毕业设计单片机交流变频恒压城市供水微机监控系统

1、摘 要我国长期以来在城市供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，自动化程度比较低。用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不应求的现象。而在用水低峰期，水的供给量常常高于需求量，出现水压升高供过于求的情况。这样不仅会造成能量的浪费，同时有可能造成水管爆破和用水设备的损坏。为了解决这些问题，本文对交流变频恒压城市供水微机监控系统进行了研究.系统采用AT89C51为核心，并与变频器，压力传感器等器件有机结合起来，构成了变频恒压供水系统。该系统是以管网水压为设定参数，通过控制变频器的输出频率来自动调节水泵电机的转速，并根据用水量的大小由单片机控制水泵数量及变频器对水泵

2、的调速，实现管网水压的闭环调节，即恒压供水。基于供水系统难以为被控对象确定精确的数学模型，水压精度要求不太高的特征，本文提出的是基于PID的恒压供水控制方案。为满足城市发展对于供水质量的要求，降低供水厂单位治水能耗，保证可靠、稳定地城市供水需求，需要对原有供水系统进行自动化改造，将原有的取水系统和供水系统都改为变频调速系统，实现对整个系统的自动化控制和计算机监测管理。交流变频调速恒压供水是现代化城市和小区供水的发展方向。采用单片机控制的交流供水系统具有实现容易，价格低廉的特点，是较理想的控制器。关键词：恒压供水；变频调速；单片机；PIDAbstractIn our country ,the t

3、echnique of city water supply , high-riseconstruction water supply, industrialproduction loop water supply and so on continuously quite backward for a long time, and the automaticity is low . In the water used peak, the watersupplies quantity is usually lower than the demand quantity, appears the ph

4、enomenon which the hydraulic pressure reduces and falls short of demand . But in the water used trough time, the water supplies quantity is usually higher than the demand quantity, appears the circumstance that hydraulic pressure go up and supply exceeds demand.Like this ,it will not only result in

5、the energy wasted, may result in the water pipe demolition and the damage of water used device at the same time.In order to solve these questions ,this design to study the system of alternating current variable frequency constant voltage city water supply supervised by microcomputer .This topic used

6、 AT89C51 as a core, and component with the frequency converter,pressure transducer and so on , constituted the variable frequency constant voltage water supply system. This system is take the pipe hydraulic pressure as the hypothesis parameter, to adjust the rotational speed of water pump electrical

7、 machinery through controls the frequency converter s output frequency , to realizes the pipe hydraulic pressure closed loop adjustment by the singal chip control the quantity of water pump and the frequency converter modulate the velocity to the water pump according to the water consumption size.Th

8、is is namedly constant voltage water supply. According to the characteristics which the water supply system is hard for the determination of precise mathematical model and the hydraulic pressure precision request not too high, this article proposes the plan of constant voltage water supply which is

9、based on PID .For satisfying the city development's request for the water supply quality, reduces the water supply factory cures water can consume, guaranteed reliable, stably city water supply require, it needs to carry on the automated transformation to the original water supply system, change

10、 the original system of take water and supply water to variable frequency velocity modulation system. It will realized the automated control and the computer supervisory management to the entire system .The alternating current variable frequency velocity modulation constant voltage water supply is t

11、he development direction of the modernized city and the plot water supply .The alternating current water supply system which controlled by the singal chip has the characteristics of realization easy and the price inexpensive .It is the ideal controller. Key words: Constant voltage water supply; Vari

12、able frequency velocity modulation; Singal chip; PID目 录第1章 绪 论11.1 城市供水系统的产生11.2 单片机在供水系统中的应用1第2章 方案论证22.1 方案论述22.2 系统优点42.3 控制系统的工作原理4第3章 硬件电路设计53.1 硬件总体说明53.2 控制芯片的选择63.3 AT89C51最小系统93.4 系统的显示部分和键盘接口电路的设计103.5 带手动复位的看门狗复位电路143.6 ADC0809153.7 8155并行I/O接口扩展芯片的应用173.7.1 8155芯片的结构173.7.2 8155芯片的引脚功能17

