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1、目 录1概述11.1研究目的与意义11.2相关技术的国内外研究现状11.3本文设计的主要任务22 闸门智能控制系统方案设计22.1闸门控制系统的功能22.2闸门控制系统设计32.3闸门控制系统方案选择32.4传感器的选取63闸门智能控制系统硬件设计83.1系统硬件设计原则83.2系统硬件总体结构设计93.3单片机最小系统设计93.4数据采集处理电路设计133.5显示系统电路设计143.6输出控制电路设计163.7通讯接口电路设计174闸门智能控制系统软件设计184.1系统软件设计方法184.2软件系统结构设计194.3系统主程序设计204.4数据采集与处理程序设计224.5定时器0中断处理设计
2、244.6外部中断1处理设计244.7 输出控制模块设计254.8串行通信程序设计265结束语27参考文献28致 谢29附 录30附 录1 程序清单30附 录2 设计原理图381概述1.1研究目的与意义水是人类的一种十分宝贵的资源，如果没有水，整个世界都将走向灭亡，随着我们国家经济的迅速发展，对水的需求量也大幅度增长，现在中国的北方很多省份已经出现了缺水的现象，那么到2010年，中国将成为一个严重缺水的国家，水短缺将会严重制约着我国国民经济的进一步发展，严重影响着我国民众的日常生活。要合理的利用水资源，离不开对水资源的有效调度，闸门控制自动化项目的主要目的是将现代测控技术，计算机网络技术和先进
3、的控制技术等先进技术运用于闸门及水位等参量的自动测量、计算、控制和调节，来实现水资源的合理输送、节制和分配。1.2相关技术的国内外研究现状计算机技术在闸门自动化中的运用是从上世纪才开始发展起来的。20世纪40年代是几乎主机与控制一体的直接控制。90年代，计算机技术进一步发展，著名的摩尔定律可以作为硬件制造技术迅猛发展势头的一个标志，芯片上的晶体管数目每两年会增加一倍。与此同时，软件产业也蒸蒸日止，各种应用软件应运而生，充斥于生产生活的各个角落。计算机大量应用于闸门自动控制系统，在价格和技术上己不存在任何问题。PID控制是最早发展起来的控制策略，由于其算法简单、可靠性高而被广泛运用于各种过程控制
4、。但在PH)控制中，一个关键的问题就是控制参数的整定，传统的方法是在获取控制对象数学模型的基础上，根据某一整定原则来确定PID参数。然而实际的水利工程系统具有非线性、时变不确定性，难以建立精确的数学模型，而且常规PID控制器对现场工况的适应性很差，其参数往往整定不良、性能欠佳。随着科学技术，尤其是智能科学和计算机技术的高度发展，水利工程系统控制算法的研究工作得到了不断的发展。将模糊控制引入传统水利PID控制是又一尝试。模糊控制是智能控制的一个分支，它的基本思想就是利用计算机实现人的控制经验，它可以避开复杂的数学建模过程，对于非线性、时变的大滞后且带有随机干扰的系统，模糊控制具有易于设计、鲁棒性
5、好及对参数变化不敏感等特点。今后人们将不断深入研究将智能控制理论运用于水利工程控制系统，从而使之有更好的运行品质和动态特性。可以预见，人工智能与传统控制的结合，以传统控制方法为主、人工智能为辅将是水利工程控制系统发展的必然趋势.国外发达国家 (如美国、日本)的水利自动化建设起步早，完善程度高。在这些国家，现代科技能及时用于水利事业，发挥效益。西方发达国家十分注意基础数据的收集和整理.管理部门对基础数据比较重视，数据一般由计算机管理，存储在文件或数据库中。以下是世界部分发达国家水利工程计算机控制系统与我国现状的比较。美国调水工程由水资源部统一管理运行，控制系统包括计算机、通信和电子设备。该系统可
6、对泵站和电厂，节制闸的闸门和其他各种设备、设施实行计算机通信、监控、监测和调度。为方便工程的控制和运用，除设置中央控制室外，还在个别区域设置分控制中心。中央控制室负责所有工程的管理和协调，同时也兼作各分控制中心的备用。我国当前水利计算机控制系统采用分层分布式的功能结构，分为主控级(上位计算机)、控制级 (现地控制单元、现地采集单元)，主控级采用双机互为热备用的方式。监控系统由主控计算机和现地单元级组成，其主干网络选择交换型以太网。工业控制计算机是集中监视和控制功能的人机接口，现场控制、采集单元根据地理条件采用现场总线、无线传输等通讯方式。从以上分析中可以看出，我国当前的水利工程计算机控制系统体
