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武汉职业技术学院单片机水塔水位控制设计,毕业设计
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单片机水塔水位控制 武汉职业技术学院 毕业设计 题目：单片机水塔水位控制 院 系：机械系 学科专业：机电一体化 学 生：鲍 峥 指导老师：李艳华 2007年 1月 19日 nts单片机水塔水位控制 目 录 一、 8051 单片机系统说明 1 1、 8051单片机简介 1 2、单片机的 时序 2 3、 引脚极其功能 2 二、水 塔给水设备系统的构成 6 三、本系统 8051单片机控制部分结构 8 四、 本系统的工作原理 9 五、主程序框图 12 六、本系统程序清单 15 七 、系统电路示意图 16 八、系统测试与总结 16 九、总结 17 十、参考文献 18 nts单片机水塔水位控制 一、 8051单片机系统说明 本单片机系统设计的目的是应用单片机控制技术 ， 以 8051单片机为核心控制水塔水位，并实现了报警和手动、自动切换功能。 该系统操作方便、性能良好，比较符合水塔储水系统控制的需要 1. 8051单片机简介 目前， 8051单片机在工业检测领域中得到了广泛的应用，因此我们可以在许多单片机应用领域中，配接各种类型的语音接口，构成具有合成语音输出能力的综合应用系统，以增 强人机对话的功能。 89C51是 Intel公司生产的一种单片机，在一小块芯片上集成了一个微型计算机的各个组成部分。每一个单片机包括：一个 8位的微型处理器 CPU；一个 256K的片内数据存储器 RAM；片内程序存储器 ROM；四个 8位并行的 I/O接口 P0-P3，每个接口既可以输入，也可以输出；两个定时器 /记数器；五个中断源的中断控制系统；一个全双工 UART的串行 I/O口；片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接。最高允许振荡频率是12MHZ。以上各个部分通过内部总线相连接。下面简单介绍下其各个部分的功能 。 中央处理器 CPU是单片微型计算机的指挥、执行中心，由它读人用户程序，并逐条执行指令，它是由 8位算术逻辑运算部件 (简称 ALu)、定时控制部件，若干寄存器 A、 B、 B5w、5P以及 16位程序计数器 (Pc)和数据指针寄存器 (DM)等主要部件组成。算术逻辑单元的硬件结构与典型微型机相似。它具有对 8位信息进行 +、 -、 x、 / 四则运算和逻辑与、或、异或、取反、清“ 0”等运算，并具有判跳、转移、数据传送等功能，此外还提供存放中间结果及常用数据寄存器。控制器部件是由指令寄存器、程序计数器 Pc、定时与控制电路等组成的。 指令寄存器中存放指令代码。枷执行指令时，从程序存储器中取来经译码器译码后，根据不同指令由定时与控制电路发出相应的控制信号，送到存储器、运算器或 I o接口电路，完成指令功能。程序计数器 Pc 程序计数器 Pc用来存放下一条将要执行的 指令， 共 16位可对以 K字节的程序存储器直接寻址 c指令执行结束后， Pc计数器自动增加，指向下一条要执行的指令地址。 CPU功能： 总的来说是以不同的方式，执行各种指令。不同的指令其功自略异。有 nts单片机水塔水位控制 -1- 的指令涉及到枷各寄存器之间的关系；有的指令涉及到单片机核心电路内部各功能部件的关系 ；有的则与外部器件如外部程序存储器发生联系。事实上， cRJ是通过复杂的时序电路完成不同的指令功能。 所谓 cRJ的时序是指控制器控照指今功能发出一系列在时间上有一定次序的信号，控制和启动一部分逻辑电路，完成某种操作。 2.单片机的 时序 1时钟电路 MCS-51片内设有一个由反向放大器所构成的振荡电路， XTALI和 XTAL2分别为振荡电路的输入端和输出端。时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。采用内部方式时，在 C1和 C2引脚上接石英晶体和微调电容可以构成振荡器， 振荡频率的选择范围为 1 2 12MHZ在使用外部时钟时， XTAL2用来输入外部时钟信号，而 XTALI接地。 2时序 MCS-5l单片机的一个执器周期由 6个状态 (s1 s6)组成，每个状态又持续 2个接荡周期，分为 P1和 P2两个节拍。这样，一个机器周期由 12个振荡周期组成。若采用 12MHz的晶体振荡器，则每个机器周期为 1us，每个状态周期为 1 6us；在一数情况下，算术和逻辑操作发生在 N期间，而内部寄存器到寄存器的传输发生在 P2期间。对于单周期指令，当指令操作码读人指令寄存器时，使从 S1P2开始执行指令。如果是双字节指令，则在同一机器周期的 s4读人第二字节。