基于單片機(jī)的自動(dòng)給水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于單片機(jī)的自動(dòng)給水系統(tǒng)設(shè)計(jì)作者姓名：曾彥溧專業(yè)名稱：電氣工程及其自動(dòng)化指導(dǎo)教師：雷永鋒摘要單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用給現(xiàn)代工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域帶來了一次新的技術(shù)革命，自動(dòng)化、智能化均離不開單片機(jī)的應(yīng)用。近年來模糊控制在許多控制應(yīng)用中都取得了成功，模糊控制應(yīng)用于控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)不需要知道被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型，對(duì)于許多無法建立精確數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜系統(tǒng)能獲得較好的控制效果，同時(shí)又能簡(jiǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，因此，在水箱水位自動(dòng)控制系統(tǒng)中，模糊控制就成為較好的選擇。本文主要論述了應(yīng)用模糊控制理論控制水箱水位系統(tǒng)，首先詳盡的介紹了模糊控制理論的相關(guān)知識(shí)，在此基礎(chǔ)上提出了用模糊理論實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱水位進(jìn)行控制的方案，建立了簡(jiǎn)單的基于水箱

2、水位的模糊控制器數(shù)學(xué)模型。介紹了基于單片機(jī)的水位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其相關(guān)內(nèi)容。系統(tǒng)屬于典型的基于單片機(jī)的大慣性環(huán)節(jié)的PID閉環(huán)控制裝置，通用性很強(qiáng)，在工業(yè)過程控制中有著廣泛的應(yīng)用?？刂葡到y(tǒng)中引入單片機(jī)，可以充分利用單片機(jī)在對(duì)采集數(shù)據(jù)加以分析并根據(jù)所得結(jié)果做出邏輯判斷等方面的能力，編制出符合某種技術(shù)要求的控制程序、管理程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控參數(shù)的控制與管理。采用單片機(jī)對(duì)水位進(jìn)行控制不僅具有控制方便、簡(jiǎn)單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高被控系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大的提高產(chǎn)品的質(zhì)量。關(guān)鍵詞 ：自動(dòng)給水 單片機(jī) 水位控制 模糊控制AbstractDevelopment and application

3、of SCM system to the modern field of industrial measurement and control brought a new technological revolution, automation and intelligence are inseparable from the single-chip microcomputer. In recent years, fuzzy control, in many control applications are successful, fuzzy control applied to contro

4、l system design do not need to know the precise mathematical model of controlled object, for many unable to establish accurate mathematical model of complex systems to obtain better control effect, while simplifying system design, therefore, in the water tank level control system, fuzzy control has

5、become a better choice.This paper discusses the theory of fuzzy control water tank level control system, first introduced in detail the theory of fuzzy control knowledge, on the basis of fuzzy theory is proposed to realize the water tank level control of the program, set up a simple tank level based

6、 on mathematical model of the fuzzy controller. Describes the water level control system based on single chip design and related content. MCU-based system is typically large inertia of the PID closed-loop control devices, are highly common in the industrial process control has been widely used. The

7、introduction of microcomputer control system, can take advantage of SCM in the data collection to analysis and logic based on the findings and make judgments such as the ability to meet certain technical requirements for the preparation of the control procedures, management procedures, to achieve th

8、e control parameters of the accused and management. Microcontroller to control the water level by not only easy to control, the advantages of simplicity and flexibility of a large, but also greatly enhance the charges to the technical indicators, which can greatly improve product quality.Keywords: A

9、UTO Feedwater,Water level control,MCU,Obscure control目錄摘要IAbstractII目錄III前言11 緒論31.1 課題的提出及意義31.2 單片機(jī)的概述及發(fā)展趨勢(shì)31.3 水箱水位控制系統(tǒng)組成及原理51.3.1 水箱水位控制系統(tǒng)組成51.3.2 水箱水位控制系統(tǒng)的原理62 系統(tǒng)硬件的選擇及其功能特性82.1 MCS-51單片機(jī)的結(jié)構(gòu)及其功能82.1.1 MCS-51單片機(jī)的結(jié)構(gòu)82.1.2 MCS-51單片機(jī)的引腳及其功能92.1.3 MCS-51內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器112.1.4 對(duì)8051擴(kuò)展的外部程序存儲(chǔ)器142.1.5 MCS-51單片

10、機(jī)的時(shí)序152.2 水泵162.3 LED發(fā)光二極管193 硬件電路的設(shè)計(jì)21水位采集電路設(shè)計(jì)21控制電機(jī)電路設(shè)計(jì)233.3 時(shí)鐘電路24復(fù)位電路263.5 報(bào)警電路設(shè)計(jì)283.6 穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)283.7 系統(tǒng)總電路294 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)304.1 概述304.2 主程序設(shè)計(jì)框圖304.2.1 主程序流程圖304.2.2 源程序代碼31總結(jié)33致謝34參考文獻(xiàn)35前言隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，單片微型計(jì)算機(jī)的功能也不斷增強(qiáng)，許多高性能的新型機(jī)種不斷涌現(xiàn)出來。單片機(jī)以其功能強(qiáng)、體積小、可靠性高、造價(jià)低和開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，成為自動(dòng)化和各個(gè)測(cè)控領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的器件，在工業(yè)生產(chǎn)中成為必不可少的器件，尤其

11、是在日常生活中發(fā)揮的作用也越來越大。在水箱水位控制系統(tǒng)中，單片機(jī)更是起到了不可替代的核心作用。在工業(yè)生產(chǎn)中如：鍋爐、蒸汽機(jī)等，在日常生活中如:自動(dòng)水位電熱水器,都用到以單片機(jī)(小型)，PLC(大型)作為主控芯片來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制水位的原理。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，在工業(yè)中，上述設(shè)備對(duì)水位的控制要求越來越高，隨著人們生活水平的提高，對(duì)日常用品的自動(dòng)化也提出了更高的要求，單片機(jī)的不斷更新?lián)Q代，滿足了上述的要求，達(dá)到自動(dòng)控制的目的。水位控制系統(tǒng)在各個(gè)領(lǐng)域上都有廣泛應(yīng)用，雖然其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但由于控制過程具有多變量，大滯后，時(shí)變性等特點(diǎn)，且在控制過程中系統(tǒng)會(huì)受到各種不確定因素的影響，難于建立精確的數(shù)學(xué)模型。雖然自適應(yīng)、

12、自校正控制理論可以對(duì)缺乏數(shù)學(xué)模型的被控對(duì)象進(jìn)行識(shí)別，但這種遞推法復(fù)雜，實(shí)時(shí)性差。近年來模糊控制在許多控制應(yīng)用中都取得了成功，模糊控制應(yīng)用于控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)不需要知道被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型，對(duì)于許多無法建立精確數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜系統(tǒng)能獲得較好的控制效果，同時(shí)又能簡(jiǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，因此，在水箱水位自動(dòng)控制系統(tǒng)中，模糊控制就成為較好的選擇。本文主要論述了應(yīng)用模糊控制理論控制水箱水位系統(tǒng)，首先詳盡的介紹了模糊控制理論的相關(guān)知識(shí)，在此基礎(chǔ)上提出了用模糊理論實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱水位進(jìn)行控制的方案，建立了簡(jiǎn)單的基于水箱水位的模糊控制器數(shù)學(xué)模型。溫度、壓力、流量和液位是四種最常見的過程變量。其中液位是一個(gè)非常重要的過程變量。在機(jī)