7、系结构与国外没有差别，但在管理与控制网络上还不够统一和规范，还有一些细节问题上还需要在具体使用环境下，做详细的研究、设计和规划，力求达到设计最优、成本最低、运行可靠、操作简单、维护方便等特点。1.3本文设计的主要任务A闸门流量智能控制系统方案的整体设计； B闸门流量智能控制的硬件电路设计； C根据闸门流量智能控制的工作要求和具体硬件电路编写相关软件。2 闸门智能控制系统方案设计本章主要根据闸门智能控制系统完成功能，制定系统控制方案。随着计算机技术、自动控制技术和通讯技术的发展，运用在闸门自动化监控系统中的技术主要有分布式计算机控制、PLC技术、单片机技术等。2.1闸门控制系统的功能为了可靠完成
8、闸门的启闭，其控制系统应具备五个基本功能：闸门的控制功能、闸门运行参数及状态信号的采集和处理、闸门控制系统的计算机判断功能、闸门控制系统的保护功能。闸门控制功能主要完成闸门的正常启门与关闭闸门。闸门运行参数及状态信号的采集和处理主要完成水位数据的采集与处理、闸门位移数据的采集与处理。水位数据的采集与处理主要包括闸门闸前、闸后水位数据的采集与处理;闸门位移数据的采集与处理则包括闸门位移量、闸门运行状态、是否越限等数据的采集与处理。闸门控制系统的计算判断功能应对采集来的数据进行计算，并将结果与设定值进行比较，从而判断出是否出现故障或事故情况，作出相应处理，并上报中控室，向工作人员报警，同时作历史记
9、录。由于现场控制单元需要向上位机发送信号并且接受其发出的指令，因此采用串行通讯实现两者之间的联系。现地控制单元之间采用RS-232现场总线网，网络的坚固性能够保证闸门集控系统长期稳定的运行。2.2闸门控制系统设计闸门控制系统结构图如下图2-2所示。中央控制现场自动控制传感器（水位，闸位传感器）现场手动控制闸门驱动闸门图2-2 闸门控制系统结构框图本控制系统采用分层分布式的功能结构，分为上位计算机 (主控级)和现场控制单元 (控制级).主控计算机完成对被控对象的监控、管理与通信，是整个监控系统的控制核心。现场控制单元主根据上位机的指令控制闸门运行，并将采集到的数据传送给上位计算机。2.3闸门控制
10、系统方案选择随着计算机技术、自动控制技术和通讯技术的发展，一些先进的新技术在闸门自动化监控系统中也得到不同程度的应用，其中有PLC技术、单片机技术等。2.3.1可编程控制器方案可编程序控制器(Programmable Controller，简称PLC), 1968年美国通用汽车(GM)公司提出取代继电器控制装置的要求，第二年美国数字公司研制出了第一代可编程序控制器，满足了GM公司装配线的要求。随着集成电路技术和计算机技术的发展，现在己有第五代PLC产品了。可编程序控制器的组成a)CPU的构成CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并
11、存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和 PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。b)I/O模块PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分I/O)完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映
12、输出锁存器状态.输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入(DI)，开关量输出(DO)，模拟量输入(AI)，模拟量输出(AO)等模块。除了上述通用I/O外，还有特殊I/O模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。c)电源模块PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源(220VAC或 110VAC)，直流电源(常用的为24VDC) 。d)PLC系统的其它设备编程器