若为单字节指令，则在 51期间仍进行读，但所读入的字节操作码被忽略，且程序计数据也不加 1。在加结束时完成指令操作。多数 Mcs 51指令周期为 1 2个机器周期，只有乘法和除法指令需要两个以上机器周期的指令，它们需 4个机器周期。 对于双字节单机器指令，通常是在一个机器周期内从程序存储器中读人两个字节，但 Movx指令例外，Movx指令是访问外部数据存储器的单字节双机器周期指令，在执行 Movx指令期间，外部数据存储器被访问且被选通时跳过两次取指操作。下面是 51单片机的振荡电路图，如图（ 1-1）所示： 3 引脚极其功能 MCS 51系列单片机的 40个引脚中有 2个专用于主电源引脚， 2个外接晶振的引脚， 4个控制或与其它电源复用的引脚，以及 32条输入输出 I/O引脚。 下面按引脚功能分为 4个部分叙述个引脚的功能。 1.电源引脚 Vcc 和 Vss nts单片机水塔水位控制 -2- 图 1-1 单片机振荡电路 Vcc（ 40脚）：接 +5V电源正端； Vss（ 20脚）：接 +5V电源正端。 2.外接晶振引脚 XTAL1 和 XTAL2 XTAL1（ 19脚）：接外部石英晶体的一端。在单片机内部，它是一个反相放大器的输 入端，这个放大器构成采用外部时钟时，对于 HMOS单片机，该引脚接地；对于 CHOMS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。 XTAL2（ 18脚）：接外部晶体的另一端。在单片机内部，接至片内振荡器的反相放大器的输出端。当采用外部时钟时，对于 HMOS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。对于CHMOS芯片，该引脚悬空不接。 3.控制信号或与其它电源复用引脚 控制信号或与其它电源复用引脚有 RST/VPD、 ALE/P、 PSEN和 EA/VPP等 4种形式。 （ A） RST/VPD（ 9脚）： RST即为 RESET， VPD为备用电源，所以该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，就可实现复位操作，使单片机复位到初始状态。 当 VCC发生故障，降低到低电平规定值或掉电时，该引脚可接上备用电源 VPD（ +5V）为内部 RAM供电，以保证 RAM中的数据不丢失。 （ B） ALE/ P （ 30脚）：当访问外部存储器时， ALE（允许地址锁存信号）以每机器周 nts单片机水塔水位控制 -3- 期两次的信号输出，用于锁存出现在 P0口的低 （ C） PSEN(29脚 ):片外程序存储器读选通输出端 ,低电平有效。 当从外部程序存储器读取指令或常数期间，每个机器周期 PESN两次有效，以通过数据总线口读回指令或常数。当访问外部数据存储器期间， PESN信号将不出现。 （ D） EA/Vpp（ 31脚）： EA为访问外部程序储器控制信号，低电平有效。当 EA端保持高电平时，单片机访问片内程序存储器 4KB（ MS 52子系列为 8KB）。若超出该范围时，自动转去执行外部程序存储器的程序。当 EA端保持低电平时，无论片内有无程序存储器，均只访问外部程序存储器。对于片内含有 EPROM的单片机，在 EPROM编程期间，该引脚用于接 21V的编程电源 Vpp。 4.输入 /输出（ I/O）引脚 P0口、 P1口、 P2口及 P3口 (A).P0口（ 39脚 22脚）： P0.0 P0.7统称为 P0口。当不接外部存储器与不扩展 I/O接口时，它可作为准双向 8位输入 /输出接口。当接有外部程序存储器或扩展 I/O口时， P0口为地址 /数据分时复用口。它分时提供 8位双向数据总线。 对于片内含有 EPROM的单片机，当 EPROM编程时，从 P0口输入指令字节，而当检验程序时，则输出指令字节。 (B).P1口（ 1脚 8脚）： P1.0 P1.7统称为 P1口，可作为准双向 I/O接口使用。对 于 MCS52子系列单片机， P1.0和 P1.1还有第 2功能： P1.0口用作定时器 /计数器 2的计数脉冲输入端 T2；P1.1用作定时器 /计数器 2的外部控制端 T2EX。对于 EPROM编程和进行程序校验时， P0口接收输入的低 8位地址。 (C).P2口（ 21脚 28脚）： P2.0 P2.7统称为 P2口，一般可作为准双向 I/O接口。当接有外部程序存储器或扩展 I/O接口且寻址范围超过 256个字节时， P2口用于高 8位地址总线送出高 8位地址。对于 EPROM编程和进行程序校验时， P2口接收输入的 8位地址。 (D).P3口（ 10脚 17脚）： P3.0 P3.7统称为 P3口。