13、3.7.3 8155的RAM和I/O口的编址193.7.4 8155的工作原理193.7.5 AT89C51和8155的接口方法和应用233.8 打印机控制模块电路设计243.9 PC机与单片机的串行通信接口253.10 水泵运行过程26第4章 系统的软件设计284.1 系统程序整体设计284.2 系统的初始化程序设计304.3 独立按键程序设计314.4 模数转换软件设计324.5 数据处理33第5章 结 论34参考文献35致 谢37附 录38附 录48第1章 绪 论1.1 城市供水系统的产生城市供水微机监控系统的产生近年来，随着居民区的不断扩建与改造，楼房层数不断增加，我国居民用水问题越来

14、越突出，特别是高层建筑居民，原来的自来水管压力出现不足，大部分地区普遍存在着用水高峰期供不上水，高层居民经常出现用水困难，给生活带来极大不便。1.2 单片机在供水系统中的应用随着城市规模的扩大，像以前水塔或定时供水这种简单供水方式很难适应现在社会发展的需求，需采用变频供水方式，于是人们开始基于这种想法开发各种新型的产品，其目的就是使供水控制系统布线简易功能实用，并且节能的产品，于是，人们把单片机应用在供水监控系统中。现在出现了许多类似的产品，这些产品大多具有这样的功能，系统应用的电动机大多数是采用交流变频技术。而系统是采用以单片机为基础的供水控制器，单片机系统不仅可实现泵组的逻辑控制，并可完成

15、系统的数字PID调节功能，可对系统中的各种运行参数、控制点的实时监控。并完成系统运行工况的LED显示、故障报替等功能。恒压供水系统还具有标准的通讯，也可以与城市供水系统的上位机联网，实现城区供水系统的优化控制，为城市供水系统提供了现代化的调度、管理、监控。 在自动恒压供水系统中，由于管网是封闭的。泵站供水的流量是由用户用水量决定的，泵站供水的压力以满足管网中压力的损失。报据反馈原理，要想维持一个物理量不变或基本不变。就应该引入这个物理与恒值比较，形成闭环系统，我们要想保持水压的恒定，因此就必须引入水压检测值与给定值比较。从而形成闭环系统。但被控制的系统是非线性的系统，现代控制和PID相结合的方

16、法，以加快响应速度，在压力范围较小时采用PID来保持静态精度。第2章 方案论证2.1 方案论述自从通用变频器问世以来，变频调速技术在各个领域得到了广泛应用。变频调速恒压供水设备以节能、安全、高品质的供水质量等优点，在实际应用中得到了很大发展，变频技术的发展，在恒压供水方面的应用和优势越来越被人们所熟知和接受。许多城市小区纷纷采用变频器恒压供水系统，以改善供水质量，保证优质水。目前变频恒压供水控制系统主要用：1专用变频器+PLC，2通用变频器+PID控制器。下面对以上两种方式进行比较：由专用变频器与PLC 组成的恒压供水，这类变频器的功能虽然强一些，但价格比通用变频器却高很多。此种类型供水设备的

17、花费不光在变频器上，还体现在PLC上，市场上PLC的价格也要高于单片机的价格。系统由变频器，控制器、传感器、水泵电机及相关电仪控制设备集成而成，是一种具有变频调速和全自动闭环控制功能的机电一体化智能设备。它可同时对一台或多台三拍380/220Y, 50/60HZ异步电动机行交频调速和闭环控制，其系统组成示意图如图2.1所示。水压给定水压传感器水压调节器变频器管道水泵+- 图2.1城市供水系统结构框图从上图中我们可以看到，供水控制系统的基本控制策略是：采用电动机调速装置与供水控制器构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的定行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定