13、是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机(运行编程软件)充当编程器。为了完成控制策略，替代继电器，使用户等完成类似继电器线路的控制系统梯形图，而编制了一套控制算法功能块(或子程序)，称为指令系统，固化在存贮器ROM中，用户在编制应用程序时可以调用.指令系统大致可以分为两类，即基本指令和扩展指令。PLC提高了充足的计时器、计数器、内部继电器、寄存器及存贮区等内部资源，为编程带来极大方便。PLC及其在网络中，存在两类通信方法：串行通信和并行
14、通信。并行通信一般是PLC内部的通信，指多台处理器之间的通信，以及PLC中CPU单元与智能模块的CPU之间的通信。PLC网络中常使用RS-232或RS-485串行通信。2.3.2单片机方案单片机全称为单片微型计算机(Single-Chip-Micro Computer)。它在一个芯片上集成了CPU, ROM, RAM、计数器/定时器、多个I/O接口，从而在一个芯片上构成了一台计算机。随着计算机制造技术的发展，芯片的集成度越来越高，有的单片机还集成有A/D转换器、D/A转换器、模拟多路开关、PWM电路以及时钟电路.单片机若再配上外围部件以及相应的软件就构成单片机应用系统。单片机有如下特点。a.集
15、成度高，体积小，重量轻。b.可靠性高。单片机是按工业测控环境要求设计的，其抗噪声千扰的能力优于一般的计算机，程序指令、常数固化ROM中，不易受到破坏。c.控制功能强。单片机指令系统中有丰富的条件分支转移指令，I/O口的逻辑操作以及位处理功能，能够满足工业控制的要求。d.实时性强。单片机的硬件和软件联系紧密，应用软件采用汇编语言编制，程序执行所需的时间短，因而能够满足工业控制的实时性要求。e. 应用灵活方便。单片机具有计算机的基本功能部件，又提供了许多供扩展的总线，很容易构成满足各种需要的应用系统。因此，单片机应用到很多领域，包括智能仪表、工业测控系统、智能家用电器、网络通讯等等。f. 性价比高
16、。一方面，单片机本身价格比较低;另一方面，由于单片机应用灵活，可以有针对性地设计系统，满足控制需求，因而提高了单片机应用的经济性。基于以上优点单片机广泛应用于诸多领域，如工业控制系统、智能化仪表、数据采集系统等，单片机技术的发展和应用水平逐渐成为一个国家工业发展水平的标志之一。自1997年以来，单片机应用技术进入了一个新的层次一一片上系统SOC(System On a Chip)技术层次。所谓SOC技术，是一种高度集成化、固件化的系统集成技术。使用SOC技术设计系统的核心思想，就是要把整个应用电子系统全部集成在一个芯片中。在使用SOC技术设计应用系统，除了那些无法集成的外部电路或机械部分以外，
17、其他所有的系统电路全部集成在一起。用SOC技术设计单片机嵌入式系统，为设计者提供了现有技术所无法比拟的优越条件。设计者不必在选择单片机的型号上下功夫，只需要根据所设计系统的固件特性和功能要求，选择相应的单片机CPU内核，再根据需要选择其他的IP模块，因而就可以把现有技术需要精密调整的前置电路(模拟信号处理部分)也全部安放在同一块芯片中，实现完整的系统。这样一来，小仅减少了许多PCB板调试工作，而目使系统结构更简单，体积更小，实现了真正的“系统单片机”。从某种意义上看，SOC为单片机应用提供了更广阔的应用技术，并赋予了单片机更强大的生命力。传统的单片机应用系统需要形成单片机的外部系统总线，而外部
18、总线的存在是单片机应用系统抗干扰能力削弱，可靠性降低的主要原因。传统的单片机应用系统设计中，工程师常常面临的如何充分利用单片机资源的问题。运用soc技术，这些问题就可以很好地得到解决。工程师可以根据自己的需要选择电路，抛弃外部总线，设计成片上系统。SOC技术的发展使单片机应用技术发生了革命性的变化，这个变化就是应用电子系统的设计技术，从选择厂家提供的定制产品时代进入了用户自行开发设计器件的时代。这标志着单片机应用的历史性变化，一个全新的单片机应用时代已经到来。基于上述单片机诸多优点以及结合本课题的实际需要，这里选择单片机方案。2.4传感器的选取传感器能感受规定的被测量并按一定规律将其转换为有用
