機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)論文水箱自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）水箱自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)院 系 機(jī)械工程學(xué)院 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 年 級(jí) 2004級(jí) 姓 名 劉凱 題 目 水箱自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教師評(píng) 語 指導(dǎo)教師 (簽章)評(píng) 閱 人評(píng) 語 評(píng) 閱 人 (簽章)成 績(jī) 答辯委員會(huì)主任 (簽章) 年 月 日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書班 級(jí) 機(jī)械8班 學(xué)生姓名 劉凱 學(xué) 號(hào) 20040985 發(fā)題日期：2008 年 3 月 5 日 完成日期：2008年 6 月 10 日題 目 水箱自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1、本論文的目的、意義溫度液位壓力流量是工業(yè)自動(dòng)化常見控制參量，實(shí)現(xiàn)其監(jiān)測(cè)與控制是基礎(chǔ)性工作，也是機(jī)械電子工程專業(yè)學(xué)生必須掌握的基礎(chǔ)內(nèi)

2、容。本課題要求學(xué)生綜合利用所學(xué)知識(shí)，培養(yǎng)動(dòng)手能力，在前人工作基礎(chǔ)上，改進(jìn)完善，實(shí)現(xiàn)多通道模擬水箱溫度液位壓力流量信號(hào)采集和處理顯示，實(shí)現(xiàn)上下限報(bào)警和電磁繼電器和開關(guān)通斷控制。該課題對(duì)于機(jī)電測(cè)控實(shí)驗(yàn)中心完善實(shí)驗(yàn)建設(shè)具備價(jià)值。 2、學(xué)生應(yīng)完成的任務(wù)（1）查閱收集資料、熟悉設(shè)計(jì)原始資料、完成相關(guān)不少于10000個(gè)字符的外文資料翻譯。 （2）完成畢業(yè)實(shí)習(xí)調(diào)研以及實(shí)習(xí)報(bào)告的撰寫 。 （3）現(xiàn)有溫度壓力液位流量監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)調(diào)研和資料搜集。 （4）多路參量監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。 （5）接口電路板制作和加工 。 （6）實(shí)驗(yàn)程序設(shè)計(jì)與調(diào)試。 （7）完整程序和實(shí)物一套。 （8）整理完成不少于24000字的畢業(yè)

3、論文。 3、論文各部分內(nèi)容及時(shí)間分配：（共 14 周） 第一部分 調(diào)研準(zhǔn)備和資料搜集 （2周） 第二部分 方案設(shè)計(jì)和元器件采購(gòu) （2周） 第三部分 硬件制作 （3周） 第四部分 軟件調(diào)試 （4周） 第五部分 系統(tǒng)集成，撰寫畢業(yè)論文 （2周） 評(píng)閱及答辯 評(píng)閱答辯 （1周） 備 注 指導(dǎo)教師： 年 月 日審 批 人： 年 月 日摘要工業(yè)中很多控制問題都可以歸結(jié)于水箱控制問題，研究水箱控制系統(tǒng)具有很好的科研和實(shí)用價(jià)值。溫度、液位、壓力、流量是水箱控制中最常用的控制量，可以應(yīng)用于很多控制方案中。比如：在水塔供水系統(tǒng)、高位水箱供水系統(tǒng)、汽車水箱供水系統(tǒng)、液壓泵供油系統(tǒng)等系統(tǒng)中都有廣泛的應(yīng)用。本文以80

4、C51單片機(jī)系統(tǒng)為核心，開發(fā)設(shè)計(jì)了一套水箱溫度、液位、壓力、流量的自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)設(shè)定參數(shù)的鍵盤輸入；溫度、液位、壓力、流量的自動(dòng)控制；日歷時(shí)間的顯示；自動(dòng)聲光報(bào)警。整個(gè)系統(tǒng)搭建方便，價(jià)格便宜，具有一定的實(shí)用價(jià)值?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)流程為：報(bào)警參數(shù)鍵盤輸入和顯示；模擬量信號(hào)采集；A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波；對(duì)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行LCD顯示；溫度、液位、壓力、流量的控制；時(shí)間和日歷顯示。相關(guān)功能采用具有實(shí)時(shí)性的匯編語言實(shí)現(xiàn)。本論文詳細(xì)論述了怎樣實(shí)現(xiàn)水箱溫度、液位、壓力、流量的自動(dòng)控制，第一章簡(jiǎn)要的介紹了水箱溫度、液位、壓力、流量自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用，以及單片機(jī)控制系統(tǒng)概述。第二章介紹了控制系統(tǒng)的總體

5、功能設(shè)計(jì)分析以及方案設(shè)計(jì)。第三章介紹了系統(tǒng)的主要硬件配置和傳感器選擇。第四章詳細(xì)的介紹了系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。第五章介紹了系統(tǒng)的調(diào)試以及運(yùn)行結(jié)果。最后則對(duì)本次設(shè)計(jì)進(jìn)行了全面的回顧以及對(duì)水箱溫度、液位、壓力、流量自動(dòng)控制系統(tǒng)的不足提出改進(jìn)方案。關(guān)鍵字： 水箱 80C51 自動(dòng)控制AbstractIn industrial area, many control problems can be attributed to water tank control model, so the research of water tank control system has scientific and pra

6、ctical value. Temperature, water level, pressure and flow rat are the most commonly used parameters in the water tank control, and can be applied to many control systems. For example: in the water tower supply systems, high water tank supply system, car water tank supply system, hydraulic pump oil s