18、供水压力和节约电能的目的。整个系统的工作流程为系统通过安装在出水总管上的压力传感器，将供水管网的非电量信号(动态压力转变成电信号，输入至供水控制器的输入模块，信号经单片机运算处理后与设定的信号进行比较运算，得出偏差值，再经过PID处理得出最佳的运行工况参数，并将其转换成模拟信号，由系统的输出模块输出的频率设定值至变频调速器，变频调速器控制水泵的转数来调节管网内的实际压力值趋向于设定压力值，从而实现闭环控制的恒压供水。对于多台泵调速的方式，控制器控制泵站投运水泵的台数及变最泵的运行工况，并实现对每台水泵根据CPU指令实施软启动、软件切换及变频运行。系统通过计算判定目前是否己达到设定压力，决定是否

19、增加(投入)或减少(撤出)水泵，即:当一台水泵工作频率达到最高频率时，若管网水压仍达不到预设水压，则将自动启动下一台水泵，控制其变频运行。此后，往复工作，直至满足设定压力要求为止，反之，若管网水压大于预设水压，控制器控制变频器频率降低，使变领泵转速降低，当频率低于下限时自动切掉一台水泵，始终使管网水压保持恒定。总之，系统可根据用户用水里的变化，自动确定泵组的水泵的循环运行，以提高系统的稳定性及供水的质量。下面我们对系统的各组成部分加以介绍：由水泵一管道供水原理可知，调节供水流量原则上有两种方法:一是节流调节，开大供水阀，流量上升，调小供水阀，流量下降，第二种方法是调速调节水泵转速升高，供水流量

20、增加，转速下降，流量降低。本文所采用的就是后一种方法，即调速调节方法。在这我们所要做的工作是对其水位进行监测，当水位过低时，就产生报警信号，再通过继电器把报警信号传给单片机，单片机控制报警灯亮同时发出报警声，同时停泵保护。水泵：电机是输出环节，转速由变频器控制，实现变流量恒压控制。在这些水泵中，一般只用一台变频泵。当供水设备供电开始工作时，先起动变频泵，管网水压达到设定值时，变频器的输出频率稳定在一定的数值上。每台水泵均采用星形启动方式各水泵之间变频循环软起动。软起动可减小电动机硬起动引起的电网电压降，使之不影响其它电气设备的正常运行，可减小电动机的冲击电流，冲击电流会造成电动机局部温度增加。

21、降低电动机寿命，可减小硬起动带来的机械冲力，冲力加速所带来的磨损，减少电磁干扰，软起动使电动机可以起停自如，减少空转，提高作业率，因而有节能作用。传感器：将其安装在水池与用户之间的出水管道上。它的任务是实时地检测管网出水压力，井将其转换成4-20mv的电信号。再将此信号传给A/D芯片进行处理。 变频器：它的作用是接收PID控制器的信号，为水泵电机提供可变频率电源。供水控制器：这是本文的主要研究内容，将在后面的章节详细地加以论述。2.2 系统优点1恒压供水技术因采用变频器改变电动机电源频率，而达到调节水泵转速改变水泵出口压力，比靠调节阀门的控制水泵出口压力的方式，具有降低管道阻力大大减少截流损失

22、的工能。2. 由于水泵工作变频情况，在其出口流量小于额定流量时，转速降低，减少了轴承的磨损和发热，延长泵和电动机的机械使用寿俞。3因实现恒压自动控制，不需要操作人员连续操作，降低了人员的劳动强度节省了人力。4水泵电动机采用软起动方式，按设定的加速时间加速，避免电动机启动时的电流冲击，对电网电压造成波动的影响.同时也避免了电动机突然加速造成电机系统的喘振。5. 由于水泵工作在变频工作状态，在其运行过程中其转速是由外供水量决定的，故系统在运行过程中可节约可观的电能，其经济效益是十分明显的。由于其节电效果明显，所以系统具有收回投资快，而长期受益，其产生的社会效益也是非常巨大。2.3 控制系统的工作原

