1、毕业设计（论文）( 2010 届 )题目： 基于单片机控制的超声波液位测量系统 系 别 计算机工程系 专业班级 电气自动化技术 学生姓名 周 炉 兴 学 号 0711030135 导师姓名 黎 云 汉 成 绩 2009 年 10 月 10 日目 录一、引言 - 1 -二、超声波液位测量原理 - 2 -（1）超声波的基本特性 .- 2 -（2）T/R40 超声波传感器 - 3 -1超声波传感器型号代码如下图 .- 4 -2超声波传感器的结构图 .- 4 -（3）超声波测距理论分析 .- 5 -三、系统硬件设计 - 6 -（1）系统硬件设计思想 .- 6 -（2）AT89S52 单片机最小系统 .
2、- 7 -1复位电路 .- 7 -2时钟电路 .- 7 -3按键电路 .- 7 -（3）超声波发射电路 .- 8 -（4）超声波接收电路 .- 8 -（5）温度检测电路 .- 9 -（6）显示电路 .- 10 -1LCD12864 外形尺寸 - 11 -2LCD12864 指令说明 - 12 -3LCD12864 串行读/写操作时序 .- 13 -（7）在线下载程序电路 .- 14 -（8）声光报警电路 .- 14 -四、系统硬件制作 - 15 -（1）硬件原理图绘制 .- 15 -（2）硬件 PCB 的绘制 - 15 -1PCB 设计基本流程 .- 15 -2PCB 布局和布线原则 .- 1
3、6 -3PCB 电路板的抗干扰设计原则 .- 17 -4PCB 图 .- 17 -（3）PCB 板的制作 .- 18 -1打印 PCB 图 - 18 -2PCB 图转印到敷铜板 .- 18 -3化学蚀刻 .- 18 -4过孔 .- 19 -5助焊与阻焊处理 .- 19 -（4）最后实物图 .- 20 -五、系统软件设计 - 21 -（1）软件总体设计框图 .- 21 -（2）LCD12864 显示模块 - 22 -（3）超声波发射模块 .- 24 -（4）延时子程序模块 .- 24 -（5）DS18B20 温度补偿模块 - 25 -1DS18B20 初始化 - 25 -2DS18B20 写数据
4、 - 26 -3DS18B20 读数据 - 26 -（6）按键功能模块 .- 27 -六、测试结果与分析 - 27 -（1）没加温度补偿前 .- 27 -（2）加温度补偿后 .- 28 -七、总结 - 29 -参考文献 - 30 -致 谢 - 31 - I -基于单片机控制的超声波液位测量系统计算机工程系 07 电气自动化班 周炉兴指导老师：黎云汉摘要：超声波在现代运用越来越广泛，如：倒车测距、机器人判向、气象水位的测量、大型油罐液位的测量等。随着智能仪器概念的提出，在电子和微控制芯片发展的基础上，超声波测液位也发生了日新月异的变化。本文是在熟悉了单片机、超声波、12864 液晶屏和 DS18
5、B20 等性能后，以 AT89S52 单片机为核心，利用 T/R40 超声波对液位进行自动检测；温度传感器 DS18B20 对环境温度实时监测；LCD12864 液晶屏实时显示测量数据；方便了操作人员对系统检测结果的监控。系统硬件电路设计主要包含：超声波发射电路、接收电路、显示报警电路、温度补偿电路和相应的按键控制电路。超声波发射电路：由单片机发出的脉冲信号，经过信号整形后，传到超声波换能器(中心频率为 40kHz)。将电能转换为机械能，以满足超声波传感器的驱动要求。超声波接收电路：采用红外接收电路常用的 CX20106 芯片，简化了电路，并具有较强的抗干扰性。将回波信号转换成单片机的中断信号
6、。AT89S52 单片机是其核心部分，主要任务是，发出脉冲串用来驱动超声波发射换能器发出超声波，通过定时器 T0 对超声波传输时间进行计时，利用 DS18B20 进行温度的测量，根据测出的时间、温度和有关参数计算出距离。系统软件设计主要利用 KeiluVision3 进行编程，为了使整个程序的层次和结构比较清晰所以采用单片机 C 语言模块化的设计思想。这样的方法有利于程序的调试和修改。软件模块主要分为：LCD12864 显示模块、按键设置模块、温度传感器 DS18B20 的温度补偿模块、报警与数据处理等模块。对系统进行测试和记录结果，并对该系统测量误差进行了分析并找出提高测量精度的方法。关键词
