基于MCS-51 单片机的水位检测显示仪设计.doc
徐州建筑职业技术学院基于mcs-51单片机的水位检测显示仪设计
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徐州建筑职业技术学院基于mcs-51单片机的水位检测显示仪设计,毕业设计
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徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 1 目录 第 一章 引言 . 3 1 1 课题简介 . 3 1 2 水位测量现状 . 3 1 3 单片机技术的发展及应用现状 . 4 1 4 本课题的背景及意义 . 5 第二章 MCS-51 系列单片机及 8051 简介 . 6 2 1 MCS-51系列单片机简介 . 6 2 2 8051单片机简介 . 7 2. 3 引脚定义和功能 . 8 2. 4 MCS-8051内部硬件祥述 . 10 2. 5 AT89S51简介 . 14 第三章 系统设计方案 . 19 3 1 电源模块 . 19 3 2 水位测量传感部件的选择 . 19 3. 3 电流 -电压转换 . 20 3 4 单片机模块 . 21 3 5 警戒线设置按钮 . 22 3 6 显示模块 . 22 3. 7 声光报警电路 . 24 第四章 硬件设计 . 27 4 1 电源模块 . 27 4 2 水位传感器接口 . 27 4 2 1 传感器简介 . 27 4 2 2 压力传感器简介 . 27 4 3 电流 -电压转换 . 29 4 4 A/D 转换模块 . 29 4 4 1 A/D转换器简介 . 29 4 4 2 ADC0809 简介 . 30 4 5 单片 机模块 . 32 4 6 警戒线设置按钮 . 32 4 7 显示模块 . 33 4 8 声光报警电路 . 34 第五章 软件设计 . 35 5 1 软件说明 . 35 5 2 程序设计思路 . 35 5 3 程序设计流程图 . 36 5 4 程序说明 . 37 5 4 1 主程序 . 37 5 4 2 数码显示模块 . 37 5 4 3 键盘模块 . 38 5 4 4 声光报警模块 . 41 第六章 系统调试 . 42 6 1 硬件调试 . 42 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 2 6 2 软件调试 . 43 总结 . 45 致谢 . 46 参考文献 . 47 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 3 第一章 引言 1 1 课题简介 矿井主排水系统是煤矿大型设备的一个重要组成部分。在煤矿的开采过程中，会产生大量的水。为了保证煤矿的安全和开采煤矿的正常进行，应将这 些水通过一水仓安全排放，因此不仅应控制水仓水位在一定的范围之内，同时要保持一定的上下限，超过了限度则报警，从而给其排水。因此，对水仓的水位进行测量是非常必要的。 1 2 水位测量现状 80年代以来，我国又发展了以自记遥测为主的水位测量技术。它主要是建立自记水位计，实现水位自动采集、存储、远传。同期，还发展了无人立尺观测技术，这种技术采用激光测距仪与经纬仪接口配套组成的一套设备，利用激光测距仪无须反射棱镜测定距离（测距精度 ： O 5m）的性能，配以经纬仪测角测定目标高程的一种测量方法。 随着近代科学技术的发展 和新材料新器件的开发，采用传感器研制水位计近年来有较大发展。主要采用的传感器有超声波、光电、压力、接触式、浮于式等几种。超声波式水位计是将换能器向水面发射超声波，测量超声波传播时间，计算出水位。压力式水位计也是不需要水位测并，其基本原理是测量静水压力来实现水深的测量，已采用过波纹管和水银位移式压力传感器等方法。固态压力传感器由于其灵敏度高、体积小、寿命长、且有抗腐蚀性而受到重视，但由于半导体传感器受温度影响大等原因，使其实用受到限制。近年来固态传感器温度自动补偿问题有了进展， 固态压阻式水位计已经得到应用。 接触式水位计使用机电的方法用探头跟踪井内水面高低变化测量水位，已在少数领域使用，浮子式水位计，利用水球（或其它浮子） 作敏感器件，避免了温度、湿度等因素的影晌，性能稳定，工作可靠，因而得到长期使用和发展。 