7、upply system and other supply system. It is widely used.In this paper, a temperature, water level, pressure, and flow rat automatic control system of water tank was designed based on 80C51 SCM system. This system has functions as follow: alarm parameters keyboard input; temperature, water level, pre

8、ssure, flow rat automatic control; time and calendar display; sound and light automatic alarm. The whole system is structures convenient, inexpensive and has certain practical value. The control system design process is：alarm parameters keyboard input and display; analog signal acquisition; A/D conv

9、ersion and digital filtering; the A/D conversion data LCD display; temperature, water level, pressure, flow rat control; time and calendar display. The related function of this system can be achieved by using real-time compilation language.Temperature, water level, pressure, flow rates automatic con

10、trol of water tank was discussed in detail on how to achieve in this paper. In chapter 1, temperature, water level, pressure, flow rate automatic control systems practice of water tank, and SCM control systems overview was briefly introduced. In chapter 2, control systems overall function analysis d

11、esign and scheme design was introduced. In chapter 3, systemss main hardware configuration and sensor choice was introduced. In chapter 4, system software design was introduced in detail. In chapter 5, system debugging and the results were introduced. A comprehensive review of this design was made a

12、nd a improve scheme of industrial water tank temperature, water level, pressure, flow rat automatic control systems weakness was proposed in the end of this paper.Key words: water tank 80C51 automatic control目 錄第1章 緒論11.1水箱溫度液位壓力流量控制系統(tǒng)綜述11.2 單片機(jī)控制系統(tǒng)綜述21.2.1 單片機(jī)的簡(jiǎn)要發(fā)展歷史21.2.2 當(dāng)前世界范圍內(nèi)單片機(jī)的發(fā)展領(lǐng)域31.2.3 單片機(jī)

13、的發(fā)展趨勢(shì)31.2.4 單片機(jī)的應(yīng)用4第2章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)62.1總體功能設(shè)計(jì)分析62.2 系統(tǒng)硬件模塊72.3 系統(tǒng)軟件模塊8第三章 系統(tǒng)主要硬件配置93.1 控制系統(tǒng)主要硬件介紹9單片機(jī)控制模塊93.1.2 ADC0809模塊113.1.3 8155并行I/O口擴(kuò)展模塊123.1.4 DS12887時(shí)鐘模塊163.1.5 12232A液晶模塊203.2 傳感器的選擇24溫度傳感器選擇263.2.2 液位傳感器選擇273.2.3 壓力傳感器選擇293.2.4 流量傳感器選擇30第四章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)334.1 整體軟件設(shè)計(jì)334.2 報(bào)警參數(shù)輸入部分344.3 A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波404.

14、3.1 模擬量數(shù)據(jù)采集404.3.2 數(shù)字濾波處理414.3.3 模擬信號(hào)的輸出變換414.3.4 A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波434.4 LCD液晶顯示474.5控制部分設(shè)計(jì)524.5.1 溫度控制部分設(shè)計(jì)524.5.2 液位控制部分設(shè)計(jì)544.5.3 壓力控制部分設(shè)計(jì)574.5.4 流量控制部分設(shè)計(jì)574.6 時(shí)鐘日歷顯示58第五章 系統(tǒng)調(diào)試62結(jié)論67致謝68參考文獻(xiàn)69附錄1 畢業(yè)實(shí)習(xí)報(bào)告70第1章 緒論1.1水箱溫度液位壓力流量控制系統(tǒng)綜述水箱控制是工業(yè)控制中廣泛應(yīng)用的控制方案，工業(yè)中很多控制問題都可以歸結(jié)于水箱控制問題，因此研究水箱控制系統(tǒng)具有很好的科研和實(shí)用價(jià)值。溫度、液位、壓力、流量是

15、水箱控制中最常用的控制量，可以應(yīng)用于很多控制方案中。比如：在水塔供水系統(tǒng)、高位水箱供水系統(tǒng)、汽車水箱供水系統(tǒng)、液壓泵供油系統(tǒng)等系統(tǒng)中都有廣泛的應(yīng)用。隨著控制技術(shù)的發(fā)展，越來越多的自動(dòng)控制技術(shù)被應(yīng)用到工業(yè)中。其中基于單片機(jī)的控制技術(shù)就是一種應(yīng)用非常廣泛的自動(dòng)控制技術(shù)。由于單片機(jī)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的相當(dāng)成熟，其價(jià)格及相應(yīng)的配套硬件的價(jià)格都相當(dāng)便宜。故可以用單片機(jī)搭建一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，價(jià)格便宜的智能控制系統(tǒng)。這種控制系統(tǒng)被廣泛的應(yīng)用于飛機(jī)上各種儀表的控制, 計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸, 工業(yè)自動(dòng)化過程的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理, 普遍使用的各種智能卡, 民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng), 錄像機(jī)、攝像機(jī)、全自動(dòng)