7、: 超声波 液位测量 AT89S52 单片机 DS18B20 LCD12864 - 1 - 一、引言随着科技的发展，在全球，超声波广泛运用于诊断学、治疗学、工程学、生物学等领域。如工程学方面的应用：水下定位与通讯、地下资源勘查等；生物学方面的应用：剪切大分子、生物工程及处理种子等；诊断学方面的应用：A 型、B 型、M 型和 D 型等；治疗学方面的应用：理疗、治癌、外科、体外碎石、牙科等。目前，市场上的超声波液位仪表功能各异，价格差异也较大。从价格和功能上比较，国内和国外产品存在较大的差异：国外的液位测量仪表，功能较全，精度较高，但价格比较昂贵；而国内产品其功能和精度相对较低，但价格自然相对便宜
8、。国外液位计量仪表早期大多采用机械原理，但近年来随着电子技术的应用，逐步向机电一体化发展，并且发展了许多新的测量原理。在传统原理中也渗透了电子技术及微机技术，结构有了很大的改善、功能有了很大的提高。从国外液位仪表发展的技术动向看，当前主要有三个热点：接触测量方式的液位仪；非接触测量方式的液位仪；新原理的小型液位开关。国内液位计的生产主要采用引进加仿制的手段。近年来，国内多家公司和科研机构陆续推出自行研制的超声波液位测量仪表，其精度日益提高。进口的液位计功能齐全，精度较高，但是价格比较昂贵且维修不是很方便。对于小型用户来说，不是理想之选。而国内自行研制生产的液位计价格相对便宜，但精度不高，功能相
9、对单一。超声波液位测量也广泛应用于石油、化工、气象等部门。实现无接触、智能化测量是液位测量目前的发展方向。由于计算机、微电子、传感器等高新技术的应用和研究，近年来液位仪表的研制得到了飞速的发展，已经满足了一般环境的应用。但是有些要在非常苛刻的条件下进行测试，如在高温、高压、低温、防腐蚀和防辐射等环境下，这就需要能耐高温高压非接触等传感器。超声波就是非接触的传感器所以它适用范围较为广泛，可用于接触型测量仪表不能满足的特殊场合，如粘度高、腐蚀性强、污染性强、易结晶的介质。- 2 - 本文设计基于低成本、高精度的和为满足在工业生产领域中测量有毒、有害、高腐蚀、高温、高浓度等物质的液位高度，所以采用超
10、声波法进行非接触测量。超声波测量方法安全、易于安装、与辐射法相比对人体危害少。本文就超声波的液位测量原理、特点及测量系统的设计进行分析研究。目前，市场上的超声波液位计多数采用单片机作为液位计的控制、运算、显示和报警的核心，主要由硬件决定着测量结果的精度。在对超声波传播特性和单片机特性等研究的基础上，设计了基于单片机控制的超声波液位检测器的硬件系统和软件系统，并对硬件和部分软件分别进行了相关的调试。硬件设计的总体目标是力求在结构简单、成本合理的前提下，尽量完善其所有功能。软件设计前先把整个系统分为单片机最小系统、超声波的发射和接收、数据的处理以及相应的显示功能模块。然后再采用单片机 C 语言模块
11、化程序设计思想，将软件分为超声波发射接收、数据处理模块和各功能模块，模块与模块之间又联系起来。对软件的这种处理方法不但能够使软件的结构清晰，而且可读性加强也有利于软件的调试和修改。由于本设计对计算的精度要求较高，所以采用 DS18B20 传感器进行温度补偿的方法提高计算精度。二、超声波液位测量原理（1）超声波的基本特性1超声波具有较好的指向性频率越高，指向性越强。这在诸如探伤和水下声通讯等应用场合是主要的考虑因素。2超声波的频率高时，相应地波长将变短，因而波长可与传播超声波的试样材料的尺寸相比拟，甚至波长可远小于试样材料的尺寸。这在厚度尺寸很小的测量应用中以及在高分辨率的探伤应用中是非常重要的
12、。3超声波用起来很安静，人们听不到它。这一点在高强度工作场合尤为重要。这些高强度的工作用可闻频率的声波来完成时往往更有效，然而遗憾的是，可闻声波工作时所产生的噪声令人难以忍受，有时甚至是对人体有害的。超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离由此可见，超声波- 3 - 测距原理与雷达原理是一样的测距的公式表示为：L=Ct (1-1)公式(1-1)中 L 为测量的距离长度；C 为超声波在空气中的传播速度； t 为测量距离传播的时间差(t 为发射到接
13、收时间数值的一半 )。超声波在空气中的传播速度主要与空气的压力和温度有关，正常条件下由于大气压力变化很小因此其传播速度主要考虑温度的影响在空气中传播速度为：C=332+0.607T (1-2)公式(1-2)中 332m/s 为零度时的声速， T 为实际温度值。当温度已知时超声波速度既定只要记录从发射到接收超声波的时间即可由公式(1-1)求出被测距离。超声波液位测量有定点测量和连续测量两种。定点测量一般是在容器某一高度水平上选择两点，一点用于发射超声波，另一点用于接收超声波，以判断随时间改变的物料是否达到已知高度；连续测量则要求检测出容器中物料任意位置的高度，通常采用从容器的顶部连续向物料发射超
