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第1章绪论

水箱控制系统的研究意义

大型水箱是很多公司生产过程中必不可少的部件，它的性能和工作质量的优良不仅仅对生产有着巨大的影响，而且也关系着生产的安全。

在过去，大量的对水箱操作是由相应的人员进行操作的，这样的人工方式带来了很大的弊端，比如水位的控制，时刻监控水箱的环境，夜间的监控等等，操作员稍有疏忽，或者简易的监则器件损坏，将带来无法弥补的损失，更严重的会危机到生产人员的人身安全等。

所以对水箱控制，如果能够使用精密的而且完全会严格按照生产规定运行的自动化系统，可以最大限度的避免事故的几率，同时也能节省资源并能有效提高生产的效率。

从水资源节约方面考虑，以往的人工控制在很多情况下，造成资源不必要的浪费，大部分原因是水箱内部水位没有及时的反馈信息到操作员，从而使控制上有一定的延迟，从而造成了水量过多或者没能及时补水而导致资源的浪费或生产出现异常。

而对水箱水位的监控以及自动化的引入可以很好的改善补水过多和及时补水的情况，可以很好的节约资源有效的降低成本。

单片机，一小块芯片上集成了一个微型计算机的各个组成部分，它的诞生使众多自动化控制系统得以实现。

8051以它功能强大，设计简单，制造廉价，支持指令集较多。

所以应用到众多嵌入式系统开发中。

因此，基于80C51单片机的水箱控制系统研究有着重要的意义。

水箱控制系统的发展现状

目前，水箱控制系统已不仅仅局限于大型的电厂、煤炭、钢铁等大型企业领域，它以自身的自动化控制系统的安全优势，已经慢慢深入到一些民用水箱产品。

但是目前阶段，它的成本还很高。

比如把一台纯手工家用水箱设计成自动化控制的水箱，从硬件的设计和铺设，对于民用化产品实施的性价比较高。

因此大规模的使用仍受到经济上的限制。

但是，从长远来看，随着自动化技术的改进和硬件成本的降低，以及人们对资源浪费的重视。

水箱控制系统仍然有大规模推广的前景。

我国仍然处于生产型发展中国家，所有几乎在能源相关的所有领域中，水箱是比不可少的部件，即使是发达国家也不例外。

它性能的优良与否关系直接关系到企业的生产安全和效益。

随着我国嵌入式技术的发展，我国控制系统技术已经达到国际水平，但是在中小型企业以及民用产品，大量的水箱控制任然通过专职的人员进行控制。

随着我国单片机开发技术的逐渐成熟，以及单片机生产成本的下降，基于单片机的水箱控制系统应用到中小型以及民用产品有着交大的发展空间。

而且越来越多的水箱生产厂商开始聘用单片机开发人员和电路设计人员，将控制系统成为水箱设计的一部分，以提高自身产品的安全性能和科技含量来提高产品在市场中的竞争力。

第2章

8051单片机水箱控制系统硬件设计

8051单片机结构

本系统采用8051单片机，引脚具体控制[1]如下：

P1口和P3口为输入输出检则信号和控制信号。

下面是8051芯片引脚具体分配：

P1.0：

水位低低输入信号。

（低0，高1）

P1.1：

水位低输入信号。

P1.2：

水位高输入信号。

（高1，低0）

P1.3：

手动与自动转换输入信号。

（手动1，自动0）

P1.4：

M1起动KM1控制输出信号。

P1.5：

M2起动KM1控制输出信号。

P1.6：

M1开关状态输入信号。

（开0，关1）

P1.7：

M2开关状态输入信号。

P3.0：

水位低低报警输出信号。

P3.1：

水位低报警输出信号。

P3.2：

水位高报警输出信号。

P3.4：

手动起动M1输入信号，低电频有效动作。

P3.5：

手动起动M2输入信号，低电频有效动作。

P3.6：

手动停M1输入信号，低电频有效动作。

P3.7：

手动停M2输入信号，低电频有效动作。

74LS373芯片

74LS373[11]是一种带输出三态门的8D锁存器，其结构如图2.1所示。

图2.174LS373芯片结构

引脚功能介绍：

D0~D7为8个输入端；

Q0~Q7为8个输出端；

G为数据锁存控制端；

当G为“1”时，锁存器输出端同输入端；

当G由“1”变“0”时，数据输入锁存器中。

OE为输出允许端；

当OE为“0”时，三态门打开；

当OE为“1”时，三态门关闭，输出呈高阻状态。

在该基于8051单片机水箱控制统中，采用74LS373作为I/O接口驱动使用，具体引脚连接如下：

其与8051连接方法如下

8051

P0.0（32）--------D0（3）

P0.1（33）--------D1（4）

P0.2（34）--------D2（7）

P0.3（35）--------D3（8）