16、洗衣機(jī)的控制, 以及程控玩具、電子寵物機(jī)器人、智能儀表、醫(yī)療器械等等。各種傳統(tǒng)的產(chǎn)品一旦用上了單片機(jī), 就能起到使產(chǎn)品升級(jí)換代的功效?；趩纹瑱C(jī)的工業(yè)水箱溫度、液位、壓力、流量控制系統(tǒng)在各種應(yīng)用有一定的實(shí)用價(jià)值，比如：在農(nóng)村已有很多家庭都搭建了自來水供水系統(tǒng)，一般都是在自家樓頂安裝一個(gè)水箱或者水塔并在樓下用抽水機(jī)把水抽到水箱中然后使用。但是這樣做并不方便，一是抽水的時(shí)候人必須在旁邊守著，二是不知道水抽滿了沒有，還得擔(dān)心水溢出來，三是不知道水何時(shí)會(huì)用完。因此，搭建一個(gè)小型的水位自動(dòng)控制系統(tǒng)會(huì)省去很多麻煩，這個(gè)在工業(yè)應(yīng)用中尤為重要。另外，在一些惡劣的情況并不適合人去作業(yè)，比如在煉鋼中鋼水的溫度控制

17、。因此恒溫自動(dòng)控制就很有必要。而我本次所作的畢業(yè)設(shè)計(jì)就是以工業(yè)上通常使用的水箱供水系統(tǒng)為控制對(duì)象，來搭建水箱的溫度、液位、壓力、流量自動(dòng)控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)具有通用性，可以很方便的轉(zhuǎn)移到其他的控制系統(tǒng)中。因此也具有一定的科研教學(xué)價(jià)值。1.2 單片機(jī)控制系統(tǒng)綜述 單片機(jī)也被稱為微控制器（Microcontroller），最早被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。單片機(jī)由芯片內(nèi)僅有CPU的專用處理器發(fā)展而來。它具有一個(gè)完整計(jì)算機(jī)所需要的大部分部件：CPU、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?，F(xiàn)在已被廣泛的應(yīng)用于各個(gè)控制領(lǐng)域。 單片機(jī)的簡(jiǎn)要發(fā)展歷史同微處理器

18、一樣，單片機(jī)自誕生以來發(fā)展一直很快。1975年美國(guó)德州儀器（TI）公司推出TMS-1000，Intel公司推出4004 4位單片機(jī)。1976 Intel推出的MCS-488位單片機(jī)的推出是單片機(jī)發(fā)展時(shí)代的真正到來。將8位單片機(jī)的推出作為起點(diǎn)，那么單片機(jī)的發(fā)展歷史大致可分為以下幾個(gè)階段：第一階段（1976-1978）：?jiǎn)纹瑱C(jī)的探索階段。以Intel公司的MCS-48為代表。MCS-48的推出是在工控領(lǐng)域的探索，參與這一探索的公司還有Motorola 、Zilog等，都取得了滿意的效果。這就是SCM的誕生年代，“單機(jī)片”一詞即由此而來。 第二階段（1978-1982）單片機(jī)的完

19、善階段。Intel公司在MCS-48 基礎(chǔ)上推出了完善的、典型的單片機(jī)系列MCS-51。它在以下幾個(gè)方面奠定了典型的通用總線型單片機(jī)體系結(jié)構(gòu)。1） 完善的外部總線。MCS-51設(shè)置了經(jīng)典的8位單片機(jī)的總線結(jié)構(gòu)，包括8位數(shù)據(jù)總線、16位地址總線、控制總線及具有多機(jī)通信功能的串行通信接口。 2） CPU外圍功能單元的集中管理模式。3） 體現(xiàn)工控特性的位地址空間及位操作方式。 4） 指令系統(tǒng)趨于豐富和完善，并且增加了許多突出控制功能的指令。 第三階段（1982-1990）：8位單片機(jī)的鞏固發(fā)展及16位單片機(jī)的推出階段，也是單片機(jī)向微控制器發(fā)展的階段。Intel

20、公司推出的 MCS-96系列單片機(jī)，將一些用于測(cè)控系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、程序運(yùn)行監(jiān)視器、脈寬調(diào)制器等納入片中，體現(xiàn)了單片機(jī)的微控制器特征。隨著 MCS-51系列的廣應(yīng)用，許多電氣廠商競(jìng)相使用80C51為內(nèi)核，將許多測(cè)控系統(tǒng)中使用的電路技術(shù)、接口技術(shù)、多通道A/D轉(zhuǎn)換部件、可靠性技術(shù)等 應(yīng)用到單片機(jī)中，增強(qiáng)了外圍電路功能，強(qiáng)化了智能控制的特征。第四階段（1990-）：微控制器的全面發(fā)展階段。隨著單片機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域全面深入地發(fā)展和應(yīng)用，出現(xiàn)了高速、大尋址范圍、強(qiáng)運(yùn)算能力的8位/16位/32位通用型單片機(jī)，以及小型廉價(jià)的專用型單片機(jī)。  當(dāng)前世界范圍內(nèi)單片機(jī)的發(fā)展領(lǐng)域目前世界范圍內(nèi)單片機(jī)發(fā)展的主

21、要領(lǐng)域有4個(gè)：一是歐美，最新開發(fā)產(chǎn)品及主要廠商有：National semiconductor的cop8系列單片機(jī)，美國(guó)的Scenix的八位單片機(jī)，荷蘭PHILIPS的51系列單片機(jī)，美國(guó)AMD公司186系列16位嵌入式微機(jī)控制器，MOTOROLA的各個(gè)系列單片機(jī)；二是日本，TOSHIBA公司開發(fā)了從4位到64位多系列單片機(jī)，日立公司也有從4位到32位多系列單片機(jī)，NEC公司的75X、78X系列微機(jī)；三是臺(tái)灣地區(qū)，主要有WINBOND的W741/W516、W78/W77等系列產(chǎn)品微控制器；四是韓國(guó)，主要有HYUNDAI microelectronics的GMS800、GMS30系列微控制器。另

