机械设计制造及其自动化专业毕业论文-水箱自动控制系统设计.doc

西 南 交 通 大 学 本科毕业设计（论文） 水箱自动控制系统设计 年 级：2004 级. 学 号：20040985 姓 名：刘凯 专 业：机械设计制造及其自动化 指导老师：肖世德 2008 年 06 月 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 I 页 院 系 机械工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 年 级 2004 级 姓 名 刘凯 题 目 水箱自动控制系统设计 指导教师 评 语 指导教师 (签章) 评 阅 人 评 语 评 阅 人 (签章) 成 绩 答辩委员会主任 (签章) 年 月 日 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 II 页 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 班 级 机械 8 班 学生姓名 刘凯 学 号 20040985 发题日期：2008 年 3 月 5 日 完成日期：2008 年 6 月 10 日 题 目 水箱自动控制系统设计 1、本论文的目的、意义温度液位压力流量是工业自动化常见控制参量，实现其 监测与控制是基础性工作，也是机械电子工程专业学生必须掌握的基础内容。 本课题要求学生综合利用所学知识，培养动手能力，在前人工作基础上，改进 完善，实现多通道模拟水箱温度液位压力流量信号采集和处理显示，实现上下 限报警和电磁继电器和开关通断控制。该课题对于机电测控实验中心完善实验 建设具备价值。 2、学生应完成的任务 （1）查阅收集资料、熟悉设计原始资料、完成相关不少于 10000 个字符的外文 资料翻译。 （2）完成毕业实习调研以及实习报告的撰写 。 （3）现有温度压力液位流量监测与控制系统调研和资料搜集。 （4）多路参量监测与控制系统方案设计。 （5）接口电路板制作和加工 。 （6）实验程序设计与调试。 （7）完整程序和实物一套。 （8）整理完成不少于 24000 字的毕业论文。 3、论文各部分内容及时间分配：（共 14 周） 第一部分 调研准备和资料搜集 （2 周） 第二部分 方案设计和元器件采购 （2 周） 第三部分 硬件制作 （3 周） 第四部分 软件调试 （4 周） 第五部分 系统集成，撰写毕业论文 （2 周） 评阅及答辩 评阅答辩 （1 周） 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 III 页 备 注 指导教师： 年 月 日 审 批 人： 年 月 日 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 IV 页 摘要摘要 工业中很多控制问题都可以归结于水箱控制问题，研究水箱控制系统具有 很好的科研和实用价值。温度、液位、压力、流量是水箱控制中最常用的控制 量，可以应用于很多控制方案中。比如：在水塔供水系统、高位水箱供水系统、 汽车水箱供水系统、液压泵供油系统等系统中都有广泛的应用。 本文以 80C51 单片机系统为核心，开发设计了一套水箱温度、液位、压力、 流量的自动控制系统。该系统可以实现设定参数的键盘输入；温度、液位、压 力、流量的自动控制；日历时间的显示；自动声光报警。整个系统搭建方便， 价格便宜，具有一定的实用价值。控制系统设计流程为：报警参数键盘输入 和显示；模拟量信号采集；A/D 转换和数字滤波；对 A/D 转换数据进行 LCD 显示；温度、液位、压力、流量的控制；时间和日历显示。相关功能 采用具有实时性的汇编语言实现。 本论文详细论述了怎样实现水箱温度、液位、压力、流量的自动控制，第 一章简要的介绍了水箱温度、液位、压力、流量自动控制系统的应用，以及单 片机控制系统概述。第二章介绍了控制系统的总体功能设计分析以及方案设计。 第三章介绍了系统的主要硬件配置和传感器选择。第四章详细的介绍了系统的 软件设计。第五章介绍了系统的调试以及运行结果。最后则对本次设计进行了 全面的回顾以及对水箱温度、液位、压力、流量自动控制系统的不足提出改进 方案。 