13、械控制系統(tǒng)尤為重要,液位控制不好就可能引起生產(chǎn)安全，產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量等一系列問題。目前，在很多場(chǎng)合下，液位已成為非常關(guān)鍵的因素，許多物理特性的變化都直接反映在液位的升降上，因此對(duì)液位的監(jiān)測(cè)的意義越來越大。單片機(jī)對(duì)水位的控制問題是一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到的問題。此次畢業(yè)實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)第一階段的主要工作是，學(xué)習(xí)有關(guān)單片機(jī)水位控制系統(tǒng)的基本知識(shí)，了解單片機(jī)水位控制系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上選擇了使用8051單片機(jī)作為核心設(shè)計(jì)，并學(xué)習(xí)7448、74LS164模擬電子技術(shù)等方面的知識(shí)。這是課題研究的基礎(chǔ)性內(nèi)容。第二階段是在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，設(shè)計(jì)出具體的電路，并確定滿足具體技術(shù)指標(biāo)的軟件，掌握電路中重要器

14、件的使用方法，以及編寫出水位檢測(cè)程序，延時(shí)子程序。通過教師的悉心指導(dǎo)和自己的努力，完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)的各項(xiàng)任務(wù)，成功完成單片機(jī)水位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。1 緒論 課題的提出及意義隨著科技的迅速發(fā)展和人們生活水平及需要的不斷提高，越來越多的自動(dòng)控制設(shè)備走入了大家的生活，對(duì)自動(dòng)控制設(shè)備的設(shè)計(jì)技術(shù)要求也越來越高。所以本次畢業(yè)設(shè)計(jì)選擇水箱水位控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)的自動(dòng)水位控制系統(tǒng)采用電子線路完成設(shè)計(jì)，那樣存在布線非常麻煩，而且由于線路多的原因，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差。近年來由于單片機(jī)的發(fā)展迅速，幾乎所有的自動(dòng)控制系統(tǒng)都可以通過單片機(jī)以及部分電子器件來設(shè)計(jì)。而單片機(jī)以其功能強(qiáng)、體積小、可靠性高、造價(jià)低和開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，成為

15、自動(dòng)化和各個(gè)測(cè)控領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的器件，在工業(yè)生產(chǎn)中成為必不可少的器件，尤其是在日常生活中發(fā)揮的作用也越來越大。因此課題采用單片機(jī)完成對(duì)水箱水位控制系統(tǒng)的控制中心的設(shè)計(jì)，這樣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就原來人工控制、半自動(dòng)控制轉(zhuǎn)變?yōu)槿詣?dòng)控制，將由原來傳統(tǒng)的純硬件轉(zhuǎn)變?yōu)橛布c軟件的結(jié)合，減輕了原來的布線難度，而系統(tǒng)的穩(wěn)定性會(huì)更好。課題設(shè)定了水位的上限值、下限值，并對(duì)水位進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并通過串行口傳輸?shù)娇刂浦行?，以達(dá)到對(duì)水位進(jìn)行控制的目的。1.2 單片機(jī)的概述及發(fā)展趨勢(shì)單片機(jī)(MCU)是指一個(gè)集成在一塊芯片上的完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。盡管它的大部分功能集成在一塊小芯片上，但是它具有一個(gè)完整計(jì)算機(jī)所需要的大部分部件：CPU

16、、內(nèi)存、內(nèi)部和外部總線系統(tǒng)，目前大部分還會(huì)具有外存。同時(shí)集成諸如通訊接口、定時(shí)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘等外圍設(shè)備。而現(xiàn)在最強(qiáng)大的單片機(jī)系統(tǒng)甚至可以將聲音、圖像、網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜的輸入輸出系統(tǒng)集成在一塊芯片上。單片機(jī)也被稱為微控制器，由芯片內(nèi)僅有CPU的專用處理器發(fā)展而來。最早的設(shè)計(jì)理念是通過將大量外圍設(shè)備和CPU集成在一個(gè)芯片中，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更小，更容易集成進(jìn)復(fù)雜的而對(duì)體積要求嚴(yán)格的控制設(shè)備當(dāng)中。單片機(jī)是70年代中期發(fā)展起來的一種大規(guī)模集成電路芯片，是CPU、RAM、ROM、I/O接口和中斷系統(tǒng)集成于同一硅片的器件。單片機(jī)用于控制有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制的最小化和單片化，簡(jiǎn)化一些專用接口電路，如編程計(jì)數(shù)器、鎖相環(huán)(P

17、LL)、模擬開關(guān)、A/D和D/A變換器、電壓比較器等組成的專用控制處理功能的單板式微系統(tǒng)。單片機(jī)是所有微處理機(jī)中性價(jià)比最高的一種，隨著種類的不斷全面，功能不斷完善，其應(yīng)用領(lǐng)域也迅速擴(kuò)大。單片機(jī)在智能儀表、實(shí)時(shí)控制、機(jī)電一體化、辦公機(jī)械、家用電器等方面都有相當(dāng)?shù)膽?yīng)用領(lǐng)域。當(dāng)前，8位單片機(jī)主要用于工業(yè)控制，如溫度、壓力、流量、計(jì)量和機(jī)械加工的測(cè)量和控制場(chǎng)合；高效能的16位單片機(jī)(如MCS-96、MK-68200)可用在更復(fù)雜的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)?？梢哉f，微機(jī)測(cè)控技術(shù)的應(yīng)用已滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門，微機(jī)測(cè)控技術(shù)的應(yīng)用是產(chǎn)品提高檔次和推陳出新的有效途徑。縱觀單片機(jī)的發(fā)展過程，可以預(yù)示單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，大致有

18、：1低功耗CMOS化MCS-51系列的8051推出時(shí)的功耗達(dá)630mW，而現(xiàn)在的單片機(jī)普遍都在100mW左右，隨著對(duì)單片機(jī)功耗要求越來越低，現(xiàn)在的各個(gè)單片機(jī)制造商基本都采用了CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體工藝)。CMOS雖然功耗較低，但由于其物理特征決定其工作速度不夠高，而CHMOS則具備了高速和低功耗的特點(diǎn)，更適合于在要求低功耗像電池供電的應(yīng)用場(chǎng)合。所以這種工藝將是今后一段時(shí)期單片機(jī)發(fā)展的主要途徑。2微型單片化常規(guī)的單片機(jī)普遍都是將中央處理器(CPU)、隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)(RAM)、只讀程序存儲(chǔ)器(ROM)、并行和串行通信接口，中斷系統(tǒng)、定時(shí)電路、時(shí)鐘電路集成在一塊單一的芯片上，增強(qiáng)型的單片機(jī)

