+60相應(yīng)時(shí)間/ms30供電電壓/V DC100，1232（通常24）最大工作壓力2倍量程輸出信號(hào)電流輸出型600電壓輸出型

31、3000電氣連接電纜連接外部零件的材料普通不銹鋼/316不銹鋼負(fù)載特性/010mA/420 mA05VDC/15VDC殼體材料普通不銹鋼/316不銹鋼/鑄鋁外殼測(cè)量介質(zhì)油，水，氣體及其他與316不銹鋼兼容介質(zhì)絕緣電阻/M100準(zhǔn)確度/%FSA級(jí)：0.25B級(jí)：0.5防護(hù)等級(jí)IP68非線性/%FS0.2本質(zhì)安全防爆Exia生產(chǎn)廠家：北京昆侖海岸傳感技術(shù)中心CFYPY液位傳感器（投入式）用途與特點(diǎn)：采用不銹鋼封焊結(jié)構(gòu)，具有良好的防潮能力及優(yōu)異的介質(zhì)兼容性，可用于工業(yè)生產(chǎn)中較弱腐蝕性介質(zhì)的液位測(cè)量。廣泛應(yīng)用于城市供水，水利，水文勘探等行業(yè)的自動(dòng)控制中。量程：00.5m到0200m主要技術(shù)指標(biāo)如表3.

32、3所示：表3.3:參數(shù)單位技術(shù)指標(biāo)參數(shù)單位技術(shù)指標(biāo)靈敏度mV/V10010靈敏度溫度系數(shù)%FS/100.25非線性%FS0.1工作溫度范圍-40+120滯后%FS0.1輸入電阻40010重復(fù)性%FS0.1輸出電阻3522蠕變%FS/30min0.03安全過載%FS150零點(diǎn)輸出%FS5絕緣電阻M5000（50VDV）零點(diǎn)溫度系數(shù)%FS/100.25推薦激勵(lì)電壓V1015生產(chǎn)廠家：蚌埠高靈傳感器系統(tǒng)工程有限公司關(guān)于應(yīng)變式傳感器主要有、和三種，而第三種它的工作范圍為-40+120，而水罐一般不用它。所以被排除，只剩下和可以考慮，從它們介紹的用途與特點(diǎn)中，可以知道更適合作為大型水罐液位測(cè)量的液位傳感

33、器。經(jīng)過查閱資料，并且將傳感器進(jìn)行對(duì)比?？梢源_定液位傳感器為JBY系列L形普通投入式液位變送器。3.2 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇3.2.1 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)A/D轉(zhuǎn)換器的作用是把模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，以便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，A/D轉(zhuǎn)換器的新設(shè)計(jì)思想和制造技術(shù)層出不窮。為滿足各種不同的檢測(cè)及控制任務(wù)的需要，大量結(jié)構(gòu)不同，性能不同的A/D轉(zhuǎn)換芯片應(yīng)運(yùn)而生。轉(zhuǎn)換精度 單片集成A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度是用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描述的。1）分辨率：它說明A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)的分辨能力。A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率以輸出二進(jìn)制（或十進(jìn)制）數(shù)的位數(shù)表示。從理論上講，n位輸出的A/D轉(zhuǎn)

34、換器能區(qū)分個(gè)不同等級(jí)的輸入模擬電壓，能區(qū)分輸入電壓的最小值為滿量程輸入的1/ 。在最大輸入電壓一定時(shí)，輸出位數(shù)越多，量化單位越小，分辨率越高。例如A/D轉(zhuǎn)換器輸出8位二進(jìn)制數(shù)，輸入信號(hào)最大值為5V，那么這個(gè)轉(zhuǎn)換器應(yīng)能區(qū)分輸入信號(hào)的最小電壓為19.53mV。2）轉(zhuǎn)換誤差：表示A/D轉(zhuǎn)換器是輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的差別。常用最低有效位的倍數(shù)表示。例如給出相對(duì)誤差LSB/2，這就表明實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上應(yīng)得到的輸出數(shù)字量之間的誤差小于最低位的半個(gè)字。轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間指A/D轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換控制信號(hào)到來開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)所經(jīng)過的時(shí)間。不同類型的轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度相差甚遠(yuǎn)。其中并