19、信号的器件或装置。传感器至少应具备两方面的功能：能感受非电量;能将非电量转换为电量或电参量。在自动控制系统中，传感器(Sensor)是一种常见的却又很重要的器件，它是自动控制系统的首要环节，是被控量进入控制系统的入口。传感器就像自动控制系统的眼睛、鼻子、耳朵一样，对于一个控制系统的性能起着重要作用。可靠、灵敏的传感器是自动控制系统正常工作的前提。就像双目失明的盲人是不可能很准确地拿到所要拿的东西一样，如果控制系统的传感器部分不能正常工作，自动控制系统也就没有办法代替人来完成各种工作。因此，传感器性能的优劣对整个自动控制系统性能的发挥起着举足轻重的作用。A.传感器的组成传感器是一个完整的测量装置
20、，它能把被测物理量转化为与之有确定对应关系的电量输出，以满足信息的传输、记录、显示等要求。传感器一般由敏感元件、传感元件和测量电路三部分组成。有时加上辅助电源，可用方框图来表示，如图 2-3所示。非电量敏感元件传感元件测量电路电量辅助电源图2-3 传感器组成方框图敏感元件直接感受被测量 (一般为非电量)，并输出与被测量成确定关系的其它量 (包括电量)的元件。传感元件传感器的重要组成元件，可以直接感受被测量(一般为非电量)而输出与被测量成确定关系的电量，如热电偶和热敏电阻。它也可以不直接感受被测量，而只感受与被测量成确定关系的其它非电量，例如差动式压力传感器，并不直接感受压力，只是感受与被测压力
21、成确定关系的位移量，然后输出电量。测量电路能把传感元件输出的电信号转化为便于传输和处理的有用电信号的电路。采用何种测量电路视传感元件的类型而定，使用较多的是电桥电路和放大电路。B.传感器的分类根据生产实践和科学实验的不同需要，传感器可以有多种分类方法。若是以非电量转化为电量的方法来分，传感器可分为磁式传感器、光学传感器、超声波传感器、同位素传感器、微波传感器、电化学传感器。 2.4.1闸门开度仪当前，有无数的水闸在全国各地运行，而对闸门开度的检测还采用比较落后的方式。要实现对闸门的实时监控，就必须采用灵敏可靠的传感器来测量闸门开度。现在，在闸门开度测量中应用较为方便，精度也比较高的传感器是光电
22、编码器。A.光电编码器的原理及组成光电编码器是一种测量轴角位置的传感器。它具有很高的分辨率、精度和可靠性。光电编码器有两种类型：绝对型编码器和增量型编码器.增量型编码器需要一个计数系统，旋转的码盘通过敏感元件给出一系列脉冲，在计数器中对某个基数进行加减，从而记录了旋转的角位移量。绝对型编码器不需要基数，它在任意位置给出一个固定的与位置对应的数字码输出。由于绝对型编码器是在码盘停止旋转后直接输出所在位置值，计数不会产生累积误差，高速旋转时也不必考虑读取系统和电路的响应时间，同时也不会受到中断干扰的影响，因而，对于闸门开度测量，采用绝对型光电编码器比较好。B.闸门开度仪的组成闸门开度仪包括闸位传感
23、器和闸位显示仪表。闸位传感器的质量直接关系到闸门监控的效果。由于光电编码器的具有多种优点，非常适合作闸位传感器，所以，我们决定采用它。通过对国内外光电编码器产品性能、价格的比较，拟采用德国海德汉(HEIDEHAIN)公司的ROQ425型绝对型光电编码器。该编码器精度高，可使闸门开度分辨到毫米级。主要技术指标为：分辨率 8192/转，分解转数 4096 (212)，量程 8192 4096；输出码为 25位格雷码，输出信号 SSI同步串行信号；工作电压 10-30VDC；电缆引出线采用十芯屏蔽线，通常为 1米，通过屏蔽连接最大可达 100米：最大机械转数 10000转/分；防护等级为IP64或
24、IP66(轴端)IP67(外壳)。闸位传感器安装在闸室内卷扬机被动轮轴端，采用齿轮传动。闸位传感器采用 ROQ425绝对型光电编码器，安装于钢丝绳收紧器 GPS500内，GPS500安装在启闭机闸门上方，钥丝绳活动端直接连接闸门。采用这种钢丝绳收紧器，直接测量闸门开度，精度比较高.传感器输出信号为SSI同步串行信号，SSI信号理论最大传输距离为400米。信号传输线为6芯，分别为DC+12V(棕绿色)，DC12V(白绿色)，Data +(灰色)，Data-(粉红色)，Clock十(紫色)Clock一(黄色)。绝对的位置值由时钟信号触发，从高位(MSB)开始输出与时钟信号同步的串行信号，SSI标准
