水箱液位控制器的设计与研究学士学位论文(编辑修改稿)

水箱液位控制器的设计与研究学士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

O 接口 P0P3；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 [8]。 中央处理器 CPU 是单片微型计算机的指挥、执行中心，由它读入用户程序，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的寄存器。 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。 执行指令时，从程序存储器中取来并经译码器译码后，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 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 [9]。 数据存储器， RAM，片内为 128B， 片外最多可外扩 64KB。 数据存储器来存储单片机运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等。 片内的 128B 的 RAM，以高速 RAM的形式集成在单片机内，可以加 快单 水箱液位控制器的设计与研究 作者：王文雷 第 6 页 共 22 页 片机运行的速度，而且这种结构的 RAM还可以降低功耗。 程序存储器， ROM，用来存储程序， 80C51 为 4KB ROM。 如果片内只读存储器的容量不够，则需要用扩展片只读存储器，片外最多可以扩展到64KB。 中断系统，具有 5 个中断源， 2 级中断优先权。 定时器 /计数器，片内有 2 个 16 位计数器 /定时器，具有 4 种工作的方式。 在单片机的应用中，往往需要精确的定时，或对外部事件进行计数，因而需在单片机内部设置定时器 /计数器部件 [10]。 串行口， 1 个全双工串行口 ,具有 4 种工作的方式。 可用来进行串行通信，扩展并行 I/O 口，甚至与多个单片机相连构成多机系统，从而使单片机的功能更强且应用更广。 特殊功能的寄存器， SFR，共有 21 个，用于 CPU 对片内各功能部件进行控制、管理、监视。 单片机的时序功能： 时钟电路： 80C51 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。 时钟可以由外部方式产生或内部方式产生。 使用内部方式的时候，在 C1 和C2 引脚上接微调电容和石英晶体就可以构成振荡器， 振荡频率的选择范围在—12MHZ 之间。 在采用外部时钟 [11]时， XTAL2 用来输入外部的时钟信号，而 XTALI 用来接地。 时序：单片机 80C51 的一个执器周期由六个状态 (s1—s6)组成，每个状态又持续两个接荡周期，分为 P1 和 P2 这两个节拍。 这样，一个机器的周期由 12 个振荡周期而组成。 若采用 12MHz 的晶体振荡器，那么每个状态周期为 1/6us，每个机器周期为 1us；在一般情况下 ，逻辑和算术操作发生在 N 期间，而从内部寄存器到寄存器的传输则发生在 P2 期间。 对于单周期指令而言，当指令操作码读入指令寄存器 [12]时，使从 S1P2 开始执行指令。 假如是双字节指令，则在同一机器周期的 s4 读入第二字节。 如果是单字节指令，则在 51 单片机期间仍进行读，但所读入的字节操作码被忽略，并 且程序计算数据也不加 1。 在结束时完成操作指令 [13]。 水箱液位控制器的设计与研究 作者：王文雷 第 7 页 共 22 页 多数 Mcs—51 指令周期有 1—2 个机器周期，只有除法和乘法指令才需要两个以上机器周期的指令，它们需机器周期 4 个。 对于双字节的单机器指令，通常在一个机器周期内从程 序存储器内读入两个字节，但 Movx 指令除外，因为Movx 指令是访问外部数据存储器的单字节的双机器周期指令，在执行 Movx 指令期间，外部数据存储器被访问并且被选同时跳过 2 次取指操作。 下面是80C51 单片机的振荡电路。 图如 31： 图 31 80C51 震荡电路原理图 引脚及其功能说明： 80C51 单片机的 40 个引脚 [7]中有 2 个是主电源引脚， 4 个控制或与其它电源复用的引脚， 2 个外接晶振的引脚，以及 32 条输入输出 I/O 引脚。 下面按引脚功能分为 4 部分叙述各个引脚的功能： 电源引脚 Vcc 和 Vss Vcc（ 40 脚）：接 +5V电源的正端； Vss（ 20 脚）：接 +5V电源的正端； 外接晶振引脚 XTAL1 跟 XTAL2： XTAL1（ 19 脚）：接晶体外部的一端。 在单片机的内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器的构成采用外部时钟时，对于 HMOS 单片机，XTAL1 引脚接地；对于 CHOMS 单片机， XTAL1 引脚作为外部振荡信号的输入端 [14]。 XTAL2（ 18 脚）：接石英晶体外部的另一端。 在单片机内部，接至片内振 水箱液位控制器的设计与研究 作者：王文雷 第 8 页 共 22 页 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，XTAL2 引脚作为外部振荡信号的输入端。 对于 CHMOS 芯片， XTAL2 引脚悬空不接。 本系统采用 8051 单片机， 附图片 如下 32： 图 32 80C51 结构图 光电隔离简介 输出通过继电器，控制水泵机组的起停和报警，其电路图如图 33： 水箱的控制器由 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。 光电隔离是 半导体管敏感器件和发光二极管组成的一种新器件 ， 它主要功能是实现电信号的传送。 输入与输出绝缘隔离 ， 信号单向传输 ， 无反馈影响。 抗干扰性强 ， 响应速度快。 工作时 ， 把输入信号加到输入端 ， 使发光管发光 ， 光敏器件在磁光辐射下输出光电流 ， 从而实现 光电 的两次转换。 继电器隔离是用电信号控制继电器的机械触电来实现隔离控制 [15]。 水箱液位控制器的设计与研究 作者：王文雷 第 9 页 共 22 页 图 33 光电隔离 电路原理图 给水泵电机主控回路介绍 给水泵电机主控回路图 34 如下： 图 34 给水泵电机控制电路原理图 图 中水泵电机主控回 路由两个水泵电机以及二直流电机驱动电路构成，主控回路的控制信号由单片机的 , 发出，他们的引脚功能如下： ： M1 起动 KM1 控制输出信号。 （手动 1，自动 0）； ： M1起动 KM1控制输出信号。 （手动 1，自动 0）； ： M2开关状态输入信号。 （开 0，关 1）； ： M2开关状态输入信号。 （开 0，关 1）。 二级管显示电路设计 二级管显示电路如图 35 所示 水箱液位控制器的设计与研究 作者：王文雷 第 10 页 共 22 页 图 35 报警电路 该电路主要由三个发光二极管构成，它们分别与单片机的 , 端口相连 [16]，其中 D1 是电机加水提示灯， D2 是电机抽水提示灯， D3 是电机停止提示灯。 80C51 水箱控制系统主控硬件部署方案 80C51 单片机实现控制功能说明 80C51。