P0.4（36）--------D4（13）

P0.5（37）--------D5（14）

P0.6（38）--------D6（17）

P0.7（39）--------D7（18）

ALE（30）--------LE（11）

/OE

（1）、GND（10）接地

VCC（20）接+5V

注：

括号内位引脚编号

其中输入端D0~D7接至单片机的P0口，输出端提供的是低8位地址，G端接至单片机的地址锁存允许信号ALE。

输出允许端OE接地，表示输出三态门一直打开。

单片机系统中常用的地址锁存器芯片74LS373以及coms的74hc373。

是带三态缓冲输出的8D触发器，其引脚图与结构原理图、电路连接如图2.2所示。

图2.274LS373引脚结构

74LS373功能表>

EGDQ

LHHH

LHLL

LLXQ

上表是74LS373的真值表，表中：

L——低电平；

H——高电平；

X——不定态；

Q0——建立稳态前Q的电平；

G——输入端，与8031ALE连高电平：

畅通无阻低电平：

关门锁存。

图中OE——使能端，接地。

当G=“1”时，74LS373输出端1Q—8Q与输入端1D—8D相同；

当G为下降沿时，将输入数据锁存。

741s373是常用的地址锁存器芯片，它实质是一个是带三态缓冲输出的8D触发器，在单片机系统中为了扩展外部存储器，通常需要一块74ls373芯片，如图2.3所示。

图2.374LS373芯片结构

1.1脚是输出使能（OE）,是低电平有效,当1脚是高电平时,不管输入3、4、7、8、13、14、17、18如何,也不管11脚（锁存控制端,G）如何,输出2（Q0）、5（Q1）、6（Q2）、9（Q3）、12（Q4）、15（Q5）、16（Q6）、19（Q7）全部呈现高阻状态（或者叫浮空状态）;

2.当1脚是低电平时,只要11脚（锁存控制端,G）上出现一个下降沿,输出2（Q0）、5（Q1）、6（Q2）、9（Q3）、12（Q4）、15（Q5）、16（Q6）、19（Q7）立即呈现输入脚3、4、7、8、13、14、17、18的状态.

锁存端LE由高变低时，输出端8位信息被锁存，直到LE端再次有效。

当三态门使能信号OE为低电平时，三态门导通，允许Q0~Q7输出，OE为高电平时，输出悬空。

当74LS373用作地址锁存器时，应使OE为低电平，此时锁存使能端C为高电平时，输出Q0~Q7状态与输入端D1~D7状态相同；

当C发生负的跳变时，输入端D0~D7数据锁入Q0~Q7。

51单片机的ALE信号可以直接与74LS373的C连接。

74ls373与单片机接口：

1D~8D为8个输入端。

1Q~8Q为8个输出端。

G是数据锁存控制端；

当G=1时，锁存器输出端同输入端；

当G由“1”变为“0”时，数据输入锁存器中。

当OE=“0”时，三态门打开；

当OE=“1”时，三态门关闭，输出呈高阻状态。

在MCS-51单片机系统中，常采用74LS373作为地址锁存器使用，其连接方法如上图所示。

其中输入端1D~8D接至单片机的P0口，输出端提供的是低8位地址，G端接至单片机的地址锁存允许信号ALE。

光电隔离

光电隔离器,亦称光电耦合器、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。

光耦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—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。

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属于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。

光耦合器是70年代发展起来产新型器件，现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器（SSR）、仪器仪表、通信设备及微机接口中。

在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。

1、共模抑制比很高在光电耦合器内部，由于发光管和受光器之间的耦合电容很小（2pF以内）所以共模输入电压通过极间耦合电容对输出电流的影响很小，因而共模抑制比很高。

2、输出特性光电耦合器的输出特性是指在一定的发光电流IF下，光敏管所加偏置电压VCE与输出电流IC之间的关系，当IF=0时，发光二极管不发光，此时的光敏晶体管集电极输出电流称为暗电流，一般很小。