22、外還有LG公司也生產(chǎn)單片機(jī)，單片機(jī)發(fā)展到今天可以說種類繁多性能各異。 單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)目前，單片機(jī)正朝著高性能和多品種方向發(fā)展的趨勢(shì)將是進(jìn)一步向著CMOS化、低功耗、小體積、大容量、高性能、低價(jià)格和外圍電路內(nèi)裝化等幾個(gè)方面發(fā)展。下面是單片機(jī)的主要發(fā)展趨勢(shì)。CMOS化：近年，由于CHMOS技術(shù)的進(jìn)小，大大地促進(jìn)了單片機(jī)的CMOS化。CMOS芯片除了低功耗特性之外，還具有功耗的可控性，使單片機(jī)可以工作在功耗精細(xì)管理狀態(tài)。低功耗化：?jiǎn)纹瑱C(jī)的功耗已到mA級(jí)，甚至1A以下；使用電壓在36V之間，完全適應(yīng)電池工作。低功耗化的效應(yīng)不僅是功耗低，而且?guī)砹水a(chǎn)品的高可靠性、高抗干擾能力以及產(chǎn)品的便攜化。低電壓化

23、：幾乎所有的單片機(jī)都有WAIT、STOP等省電運(yùn)行方式。允許使用的電壓范圍越來越寬，一般在36V范圍內(nèi)工作。低電壓供電的單片機(jī)電源下限已可達(dá)12V。目前0.8V供電的單片機(jī)已經(jīng)問世。低噪聲與高可靠性：為提高單片機(jī)的抗電磁干擾能力，使產(chǎn)品能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，滿足電磁兼容性方面更高標(biāo)準(zhǔn)的要求，各單片廠家在單片機(jī)內(nèi)部電路中都采用了新的技術(shù)措施。 大容量化：以往單片機(jī)內(nèi)的ROM為1KB4KB，RAM為64128B。但在需要復(fù)雜控制的場(chǎng)合，該存儲(chǔ)容量是不夠的，必須進(jìn)行外接擴(kuò)充。為了適應(yīng)這種領(lǐng)域的要求，須運(yùn)用新的工藝，使片內(nèi)存儲(chǔ)器大容量化。目前，單片機(jī)內(nèi)ROM最大可達(dá)64KB，RAM最大為2K

24、B。 高性能化：主要是指進(jìn)一步改進(jìn)CPU的性能，加快指令運(yùn)算的速度和提高系統(tǒng)控制的可靠性。采用精簡(jiǎn)指令集（RISC）結(jié)構(gòu)和流水線技術(shù)，可以大幅度提高運(yùn)行速度。現(xiàn)指令速度最高者已達(dá)100MIPS（Million Instruction Per Seconds，即兆指令每秒），并加強(qiáng)了位處理功能、中斷和定時(shí)控制功能。 小容量、低價(jià)格化：與上述相反，以4位、8位機(jī)為中心的小容量、低價(jià)格化也是發(fā)展動(dòng)向之一。這類單片機(jī)的用途是把以往用數(shù)字邏輯集成電路組成的控制電路單片化，可廣泛用于家電產(chǎn)品。 外圍電路內(nèi)裝化：這也是單片機(jī)發(fā)展的主要方向。隨著集成

25、度的不斷提高，有可能把眾多的各種外圍功能器件集成在片內(nèi)。除了一般必須具有的CPU、ROM、RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等以外，片內(nèi)集成的部件還有模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、DMA控制器、聲音發(fā)生器、監(jiān)視定時(shí)器、液晶顯示驅(qū)動(dòng)器等等。串行擴(kuò)展技術(shù)：在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，通用型單片機(jī)通過三總線結(jié)構(gòu)擴(kuò)展外圍器件成為單片機(jī)應(yīng)用的主流結(jié)構(gòu)。隨著低價(jià)位OTP（One Time Programmable）及各種類型片內(nèi)程序存儲(chǔ)器的發(fā)展，加之處圍接口不斷進(jìn)入片內(nèi)，推動(dòng)了單片機(jī)“單片”應(yīng)用結(jié)構(gòu)的發(fā)展。特別是 I C、SPI等串行總線的引入，可以使單片機(jī)的引腳設(shè)計(jì)得更少，單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)化及規(guī)范

26、化。  單片機(jī)的應(yīng)用由于單片機(jī)具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，它已成為科技領(lǐng)域的有力工具，人類生活的得力助手。它的應(yīng)用遍及各個(gè)領(lǐng)域，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1. 單片機(jī)在智能儀表中的應(yīng)用單片機(jī)廣泛地用于各種儀器儀表，使儀器儀表智能化，并可以提高測(cè)量的自動(dòng)化程度和精度，簡(jiǎn)化儀器儀表的硬件結(jié)構(gòu)，提高其性能價(jià)格比。 2. 單片機(jī)在機(jī)電一體化中的應(yīng)用 機(jī)電一體化產(chǎn)品是指集成機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體，具有智能化特征的機(jī)電產(chǎn)品，例如微機(jī)控制的車床、鉆床等。單片機(jī)作為產(chǎn)品中的控制器，能充分發(fā)揮它的體積小、可靠性高、功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可大大提高機(jī)器的自動(dòng)化、智能化程度。3. 單片機(jī)在實(shí)