23、理供水管网中的流量和压力是随着用户用水量的改变而不断变化的，而改变水泵电机转速就可以提高供水压力或减少供水压力，所以，为了保持出口供水压力恒定就必须根据用水量的大小不断改变电机的转速，三相交流电机的转速公式n=60s(1-s)/p式中n为电机转速，f为定子供电频率，s为转差率(s=0.02)，P为电机的极对数，因此可连续地改变电机定子的供电频率,就可以平滑改变电动机的转速，从而调节转速的目的。该变频恒压供水控制器以单片机为核心，在水泵的出水管道上安装一个压力传感器，用于检测管道压力，并把出口压力变成0-5v或4-20MA的模拟信号，送到单片机系统的A/D转换输入端，再经A/D转换变成相应的数字

24、信号，送入单片机进行数据处理。单片机经运算后与设定的压力进行比较，得出偏差值，再经PID调节得出控制参数，D/A转换变成0-5v或0-1Ov的模拟信号，送入变频器中，以控制其输出频率的大小，以此改变水泵的电机转速，从而达到控制管道压力的目的，当实际管道压力小于给定压力时，变频器输出频率升高，电机转速加快，管道压力升高，频率降低，电机转速减小，管道压力降低。最终达到恒压供水的目的。 第3章 硬件电路设计为使供水系统具有较好的实用性，并且具有较高的性能/价格比，我们对该系统的硬件电路作了精心设计。该系统的硬件设计采用了模块化的设计方法。按实现的功能来分，可分为以下几个部分。其中，AT89C51单片

25、机是整个电路的核心，它控制其它模块来完成各种复杂的操作。外围电路包括键盘显示器电路、复位电路、与上位机通信等等。具体电路图详见附录。在本章下面几个小节中将根据电路图的硬件设计电路，对各个模块电路进行详细的设计与分析。3.1 硬件总体说明整个系统控制部分以ATMEL公司的AT89C51为核心的芯片，这种芯片内置有4K的EPROM，具有控制信号采集、处理、输出三个功能。AT89C51是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能八位CP

26、U和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。因为系统要求控制线较多如果采用8031外置程序控制结构，则会造成控制线不够，而AT89C51却可以利用P0， P2口作控制总线大大简化了硬件结构，并可以直接控制键盘参数输入、LED数据显示，方便现场调试和维护使整个系统的通用性和智能化得到了很大地提高。其硬件结构框图如图3.1所示。电 机 继电器 光藕隔离地址锁存器6264RAM单片机8155并行扩展ADC0809打印机6764RAM报 警8279键盘显示MAX232图3.1 城市供水系统硬件结构框图

27、3.2 控制芯片的选择1. 主要特性与MCS-51兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定128*8位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路 2管脚说明VCC：供电电压。GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。 当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FLASH编程时，P0口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，

28、P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能 接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收， 输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2

29、口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL），这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：口管脚 备选功能P3.0 RXD 串行输入口P3.1 TXD 串行输出口P3.2 外部中断0P3.3 外部中断1P3.4 T0 记时

30、器0外部输入P3.5 T1 记时器1外部输入P3.6 外部数据存储器写选通P3.7 外部数据存储器读选通P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RESET：复位输入。当振荡器作为复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出，可在SFR8EH地址上置0。此时，

31、ALE只有在执行MOVX，MOVC指令时才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态时ALE被禁止，置位无效。：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将不出现。/VPP：当保持低电平时，在此期间访问外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，将内部锁定为RESET；当端保持高电平时，此期间访问内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输

32、出。3振荡器特性XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。剩余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平与要求的宽度相同。4芯片擦除整个EPROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。在芯片擦除操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模

33、式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其它芯片功能，直到下一个硬件复位为止。如图3.2 AT89C51的管脚图所示。图3.2 AT89C51的管脚图图3.2 AT89C51的管脚图3.3 AT89C51最小系统AT89C51内部有4KB闪烁存储器，芯片本身就是一个最小系统。在能满足系统的性能要求的情况下，可优先考虑采用此种方案。用这种芯片构成的最小系统简单、可靠。用AT89C51单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，其中晶振12MHZ，电容0.047uf，如图3.3所示

