基于单片机的液位控制器的设计

基于单片机的液位控制器的设计内容摘要：

脚） :在访问片外程序存储器时，此端输出负脉冲作为存储器读选通信号。 CPU 在向片外存储器取指令期间， PSEN 信号在 12 个时钟周期中两次生效。 不过，在访问片外数据存储器时， 这两次有效 PSEN 信号不出现。 PSEN 端同样可驱动 8 个 LSTTL负载。 我们根据 PSEN、 ALE 和 XTAL2 输出端是否有信号输出，可以判别 80C51 是否在工作。 EA/VPP（ 31 脚） : 当 EA 端输入高电平时， CPU 从片内程序存储器地址 0000H 单元开始执行程序。 当地址超出 4KB 时，将自动执行片外程序存储器的程序。 当 EA 输入低电平时， CPU 仅访问片外程序存储器。 在对 87C51EPROM 编程时，此引脚用于施加编程电压 VPP。 d)输入 /输出引脚 P0口、 P1 口、 P2 口及 P3口 P0 口（ 3239脚）： P0 口 是一个漏极开路的 8位准双向 I／ 0口。 作为漏极开路的输出端口，每位能驱动 8个 LS 型 TTL 负载。 P0口有三个功能： ①外部扩充存储器时 ,当作数据总线（ D0~D7）； ②外部扩充存储器时，当作地址总线（ A1~A7）。 ③不扩充时，可做一般 I/O 口使用，但内部没有上拉电阻，作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。 P1 口（ 18 脚）： P1口是一个带内部上接电阻的准双向 I／ O口。 P1 的每一位能驱动 4个 LS型 TTL 负载。 在 P1口作为输入口使用时，应先向 P1口锁存器（地址 90H）写入全 1，此时 P1 引脚由内部上接电阻接 成高电平。 P2 口（ 2128 脚）： P2 口是一个带内部上接电阻的 8位准双向 I／ O 口。 P2口每一位能驱动 4个 LS 型 TTL 负载。 P2口有两个功能： ①扩充外部存储器时，当作地址总线（ A8~A15）使用。 ②做一般 I/O 口使用，其内部有上拉电阻。 P3 口： P3 口是一个带内部上拉 电阻的 8 位准双向 I／ O 口。 P3 口每一位能驱动 4个 LS型 TTL 负载。 P3 口与其它 I／ O口有较大区别，每个引脚还具有专门功能 ,除了作 第 7 页 共 48 页 为 I/O口使用外（内部有上拉电阻），还有一些特殊功能，由特殊寄存器来设置。 P3口的第 2功能见表。 端口 3 有内部上拉电阻，当作为输入时，其电位被拉高，若输入为低电平可提供电流源；其作为输出时可驱动 4 个 LS TTL。 而端口 0作为输入时，处在高阻抗的状态，其输出缓冲器可驱动 8个 LS TTL（需要外部的上拉电阻）。 表 P3 口 第二功能 引脚 第 2功能 RXD（串行输入口） TXD（串行输出口） INT0（外部中断） INT1（外部中断） T0（ TIMER0的外部输入脚） T1（ TIMER1的外部输入脚） WR（外部数据存储器的写入控制信号） RD（外部数据存储器的读取控制信号） (2)STC89C52RC单片机的中断系统 计算机暂时中止正在执行的主程序，转去执行中断服务程序，并在中断服务程序完了之后能自动回到原主程序处继续执行，这个过程叫做 “ 中断 ”。 大体来说，采用中断系统改善了计算机的性能，主要表现在以下几个方面： a)有效地解决了快速 CPU与慢速外设之间的矛盾，可使 CPU与外设并行工作，大大提高了工作效率。 b)可以及时处理控制系统中许多随机产生的 参数与信息，即计算机具有实时处理的能力，从而提高了控制系统的性能。 c)使系统具备了处理数据的能力，提高了系统自身的可靠性。 由此可见， “ 中断 ” 已成为现代计算机的 1种重要功能，而中断系统功能的强弱已称为衡量 1台计算机功能完善与否的重要标志之一。 中断源 —— 所谓中断源就是引起中断的事件，亦即是什么部件要求中断。 STC89C52单片机提供了 8个中断源： 4个外部中断请求 INT0、 INT INT2和 INT3,3个片内定时器 /计数器 T0、 T1和 T2的溢出中断请求 TF0、 TF1和 TF2及串行口中断请求 TI或 RI（合为 一个中断源）。 