我国使用的自记水位计，最常见的为浮子式水位计。近年来，由于土建工程nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 4 费用不断上涨，无需水位量的压力式水位计随着现代技术的发展和进步也日趋稳定和成熟，致使人们越来越重视使用压力式水位计。 1 3 单片机技术的发展及应用现状 单片微型计算机 (简称单片机 ) 技术自 1976 年美国 Inter 公司的 MCS 48 单片机芯片问世以来 ,得到了迅猛的发展。世界上许多公司竞相推出了许多各具特色的单片机芯片 ,到目前为止世界各大公司已研制出大约 50多个系列 300 多个品种的单片机芯片产品。 近十多年来我国单片机的开发应用一直是以 Inter 公司的 8 位机 MCS 48 和 MCS 51 以及 16 位机 MCS 96 为主流系列。进入 90 年代以后 ,世界上单片机技术发展很快 ,市场竞争激烈 ,而单片机应用领域更加广泛。随着改革开放政策的深入 ,世界上许多国家的著名单片机生产公司的优秀单片机系列产品进入我国的单片机市场。如 : Motorola 的 M68HC05. M68HC11 系列 ,Zilong 公司的 Z8 系列等。 纵观各系列单片机产品的发展状况和特性 ,可以看出单片机正朝着以下两个方向发展。 1、 是性能不断提高 ,功能越来越强 ,可以完成各种较为复杂系统的设计和应用。该类产品的典型代表有 Inter 公司的 MCS 96 系列单片机和 Motorola 公司的 M68HC11 系列单片机。在我国 ,这类产品主要用于工业自动化控制。 2、 另一方面 ,在中小型的智能化产品中 ,尤其是在消费类电子产品的应用中 ,单片机则朝着超小型、低功耗、低成 本、多品种等方向发展。目前已被广泛应用于智能化仪器仪表、家用电器、通讯器材、智能玩具等许多领域之中。在国内有着极为广阔的发展前景。该类产品的典型代表有 Zilong 公司的 CCP 系列单片机。 单片机制造业如此繁荣，应用就不言而喻了。 单片机可应用于电话机、寻呼机、手机、对讲机等电信设备，电视机、录像机、摄像机、 VCD 机、洗衣机等家用电器，电子玩具，计算机外围设备，办公自动化设备，工业控制设备、仪器仪表，军用设备等等。 有人这样说：“凡是能想到的地方，单片机都可以用得上”，这并不夸张。 全世界单片机的年 产量数以亿nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 5 计，应用范围之广，花样之多，一时难以详述。 单片机应用的意义不仅仅限于它的广阔范围以及所带来的经济效益，更重要的还在于从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。 从前，必须由模拟电路或数字电路实现的大部分控制功能，现在已能使用单片机通过软件方法实现了。这种以软件取代硬件并能 提高系统性能的控制技术称之为微控制技术。微控制技术标志着一种全新概念，随着单片机应用的推广普及，微控制技术必将不断发展和日趋完善，而单片机的应用则必将更加深入、 更加广泛。 1 4 本课题的背景及意义 随着单片机的广泛应 用，它逐渐被用于对矿井环境参数进行监测 ,大型设备的监控、故障诊断和保护 ,传统设备的技术改造 ,智能仪器仪表研制等等。 单片机用在矿井安全监控系统中 ,可以连续实时监控和跟踪井上、井下的各种安全参数和设备的工作状态 ,防止事故的发生 ,以及发生事故时作出及时处理 ,避免事故扩大。单片机用于提升机监控系统中 ,通过对提升机的运行速度、加速度和控制线路中的继电器等元器件进行在线检测 ,以确保提升系统的安全 ,还可以根据负荷的变化 ,自动控制电阻的切除 ,从而使启动平衡 ,减少对机械系统的冲击 ;单片机用于通风机检测系统中可以保证矿井通 风安全 ;用单片机在线检测井下滚筒采煤机负载的变化情况 ,可以自动调整采煤机的高度 ,从而延长采煤机的使用寿命 ;单片机还可广泛应用于矿区变电所的无人 (少人 ) 值守 ,井下电机车的调度、各种安全设施的研制、检测仪表的开发等许多方面。因此 ,单片机在煤炭企业具有广阔的应用前景。 本课题主要介绍煤炭开采的主排水系统，如果该系统不能正常运行 ,会危及整个矿井的安全生产 ,甚至造成重、特大财产损失事故。