19、集成了如A/D轉(zhuǎn)換器、PMW(脈寬調(diào)制電路)、WDT(看門狗)、有些單片機(jī)將LCD(液晶)驅(qū)動(dòng)電路都集成在單一的芯片上，這樣單片機(jī)包含的單元電路就更多，功能就越強(qiáng)大。甚至單片機(jī)廠商還可以根據(jù)用戶的要求量身定做，制造出具有自己特色的單片機(jī)芯片。3主流與多品種共存現(xiàn)在雖然單片機(jī)的品種繁多，各具特色，但仍以MCS-51為核心的單片機(jī)占主流，兼容其結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)的有PHILIPS公司的產(chǎn)品，ATMEL公司的產(chǎn)品和中國(guó)臺(tái)灣的WinBond系列單片機(jī)。以8051為核心的單片機(jī)占據(jù)了半壁江山，在一定的時(shí)期內(nèi)，這種情形將得以延續(xù)，將不存在某個(gè)單片機(jī)一統(tǒng)天下的壟斷局面，走的是依存互補(bǔ)、相輔相成、共同發(fā)展的道路。

20、 水箱水位控制系統(tǒng)組成及原理1.3.1 水箱水位控制系統(tǒng)組成水位自動(dòng)控制器由6個(gè)部分組成，即水位傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)、數(shù)碼顯示、電機(jī)控制、報(bào)警控制部分，其總框圖如圖所示。圖1.1 水位自動(dòng)控制器單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心，配以輸入、輸出、顯示、控制等外圍電路和軟件，能實(shí)現(xiàn)一種或多種功能的實(shí)用系統(tǒng)。它除了有單片機(jī)芯片以外，還有許多的外圍電路，如果再配一系列程序，便可以完成很多功能。所以說，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)是由硬件和軟件組成的，硬件是應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)，軟件則在硬件的基礎(chǔ)上對(duì)其資源進(jìn)行合理調(diào)配和使用，從而完成應(yīng)用系統(tǒng)所要求的任務(wù)，二者相互依賴，缺一不可。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的組成如圖1.2所示。單

21、片機(jī)最小系統(tǒng)基本電路有電源、復(fù)位、時(shí)鐘電路。人機(jī)交互界面接口電路需要什么顯示介面(LCD、LED數(shù)碼顯示、指示燈顯示)；需要什么輸入鍵盤(簡(jiǎn)單按鍵、矩陣按鍵、觸摸屏)。信號(hào)輸入/輸出接口電路輸入需要什么信號(hào)(模擬量、開關(guān)量)；輸出需要什么信號(hào)(模擬量驅(qū)動(dòng)電路、開關(guān)量驅(qū)動(dòng)電路)。圖1.2 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)通信接口電路哪些數(shù)據(jù)需要保存，哪些數(shù)據(jù)需要遠(yuǎn)程傳輸。主程序有單片機(jī)芯片初始化、單片機(jī)硬件芯片初始化、任務(wù)程序變量初始化和任務(wù)軟件(進(jìn)入死循環(huán))。中斷服務(wù)程序有中斷入口初始化、中斷任務(wù)程序(絕對(duì)不能進(jìn)入死循環(huán))和中斷出口(返回)。由此可見，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員必須從硬件和軟件兩個(gè)角

22、度來深入了解單片機(jī)，并能夠?qū)⒍哂袡C(jī)結(jié)合起來，才能形成具有特定功能的應(yīng)用系統(tǒng)或整機(jī)產(chǎn)品。.2 水箱水位控制系統(tǒng)的原理該控制系統(tǒng)在水箱內(nèi)的三個(gè)不同水位高度安裝了三根金屬棒，如圖1.3所示，其中A棒處于下限水位以下，C棒處于上限水位，B棒在下限水位處。A棒接+5V電源，B、C棒各通過一個(gè)電阻接地。水箱由電機(jī)帶動(dòng)水泵供水，單片機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)以達(dá)到控制水位的目的。供水時(shí)，水位上升。當(dāng)達(dá)到上限時(shí)，由于水的導(dǎo)電作用，B、C棒連通了+5V。因此b、c兩端高電平(1狀態(tài))，這時(shí)應(yīng)使電機(jī)停止，不再給水箱供水。當(dāng)水位下降到下限時(shí)，B、C都不能與A棒導(dǎo)通，因此b、c兩端狀態(tài)為0。這時(shí)應(yīng)啟動(dòng)電機(jī)，給水箱供水。當(dāng)水位處

23、于上下限之間時(shí)，B棒與A棒導(dǎo)通，b端為1狀態(tài)。而C棒不能與A棒導(dǎo)通，C端為0狀態(tài)。這時(shí)，無論電機(jī)是運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，還是停止?fàn)顟B(tài)，都應(yīng)維持原狀態(tài)不變。作為一個(gè)整體的系統(tǒng)來說，僅僅有圖1.2所示的框圖是不夠的，它只是系統(tǒng)的一部分。整體的系統(tǒng)還應(yīng)包括系統(tǒng)的工作軟件，串口程序，對(duì)單片機(jī)的控制程序等要實(shí)現(xiàn)這部分內(nèi)容，必須設(shè)計(jì)出相應(yīng)的程序，本論文的后續(xù)章節(jié)所要論述的就是系統(tǒng)的硬件電路的設(shè)計(jì)。圖1.3 水箱水位控制原理圖2 系統(tǒng)硬件的選擇及其功能特性2.1 MCS-51單片機(jī)的結(jié)構(gòu)及其功能實(shí)際參考本系統(tǒng)的組成及所需功能的準(zhǔn)確性，本文采用的是MCS-51單片機(jī)。2.1.1 MCS-51單片機(jī)的結(jié)構(gòu)當(dāng)今時(shí)代，單片機(jī)使

24、用最為廣泛為MCS-51單片機(jī)。即：8051單片機(jī)，其基本組成(參見圖)：中央處理器、程序存儲(chǔ)器(ROM)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線。1中央處理器(CPU)中央處理器是單片機(jī)的核心，完成運(yùn)算和控制功能。中央處理器(CPU)是整個(gè)單片機(jī)的核心部件，是8位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)或代碼，CPU負(fù)責(zé)控制、指揮和調(diào)度整個(gè)單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運(yùn)算和控制輸入輸出功能等操作。2內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(內(nèi)部RAM)圖2.1 MCS-51單片機(jī)結(jié)構(gòu)框圖8051芯片中共有256個(gè)RAM單元，但其中后128單元被專用

