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.doc

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1、I 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

2、字 量再送入单片机 AT89C51 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 II The Controller Design of Constant Pressure Water Supply System ABSTRACT With Chinas rapid economic development, more and

3、 more high-rise buildings, 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

4、 difficult to meet the needs 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

5、social benefits. So some of 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 pre

6、ssure sensor output is 0 5V 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 int

7、ernal pressure and by comparing 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

8、 detection, to control purposes. KEY WORDS: constant pressure water supply, sensor, microcontroller III 目 录 摘 要.I ABSTRACT.II 1 前言.1 1.1 课题背景和意义.1 1.2 本课题研究内容与主要工作.1 1.3 本课题的研究预期成果.2 2 总体系统设计.3 3 硬件设计.5 3.1 压力传感器.5 3.1.1 传感器的基本概念.5 3.1.2 传感器的分类.6 3.1.3 传感器选用原则.6 3.2 单片机控制系统.8 3.3 模/数转换器和 ADC0809 结构.

9、11 3.3.1 模/数转换器的转换原理及主要技术指标 .11 3.3.2 简单介绍 ADC0809 结构12 3.3.3 单片机与 ADC0809 的接口设计13 3.4 关于 74HC595 的介绍.14 3.5 电磁开关电路及原理.15 3.5.1 光电隔离器的原理.16 3.5.2 电磁继电器的原理.16 3.6 数码管 LED 显示电路设计.17 3.7 按键电路设计.18 3.8 声光报警电路设计.19 4 软件设计方案.20 4.1 软件总体设计.20 4.2 转换程序.21 4.3 串进并出程序.22 4.4 按键控制程序设计.23 4.5 数码管 LED 显示程序设计.26

10、5 硬件电路仿真结果.29 5.1 压力仿真.29 IV 5.1.1 压力显示仿真.29 5.1.2 压力设定值仿真.29 5.2 报警电路仿真.30 5.3 压力控制仿真.31 6 总结.33 致 谢.34 参 考 文 献.35 附录 系统总原理图.36 附录 系统源程序.37 恒压供水系统控制器的设计1 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

11、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

12、，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

13、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

14、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 陕西科技大学毕业论文（设计说明书）2 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 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/

15、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。 恒压供水系统控制器的设计3 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

16、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

17、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

18、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。 陕西科技大学毕业论文（设计说明书）4 单单 片片 机机 A AT T8 89 9C C5 51 1 压压力力传传感感器器 电电机机控控制制 报报警警电电路路

19、 电电磁磁开开关关 A A/ /D D转转换换器器当当前前压压力力显显示示 设设定定压压力力显显示示 按按键键电电路路 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。 恒压供

20、水系统控制器的设计5 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。 敏敏感感元元件件变变换换器器 非非电电量量非非电电量量电电量量 传传感感器器 图 3-1 传感器的一般组成 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

21、。 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

22、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 陕西科技大学毕业论文

23、（设计说明书）6 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

24、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

25、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

26、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 恒压供水系统控制器的设计7 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也容易混入，也会被放大系统放大，影 响测

27、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、瞬态、随机等)响应特性

28、，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 有良好

29、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

30、量目的的诸多传 陕西科技大学毕业论文（设计说明书）8 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

31、%FS、1%FS；输出 信号：0-5V、1-5V、0-10V；供电电压：24DCV；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： 51K R3 GND +5V 22pF C1 1K R14 S20 RST 51K R3 GND +5V 22pF C1 RST 图 3-2 手动复位电路 图 3-3 自动复位电路

32、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： 12 12MHz CRYSTAL 22pF 22pF XT2 XT1 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。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 恒压供水系统控制器的设计9 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）

33、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

34、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。

35、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。 陕西科技大学毕业论文（设计说明书）10 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。 PSEN : 外部程序存储器选通信号（ PSEN ）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， PSEN 在每个机器周期被激活两次， 而在访问外部数据存储器时， PSEN 将不被激活。 EA

36、/VPP: 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， EA必须接 GND。为了执行内部程序指令， EA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

37、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

38、 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： 恒压供水系统控制器的设计11 表 31 P3 口的第二功能说明 口线引脚第二功能 P3.010 RXD（串行输入口） P3.111 TXD（串行输出口） P3.212 INT0（外部中断 0） P3.313 INT1（外部中断 1） P3.414 T0（定时器 0

39、 外部输入） P3.515 T1（定时器 1 外部输入） P3.616 WR（外部数据存储器写脉冲） P3.717 RD（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

40、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 ADC 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

41、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 陕西科技大学毕业论文（设计说明书）12 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

42、 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 000IN0 001IN1 010IN2 011IN3 100IN4 101IN5 110IN6 恒压供水系统控制器的设计13 111IN7 ADC0809 芯片为 28

43、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

44、内部没有时钟电路，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(Vre

45、f(+)=+5V, Vref(-)=-5V)。 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： 陕西科技大学毕业论文（设计说明书）14 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、15 Q0-Q7 三态输出管脚 恒压供

46、水系统控制器的设计15 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，

47、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。 陕西科技大学毕业论文（设计说明书）16 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

48、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

49、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，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