14、声波的检测方法，连续测量液位时利用反射原理，让发射换能器发出超声波脉冲，到达物面后反射回来由接收换能器接收。根据超声波往返时间在已知声速的条件下即可测得液位(即利用超声波测量距离的原理)。（2）T/R40 超声波传感器超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。如图 2.2.1 压电式超声波有两个压电晶片和一个共振板。
15、当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，- 4 - 将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。超声波发射转化器与接收转化器稍有点不同。共振板电极 压电晶 片图 2.2.1 超声波转化结构图空气中频率较低的超声波耦合良好，所以本系统选用 40KHz 的 T/R40-16型压电陶瓷超声波传感器。T/R40-16 超声波传感器在输入频率为 40KHz 时，各种特性呈现最佳状态。1超声波传感器型号代码如下图T / R 4 0 _ 1 6外壳直 径
16、( m m )中心频 率T : 发射 R : 接收图 2.2.2 超声波传感器型号代码图 2.2.2 是超声波传感器型号代码，如图可知 T 代表：发射超声波； R 代表：接收超声波。 “40”是代表超声波的中心频率为 40KHZ， “16”代表的就是超声波传感器的外壳直径(mm)。2超声波传感器的结构图表 2.2.1 T/R40-16 的尺寸表(mm)型号 A B C D ET/R40-16 16.2 13.0 12.2 9.2 10.0- 5 - 图 2.2.3 超声波外形结构图只要当输入信号在 40KHZ 时，T/R40 超声波传感器的各种性能都达到了最佳的状态，又因为用 555 定时器等
17、硬件产生的方波不够平稳，而单片机利用程序可以产生非常稳定的 40KHZ 的方波，所以为了得到最佳效果本系统使用单片机输出方波的频率为 40KHZ 供超声波发射。（3）超声波测距理论分析超声波测距主要是利用它的方向性好，能够定向传播，当碰到障碍物时能够反射回来。并且在同一介质中传播的速度是一样的(温度不变的情况下)。利用超声波的反射、折射和衰减等特性，超声波测量方法有很多，如脉冲回波法、共振法、对射法、频差法以及声衰减法等，其中应用最广泛的是超声波脉冲回波法。它的基本工作原理是：发射头由脉冲信号激励发出超声波，通过传声媒介传到被测液面，形成反射波，反射波再通过传声介质返回到接收头，传感器把声信号
18、转换成电信号，由单片机程序计算出超声波从发射到接收所传播的时间，再根据超声波在介质中传播的速度，就可以用公式(1-1)算出距离。如图 2.2.4和图 2.2.5 分别是测物距和测液位图。RT图 2.2.4 超声波测物距图如图 2.2.5 可知道，实际过程中超声波直线发射出去，但并不是直线接收到的。发射与接收过程中存在一个角度。所以利用公式(1-1)算出来的值与实际值- 6 - 是存在一定的误差的。如果想让公式(1-1)更接近实际值，可以采用自发自收单传感器方式，但是本文采用的是压电陶瓷传感器，由于压电陶瓷传感器的余震较为严重，单发单收的探头检测死区较大。为避免这一点，本系统采用双探头的设计，即
19、利用两个超声波传感器：一个用来接收，一个用来发射。传播介质为气体。发 射传感 器接 收传感 器液面图 2.2.5 超声波测液位图本文虽然利用发射与接收传感器进行设计，但是从发射出超声波到接收到超声波的时间计算也是一个问题。因为如果利用外部计时器计时，那么计时时间不够准确，所以为了提高计时时间的准确度，利用单片机内部定时器与外部中断的完美结合运用，在开始发送超声波的同时开起定时器计时，先连续发送一串超声波，然后等待接收到超声波的中断信号，接收到就停止计时，然后再根据公式(1-1)进行计算。三、系统硬件设计（1）系统硬件设计思想按设计要求，根据超声波测距原理，以单片机 AT89S52 为核心的测液