35、行比較A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度最高，8位二進(jìn)制輸出的單片集成A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)間可達(dá)50ms以內(nèi)。逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器次之，轉(zhuǎn)換速度較慢，一般在10s50s之間，也有達(dá)幾百納秒的。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間大都在幾十毫秒至幾百毫秒之間。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)總位數(shù)、精度要求、輸入模擬信號(hào)的范圍及輸入信號(hào)極性等方面綜合考慮選用何種A/D轉(zhuǎn)換器。3.2.2 A/D轉(zhuǎn)換器的類別的選擇 常用的A/D轉(zhuǎn)換器可分為并行比較型、逐次比較型和雙積分型等幾種。并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器并行A/D轉(zhuǎn)換器具有如下特點(diǎn)。1） 由于轉(zhuǎn)換是并行的，其轉(zhuǎn)換時(shí)間只受比較器，觸發(fā)器和編碼電路延遲時(shí)間的限制，因此轉(zhuǎn)換精度較快。2

36、） 使用這種含有寄存器的并行A/D轉(zhuǎn)換電路時(shí)，可以不用附加取樣-保持電路，因?yàn)楸容^器和寄存器這兩部分兼有取樣-保持功能。3） 隨著分辨率的提高，元件數(shù)目要按幾何級(jí)數(shù)增加，一個(gè)n位轉(zhuǎn)換器，所用的比較器個(gè)數(shù)為-1，如8位的并行A/D轉(zhuǎn)換器需要-1=255個(gè)比較器。位數(shù)越多，電路越復(fù)雜，因此要得到分辨率較高的集成并行A/D轉(zhuǎn)換器，需要很復(fù)雜的電路，這也是并行A/D轉(zhuǎn)換器最大的缺點(diǎn)。逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換過程與用天平稱物體質(zhì)量的過程非常相似。逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理就是將輸入的模擬信號(hào)與不同的參考電壓做多次比較，使轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量在數(shù)值上主次逼近輸入模擬量的對(duì)應(yīng)值。

37、逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間與其位數(shù)和時(shí)鐘脈沖頻率有關(guān)，位數(shù)越少，時(shí)鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換時(shí)間就越短。這種A/D轉(zhuǎn)換器具有轉(zhuǎn)換速度快、精度高的特點(diǎn)。常用的集成逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器有ADC0808/0809系列（8）位、ADC0804(8位)和AD7810（10位）等。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器是一種間接A/D轉(zhuǎn)換器。它的基本原理是，對(duì)輸入模擬電壓和參考電壓分別進(jìn)行兩次積分，將輸入電壓平均值轉(zhuǎn)換成與之成正比的時(shí)間間隔，然后利用時(shí)鐘脈沖和計(jì)數(shù)器測(cè)出此時(shí)間間隔，進(jìn)而得到相應(yīng)的數(shù)字量輸出。由于該轉(zhuǎn)換電路是對(duì)輸入電壓的平均值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，所以它具有很強(qiáng)的抗工頻干擾能力，在測(cè)量中得

38、到廣泛應(yīng)用。由于雙積分A/D轉(zhuǎn)換器在T1時(shí)間內(nèi)采用的是輸入電壓的平均值，因此具有很強(qiáng)的抗工頻干擾能力。從理論上來說，尤其對(duì)周期等于T1或幾分之一T1的對(duì)稱干擾（所謂對(duì)稱干擾是指整個(gè)周期內(nèi)平均值為零的干擾），有無窮大的抑制能力。即使在工頻干擾幅度大于被測(cè)直流信號(hào)，使輸入信號(hào)正負(fù)變化時(shí)，仍有良好的抑制能力。在工業(yè)系統(tǒng)中經(jīng)常碰到的是工頻（50Hz）或工頻的倍頻干擾，故通常選定采樣時(shí)間T1總是等于工頻電源周期的倍數(shù)，如20ms或40ms等。另一方面，由于在轉(zhuǎn)換過程中，前后兩次積分所采用的是同一積分器，因此，在兩次積分期間（一般在幾十至數(shù)百毫秒之間），R、C和脈沖源等元件參數(shù)的變化對(duì)轉(zhuǎn)換精度的影響均可以