为了给煤炭的开采带来安全、方便，本课题的研究迫在眉睫 。 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 6 第二章 MCS-51 系列单片机简介 2 1 MCS-51系列单片 机简介 MCS-51单片机是美国 INTE公司于 1980 年推出的产品，它具有先进的结构和强大的功能更。并增加了一些电路单元和指令 ,指令数达 111 条， MCS-51 单片机可以算是相当成功的产品，一直到现在， MCS-51系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品。 MCS-51 具有比较大的寻址空间，地址线宽达 16 条，即外部数据存储器和程序存储器的寻址范围达 216=64kB，这作为单片机控制来说已是比较大的，这同时具备对 I/O口的访问能力。此外， MCS-51采用模块化结构，可方便地增删一个模块就可引脚和指令兼容的新产 品。从而容易使产品形成系列化。 由于 MCS-51集成了几乎完善的 8位中央处理单元，处理功能强，中央处理单元中集成了方便灵活的专用寄存器，硬件的加、减、乘、除法器和布尔处理机及各种逻辑运算和转移指令，这给应用提供了极大的便利。 MCS-51的指令系统近乎完善，指令系统中包含了全面的数据传送指令、完善的算术和逻辑运算指令、方便的逻辑操作和控制指令、对于编程来说，是相当灵活和方便的。 MCS-51 单片机的工作频率为 2-12MHz，当振荡频率为 12MHz 时，一个机器周期为 1us,这个速度应该说是比较快的。 MCS-51系列单片机主要包括 8031、 8051 和 8751等通用产品，其主要功能如下： 8位 CPU 4kbytes 程序存储器 (ROM) 128bytes的数据存储器 (RAM) 32条 I/O口线 111条指令，大部分为单字节指令 21个专用寄存器 2个可编程定时 /计数器 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 7 5个中断源， 2个优先级 一个全双工串行通信口 外部数据存储器寻址空间为 64kB 外部程序存储器寻址空间为 64kB 逻辑操作位寻址功能 双列直插 40PinDIP 封装 单一 +5V电源供电 MCS-51以其典型的结构 和完善的总线专用寄存器的集中管理，众多的逻辑位操作功能及面向控制的丰富的指令系统，堪称为一代“名机”，为以后的其它单片机的发展奠定了基础。正因为其优越的性能和完善的结构，导致后来的许多厂商多沿用或参考了其体系结构，有许多世界大的电气商丰富和发展了 MCS-51单片机，象 PHILIPS、 Dallas、 ATMEL等著名的半导体公司都推出了兼容 MCS-51的单片机产品，就连我国的台湾 WINBOND公司也发展了兼容 C51(人们习惯将 MCS-51简称 C51,如果没有特别声明，二者同指 MCS-51系列单片机 )的单片机品种 MCS-51把微型计算机的主要部件都集成在一块心片上，使得数据传送距离大大缩短，可靠性更高，运行速度更块。由于属于芯片化的微型计算机，各功能部件在芯片中的布局和结构达最优化，抗干扰能力加强，工作亦相对稳定。因此，在工业测控系统中，使用单片机是最理想的选择。单片机属于典型的嵌入式系统，所以它是低端控制系统最佳器件。 MCS-51的开发环境要求较低，软件资源十分丰富，介绍其功能特性书籍和开发软件随处可取，只需配备一台 PC（个人电脑 对电脑的配置基本上无要求），一台仿真编程器即可实现产品开发，早期的开 发软 2 2 8051 单片机简介 MCS51 是指由美国 INTEL 公司生产的一系列单片机的总称，这一系列单片机包括了好些品种，如 8031， 8751， 8032， 8052， 8752 等，其中 8051 是最早最典型的产品，该系列其它单片机都是在 8051的基础上进行功能的增、减、改变而来nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 8 的，所以人们习惯于用 8051 来称呼 MCS51 系列单片机， 而且 8051 单片机也成为了 MCS-51系列的代表。 