自动给水系统设计

1、自动给水系统设计摘要单片机系统的开发应用给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命，自动化、智能化均离不开单片机的应用。近年来模糊控制在许多控制应用中都取得了成功，模糊控制应用于控制系统设计不需要知道被控对象精确的数学模型，对于许多无法建立精确数学模型的复杂系统能获得较好的控制效果，同时又能简化系统的设计，因此，在水箱水位自动控制系统中，模糊控制就成为较好的选择。本文主要论述了应用模糊控制理论控制水箱水位系统，首先详尽的介绍了模糊控制理论的相关知识，在此基础上提出了用模糊理论实现对水箱水位进行控制的方案，建立了简单的基于水箱水位的模糊控制器数学模型。介绍了基于单片机的水位控制系统的设计及其相关内

2、容。系统属于典型的基于单片机的大惯性环节的PID闭环控制装置，通用性很强，在工业过程控制中有着广泛的应用。控制系统中引入单片机，可以充分利用单片机在对采集数据加以分析并根据所得结果做出逻辑判断等方面的能力，编制出符合某种技术要求的控制程序、管理程序，实现对被控参数的控制与管理。采用单片机对水位进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控系统的技术指标，从而能够大大的提高产品的质量。关键词 ：水位控制 MCS-8051 EPROM7448 74LS164AbstractThe development and application of MCU (Micro Contr

3、ol Unit) have made a great change in many fields of modern industrial detect and control. Because of the small scale, low price and high efficiency of MCU, it is widely used in home appliances and industrial control. in the process of producing. Current, voltage, temperature and pressure are usually

4、 the parameter to be monitored. The design of “The water level control system based on MCU of is introduced in this paper. As a typical design in large inertia control system, the design needs the knowledge of automation theories, analog and digital electronics. A digital PID controller is used in t

5、he system, which is called DDC (direct digital control) system. The DDC system can not only replace the analog system, but also can realize the more complicated rules of control through changing the program of software, not even changing a component in the electro circuit. It can improve reliability

6、 of the whole system. The water level which is controlled by the MCU is not only convenient, advantage but also raise technology Parameter of the system controlled, thus the quality of the product could raise greatly.Keywords: MCS-8051, EPROM7448, 74LS164, water level control目录摘要IAbstractII目录III前言11

7、 绪论31.1 课题的提出及意义31.2 单片机的概述及发展趋势31.3 水箱水位控制系统组成及原理51.3.1 水箱水位控制系统组成51.3.2 水箱水位控制系统的原理52 系统硬件的选择及其功能特性72.1 MCS-51单片机的结构72.2 MCS-51单片机的引脚及其功能82.3 MCS-51单片机存储器配置102.3.1 MCS-51内部数据存储器102.3.2 对8051扩展的外部程序存储器122.4 MCS-51单片机的时序142.5 LED发光二极管15 2.6 水泵的介绍3 硬件电路的设计163.1 时钟电路163.2 复位电路183.3 水位采集电路设计193.4 报警电路设

8、计203.5 控制电机电路20 3.6 看门狗技术3.7 系统总电路224 软件设计244.1 概述244.2 主程序设计框图244.2.1 主程序流程图244.2.2 源程序代码25总结27致谢28参考文献36前言随着集成电路技术的发展，单片微型计算机的功能也不断增强，许多高性能的新型机种不断涌现出来。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件，在工业生产中成为必不可少的器件，尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大。在水箱水位控制系统中，单片机更是起到了不可替代的核心作用。在工业生产中如：锅炉、蒸汽机等，在日常生活中如:自动水位电热

9、水器,都用到以单片机（小型），PLC（大型）作为主控芯片来实现自动控制水位的原理。随着生产的发展，在工业中，上述设备对水位的控制要求越来越高，随着人们生活水平的提高，对日常用品的自动化也提出了更高的要求，单片机的不断更新换代，满足了上述的要求，达到自动控制的目的。水位控制系统在各个领域上都有广泛应用，虽然其结构简单但由于控制过程具有多变量，大滞后，时变性等特点，且在控制过程中系统会受到各种不确定因素的影响，难于建立精确的数学模型。虽然自适应、自校正控制理论可以对缺乏数学模型的被控对象进行识别，但这种递推法复杂，实时性差。近年来模糊控制在许多控制应用中都取得了成功，模糊控制应用于控制系统设计不需