关键字关键字： 水箱 80C51 自动控制 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 V 页 Abstract In industrial area, many control problems can be attributed to water tank control model, so the research of water tank control system has scientific and practical 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 supply 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, pressure, 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 conversion 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 control 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 design 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 and 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 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 VI 页 目目 录录 第第 1 章章 绪论绪论1 1.1 水箱温度液位压力流量控制系统综述 1 1.2 单片机控制系统综述2 1.2.1 单片机的简要发展历史.2 1.2.2 当前世界范围内单片机的发展领域.3 1.2.3 单片机的发展趋势.3 1.2.4 单片机的应用.4 第第 2 章章 系统总体设计系统总体设计6 2.1 总体功能设计分析 6 2.2 系统硬件模块7 2.3 系统软件模块8 第三章第三章 系统主要硬件配置系统主要硬件配置9 3.1 控制系统主要硬件介绍9 3.1.1 单片机控制模块9 3.1.2 ADC0809 模块 11 3.1.3 8155 并行 I/O 口扩展模块12 3.1.4 DS12887 时钟模块16 3.1.5 12232A 液晶模块20 3.2 传感器的选择24 3.2.1 温度传感器选择26 3.2.2 液位传感器选择.27 3.2.3 压力传感器选择.29 3.2.4 流量传感器选择.30 第四章第四章 控制系统软件设计控制系统软件设计33 4.1 整体软件设计33 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 VII 页 4.2 报警参数输入部分34 4.3 A/D 转换和数字滤波.40 4.3.1 模拟量数据采集.40 4.3.2 数字滤波处理.41 4.3.3 模拟信号的输出变换.41 4.3.4 A/D 转换和数字滤波43 4.4 LCD 液晶显示47 4.5 控制部分设计 52 4.5.1 温度控制部分设计.52 4.5.2 液位控制部分设计.54 4.5.3 压力控制部分设计.57 4.5.4 流量控制部分设计.57 4.6 时钟日历显示58 第五章第五章 系统调试系统调试62 结论结论67 致谢致谢68 参考文献参考文献69 附录附录 1 毕业实习报告毕业实习报告.70 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 1 页 第 1 章 绪论 1.1 水箱温度液位压力流量控制系统综述 水箱控制是工业控制中广泛应用的控制方案，工业中很多控制问题都可以 归结于水箱控制问题，因此研究水箱控制系统具有很好的科研和实用价值。温 度、液位、压力、流量是水箱控制中最常用的控制量，可以应用于很多控制方 案中。比如：在水塔供水系统、高位水箱供水系统、汽车水箱供水系统、液压 泵供油系统等系统中都有广泛的应用。 随着控制技术的发展，越来越多的自动控制技术被应用到工业中。其中基 于单片机的控制技术就是一种应用非常广泛的自动控制技术。由于单片机技术 已经发展的相当成熟，其价格及相应的配套硬件的价格都相当便宜。故可以用 单片机搭建一个结构简单，稳定性好，价格便宜的智能控制系统。这种控制系 统被广泛的应用于飞机上各种仪表的控制, 计算机的网络通讯与数据传输, 工业 自动化过程的实时控制和数据处理, 普遍使用的各种智能卡, 民用豪华轿车的安 全保障系统, 录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制, 以及程控玩具、电子宠物 机器人、智能仪表、医疗器械等等。各种传统的产品一旦用上了单片机, 就能 起到使产品升级换代的功效。 基于单片机的工业水箱温度、液位、压力、流量控制系统在各种应用有一 定的实用价值，比如：在农村已有很多家庭都搭建了自来水供水系统，一般都 是在自家楼顶安装一个水箱或者水塔并在楼下用抽水机把水抽到水箱中然后使 用。但是这样做并不方便，一是抽水的时候人必须在旁边守着，二是不知道水 抽满了没有，还得担心水溢出来，三是不知道水何时会用完。因此，搭建一个 小型的水位自动控制系统会省去很多麻烦，这个在工业应用中尤为重要。另外， 在一些恶劣的情况并不适合人去作业，比如在炼钢中钢水的温度控制。因此恒 温自动控制就很有必要。 而我本次所作的毕业设计就是以工业上通常使用的水箱供水系统为控制对 象，来搭建水箱的温度、液位、压力、流量自动控制系统。