25、寄存器占用，能作為寄存器供用戶使用的只是前128單元，用于存放可讀寫的數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)稱內(nèi)部RAM。3外部程序存儲(chǔ)器(外部ROM)8051內(nèi)部無程序存儲(chǔ)器，必須外接程序存儲(chǔ)器，課題中選用了7448用于存放程序、原始數(shù)據(jù)或表格。4定時(shí)/計(jì)數(shù)器8051共有兩個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，以實(shí)現(xiàn)定時(shí)或計(jì)數(shù)功能，并以其定時(shí)或計(jì)數(shù)結(jié)果對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。5并行I/O口MCS-51共有4個(gè)8位的I/O口(P0、P1、P2、P3)，以實(shí)現(xiàn)外部數(shù)據(jù)的并行輸入/輸出。在實(shí)訓(xùn)中我們已經(jīng)使用了P1口，通過P1口連接8個(gè)發(fā)光二極管。6串行口MCS-51單片機(jī)有一個(gè)全雙工的串行口，以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和其它設(shè)備之間的串行數(shù)據(jù)傳送。該串行口功能

26、較強(qiáng)，既可作為全雙工異步通信收發(fā)器使用，也可作為同步移位器使用。7中斷控制系統(tǒng)MCS-51單片機(jī)的中斷功能較強(qiáng)，以滿足控制應(yīng)用的需要。8051共有5個(gè)中斷源，即外中斷兩個(gè)，定時(shí)/計(jì)數(shù)中斷兩個(gè)，串行中斷一個(gè)。全部中斷分為高級(jí)和低級(jí)共兩個(gè)優(yōu)先級(jí)別。8時(shí)鐘電路MCS-51芯片的內(nèi)部有時(shí)鐘電路，但石英晶體和微調(diào)電容需外接。時(shí)鐘電路為單片機(jī)產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖序列。系統(tǒng)允許的晶振頻率一般為6MHz和12MHz。從上述內(nèi)容可以看出，MCS-51雖然是一個(gè)單片機(jī)芯片，但作為計(jì)算機(jī)應(yīng)該具有的基本部件它都包括，因此，實(shí)際上它已是一個(gè)簡(jiǎn)單的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)了。2. MCS-51單片機(jī)的引腳及其功能MCS-51是標(biāo)準(zhǔn)的40引

27、腳雙列直插式集成電路芯片，引腳排列請(qǐng)參見圖。1信號(hào)引腳介紹MCS-51系列單片機(jī)中的8031、8051及8751均采用40Pin封裝的雙列直接DIP結(jié)構(gòu)，右圖是它們的引腳配置，40個(gè)引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時(shí)鐘線兩根，4組8位共32個(gè)I/O口，中斷口線與P3口線復(fù)用。輸入輸出(I/O)引腳P0.0P0.7：P0口8位雙向口線。P1.0：P1口8位雙向口線。P2.0P2.7：P2口8位雙向口線。P3.0P3.7：P3口8位雙向口線。 單片機(jī)的引腳ALE：地址鎖存控制信號(hào)。在系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，ALE用于控制把P0口輸出的低8位地址鎖存起來，以實(shí)現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的隔離。：外部程序存儲(chǔ)器讀

28、選通信號(hào)。在讀外部ROM時(shí)，有效(低電平)，以實(shí)現(xiàn)外部ROM單元的讀操作。：訪問程序存儲(chǔ)控制信號(hào)。當(dāng)信號(hào)為低電平時(shí)，對(duì)ROM的讀操作限定在外部程序存儲(chǔ)器；當(dāng)信號(hào)為高電平時(shí)，對(duì)ROM的讀操作是從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器開始，并可延至外部程序存儲(chǔ)器。RST：復(fù)位信號(hào)。當(dāng)輸入的復(fù)位信號(hào)延續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)即為有效，用以完成單片機(jī)的復(fù)位初始化操作。VSS：地線，VCC：+5 V電源。2信號(hào)引腳的第二功腳由于工藝及標(biāo)準(zhǔn)化等原因，芯片的引腳數(shù)目是有限制的。但單片機(jī)為實(shí)現(xiàn)其功能所需要的信號(hào)數(shù)目卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過此數(shù)，因此就出現(xiàn)了需要與可能的矛盾，給一些信號(hào)引腳賦以雙重功能。除了第一功能，則根據(jù)需要再定義它的第二功能

29、。下面介紹一些信號(hào)引腳的第二功能。 (1) P3口線的第二功能P3的8條口線都定義有第二功能，詳見表。(2) EPROM存儲(chǔ)器程序固化所需要的信號(hào)。有內(nèi)部EPROM的單片機(jī)芯片(例如8751)，為寫入程序需提供專門的編程脈沖和編程電源，這些信號(hào)也是由信號(hào)引腳以第二功能的形式提供的，即：編程脈沖：30腳(ALE/)編程電壓(25V)：31腳(/VPP)表2.1 P3口各引腳與第二功能表引腳端口第二功能RXD串行數(shù)據(jù)接收TXD串行數(shù)據(jù)發(fā)送外部中斷0申請(qǐng)外部中斷1申請(qǐng)T0定時(shí)/計(jì)數(shù)器0的外部輸入T1定時(shí)/計(jì)數(shù)器1的外部輸入外部RAM寫選通外部RAM讀選通2.1.3 MCS-51內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器MCS-

30、51單片機(jī)的芯片內(nèi)部有RAM和ROM兩類存儲(chǔ)器，即所謂的內(nèi)部RAM和內(nèi)部ROM，首先分析內(nèi)部RAM。1內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器低128個(gè)單元8051的內(nèi)部RAM共有256個(gè)單元，通常把這256個(gè)單元按其功能劃分為兩部分：低128單元(單元地址00H7FH)和高128單元地址80H(單元地址80HFFH)。低128單元的配置圖如表2.2所示：表2.2 片內(nèi)RAM的配置30H 7FH數(shù)據(jù)緩沖區(qū)20H 2FH位尋址區(qū)(00H7FH)18H 1FH工作寄存器3區(qū)(R7R0)10H 17H工作寄存器2區(qū)(R7R0)08H 0FH工作寄存器1區(qū)(R7R0)00H 07H工作寄存器0區(qū)(R7R0)低128單元是單片機(jī)

31、的真正RAM存儲(chǔ)器，按其用途劃分為寄存器區(qū)、位尋址區(qū)和用戶RAM區(qū)三個(gè)區(qū)域。(1) 寄存器區(qū)8051共有4組寄存器，每組8個(gè)寄存單元(各為8)，各組都以R0R7作寄存單元編號(hào)，占據(jù)內(nèi)部RAM的00H1FH單元地址。(2) 位尋址區(qū)內(nèi)部RAM的20H2FH單元，既可作為一般RAM單元使用，對(duì)單元中每一位進(jìn)行位操作，因此稱之為位尋址區(qū)。位尋址區(qū)共有16個(gè)RAM單元，計(jì)128位，地址為00H7FH。(3) 用戶RAM區(qū)在內(nèi)部RAM低128單元中，通用寄存器占去32個(gè)單元，位尋址區(qū)占去16個(gè)單元，剩下80個(gè)單元，這就是供用戶使用的RAM區(qū)，其單元地址為30H7FH。2內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器高128單元內(nèi)部RA

