微控制器课程设计论文

1、郑 州 轻 工 业 学 院微控制器应用设计题目：水位控制系统设计姓 名： 院 （系）： 专业班级： 学 号： 指导教师： 成 绩： 时间：2013年 12月 16日至 2013年 12月 30日摘 要水位控制器主要用于工厂及家庭的自备水泵、水井及贮水池的水位自动控制。实现了智能化控制，免去了人工看管的麻烦。自动化控制对水位的控制精确、及时、节省人力资源，优于人工控制。本单片机系统设计的目的是应用单片机控制技术，以MCS-51系列单片机为核心，组成一个水位自动控制系统，并实现全自动位式进水, 六区间式水位显示, 满水、低水水位报警, 水位传感器故障自检及报警提示等功能。该系统操作方便、性能良好，

2、本文还详细的给出了相关的硬件框图和软件流程图，并编制了该汇编语言程序。ABSTRACTWater Level Controller is mainly used in factories and family-owned pumps, wells and cisterns for water level control. Realization of intelligent control, eliminating the need for artificial custody trouble. Automation and control accurate and timely contro

3、l of the water level, saving human resources, better than manual control. The purpose of this design is the application of SCM system MCU control technology to MCS-51 series microcontroller core, consisting of a water level automatic control system, and to achieve automatic-position water, six water

4、 level display range, full of water, low water level alarm , the water level sensor fault detection and alarm functions. The system is easy to operate, good performance, this paper also gives a detailed block diagram of related hardware and software flow chart, and the preparation of the assembly la

5、nguage program.第1章 水位控制系统的整体设计概述1.1 水位控制系统设计背景介绍 由于自动化技术在工矿企业的广泛运用，水位自动控制技术越来越频繁地进入到自动控制系统设计者的视线。传统的水位控制系统虽结构简单但功能单一无法实现人机交互且通用性差。如今随着电子技术的飞速发展，电子产品制造工艺成熟，批量生产降低了产品价格。人们开始意识到采用单片机来实现水位控制。其人机交互性强控制精度高，功能强大，能够方便地与上位机通讯实现数据共享。且价格低廉通用性、实用性强能够在稍作改造后或直接用于诸如自来水厂的储水池、爆气池污水处理厂、化学工厂的各类液体池以及电厂一的锅炉气泡等需要水位自动控制的场

6、合。水位测量在各个设计有着广泛的应用，而且随着科学技术的发展对测量的精度要求愈来愈高。本单片机系统设计的目的是应用单片机控制技术，以MCS-51系列单片机为核心，组成一个水位自动控制系统，并实现全自动位式进水, 六区间式水位显示, 满水、低水水位报警, 水位传感器故障自检及报警提示, 能延时恢复的报警消音等功能。1.2 系统整体框图水位检测装置电源及基本外围电路89c51单片机Led报警蜂鸣器报警点击正反转及不工作图1 水位控制系统设计框图第2章 MCS-51单片机简介2.1 MCS-51单片机的组成MCS-51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

7、。每一个单片机包括：一个8位的微型处理器CPU；一个128K的片内数据存储器RAM；特殊功能寄存器；片内程序存储器ROM；四个8位并行的I/O接口P0-P3；两个定时器/记数器；一个全双工UART的串行I/O口；片内振荡器和时钟产生电路。2.2 单片机结构组成MCS-51单片机是在一块芯片中集成了CPU，RAM，ROM、定时器/计数器和多种功能的I/O线等一台计算机所需要的基本功能部件。MCS-51单片机内包含下列几个部件： 一个8位CPU； 一个片内振荡器及时钟电路； 4K字节ROM程序存储器； 128字节RAM数据存储器； 两个16位定时器/计数器； 可寻址64K外部数据存储器和64K外部

8、程序存储器空间的控制电路； 32条可编程的I/O线（四个8位并行I/O端口）； 一个可编程全双工串行口； 具有五个中断源、两个优先级嵌套中断结构。8051单片机框图如图2-1所示。各功能部件由内部总线联接在一起。图中4K（4096）字节的ROM存储器部分用EPROM替换就成为8751；图中去掉ROM部分就成为8031的结构图。 图2-1 8051单片机框图2.2 MCS-51中央处理器(CPU)CPU是单片机的核心部件。它由运算器和控制器等部件组成。 运算器运算器的功能是进行算术运算和逻辑运算。可以对半字节（4位）、单字节等数据进行操作。例如能完成加、减、乘、除、加1、减1、BCD码十进制调整