20、位系统。系统各部分电路设计如下：1按键设置超限报警值；2单片机发出 40KHZ 方波驱动超声波发射头发射超声波；3定时器 T0 进行计时发射接收的时间；4外部 INT1 作为接收到中断信号输入端；- 7 - 5DS18B20 测出环境温度进行温度补偿；6LCD12864 液晶屏显示数据；7蜂鸣器进行超限报警；8红、黄和绿灯作为工作情况的指示灯；（2）AT89S52 单片机最小系统P1.0/T2 1P1.1/T2EX 2P1.2 3P1.3 4P1.4 5P1.5 6P1.6 7P1.7 8RST9P3.0/RxD10 P3.1/TxD11P3.2/INT012 P3.3/INT113P3.4/
21、T014 P3.5/T115P3.6/WR16 P3.7/RD17XTAL218 XTAL119VSS20P2.0/A8 21P2.1/A9 22P2.2/A10 23P2.3/A11 24P2.4/A12 25P2.5/A13 26P2.6/A14 27P2.7/A15 28PSEN29 ALE30 EA/VPP31P0.7/AD7 32P0.6/AD633P0.5/AD5 34P0.4/AD4 35P0.3/AD336P0.2/AD2 37P0.1/AD1 38P0.0/AD039VCC 40U1AT89S52220R51KR630pFC430pFC522UFC612Y1S1S2S3S4S
22、5VCCVCCP23P24P25P20P21P22P00P01P02P03P04P05P06P07P30P31P32P33P34P35P36P37P26P27P10P11P12P13P14P15P16P17RSTP10P11P12P13图 3.2.1 AT89S52 单片机最小系统图 3.2.1 是单片机的最小系统图，它分别由复位电路、时钟电路和按键电路组成。每部分电路功能如下：1复位电路本系统复位电路利用手动复位和上电复位组合构成，上电时加电瞬间，电容 C6 通过电阻 R6 充电， RST 端得到正脉冲，用以复位。同时当单片机进入运行状态，如果出现错误，此时就可以通过按键进行复位。2时钟电路
23、本系采用 12M 晶振加于单片机 AT89S52 的 XTAL1(19 脚)和 XTAL2(18 脚)- 8 - 并通过 20pF 的电容接地为单片机提供工作时钟。3按键电路本系统利用了 P1 口低 4 位作为按键接口，以低电平有效。通过这四个按键进行对报警上限值设置。P1.0(s2)功能设置键，P1.1(s3)数值加键，P1.2(s4)数值减键，P1.3(s5)确定键。（3）超声波发射电路单片机发出的脉冲信号，经过信号整形后，传到超声波换能器(中心频率为40kHz)，将电能转换为机械能。如图 3.3.1 超声波发射电路。T12U4A74HC0434U4B74HC0456U4C74HC048
24、9U4D74HC0410 11U4E74HC0412 13U4F74HC041KR11KR2VCCVCCP36图 3.3.1 超声波发射电路由上图可知信号由单片机的 P3.6 口发出方波信号，再经 74HC04(六反向器)进行波形的整形，再经过两个 1K 的上拉电阻传到超声波换能器 (中心频率为40kHz)，经上拉电阻之后就加强了驱动能力，最后通过超声波发射头将电能转换为机械能发射出去。- 9 - （4）超声波接收电路RIN1AGC2CO3GND4RCO5C6OUT7RC18U2 CX20106200KR3200KR410R10100pFC13.3UFC2330C3VCCP33图 3.4.1
25、超声波接收电路图 3.4.1 是超声波接收电路，由于超声波发射后，在传播过程中存在衰减，且超声波频率越高，衰减的越快，但频率高有利于提高超声波的指向性。超声波在传播过程幅值衰减很大，收到的回波频率可能十分微弱，要准确判断接收到第一个回波时间，必须对收到的信号进行足够的放大，否则不能准确的判断回波时间，会对超声波测量精度产生影响。所以本系统利用红外转化接收的电路集成芯片 CX20106，这是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率 38KHz 与测距超声波频率40KHz 较为接近，这就是为什么利用它作为超声波接收的检测电路。这样设计简化了电路也具有很