它为双功能口，可以作为一般的准双向 I/O接口，也可以将每 1位用于第 2功能，而且 P3口的每一条引脚均可独立定义为第 1功能的输入输出或第 2功能。 P3口的第 2功能见下表 -4- nts单片机水塔水位控制 单片机 P3.0管脚含义 综上所述， MCS 51系列单片机的引脚作用可归纳为以下两点： 1).单片机功能多，引脚数少，因而许多引脚具有第 2功能； 2).单片机对外呈 3总线形式，由 P2、 P0口组成 16位地址总线；由 P0口分时复用作为数据总线。 由于工艺及标准化等方面的原因，芯片的引脚数目是有限的。例如， 80C51把引脚数目限定为 40条，但单片机为实现其功能所需的信号数目都远远超过 此数，因此就出现了需要与可能的矛盾。为了解决这个矛盾，给一些信号赋予双重功能既“兼职”。如果把前述信号定义为第一功能的话，则根据需要再定义的信号就是第二功能。像 30脚（ ALE/PROG）和 9脚（ RST/Vpp）都是有第二功能。 那么，一个引脚的两种功能作用会不会发生冲突呢？不会的。对 9、 31、 30等引脚而言，第一功能与第二功能是单片机在不同工作方式下的信号；对 P3口而言，在实际应用中，都是先按需要选用第二功能信号，此时该信号线就不能再作通用 I/O口使用了，剩下的口线才可作为通用 I/O口使用。 引脚 第 2功能 P3.0 RXD（串行口输入端 0） P3.1 TXD（串行口输出端） P3.2 INT0（部中断 0请求输入端，低电平有效） P3.3 INT1（中断 1请求输入端，低电平有效） P3.4 T0（时器 /计数器 0计数脉冲端） P3.5 T1（ 时器 /计数器 1数脉冲端） P3.6 WR（部数据存储器写选通信号输出端，低电平有效） P3.7 RD（部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效） nts单片机水塔水位控制 -5- 附 :89C51的管脚如图 二 、水塔给水设备系统的构成 水塔由两台给水泵机组、水箱和三只浮球开关组成，其系统结构如图： nts单片机水塔水位控制 -6- 其中 M1、 M2为给水泵机组， LG、 LD、 LDD分别为水位高、水位低、水位低低浮球开关，当水位高（大于 90开度）时， LG闭合，当水位低（小于 75开度）时， LD闭合，当水位低低（小于 50开度）时， LDD闭合。 水塔的控制器由 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。输出通过继电器，控制水泵机组的起停和报警，其电路图如下 ： 给水泵电机主控回路图如下： nts单片机水塔水位控制 -7- 三、本系统 8051单片机控制部分结构 本系统采用 8051单片机，引脚具体控制如下 ： P1口和 P3口为输入输出检测信号和控制信号。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。（低 0 高 1） 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。（手动 1，自动 0） P1.5： M2起动 KM1控制输出信号 。（手动 1，自动 0） 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。（开 0，关 1） 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。 四、本系统的工作原理 水泵技术参数： 当水塔水位低时，起动 M1、 M2给水，水位上升到 90%，停 M1。当水箱水位低低（小于 50%）时，同时起动 M1、 M2，当水位上升到 50%以上 70%以下时，停 M2， M1继续运行到水位上升到 90%以上才停止工作。经过调试系统，测得以下数据：水位从 50%-70%，两台泵运行需要约 10分钟；水位从 70%-90%，一台泵运行需要约 15分钟。水箱的水位一般保持在 70%-90%。 报警控制如下 nts单片机水塔水位控制 -8- 当 水位高与 90开度的时候，由传感器经变送器发送信号， LG闭合，系统水位高报警。当水位低于 75开度的时候，由传感器经变送器发送信号， LD闭合，系统水位低报警。当水位低与 50开度的时 候，由传感器经变送器发送信号， LDD闭合，系统水位低低报警。手动 /自动模式转换控制如下：全自动模式下，系统自动判断水位的状况，选择不同的工作状态。在手动的模式下，两台给水泵的运行控制可由人工自己操作。 五、主程序框图 1. 