39、忽略。常用的A/D轉(zhuǎn)換器可分為并行比較型、逐次比較型和雙積分型等幾種，不同類型的轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度相差甚遠(yuǎn)。其中并行比較A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度最高，8位二進(jìn)制輸出的單片集成A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)間可達(dá)50ms以內(nèi)。逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器次之，轉(zhuǎn)換速度較慢，一般在10s50s之間，也有達(dá)幾百納秒的。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間大都在幾十毫秒至幾百毫秒之間。而且雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器很強(qiáng)的抗工頻干擾能力，再從經(jīng)濟(jì)性方面綜合考慮，逐次比較型是最適合應(yīng)用在設(shè)計(jì)中的A/D轉(zhuǎn)換器。3.2.3 A/D轉(zhuǎn)換器型號(hào)的選擇ADC0809位8位逐次比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器、8通道多路轉(zhuǎn)換器以及與微控制器兼容的控制邏輯。8

40、個(gè)單獨(dú)模擬信號(hào)可從8通道多路轉(zhuǎn)換器直接輸入。ADC0809非常實(shí)用與過程控制、微控制器輸入通道的接口電路、智能儀器和機(jī)床控制等領(lǐng)域。逐次比較型ADC08091）主要性能ADC0809的主要性能如下。a.CMOS工藝制造。b.單電源供電。c.逐次比較型。e.無需外部進(jìn)行零點(diǎn)和滿度調(diào)整。f.并行輸出。g.可鎖存三態(tài)輸出，輸出與TTL兼容。h.易用于各種微控制器接口。i.具有鎖存控制的8路模擬開關(guān)。j.分辨率為8位。k.功耗為15mW。l.轉(zhuǎn)換時(shí)間（=500kHz）為128s。m.轉(zhuǎn)換精度為0.4%。2)工作特性ADC0809的工作特性如下。a.工作電壓為6.5V。b.輸入模擬信號(hào)電壓范圍為-0.3

41、V（+0.3V）。c.控制信號(hào)電壓范圍為-0.3V+15V。d.工作溫度為-65150。逐次比較型ADC0804ADC0804為CMOS、8位、逐次比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有類似于電阻網(wǎng)絡(luò)的差分電位梯形網(wǎng)。差分模擬電壓輸入可提高共模抑制并減小失調(diào)模擬電壓值。此外，可調(diào)節(jié)的電壓參考輸入允許編碼任何小的模擬電壓轉(zhuǎn)換到8位的分辨率。1）主要性能a.逐次比較型。b.單電源供電（+5V）。c.CMOS工藝制造。d.三態(tài)輸出鎖存。e.輸出電平與TTL、CMOS兼容。f.與微型機(jī)總線兼容，不需要借口邏輯電路。g.很容易與微控制器接口。h.差分模擬電壓輸入。i.片內(nèi)含有參考電壓源和時(shí)鐘發(fā)生器。j.不需要調(diào)零。k.

42、分辨率位8位。l.轉(zhuǎn)換時(shí)間為100 s。m.存取時(shí)間為135 s。n.最大非線性誤差為0.4%。2）工作特性a.工作電壓：6.5V。b.輸入模擬電壓信號(hào)電壓范圍：-0.3V（+0.3V）。c.控制信號(hào)電壓范圍：-0.3V+15V。d.工作溫度：-65+150。 逐次比較型AD7810AD7810是美國模擬器件公司（Analog Aevices）生產(chǎn)的一種低功耗10位高速串行AD轉(zhuǎn)換器。該產(chǎn)品有8腳DIP和SOIC兩種封裝形式，并帶有內(nèi)部時(shí)鐘。它的外圍接線及其簡(jiǎn)單，AD7810的轉(zhuǎn)換時(shí)間為2s，采用標(biāo)準(zhǔn)SPI同步串行接口輸出和單一電源（2.7V5.5V）供電。在自動(dòng)低功耗模式下，該器件在轉(zhuǎn)換吞吐

43、率為1kSPS時(shí)的功耗僅為27W，因此特別合適于應(yīng)用在便攜式儀表中及各種電池供電的設(shè)備中。1）主要性能AD7810的主要特性如下。a.分辨率為10位。b.逐次比較型。c.轉(zhuǎn)換時(shí)間為22s。d.電源電壓范圍為2.7V5.5V。e.內(nèi)部含有采樣保持電路。f.電源功耗為高速方式時(shí)為17.5mW，低功耗方式時(shí)為5W。g.參考電壓范圍為1.2V。h.模擬電壓輸入范圍為0V。i.輸出形式為SPI同步串行輸出，與TTL電平兼容。j.工作溫度：-40+105。逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器中有ADC0809、ADC0804和DC7810三種，而ADC7810它的經(jīng)典為10位，在設(shè)計(jì)中不需要如此高精度且價(jià)格昂貴的A/D