32、M的高128單元是供給專用寄存器使用的，其單元地址為80HFFH。因這些寄存器的功能已作專門規(guī)定，故稱之為專用寄存器(Special Function Register)，也可稱為特殊功能寄存器。(1) 專用寄存器(SFR)簡(jiǎn)介8051共有21個(gè)專用寄存器，現(xiàn)把其中部分寄存器簡(jiǎn)單介紹如下：1) 程序計(jì)數(shù)器(PCProgram Counter)。PC是一個(gè)16位的計(jì)數(shù)器，自動(dòng)加1功能，用來控制程序的執(zhí)行順序；PC沒有地址，是不可尋址的，用戶無法對(duì)它進(jìn)行讀寫，但可以通過轉(zhuǎn)移、調(diào)用、返回等指令改變其內(nèi)容，以實(shí)現(xiàn)程序的轉(zhuǎn)移。2) 累加器(ACCAccumulator)。累加器為8位寄存器，是最常用的專

33、用寄存器，功能較多，地位重要。它既可用于存放操作數(shù)，也可用來存放運(yùn)算的中間結(jié)果。3) B寄存器。B寄存器是一個(gè)8位寄存器，主要用于乘除運(yùn)算。乘法運(yùn)算時(shí)，B存乘數(shù)。乘法操作后，乘積的高8位存于B中，除法運(yùn)算時(shí)，B存除數(shù)。除法操作后，余數(shù)存于B中。4) 程序狀態(tài)字(PSWProgram Status Word)。程序狀態(tài)字是一個(gè)8位寄存器，用于存放程序運(yùn)行中的各種狀態(tài)信息。PSW各位定義如下：表2.3 PSW的位地址定義PSW位地址D7HD6HD5HD4HD3HD2HD1HD0H字節(jié)址D0HCYACF0RS1RS0OVF1P除PSW.1位保留未用外，其余各位的定義及使用如下：CY()進(jìn)位標(biāo)志位。C

34、Y是PSW中最常用的標(biāo)志位，其功能是存放算術(shù)運(yùn)算的進(jìn)位標(biāo)志，進(jìn)行加或減運(yùn)算。AC()輔助進(jìn)位標(biāo)志位。用戶標(biāo)志位：RS1和RS0()寄存器組選擇位。它們被用于選擇CPU當(dāng)前使用的通用寄存器組共有4組。單片機(jī)上電或復(fù)位后，RS1 RS0=00。OV()溢出標(biāo)志位。5)數(shù)據(jù)指針(DPTR)。數(shù)據(jù)指針為16位寄存器。編程時(shí)，DPTR既可以按16位寄存器使用，也可以按兩個(gè)8位寄存器分開使用。6) 堆棧指針(SPStack Pointer)。堆棧是一個(gè)特殊的存儲(chǔ)區(qū)，用來暫存數(shù)據(jù)和地址，它是按先進(jìn)后出的原則存取數(shù)據(jù)的。(2) 專用寄存器中的字節(jié)尋址和位地址MCS-51系列單片機(jī)有21個(gè)可尋址的專用寄存器，其

35、中有11個(gè)專用寄存器是可以位尋址的。對(duì)此問題作如下說明：1) 21個(gè)可字節(jié)尋址的專用寄存器是不連續(xù)地分散在內(nèi)部RAM高128單元之中，盡管還余有許多空閑地址，但用戶并不能使用。2) 程序計(jì)數(shù)器PC不占據(jù)RAM單元，它在物理上是獨(dú)立的，因此是不可尋址的寄存器。3) 對(duì)專用寄存器只能使用直接尋址方式，書寫時(shí)既可使用寄存器符號(hào)，也可使用寄存器。2.1.4 對(duì)8051擴(kuò)展的外部程序存儲(chǔ)器2732是一種4kx8位紫外線擦除電可編程只讀存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間地址為0000H0FFFH，片外最多可擴(kuò)至64KB ROM/EPROM，其地址為1000HFFFFH，可以從0000H開始編址。2732管腳排列如圖下

36、所示。圖 2732管腳排列 其中：A0A1112位地址線，可尋址4k字節(jié)；D0D78位數(shù)據(jù)線；CE片選信號(hào)；OE輸出允許信號(hào)；VPP編程電源；VCC電源(5V)；GND地。需要說明的是：1計(jì)算機(jī)的工作是按照事先編制好的程序命令條條循序執(zhí)行的，程序存儲(chǔ)器就是用來存放這些已編好的程序和表格常數(shù)，它由只讀存儲(chǔ)器ROM或EPROM組成。2單片機(jī)使用程序計(jì)數(shù)器PC(Program Counter)作為程序存儲(chǔ)器的地址指針，且PC總是指向?qū)⒁獔?zhí)行的下一條指令所在的程序存儲(chǔ)器單元地址。3實(shí)際應(yīng)用時(shí)，程序存儲(chǔ)器的容量分別是：0000H單元是系統(tǒng)的起始地址，0003H、000BH、0013H、001BH和002

37、3H對(duì)應(yīng)5種中斷源的中斷服務(wù)入口地址。程序存儲(chǔ)器中的復(fù)位和中斷源共6個(gè)固定的入口地址見表2.4。表2.4 MCS51單片機(jī)復(fù)位、中斷入口地址操作入口地址復(fù)位0000H外部中斷0003H定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0溢出000BH外部中斷0013H定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1溢出001BH串行口中斷0023H定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2溢出或T2EX端負(fù)跳變002BH2. MCS-51單片機(jī)的時(shí)序時(shí)序是用定時(shí)單位來說明的。MCS-51的時(shí)序定時(shí)單位共有4個(gè)，從小到大依次是：節(jié)拍、狀態(tài)、機(jī)器周期和指令周期。下面分別加以說明。1節(jié)拍與狀態(tài)把振蕩脈沖的周期定義為節(jié)拍(用P表示)。振蕩脈沖經(jīng)過二分頻后，就是單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)的周期，其定義為狀

38、態(tài)(用S表示)。這樣，一個(gè)狀態(tài)就包含兩個(gè)節(jié)拍，具前半周期對(duì)應(yīng)的拍節(jié)叫節(jié)拍1(P1)，后半周期對(duì)應(yīng)的節(jié)拍叫節(jié)拍2(P2)。2機(jī)器周期MCS-51采用定時(shí)控制方式，因此它有固定的機(jī)器周期。規(guī)定一個(gè)機(jī)器周期的寬度為6個(gè)狀態(tài)，并依次表示為S1S6。3指令周期指令周期是最大的時(shí)序定時(shí)單位，執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間稱為指令周期。它一般由若干個(gè)機(jī)器周期組成。單片機(jī)執(zhí)行任何一條指令時(shí)都可以分為取指令階段和執(zhí)行指令階段。MCS-51的取指/執(zhí)行時(shí)序：1) 單字節(jié)單周期指令；2) 雙字節(jié)單周期指令；3) 單字節(jié)雙周期指令；由圖可示，ALE引腳上出現(xiàn)的信號(hào)是周期性的，在每個(gè)機(jī)器周期內(nèi)出現(xiàn)兩次高電平。第一次出現(xiàn)在S1