本系统具有通用性， 可以很方便的转移到其他的控制系统中。因此也具有一定的科研教学价值。 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 2 页 1.2 单片机控制系统综述 单片机也被称为微控制器（Microcontroller） ，最早被用在工业控制领域。 单片机由芯片内仅有 CPU 的专用处理器发展而来。它具有一个完整计算机所需 要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外 存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。现在已被广泛的 应用于各个控制领域。 1.2.1 单片机的简要发展历史 同微处理器一样，单片机自诞生以来发展一直很快。1975 年美国德州仪器 （TI）公司推出 TMS-1000，Intel 公司推出 4004 4 位单片机。1976 Intel 推出的 MCS-488 位单片机的推出是单片机发展时代的真正到来。将 8 位单片机的推出 作为起点，那么单片机的发展历史大致可分为以下几个阶段： 第一阶段（1976-1978）：单片机的探索阶段。以 Intel 公司的 MCS-48 为代 表。MCS-48 的推出是在工控领域的探索，参与这一探索的公司还有 Motorola 、Zilog 等，都取得了满意的效果。这就是 SCM 的诞生年代， “单机片” 一词即由此而来。 第二阶段（1978-1982）单片机的完善阶段。Intel 公司在 MCS-48 基础上推 出了完善的、典型的单片机系列 MCS-51。它在以下几个方面奠定了典型的通 用总线型单片机体系结构。 1） 完善的外部总线。MCS-51 设置了经典的 8 位单片机的总线结构，包括 8 位数据总线、16 位地址总线、控制总线及具有多机通信功能的串行 通信接口。 2） CPU 外围功能单元的集中管理模式。 3） 体现工控特性的位地址空间及位操作方式。 4） 指令系统趋于丰富和完善，并且增加了许多突出控制功能的指令。 第三阶段（1982-1990）：8 位单片机的巩固发展及 16 位单片机的推出阶段， 也是单片机向微控制器发展的阶段。Intel 公司推出的 MCS-96 系列单片机，将 一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中， 体现了单片机的微控制器特征。随着 MCS-51 系列的广应用，许多电气厂商竞 相使用 80C51 为内核，将许多测控系统中使用的电路技术、接口技术、多通道 A/D 转换部件、可靠性技术等 应用到单片机中，增强了外围电路功能，强化了 智能控制的特征。 第四阶段（1990-）：微控制器的全面发展阶段。随着单片机在各个领域全 面深入地发展和应用，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的 8 位/16 位/32 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 3 页 位通用型单片机，以及小型廉价的专用型单片机。 1.2.2 当前世界范围内单片机的发展领域 目前世界范围内单片机发展的主要领域有 4 个：一是欧美，最新开发产品 及主要厂商有：National semiconductor 的 cop8 系列单片机，美国的 Scenix 的八 位单片机，荷兰 PHILIPS 的 51 系列单片机，美国 AMD 公司 186 系列 16 位嵌 入式微机控制器，MOTOROLA 的各个系列单片机；二是日本，TOSHIBA 公司 开发了从 4 位到 64 位多系列单片机，日立公司也有从 4 位到 32 位多系列单片 机，NEC 公司的 75X、78X 系列微机；三是台湾地区，主要有 WINBOND 的 W741/W516、W78/W77 等系列产品微控制器；四是韩国，主要有 HYUNDAI microelectronics 的 GMS800、GMS30 系列微控制器。另外还有 LG 公司也生产 单片机，单片机发展到今天可以说种类繁多性能各异。 1.2.3 单片机的发展趋势 目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展的趋势将是进一步向着 CMOS 化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几 个方面发展。下面是单片机的主要发展趋势。 CMOS 化：近年，由于 CHMOS 技术的进小，大大地促进了单片机的 CMOS 化。CMOS 芯片除了低功耗特性之外，还具有功耗的可控性，使单片机 可以工作在功耗精细管理状态。 低功耗化：单片机的功耗已到 mA 级，甚至 1A 以下；使用电压在 36V 之间，完全适应电池工作。