8051 是 MCS-51 系列单片机中的代表产品，它内部集成了功能强大的中央处理器，包含了硬件乘除法器、 21 个专用控制寄存器、 4kB 的程序存储器、 128 字节的数据存储器、 4 组 8 位的并行口、两个 16 位的可编程定时 /计数器、一个全双工的串行口以及布尔处理器 8051 其内部 RAM 大小为 128B，两个 16 位的计数器， 5 各中断源。而且 8051单片机采用 了 HMOS 工艺： 具有 高速度、高密度 等特点。 8051 中集成了完善的各种中断源，用户可十分方便地控制和使用其功能，使得它的应用范围加大，可以说它可以满足绝大部分的应用场合。 图 1 8051 的引脚图 2. 3 引脚定义和功能 8051单片机芯片采用 40引脚双列直插封装（ DIP）方式。引脚 和逻辑符号如图 2-1 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 9 MCS-51是高性能单片机，因为受到集成电路芯片引脚数目的限制，所以有许多引脚只能双功能复用。各引脚符号与功能简要说明如下： （ 1） 主电源引脚 Vcc和 Vss Vcc电源端，工作电源和编程校验（ 8051/8751）为 +5V。 Vss接地端。 （ 2） 时钟振荡电路引脚 XTAL1和 XTAL2 XTAL1和 XTAL2分别用作晶体振荡电路的反相器输入和输出端。在使用内部振荡电路时，这两个端子用来 外接石英晶体，振荡频率为晶振频率，振荡信号送至内部时钟电路产生时钟脉冲信号；若采用外部振荡电路，则 XTAL2用 于输入外部振荡脉冲，该信号直接送至内部时钟电路，而 XTAL1必须接地。 （ 3） 控制信号引脚 RST/Vpd ALE/PROG PSEN 和 EA/Vpp 1. RST/Vpd:RST为复位信号输入端。当 RST 端保持两个机械周期（ 24 个时钟周期）以上的高电平时，使单片机完成复位操作。第二功能 Vpd为内部 RAM的备用电源输入端。当主电源 Vcc一旦发生断电，降到一定电压值的时候，可通过 Vpd为单片机内部 RAM 提供电源，一保护片内 RAM中的信息不丢失，使上电后能继续正常运行。 2 ALE/PROG： ALE 为地址锁存允许信号 ；在访问 外部存储器时， ALE 用来锁蹲存P0扩展地址低 8位信号；在不访问外部存储器时， ALE以时钟振荡频率为 1/6的固定速率输出，因而它又可用作外部定时或其他需要。但是，在遇到访外部数据存储器时，回丢失一个 ALE脉冲。 ALE能驱动 8个 LSTTL门输入。第二功能 PROG是作为 8751内部 EPROM 编程时的编程脉冲输入端。 3 PSEN:外部程序存储器 ROM的读选通信号；当访问外部 ROM时， PSEN 产生负脉冲作为外部 ROM的选通信号；在访问外部数据 RAM或片内 ROM时，不会产生有效的 PSEN信号。 PSEN 可驱动 8个 LSTTL门输入端。 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 10 4 EA/Vpp： EA访问外部程序存储器控制信号。对 8051和 8751。它们的片内有4KB的程序存储器，当 EA为高电平的时， CPU 访问程序存储器有两种情况，第一种情况，访问的地址空间在 0-4KB范围内， CPU访问片内程序存储器；第二种情况，访问的地址范围超过 4KB时， CPU将自动执行外部程序存储器的程序，即访问外部 ROM。对于 8031， EA必须接地，只能访问外部 ROM。第二功能 Vpp为对8751EPROM的 21V编程电源输入。 （ 4） 4个 8为 I/O 端口 P0， P1， P2和 P3 P0口是一 8位漏 极开路的双向 I/O口； P1， P2， P3口（ P1.0-P1.7）是一个内部带上拉电阻的准双向 I/O口， 4个 8位 I/O 接口的 32个引脚构成了 MCS-51单片机的基本输入输出的接口功能。 2. 4 MCS-8051内部硬件祥述 （ 1） 算术逻辑单元 ALU 算术逻辑单元 ALU 在定时控制逻辑电路发出的内部控制信号的控制下，可以用来完成二进制数的四则运算和布尔代数的逻辑运算。主要包括带进位和不带进位的加法，带借位的加法， 8位无符号数乘除，逻辑与，或，异或，加 1减 1，求反，循环左右移位，比较和条件转移的判断等操作。 （ 2） 累加器 A 累加器是 CPU中工作最频繁的寄存器， MCS-51系列单片机在结构上仍然以累加器A作为重要部件，它是一个 8位的寄存器。在逻辑类操作时，累加器 A往往在运算前暂存一个操作数，而运算后又保存其结果。 （ 3） 程序状态字寄存器 PSW 程序状态寄存器 PSW 也是一位 8位寄存器，用来存放运算结果的一些特征。其每位的具体含义如下： nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 11 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 Cy AC F0 RS1 RS0 OV _ P PSW寄存器每位的功能 .标志号和位地址 功能 标志 位地址 进位标志 Cy PSW.7 辅助进位标志 AC PSW.6 溢出标志 Ov PSW.2 奇偶标志 P PSW.0 用户标志 F0 PSW.5 保留 _ PSW.1 寄存器区选择 MSb RS1 PSW.4 寄存器区选择 LSb RS0 PSW.3 1、 进位标志 Cy：它表示运算是否有进位（或借位）。如果操作结果在最高位有进位或有借位，则该位为“ 1”状态，否则清“ 0”。 2、 辅助进位标志 AC：半进位 标志。它反映了两个 8位数运算低 4位是否有半进位位，即低 4位相加或减是否有进位或借位，如有，则 AC为“ 1”状态否则为“ 0”状态。 3、 溢出标志位 OV：反映运算结果是否溢出。溢出时 OV为“ 1”状态否则为“ 0”状态溢出标志和进位标志是两种不同性质的标志。溢出是指在有正负号的两个数运算时，结果数超出了 +127-128D。而进位位是指两个数据最高 1 位（第七位）相加或减有否进位或借位。用此两个标志位时应注意吻合。 4、 奇偶标志 P：反映累加器 A中数据的奇偶性。如果累加器的 8 位中“ 1”的个数为奇数，则 P 为“ 1”状态。否 则 P为“ 0”状态。 （ 4） 程序存储器 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 12 一个微处理器能够聪明地执行某种任务，除了它们强大的硬件外，还需要它们运行的软件，其实微处理器并不聪明，它们只是完全按照人们预先编写的程序而执行之。那么设计人员编写的程序就存放在微处理器的程序存储器中，俗称只读程序存储器（ ROM）。程序相当于给微处理器处理问题的一系列命令。其实程序和数据一样，都是由机器码组成的代码串。只是程序代码则存放于程序存储器中。 MCS-51具有 64kB程序存储器寻址空间，它是用于存放用户程序、数据和表格等信息。对于内部无 ROM的 8031单片机，它的程序存储器必须外接，空间地址为 64kB，此时单片机的 端必须接地。强制 CPU从外部程序存储器读取程序。对于内部有 ROM的 8051等单片机，正常运行时， 则需接高电平，使 CPU先从内部的程序存储中读取程序，当 PC值超过内部 ROM的容量时，才会转向外部的程序存储器读取程序。 8051片内有 4kB的程序存储单元，其地址为 0000H 0FFFH，单片机启动复位后，程序计数器的内容为 0000H，所以系统将从 0000H单元开始执行程序。但在程序存储中有些特殊的单元，这在使用中应加以注意： 其中一组特殊是 0000H 0002H单元，系统复位后， PC为 0000H，单片机从 0000H单元开始执行程序，如果程序不是从 0000H单元开始，则应在这三个单元中存放一条无条件转移指令 ，让 CPU直接去执行用户指定的程序。 另一组特殊单元是 0003H 002AH，这 40个单元各有用途，它们被均匀地分为五段，它们的定义如下 0003H 000AH 外部中断 0中断地址区。 000BH 0012H 定时 /计数器 0中断地址区。 0013H 001AH 外部中断 1中断地址区。 001BH 0022H 定时 /计数器 1中断地址区。 0023H 002AH 串行中断地址区。 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 13 以 上的 40个单元是专门用于存放中断处理程序的地址单元，中断响应后，按中断的 类型，自动转到各自的中断区去执行程序。因此以上地址单元不能用于存放程序的其他内容，只能存放中断服务程序。