34、。与8031外扩展程序存储器的最小应用系统相比，该系统省去了外扩程序存储器的工作。该最小应用系统只能用作一些小型的数字量的测控单元。 图3.3 AT89C51最小系统3.4 系统的显示部分和键盘接口电路的设计本接口电路选用8279专用键盘、显示控制芯片。8279采用40引脚封装，其管脚、引线功能如下3.4所示。D0D7（数据总线）：双向、三态总线和系统总线相连，用于CPU和8279间的数据/命令传送。CLK（系统）时钟：输入线，为8279提供内部时钟的输入端。RESET（复位）：输入线，当RESET=1时，8279复位，其复位状态为，16个字符显示，编码扫描键盘双键锁定，程序时钟编程为31。（

35、片选）：输入线，当=0时，8279被选中，允许CPU对其读、写，否则被禁止。A0（数据选择）：输入线，当A0=1时，CPU写入数据为命令字，读出数据为状态字；A0=0时，CPU读、写字节均为数据。（读、写信号）：输入线，低电平有效，来自CPU的控制信号，控制8279的读、写操作。IRQ（中断请求）：输出线，高电平有效。在键盘工作方式中，当FIFO/传感器RAM存有数据时，IRQ为高电平；CPU每次从RAM中读出数据时，IRQ变为低电平；若RAM中仍有数据，则IRQ再次恢复为高电平。在传感器工作方式中，每当检测到传感器状态变化时，IRQ就出现高电平。图3.4 8279引脚图SL0SL3（扫描线）

36、：输出线，用来扫描键盘和显示器。RL0RL7（回复线）：输入线，它们是键盘或传感器矩阵的列（或行）信号输入线。SHIFT（移位信号）：输入线，高电平有效。该输入信号是8279键盘数据的次高位（D6）、通常用来扩充键开关的功能，可以做键盘上、下挡功能键。CNTL/STB（控制/选通）：输入线，高电平有效。在键盘工作方式时，该输入信号是键盘数据的最高位（D7），通常用来扩充键开关的控制功能，作为控制功能键用。在选通输入方式时，该信号的上升沿可从将来自RL0RL7的数据存入FIFO RAM中。在传感器方式下，该信号无效。OUTA0OUTA3（A组显示信号）：输出线。OUTB0OUTB3（B组显示信号

37、）：输出线。这两组引线都是显示数据输出线，与多位数字显示的扫描线SL0SL3同步。两组可以独立使用，也可以合并使用。（显示消隐）：输出线，低电平有效。该信号在数字切换显示或使用消隐命令时，将显示消隐。本电路的核心部件是8279芯片，Intel8279芯片是一种通用的可编程序的键盘/显示接口器件，单个芯片就能完成键盘输入和LED显示控制两种功能。8279包括键盘输入和显示输出两个部分。键盘部分提供的扫描方式可以和具有64个按键或传感器的阵列相连（本系统采用16个按键），能自动消除开关抖动及N键同时按下的保护；显示部分按扫描方式工作，可以显示8或16位LED显示块，（本系统显示4位）。键盘的工作方

38、式分编程扫描方式和中断扫描方式两种。采用编程扫描工作方式时能及时响应键入的命令和数据，但是这种方式不管键盘上有无键按下，CPU总是要定时扫描键盘，而应用系统在工作时并不经常需要键输入，因此CPU经常处于空扫描状态，为了进一步提高CPU的工作效率，采用中断扫描工作方式，即当键盘上有键闭合时产生中断请求，CPU响应中断请求后，转去执行中断服务程序，在中断服务程序中判别键盘上闭合键的键号，并做相应的处理。本电路中8279键盘为8X2，扫描线由SL0SL2通过3-8译码器提供，接入键盘列线；查询线由反馈接入线RL0RL7提供，接入键盘线。显示部分用了4个共阴极7段LED显示块，LED显示器有静态显示和