26、高的灵敏度和较强的抗干扰能力。图中接收到超声波时将在 CX20106 芯片的 7 脚产生一个低电平，而 7 脚又接到单片机的 P3.3 口(INT1中断口) ，这样就可以准确的判断接收到超声波了。在 P3.3 口接了一个 200K 的上拉电阻是为了防止干扰信号。（5）温度检测电路设计中温度检测采用 DS18B20 传感器，DS18B20 是美国 DALLAS 半导体公司推出的第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配处理器等优点，可直接将温度转化成串行数字信号供处理器处理。下面是 DS18B20 温度传感器特性：1适应电压范围宽，电压范围在 3.0
27、5.5V，在寄生电源方式下可由数据线- 10 - 供电。2独特的单线接口方式，它与微处理器连接时仅需要一条线，就能实现微处理器与 DS18B20 的双向通信。3支持多点组网功能，多个 DS18B20 可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。4在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。5测温范围-55+125 度，在-10+86 度时精度为 0.5 度左右。6在 9 位分辨率时，最多在 93.75ms 内把温度转换为数字；12 位分辨率，最多在 750ms 内把温度值转化为数字，显然速度更快。7测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给 C
28、PU，同时可以传送 CRC 校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。8负压特性。电源极性接反时，芯片不会因发热烧毁，但不能正常工作。图 3.5.1 DS18B20 外观和引脚图图 3.5.1 是温度传感器 DS18B20 外观和引脚图，图 中可以看出它的外形与三极管一样。只有三根引脚，分别是 1 脚(GND)、 2 脚(数据线)和 3 脚(VCC)。VCC4.7KR14P26GND 1DQ 2VCC 3DS18B20图 3.5.2 DS18B20 与单片机接线图- 11 - 图 3.5.2 是 DS18B20 与 AT89S52 单片机的接线图，从图中可以看出，DS18B20 和单片机的连接非常接单
29、，单片机只须一个 I/O 口就可以控制DS18B20。信号线与单片机的 P2.6 口连接在一起，DS18B20 就是实时检测环境温度并且通过单片机的 P2.6 口把温度值送到单片机中，再进行温度对超声波影响(公式 (1-2)进行计算，达到温度补偿的功能。这样大大提高了程序计算出的距离值与实际值更加的相近。（6）显示电路显示部分为了满足能显示液位的实际高度、显示报警值和显示环境温度值，所以本系统采用 LCD12864 作为显示器。P20P21P22P00P01P02P03P04P05P06P07VCC10KR114.7KR1210KR13VCCVCCBLK 20BLA 19NC 18RST 17
30、NC 16PSB 15D7 14D6 13D5 12D4 11D3 10D2 9D1 8D0 7E(SCLK) 6R/W(SID) 5RS(CS) 4VO 3VDD 2GND 1U3 12864图 3.6.1 LCD12864 显示电路图 3.6.1 是 LCD12864 显示电路，本系统是采用 LCD12864 的串行控制方式，LCD 的第 1 脚(GND) 接电源地；第 2 脚(VCC)接电源正；第 3 脚(VO)是液晶显示对比度调节端；第 4 脚(CS)串行控制方式片选接于单片机的 P2.0 口；第 5 脚(SID)串行控制方式的数据口接于单片的 P2.1 口；第 6 脚(SCLK) 串
31、行控制方式的同步时钟信号与单片机的 P2.2 口相连；D0D7 是数据口；第 15 脚(PSB) 并/串选择：H 并行 L 串行；第 17 脚(RST)复位，低电平有效；第 19(BLA)和第 20- 12 - 脚(BLK)是背光电源正极与负极；第 16(NC)和 17(NC)都为空脚。1LCD12864 外形尺寸外观尺寸：937012.5mm 视域尺寸：7339mm图 3.6.2 LCD 外形尺寸图2LCD12864 指令说明表 3.6.1 12864 液晶指令表指令码指令D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0功能清除显示 0 0 0 0 0 0 0 1将 DDRAM 填满 20H，