27、時(shí)控制中的應(yīng)用單片機(jī)廣泛地用于各種實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中。例如，在工業(yè)測(cè)控、航空航天、尖端武器、機(jī)器人等各種實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，都可以用單片機(jī)作為控制器。單片機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理能力和控制功能，可使系統(tǒng)保持在最佳工作狀態(tài)，提高系統(tǒng)的工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量。4. 單片機(jī)在分布式多機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用 在比較復(fù)雜的系統(tǒng)中，常采用分布式多機(jī)系統(tǒng)。多機(jī)系統(tǒng)一般由若干臺(tái)功能各異的單片機(jī)組成，各自完成特定的任務(wù)，它們通過串行通信相互聯(lián)系、協(xié)調(diào)工作。單片機(jī)在這種系統(tǒng)中往往作為一個(gè)終端機(jī)，安裝在系統(tǒng)的某些節(jié)點(diǎn)上，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè)量和控制。單片機(jī)的高可靠性和強(qiáng)抗干擾能力，使它可以置于惡劣環(huán)境的前端工作。5. 單片機(jī)在人類

28、生活中的應(yīng)用自從單片機(jī)誕生以后，它就步入了人類生活，如洗衣機(jī)、電冰箱、電子玩具、收錄機(jī)等家用電器配上單片機(jī)后，提高了智能化程度，增加了功能，倍受人們喜愛。單片機(jī)將使人類生活更加方便、舒適、豐富多彩。第2章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1總體功能設(shè)計(jì)分析本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是以工業(yè)水箱作為模型（其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-1），基于單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)其溫度，液位，壓力，流量進(jìn)行控制。本控制系統(tǒng)亦可以用于液壓供油系統(tǒng)等其他常用的需進(jìn)行溫度，液位，壓力，流量等量進(jìn)行控制的系統(tǒng)?？紤]到工業(yè)水箱的通用功能和實(shí)際設(shè)計(jì)需要，本系統(tǒng)應(yīng)該具有如下功能：1） 是一個(gè)獨(dú)立的控制模塊，應(yīng)該具有抗外界干擾能力，并且安裝方便。2） 能夠進(jìn)行恒溫控制，使溫度

29、始終處于一定的范圍內(nèi)。當(dāng)溫度高了的時(shí)候控制繼電器停止加熱，當(dāng)溫度低了的時(shí)候打開繼電器加熱。并進(jìn)行聲音和LED燈報(bào)警。3） 能夠進(jìn)行恒壓控制，使水箱壓力輸出恒定。當(dāng)壓力低于或者高于設(shè)定的范圍時(shí)，能夠自動(dòng)啟動(dòng)相應(yīng)的控制設(shè)備，并進(jìn)行聲音和LED燈報(bào)警。4） 能夠進(jìn)行流量恒定控制，使輸出流量恒定。當(dāng)流量低于或高于設(shè)定的流量值時(shí)，啟動(dòng)繼電器控制閥門開口大小，并進(jìn)行聲音和LED燈報(bào)警。5） 能夠進(jìn)行液位的控制。使水箱水位不至于太高或者太低，當(dāng)高出或者低于設(shè)定范圍時(shí)，開啟繼電器控制閥門關(guān)閉或者開啟。齒輪泵流量監(jiān)測(cè)液位監(jiān)測(cè)壓力監(jiān)測(cè)溫度監(jiān)測(cè)溢出缺水加熱絲控制水箱圖2-1 水箱控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖儲(chǔ)水箱6） 本系統(tǒng)要求

30、具有模擬量采集，A/D轉(zhuǎn)換，參數(shù)輸入，LCD顯示，時(shí)鐘日歷顯示，自動(dòng)報(bào)警等功能。2.2 系統(tǒng)硬件模塊根據(jù)系統(tǒng)總體功能設(shè)計(jì)分析，本系統(tǒng)的硬件模塊主要有單片機(jī)及其控制模塊和傳感器模塊，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2-1。各個(gè)模塊及功能如下：1) 單片機(jī)控制模塊，是系統(tǒng)的核心，主要用于系統(tǒng)運(yùn)算和控制。2) ADC0809模塊，主要用于模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換，輸出為數(shù)字信號(hào)。3) 8155 I/O擴(kuò)展模塊，由于系統(tǒng)I/O資源有限，必須進(jìn)行I/O口擴(kuò)展。4) DS12887時(shí)鐘模塊，主要用于為系統(tǒng)提供時(shí)間數(shù)據(jù)，也可以用于時(shí)間日歷顯示。5) LCM12232A液晶模塊，主要用于文字和數(shù)據(jù)顯示。6) 溫度傳感器模塊，主要用于溫度

31、信號(hào)的采集及其電信號(hào)輸出。7) 液位傳感器模塊，主要用于液位信號(hào)的采集及其電信號(hào)輸出。8) 壓力傳感器模塊，主要用于壓力信號(hào)的采集及其電信號(hào)輸出。CPUINTELP8031ADC0809模塊傳感器4傳感器1LCD12232A模塊8155模塊鍵盤接口DS12887時(shí)鐘模塊系統(tǒng)控制模塊圖2-2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖9) 流量傳感器模塊，主要用于液位信號(hào)的采集及其電信號(hào)輸出。2.3 系統(tǒng)軟件模塊根據(jù)系統(tǒng)總體功能設(shè)計(jì)分析，本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)模塊組成如下：1) 參數(shù)輸入模塊，交互式輸入系統(tǒng)的報(bào)警上限和報(bào)警下限，以提供系統(tǒng)報(bào)警的數(shù)據(jù)。2) A/D采樣及信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊，將從傳感器采集到的模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換并且輸出數(shù)字信號(hào)