9、、比较等算术运算和与、或、异或、求补、循环等逻辑操作，操作结果的状态信息送至状态寄存器。8051运算器还包含有一个布尔处理器，用来处理位操作。它是以进位标志位C为累加器的，可执行置位、复位、取反、等于1转移、等于0转移、等于1转移且清0以及进位标志位与其他可寻址的位之间进行数据传送等位操作。也能使进位标志位与其他可位寻址的位之间进行逻辑与、或操作。1） 程序计数器PC程序计数器PC用来存放即将要执行的指令地址，共16位，可对64K程序存储器直接寻址。执行指令时，PC内容的低8位经P0口输出，高8位经P2口输出。2） 令寄存器指令寄存器中存放指令代码。CPU执行指令时，由程序存储器中读取的指令代

10、码送入指令寄存器，经译码后由定时与控制电路发出相应的控制信号，完成指令功能。3） 定时与控制部件时钟电路8051片内设有一个由反向放大器所构成的振荡电路，XTAL1和 XTAL2分别为振荡电路的输入和输出端，时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。内部方式时钟电路如图2-2所示。在XTAL1和 XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡电路就产生自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶振可以在1.2MHz到12MHz之间选择，电容值在5-30PF之间选择，电容的大小可起频率微调作用。XTAL1XTAL2 电容1 晶振 电容2图 2-2 内部方式时钟电路外部方式的时钟很少用，若要

11、用时，只要将XTAL1接地，XTAL2接外部振荡器就行。对外部振荡信号无特殊要求，只要保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟信号P1和P2供单片机使用。P1在每一个状态S的前半部分有效，P2在每个状态的后半部分有效。 时序MCS-51典型的指令周期（执行一条指令的时间称为指令周期）为一个机器周期，一个机器周期由六个状态（十二振荡周期）组成。每个状态又被分成两个时相P1和P2。所以，一个机器周期可以依次表示为S1P1，S1P2，S6P1，S6P2。通常算术逻辑操作在P1时相进行，而内部寄存器传送在P2时相进行。图2-3给出了8051单片机

12、的取指和执行指令的定时关系。这些内部时钟信号不能从外部观察到，所用XTAL2振荡信号作参考。在图中可看到，低8位地址的锁存信号ALE在每个机器周期中两次有效：一次在S1P2与S2P1期间，另一次在S4P2与S5P1期间。图2-3 80c51的时序对于单周期指令，当操作码被送入指令寄存器时，便从S1P2开始执行指令。如果是双字节单机器周期指令，则在同一机器周期的S4期间读入第二个字节，若是单字节单机器周期指令，则在S4期间仍进行读，但所读的这个字节操作码被忽略，程序计数器也不加1，在S6P2结束时完成指令操作。图2-3的(a)和(b)给出了单字节单机器周期和双字节单机器周期指令的时序。8051指

13、令大部分在一个机器周期完成。乘（MUL）和除（DIV）指令是仅有的需要两个以上机器周期的指令，占用4个机器周期。对于双字节单机器周期指令，通常是在一个机器周期内从程序存储器中读入两个字节，唯有MOVX指令例外。MOVX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。图2-3中(c)给出了一般单字节双机器周期指令的时序。2.3 MCS-51单片机存储器结构MCS-51存储器结构与常见的微型计算机的配置方式不同，它把程序存储器和数据存储器分开，各有自已的寻址系统，控制信号和功能，程序存储器用来存放程序和始终要保留的常数，例如：所编

14、程序经汇编后的机器码。数据存储器通常用来存放程序运行中所需要的常数或变量。例如：做加法时的加数和被加数、做乘法时的乘数和被乘数、模/数转换时实时记录的数据等等。从物理地址空间看，MCS-51有四个存储器地址空间，即:片内程序存储器和片外程序存储器以及片内数据存储器和片外数据存储器。MCS-51系列各芯片的存储器在结构上有些区别，但区别不大，从应用设计的角度可分为如下几种情况：片内有程序存储器和片内无程序存储器、片内有数据存储器且存储单元够用和片内有数据存储器且存储单元不够用。2.3.1程序存储器 程序存储器用来存放程序和表格常数。程序存储器以程序计数器PC作地址指针，通过16位地址总线，可寻址