主程序框图 nts单片机水塔水位控制 -9- 2 自动模式子程序： nts单片机水塔水位控制 -10- 3 手动模式子程序： nts单片机水塔水位控制 -11- 六、本系统程序清单 主程序： ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0060H MAIN: MOV P1, #FFH ; P1 P3口初始化置 1 MOV P3， #FFH JNB P1.3 ， AVT ； 若手动在自动位置，跳到自动模式子程序 AJMP MEN ； 否则转到手动模式子程序 END AUT： NOP（空命令） JNB P1.2 , LG ; 水位高 LG JB P1.1 LD ， ； 水位没低 -LD CLR P3.1 ； 水位低 报警 JB P1.0, LDD ； 水位未低低 -LDD CLR P3.0 ； 水位低低报警 JNB 3.1 P1.6, Y1 ； M1已启动 Y1 CLR P1.4 ； 否则启动 M1 Y1:JNB P1.7 ,Y2 ； M2已启动 -Y2 CLR P1.5 ； 否 则启动 M2 Y2:ACALL DELAY ； 延时 1分钟 AJMP AUT ； 返回自动模式 LDD: JNB P1.6 ,Y3 ； 单独运行 M1（ LDD水位 LD） CLR P1.4 nts单片机水塔水位控制 -12- Y3: JB P1.7 Y2 SETB P1.5 AJMP Y2 LG:CLR P3.2 ; 水 位高报警 LD: AJMP MAIN ; 返回主程序 手动控制子程序 MEN： NOP JNB P1.1 , MAIN ; ACALL KEY CJNE A , #FOH, NN ; AJMP MEN NN: JNB ACC.4 , HM1 JNB ACC.5, HM2 JNB ACC.6 , DM1 JNB ACC.7 , DM2 AJMP MEN HM1: JNB P1.6 ， MEN CLR P1.4 AJMP MEN HM2: JNBP1.7, MEN CLR P1.5 AJMP MEN DM1: JB P1.6, MEN SETB P1.4 AJMP MEN DM2： JB P1.7, MEN nts单片机水塔水位控制 -13- SETB P1.5 AJMP MEN RET 延时 1S主程序 T1M1: MOV R1, #F0H L4: MOV R2, #08H L1: MOV R3, #FAH L2: MOV R4, #FAH L1: DJNZ R4, L1 DJNZ R3, L2 DJNZ R2, L3 DJNZ R1, L4 RET 延时 6ms子程序 T1M3: MOV R4, #12 MM: MOV R5, #248 DJN2 R5, $ DJN2 R4, D3 RET 有无键合子程序 ： KEY： ACALL KS1 ； 有无闭合 JNZ LK1 ACALL TIM AJMP KEY ； 无键闭合返回 LK1： ACALL TIM ACALL TIM ACALL KS1 nts单片机水塔水位控制 -14- JNZ LK2 ACALL TIM AJMP KEY LK2： RET KS1： MOV A ， P3 ； 扫描 ANL A ， #FOH ； 屏蔽低 4位 RET 七、系统电路示意图 经过设计，本系统理论上能够完成预定的任务，根据各元器件的引脚及元 件， 设计出系统电路示 意图如下： nts单片机水塔水位控制 -15- 八、系统测试与总结 1.系统测试结果 按照系统电路示意图完成电路硬件连接，在给单片机写入预定程序后，我们进行了模拟测试，经过测试，系统完全达到了预期的效果。 当水塔水位低时，起动 M1、 M2给水，水位上升到 90%，停 M1。当水箱水位低低（小于 50%）时，同时起动 M1、 M2，当水位上升到 50%以上 70%以下时，停 M2， M1继续运行到水位上升到 90%以上才停止工作。全自动模式下，系统自动判断水位的状况，选择不同的工作状态。在 手动的模式下，两台给水泵的运行控制可由人工自己操作。 2.总结 经过本次设计，我了解了单片机系统开发的全过程，掌握了单片机知识，而且对于各种传感器的性能与使用也有了更全面的了解。同时，也让我对 word、 portel等软件的使用更加熟练。 在本次单片机系统的开发过程中，我遇到了很多技术方面的困难，但是在通过指导老师的辅导，自己查阅各种专业书籍，将这些难题都一一解决，这不仅锻炼了自己的自学能力而且也让我知道了在以后的工作中处理事情的方法。总而言之，此次设计令我受益非浅。 在此，要 对 我的指导老师 表示衷心的感谢。 nts单片机水塔水位控制 -16- 九 总结 时光飞逝，三年的大学生很快就要过去了，在这即将离开大学生活踏上社会的时刻。在此，我有必要对自己三年的大学生活做一下小小的总结。大学三年是我一生的重要阶段，是学习专业知识及提高各方面能力为以后谋生发展的重要阶段。从跨入大学的校门的那一刻起
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