32、即空格，并且设定DDRAM 的地址计数器(AC)为 00H地址归位 0 0 0 0 0 0 1 X设定 DDRAM 的地址计数器(AC）为 00H，并且将游标移到开头原点位置显示状态开/光 0 0 0 0 1 D C BD=1 整体显示开C=1 游标开B=1 游标位置反白允许进入点设定 0 0 0 0 0 1 I/D S指定在数据的读取和写入时，设定游标的移动- 13 - 方向及指定显示的移位游标或显示移位控制0 0 0 0 S/C R/L X X设定游标移动与显示移位控制位，这个指令不改变 DDRAM 的内容功能设定 0 0 1 DL X RE X XDL=0/1：4/8 位数据RE=1：扩
33、充指令操作RE=0：基本指令操作设定CGRAM地址0 1 AC5 AC4 AC3 AC2 AC1 AC0 设定 CGRAM 地址设定DDRAM地址1 0 AC5 AC4 AC3 AC2 AC1 AC0设定 DDRAM 地址第一行：80H87H第二行：90H97H读取忙标志和地址 BF AC6 AC5 AC4 AC3 AC2 AC1 AC0读取忙标志(BF)可以确认内部动作是否完成，同时可以读取地址计数器(AC)的值3LCD12864 串行读/写操作时序1 1 11 1R / W D / I01 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1
34、8 1 9 2 0 2 1 2 2 2 3 2 4D 7 D 6 D 5 D 4 0 0 0 0 D 3 D 2 D 1 D 0 00 0 0命 令控制 字:1 1 1 1 1 0 0 0 - 写指令1 1 1 1 1 1 0 0 - 读 状态数据或 指令高 4 位低 位置0数据或指令低4 位低位置0第 二字节第一字 节第三字 节C SS C L KS I D图 3.6.3 12864 液晶串行读/写操作时序图图 3.6.3 是本系统控制 12864 液晶屏显示的串行读/写操作时序图，CS 与单片机的 P2.0 口相连； SCLK 与单片机的 P2.2 口相连；SID 与单片机的 P2.1 口
35、相连。时序图表明要进行串行读/写操作就必须使 CS 为高电平，当 CS 为高电平同时 SCLK 要提供时钟，此时 SID 先用命令控制字进行控制是(11111000)写指令、(11111010) 写数据、(11111100)读状态还是(11111110) 读数据，当第一字节命令控制发送完，接着第二字节发送数据或指令高 4 位，低位置 0，最后发送- 14 - 数据或指令低 4 位，低位置 0。（7）在线下载程序电路VCCP15P16P17RSTMOSI1 VCC 2NC3 GND 4RST5 NC 6SCK7 NC 8MISO9 NC 10ISP图 3.7.1 ISP 在线下载程序电路图 3.
36、7.1 是 ISP 在线下载程序电路，图中的电路接法对照表 3.7.1，MOSI 与单片机 P1.5 连接， MISO 与单片机 P1.6 连接，SCK 与单片机 P1.7 连接，RST与单片机的第 9 脚(RST)连接，第 2，第 4 脚分别连+5V 与地。也由于下载电路中的第 2，第 4 脚已经提供了+5V 电源，为此电路板可以不用电源。表 3.7.1 AT89S52 单片机 P1 口的第二功引脚号 第二功能P1.0 T2(定时器/计数器 T2 的外部计数输入)，时钟输出P1.1 T2EX(定时器/计数器 T2 的捕捉/重载触发信号和方向控制)P1.5 MOSI(在系统编程用)P1.6 M
37、ISO(在系统编程用)P1.7 SCK(在系统编程用)（8）声光报警电路1KR71KR81KR9REDyellowgreenP23P24P251KR15 Q1VCCBUZZERP27VCC图 3.8.1 声光报警电路图图 3.8.1 是声光报警电路图，本系统采用电磁式蜂鸣器和 LED 作为超限报- 15 - 警提示。通过单片机 AT89S52 的 P2.7 口连接一个 1K 电阻连接 PNP 型三极管的基极来驱动蜂鸣器。当 P2.7 口输出一定频率的高低电平变化时，三极管在导通与截止之转化，这样产生一定频率的变化电平使蜂鸣器发出报警声。LED 接法是：电源+5V 经一个 1K 的限流电阻接上灯