当IF>

0时，在一定的IF作用下，所对应的IC基本上与VCE无关。

IC与IF之间的变化成线性关系，用半导体管特性图示仪测出的光电耦合器的输出特性与普通晶体三极管输出特性相似。

3、光电耦合器可作为线性耦合器使用。

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。

光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。

它由发光源和受光器两部分组成。

把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。

发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等等。

光电耦合器的种类较多，常见有光电二极管型、光电三极管型、光敏电阻型、光控晶闸管型、光电达林顿型、集成电路型等。

在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了电一光一电的转换。

基本工作特性（以光敏三极管为例）

1、共模抑制比很高

在光电耦合器内部，由于发光管和受光器之间的耦合电容很小（2pF以内）所以共模输入电压通过极间耦合电容对输出电流的影响很小，因而共模抑制比很高。

2、输出特性

光电耦合器的输出特性是指在一定的发光电流IF下，光敏管所加偏置电压VCE与输出电流IC之间的关系，当IF=0时，发光二极管不发光，此时的光敏晶体管集电极输出电流称为暗电流，一般很小。

光电耦合器的测试

1、用万用表判断好坏，断开输入端电源，用R×

1k档测1、2脚电阻，正向电阻为几百欧，反向电阻几十千欧，3、4脚间电阻应为无限大。

1、2脚与3、4脚间任意一组，阻值为无限大，输入端接通电源后，3、4脚的电阻很小。

调节RP，3、4间脚电阻发生变化，说明该器件是好的。

不能用R×

10k档，否则导致发射管击穿。

2、简易测试电路，当接通电源后，LED不发光，按下SB，LED会发光，调节RP、LED的发光强度会发生变化，说明被测光电耦合器是好的。

光电耦合器具体应用

1.组成开关电路

电路中，当输入信号ui为低电平时，晶体管V1处于截止状态，光电耦合器B1中发光二极管的电流近似为零，输出端Q11、Q12间的电阻很大，相当于开关“断开”；

当ui为高电平时，v1导通，B1中发光二极管发光，Q11、Q12间的电阻变小，相当于开关“接通”．该电路因Ui为低电平时，开关不通，故为高电平导通状态．同理，因无信号（Ui为低电平）时，开关导通，故为低电平导通状态。

2．组成逻辑电路

电路为“与门”逻辑电路。

其逻辑表达式为P=A．B.图中两只光敏管串联，只有当输入逻辑电平A=1、B=1时，输出P=1．同理，还可以组成“或门”、“与非门”、“或非门”等逻辑电路。

3．组成隔离耦合电路

这是一个典型的交流耦合放大电路．适当选取发光回路限流电阻Rl，使B4的电流传输比为一常数，即可保证该电路的线性放大作用。

4．组成高压稳压电路

驱动管需采用耐压较高的晶体管（图中驱动管为3DG27）。

当输出电压增大时，V55。

的偏压增加，B5中发光二极管的正向电流增大，使光敏管极间电压减小，调整管be结偏压降低而内阻增大，使输出电压降低，而保持输出电压的稳定。

5.组成门厅照明灯自动控制电路。

A是四组模拟电子开关（S1~S4）：

S1，S2，S3并联（可增加驱动功率及抗干扰能力）用于延时电路，当其接通电源后经R4，B6驱动双向可控硅VT，VT直接控制门厅照明灯H；

S4与外接光敏电阻Rl等构成环境光线检测电路。

当门关闭时，安装在门框上的常闭型干簧管KD受到门上磁铁作用，其触点断开，S1，S2，S3处于数据开状态。

晚间主人回家打开门，磁铁远离KD，KD触点闭合。

此时9V电源整流后经R1向C1充电，C1两端电压很快上升到9V，整流电压经S1，S2，S3和R4使B6内发光管发光从而触发双向可控硅导通，VT亦导通，H点亮，实现自动照明控制作用。

房门关闭后，磁铁控制KD，触点断开，9V电源停止对C1充电，电路进入延时状态。

C1开始对R3放电，经一段时间延迟后，C1两端电压逐渐下降到S1，S2，S3的开启电压（1.5v）以下，S1，S2，S3恢复断开状态，导致B6截止，VT亦截止，H熄来，实现延时关灯功能。