中断响应的条件 —— 单片机响应中断的条件为中断源有请求（中断允许寄存器 IE相应位置 1），且 CPU开中断（即 EA=1）。 这样，在每个机器周期内，单片机对所有中断源都进行顺序检测，并可在任 1 个周期的 S6 期间，找到所有有效的中断请求，还对其优先级进行排队。 但是，必须满足下列条件：①无同级或高级中断正在服务；②现行指令执行到最后 1 个机器周期且已结束； ③ 若现行指令为 RETI 或需访问特殊功能寄存器IE 或 IP 的指令时，执行完该指令且紧随其后的另 1条指令也已执行完。 单片机便在紧 第 8 页 共 48 页 接着的下 1个机器周期的 S1期间响 应中断。 否则，将丢弃中断查询的结果。 中断响应的过程 —— 单片机一旦响应中断，首先对相应的优先级有效触发器置位。 然后执行 1 条由硬件产生的子程序调用程序，把断点地址压入堆栈，再把与各中断服务程序的入口地址送入程序计数器 PC,同时清除中断请求标志，从而程序便转到中断服务程序。 晶振电路 晶振电路是单片机的心脏，它控制着单片机的工作节奏。 STC89C52单片机有一个用于构成内部振荡器的反相放大器， XTAL1 和 XTAL2 分别为反相放大器的输入和输出端，外接晶振（或陶瓷谐振器）和电容组成振荡器， 典型的 晶振值取 12MHz。 振荡器产生的时钟频率主要由晶振的频率组成 ， 电容 C1和 C2的作用有两个：其一是使振荡器起振，其二是对振荡器的频率 f起微调作用（ C C2变大， f变小），其典型值为 30pF，电路图如下所示。 图 晶振电路 原理 图 复位电路 如图 所示，上电复位电路由两个电阻、一个按键和一个电容构成。 RC 时间常数为 t=1uF*10kΩ ==10ms10us，满足了上电复位的高电平持续时间要求。 上电时，电容没有电荷，相当于短路， RST 引脚为高电平， 10ms 之后电容 充电饱和，单片机复位，之后 RST 引脚被 10k 电阻拉到低电平。 按键按下时，电容通过 1k 电阻放电，按键松开后 类似于上电的过程， 电容又经历一个 10ms 充电过程，使得 RST 引脚维持了 10ms 的高电平，单片机复位。 图 上电复位电路原理图 水位检测 电路设计 MPS20N0020DS 型液压传感器将水位 转换成电压信号输出，但该信号在 几十毫伏 数量级 别 ，必须经过信号调理电路进行放大才能供后级电路读取 [5]，再利 用 AD0809 转换 第 9 页 共 48 页 芯片 进行数模转换，输出数据供单片机读取。 信号 采集电路设计 本设计采用 MPS20N0020DS型液压传感器检测液位，其基本参数如下： 表 MPS20N0020DS 型液压计参数 参数 参数值 单位 备注 测量压力范围 3 PSI 20KPa 最大过压能力 3 倍测量范围 分辨率 PSI 100Pa 工作电源 5 VDC 输入阻抗 4— 6 KΩ 输出阻抗 4— 6 KΩ 工作温度 40— 85 ℃ 40176。 F+185176。 F 存储温度 40— 125 ℃ 40176。 F+257176。 F 可接触介质 清洁、干燥、无腐 蚀性气体 零偏电压 177。 25 mV 满量程输出电压 30—60 mV 桥电阻 4—6 KΩ 线性度 177。 %. 迟滞 177。 %. 零偏温度系数 177。 %./ ℃ 灵敏度温度系数 %./ ℃ 液压传感器内部结构及引脚分布 如图 所示。 （ a） 内部结构 （ b） 引脚分布图 图 MPS20N0020DS 型液压计 由 图 知 ，该 液位传感器由四个电阻构成，将 6 脚和 1 脚接在一起就形成了一个电阻电桥。 从 5 脚和 2 脚输入 5V电压， 3 脚和 16 脚可作为信号的输出。 水位的变化会影响内部电阻阻值的变化，进而引起电桥输出电压的变化。 