39、动态显示两种显示方式。所谓静态显示，就是当显示器显示某一字符时，相应段的发光二极管恒定的导通或截止，并且显示器的各位可同时显示。静态显示时，较小的驱动电流就能得到较高的显示亮度。所谓动态显示就是以唯一未得轮流点亮显示器的各个位（扫描）对于显示器的每一位而言，每隔一段时间点亮一次。显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮时间和时间间隔的比例有关。由于本电路使用8279专用键盘、显示控制芯片，让8279来控制键盘，显示，而不用CPU来进行管理，因此采用静态显示方式。本电路中8279显示器为4位显示，位选线由扫描线SL0SL2经3-8译码器、驱动器BIC8708提供；段选线B0B3，A0A3通过驱动器

40、BIC8708提供。另外，8279的片选与AT89C52的高位地址线P2.7相连，8279的CLK与AT89C51的ALE相接，由AT89C52的ALE端提供时钟。本电路中8279的端接74LS138的Y4输触脚,所以8279的命令口和状态口的地址都是而数据口的地址则为5FFEH(因8279的21脚为低电平时指向数据口)。在单片机应用系统中，LED显示常用两种方法:静态显示和动态扫描显示。静态显示，就是每一个LED都占用单独的具有锁存功能的I/O接口用于笔划段字形代码。这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，直到要显示新的数据时，再发送新的字形码，因此，使用这种方法单片机中CPU的开销

41、小。可以提供单独锁存的I/O接口电路很多，我们这里用到的是常用的串并转换电路8279，来与AT89C51单片机和共阴极数码管LED组成静态显示电路。本供水系统的显示部分就是采用AT89C51单片机与8279的静态显示接口电路采用4片8279分别驱动4片LED, LED的显示方式为静态显示方式，ATM89C51的串行口工作于方式0,即移位寄存器方式。把AT89C51的RXO作为数据输出线，TXD作为移位时钟脉冲。 本系统采用独立式按键，独立式按键的各按键相互独立，每个按键都有一个输入线，各按键的状态互不影响，CPU需对按键状态分别检测，只适用于按键数较少的场合，单片机接口与独立式按键显示电路如图

42、3.4所示。图 3.4 单片机与8279接口电路及显示在此电路中，按键输入部分采用低电平有效，上拉电阻保证了按键断开时，I/O口线有确定的电平。在扫描时，先读取PO口的低四位，若某位为低电平，应先延时10Ms。然后再读取该位，如果读得的值仍为低电乎，可确认此键已按下，然后调用该键的键处理子程序，各键的优先级别由软件安排。3.5 带手动复位的看门狗复位电路在实际应用系统中，为了保证复位电路可靠的工作，常将RC电路接施密特电路后再接入单片机复位端；或采用专用的复位电路芯片。MAX813L是MAXIN公司生产的一种体积小、功耗低、性价比高的带看门狗和电源监控功能的复位芯片，其引脚图如图3.3所示，引

43、脚功能如下：（2）RESET：复位信号输出端。上电时，自动产生200ms的复位脉冲（高电平）；手动复位端输入低电平时，该端也产生复位信号输出。（3）WDI：看门狗输入端。程序正常运行时，必须在小于1.6s的时间间隔内该输入端发送一个脉冲信号，以清除芯片内部的看门狗定时器，端输出低电平。（4）：看门狗信号输出端。正常工作时输出保持高电平，看门狗输出时，该端输出信号由高电平变为低电平。（5）PFI：电源故障输入端。当该端输入电压低于1.25V时，端输出低电平。（6）：电源故障输出端。电源正常时输出保持高电平，电源电压变低或掉电时，输出由高电平变为低电平。（7）VCC：工作电源，接+5V。（8）GN