10、要知道被控对象精确的数学模型，对于许多无法建立精确数学模型的复杂系统能获得较好的控制效果，同时又能简化系统的设计，因此，在水箱水位自动控制系统中，模糊控制就成为较好的选择。本文主要论述了应用模糊控制理论控制水箱水位系统，首先详尽的介绍了模糊控制理论的相关知识，在此基础上提出了用模糊理论实现对水箱水位进行控制的方案，建立了简单的基于水箱水位的模糊控制器数学模型。温度、压力，流量和液位是四种最常见的过程变量。其中液位是一个非常重要的过程变量。在机械控制系统尤为重要,液位控制不好就可能引起生产安全，产品质量和产量等一系列问题。目前，在很多场合下，液位已成为非常关键的因素，许多物理特性的变化都直接反映

11、在液位的升降上，因此对液位的监测的意义越来越大。单片机对水位的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。此次毕业实习、毕业设计第一阶段的主要工作是，学习有关单片机水位控制系统的基本知识，了解单片机水位控制系统的相关技术，并在此基础上选择了使用8051单片机作为核心设计，并学习7448、74LS164模拟电子技术等方面的知识。这是课题研究的基础性内容。第二阶段是在指导教师的指导下，设计出具体的电路，并确定满足具体技术指标的软件，掌握电路中重要器件的使用方法，以及编写出水位检测程序，延时子程序。通过教师的悉心指导和自己的努力，完成了毕业设计的各项任务，成功完成单片机水位控制系统的设计。1 绪论1.

12、1 课题的提出及意义随着自动化技术的迅速发展和人们生活水平及需要的不断提高，越来越多的自动控制设备走入了大家的生活，对自动控制设备的设计技术要求也越来越高。所以本次毕业设计选择水箱水位控制系统。传统的自动水位控制系统采用电子线路完成设计，那样存在布线非常麻烦，而且由于线路多的原因，系统的稳定性较差。近年来由于单片机的发展迅速，几乎所有的自动控制系统都可以通过单片机以及部分电子器件来设计。而单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件，在工业生产中成为必不可少的器件，尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大。因此课题采用单片机完成对水箱水位

13、控制系统的控制中心的设计，这样系统的设计就原来人工控制、半自动控制转变为全自动控制，将由原来传统的纯硬件转变为硬件与软件的结合，减轻了原来的布线难度，而系统的稳定性会更好。课题设定了水位的上限值，下限值，并对水位进行实时采集，并通过串行口传输到控制中心，以达到对水位进行控制的目的。1.2 单片机的概述及发展趋势单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是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。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络

14、、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。单片机也被称为微控制器(Microcontroller)，由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。单片机是70年代中期发展起来的一种大规模集成电路芯片，是CPU、RAM、ROM、I/O接口和中断系统集成于同一硅片的器件。单片机用于控制有利于实现系统控制的最小化和单片化，简化一些专用接口电路，如编程计数器、锁相环（PLL）、模拟开关、A/D和D/A变换器、电压比较器等组成的专用控制处理功能的单板式微系统。单片机是所有微处理机中性价比

15、最高的一种，随着种类的不断全面，功能不断完善，其应用领域也迅速扩大。单片机在智能仪表、实时控制、机电一体化、办公机械、家用电器等方面都有相当的应用领域。当前，8位单片机主要用于工业控制，如温度、压力、流量、计量和机械加工的测量和控制场合；高效能的16位单片机（如MCS-96、MK-68200）可用在更复杂的计算机网络。可以说，微机测控技术的应用已渗透到国民经济的各个部门，微机测控技术的应用是产品提高档次和推陈出新的有效途径。纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有：1低功耗CMOS化MCS-51系列的8051推出时的功耗达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单

16、片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，更适合于在要求低功耗像电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。2微型单片化常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW(脉宽调制电路)、WDT(看门狗)、有些单片机将LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上

17、，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。3主流与多品种共存现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以MCS-51为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品，ATMEL公司的产品和中国台湾的WinBond系列单片机。以8051为核心的单片机占据了半壁江山，在一定的时期内，这种情形将得以延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补，相辅相成、共同发展的道路。1.3 水箱水位控制系统组成及原理1.3.1 水箱水位控制系统组成单片机应用系统是以单片机为核心，配以输入、输出、显示

18、、控制等外围电路和软件，能实现一种或多种功能的实用系统。它除了有单片机芯片以外，还有许多的外围电路，如果再配一系列程序，便可以完成很多功能。所以说，单片机应用系统是由硬件和软件组成的，硬件是应用系统的基础，软件则在硬件的基础上对其资源进行合理调配和使用，从而完成应用系统所要求的任务，二者相互依赖，缺一不可。单片机应用系统的组成如图1.1所示。图1.1 单片机应用系统的组成由此可见，单片机应用系统的设计人员必须从硬件和软件两个角度来深入了解单片机，并能够将二者有机结合起来，才能形成具有特定功能的应用系统或整机产品。1.3.2 水箱水位控制系统的原理该控制系统在水箱内的三个不同水位高度安装了三根金