25、的信号单转为 13位(串行)，多转为 25位(13+12位串行)。当不传送信号时，时钟和数据位均是高位。在时钟信号的第一个下降沿到来时，当前值开始贮存。经过时间t1，从时钟信号上升沿开始，数据信号开始传送。t2为数据信号的延时。t3为恢复信号的时间宽度，等待下次传送。闸位显示仪表为 4位数码管显示，输入信号为SSI同步串行信号，输出信号为RS-485串行信号。其输出信号直接传送到闸门自动控制系统的下位机的串行接口。2.4.2水位仪闸门控制系统的水位仪主要用于水闸前后水位的测量。目前采用较多的是浮子式液位计或投入式液位计来进行水位测量。其缺点为：测量精度低，不可靠，经常出现浮子卡死不动和传感器堵
26、塞导致测不准，安装、调试不便;由于浮子式水位计具有机械传动部件，在现场环境中长期使用容易锈蚀破坏，因而维护工作量大;采集到的仅是模拟信号，不能直接进入计算机监控系统，对无人值班控制系统不实用。超声波水位仪则克服了上述缺点。它测量精度高，安装简单;与水面无接触，不受水流泥沙含量的影响;它不需要测井，并且可以配用有线、无线遥测设备。超声波水位仪的工作原理及安装要求超声波水位仪工作时，高频脉冲声波由传感器发出，遇被测物体(水面)表面被反射，折回的反射回波被同一传感器接收，转换成电信号。脉冲发送和接收之间的时间(声波的运动时间)与传感器到物体表面的距离成正比，声波传输的距离S与声速C和传输时间T之间的
27、关系可以用公式表示：S=CT,而测定距离L=S/2。安装传感器时，应使传感器发出的声波垂直于被测物体，使传感器能接收到较多的物体反射回来的声波，使测量更精确。在被测物体与传感器之间不能存在任何物体，以免使声波被遮拦物反射给传感器，造成实测距离为传感器与遮拦物之间的距离。其次，水面波动会对采集精度产生影响，可采用数字滤波以及加装导管的方法加以抑制。另外，为防止电磁干扰，传感器到控制表之间的传输线务必使用屏蔽电缆。使用超声波水位仪以后，不仅可以实现闸前、闸后水位及压差的多点实时监测，及报警功能，而且结束了测量系统只能单独工作，无法与电厂计算机监控系统通讯的局面。同时可以实现闸门系统的监视功能、控制
28、功能以及故障时寻呼系统功能的集成，满足无人值班电站的需要。3闸门智能控制系统硬件设计3.1系统硬件设计原则作为一个实现功能丰富、元器件复杂、工作独立的单片机系统，首先要考虑的就是系统的硬件电路设计。一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分内容，一部分是系统扩展，即单片机的功能单元，如ROM, RAM, I/O口、定时/计数器、中断系统等。当它们的容量不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。二是系统配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、A/D、D/A转换器等，要设计合适的接口电路。 本课题在硬件系统的扩展和配置设计中遵循以下原则：
29、A.尽可能选择典型电路，并符合单片机的常规用法。为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础；B.系统的扩展与外围设备配置的水平应充分满足应用系统的功能要求，并留有适当的余地，以便进行二次开发；C.硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会产生相互影响，考虑的原则是：软件能实现的功能尽可能由软件来实现，以简化硬件结构；D.整个系统的性能要尽量做到性能匹配，例如选用晶振频率较高时，存储器的存取时间有限，应该选择允许存取速度较高的芯片;选择CMOS芯片单片机构成低功耗系统时，系统中所有的芯片都应该选择低功耗的产品；E.单片机外接电路较多时，必须考虑器件驱动能力。驱动能力不足时，系统工作不