但是通常情况下，每段只有 8个地址单元是不能存下完整的中断服务程序的，因而一般也在中断响应的地址区安放一条无条件转移指令，指向程序存储器的其它真正存放中断服务程序的空间去执行 ,这样中断响应后， CPU读到这条转移指令，便转向其他地方去继续执行中断服务程序。 （ 5） 数据存储器 数据存储器也称为随机存取数据存储器。 MCS-51单片机的数据存储器在物理上和逻辑上都分为两个地址空间，一个是内部数据存储区和一个外部数 据存储区。MCS-51内部 RAM有 128或 256个字节的用户数据存储（不同的型号有分别），它们是用于存放执行的中间结果和过程数据的。 MCS-51的数据存储器均可读写，部分单元还可以位寻址 。 8051内部 RAM共有 256 个单元，这 256个单元共分为两部分。其一是地址从 00H 7FH单元（共 128个字节）为用户数据 RAM。从 80H FFH地址单元（也是 128 个字节）为特殊寄存器（ SFR）单元。从图 1中可清楚地看出它们的结构分布。 在 00H 1FH 共 32个单元中被均匀地分为四块，每块包含八个 8位寄存器，均以 R0 R7来命名，我们常称这些寄存器为通用寄存器。这四块中的寄存器都称为 R0 R7，那么在程序中怎么区分和使用它们呢？聪明的 INTEL 工程师们又安排了一个寄存器 程序状态字寄存器（ PSW）来管理它们， CPU 只要定义这个寄存的 PSW的第 3 和第 4位（ RS0和 RS1），即可选中这四组通用寄存器。 （ 6） I/O口 1.P0作为地址数据总线时，和是一起工作的 ,构成推挽结构。高电平时，打开，截止；低电平时，截止，打开。这种情况下不用外接上拉电阻 .而且 ,当 T1 打开 ,T2截止 ,输出高电平的时候 ,因为内部电源直接通过 T1输出到 P0口线上 ,因此驱动能力 (电流 )可以很大 ,这就是为什么教科书上说可以 驱动 8个 TTL负载 的原因 . nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 14 。 P0作为一般端口时，就永远的截止，根据输出数据导通和 1截止，导通时拉地，当然是输出低电平；截止时，口就没有输出了， (注意 ,这种情况就是所谓的高阻浮空状态 ),如果加上外部上拉电阻，输出就变成了高电平 1. 。其他端口 ,在内部直接将 P1口中的 T1换成了上拉电阻 ,所以不用外接，但内部上拉电阻太大，电流太小，有时因为电流不够，也会再并一个上拉电阻。 4.在某个时刻 ,P0 口上输出的是作为总线的地址数据信号还是作为普通 I/O 口的电平信号 ,是依靠多路开关 MUX来切换的 .而 MUX的切换 ,又是根据单片机指令来区分的 .当指令为外部存储器 /IO 口读 /写时 ,比如 MOVX A,DPTR ,MUX 是切换到地址 /数据总线上 ;而当普通 MOV 传送指令操作 P0 口时 ,MUX 是切换到内部总线上的 . 2.5 AT89S51 简介 下图为 AT89S51 的引脚图 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 15 图 2 AT89S51 引脚图 1、 51系列单片机 8031、 8051及 89c51/89s51 均采用 40Pin封装的双列直 接 DIP结构。上图是它们的引脚配置 :40 个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根， 4 组 8 位共 32 个 I/O 口，中断口线与 P3 口线复用。现在我们对这些引脚的功能加以说明： （ 1） 电源引脚 Vcc 40脚 正电源脚，工作电压为 5V，另有 AT89LV51工作电压则是 2.7-6V, 引脚功能一样。 GND 20 接地端 （ 2） 外接晶体引脚 图 3 外接晶体引脚 Pin19:时钟 XTAL1 脚， Pin18:时钟 XTAL2 脚， XTAL1是片内振荡器的反相放大器输入端， XTAL2则是输出端，使用外部 振荡器时，外部振荡信号应直接加到 XTAL1，而 XTAL2 悬空。内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频，如晶振为 12MHz，时钟频率就为 6MHz。