44、轉(zhuǎn)換器，因此不選ADC7810。而ADC0809、ADC0804兩個(gè)器件都是8位精度的，而且價(jià)格和性能方面相差不大，因此選用兩者中的任一即可，在本次設(shè)計(jì)中選用ADC0809逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器。3.2.4 ADC0809芯片的引腳功能本設(shè)計(jì)采用A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809。ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式AD轉(zhuǎn)換器，由于輸出級(jí)有8位三態(tài)輸出鎖存器，因而0809的數(shù)據(jù)輸出端可以直接與單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線連接。ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖3.2所示。 圖3.2 ADC0809引腳圖ADC0809各引腳功能如下：IN7IN0:8路模擬量輸入端，即內(nèi)部8選1多路開關(guān)的輸

45、入端。D7D0:A/D轉(zhuǎn)換輸出端，輸出信號(hào)與TTL電平兼容，可直接至微型計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)總線。ADDA、ADDB、ADDC為多路地址選擇端，用于切換A/D通道，其取值與A/D轉(zhuǎn)換通道的對(duì)應(yīng)關(guān)系如3.4表所示。ADC0809的ADDA、ADDB、ADDC與A/D轉(zhuǎn)換通道的對(duì)應(yīng)關(guān)系表3.4：多路開關(guān)地址線被選中的輸入通道對(duì)應(yīng)通道的入口地址ADDCADDBADDA000IN000001IN101010IN202011IN303100IN404101IN505110IN606111IN707ALE：地址鎖存信號(hào)輸入線。ADC0809完成一次A/D轉(zhuǎn)換的典型時(shí)間為120 S，為保證轉(zhuǎn)換結(jié)果正確，轉(zhuǎn)換期間要保證

46、不進(jìn)行通道切換，ALE信號(hào)下降沿將啟動(dòng)A/D時(shí)的ADDA、ADDB、ADDC信號(hào)鎖存入芯片內(nèi)部地址鎖存器。START：?jiǎn)?dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)輸入引腳，其上升沿清除上一次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，其下降沿用以啟動(dòng)內(nèi)部控制邏輯，是A/D轉(zhuǎn)換器開始工作。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸出引腳，其上升沿表示A/D轉(zhuǎn)換已經(jīng)結(jié)束，可以讀取結(jié)果。OE:輸出允許控制端，高電平有效。信號(hào)有效時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)果送到D0D7數(shù)據(jù)線上。CLOCK：轉(zhuǎn)換器時(shí)鐘信號(hào)輸入端。它的頻率決定了A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度。但該頻率不得高于640kHz,其對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換時(shí)間為100S。和：ADC0809內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換時(shí)的參考電壓輸入引腳。不能為負(fù)值，不能超過，且應(yīng)滿足如下關(guān)

47、系：/2-/2和GND：ADC0809的電源引腳，它采用+5V電源供電。主要特性：8路8位AD轉(zhuǎn)換器，即分辨率8位。 具有轉(zhuǎn)換起停控制端。 轉(zhuǎn)換時(shí)間為100s。單個(gè)5V電源供電。模擬輸入電壓范圍05V，不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)。工作溫度范圍為-4085攝氏度。低功耗，約15mW。 在本設(shè)計(jì)中使用到74LS373。74LS373是一種帶有三態(tài)門的8D鎖存器，其引腳如圖3.3所示。圖3.3 鎖存器74LS373的引腳其引腳的功能如下：D7D0：8位數(shù)據(jù)輸入線Q7Q0：8位數(shù)據(jù)輸出線G：數(shù)據(jù)輸入鎖存選通信號(hào)，高電平有效。當(dāng)該信號(hào)為高電平的時(shí)候，外部數(shù)據(jù)選通到內(nèi)部鎖存器，負(fù)跳變時(shí)，數(shù)據(jù)鎖存到鎖存器中。：數(shù)

48、據(jù)輸出允許信號(hào)，低電平有效。當(dāng)該信號(hào)為低電平的時(shí)候，三態(tài)門打開，鎖存器中數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)輸出線。當(dāng)該信號(hào)為高電平的時(shí)候，輸出線為高阻態(tài)。74LS373的功能表如表3.5所示。表3.5：GDQ0111010000不變1高阻態(tài)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(dòng) A/D轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號(hào)變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到A/D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個(gè)信號(hào)可用作中斷申請(qǐng)。當(dāng)OE輸入高電平時(shí)，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果