39、P2和S2P1期間，第二次出現(xiàn)在S4P2和S5P1期間。圖 MCS-51單片機(jī)的取指/執(zhí)行時(shí)序圖2.4(a)、(b)所示分別給出了單字節(jié)單周期和雙字節(jié)單周期指令的時(shí)序。單周期指令的執(zhí)行始于S1P2，這時(shí)操作碼被鎖存到指令寄存器內(nèi)。圖2.4(c)給出了單字節(jié)雙周期指令的時(shí)序，兩個(gè)機(jī)器周期內(nèi)進(jìn)行4次讀操作碼操作，其為單字節(jié)指令，后三次讀操作都是無效的。2.2 水泵水泵是每個(gè)家庭必不可少的生活工具，但是大多數(shù)人沒有認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，現(xiàn)在將對(duì)水泵做一些介紹。在本設(shè)計(jì)中，水泵作為給水執(zhí)行機(jī)構(gòu)。1水泵的分類水泵一般多以泵的結(jié)構(gòu)和作用原理來分類，有時(shí)根據(jù)需要也按使用部門、用途、動(dòng)力類型和泵的水力性能等進(jìn)行分類。

40、(1) 按使用部門分：有農(nóng)業(yè)用泵(農(nóng)用泵)、工作用泵(工業(yè)泵)和特殊用泵等。(2)按用途分： 有水泵、砂泵、泥漿泵、污水泵、污物泵、井用泵、潛水電泵、噴灌泵、家用泵、消防泵等。(3) 按動(dòng)力類型分： 有手動(dòng)泵、畜力泵、腳踏泵、風(fēng)力泵、太陽能水泵、電動(dòng)泵、機(jī)動(dòng)泵、水輪泵、內(nèi)燃水泵、水錘泵等。(4) 按工作原理分  有離心泵、混流泵、旋渦泵、射流泵、積泵(螺桿泵、活塞泵、隔膜泵)、鏈條泵、電磁泵、液環(huán)泵、脈沖泵等。2選擇水泵的主要參數(shù)水泵參數(shù)是指泵工作性能的主要技術(shù)數(shù)據(jù)，包括流量、揚(yáng)程、轉(zhuǎn)速、效率和比轉(zhuǎn)數(shù)等。(1) 流量(Q)泵的流量是指單位時(shí)間內(nèi)所排出的液體的數(shù)量。通常泵的流量用體積計(jì)

41、算，以Q表示，單位為m3/h、m3/s、l/s，也可用重量計(jì)，以G表示，單位為t/h、t/s、kg/s。G與Q的關(guān)系：G=r×Qr-液體重度(kg/ m3)，因水的重量近似1000kg/m3，故1l/s=m3/ht/h。(2) 揚(yáng)程(H)泵的揚(yáng)程是指單位重量的液體通過泵所增加的能量。以H表示，實(shí)質(zhì)上就是水泵能夠揚(yáng)水的高度，又叫總揚(yáng)程或全揚(yáng)程。單位為米液柱高度，習(xí)慣上省去“液柱”，以米(m)表示。泵的總揚(yáng)程由吸水揚(yáng)程與出水揚(yáng)程兩部分組成，因此總揚(yáng)程=吸水揚(yáng)程=出水揚(yáng)程但由于水流經(jīng)過管路時(shí)受到各種阻力而減少了泵的吸水揚(yáng)程和出水揚(yáng)程，因此：吸水揚(yáng)程=實(shí)際吸水揚(yáng)程+吸水損失揚(yáng)程出水揚(yáng)程=實(shí)際

42、出水揚(yáng)程+出水損失揚(yáng)程損失揚(yáng)程=吸水損失揚(yáng)程+出水損失揚(yáng)程總揚(yáng)程=實(shí)際揚(yáng)程+損失揚(yáng)程由于水泵銘牌上標(biāo)明的揚(yáng)程是上述水泵的總揚(yáng)程，因此不能誤認(rèn)為銘牌上的揚(yáng)程是實(shí)際揚(yáng)程數(shù)值，水泵的實(shí)際揚(yáng)程都比水泵銘牌上的揚(yáng)程數(shù)值小。因此在確定水泵揚(yáng)程時(shí)，這一點(diǎn)要特別注意。否則，如果只按實(shí)際揚(yáng)程來確定水泵的揚(yáng)程，訂購來的水泵揚(yáng)程就低了，那可能會(huì)降低水泵的效率，甚至打不上水來。損失揚(yáng)程與管路上的水管和附件種類(低閥、閘閥、逆止閥、直管、彎管)、數(shù)量、水管內(nèi)徑、管長(zhǎng)、水管內(nèi)壁粗糙程度以及水泵流量等都有密切關(guān)系，這一點(diǎn)在管路設(shè)計(jì)和選配水管和附件時(shí)也應(yīng)注意。(3) 允許吸上真空高度(Hs)允許吸上真空高度是指真空表讀數(shù)吸水

43、揚(yáng)程，也就是泵的吸水揚(yáng)程(簡(jiǎn)稱泵的吸程)，包括實(shí)際吸水揚(yáng)程與吸水損失揚(yáng)程之和。允許吸上真空高度是安裝水泵高度的重要參數(shù)，安裝水泵時(shí)，應(yīng)使水泵的吸水揚(yáng)程小于允許吸上真空高度值，否則安裝過高，就吸不上水或生產(chǎn)氣蝕現(xiàn)象。如生產(chǎn)氣蝕，不僅水泵性能變壞，而且也可能使葉輪損壞。(4) 轉(zhuǎn)速(n)轉(zhuǎn)速是指泵葉輪每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)，以n表示，單位為r/min。每臺(tái)泵都有一定的轉(zhuǎn)速，不能隨意提高或降低，這個(gè)固定的轉(zhuǎn)素稱為額定轉(zhuǎn)速，水泵銘牌上標(biāo)定的轉(zhuǎn)速即為額定轉(zhuǎn)速。如泵運(yùn)轉(zhuǎn)超過額定轉(zhuǎn)速，不但會(huì)引起動(dòng)力機(jī)超載或轉(zhuǎn)不動(dòng)，而且泵的零部件也容易損壞；轉(zhuǎn)速降低，泵的效率就會(huì)降低，影響水泵的正常工作。(5) 比轉(zhuǎn)數(shù)(ns)KW、揚(yáng)