19、属棒，如图1.2所示 ，其中A棒处于下限水位以下，C棒处于上限水位，B棒在下限水位处。A棒接+5V电源，B、C棒各通过一个电阻接地。水箱由电机带动水泵供水，单片机控制电机转动以达到控制水位的目的。供水时，水位上升。当达到上限时，由于水的导电作用，B、C棒连通了+5V。因此b、c两端高电平（1状态），这时应使电机停止，不再给水箱供水。当水位下降到下限时，B、C都不能与A棒导通，因此b、c两端状态为0。这时应启动电机，给水箱供水。当水位处于上下限之间时，B棒与A棒导通，b端为1状态。而C棒不能与A棒导通，C端为0状态。这时，无论电机是运转状态，还是停止状态，都应维持原状态不变。作为一个整体的系统来

20、说，仅仅有图1.1所示的框图是不够的，它只是系统的一部分。整体的系统还应包括系统的工作软件，串口程序，对单片机的控制程序等要实现这部分内容，必须设计出相应的程序，本论文的后续章节所要论述的就是系统的硬件电路的设计。图1.2 水箱水位控制原理图2 系统硬件的选择及其功能特性2.1 MCS-51单片机的结构当今时代，单片机使用最为广泛为MCS-51单片机。即：8051单片机，其基本组成（参见图2.1）：中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线。1中央处理器（CPU）中央处理器是单片机的核心，

21、完成运算和控制功能。中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，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内部数据存储器（内部RAM）8051芯片中共有256个RAM单元，但其中后128单元被专用寄存器占用，能作为寄存器供用户使用的只是前128单元，用于存放可读写的数据，简称内部RAM。图2.1 MCS-51单片机结构框图3外部程序存储器（外部ROM）8051内部无程序存储器，必须外接程序存储器，课题中选用了7448用于存放程序、原始数据或表格。4定时/计数器8051共有两个16位的定时/计数器，以

22、实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对计算机进行控制。5并行I/O口MCS-51共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2、P3），以实现外部数据的并行输入/输出。在实训中我们已经使用了P1口，通过P1口连接8个发光二极管。6串行口MCS-51单片机有一个全双工的串行口，以实现单片机和其它设备之间的串行数据传送。该串行口功能较强，既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为同步移位器使用。7中断控制系统MCS-51单片机的中断功能较强，以满足控制应用的需要。8051共有5个中断源，即外中断两个，定时/计数中断两个，串行中断一个。全部中断分为高级和低级共两个优先级别。8时钟电路MCS-51芯片的

23、内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容需外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。系统允许的晶振频率一般为6MHz和12MHz。从上述内容可以看出，MCS-51虽然是一个单片机芯片，但作为计算机应该具有的基本部件它都包括，因此，实际上它已是一个简单的微型计算机系统了。2.2 MCS-51单片机的引脚及其功能MCS-51是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片，引脚排列请参见图2.21信号引脚介绍MCS-51系列单片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直接DIP结构，右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

24、口线与P3口线复用。输入输出(I/O)引脚P0.0P0.7：P0口8位双向口线。P1.0P1.7：P1口8位双向口线。P2.0P2.7：P2口8位双向口线。P3.0P3.7：P3口8位双向口线。图2.2单片机的引脚ALE：地址锁存控制信号。在系统扩展时，ALE用于控制把P0口输出的低8位地址锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。：外部程序存储器读选通信号。在读外部ROM时，有效（低电平），以实现外部ROM单元的读操作。：访问程序存储控制信号。当信号为低电平时，对ROM的读操作限定在外部程序存储器；当信号为高电平时，对ROM的读操作是从内部程序存储器开始，并可延至外部程序存储器。RST：复位信号

25、。当输入的复位信号延续两个机器周期以上的高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作。VSS：地线，VCC：+5 V电源。2信号引脚的第二功脚由于工艺及标准化等原因，芯片的引脚数目是有限制的。但单片机为实现其功能所需要的信号数目却远远超过此数，因此就出现了需要与可能的矛盾，给一些信号引脚赋以双重功能。除了第一功能，则根据需要再定义它的第二功能。下面介绍一些信号引脚的第二功能。 (1) P3口线的第二功能P3的8条口线都定义有第二功能，详见表2.1。(2) EPROM存储器程序固化所需要的信号。有内部EPROM的单片机芯片（例如8751），为写入程序需提供专门的编程脉冲和编程电源，这些信号也