38、的正极，负极接在单片机的 P2.3口、P2.4 口和 P2.5 口。当蜂鸣器发出报警的同时 P2.3 口、P2.4 口或 P2.5 口根据超限情况，让某一颜色按一定的频率闪烁(红灯：超过上限值；黄灯：超过下限值；绿灯：正常)。四、系统硬件制作（1）硬件原理图绘制P1.0/T2 1P1.1/T2EX 2P1.2 3P1.3 4P1.4 5P1.5 6P1.6 7P1.7 8RST9P3.0/RxD10 P3.1/TxD11 P3.2/INT012P3.3/INT113 P3.4/T014 P3.5/T115P3.6/WR16 P3.7/RD17XTAL218 XTAL119VS20P2.0/A8
39、 21P2.1/A9 22P2.2/A10 23P2.3/A11 24P2.4/A12 25P2.5/A13 26P2.6/A14 27P2.7/A15 28PSEN29 ALE30 EA/VPP31P0.7/AD7 32P0.6/AD6 33P0.5/AD534P0.4/AD4 35P0.3/AD3 36P0.2/AD2 37P0.1/AD1 38P0.0/AD039VC 40U1AT89S52TR12U4A74HC0434U4B 74HC0456U4C 74HC048 9U4D 74HC0410 11U4E 74HC0412 13U4F 74HC04IN1 AGC2 CO3 GND4 RC
40、O5 C6 OUT7 RC18U2 CX201061KR11KR2200KR3200KR4220R51KR61KR7 1KR810R101KR9VCVC100pFC13.3UFC2 330C3VC 30pFC430pFC522UFC612Y1S1S2S3S4S5VCVCREDyelowgreenP23P24P25P23P24P25P20P21P22P20P21P22P00P01P02P03P04P05P06P07P00P01P02P03P04P05P06P07VC10KR114.7KR1210KR13VCVCP30P31P32P33P34P35P36P37P26P27VC 4.7KR14P26
41、 1KR15 Q1VCBUZZER12JP5 12JP612JP7 12JP8VC VCP10P11P12P13P14P15P16P17P15P16P17RSTRST MOSI1 VC 2NC3 GND 4RST5 NC 6SCK7 NC 8MISO9 NC 10ISP P27P33P36VCP10P11P12P13GND 1DQ 2VC 3DS18B20BLK 20BLA 19NC18RST 17NC 16PSB 15D7 14D613D5 12D4 11D3 10D2 9D18D0 7E(SCLK) 6R/W(SID) 5RS(CS) 4VO3VDD 2GND 1U3 12864下下下下下
42、下下下下下下下下下下下下下下下下ISP下下下下下下 下下下下下下下下下下 下下下下下下下下下下图 4.1.1 超声波液位测量系统图图 4.1.1 是超声波液位测量系统图，此图是根据系统硬件设计思路，把AT89S52 单片机最小系统电路、超声波发射电路、超声波接收电路、显示电路、在线下载程序电路和声光报警电路集齐到一起。图中大部分线是直接连接的，但部分线采用了标号法连接。- 16 - （2）硬件 PCB 的绘制1PCB 设计基本流程网络表输入、规则设置、元器件布局、布线、检查、复查和输出等六个步骤。2PCB 布局和布线原则所用元器件的功能对布局布线的要求：有些特殊元器件在布局布线时有特殊的要求，
43、比如 LOTI 和 APH 所用的模拟信号放大器，模拟信号放大器对电源要求要平稳、纹波小。模拟小信号部分要尽量远离功率器件。在 OTI 板上，小信号放大部分还专门加有屏蔽罩，把杂散的电磁干扰给屏蔽掉。NTOI 板上用的 GLINK 芯片采用的是 ECL 工艺，功耗大发热厉害，对散热问题必须在布局时就要时行特殊考虑，若采用自然散热，就要把 GLINK 芯片放在空气流通比较顺畅的地方，而且散出来的热量还不能对其它芯片构成大的影响。如果板子上装有喇叭或其他大功率的器件，有可能对电源造成严重的污染这一点也应引起足够的重视。电源、地线的处理：既使在整个 PCB 板中的布线完成得都很好，但由于电源、地线的