晶振的频率可以在1MHz-24MHz内选择。电容取 30PF左右。 型号同样为 AT89C51 的芯片，在其后面还有频率编号，有 12,16,20,24MHz可选。大家在购买和选用时要注意了。如 AT89C51 24PC 就是最高振荡频率为24MHz,40P6封装的普通商用芯片。 （ 3） 复位 RST 9 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 16 在振荡器运行时，有两个机器周期（ 24 个振荡周期）以上的高电平出现在 此引脚时，将使单片机复位，只要这个脚保持高电平， 51芯片便循环复位。复位后P0 P3口均置 1引脚表现为高电平，程序计数器和特殊功能寄存器 SFR全部清零。当复位脚由高电平变为低电平时，芯片为 ROM 的 0000H 处开始运行程序。常用的复位电路如下图所示。 图 4 复位电路 复位操作不会对内部 RAM 有所影响。当 8051 通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现 24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。 复位是单片机重新执行程序代码的意思。 8051的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，见下图。此 外， RESET/Vpd还是一复用脚， Vcc 掉电期间，此脚可接上备用电源， 以保证单片机内部 RAM的数据不丢失。 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 17 输入输出 (I/O)引脚： Pin39-Pin32为 P0.0-P0.7输入输出脚，称为 P0口，是一个 8 位漏极开路型双向 I/O口。内部不带上拉电阻，当外接上拉电阻时， P0口能以吸收电流的方式驱动八个 LSTTL负载电路。通常在使用时外接上拉电阻，用来驱动多个数码管。 在访问外部程序和外部数据存储器时， P0口是分时转换的地址 (低 8位 )/数据总线，不需要外接上拉电阻。 Pin1-Pin8为 P1.0-P1.7输入输出脚，称为 P1口，是一个带内部上拉电阻的8位双向 I/0口。 P1 口能驱动 4个 LSTTL负载。 通常在使用时外不需要外接上拉电阻，就可以直接驱动发光二极管。端口置 1 时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。 在单片机工作时，我们 可以通过用指令控制单片机的引脚输出高电平或者低电平。如： 指令 CLR ，清零的意思。 CLR P1.0 ；让单片机从第一脚输出低电平。 指令 SETB，置 1的意思。 SETB P1.0 ；让单片机从第一个脚输出高电平。 Pin21-Pin28为 P2.0-P2.7输入输 出脚，称为 P2口，是一个带内部上拉电阻的8位双向 I/O口， P2 口能驱动 4个 LSTTL负载。端口置 1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。对内部 Flash 程序存储器编程时，接收高 8 位地址和控制信息。在访问外部程序和 16 位外部数据存储器时， P2 口送出高 8 位地址。而在访问 8位地址的外部数据存储器时其引脚上的内容在此期间不会改变。 Pin10-Pin17为 P3.0-P3.7输入输出脚，称为 P3口，是一个带内部上拉电阻的8位双向 I/O口， P2 口能驱动 4个 LSTTL负载，这 8个引脚还用于专门的第二功能。端口置 1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。 对内部 Flash程序存储器编程时，接控制信息。 P1 3 端口在做输入使用时，因内部有上接电阻，被外部拉低的引脚会输出一定的电流。 除此之外 P3端口还用于一些专门功能，具体请看下表。 