26、是由信号引脚以第二功能的形式提供的，即：编程脉冲：30脚（ALE/）编程电压（25V）：31脚（/VPP）表2-1 P3口各引脚与第二功能表引脚端口第二功能P3.0RXD串行数据接收P3.1TXD串行数据发送P3.2外部中断0申请P3.3外部中断1申请P3.4T0定时/计数器0的外部输入P3.5T1定时/计数器1的外部输入P3.6外部RAM写选通P3.7外部RAM读选通2.3 MCS-51单片机存储器配置2.3.1 MCS-51内部数据存储器MCS-51单片机的芯片内部有RAM和ROM两类存储器，即所谓的内部RAM和内部ROM，首先分析内部RAM。1内部数据存储器低128个单元8051的内部R

27、AM共有256个单元，通常把这256个单元按其功能划分为两部分：低128单元（单元地址00H7FH）和高128单元（单元地址80HFFH）。表2.2所示为低128单元的配置图。表2.2 片内RAM的配置 30H 7FH数据缓冲区20H 2FH位寻址区（00H7FH）18H 1FH工作寄存器3区（R7R0）10H 17H工作寄存器2区（R7R0）08H 0FH工作寄存器1区（R7R0）00H 07H工作寄存器0区（R7R0）低128单元是单片机的真正RAM存储器，按其用途划分为寄存器区、位寻址区和用户RAM区三个区域。(1) 寄存器区8051共有4组寄存器，每组8个寄存单元（各为8），各组都以R

28、0R7作寄存单元编号，占据内部RAM的00H1FH单元地址。(2) 位寻址区内部RAM的20H2FH单元，既可作为一般RAM单元使用，对单元中每一位进行位操作，因此称之为位寻址区。位寻址区共有16个RAM单元，计128位，地址为00H7FH。(3) 用户RAM区在内部RAM低128单元中，通用寄存器占去32个单元，位寻址区占去16个单元，剩下80个单元，这就是供用户使用的RAM区，其单元地址为30H7FH。2内部数据存储器高128单元内部RAM的高128单元是供给专用寄存器使用的，其单元地址为80HFFH。因这些寄存器的功能已作专门规定，故称之为专用寄存器（Special Function R

29、egister），也可称为特殊功能寄存器。 (1) 专用寄存器（SFR）简介8051共有21个专用寄存器，现把其中部分寄存器简单介绍如下：1) 程序计数器（PCProgram Counter）。PC是一个16位的计数器，自动加1功能，用来控制程序的执行顺序；PC没有地址，是不可寻址的，用户无法对它进行读写，但可以通过转移、调用、返回等指令改变其内容，以实现程序的转移。2) 累加器（ACCAccumulator）。累加器为8位寄存器，是最常用的专用寄存器，功能较多，地位重要。它既可用于存放操作数，也可用来存放运算的中间结果。3) B寄存器。B寄存器是一个8位寄存器，主要用于乘除运算。乘法运算时，

30、B存乘数。乘法操作后，乘积的高8位存于B中，除法运算时，B存除数。除法操作后，余数存于B中。4) 程序状态字（PSWProgram Status Word）。程序状态字是一个8位寄存器，用于存放程序运行中的各种状态信息。PSW各位定义如下：表2.3 PSW的位地址定义PSW位地址D7HD6HD5HD4HD3HD2HD1HD0H字节址D0HCYACF0RS1RS0OVF1P除PSW.1位保留未用外，其余各位的定义及使用如下：CY（PSW.7）进位标志位。CY是PSW中最常用的标志位，其功能是存放算术运算的进位标志，进行加或减运算。AC（PSW.6）辅助进位标志位。用户标志位：RS1和RS0（PS

31、W.4，PSW.3）寄存器组选择位。它们被用于选择CPU当前使用的通用寄存器组共有4组。单片机上电或复位后，RS1 RS0=00。OV（PSW.2）溢出标志位。5)数据指针（DPTR）。数据指针为16位寄存器。编程时，DPTR既可以按16位寄存器使用，也可以按两个8位寄存器分开使用。6) 堆栈指针（SPStack Pointer）。堆栈是一个特殊的存储区，用来暂存数据和地址，它是按“先进后出”的原则存取数据的。(2) 专用寄存器中的字节寻址和位地址MCS-51系列单片机有21个可寻址的专用寄存器，其中有11个专用寄存器是可以位寻址的。对此问题作如下说明：1) 21个可字节寻址的专用寄存器是不连

32、续地分散在内部RAM高128单元之中，尽管还余有许多空闲地址，但用户并不能使用。2) 程序计数器PC不占据RAM单元，它在物理上是独立的，因此是不可寻址的寄存器。3) 对专用寄存器只能使用直接寻址方式，书写时既可使用寄存器符号，也可使用寄存器。 2.3.2 对8051扩展的外部程序存储器7448是一种4kx8位紫外线擦除电可编程只读存储器，数据存储器空间地址为0000H0FFFH，片外最多可扩至64KB ROM/EPROM，其地址为1000HFFFFH，可以从0000H开始编址。2732管脚排列如图下所示。图2.3 2732管脚排列 其中：A0A1112位地址线，可寻址4k字节；D0D78位数