44、考虑不周到而引起的干扰，会使产品的性能下降，有时甚至影响到产品的成功率。所以对电源、地线的布线要认真对待，把电源、地线所产生的噪音干扰降到最低限度，以保证产品的质量。电源、地线之间加上去藕电容。尽量加宽电源、地线宽度，最好是地线比电源线宽，它们的关系是：地线电源线 信号线，通常信号线宽为：0.20.3mm ，最精细宽度可达 0.050.07mm，电源线为 1.22.5mm。对数字电路的 PCB 可用宽的地导线组成一个回路即构成一个地网来使用( 模拟电路的地不能这样使用)用大面积铜层作地线用在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用。或是做成多层板，电源，地线各占用一层。数字电路与模拟电路
45、的共地处理：现在有许多 PCB 不再是单一功能电路(数字或模拟电路) ，而是由数字电路和模拟电路混合构成的。因此在布线时就需要考虑它们之间互相干扰问题，特别是地线上的噪音干扰。数字电路的频率- 17 - 高，模拟电路的敏感度强，对信号线来说，高频的信号线尽可能远离敏感的模拟电路器件，对地线来说，整人 PCB 对外界只有一个结点，所以必须在 PCB内部进行处理数、模共地的问题，而在板内部数字地和模拟地实际上是分开的它们之间互不相连，只是在 PCB 与外界连接的接口处(如插头等)。数字地与模拟地有一点短接，请注意，只有一个连接点。也有在 PCB 上不共地的，这由系统设计来决定。器件配置：时钟发生器
46、、晶振和 CPU 的时钟输入端应尽量靠近且远离其它低频器件；小电流电路和大电流电路尽量远离逻辑电路；印制板在机箱中的位置和方向，应保证发热量大的器件处在上方。3PCB 电路板的抗干扰设计原则可用串个电阻的办法，降低控制电路上下沿跳变速率；尽量让时钟信号电路周围的电势趋近于 0，用地线将时钟区圈起来，时钟线要尽量短；I/O 驱动电路尽量靠近印制板边；闲置不用的门电路输出端不要悬空，闲置不用的运放正输入端要接地，负输入端接输出端；尽量用 45 度折线而不用 90 度折线布线以减小高频信号对外的发射与耦合；时钟线垂直于 I/O 线比平行于 I/O 线干扰小；元件的引脚要尽量短；石英晶振下面和对噪声特
47、别敏感的元件下面不要走线；弱信号电路、低频电路周围地线不要形成电流环路；需要时，线路中加铁氧体高频扼流圈，分离信号、噪声、电源和地。- 18 - 4PCB 图图 4.2.4 超声波测液位系统 PCB 图图 4.2.4 是超声波测液位系统的 PCB 图，如图可知 PCB 是双层板。（3）PCB 板的制作1打印 PCB 图我们熟知的激光打印机的“碳粉” ，并非是无机物的碳粉，而是含磁性物质的黑色塑料微粒。它受激光打印机的硒鼓静电吸引，在硒鼓上排列出精度极高的图形及文字，在消除静电后，转移于打印纸，并经高温熔化热压固定，形成一件激光打印机作品。所以通过打印机把电路图打印到耐高温不粘连特性的热转印纸上
48、。2PCB 图转印到敷铜板通过热转印机的高温把热转印纸上的电路图转印到敷铜板上。原理：当温- 19 - 度达到 180.5时，热转印纸对融化的墨粉吸附力急剧下降，在压力的作用下，使融化的墨粉完全吸附在敷铜板上，敷铜板冷却后，形成紧固的印制图形，完成整个热转移过程。同样原理，如需在印制板的另一面转印上元件排布图，也可在制版的同时进行。在这里需要说明的是：整个热转移过程对温度的要求特别高，温度的控制显得非常重要。例如：墨粉的融化温度最佳点一般在 180.5，温度过高时，过度融化的墨粉会扩散到原有线条的四周，造成图形模糊、精度变差，严重时还会将纸张烤焦；温度过低或温度不均匀时，又会出现转印效果差，甚
49、至不能转印。在实际使用中，由于空气温度、湿度、纸张和电路板的厚度等因素对转印效果有一定的影响，因此温度的控制对转印效果的好坏显得非常重要。为此热转移式制版机温控传感器均采用进口 PT1000 型的薄膜铂电阻，使控温精度能达到 0.1，满足了制版对温度的较高要求。3化学蚀刻当电路图转移到敷铜板上后，也就是说打印机的墨粉在敷铜板面上形成了一个电路图的保护层。由于激光打印机的墨粉是由含有树脂的高分子材料制成的，对腐蚀液( 盐酸溶液) 具有良好的抗腐蚀性，所以经过盐酸溶液腐蚀后即可形成做工精美的印制电路板。为了使腐蚀电路板更加快捷方便，我们在腐蚀过程中要让敷铜板多与空气接触，通过多与空气接触使盐酸溶液的氧化还原反应加速，从而将敷铜板表面的铜加速氧化成 cu2；同时利用水流的冲击带走沉积在敷铜板表面及附近的 cu2，使化学反应更快更充分地进行。4过孔对于一般的单面板腐蚀好后，利用专用钻头对电路板进行钻孔，这种专用钻头上镶有一个圆柱体，它在高速钻孔完成的同时还可以磨掉钻孔附近的墨粉，形成一个非常干净的焊盘。对于双层