32、。3) LCD顯示模塊，進(jìn)行參數(shù)的交互式輸入，并且顯示各個(gè)通道的值、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)值和時(shí)鐘日歷信息。4) 控制模塊，對(duì)溫度、液位、壓力、流量進(jìn)行恒定控制，并且在超出報(bào)警 上限或下限是提供聲光報(bào)警。5) 時(shí)鐘日歷顯示模塊，為系統(tǒng)提供精確的年月日、時(shí)分秒等時(shí)鐘信息。第三章 系統(tǒng)主要硬件配置3.1 控制系統(tǒng)主要硬件介紹由系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)可知，控制系統(tǒng)主要用到的硬件模塊有：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制模塊，ADC0809模塊，8155 I/O擴(kuò)展模塊，DS12887時(shí)鐘模塊，LCM12232A液晶模塊。本節(jié)將簡(jiǎn)要的介紹一下這些模塊的功能特性。單片機(jī)控制模塊單片機(jī)控制模塊采用MCS-51單片機(jī)，芯片為8031，其引腳如圖3-1所示

33、。圖3-1 MCS-51引腳圖8031是MCS-51系列單片機(jī)的產(chǎn)品，產(chǎn)品型號(hào)的不同主要是內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的差別，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)相同。MCS-51系列的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分以下幾個(gè)部分:1. 中央處理器中央處理器(CPU)是整個(gè)單片機(jī)的核心部件，主要由運(yùn)算器和控制器組成運(yùn)算器由8位算術(shù)邏輯運(yùn)算單元ALU（Arithmetic Logic Unit）、8位累加器ACC（Accumulator）、8位寄存器B、程序狀態(tài)字寄存器PSW（Program Status Word）、8位暫存寄存器TMP1和8位暫存寄存器TMP2等組成?？刂破髦饕沙绦蛴?jì)數(shù)器PC、指令寄存器IR、指令譯碼器、堆棧指針SP、數(shù)據(jù)指針DPTR

34、、時(shí)鐘發(fā)生器及定時(shí)控制邏輯等組成。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. 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（Random Access Memory）,簡(jiǎn)稱RAM。它不但能夠隨時(shí)讀取已存放在其各個(gè)存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)，而且還能夠隨時(shí)寫入新的信息。RAM是易失性存儲(chǔ)器，關(guān)閉電源甚至?xí)簳r(shí)的電源掉電都會(huì)使所存的信息全部消失。8031內(nèi)部256個(gè)字節(jié)被分為兩個(gè)區(qū)域：007FH是真正的RAM區(qū)，可以讀寫各種數(shù)據(jù)，而80HFFH是專門用作21個(gè)特殊功能寄存器（SFR）的區(qū)域。 3. 定時(shí)/計(jì)數(shù)器MCS-51有兩個(gè)16位的可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器，以實(shí)現(xiàn)定時(shí)或計(jì)數(shù)，

35、當(dāng)定時(shí)/計(jì)數(shù)器產(chǎn)生溢出時(shí)，可用中斷方式控制程序轉(zhuǎn)向。使用定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)定時(shí)或延時(shí)控制，則CPU不必通過等待來實(shí)現(xiàn)延時(shí)，就可以提高CPU的效率。定時(shí)器具有以下特點(diǎn)：1) 定時(shí)/計(jì)數(shù)器可以有多種定數(shù)方式，可以是計(jì)數(shù)方式也可以是定時(shí)方式等等。2) 計(jì)數(shù)器模值是可變的，當(dāng)然計(jì)數(shù)的最大值是有一定限制的，這取決于計(jì)數(shù)器的位數(shù)。計(jì)數(shù)的最大值也限定了計(jì)時(shí)的最大值。3) 可以按照規(guī)定的定時(shí)或計(jì)數(shù)值，當(dāng)定時(shí)的時(shí)間或者計(jì)數(shù)終止時(shí)，發(fā)出中斷申請(qǐng)，以實(shí)現(xiàn)規(guī)定的定時(shí)或計(jì)數(shù)控制。4. 并行輸入輸出(1/0)口MCS-51共有4個(gè)8位的并行1/0口(P0, P1, P2, P3)，用于對(duì)外部數(shù)據(jù)的傳輸。5. 全雙工串行口SBU

36、F并行通信一次可以傳送8位或者更多位的數(shù)據(jù)，傳送的速度也快，但是需要的傳輸線的數(shù)目也多。在長(zhǎng)距離通信時(shí)，傳輸線的成本急劇增加。這時(shí)就需要采用串行通信。8031內(nèi)置一個(gè)全雙工異步串行通信口，用于與其它設(shè)備間的串行數(shù)據(jù)傳送，該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當(dāng)同步移位器使用。6. 中斷系統(tǒng)MCS-51具備較完善的中斷功能，有五個(gè)中斷源(兩個(gè)外中斷、兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷和一個(gè)串行中斷)，可基本滿足不同的控制要求，并具有2級(jí)的優(yōu)先級(jí)別選擇。7. 時(shí)鐘電路MCS-51內(nèi)置最高頻率達(dá)12MHz的時(shí)鐘電路，用于產(chǎn)生整個(gè)單片機(jī)運(yùn)行的時(shí)序脈沖，但需外接晶體振蕩器和振蕩電容。3.1.2 ADC0809模塊圖