33、据线；CE片选信号；OE输出允许信号；VPP编程电源；VCC电源（5V）；GND地。需要说明的是：1计算机的工作是按照事先编制好的程序命令条条循序执行的，程序存储器就是用来存放这些已编好的程序和表格常数，它由只读存储器ROM或EPROM组成。 2单片机使用程序计数器PC（Program Counter）作为程序存储器的地址指针，且PC总是指向将要执行的下一条指令所在的程序存储器单元地址。3实际应用时, 程序存储器的容量分别是：0000H单元是系统的起始地址，0003H、000BH、0013H、001BH和0023H对应5种中断源的中断服务入口地址。程序存储器中的复位和中断源共6个固定的入口地址

34、见表2.4。表2.4 MCS51单片机复位、中断入口地址操作入口地址复位0000H外部中断0003H定时器/计数器0溢出000BH外部中断0013H定时器/计数器1溢出001BH串行口中断0023H定时器/计数器2溢出或T2EX端负跳变002BH2.4 MCS-51单片机的时序时序是用定时单位来说明的。MCS-51的时序定时单位共有4个，从小到大依次是：节拍、状态、机器周期和指令周期。下面分别加以说明。1节拍与状态把振荡脉冲的周期定义为节拍（用P表示）。振荡脉冲经过二分频后，就是单片机的时钟信号的周期，其定义为状态（用S表示）。这样，一个状态就包含两个节拍，具前半周期对应的拍节叫节拍1(P1)

35、，后半周期对应的节拍叫节拍2(P2)。2机器周期MCS-51采用定时控制方式, 因此它有固定的机器周期。规定一个机器周期的宽度为6个状态，并依次表示为S1S6。3指令周期指令周期是最大的时序定时单位，执行一条指令所需要的时间称为指令周期。它一般由若干个机器周期组成。单片机执行任何一条指令时都可以分为取指令阶段和执行指令阶段。MCS-51的取指/执行时序：(a)单字节单周期指令；(b)双字节单周期指令；(c)单字节双周期指令由图2.4可示，ALE引脚上出现的信号是周期性的，在每个机器周期内出现两次高电平。第一次出现在S1P2和S2P1期间，第二次出现在S4P2和S5P1期间。图2.4 MCS-5

36、1单片机的取指/执行时序图2.4(a)，(b)所示分别给出了单字节单周期和双字节单周期指令的时序。单周期指令的执行始于S1P2，这时操作码被锁存到指令寄存器内。图2.4(c)给出了单字节双周期指令的时序，两个机器周期内进行4次读操作码操作，其为单字节指令，后三次读操作都是无效的。2.5 LED发光二极管发光二极管LE（light emitting diode）是一块电致发光的半导体材料，其核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就是发出从紫外到红外不

37、同颜色的光线，光的强弱与电流有关。鉴于LED发光二极管用得较为普遍报价较低所以设计中选用它。按发光管发光颜色分，可分成红色、橙色、绿色（又细分黄绿、标准绿和纯绿）、蓝光等。由于用在报警电路，所以选择红色的。模拟水位高度由15个双色发光二极管（LED）来完成，共分为4组。在某一特定时刻，每组LED与一个数码管一起被选通（4组LED对应4个数码管），两个8位的移位寄存器74LS164级联，将单片机送出的2个字节串行数据转化为16位并行数据，分别送选通的LED和数码管。在不同时刻，系统对4组LED和数码管快速地循环扫描，就完成了面板显示的功能。用7448可以直接驱动共阴极的半导体数码管，由图3.3.

38、37448输出端可以看到，当输出管截止、输出为高电平时，流过发光二极管的电流是由Vcc经2k欧上拉电阻提供的。当Vcc=5V时，这个电流只有2mA左右。如果数码管需要的电流大于这个数值时，则应在2k欧的上拉电阻上在并联适当的电阻。用7448驱动半导体数码管的连接方式如图3.3.3数码显示所示。 2.5水泵的介绍水泵是每个家庭必不可少的生活工具，虽然大多数人并没有认识到这一点， 但这确是事实。很多人对水泵一无所知。1水泵的分类水泵一般多以泵的结构和作用原理来分类，有时根据需要也按使用部门、用途、动力类型和泵的水力性能等进行分类。(2) 按使用部门分  有农业用泵（农用泵）、工作用泵（工