49、的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上.ADC0809轉(zhuǎn)換是采用逐次比較的方法完成A/D轉(zhuǎn)換的，由單一的+5V供電，片內(nèi)帶有鎖存功能的8路選一的模擬開關(guān)，由A，B，C引腳的編碼來確定所選通道。0809完成一次轉(zhuǎn)換需要100us左右，輸出具有TTL三態(tài)鎖存緩沖器，可直接連到MCS-51的數(shù)據(jù)總線上，通過適當(dāng)?shù)耐饨与娐罚?809可對(duì)0-5V的模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。如上所說，ADC0809與單片機(jī)的接口電路如圖3.4所示。圖3.4 ADC0809與單片機(jī)的接口電路3.3 單片機(jī)選擇 3.3.1 單片機(jī)的簡(jiǎn)介 單片機(jī)就是在一塊半導(dǎo)體硅片上集成了微處理器（CPU），存儲(chǔ)器和各種輸入，輸出接口，這樣一塊集成電路芯片具有一臺(tái)

50、計(jì)算機(jī)的屬性，因而被稱為單片機(jī)微型機(jī)算機(jī)，簡(jiǎn)稱單片機(jī)。MCS是Intel公司生產(chǎn)的單片機(jī)的系列符號(hào)，例如Intel公司的MCS-48、MCS-51、MCCS-96系列單片機(jī)。MCS-51系列單片機(jī)包括三個(gè)基本型8031，8051，8751。MCS-51由如下幾個(gè)功能部件組成：微處理器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器程序存儲(chǔ)器4個(gè)8位并行I/O口一個(gè)串行口2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器中斷系統(tǒng)特殊功能寄存器。MCS-51單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)具有功能部件種類全，功能強(qiáng)等特點(diǎn)，特別值得一提的是MCS-51CPU中的位處理器，它實(shí)際上是一個(gè)完整的1位微機(jī)算機(jī)。這個(gè)1位計(jì)算機(jī)有自己的CPU，位寄存器，I/O口和指令集。1位機(jī)在開關(guān)決策

51、，邏輯電路仿真，工業(yè)控制方面非常有效：而8位機(jī)在數(shù)據(jù)采集，運(yùn)算處理方面有明顯的長處。MCS-51單片機(jī)中8位機(jī)和1位機(jī)的硬件資源復(fù)合在一起，二者相輔相成，它是計(jì)算機(jī)的技術(shù)上的一個(gè)突破，本設(shè)計(jì)采用8051單片機(jī)。 MCS-51的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.5所示。系統(tǒng)時(shí)鐘ROM定時(shí)/計(jì)數(shù)器串行I/O并行I/ORAMCPU外部時(shí)鐘復(fù)位中斷電源圖3.5 MCS-51內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 3.3.2 8051芯片引腳8051是標(biāo)準(zhǔn)的40引腳雙列直插式集成電路芯片，引腳圖如圖3.6所示：圖3.6 8051引腳圖其引腳功能如下：P0.0P0.7 P0口8位雙向口線（在引腳的3932號(hào)端子）。 P1.0P1.7 P1口8位雙向

52、口線（在引腳的18號(hào)端子）。 P2.0P2.7 P2口8位雙向口線（在引腳的2128號(hào)端子）。 P3.0P3.7 P2口8位雙向口線（在引腳的1017號(hào)端子）。P0口有三個(gè)功能： 1）外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)，當(dāng)做數(shù)據(jù)總線（如圖1中的D0D7為數(shù)據(jù)總線接口） 2）外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)，當(dāng)作地址總線（如圖1中的A0A7為地址總線接口） 3）不擴(kuò)展時(shí)，可做一般的I/O使用，但內(nèi)部無上拉電阻，作為輸入或輸出時(shí)應(yīng)在外部接上拉電阻。 P1口只做I/O口使用：其內(nèi)部有上拉電阻。 P2口有兩個(gè)功能：擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器時(shí)，當(dāng)作地址總線使用做一般I/O口使用，其內(nèi)部有上拉電阻； 1)ALE/PROG 地址鎖存控制信號(hào)在系統(tǒng)擴(kuò)展