37、3-2 ADC0809引腳圖ADC0809引腳如圖3-2所示，它是CMOS工藝的比較型8位A/D轉(zhuǎn)換器，目前在8位微機(jī)系統(tǒng)中廣泛使用。它由8路模擬開關(guān)、地址鎖存、譯碼器、8位A/D轉(zhuǎn)換器以及三態(tài)輸出鎖存器構(gòu)成。0809可以處理8路模擬輸出信號(hào)。為了區(qū)分是對(duì)那一路輸入信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，有三個(gè)通道地址號(hào)ADDA，ADDB和ADDC來決定是那一路模擬信號(hào)被選中并送入A/D轉(zhuǎn)換器去轉(zhuǎn)換。輸出為8位數(shù)字量DB7-DB0。主要控制信號(hào)還有： START：?jiǎn)?dòng)信號(hào)。加上正脈沖之后，A/D轉(zhuǎn)換才開始。ALE：地址鎖存信號(hào)。高電平有效時(shí)把三個(gè)通道地址信號(hào)送入地址鎖存器，并經(jīng)譯碼器得到地址輸出，以選擇相應(yīng)的模擬

38、輸入通道。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，是芯片的輸出信號(hào)。轉(zhuǎn)換一開始，EOC信號(hào)變低，轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)EOC返回高電平。這個(gè)信號(hào)可以作為A/D轉(zhuǎn)換器的狀態(tài)信號(hào)來查詢，也可以直接用作中斷請(qǐng)求信號(hào)。CLOCK時(shí)鐘信號(hào)。最高允許值為640KHZ。和轉(zhuǎn)換速率有關(guān)，時(shí)鐘信號(hào)頻率越高，轉(zhuǎn)換速率越快，一般取500KHZ。VREF（+）和VREF（-）都是A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓。VCC電源電壓。由于是CMOS芯片，允許的電壓范圍較寬，可以從+5+15V。8位模擬開關(guān)的地址輸入和輸入通道的關(guān)系見表3-1。模擬開關(guān)的作用和8選1的數(shù)據(jù)選擇器的作用相似，但是輸入和輸出都不是數(shù)字量而是模擬量。當(dāng)通道被選中時(shí)，模擬開關(guān)的輸出應(yīng)該和該

39、通道的模擬輸入盡量一致，以避免模擬失真。表3-1 8位模擬開關(guān)和輸入通道關(guān)系 ADDC ADDB ADDA輸入通道 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN7ADC0809芯片的轉(zhuǎn)換速率在最高時(shí)鐘頻率下為100s左右，在目前的工藝水平下不算很高。正因?yàn)樗俣鹊?，在和CPU接口時(shí)要求采用查詢方式或者中斷方式。ADC0809在ALE=1期間，模擬開關(guān)的地址（ADDA,ADDB,ADDC）存入地址鎖存器，在ALE=0時(shí)，地址鎖存，輸入啟動(dòng)信號(hào)START的上升沿復(fù)位ADC0809，它的下降

40、沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，EOC為輸出的轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，正在轉(zhuǎn)換時(shí)為0，轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)為1，OE是另一個(gè)輸入控制信號(hào)，在轉(zhuǎn)換開始結(jié)束后開始有效，用來打開輸出三態(tài)門以便從0809輸出這次轉(zhuǎn)換的結(jié)果。3.1.3 8155并行I/O口擴(kuò)展模塊圖3-3 8155引腳圖。8155有三個(gè)I/O端口（A口、B口、C口為6位），還帶有一個(gè)2 K（256×8）位的靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器和一個(gè)14位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。因此，它可以彌補(bǔ)市場(chǎng)上缺少的256B靜態(tài)RAM，從而可滿足MCS-51系統(tǒng)外擴(kuò)256字節(jié)RAM的需要。當(dāng)然，同時(shí)還可以外擴(kuò)I/O口和定時(shí)計(jì)數(shù)器，具有一塊芯片多種功能的特點(diǎn)。另外，8155和MCS-5l單片機(jī)的連接十分

41、簡(jiǎn)單，甚至不需要一般MCS-51擴(kuò)展連接中所需的8D鎖存器。一、 8155的引腳： 8155引腳圖如圖3-3所示，它是40引腳的接口芯片，采用單一的+5V電源。它的內(nèi)部帶有地址鎖存器，因此，可以和P0口直接連接。它的內(nèi)部有三個(gè)雙向I/0通道A，B和C，還有一個(gè)256×8位靜態(tài)RAM，因此，必須有控制信號(hào)來決定是I/O操作還是RAM操作。8155的引腳安排及功能應(yīng)反映以上特點(diǎn)。IO/：I/0口及存貯器選擇信號(hào)。若IO/=0，則選擇存貯器；否則，若IO/1，就選擇I/0口。ALE：地址鎖存信號(hào)。使用時(shí)，只須將ALE引腳和MCS-51芯片的ALE信號(hào)直接相連，就能取得所需的控制信號(hào)。AD0