44、程為1m、流量為m3/s時(shí)所具有的轉(zhuǎn)數(shù)。葉輪形狀相同或相似的水泵比轉(zhuǎn)數(shù)相同，葉輪形狀不相同或不相似的水泵比轉(zhuǎn)數(shù)不相同。如軸流泵比轉(zhuǎn)數(shù)比混流泵大，混流泵比轉(zhuǎn)數(shù)也是反映水泵特性的綜合性指標(biāo)。此外，要注意比轉(zhuǎn)數(shù)大的水泵，其轉(zhuǎn)速不一定高；比轉(zhuǎn)數(shù)小的，轉(zhuǎn)速不一定低。大流量、低揚(yáng)程的水泵，比轉(zhuǎn)數(shù)大，反之則小。一般比轉(zhuǎn)數(shù)較低的離心泵，其流量小、揚(yáng)程高；而比轉(zhuǎn)數(shù)較高的軸流泵，其流量大、揚(yáng)程低。 LED發(fā)光二極管發(fā)光二極管LED(Light Emitting Diode)是一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體材料，其核心部分是由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體組成的晶片，在p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體之間有一個(gè)過渡層，稱為p-n結(jié)。當(dāng)它處于正

45、向工作狀態(tài)時(shí)(即兩端加上正向電壓)，電流從LED陽極流向陰極時(shí)，半導(dǎo)體晶體就是發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強(qiáng)弱與電流有關(guān)。鑒于LED發(fā)光二極管用得較為普遍報(bào)價(jià)較低所以設(shè)計(jì)中選用它。按發(fā)光管發(fā)光顏色分，可分成紅色、橙色、綠色(又細(xì)分黃綠、標(biāo)準(zhǔn)綠和純綠)、藍(lán)光等。由于用在報(bào)警電路，所以選擇紅色的。模擬水位高度由15個(gè)雙色發(fā)光二極管(LED)來完成，共分為4組。在某一特定時(shí)刻，每組LED與一個(gè)數(shù)碼管一起被選通(4組LED對(duì)應(yīng)4個(gè)數(shù)碼管)，兩個(gè)8位的移位寄存器74LS373級(jí)聯(lián)，將單片機(jī)送出的2個(gè)字節(jié)串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為16位并行數(shù)據(jù)，分別送選通的LED和數(shù)碼管。在不同時(shí)刻，系統(tǒng)對(duì)4組LED和數(shù)碼管

46、快速地循環(huán)掃描，就完成了面板顯示的功能。用七段顯示譯碼器7448可以直接驅(qū)動(dòng)共陰極的半導(dǎo)體數(shù)碼管，由圖所示：7448輸出端可以看到，當(dāng)輸出管截止、輸出為高電平時(shí)，流過發(fā)光二極管的電流是由Vcc經(jīng)2k上拉電阻提供的。當(dāng)Vcc=5V時(shí)，這個(gè)電流只有2mA左右。如果數(shù)碼管需要的電流大于這個(gè)數(shù)值時(shí)，則應(yīng)在2k的上拉電阻上在并聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娮琛Ｓ?448驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體數(shù)碼管的連接方式如圖數(shù)碼顯示所示。圖2.5 7448輸出端圖2.6 7448驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體數(shù)碼管的連接方式3 硬件電路的設(shè)計(jì)電路主要由水位采集電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、報(bào)警電路、控制電路及鎖存器74LS373和EPROM2732組成。電路的原理以及設(shè)計(jì)

47、中所用的器件都在前已經(jīng)作了詳細(xì)的敘述,本章就直接圍繞圖3.1介紹電路的具體設(shè)計(jì)。圖水位采集電路設(shè)計(jì)1水位檢測(cè)傳感器的選用傳感器是一種能感受被測(cè)物體物理量并將其轉(zhuǎn)化為便于傳輸或處理的電信號(hào)的裝置，在現(xiàn)代科技領(lǐng)域中，傳感器得到了廣泛應(yīng)用，各種信息的采集離不了各種傳感器，傳感器的基本功能在于能感受外界的各種“刺激”并作出迅速反映。本設(shè)計(jì)當(dāng)中我們采用的水位探測(cè)傳感器簡(jiǎn)單易做，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。其外形輪廓如圖所示。A為接+5V電源的線，與水一直保持連通，B線為低水位控制線，當(dāng)水位到達(dá)低水位的時(shí)候它不導(dǎo)通，水在正常范圍內(nèi)時(shí)，它導(dǎo)通。C線為高水位控制線，當(dāng)它導(dǎo)通時(shí)，表示水已經(jīng)為高水位。本設(shè)計(jì)中采用了細(xì)銅線作為我們的

48、傳感器的材料。主要考慮了：(1)細(xì)銅線的電阻率比較低，這樣就可以避免由于電阻過大而使輸出的電平過低，以致不能很好地驅(qū)動(dòng)單片機(jī)工作。(2)傳電性能比較好，傳電速率比較快，也就是說靈敏性非常好。(3)細(xì)銅線便宜易找。本傳感器的尺寸是A線是30cm，B線是20cm，C線是15cm，銅線直徑是15mm。水位采集電路如圖所示。b，c端的兩個(gè)水位信號(hào)通過和輸入單片機(jī),這兩個(gè)信號(hào)共有4種組合，見表。C(P1.1)b(P1.0)操作00電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)01維持原狀10故障報(bào)警11電機(jī)停轉(zhuǎn)其中第三種組合(b=1，c=0)正常情況是不可能發(fā)生的，但是設(shè)計(jì)中還是要考慮到，并作為一種故障狀態(tài)。表3.1 水位采集信號(hào)的4種組合

49、圖3.6 水位采集電路控制電機(jī)電路設(shè)計(jì)1電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)電感線圈是一種感性負(fù)載，當(dāng)流過線圈的電流發(fā)生變化時(shí)線圈會(huì)發(fā)生很大的反電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)反電動(dòng)勢(shì)有可能損壞驅(qū)動(dòng)器中的輸出晶體管。因此，為了防止驅(qū)動(dòng)器損壞，線圈兩端必須加箝位二極管。圖為采用SN75467驅(qū)動(dòng)交流繼電器的電路圖。當(dāng)AT89C51在P2.0上輸出低電平時(shí)，SN75467相應(yīng)的輸出晶體管導(dǎo)通，繼電器線圈中有電流流過，繼電器吸合；當(dāng)AT89C51在P2.0上輸出高電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)器相應(yīng)輸出晶體管截止，繼電器線圈中無電流流過，繼電器不吸合，觸電常開。在圖中，二極管用于箝位線圈兩端可能出現(xiàn)的反電動(dòng)勢(shì)。圖3.8 電機(jī)驅(qū)動(dòng)圖2控制電機(jī)電路電路如圖3.9，