30、可靠。3.2系统硬件总体结构设计系统硬件的总体结构图如图3-1所示：RS-232A/D转换水位传感器水位变送开度传感器开度变送器微处理器信号采集与处理，传感器线性化，模糊控制算法报警显示闸门驱动PC机水位信号闸门开度信号 图3-1闸门流量控制系统图电路部分以AT89S52单片机为中央处理器，辅以外围模拟、数字电路功能模块，实现智能控制器对闸门的启闭操作、显示工作状态、故障报警、处理等全方位闭环控制。电路板上主要包括数据采集处理电路、键盘与显示电路、控制输出电路、模拟电源、数字电源、蜂鸣器等。3.3单片机最小系统设计单片机最小系统包括晶振电路、复位电路、电源。如上图3-2所示：图3-2 单片机最
31、小系统A.微处理器AT89S52为了使用和调试方便，系统要求可以进行在线改写，并能在断电情况下保存数据而不需要保护电源，同时为了实现真正的单片控制，最好系统使用尽可能少的外围扩展芯片，提高系统运行的可靠性，所以我们要求使用的单片机具有片内电擦除可编程只读存储器 E2PROM。同时为了以后系统升级的需要，在设计中采用52系列单片机。基于以上原因，我们在众多单片机类型中选取了ATMEL公司的AT89S52。它是ATMEL公司出品的一款低功耗、高性能内含8K字节闪电存储器(Flash Memory)的8位CMOS微控制器，兼容MCS-51微控制器。其特点如下。a) 片内含 8KB可反复擦写的只读程序
32、存储器(FLASH Memory)，支持在线系统编程ISP，大于1000次擦写周期，256B的随机存取数据存储器(RAM)，外部数据存储器寻址空间64KB，外部程序存储器寻址空间64KB；b) 3个 16位定时/计数器，三级加密程序存储器；c) 具有32个可编程I/O端口，一个全双工串行口，可利用两根I/O口线作为全双工的串行口，有四种工作方式，可以通过编程选定；d) 内部ROM中开辟了四个通用工作寄存器区，共32个通用寄存器，以适应多种中断或子程序嵌套的情况；e) 中断系统是具有8个中断源、6个中断矢量、2级优先的中断结构；f) 堆栈位置是可编程的，堆栈深度可达128字节；g) 内部有一个由
33、直接可寻址位组成的布尔处理机，在指令系统中，包含了一个指令子集，专用于对布尔处理机的各位进行各种布尔处理，特别适用于控制目的和解决逻辑问题；h) 具有一个数据指针DPTR，其低功耗工作模式有空闲模式和掉电模式。 作为系统的核心部件，AT89S52微控制器具有较快的处理速度、丰富功能的外围模块和大容量的R渊和RAM等特点，能够满足系统的要求，不需要再扩展外部数据和程序存储器，它对于整个系统的优化起着至关重要的作用。B.电源电路本系统中AT89S52微控制器需要输入5V的电压，它是通过7805三端稳压管输出来获得的，如图3-3所示：图3-3 电源电路图在电源电路中，7805能够将9V电压输入转换为
34、5V典型电压输出，完全可以满足电路设计要求。为保证7805输出的稳定性，输入输出都要接上电容。C.晶振电路8051芯片内部有一个高增益反向放大器，用于构成振荡器。反向放大器的输入端为XTAL1,输出端为XTAL2，分别是8051的19脚和18脚。在XTAL1和XTAL2两端跨接晶体谐振器，即立式晶振及两个电容就可以构成稳定的自激振荡器，如下图3-4所示。本系统的两个电容器选取为30pF，晶体谐振器的振荡频率为12MHz。图3-4 晶振电路D.看门狗电路存储器X5045芯片，它是一种集看门狗、电压监控和串行EEPROM三种功能于一体的可编程电路。其中的看门狗对系统提供了保护功能，当系统发生故障而
35、超过设置时间时，电路中的看门狗将通过RESET信号向CPU发送复位信号。X5045存储器与单片机可通过SPI串行通信方式进行数据连接，X5045共有4096个位，可以按512 X 8个字节来放置数据。X5045的引脚图如图3-5所示。图3-5 存储器X5045X5045功能描述: 上电复位向X5045加电时会激活一个“上电复位电路”，这个电路被设计用来确保微控制器电源供给在每个时刻都是正常的，从而确保我们的测控系统正常工作。它使RESET引脚有效，这个信号有多种用途:避免系统的微处理器在电压不足的情况下工作，还避免了微处理器在振荡器稳定前工作。 低电 压 监视工作时,X5045对Vcc电平进行