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 18 P3 引脚 兼用功能 P3.0 串行通讯输入（ RXD） P3.1 串行通讯输出（ TXD） P3.2 外部中断 0（ INT0） P3.3 外部中断 1（ INT1） P3.4 定时器 0输入 (T0) P3.5 定时器 1输入 (T1) P3.6 外部数据存储器写选通 WR P3.7 外部数据存储器写选通 RD 上拉电阻简单来说就是把电平拉高，通常用 4.7 10K的电阻接到 Vcc电源，下拉电阻则是把电平拉低，电阻接到 GND 地线上。具体说明也不是这里要讨论的，接下来还是接着看其它的引脚功能吧。 （ 5） 其它的控制或复用引脚 1) ALE/PROG 30 访问外部存储器时， ALE（地址锁存允许）的输出用于锁存地址的低位字节。即使不访问外部存储器， ALE 端仍以不变的频率输出脉冲信号 (此频率是振荡器频率的 1/6)。在访问外部数据存储器时，出现一个 ALE脉冲。对 Flash存储器编程时，这个引 脚用于输入编程脉冲 PROG 2) PSEN 29 该引是外部程序存储器的选通信号输出端。当 AT89C51 由外部程序存储器取指令或常数时，每个机器周期输出 2 个脉冲即两次有效。但访问外部数据存储器时，将不会有脉冲输出。 3) EA/Vpp 31 外部访问允许端。当该引脚访问外部程序存储器时，应输入低电平。要使 AT89S51 只访问外部程序存储器（地址为 0000H-FFFFH） ,这时该引脚必须保持低电平。对 Flash存储器编程时，用于施加 Vpp编程电压。 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 19 第三章 系统设计方案 本课题为基于 MCS-51系列 单片机的水位测量显示仪，可分为以下几个模块。分别对各个模块进行方案设计讨论。 3 1 电源模块 方案一：直接购买市场上已有的稳压电源模块，比如 5V、 +12V 开关电源。这样做的优点是电源稳定，质量可靠；但价格比较高。 方案二：可以由变压器把市电降压，然后整流，在经过稳压电路，可以得到5V 电源。这种方法广泛用于电子产品中。 方案三：因为在做实验的时候都离不开电脑，每个电脑的扩展口上都有 USB插槽，而现在应用日渐广泛的 USB接口上提供 +5V的电源。我们可以借用这个电源，只需要引出一根接口线出 来即可。其优点是简单，投入小。但缺点也不容忽视，这样是很危险的，因为另一端是连着电脑的，容易对电脑造成伤害。 综合考虑：对于系统的主体部分使用变压器降压供电，对于不便于使用变压器的地方可以使用稳压电源模块供电。 3 2 水位测量传感部件的选择 目前用于测量水位的传感方式比较多： 方案一：电容式传感器，通过电容的变化来测量水位的变化。电容传感器的种类也很多，在大量测量时，电容式传感器是用电容传感器和二线制电路转换组成。这种方法很原始，所以经济，但精度不高。 方案二：采用光电反射法，传感器采用红外发射和接收二极 管。就是利用了激光的光束能量集中的优点 , 把它作为光源 , 激光束以一定角度直接射到水面上 ,反射后的激光束就照在接收的光敏电阻上，利用光敏电阻受光照射后其阻值发生变化的特性 , 做成深井中的光电水位传感器 ,对本系统起着极其重要的作用 , 但nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 20 就目前而言，此方面的传感器不是很多，价格也昂贵。 方案三：超声波传感，它是通过超声波探头发出超声波脉冲，超声波被物料或液面反射，探头测量出脉冲遇到被测目标后返回的时问，通过回析来测量距波分离。超声波传感器的安装及参数调节相对于压力式较为复杂。 方案四：压力传感器是将压力信号转换 成电压信号的敏感器件。被测压力作用在应变体上，使应变体上的应变电桥由无压力状态下的平衡进而产生失衡，其失衡深度及失衡所产生的电位差的大小、方向与作用在应变体上的压力大小、方向成正比。 主要特点： 灵敏度高， 稳定性好 线性好， 漂移小过载能力强，可靠性好 独特的温度补偿电路，温度影响小调校，维护方便 可直接安装，防水，防尘，防震，防腐，防爆，无工业污染 根据这些传感器的特点及使用环境的要求，尤其针对煤矿的特点：在煤炭的开采过程中，会有许多泥沙、煤炭颗粒之类的固体，在如此恶劣的环 境条件下，传感器的使用极为限制，另外，还有精度选择的问题。 综合
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