44、D：接地端。MAX813L与单片机的连接电路如图3.5所示，该电路可以实现上电复位，程序运行出现“死机”时的自动复位和随时的手动复位。为实现单片机死机时自动复位功能，需要在软件设计中，P1.7不断输出脉冲信号（时间间隔小于1.6s），如果因某种原因单片机进入死循环，则P1.7无脉冲输出。于是1.6s后在MAX813L的端输出低电平，该电平加到端，使MAX813L产生一个200ms的复位脉冲输出，使单片机有效复位，系统重新开始工作。图3.5 带手动复位的看门狗复位电路3.6 ADC0809 1主要特性8路8位AD转换器，即分辨率8位。 具有转换起停的控制端。 转换时间为100s单个5V电源供电

45、模拟输入电压范围05V，不需零点和满刻度校准。 工作温度范围为-4085摄氏度 低功耗，约15mW。 2内部结构 ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式AD转换器，内部结构如图36所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型DA转换器、逐次逼近 。 图3.6 ADC0809内部结构框图 寄存器、三态输出锁存器等其它一些电路组成。因此，ADC0809可处理8路模拟量输入，且有三态输出能力，既可与各种微处理器相连，也可单独工作。输入输出与TTL兼容。 3外部特性（引脚功能） ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图3.7所示。下面说明各引脚功能。 IN0IN7：

46、8路模拟量输入端。图3.7ADC0809引脚图3.7 8155并行I/O接口扩展芯片的应用在本系统中，由于涉及的外围电路比较多，AT89C51芯片的I/O口不能满足系统的需要，因此，需要I/O口的扩展芯片。在这里选用8155并行I/O接口扩展芯片。8155芯片内具有256个字节的RAM，两个8位、一个6位的可编程并行I/O接口和一个14位的计数器，与MCS-51单片机接口简单，是单片机应用系统中广泛使用的芯片。3.7.1 8155芯片的结构按照器件的功能，8155可由下列三部分组成：1. 随机存储器部分：容量为256×8位的静态RAM。2. I/O接口部分： 端口A：可编程序8位I/

47、O端口PA07； 端口B：可编程序8位I/O端口PB07； 端口C：可编程序6位I/O端口PC05； 命令寄存器，8位寄存器，只允许写入； 状态寄存器，8位寄存器，只允许读出；3. 计数器/计时器部分：二个14位的二进制减法计数器/计时器。3.7.2 8155芯片的引脚功能8155具有40个采用双列直插式封装，引脚分布图如图3.8所示，其功能定义如下：1. AD07(三态)AD07是地址/数据总线，可以直接与AT89C51的P0口相连接。在允许地址锁存信号ALE的后沿(即下降沿)，将8位地址锁存在内部地址寄存器中。该地址可作为存储器部分的低8位地址，也可是I/O接口的通道地址，这将由输入的IO

48、/信号的状态来决定。在AD07引脚上出现的数据信息是读出还是写入8155，由系统控制信号或来决定。2. RESET这是由AT89C51提供的复位信号，作为总清器件使用。RESET信号的脉冲宽度一般为600ns。当器件被清后，各转接口被置成输入工作方式。图3.8 8155的内部结构及引脚3. ALE允许地址锁存信号。该控制信号由AT89C51发出，在该信号的后沿，将AD07上的低8位地址、片选信号以及IO/信号锁存在片内的锁存器内。4. 这是低电平有效的片选信号。当8155的引脚=0时，器件才允许被启用，否则为禁止使用。5. IO/这是个I/O转接口或存储器的选择信号。当IO/=1时，选择I/O

49、电路；当IO/=0时，选择存储器件。6. （写）在片选信号有效的情况下(即=0)，该引脚上输入一个低电平信号（=0）时，将D07线上的数据写入RAM某单元内（当IO/=0时），或写入某I/O端口电路（当IO/=1时）。7. （读）在片选信号有效的情况下(即=0)，如果该引脚上输入一个低电平信号（=0）时，8155RAM某单元的内容读至数据总线。若输入一个高电平（=1），则将某I/O转接电路的内容读至数据总线。由于系统控制的作用，而（写）和（读）信号不会同时有效。根据上面分析：A. 写RAM的必要条件是：(IO/=0)·(=0)·(=0)；B. 写I/O端口电路的必要条件是：