水箱的控制器由8051系统构成。

为避免电机的起停和电源波动时对电路的影响，输入输出均采用光电隔离。

光电隔离是半导体管敏感器件和发光二极管组成的一种新器件，它主要功能是实现电信号的传送。

输入与输出绝缘隔离，信号单向传输，无反馈影响。

抗干扰性强，响应速度快。

工作时，把输入信号加到输入端，使发光管发光，光敏器件在磁光辐射下输出光电流，从而实现电光点的两次转换。

继电器隔离是用电信号控制继电器的机械触电来实现隔离控制。

输出通过继电器，控制水泵机组的起停和报警，其电路图如图2.4所示。

图2.4水泵报警系统结构

EPROM2764芯片

EPROM2764[11]芯片是8K*8字节的紫外线擦出、可编程只读存储器，单一+5V供电，工作电流为75mA，维持为35mA,读出时间最大为250nS,封装为28引脚的双列直插式封装。

如图2.5所示。

图2.5EPROM27芯片结构

各引脚含义为：

A0-A12为13根地址线，可寻址8K字节；

D0-D7为数据输出线；

CE为片选线；

OE为数据输出通线；

PGM为编程脉冲输入端；

Vpp是编程电影院；

Vcc是住电源。

正常工作（只读）时，Vpp=Vcc=+5V，/PGM=+5V。

编程时，Vpp=+25V（高压）,/PGM端加入宽度为50ms的负脉冲。

在本系统中，EPROM2764芯片实现的是可编程I/O接口电路的扩展功能,具体引脚连接如下：

与引脚连线如下：

Q5（15）--------A5（5）

80C51和2764

P0.0（32）--------D0（11）

P0.1（33）--------D1（12）

P0.2（34）--------D2（13）

P0.3（35）--------D3（15）

P0.4（36）--------D4（16）

P0.5（37）--------D5（17）

P0.6（38）--------D6（18）

P0.7（39）--------D7（19）

P2.0（21）--------A8（25）

P2.1（22）--------A9（24）

P2.2（23）--------A10（21）

P2.3（24）--------A11（23）

P2.4（25）--------A12

（2）

/PSEN（29）-------/OE（22）

/CE（20）接地

VCC、PGM、VPP接+5V

80C51

2764

74LS373与2764引脚连接如下：

74LS3732764

Q0

（2）--------A0（10）

Q1（5）--------A1（9）

Q2（6）--------A2（8）

Q3（9）--------A3（7）

Q4（12）--------A4（6）

Q6（14）--------A6（4）

Q7（19）--------A7（3）

数据采集器

数据采集是一切测试测量过程的第1步，在整个系统中占有重要的地位。

此模块主要是对采集设备的采样参数（包括通道的选择、信号输入范围、采样模式、采样频率以及每通道采样数等）进行设置。

并对采集卡的驱动程序自动携带可以嵌入Lab-VIEW的DAQ程序模块库。

因此在设计数据采集程序时可以直接使用此模块库进行编辑。

采样频率是信号采集过程中非常重要的一个关键问题。

采样频率过低或过高都会对信号采集产生一定的负面影响。

采样率过低可能导致采集的信号频率发生畸变，从而产生混频现象。

根据奈奎斯特定律，为了防止发生混频，最低采样频率必须是信号频率的2倍。

而采样率过高又可能导致没有足够的内存或者硬盘存储数据，不利一般设置位输出信号最高频率的7-10倍，就可以正确地还原波形。

传统测试系统的工作流程是数据的采集、分析显示3个任务在同一线程上按照顺序一次执行。

即当1个任务运行的同时其他2个任务就不能运行。

处于等待状态中，这样是比会造成疏忽采集的不完整性。

为了解决这一传统的弊端，在编制程序时采用多线程技术。

当运行多线程程序时。

才做系统为每个独立线程安排CPU时间，单处理器系统以轮转方式按线程的优先级别提供时间片，每个线程在使用完时间片后交出控制权，系统再将CPU时间片分配给下一个线程，多处理器系统在多个处理器上都能够通知运行多个独立的线程，减少了线程切换所带来的时间消耗，从而极大地提高系统的执行速度，进行运算。

在本系统中把数据采集，数据分析以及结果显示放在3个独立的线程中。

这样3个While循环式并行运行的，可以保证数据采集不受其他2个程序的影响，从而可以采集到完整的数据，而程序当中的“获取通知