39、业泵）和特殊用泵等。(2)按用途分  有水泵、砂泵、泥浆泵、污水泵、污物泵、井用泵、潜水电泵、喷灌泵、家用泵、消防泵等。(2) 按动力类型分  有手动泵、畜力泵、脚踏泵、风力泵、太阳能水泵、电动泵、机动泵、水轮泵、内燃水泵、水锤泵等。(2) 按工作原理分  有离心泵、混流泵、轴流泵、旋涡泵、射流泵、积泵（螺杆泵、活塞泵、隔膜泵）、链条泵、电磁泵、液环泵、脉冲泵等。2选择水泵的主要参数水泵参数是指泵工作性能的主要技术数据，包括流量、扬程、转速、效率和比转数等。(1) 流量（Q） 泵的流量是指单位时间内所排出的液体的数量。通常泵的流量用体积计算，以Q表示，单位为米3/

40、时（m3/h）、米3/秒（m3/s）、升/秒（1/s），也可用重量计，以G表示，单位为吨/时（t/h）、吨/秒（t/s）、千克/秒（kg/s）。 G与Q的关系： G=r×Qr-液体重度（千克/米3） 因水的重量近似1000千克/米3，故1升/秒=3.6米3/时=3.6吨/时(2) 扬程（H）泵的扬程是指单位重量的液体通过泵所增加的能量。以H表示，实质上就是水泵能够扬水的高度，又叫总扬程或全扬程。单位为米液柱高度，习惯上省去“液柱”，以米（m）表示。泵的总扬程由吸水扬程与出水扬程两部分组成，因此总扬程=吸水扬程=出水扬程但由于水流经过管路时受到各种阻力而减少了泵的吸水扬程和出水扬程，因

41、此：吸水扬程=实际吸水扬程+吸水损失扬程出水扬程=实际出水扬程+出水损失扬程损失扬程=吸水损失扬程+出水损失扬程总扬程=实际扬程+损失扬程由于水泵铭牌上标明的扬程是上述水泵的总扬程，因此不能误认为铭牌上的扬程是实际扬程数值，水泵的实际扬程都比水泵铭牌上的扬程数值小。因此在确定水泵扬程时，这一点要特别注意。否则，如果只按实际扬程来确定水泵的扬程，订购来的水泵扬程就低了，那可能会降低水泵的效率，甚至打不上水来。损失扬程与管路上的水管和附件种类（低阀、闸阀、逆止阀、直管、弯管）、数量、水管内径、管长、水管内壁粗糙程度以及水泵流量等都有密切关系，这一点在管路设计和选配水管和附件时也应注意。(3) 允许

42、吸上真空高度（Hs）允许吸上真空高度是指真空表读数吸水扬程，也就是泵的吸水扬程（简称泵的吸程），包括实际吸水扬程与吸水损失扬程之和。以Hs表示，单位为米（m）。允许吸上真空高度是安装水泵高度的重要参数，安装水泵时，应使水泵的吸水扬程小于允许吸上真空高度值，否则安装过高，就吸不上水或生产气蚀现象。如生产气蚀，不仅水泵性能变坏，而且也可能使叶轮损坏。(4) 转速（n）转速是指泵叶轮每分钟的转数，以n表示，单位为转/分（r/min）。每台泵都有一定的转速，不能随意提高或降低，这个固定的转素称为额定转速，水泵铭牌上标定的转速即为额定转速。如泵运转超过额定转速，不但会引起动力机超载或转不动，而且泵的零部

43、件也容易损坏；转速降低，泵的效率就会降低，影响水泵的正常工作。(5) 比转数（ns）在前述水泵型号中，有些型号的组成部分有比转数这个参数。比转数与转速是两个概念，水泵的比转数，简称比速，常用符号为ns。水泵的比转数是指一个假想的所谓标准水泵叶轮的转数，这个假想的水泵与真实水泵的叶轮各部分都几何相似，而在消耗功率为0.735千瓦、扬程为1米、流量为0.075立方米/秒时所具有的转数。叶轮形状相同或相似的水泵比转数相同，叶轮形状不相同或不相似的水泵比转数不相同。如轴流泵比转数比混流泵大，混流泵比转数也是反映水泵特性的综合性指标。此外，要注意比转数大的水泵，其转速不一定高；比转数小的，转速不一定低。

44、大流量、低扬程的水泵，比转数大，反之则小。一般比转数较低的离心泵，其流量小、扬程高；而比转数较高的轴流泵，其流量大、扬程低。3 硬件电路的设计电路的原理以及设计中所用的器件都在前已经作了详细的叙述,本章就直接围绕图3.1介绍电路的具体设计。图3.1电路原理3.1 时钟电路1时钟信号的产生在MCS-51芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，其输出端为引脚XTAL2。而在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器，这就是单片机的时钟电路，如图3.2所示。时钟电路产生的振荡脉冲经过触发器进行二分频之后，才成为单片机的时钟脉冲信