低功耗化的效应不仅是功耗低，而且带来了产品的 高可靠性、高抗干扰能力以及产品的便携化。 低电压化：几乎所有的单片机都有 WAIT、STOP 等省电运行方式。允许使 用的电压范围越来越宽，一般在 36V 范围内工作。低电压供电的单片机电源 下限已可达 12V。目前 0.8V 供电的单片机已经问世。 低噪声与高可靠性：为提高单片机的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣 的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片厂家在单片机内部 电路中都采用了新的技术措施。 大容量化：以往单片机内的 ROM 为 1KB4KB，RAM 为 64128B。但 在需要复杂控制的场合，该存储容量是不够的，必须进行外接扩充。为了适应 这种领域的要求，须运用新的工艺，使片内存储器大容量化。目前，单片机内 ROM 最大可达 64KB，RAM 最大为 2KB。 高性能化：主要是指进一步改进 CPU 的性能，加快指令运算的速度和提高 系统控制的可靠性。采用精简指令集（RISC）结构和流水线技术，可以大幅度 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 4 页 提高运行速度。现指令速度最高者已达 100MIPS（Million Instruction Per Seconds，即兆指令每秒） ，并加强了位处理功 能、中断和定时控制功能。 小容量、低价格化：与上述相反，以 4 位、8 位机为中心的小容量、低价 格化也是发展动向之一。这类单片机的用途是把以往用数字逻辑集成电路组成 的控制电路单片化，可广泛用于家电产品。 外围电路内装化：这也是单片机发展的主要方向。随着集成度的不断提高， 有可能把众多的各种外围功能器件集成在片内。除了一般必须具有的 CPU、ROM、RAM、定时器/计数器等以外，片内集成的部件还有模/数转换器、 DMA 控制器、声音发生器、监视定时器、液晶显示驱动器等等。 串行扩展技术：在很长一段时间里，通用型单片机通过三总线结构扩展外 围器件成为单片机应用的主流结构。随着低价位 OTP（One Time Programmable）及各种类型片内程序存储器的发展，加之处围 接口不断进入片内，推动了单片机“单片”应用结构的发展。特别是 I C、SPI 等 串行总线的引入，可以使单片机的引脚设计得更少，单片机系统结构更加简化 及规范化。 1.2.4 单片机的应用 由于单片机具有显著的优点，它已成为科技领域的有力工具，人类生活的 得力助手。它的应用遍及各个领域，主要表现在以下几个方面： 1.单片机在智能仪表中的应用 单片机广泛地用于各种仪器仪表，使仪器仪表智能化，并可以提高测量的 自动化程度和精度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比。 2.单片机在机电一体化中的应用 机电一体化产品是指集成机械技术、微电子技术、计算机技术于一体，具 有智能化特征的机电产品，例如微机控制的车床、钻床等。单片机作为产品中 的控制器，能充分发挥它的体积小、可靠性高、功能强等优点，可大大提高机 器的自动化、智能化程度。 3.单片机在实时控制中的应用 单片机广泛地用于各种实时控制系统中。例如，在工业测控、航空航天、 尖端武器、机器人等各种实时控制系统中，都可以用单片机作为控制器。单片 机的实时数据处理能力和控制功能，可使系统保持在最佳工作状态，提高系统 的工作效率和产品质量。 4.单片机在分布式多机系统中的应用 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 5 页 在比较复杂的系统中，常采用分布式多机系统。多机系统一般由若干台功 能各异的单片机组成，各自完成特定的任务，它们通过串行通信相互联系、协 调工作。单片机在这种系统中往往作为一个终端机，安装在系统的某些节点上， 对现场信息进行实时的测量和控制。单片机的高可靠性和强抗干扰能力，使它 可以置于恶劣环境的前端工作。 5.单片机在人类生活中的应用 自从单片机诞生以后，它就步入了人类生活，如洗衣机、电冰箱、电子玩 具、收录机等家用电器配上单片机后，提高了智能化程度，增加了功能，倍受 人们喜爱。单片机将使人类生活更加方便、舒适、丰富多彩。 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 6 页 第 2 章 系统总体设计 2.1 总体功能设计分析 本次毕业设计是以工业水箱作为模型（其系统结构如图 2-1） ，基于单片机 系统对其温度，液位，压力，流量进行控制。本控制系统亦可以用于液压供油 系统等其他常用的需进行温度，液位，压力，流量等量进行控制的系统。考虑 到工业水箱的通用功能和实际设计需要，本系统应该具有如下功能： 1） 是一个独立的控制模块，应该具有抗外界干扰能力，并且安装方便。 