36、监测，若电源电压跌落至预置的最小Vtrip以下时，系统即确认RESET，从而避免微处理器在电源失效或断开的情况下工作，当RESET被确认后，该RESET信号将一直保持有效，知道电压跌到低于1V。而当Vcc返回并超过Vtrip达200ms时，系统重新开始工作。看门狗定时器看门狗定时器电路通过检测WDI的输入来判断微处理器是否正常工作。在设定的定时时间以内，微处理器必须在WDI引脚上产生一个由高到低的电平变化；否则X5045将产生一个复位信号。X5045内部一个控制寄存器中由2位可编程位决定了定时周期的长短，微处理器可以通过指令来改变这两个位，从而改变看门狗定时时间的长短。SPI串行编程EEPRO
37、MX5045内的EEPROM被组织成8位的形式，通过4线制SPI接口与微控制器相连。片内的4KBEEPROM除可以由WP引脚置高保护以外，还可以使用指令进行“软件”保护，即通过指令可以设置保护这4KB存储器中的某一部分或者全部。在系统设计中，X5045电路连接图如上图3-5所示。E.复位电路单片机的第9脚RST为硬件复位端，只要将该端持续4个周期的高电平即可实现复位，复位后单片机的各状态都恢复到初始化状态。如下图3-5所示：图3-5 复位电路图中由按键RESET以及电解电容C、电阻R构成按键及上电复位电路。由于单片机是高电平复位，所以当按键RESET按下的时候，单片机的9脚RESET管脚处于高
38、电平，此时单片机处于复位状态。当上电后，由于电容的缓慢充电，单片机的9脚电压逐步由高到低转化，经过一段时间后，单片机的9脚处于稳定的低电平状态，此时单片机上电复位完毕，系统程序从0000H开始执行。3.4数据采集处理电路设计A/D转换电路是数据采集系统的核心电路，它对采样获得的连续电压(被测量信号从时间上离散化)转换成数字量(数值上离散化)。任何A/D转换器的最基本的特性都是转换位数和转换时间，转换时间是指完成一次完整的A/D转换所占有时间。在同样模拟输入电压下，A/D转换器的位数越高，标志着它的量化精度越高，但这会带来转换速度减慢和转换器价格上升的问题。在A/D转换器件的选择中，首先要搞清楚
39、关于A/D转换器的几个指标量概念。转换时间：A/D转换器完成一次转换所需要的时间为A/D转换时间。转换时间与A/D转换原理密切相关，双积分ADC转换慢，而逐次比较式ADC转换较快。分辨率：ADC的分辨率是指使所能分辨的输入模拟量最小值，也就是使输出数字量最低位LSB发生由1-0或0-1变化时输入模拟量变化的最小值。分辨率也用位数表示。例如12位的ADC的分辨率就是12位，或者说分辨率为VPs/2120。一般的A/D转换a件都是并行方式.即器件通过数据总线与CPU通信，从CPU接收命令，想CPU发送转换结果，如ADC0801，ADC0832等。如果ADC的转换精度较高（12位），而CPU又采用8
40、位数据总线方式的话，那时CPU必须进行两次读操作才能将转换结果读出。这种形式的ADC与CPU通信时不仅需要数据线，还要选址，读写信号，中断请求等，给印刷版布线带来不少麻烦，增加了硬件的成本和电路板的调试难度。对于本课题而言，在选用A/D芯片时，为了充分利用系统资源，使设计出的系统最小，最优，闸门智能控制器的A/D转换最好采用串行方式，这样大量节省了AT89S52宝贵的I/O口线，既简化了系统的结构又使单片机的引脚得到了充分利用。基于上述几个原因，在系统中选用了TLC2543芯片。它具有以下特点：12位转换精度；10us转换时间；11路模拟输入；3种内建自测模式；内建采样保持器；内部有片内时钟系
41、统；具有转换结束引脚，方便使用查询和中断方式编程；有极性或无极性二进制输出；可编程进入断电模式；可编程设定输出数据长度为8，12或16位。图3-6 TLC2543与单片机连接电路图TLC2543与单片机连接电路如图3-6所示，TLC2543具有4线制串行接口，分别为片选端（CS），串行时钟输入端（I/O CLOCK），串行数据输入端（DATA IN）和串行数据输出端（DATA OUT）。它可以直接与SPI器件进行连接，不需要其他外部逻辑器件。同时，它还能在高达4MHZ的串行速率下与主机进行通信。TLC2543除了具有高速的转换速度外，片内还集成了14路多路开关。其中11路为外部模拟量输入，3路