15、的地址空间为64K字节。片内、片外统一编址。片内有程序存储器且存储空间足够在8051/8751片内，带有4K 字节ROM/EPROM程序存储器(内部程序存储器)，4K字节可存储约两千多条指令，对于一个小型的单片机控制系统来说就足够了，不必另加程序存储器，若不够还可选8K或16K内存的单片机芯片，例如：89C52等，总之，尽量不要扩展外部程序存储器，这会增加成本、增大产品体积。片内有程序储器且存储空间不够若开发的单片机系统较复杂，片内程序存储器存储空间不够用时，可外扩展程序存储器，具体扩展多大的芯片要计算一下，由两个条件决定：一是看程序容量大小，二是看扩展芯片容量大小，64K总容量减去内部4K即

16、为外部能扩展的最大容量，2764容量为8K、27128容量为16K、27256容量为32K、27512容量为64K。（具体扩展方法见存储器扩展）。若再不够就只能换芯片，选16位芯片或32位芯片都可。定了芯片后就要算好地址，再将引脚接高电平，使程序从内部ROM开始执行，当PC值超出内部ROM的容量时，会自动转向外部程序存储器空间。对8051/8751而言，外部程序存储器地址空间为1000H FFFFH。对这类单片机，若把接低电平，可用于调试程序，即把要调试的程序放在与内部ROM空间重叠的外部程序存储器内，进行调试和修改。调试好后再分两段存储，再将接高电平，就可运行整个程序。片内无程序存储器803

17、1芯片无内部程序存储器，需外部扩展EPROM 芯片，地址从0000H-FFFFH都是外部程序存储器空间，在设计时应始终接低电平，使系统只从外部程序储器中取指令。MCS-51单片机复位后程序计数器PC的内容为0000H ，因此系统从0000H单元开始取指，并执行程序，它是系统执行程序的起始地址，通常在该单元中存放一条跳转指令，而用户程序从跳转地址开始存放程序。2.3.2 数据存储器、内部数据存储器MCS-51单片机的数据存储器无论在物理上或逻辑上都分为两个地址空间，一个为内部数据存储器，访问内部数据存储器用MOV指令，另一个为外部数据存储器，访问外部数据存储器用MOVX指令。MCS-51系列单片

18、机各芯片内部都有数据存储器，是最灵活的地址空间，它分成物理上独立的且性质不同的几个区：00H - 7FH(0 - 127)单元组成的128字节地址空间的RAM区；80H - FFH（128 - 255）单元组成的高128字节地址空间的特殊功能寄存器(又称SFR)区。注意:8032/8052单片机将这一高128字节作为RAM区。图2-4 MCS-51内部RAM存储器结构2.3.3 特殊功能寄存器MCS-51单片机内的锁存器、定时器、串行口数据缓冲器以及各种控制寄存和状态寄存器都是以特殊功能寄存器的形式出现的，它们分散地分布在内部RAM地址空间范围，表2-5列出了这些特殊功能存储器的助记标识符、名

19、称及地址，其中大部分寄存器的应用将在后面有关章节中详述，这里仅作简单介绍。表2-1 特殊功能寄存器标 识 符名 称地址* ACC累加器E0H* BB寄存器F0H* PSW程序状态字D0HSP堆栈指针81HDPTR数据指针（包括DPH和DPL）83H和82H* P0口080H* P1口190H* P2口2A0H* P3口3B0H* IP中断优先级控制B8H* IE允许中断控制A8HTMOD定时器/计数器方式控制89HTCON定时器/计数器控制88H+T2CON定时器/计数器2控制C8HTH0定时器/计数器0（高位字节）8CHTL0定时器/计数器0（低位字节）8AHTH1定时器/计数器1（高位字节

20、）8DHTL1定时器/计数器1（低位字节）8BH+TH2定时器/计数器2（高位字节）CDH+TL2定时器/计数器2（低位字节）CCH+RLDH定时器/计数器2自动再装载CBH+RLDL定时器/计数器2自动再装载CAH*SCON串行控制98HSBUF串行数据缓冲器99HPCON电源控制87H第3章 MCS-51单片机最小系统构成3.1 MCS-51单片机引脚功能MCS单片机都采用40引脚的双列直插封装方式。图2-9为引脚排列图， 40条引脚说明如下：1、主电源引脚Vss和Vcc Vss接地 Vcc正常操作时为+5伏电源2、外接晶振引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1内部振荡电路反相放大器的输入