2） 能够进行恒温控制，使温度始终处于一定的范围内。当温度高了的时 候控制继电器停止加热，当温度低了的时候打开继电器加热。并进行 声音和 LED 灯报警。 3） 能够进行恒压控制，使水箱压力输出恒定。当压力低于或者高于设定 的范围时，能够自动启动相应的控制设备，并进行声音和 LED 灯报警。 4） 能够进行流量恒定控制，使输出流量恒定。当流量低于或高于设定的 流量值时，启动继电器控制阀门开口大小，并进行声音和 LED 灯报警。 5） 能够进行液位的控制。使水箱水位不至于太高或者太低，当高出或者 低于设定范围时，开启继电器控制阀门关闭或者开启。 6） 本系统要求具有模拟量采集，A/D 转换，参数输入，LCD 显示，时钟 日历显示，自动报警等功能。 齿轮泵 流量监测 液位监测 压力监测 温度监测 溢出 缺水 加热丝 控制水箱 图 2-1 水箱控制系统结构 图 储水箱 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 7 页 2.2 系统硬件模块 根据系统总体功能设计分析，本系统的硬件模块主要有单片机及其控制模块和 传感器模块，系统硬件结构如图 2-1。各个模块及功能如下： 1)单片机控制模块，是系统的核心，主要用于系统运算和控制。 2)ADC0809 模块，主要用于模拟信号转换，输出为数字信号。 3)8155 I/O 扩展模块，由于系统 I/O 资源有限，必须进行 I/O 口扩展。 4)DS12887 时钟模块，主要用于为系统提供时间数据，也可以用于时间 日历显示。 5)LCM12232A 液晶模块，主要用于文字和数据显示。 6)温度传感器模块，主要用于温度信号的采集及其电信号输出。 7)液位传感器模块，主要用于液位信号的采集及其电信号输出。 8)压力传感器模块，主要用于压力信号的采集及其电信号输出。 9)流量传感器模块，主要用于液位信号的采集及其电信号输出。 CPU INTEL P8031 ADC0 809 模块 传感器 4 传感器 1 LCD 12232A 模块 8155 模块 键盘 接口 DS12887 时钟模块 系统 控制 模块 图 2-2 系统硬件结构图 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 8 页 2.3 系统软件模块 根据系统总体功能设计分析，本系统软件设计模块组成如下： 1)参数输入模块，交互式输入系统的报警上限和报警下限，以提供系统 报警的数据。 2)A/D 采样及信号转换模块，将从传感器采集到的模拟信号进行转换并 且输出数字信号。 3)LCD 显示模块，进行参数的交互式输入，并且显示各个通道的值、转 换数据值和时钟日历信息。 4)控制模块，对温度、液位、压力、流量进行恒定控制，并且在超出报 警 上限或下限是提供声光报警。 5)时钟日历显示模块，为系统提供精确的年月日、时分秒等时钟信息。 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 9 页 第三章 系统主要硬件配置 3.1 控制系统主要硬件介绍 由系统总体设计可知，控制系统主要用到的硬件模块有：单片机控制模块， ADC0809 模块，8155 I/O 扩展模块，DS12887 时钟模块，LCM12232A 液晶模 块。 本节将简要的介绍一下这些模块的功能特性。 3.1.1 单片机控制模块 单片机控制模块采用 MCS-51 单片机，芯片为 8031，其引脚如图 3-1 所示。 图 3-1 MCS-51 引脚图 8031 是 MCS-51 系列单片机的产品，产品型号的不同主要是内部程序存储 器的差别，其内部结构相同。MCS-51 系列的内部结构分以下几个部分: 1.中央处理器 中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，主要由运算器和控制器组成 运算器由 8 位算术逻辑运算单元 ALU（Arithmetic Logic Unit） 、8 位累加器 ACC（Accumulator） 、8 位寄存器 B、程序状态字寄存器 PSW（Program Status Word） 、8 位暂存寄存器 TMP1 和 8 位暂存寄存器 TMP2 等组成。 控制器主要由程序计数器 PC、指令寄存器 IR、指令译码器、堆栈指针 SP、数据指针 DPTR、时钟发生器及定时控制逻辑等组成。 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 10 页 CPU 负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输 入输出功能等操作。 2.数据存储器(RAM) 随机存取存储器（Random Access Memory）,简称 RAM。它不但能够随时 读取已存放在其各个存储单元中的数据，而且还能够随时写入新的信息。