50、控制信號(hào)由P12端輸出,去控制電機(jī)。為了提高可靠性，使用光耦合隔離。本設(shè)計(jì)選用ZSN4系列直流電動(dòng)機(jī)，其工作原理是根據(jù)電磁感應(yīng)和通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力旋轉(zhuǎn)，以給直流電機(jī)的電樞繞組通入電流，載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中將受電磁力的作用，由于換向器的換向作用，導(dǎo)體進(jìn)入異極磁極時(shí)，導(dǎo)體中的電流也相應(yīng)改變，從而保證了電磁轉(zhuǎn)矩的方向不變，使直流電機(jī)能連續(xù)旋轉(zhuǎn)，把直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能輸出。這里只是需要在電機(jī)上加一個(gè)水泵就可以實(shí)現(xiàn)，當(dāng)電機(jī)工作時(shí)，水泵自動(dòng)抽水。利用脈寬調(diào)制(PWM)方式實(shí)現(xiàn)調(diào)光/調(diào)速的好處是電源的能量能得到充分利用，電路的效率高。例如：當(dāng)輸出為50的方波時(shí)，脈寬調(diào)制(PWM)電路消耗的電源能量也為50，即

51、幾乎所有的能量都轉(zhuǎn)換為負(fù)載功率輸出。而采用常見的電阻降壓調(diào)速時(shí)，要使負(fù)載獲得電源最大輸出功率50的功率，電源必須提供71以上的輸出功率，這其中21消耗在電阻的壓降及熱耗上。有時(shí)電路的轉(zhuǎn)換效率是非常重要的。此外，采用脈寬調(diào)制(PWM)方式可以使負(fù)載在工作時(shí)得到滿電源電壓，這樣有利于克服電機(jī)內(nèi)在的線圈電阻而使電機(jī)產(chǎn)生更大的力矩。控制電機(jī)電路如圖3.9所示：圖3.9 控制電機(jī)電路3.3 時(shí)鐘電路在MCS-51芯片內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，其輸入端為芯片引腳XTAL1，其輸出端為引腳XTAL2。而在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，從而構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器，這就是單

52、片機(jī)的時(shí)鐘電路，如圖3.2所示。時(shí)鐘電路產(chǎn)生的振蕩脈沖經(jīng)過觸發(fā)器進(jìn)行二分頻之后，才成為單片機(jī)的時(shí)鐘脈沖信號(hào)。請(qǐng)讀者特別注意時(shí)鐘脈沖與振蕩脈沖之間的二分頻關(guān)系，否則會(huì)造成概念上的錯(cuò)誤。一般地，電容C1和C2取30PF左右，晶體的振蕩頻率范圍是1.212MHz。晶體振蕩頻率高，則系統(tǒng)的時(shí)鐘圖3.2 內(nèi)部時(shí)鐘和外部時(shí)鐘頻率也高，單片機(jī)運(yùn)行速度也就快8051的時(shí)鐘有兩種方式，一種是片內(nèi)時(shí)鐘振蕩方式，但需在18和19腳外接石英晶體(2-12MHz)和振蕩電容，振蕩電容的值一般取10p-30p。另外一種是外部時(shí)鐘方式，即將XTAL1接地，外部時(shí)鐘信號(hào)從XTAL2腳輸入。圖3.3 時(shí)鐘電路復(fù)位電路單片機(jī)的復(fù)

53、位功能也非常重要，所謂復(fù)位即是使單片機(jī)內(nèi)部的各個(gè)寄存器的值變?yōu)槌跏紶顟B(tài)的操作。單片機(jī)復(fù)位是使CPU和系統(tǒng)中的其他功能部件都處在一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。51系列單片機(jī)在時(shí)鐘電路工作以后，在RST端持續(xù)給2個(gè)機(jī)器周期的高電平就可以完成復(fù)位操作(一般復(fù)位正脈沖寬度大于10ms)。單片機(jī)復(fù)位分為上電復(fù)位(Power On Reset)和外部復(fù)位兩種方式。單片機(jī)復(fù)位的條件是：必須使RST/VPD或RST引(9)加上持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期(即24個(gè)振蕩周期)的高電平。單片機(jī)常見的復(fù)位電路如圖3.4(a)、(b)所示。圖(a)為上電復(fù)位電路，它是利用電容充電來實(shí)現(xiàn)的。在接電瞬間，RESET端的電

54、位與VCC相同，隨著充電電流的減少，RESET的電位逐漸下降。只要保證RESET為高電平的時(shí)間大于兩個(gè)機(jī)器周期，便能正常復(fù)位。(a) 上電復(fù)位電路；(b) 按鍵復(fù)位電路圖3.4 片機(jī)常見的復(fù)位電路如圖3.4為按鍵復(fù)位電路。該電路除上電復(fù)位功能外，若要復(fù)位，只需按圖3.4(b)RESET鍵，此時(shí)電源VCC經(jīng)電阻R1、R2分壓，在RESET端產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位高電平。在上電瞬間RST端與VCC有相同的電壓，隨著電容上電壓的逐漸上升，RST端電位將逐漸下降。上電復(fù)位所需的最短時(shí)間是振蕩器振蕩建立時(shí)間加2個(gè)機(jī)器周期。復(fù)位電路的阻容參數(shù)通常由實(shí)驗(yàn)調(diào)整決定。譬如，在如下所示的上電復(fù)位電路中如取電路參數(shù)C為22u

55、F，R取1K，即可在RST端提供足夠的高電平脈沖，使得單片機(jī)能夠可靠的實(shí)現(xiàn)上電自動(dòng)復(fù)位。單片機(jī)復(fù)位期間不產(chǎn)生ALE和信號(hào)，即ALE=1和=1。這表明單片機(jī)復(fù)位期間不會(huì)有任何取指操作。復(fù)位后，內(nèi)部各專用寄存器狀態(tài)如下：PC： 0000HACC： 00HB： 00HPSW： 00HSP： 07HDPTR： 0000HP0P3： FFHIP： *00000BIE： 0*00000BTMOD： 00HTCON： 00HTH0： 00HTL0： 00HTH1： 00HTL1： 00HSCON： 00HSBUF： 不定PCON： 0*0000其中，*表示無關(guān)位。1復(fù)位后PC值為0000H，表明復(fù)位后程序從0000H開始執(zhí)行，這一點(diǎn)在實(shí)訓(xùn)中已介紹。2SP值為07H，表明堆棧底部在07H。一般需重新設(shè)置SP值。3 P0P3口值為FFH。P0P3口用作輸入口時(shí)，必須先寫入“1”。單片機(jī)在復(fù)位后，已使P0P3口每一端線為“1”，為這些端線用作輸入口做好了準(zhǔn)備。3.5 報(bào)警電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用LED發(fā)光二極管作為報(bào)警器。LED的工作原理已經(jīng)在第2章中詳細(xì)介紹了，這里就不在重述。報(bào)警電路如圖3.7所示,從P13輸出報(bào)警信號(hào)，驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管進(jìn)行光報(bào)警。圖3.7 報(bào)警電路 穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)本電路的主要作用是使從傳感器輸出的電平能夠穩(wěn)定地輸