50、(IO/=1)·(=0)·(=0)；C. 读RAM的必要条件是：(IO/=0)·(=0)·(=0)；D. 读I/O端口电路的必要条件是：(IO/=1)·(=0)·(=0)。8. PA07：一组8根通用的I/O端口线，其数据输入或输出的方向由可编程序的命令寄存器的内容决定。9. PB07：一组8位的通用I/O端口，其数据输入或输出的方向由可编程序的命令寄存器的内容所决定。10. PC05：一组6 位的既具有通用I/O端口功能，又具有对PA和PB起某种控制作用的I/O电路。各种功能的实现均由可编程序的命令寄存器的内容所决定。PA，PB和P

51、C各I/O端口的状态，可由读出状态寄存器的内容而得到。11. TIMER：14位二进制减法计数器的输入端。12. TIMER OUT：是一个计时器的输出引脚。可由计时器的工作方式决定该输出信号的波形。13. Vcc：为+5V电源引脚。14. Vss：为+5V电源的地线。3.7.3 8155的RAM和I/O口的编址8155 芯片中的RAM和I/O口均占用单片机系统片外RAM的地址，其中高8位地址由和IO/决定。当=0且IO/0时，低8位的00H、FFH为RAM的有效地址；当=0，且IO/1时，由低8位地址中的末3位(A2A1A0)来决定各个口的地址，详见表3.1。表3.1 8155端口地址表A7

52、A6A5A4A3A2A1A0选中的口或寄存器XXXXX000命令状态字寄存器XXXXX001A口XXXXX010B口XXXXX011C口XXXXX100定时器低8位寄存器XXXXX101定时器高6位和操作方式寄存器3.7.4 8155的工作原理8155的结构框图见图3.5(a)。这里主要介绍它的三组I/O端口电路及14位二进制减法器的工作原理。1. 8155I/O端口工作原理8155的三组I/O端口电路的工作方式，均由可编程序的命令寄存器的内容所规定，而其状态可由读出状态寄存器的内容所获得。上面已经叙述，8155的命令寄存器和状态寄存器分别为各自独立的8位寄存器。在8155的器件内部，从逻辑上

53、来说，是只允许写入命令寄存器和读出状态寄存器内容的。而实际上，读命令寄存器内容及写入状态寄存器的操作是既不允许、也不可能实现的。因此完全可将命令寄存器和状态寄存器的地址合用一个通道地址，以减少器件占用的通道地址；同时将两个寄存器简称为命令/状态寄存器，有时以C/S寄存器来表示。A8155的命令字格式。命令寄存器由8位组成，每一位都能锁存。其中低4位（03位）用来定义PA、PB和PC接口的工作方式；当PC用作控制PA或PB的端口工作时，第4、5两位分别用来允许或禁止PA和PB的中断；而最高两位（第6、7两位）则用来定义计数器/计时器的工作方式。利用输出指令，可以将对命令寄存器的各位编码打入其中。

54、8155命令寄存器各位的定义见表3.2。表3.2 8155命令寄存器定义D7D6D5D4D3D2D1D0TM2TM1IEBIEAPCPCPBPA定时器命令00方式101方式210方式311方式4定义PA070输入1输出允许端口B中断0禁止1允许允许端口A中断0禁止1允许定义PB070输入1输出定义PC0500方式101方式210方式311方式41) 第0位（PA）：定义PA07数据信息传送的方向。“0”输入方式；“1”输出方式。2) 第1位（PB）：定义PB07数据信息传送方向。“0”输入方式；“1”输出方式。3) 第3，2位（PCII，PCI）：定义PC05的工作方式。“00”方式1；“11”方式2；“01”方式3；“10”方式4。方式14时，PC05的各位功能见表3.3。表3.3 端口C控制分配表P