RAM 是易失性存储器，关闭电源甚至暂时的电源掉电都会使所存的信息全部消失。 8031 内部 256 个字节被分为两个区域：007FH 是真正的 RAM 区，可以读写各 种数据，而 80HFFH 是专门用作 21 个特殊功能寄存器（SFR）的区域。 3.定时/计数器 MCS-51 有两个 16 位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数，当定时/ 计数器产生溢出时，可用中断方式控制程序转向。使用定时器来实现定时或延 时控制，则 CPU 不必通过等待来实现延时，就可以提高 CPU 的效率。定时器 具有以下特点： 1)定时/计数器可以有多种定数方式，可以是计数方式也可以是定时方式 等等。 2)计数器模值是可变的，当然计数的最大值是有一定限制的，这取决于 计数器的位数。计数的最大值也限定了计时的最大值。 3)可以按照规定的定时或计数值，当定时的时间或者计数终止时，发出 中断申请，以实现规定的定时或计数控制。 4.并行输入输出(1/0)口 MCS-51 共有 4 个 8 位的并行 1/0 口(P0, P1, P2, P3)，用于对外部数据的传 输。 5.全双工串行口 SBUF 并行通信一次可以传送 8 位或者更多位的数据，传送的速度也快，但是需 要的传输线的数目也多。在长距离通信时，传输线的成本急剧增加。这时就需 要采用串行通信。8031 内置一个全双工异步串行通信口，用于与其它设备间的 串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使 用。 6.中断系统 MCS-51 具备较完善的中断功能，有五个中断源(两个外中断、两个定时/计 数器中断和一个串行中断)，可基本满足不同的控制要求，并具有 2 级的优先级 别选择。 7.时钟电路 MCS-51 内置最高频率达 12MHz 的时钟电路，用于产生整个单片机运行的 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 11 页 时序脉冲，但需外接晶体振荡器和振荡电容。 3.1.2 ADC0809 模块 图 3-2 ADC0809 引脚图 ADC0809 引脚如图 3-2 所示，它是 CMOS 工艺的比较型 8 位 A/D 转换器， 目前在 8 位微机系统中广泛使用。它由 8 路模拟开关、地址锁存、译码器、8 位 A/D 转换器以及三态输出锁存器构成。0809 可以处理 8 路模拟输出信号。为 了区分是对那一路输入信号进行 A/D 转换，有三个通道地址号 ADDA，ADDB 和 ADDC 来决定是那一路模拟信号被选中并送入 A/D 转换器去转换。输出为 8 位数字量 DB7-DB0。主要控制信号还有： START：启动信号。加上正脉冲之后，A/D 转换才开始。 ALE：地址锁存信号。高电平有效时把三个通道地址信号送入地址锁存器， 并经译码器得到地址输出，以选择相应的模拟输入通道。 EOC：转换结束信号，是芯片的输出信号。转换一开始，EOC 信号变低， 转换结束时 EOC 返回高电平。这个信号可以作为 A/D 转换器的状态信号来查 询，也可以直接用作中断请求信号。 CLOCK 时钟信号。最高允许值为 640KHZ。和转换速率有关，时钟信号频 率越高，转换速率越快，一般取 500KHZ。 VREF（+）和VREF（-）都是A/D 转换器的参考电压。 VCC电源电压。由于是 CMOS 芯片，允许的电压范围较宽，可以从 +5+15V。 8 位模拟开关的地址输入和输入通道的关系见表 3-1。模拟开关的作用和 8 选 1 的数据选择器的作用相似，但是输入和输出都不是数字量而是模拟量。当 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 12 页 通道被选中时，模拟开关的输出应该和该通道的模拟输入尽量一致，以避免模 拟失真。 表 3-1 8 位模拟开关和输入通道关系 ADDC ADDB ADDA输入通道 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 IN7 ADC0809 芯片的转换速率在最高时钟频率下为 100s 左右，在目前的工艺 水平下不算很高。正因为速度低，在和 CPU 接口时要求采用查询方式或者中断 方式。 ADC0809 在 ALE=1 期间，模拟开关的地址（ADDA,ADDB,ADDC）存入 地址锁存器，在 ALE=0 时，地址锁存，输入启动信号 START 的上升沿复位 ADC0809，它的下降沿启动 A/D 转换，EOC 为输出的转换结束信号，正在转换 时为 0，转换结束时为 1，OE 是另一个输入控制信号，在转换开始结束后开始 有效，用来打开输出三态门以便从 0809 输出这次转换的结果。 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 13 页 3.1.3 8155 并行 I/O 口扩展模块 图 3-3 8155 引脚图 。