42、为片内自测电压输入。在转换结束后，EOC引脚变为高电平，转换过程中由片内时钟系统提供时钟，无需外部时钟。在转换器空闲期间，可以通过编程方式进入断电模式，此时器件耗电只有25uA。3.5显示系统电路设计单片机应用系统中使用的显示器主要有 LED(发光二极管显示器)和 LCD(液晶显示器)，这两种显示器成本低、配置灵活、与单片机接口方便。 由于本系统需要同时显示水位、闸高以及闸门提升方向等信息，传统的数码管显示方式会给用户带来不便。而采用液晶显示方式，具有界面友好、低功耗、外形美观、显示内容丰富等优点，液晶显示器在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用，比传统的LED显示器件有很大的优势
43、，现在字符型液晶显示模块己经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件了。因此在本系统中选用LCD 1602液晶显示模块，它可以显示两行，每行16个字符，采用单+5V电源供电，外围电路配置简单，价格便宜，具有很高的性价比。与单片机连接如下图3-7所示。图3-7 LCD与单片机连接图下面详细介绍一下字符型液晶显示器件LCD 1602的结构、控制命令字格式、典型电路连接以及详细的驱动程序，其中的电路、程序均经过调试，可以直接应用到产品开发当中。其接口引用功能如表3-1所示。表3-1接口引用功能引脚号符号状态功能1Vss电源地2Vdd电源+5V3V0液晶驱动电源4RS输入寄存器选择5R/W输入读，写操作
44、6E输入使能信号7DB0三态数据总线（LSB）8DB1三态数据总线9DB2三态数据总线10DB3三态数据总线11DB4三态数据总线12DB5三态数据总线13DB6三态数据总线14DB7三态数据总线（MSB）15LEDA输入背光+5V16LEDK输入背光地主要管脚介绍：A.V0：液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生 “鬼影”。B.RS：寄存器选择，高电平时选择数据寄存器;低电平时选择指令寄存器。C.R/W：读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址;当RS为高电平R/W为低电平时可以写
45、入数据。D.E：使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。 数据线DB0-DB7接到单片机的P0口；3条控制线分别接到P1.0，P1.1，P1.2电阻R1用来调节液晶显示的对比度，可以接一个5k的电位器来调节,电阻R2用来设置背光的亮度，一般情况接一个1k的电阻就可以了，当然也可以接入电位器来调节显示的亮度。技巧：一般在电路设计时，很少把液晶直接做到单片机的电路板上，而是通过一个接口电路来转接，比如在主板上留出来16根线的接口，这样就可以通过一组16根的排线来连接单片机和液品显示器。3.6输出控制电路设计本系统最主要的功能就是对闸门运行进行精准控制。而对闸门直接进行控制的就是电动
46、机，输出控制是单片机对控制对象实施操作控制。因此在硬件系统中需要配备数模转换电路以及后续功率放大、驱动电路。在输出控制通道中采用D/A转换器是计算机实现对模拟量控制的常用方式，而串行 D/A转换器由于接口电路简单、易于远程操作以及体积小、功耗低等特点而广泛应用于分布式控制系统中。通常电路中选用的D/A转换模块以并行模式居多。在设计时需要由CPU提供8位数据总线和地址选通信号，其输出电路还要使用运放把D/A转换输出的小电流转换成电压信号。这只是最基本的部分，如果再在此基础上加上其他电路，那就更复杂了。但在本系统中，微处理器的D/O控制口非常少，很宝贵，能节约就节约：另外，控制器对体积大小要求严格，要尽量用引脚少、体积小的芯片。最后，就是要求功能强大。基于以上原因，系统选用MAXIN公司生产了二线串行接口的8位D/A转换芯片。它是一种采用二线串行接口的8位D/A转换芯片，采用单5V供电，简单的双线接口;与I2C总线兼容；输出缓冲放大双极性工作方式；基准输入可为双极性；上电复位将所有闭锁清零；总线上可挂四个器件 (通过AD0，AD1选择)。具有2路8位模拟量输出口。MAX518的D/A转换数据通过SCL和SDA串行输入，芯片内部把输入数据中地址位与AD0，AD1所表示的地