42、AD7：三態(tài)地址/數(shù)據(jù)線。CPU通過這8條線向8155傳送低8位地址和8位數(shù)據(jù)信號(hào)。它的分時(shí)復(fù)用功能和MCS-51芯片的P0口功能完全一致。因此，只需把這兩者直接相連就可以了。送人的8位地址由IO/輸入信號(hào)來確定是存貯器地址還是IO/地址。：片選信號(hào)。低電平有效。：讀信號(hào)。低電平有效。：寫信號(hào)。也是低電平有效。TIN：定時(shí)器輸入。定時(shí)器工作所需的時(shí)鐘信號(hào)由此端輸入。TOUT：定時(shí)器輸出。根據(jù)定時(shí)器的工作方式，它可以輸出方波或脈沖。RESET：復(fù)位信號(hào)。高電平有效時(shí)，控制寄存器被清除，各端口被置成輸入方式。二、 8155 I/0口的工作方式 8155的A口和B口都可以工作在輸入方式或輸出方式。但

43、A口和B口是工作在一般方式(無條件傳送)還是在選通方式(如中斷傳送)卻不是由A口和B口的方式確定，而是由C口的方式確定。8155的C口可以設(shè)置成四種工作方式中的一種，即可以設(shè)為輸入方式、輸出方式、A口的控制端口(只用C口三條線，還有三條線為輸出方式)以及作為A口和B口的控制端口。表3-2 給出了C口在不同工作方式下C口各位的功能。當(dāng)C口工作于ALT3或者ALT4方式時(shí)，可以為A口及B口提供對(duì)外的聯(lián)絡(luò)信號(hào)。8155的聯(lián)絡(luò)信號(hào)只有A，B各組。在輸入和輸出操作時(shí)，聯(lián)絡(luò)信號(hào)的意義和作用有所不同。 表3-2 8155 C口工作方式和控制信號(hào)分布ALT1 ALT2 ALT3 ALT4 PC0輸入方式輸出方

44、式AINTR（A口中斷）AINTR（A口中斷） PC1ABF(A口緩沖器滿)ABF(A口緩沖器滿) PC2（A口選通）（A口選通） PC3輸出方式BINTR（B口中斷） PC4BBF(B口緩沖器滿) PC5（B口選通）在輸入操作時(shí)，是外設(shè)送來的選通信號(hào)，當(dāng)有效后(低電平)，把輸人數(shù)據(jù)裝入8155，然后BF信號(hào)變高，以反映8155的緩沖器已裝滿。在信號(hào)恢復(fù)為高電平時(shí)，INTR信號(hào)變高，向CPU申請(qǐng)中斷。當(dāng)CPU開始讀取輸人數(shù)據(jù)時(shí)(信號(hào)下降沿)，INTR信號(hào)恢復(fù)低電平。讀取數(shù)據(jù)完畢后(信號(hào)上升沿)，使BF信號(hào)恢復(fù)低電平，一次數(shù)據(jù)輸入結(jié)束。 在輸出操作時(shí)，是外設(shè)的應(yīng)答信號(hào)。當(dāng)外設(shè)接收并處理完數(shù)據(jù)后，

45、發(fā)出負(fù)脈沖，在變高之后使INTR有效，開始申請(qǐng)中斷，即要求CPU發(fā)出下一個(gè)數(shù)據(jù)。CPU在中斷服務(wù)程序中把數(shù)據(jù)寫到8155，并使BF變高，以通知外設(shè)可以開始接收和處理數(shù)據(jù)，外設(shè)處理完數(shù)據(jù)后再以信號(hào)來應(yīng)答。A口和B口是否工作在中斷方式，除了由C口的方式?jīng)Q定是否提供聯(lián)絡(luò)信號(hào)之外，還要在初始化中規(guī)定是否允許A口或B口中斷。三、 8155的I/O口控制在8155中，除了端口A，B和C之外，需要進(jìn)行操作的端口還有命令/狀態(tài)寄存器，定時(shí)器低8位以及定時(shí)器高8位，共六個(gè)端口，因此要用3位地址來加以區(qū)分。8155沒有專門用來區(qū)分內(nèi)部端口的地址輸入線。8155直接使用地址/數(shù)據(jù)輸入線AD0AD7中的低3位，區(qū)分內(nèi)

46、部端口的地址。其地址分配如表3-4所示：表3-4 8155端口地址分配表 AD7 AD6 AD5 AD4 AD3 AD2 AD1 AD0選擇端口 × × × × × 0 0 0命令/狀態(tài)寄存器 × × × × × 0 0 1端口A× × × × × 0 1 0端口B× × × × × 0 1 1端口C× × × × × 1 0 0定時(shí)器低8位 &#

47、215; × × × × 1 0 1定時(shí)器高8位若是對(duì)8155的存貯器進(jìn)行讀寫操作，則不必作初始化工作，只需使IO/1即可。若對(duì)端口或定時(shí)器操作，就要向命令/狀態(tài)寄存器寫入一個(gè)8位的工作方式控制字，當(dāng)然，必須在寫入之前先使IO/1。8155的工作方式控制字格式如圖3-4所示。這里的8位控制位全部用于I/O口和定時(shí)器的方式控制，沒有特征位。這是因?yàn)?155只需向命令狀態(tài)寄存器寫一個(gè)控制命令，沒有第二個(gè)控制字，也就沒有設(shè)立特征位的必要。D7D6D5D4D3D2D1D0A口方式0=輸入B口方式1=輸出C口方式00=ALT1 01=ALT210=ALT3 11=ALT4A口中斷0=中斷禁止B口中斷1=中斷允許定時(shí)器方式00=無操作01=停止計(jì)數(shù)10=計(jì)滿后停止11=開始計(jì)數(shù)圖3-4 8155工作方式控制格式工作方式控制字可以設(shè)置三個(gè)方面的內(nèi)容：A