8155 有三个 I/O 端口（A 口、B 口、C 口为 6 位） ，还带有一个 2 K（2568）位的静态随机存储器和一个 14 位定时/计数器。因此，它可以弥补 市场上缺少的 256B 静态 RAM，从而可满足 MCS-51 系统外扩 256 字节 RAM 的需要。当然，同时还可以外扩 I/O 口和定时计数器，具有一块芯片多种功 能的特点。另外，8155 和 MCS-5l 单片机的连接十分简单，甚至不需要一般 MCS-51 扩展连接中所需的 8D 锁存器。 一、8155 的引脚： 8155 引脚图如图 3-3 所示，它是 40 引脚的接口芯片，采用单一的+5V 电源。 它的内部带有地址锁存器，因此，可以和 P0 口直接连接。它的内部有三个双向 I/0 通道 A，B 和 C，还有一个 2568 位静态 RAM，因此，必须有控制信号来 决定是 I/O 操作还是 RAM 操作。8155 的引脚安排及功能应反映以上特点。 IO/：I/0 口及存贮器选择信号。若 IO/=0，则选择存贮器；否则，若 IO/MM 1，就选择 I/0 口。M ALE：地址锁存信号。使用时，只须将 ALE 引脚和 MCS-51 芯片的 ALE 信号 直接相连，就能取得所需的控制信号。 AD0AD7：三态地址/数据线。CPU 通过这 8 条线向 8155 传送低 8 位地址和 8 位数据信号。它的分时复用功能和 MCS-51 芯片的 P0 口功能完全一致。因此， 只需把这两者直接相连就可以了。送人的 8 位地址由 IO/输入信号来确定是M 存贮器地址还是 IO/地址。M ：片选信号。低电平有效。CE 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 14 页 ：读信号。低电平有效。RD ：写信号。也是低电平有效。WR TIN：定时器输入。定时器工作所需的时钟信号由此端输入。 TOUT：定时器输出。根据定时器的工作方式，它可以输出方波或脉冲。 RESET：复位信号。高电平有效时，控制寄存器被清除，各端口被置成输入方 式。 二、8155 I/0 口的工作方式 8155 的 A 口和 B 口都可以工作在输入方式或输出方式。但 A 口和 B 口是 工作在一般方式(无条件传送)还是在选通方式(如中断传送)却不是由 A 口和 B 口的方式确定，而是由 C 口的方式确定。 8155 的 C 口可以设置成四种工作方式中的一种，即可以设为输入方式、输 出方式、A 口的控制端口(只用 C 口三条线，还有三条线为输出方式)以及作为 A 口和 B 口的控制端口。 表 3-2 给出了 C 口在不同工作方式下 C 口各位的功能。当 C 口工作于 ALT3 或者 ALT4 方式时，可以为 A 口及 B 口提供对外的联络信号。8155 的联 络信号只有 A，B 各组。在输入和输出操作时，联络信号的意义和作用有所 不同。 表 3-2 8155 C 口工作方式和控制信号分布 ALT1 ALT2 ALT3 ALT4 PC0AINTR（A 口中断） AINTR（A 口中断） PC1ABF(A 口缓冲器满)ABF(A 口缓冲器满) PC2 （A 口选通）ASTB（A 口选通）ASTB PC3BINTR（B 口中断） PC4BBF(B 口缓冲器满) PC5 输入方式输出方式 输出方式 （B 口选通）BSTB 在输入操作时，是外设送来的选通信号，当有效后(低电平)，把STBSTB 输人数据装入 8155，然后 BF 信号变高，以反映 8155 的缓冲器已装满。在 信号恢复为高电平时，INTR 信号变高，向 CPU 申请中断。当 CPU 开始读STB 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 15 页 取输人数据时(信号下降沿)，INTR 信号恢复低电平。读取数据完毕后RD (信号上升沿)，使 BF 信号恢复低电平，一次数据输入结束。RD 在输出操作时，是外设的应答信号。当外设接收并处理完数据后，发STB 出负脉冲，在变高之后使 INTR 有效，开始申请中断，即要求 CPU 发STBSTB 出下一个数据。CPU 在中断服务程序中把数据写到 8155，并使 BF 变高，以通 知外设可以开始接收和处理数据，外设处理完数据后再以信号来应答。STB A 口和 B 口是否工作在中断方式，除了由 C 口的方式决定是否提供联络信 号之外，还要在初始化中规定是否允许 A 口或 B 口中断。 三、8155 的 I/O 口控制 在 8155 中，除了端口 A，B 和 C 之外，需要进行操作的端口还有命令/状 态寄存器，定时器低 8 位以及定时器高 8 位，共六个端口，因此要用 3 位地址 来加以区分。8155 没有专门用来区分内部端口的地址输入线。8155 直接使用地 址/数据输入线 AD0AD7 中的低 3 位，区分内部端口的地址。