45、号。请读者特别注意时钟脉冲与振荡脉冲之间的二分频关系，否则会造成概念上的错误。一般地，电容C1和C2取30PF左右，晶体的振荡频率范围是1.212MHz。晶体振荡频率高，则系统的图3.2 内部时钟和外部时钟时钟频率也高，单片机运行速度也就快8051的时钟有两种方式，一种是片内时钟振荡方式，但需在18和19脚外接石英晶体(2-12MHz)和振荡电容，振荡电容的值一般取10p-30p。另外一种是外部时钟方式，即将XTAL1接地，外部时钟信号从XTAL2脚输入。图3.3 时钟电路3.2 复位电路单片机的复位功能也非常重要，所谓复位即是使单片机内部的各个寄存器的值变为初始状态的操作。单片机复位是使CP

46、U和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。51系列单片机在时钟电路工作以后，在RST端持续给2个机器周期的高电平就可以完成复位操作（一般复位正脉冲宽度大于10ms）。单片机复位分为上电复位（Power On Reset）和外部复位两种方式。单片机复位的条件是：必须使RST/VPD或RST引(9)加上持续两个机器周期（即24个振荡周期）的高电平。单片机常见的复位电路如图3.4(a)，(b)所示。图2.7(a)为上电复位电路，它是利用电容充电来实现的。在接电瞬间，RESET端的电位与VCC相同，随着充电电流的减少，RESET的电位逐渐下降。只要保证RESET为高电平的

47、时间大于两个机器周期，便能正常复位。图3.4 片机常见的复位电路(a) 上电复位电路；(b) 按键复位电路如：图3.4为按键复位电路。该电路除上电复位功能外，若要复位，只需按图3.4(b)RESET键，此时电源VCC经电阻R1、R2分压，在RESET端产生一个复位高电平。在上电瞬间RST端与VCC有相同的电压，随着电容上电压的逐渐上升，RST端电位将逐渐下降。上电复位所需的最短时间是振荡器振荡建立时间加2个机器周期。复位电路的阻容参数通常由实验调整决定。譬如，在如下所示的上电复位电路中如取电路参数C为22uF，R取1K，即可在RST端提供足够的高电平脉冲，使得单片机能够可靠的实现上电自动复位。

48、单片机复位期间不产生ALE和信号，即ALE=1和=1。这表明单片机复位期间不会有任何取指操作。复位后，内部各专用寄存器状态如下：PC： 0000H TMOD：00HACC： 00H TCON： 00HB： 00H TH0： 00HPSW： 00H TL0： 00HSP： 07H TH1： 00HDPTR： 0000H TL1： 00HP0P3： FFH SCON： 00HIP： *00000B SBUF： 不定IE： 0*00000B PCON： 0*0000其中，*表示无关位。(1) 复位后PC值为0000H，表明复位后程序从0000H开始执行，这一点在实训中已介绍。(2) SP值为07H，

49、表明堆栈底部在07H。一般需重新设置SP值。(3) P0P3口值为FFH。P0P3口用作输入口时，必须先写入“1”。单片机在复位后，已使P0P3口每一端线为“1”，为这些端线用作输入口做好了准备。3.3 水位采集电路设计1水位检测传感器的选用传感器是一种能感受被测物体物理量并将其转化为便于传输或处理的电信号的装置，在现代科技领域中，传感器得到了广泛应用，各种信息的采集离不了各种传感器，传感器的基本功能在于能感受外界的各种“刺激”并作出迅速反映。本设计当中我们采用的水位探测传感器简单易做，经济实惠。其外形轮廓如下：图3 水位探测传感器外观图A为接+5V电源的线与水一直保持连通，B线为低水位控制线

50、，当水位到达低水位的时候它不导通，水在正常范围内时，它导通。C线为高水位控制线，当它导通时，表示水已经为高水位。本设计中采用了细铜线作为我们的传感器的材料。主要考虑了(1)细铜线的电阻率比较低，这样就可以避免由于电阻过大而使输出的电平过低，以致不能很好地驱动单片机工作(2)传电性能比较好，传电速率比较快，也就是说灵敏性非常好。(3)细铜线便宜易找。本传感器的尺寸是A线是30CM，B线是20CM，C线是15CM，铜线直径是15MM。水位采集电路如图3.4。b，c端的两个水位信号通过P1.0和P1.1输入单片机,这两个信号共有4种组合，见表3.1。C(P1.1)b(P1.0)操作00电机运转01维