该液位传感器的工作电路搭建非常简单，将 1 脚和 6 脚连在一起后，只需将 2 脚连 第 10 页 共 48 页 接 +5V， 5 脚接地，那么 3 脚和 16 脚就作为信号的输出，其电路图如图 所示： 图 液位传感器工作电路原理图 信号调理电路设计 液位传感器的量程为 2m 水柱，满量程输出为 30— 60mV， 由于 要求检测的水位在40cm 之内，所以 液位传感器的输出电压 最大值在 7— 15mV 之间 ， 不能直接输入ADC0809 进行数模转换，中间需要信号调理电路将电压信号转换到 0 到 5V之间 [6]。 (1) 运算放大器 OP07A 简介 OP07A是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器。 由于 OP07A 具有非常低的输入失调电压（最大为 25μ V），所以 OP07A 在很多应用场合不需要额外的调零措施。 OP07A同时具有输入偏置电流低（为177。 2nA）和开环增益高（ 为 300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得 OP07A特别适用于高增益的测量设备 和放大传感器的微弱信号等方面。 足够 宽的输入电压范围（最少177。 13V）与高达 110dB 的共模抑制比和高输入阻抗的结合，在同相电路阻态中提供了很高的精度，即使在很高的闭环增益下，也能保持极好的线性和增益精度。 失调和增益对时间或温度变化的稳定性也是极好的。 不加外调零措施的 OP07A 的精度和稳定性，即使在高增益下也能使 OP07A成为一种新的仪器用和军用的工业标准。 OP07A 适用于在 55℃到 +125℃的整个军用范围内 ，其主要性能特性如表。 表 OP07A主要性能参数 参数名称 OP07A 输 入失调电压 10uV 输入偏置电流 700pA 输入失调电流 300pA 开环增益 Min： 150 Max： 1500 频率响应、截止频率 转换速率 第 11 页 共 48 页 表 （续） OP07A主要性能参数 参数名称 OP07A 输入阻抗 差模 共模 80MΩ 200GΩ 共模抑制比 CMRR 123dB 共模输入电压范围 177。 14V 输出电压摆幅 177。 12V 电源电压 正常工作电压 最低工作电压 最高工作电压 177。 15V 177。 177。 22V OP07A 具有上述的众多优异特性，因此，它特别适合于作数据采集系统中的有源滤波器、精密仪表放大器高质量的积分器与高输入阻抗的放大器等。 采用一个 OP07A 就能单独组成具有高输入阻抗，高性能的差动放大器，它的 引脚分布 如图。 图 OP07A 的功能引脚分布 （ 2）仪表放大器概述 为了解决抑制共模输入电压与增益调节和阻抗匹配之间的互相牵连和矛盾 ， 提出了仪表放大器 （ 又称 为 测量放大器 ） [7]， 其原理如图 所示 ，可以很容易地看出 U1 和U2 之间的直流阻抗接 近无穷大，满足了直流电桥的阻抗匹配要求。 仪表放大器由 3个运算放大器组成 ， 可将其分为两级来进行分析。 前级由两个同相放大器组合而成 ， 输出分别是 U3 和 U6； 后级由 A3 和 R R R R7组成 ， 后级的输入为 U3 和 U6， 后级的输出为 U0。 图 仪表放大器电路原理图 第 12 页 共 48 页 A1和 A2 按理想放大器分析 ， 可得到 U4=U1， U5=U2 的结论 ， 则 R3 上的电流为 ： 3 21RUUI … ……… .…… .………………… .… .…… （ 1） 并进一步推得 3 R12113 RUUUU ）（ ……………… …… …… ..…… （ 2） 3 R22126 RUUUU ）（ ……… …………… … … .… … （ 3） 若定义 : 21 UUUdif  ,则 )3 211(63 R RRU di fUU  ………… …… … ...…… （ 4） U3U6是后级的差分输入电压 ， 若保证 R4=R6， R5=R7， 则后级为标准的差动放大器 ， 其输出为 ： R4R5)R3 R2R1(14563  U di fRRUUUo ）（[8]… .… （ 5） 在仪表放大器的电路设计中取 R2=R1， R4=R5则仪表放大器的输出为 ： ）（ 3121 RRU。