21、端，是外接晶体的一个引脚。当采用外部振荡器时，此引脚接地。 XTAL2内部振荡电路反相放大器的输出端。是外接晶体的另一端。当采用外部振荡器时，此引脚接外部振荡源。 图3-1 80c51引脚图3、控制或与其它电源复用引脚RST/VPD，ALE/PROG ，PSEN 和EA /Vpp RST/VPD 当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平（由低到高跳变），将使单片机复位在Vcc掉电期间，此引脚可接上备用电源，由VPD向内部提供备用电源，以保持内部RAM中的数据。 ALE/PROG正常操作时为ALE功能（允许地址锁存）提供把地址的低字节锁存到外部锁存器，ALE 引脚以不变的频率（振荡器频

22、率的 ）周期性地发出正脉冲信号。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。但要注意，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲，ALE 端可以驱动（吸收或输出电流）八个LSTTL电路。对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚接收编程脉冲（PROG功能）。 PSEN外部程序存储器读选通信号输出端，在从外部程序存储取指令（或数据）期间，PSEN 在每个机器周期内两次有效。PSEN 同样可以驱动八LSTTL输入。EA/Vpp 、 EA/Vpp为内部程序存储器和外部程序存储器选择端。当 /Vpp为高电平时，访问内部程序存储器，当 /Vpp 为低电平时，则访问外部程序存储器。对于EP

23、ROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚上加21伏EPROM编程电源（Vpp）。4、输入/输出引脚P0.0 - P0.7，P1.0 - P1.7，P2.0 - P2.7，P3.0 - P3.7。 P0口（P0.0 - P0.7）是一个8位漏极开路型双向I/O口，在访问外部存储器时，它是分时传送的低字节地址和数据总线，P0口能以吸收电流的方式驱动八个LSTTL负载。 P1口（P1.0 - P1.7）是一个带有内部提升电阻的8位准双向I/O口。能驱动(吸收或输出电流)四个LSTTL负载。 P2口（P2.0 - P2.7）是一个带有内部提升电阻的8位准双向I/O口，在访问外部存储器时，它输出高8

24、位地址。P2口可以驱动(吸收或输出电流)四个LSTTL负载。 P3口（P3.0 - P3.7）是一个带有内部提升电阻的8位准双向I/O口。能驱动(吸收或输出电流)四个LSTTL负载。3.2复位电路MCS-51单片机的复位电路如图3-2所示。在RESET（图中表示为RST ）输入端出现高电平时实现复位和初始化。MCS-51RESMCS-51RES +5V +5V10F 1K 10UF 10F 复8.2K 按键 10K 地 地 (a) (b)图3-2 复位电路在振荡运行的情况下，要实现复位操作，必须使RES 引脚至少保持两个机器周期（24个振荡器周期）的高电平。CPU在第二个机器周期内执行内部复位

25、操作，以后每一个机器周期重复一次，直至RES端电平变低。复位期间不产生ALE及PSEN信号。内部复位操作使堆栈指示器SP为07H，各端口都为1（P0-P3口的内容均匀0FFH），特殊功能寄存器都复位为0，但不影响RAM的状态。当RES引脚返回低电平以后，CPU从0地址开始执行程序。复位后，各内部寄存状态下如下：加电瞬间，RES 端的电位与Vcc相同，随着RC 电路充电电流的减小RES的电位下降，只要RST 端保持10毫秒以上的高电平就能使MCS-51单片机有效地复位，复位电路中的RC 参数通常由实验调整。当振荡频率选用6MHz时，C选22uF，R选1K，便能可靠地实现加电自动复位，若采用RC电

26、路接斯密特电路的输入端，斯密特电路输出端接MCS-51和外围电路的复位端，能使系统可靠地同步复位。 复位电路在实际应用中很重要，不能可靠复位会导致系统不能正常工作，所以现在有专门的复位电路，如810系列，这种类型的器件不断有厂家推出更好的产品，如将复位电路、电源监控电路、看门狗电路、串行E2ROM存储器全部集成在一起的电路，有的可分开单独使用，有的可只用部份功能，让使用者就具体实际情况灵活选用。第4章 水位控制系统组成电路4.1启动关闭电机电路图4-1 电机控制电路光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。它由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼

27、此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等等。在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了电一光一电的转换。OPT01SO1 光电隔离开关(发光二极管+光敏二极管型)。三端双向交流开关实质上是双向晶闸管,它是在普通晶闸管的基础上发展起来的，双向晶闸管（TRIAC）是由NPNPN五层半导体材料构成的，相当于两只普通晶闸管反相并联，它也有三个电极，分别是主电极T1、主电极T2和栅极G。与单向晶闸管相比