51、持原状10故障报警11电机停转表3.1 水位采集信号的4种组合其中第三种组合（b=1,c=0）正常情况是不可能发生的，但是设计中还是要考虑到，并作为一种故障状态。图3.5 水位采集电路3.4 报警电路设计本设计采用LED发光二极管作为报警器。LED的工作原理已经在第2章中详细介绍了，这里就不在重述。报警电路如图3.6所示,从P13输出报警信号，驱动发光二极管进行光报警。3图3.6 报警电路3.5 控制电机电路设计1电机驱动设计电感线圈是一种感性负载，当流过线圈的电流发生变化时线圈会发生很大的反电动势，这个反电动势有可能损坏驱动器中的输出晶体管。因此，为了防止驱动器损坏，线圈两端必须加箝位二极管

52、。图3.3.4为采用SN75467驱动交流继电器的电路图。 当AT89C51在P2.0上输出低电平时，SN75467相应的输出晶体管导通，继电器线圈中有电流流过，继电器吸合；当AT89C51在P2.0上输出高电平时，驱动器相应输出晶体管截止，继电器线圈中无电流流过，继电器不吸合，触电常开。在图3.3.4中，二极管用于箝位线圈两端可能出现的反电动势。2控制电机电路电路如图3.7，控制信号由P12端输出,去控制电机。为了提高可靠性，使用光耦合隔离。本设计选用ZSN4系列直流电动机，其工作原理是根据电磁感应和通电导体在磁场中受力旋转，以给直流电机的电枢绕组通入电流，载流导体在磁场中将受电磁力的作用，

53、由于换向器的换向作用，导体进入异极磁极时，导体中的电流也相应改变，从而保证了电磁转矩的方向不变，使直流电机能连续旋转，把直流电能转换成机械能输出。这里只是需要在电机上加一个水泵就可以实现，当电机工作时，水泵自动抽水。利用脉宽调制(PWM)方式实现调光/调速的好处是电源的能量能得到充分利用，电路的效率高。例如：当输出为50的方波时，脉宽调制(PWM)电路消耗的电源能量也为50，即几乎所有的能量都转换为负载功率输出。而采用常见的电阻降压调速时，要使负载获得电源最大输出功率50的功率，电源必须提供71以上的输出功率，这其中21消耗在电阻的压降及热耗上。有时电路的转换效率是非常重要的。此外，采用脉宽调

54、制(PWM)方式可以使负载在工作时得到满电源电压，这样有利于克服电机内在的线圈电阻而使电机产生更大的力矩。控制电机电路如图3.7图3.7 控制电机电路3.6 看门狗技术在由单片机构成的微型计算机系统中,由于单片机的工作常常会受到来自外界电磁场的干扰,造成程序的跑飞,而陷入死循环,程序的正常运行被打断,由单片机控制的系统无法继续工作,会造成整个系统的陷入停滞状态,发生不可预料的后果,所以出于对单片机运行状态进行实时监测的考虑,便产生了一种专门用于监测单片机程序运行状态的芯片,俗称"看门狗"(watchdog)看门狗电路的应用，使单片机可以在无人状态下实现连续工作,其工作原理是

55、:看门狗芯片和单片机的一个I/O引脚相连,该I/O引脚通过程序控制它定时地往看门狗的这个引脚上送入高电平(或低电平),这一程序语句是分散地放在单片机其他控制语句中间的，一旦单片机由于干扰造成程序跑飞后而陷入某一程序段 进入死循环状态时,写看门狗引脚的程序便不能被执行,这个时候,看门狗电路就会由于得不到单片机送来的信号,便在它和单片机复位引脚相连的引脚上送出一个复位信号,使单片机发生复位,即程序从程序存储器的起始位置开始执行,这样便实现了单片机的自动复位.看门狗,又叫 watchdog timer,是一个定时器电路,一般有一个输入,叫喂狗(kicking the dog or service the dog),一个输出到MCU的RST端,MCU正常工作的时候,每隔一端时间输出一个信号到喂狗端,给 WDT 清零,如果超过规定的时间不喂狗,(一般在程序跑飞时),WDT 定时超过,就回给出一个复位信号到MCU,是MCU复位。防止MCU死机. 看门狗的作用就是防止程序发生死循环，或者说程序跑飞。工作原理：在系统运行以后也就启动了看门狗的计数器，看门狗就开始自动计数，如果到了一定的时间还不去清看门狗，那么看门狗计数器就会溢出从而引起看门狗中断，造成系统复位。所以在使用有看门狗的芯片时要注意清看门狗。系统软件"看门狗"的设计思路：(1) 看