53、時(shí)，ALE用于控制把P0口的輸出低8位地址送鎖存器鎖存起來，以實(shí)現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的隔離。8051擴(kuò)展 EEPROM電路，ALE與74LS373鎖存器的G相連接，當(dāng)CPU對(duì)外部進(jìn)行存取時(shí)，用以鎖住地址的低位地址，即P0口輸出。ALE有可能是高電平也有可能是低電平，當(dāng)ALE是高電平時(shí)，允許地址鎖存信號(hào)，當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE信號(hào)負(fù)跳變（即由正變負(fù)）將P0口上低8位地址信號(hào)送入鎖存器。當(dāng)ALE是低電平時(shí)，P0口上的內(nèi)容和鎖存器輸出一致。 在沒有訪問外部存儲(chǔ)器期間，ALE以1/6振蕩周期頻率輸出（即6分頻），當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器以1/12振蕩周期輸出（12分頻）。從這里可以看到，當(dāng)系統(tǒng)沒有進(jìn)行擴(kuò)展時(shí)A

54、LE會(huì)以1/6振蕩周期的固定頻率輸出，因此可以做為外部時(shí)鐘，或者外部定時(shí)脈沖使用。 2)PORG為編程脈沖的輸入端在單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其組成中，8051單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)4KB或8KB的程序存儲(chǔ)器（ROM），ROM的作用就是用來存放用戶需要執(zhí)行的程序的，實(shí)際上是通過編程脈沖輸入才能寫進(jìn)去的，這個(gè)脈沖的輸入端口就是PROG。 3)PSEN 外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)在讀外部ROM時(shí)PSEN低電平有效，以實(shí)現(xiàn)外部ROM單元的讀操作。 內(nèi)部ROM讀取時(shí)，PSEN不動(dòng)作； 外部ROM讀取時(shí)，在每個(gè)機(jī)器周期會(huì)動(dòng)作兩次； 外部RAM讀取時(shí)，兩個(gè)PSEN脈沖被跳過不會(huì)輸出； 外接ROM時(shí)，與ROM的OE腳相接。

55、4)EA/VPP 訪問和序存儲(chǔ)器控制信號(hào) 接高電平時(shí)： CPU讀取內(nèi)部程序存儲(chǔ)器（ROM） 。擴(kuò)展外部ROM：當(dāng)讀取內(nèi)部程序存儲(chǔ)器超過0FFFH（8051）1FFFH（8052）時(shí)自動(dòng)讀取外部ROM。 接低電平時(shí)：CPU讀取外部程序存儲(chǔ)器（ROM）。8031單片機(jī)內(nèi)部是沒有ROM的，那么在應(yīng)用8031單片機(jī)時(shí)，這個(gè)腳是一直接低電平的。5)RST 復(fù)位信號(hào)當(dāng)輸入的信號(hào)連續(xù)2個(gè)機(jī)器周期以上高電平時(shí)即為有效，用以完成單片機(jī)的復(fù)位初始化操作，當(dāng)復(fù)位后程序計(jì)數(shù)器PC=0000H，即復(fù)位后將從程序存儲(chǔ)器的0000H單元讀取第一條指令碼。6)XTAL1和XTAL2 外接晶振引腳。當(dāng)使用芯片內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，此二引

56、腳用于外接石英晶體和微調(diào)電容；當(dāng)使用外部時(shí)鐘時(shí)，用于接外部時(shí)鐘脈沖信號(hào)。 7)VCC：電源+5V輸入 8)VSS：GND接地。3.3.3 存儲(chǔ)器MCS-51單片機(jī)在物理結(jié)構(gòu)上有四個(gè)存儲(chǔ)空間：片內(nèi)程序存儲(chǔ)器。片外程序存儲(chǔ)器。片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。但在邏輯上，即從用戶的角度上，8051單片機(jī)有三個(gè)存儲(chǔ)空間：片內(nèi)外統(tǒng)一編址的64K的程序存儲(chǔ)器地址空間(MOVC)。256B的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址空間(MOV)。以及64K片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址空間(MOVX)。在訪問三個(gè)不同的邏輯空間時(shí)，應(yīng)采用不同形式的指令,以產(chǎn)生不同的存儲(chǔ)器空間的選通信號(hào)。8051單片機(jī)存儲(chǔ)器的空間結(jié)構(gòu)圖如圖3.7所示。圖3