28、较，双向晶闸管的主要区别是：在触发之后是双向导通的，触发电压不分极性，只要绝对值达到触发门限值即可使双向晶闸管导通。导线（输电线）传输的过程某一段是由保险丝完成的，当线路负荷过大或短路导致线路电流剧增，导线温度升高，当温度达到一定熔点（导线的熔点一般比保险丝熔点高），保险丝熔断，达到切切断线路的作用，保护线路及设备遭到更大损害。4.2 报警电路图4-2 蜂鸣器报警电路压电式蜂鸣器 压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。当接通电源后（1.515V直流工作电压）,多谐振荡器起振,输出1.52.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压

29、电蜂鸣片发声。当P0.1为高电平时，使晶体管正向偏置，从而导通，VCC经过蜂鸣器、晶体管，从而使蜂鸣器发出声响。4.3 显示灯电路图4-3 LED显示灯报警当P0.0-P0.5中某引脚为高电平时，经过反向器变为低电平；而UCC产生电流流经R5、发光二极管并使其发光。而当P0.0-P0.5中某引脚为低电平时，经过反向器变为高电平；而UCC产生的电流并不能形成回路，发光二极管不能发光。4.4水位控制及检测电路图中虚线表示允许水位变化的上下限，在正常情况下，应保证水位在虚线范围内，安装5根金属棒(从下到上依次为A-F)，以感应水位变化情况；其中A棒处于下限水位，F棒处于上限水位，B、C、D、E棒处于

30、上下水位之间，A棒接+5V电压，B、C、D、E、F棒各通过一个电阻与地相接。由电机带动水泵供水，单片机控制电机转动以达到水位控制之原理。图4-4 水位控制电路供水时水位上升，当达到上限F时，由于水的导电作用，B、C、D、E、F棒连通+5V电源，此时，P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4均为1状态，这时应停止电机工作，不再供水。当水位将到下限B以下时，B、C、D、E、F棒都不能与A棒导通，因此P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4均为0状态，这时应开启电机，开始供水。4.5 电机运转情况及控制引脚状态P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0检测水位电机状态00000 A水位

31、电机运转并报警00001B水位维持原样00011C水位00111D水位01111E水位11111F水位电机停转并报警0001000100 0010100110出现故障，电机停止，并报警01000010010101001011011000110101110100001000110010100111010010101101101011111000110011101011011111001110111110总 结本文详细介绍了基于单片机控制的水位控制系统的设计，其基本思路比较简单，文中分别介绍了其系统硬件的设计和软件程序的设计。通过自身的努力以及同学们的帮助，本次设计算是成功的，但是限于时间和条件方

32、面的限制，还存在一些不足之处，有待进一步完善。本次设计经近两周，在老师的指导下，同学的帮助下，我查阅了许多相关资料，综合运用了大学中所学相关知识，完成了水位控制系统的设计。在此之间，也遇到了许多难题，通过自学、请教老师、请教同学、耐心思考、上网查询等方式，终于解决了一个又一个难题，完成了设计。此过程中，我受益颇丰。致 谢光阴荏苒，一个学期的学习即将结束，大四的学习生活使我受益匪浅。经历两个星期的磨砺，论文终于完稿，回首这几天来收集、整理、思索、停滞、修改直至最终完成的过程，我得到了许多的关怀和帮助，现在要向他们表达我最诚挚的谢意。首先，我要深深感谢我的导师耿鑫老师。耿老师为人谦和，平易近人。在论文的写作过程中，每当我有所疑问，耿老师总会放下繁忙的工作，不厌其烦地指点我；在我初稿完成之后，耿老师又在百忙之中抽出空来对我的论文认真的批改，字字句句把关，提出许多中肯的指导意见，使我在研究和写作过程中不致迷失方向。他严谨的治学之风和对事业的孜孜追求将影响和激励我的一生，他对我的关心和教诲我更将永远铭记。借此机会，我谨向耿老师致以深深地谢意。其次，我还要感谢郑州轻工业学院专业全体老师，正是因为有了他们严格、无私、高质量的教导，我才能在学习过程中汲取专业知识和迅速提升能力。同时也感谢这一周来与我互勉互励的诸位同学，在各位同学的共同努力之下，我们始终拥有一