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选择端口 0 0 0命令/状态寄存器 0 0 1端口 A 0 1 0端口 B 0 1 1端口 C 1 0 0定时器低 8 位 1 0 1定时器高 8 位 若是对 8155 的存贮器进行读写操作，则不必作初始化工作，只需使 IO/1 即可。若对端口或定时器操作，就要向命令/状态寄存器写入一个 8M 位的工作方式控制字，当然，必须在写入之前先使 IO/1。8155 的工作方M 式控制字格式如图 3-4 所示。这里的 8 位控制位全部用于 I/O 口和定时器的方 式控制，没有特征位。这是因为 8155 只需向命令状态寄存器写一个控制命令， 没有第二个控制字，也就没有设立特征位的必要。 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 16 页 D7D6D5D4D3D2D1D0 图 3-4 8155 工作方式控制格式 工作方式控制字可以设置三个方面的内容： A 口、B 口和 C 口的工作方式； 是否允许 A 口和 B 口中断； 设置定时器的工作方式。 中断允许设置要进行允许中断的设置，才可以从中断请求线上向 CPU 发出中 断申请信号。 从命令/状态寄存器还可以读出各 I/O 口和定时器的工作状态。状态寄存器 只使用 7 位，最高位 D7 空出不用。 可以用一条对命令/状态寄存器的读指令(口地址仍为000)读出状态字。 8155 状态字的格式如图 3-5 所示。 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 A口方 式 0=输入 B口方 式 1=输出 00=ALT1 01=ALT2C口 方式10=ALT3 11=ALT4 A口中 断 0=中断禁止 B口中 断 1=中断允许 00=无操作 01=停止计数 10=计满后停止 定时器 方式 11=开始计数 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 17 页 INTRAA 口中断请求 ABFA 口缓冲器满/空 INTEAA 口中断允许 INTEBB 口中断请求 BBFB 口缓冲器满 INTEBB 口中断允许 TIMER 定时器中断（计 满时为高电平， 读出状态字或硬 件复位为低电平） 图 3-5 8155 状态字格式 注意，对命令状态寄存器写入的一定是控制命令，控制命令不能读出查询。 读出的一定是工作状态，各端口状态不能靠写入来改变。 另外，状态字的 D6 位是反映定时器的工作状态，如果正在计数或未开始 计数，则 D60，若计数器己计满，则 D61，并且在查询状态寄存器之后又 恢复为 0，准备下一个循环的状态写入。用户可以根据查询的结果来获知各 I/O 口和定时器的状态，从而决定程序的控制流向。 3.1.4 DS12887 时钟模块 在单片机中使用时钟日历是非常有用的，它不仅能够进行时钟日历显示还 能记录数据产生的准确时间。其特点有如下几个方面： 可作为 IBM AT 计算机的时钟和日历 在没有外部电源的情况下可工作 10 年 自带晶体振荡器及电池 可以计算的 2100 年前的秒、分、小时、星期、日期、月、年七种日历信息 并带闰年补偿 用二进制编码或 BCD 码代表日历和闹钟信息 有 12 和 24 小时两种制式，12 小时带有 AM 和 PM 提示 可以选用夏令时模式 可以应用于 MOTOROLA 和 INTEL 两种总线 数据和地址总线复用 内建 128 字节 RAM 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 18 页 14 字节时钟控制寄存器 114 字节通用 RAM 可编程方波输出 总线兼容中断(/IRQ) 三种可编程中断 时间性中断，可产生每秒一次直到每天一次中断 周期性中断 122ms 到 500 ms 时钟更新结束中断 DS1288 其引脚分配如图 3-6 所示。 图 3-6 DS12887 引脚分布 DS12887 管脚名称： AD0AD7 地址/数据复用总线 NC 空脚 MOT 总线类型选择（MOTOROLA/INTEL） CS 片选 AS ALE R/W 在 INTEL 总线下作为 /WR DS 在 INTEL 总线下作为 /RD RESET 复位信号 IRQ 中断请求输出 SQW 方波输出 VCC +5V 电源 GND 电源地 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 19 页 DS12887 存储器分布如图 3-7 所示 00 SECONDS 01 SECODES ALARM 02 MINUTES 00 13 03 MINUTES ALARM 04 HOURS 05 HOURS ALARM 06 DAY OF THE WEEK 07 DAY OF THE MONTH 0