57、.7 8051單片機(jī)存儲(chǔ)器的空間結(jié)構(gòu)圖程序存儲(chǔ)器一個(gè)微處理器能夠聰明地執(zhí)行某種任務(wù)，除了它們強(qiáng)大的硬件外，還需要它們運(yùn)行的軟件，其實(shí)微處理器并不聰明，它們只是完全按照人們預(yù)先編寫的程序而執(zhí)行之。那么設(shè)計(jì)人員編寫的程序就存放在微處理器的程序存儲(chǔ)器中，俗稱只讀程序存儲(chǔ)器(ROM)。程序相當(dāng)于給微處理器處理問題的一系列命令。其實(shí)程序和數(shù)據(jù)一樣，都是由機(jī)器碼組成的代碼串。只是程序代碼則存放于程序存儲(chǔ)器中。MCS-51具有64kB程序存儲(chǔ)器尋址空間，它是用于存放用戶程序。數(shù)據(jù)和表格等信息。對(duì)于內(nèi)部無ROM的8031單片機(jī)，它的程序存儲(chǔ)器必須外接，空間地址為64kB,此時(shí)單片機(jī)的端必須接地。強(qiáng)制CPU從外

58、部程序存儲(chǔ)器讀取程序。對(duì)于內(nèi)部有ROM的8051等單片機(jī)，正常運(yùn)行時(shí)，則需接高電平，使CPU先從內(nèi)部的程序存儲(chǔ)中讀取程序，當(dāng)PC值超過內(nèi)部ROM的容量時(shí)，才會(huì)轉(zhuǎn)向外部的程序存儲(chǔ)器讀取程序。當(dāng)=1時(shí)，程序從片內(nèi)ROM開始執(zhí)行，當(dāng)PC值超過片內(nèi)ROM容量時(shí)會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)向外部ROM空間。當(dāng)=0時(shí)，程序從外部存儲(chǔ)器開始執(zhí)行，例如前面提到的片內(nèi)無ROM的8031單片機(jī)，在實(shí)際應(yīng)用中就要把8031的引腳接為低電平。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器也稱為隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分為內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。MCS-51內(nèi)部RAM有128或256個(gè)字節(jié)的用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)(不同的型號(hào)有分別),片外最多可擴(kuò)展64KB的RAM

59、,構(gòu)成兩個(gè)地址空間，訪問片內(nèi)RAM用“MOV”指令，訪問片外RAM用“MOVX”指令。它們是用于存放執(zhí)行的中間結(jié)果和過程數(shù)據(jù)的。MCS-51的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器均可讀寫，部分單元還可以位尋址。8051單片機(jī)片內(nèi)RAM共有256個(gè)單元(00H-FFH),這256個(gè)單元共分為兩部分。其一是地址從00H7FH單元(共128個(gè)字節(jié))為用戶數(shù)據(jù)RAM。從80HFFH地址單元(也是128個(gè)字節(jié))為特殊寄存器(SFR)單元。3.4 復(fù)位電路和時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)3.4.1 復(fù)位電路設(shè)計(jì)MCS-51的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)MCS-5l系列單片機(jī)的復(fù)位引腳RST(全稱RESET)出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)，單

60、片機(jī)就執(zhí)行復(fù)位操作。如果RST持續(xù)為高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作。單片機(jī)啟運(yùn)運(yùn)行時(shí)，都需要先復(fù)位，其作用是使CPU和系統(tǒng)中其他部件處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。因而，復(fù)位是一個(gè)很重要的操作方式。但單片機(jī)本身是不能自動(dòng)進(jìn)行復(fù)位的，必須配合相應(yīng)的外部電路才能實(shí)現(xiàn)。復(fù)位電路通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種形式。上電自動(dòng)復(fù)位上電自動(dòng)復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實(shí)現(xiàn)的。MCS-51單片機(jī)的上電自動(dòng)復(fù)位電路如圖3.8所示，在時(shí)鐘電路工作后，在RST端連續(xù)給出兩個(gè)機(jī)器周期的高電平就可完成復(fù)位操作。圖中給出了復(fù)位電路參數(shù)。圖3.8 MCS-51單片機(jī)的上電自動(dòng)復(fù)位電路上電加按鍵手動(dòng)復(fù)位 MCS-51單片機(jī)的上電加按鍵手動(dòng)復(fù)位電路如圖3.9所示。當(dāng)復(fù)位按鍵按下后，復(fù)位端通過51的小電阻與+5V電源接通，電容迅速放電，使RST引腳為高電平；當(dāng)復(fù)