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2.1STC89C系列单片机概述3
2.2STC89C51硬件资源4
2.3STC89C51的引脚说明6
2.4本章小结8
第3章硬件电路设计9
3.1硬件电路总体设计9
3.2水位测量电路设计9
3.2.1水位传感器的设计与原理9
3.2.2水位传感器工作原理13
3.3显示电路设计14
3.4水泵电机控制电路设计15
3.5电源电路设计16
3.6本章小结18
第4章软件设计19
4.1软件总体设计19
4.2水位测量部分软件设计20
4.2.1水位测量部分软件设计说明20
4.2.2水位测量部分软件设计21
4.3显示与水泵控制部分软件设计23
4.4本章小结24
结论26
参考文献27
附录28
致谢38
第1章绪论
1.1课题背景
目前,水位控制在日常生活及工业领域(工厂、农场、学校等用水量大的场所)中应用相当广泛,比如水塔、地下水、水电站等情况下的水位控制。
而以往水位的检测和控制一般是由人工完成的,值班人员全天候地对水位的变化进行监测,用有线电话及时把水位变化情况报知主控室,然后主控室再开动电机进行相应的水位控制。
很显然上述重复性的工作无论从人员、时间和资金上都将造成很大的浪费。
并且经常会出现在蓄水时,由于工人的疏忽大意,忘记关闭蓄水阀门,大量的水从水塔顶部外流。
造成了“水漫金山”,这样不仅浪费了水力资源,同时也浪费了大量的电能;
甚者会造成重大损失。
另外在我国,节电节水的潜力非常大。
据有关国际组织发表的资料显示:
中国的单位国民经济总产值所消耗的电是美国、德国等国的4倍左右,消耗的水是他们的2倍左右。
我国的大量用电设备中,风机和泵类电机的耗电量占全国发电量的50%左右,若适当地节约水电,可节电40%左右,即可以节约全国发电量的1/5.由于我国人均占有水、电资源相对于别国又少很多,因此,在我国一方面水电供应紧张,而另一方面,水电的浪费又十分惊人.节电节水,不仅潜力巨大,而且意义深远。
因此,研制出一种能自动检测、控制水位的装置有很重大的意义,我所研究的就是这方面的课题。
随着科学技术不断的发展,人们的生产水平也随之提高。
智能化产品的出现,解决了人们生产、生活当中的许多实际问题。
从而减轻了人们的劳动强度和资源浪费。
1.2课题意义
本课题的意义在于:
(1)通过这次课程设计,加深对单片机理论方面的理解。
(2)掌握单片机的内部模块的应用,如定时器/计数器、中断、片内外存储器、I/O口、串行口通讯等。
(3)了解和掌握单片机应用系统的软硬件设计过程、方法及实现,为以后设计和实现单片器应用系统打下良好基础。
(4)通过简单课题的设计练习,了解必须提交的各项工程文件,也达到巩固、充实和综合运用所学知识解决实际问题的目的。
(5)对于水源危机的今天,我们更加注重节约用水,因此,研制开发出
四路水位控制器,以解决上述问题,保护我们赖以生存的水源,同时也节省了不必要的人力资源。
根据四路水位控制器的原理,也可以应用的其它控制领域当中。
水、电资源浪费严重,设备事故隐患多、管理困难,以节能降耗、提高自动化水平为主要目的技术改造方案。
第2章51单片机基础
随着科技的发展,单片机已不是一个陌生的名词,它的出现是近代计算机技术发展史上的一个重要里程碑。
单片机芯片的体积微小和低的成本,可广泛地嵌入到如玩具、家用电器、机器人、仪器仪表、汽车电子系统、工业控制单元、办公自动化设备、金融电子系统、舰船、个人信息终端及通讯产品中,成为现代电子系统中最重要的智能化工具。
特别是在自动化控制领域应用最广泛。
因此,本次设计采用单片机为控制核心。
市场上流通单片机的种类很多,占有率最高的是MCS—51系列,因为世界上很多知名的IC生产厂家都生产51兼容的芯片。
生产MCS—51系列单片机的厂家如美国AMD公司、ATMEL公司、INTEL公司、WINBOND公司、PHILIPS公司、ISSI公司、TEMIC公司及南韩的LG公司、日本NEC、西门子公司等。
到目前为止,MCS—51单片机已有数百个品种,在一般性能上都可以达到本次设计的要求。
例如AT89C51、AT89C52等都可以用于控制水位,唯一缺点在于不能在线下载,并且,AT系列单片机编程器价钱比较昂贵。
不利于小资本实验。
,造成了不便的烦恼。
STC89系列单片机是MCS-51系列单片机的派生产品。
它们在指令系统、硬件结构和片内资源上与标准8051单片机完全兼容,且价钱容易接受。
其优点是可以在线下载,下载器也比较容易购买到,方便携带应用。
例如STC89C51,其可以用于控制水位,在功能和性能上要比AT系列单片机突出,因此,选择STC89C系列单片机,作为水位控制器核心。
2.1STC89C系列单片机概述
STC89C51是深圳宏晶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。
每一个单片机包括:
一个8位的微型处理器CPU;
一个256K的片内数据存储器RAM;
片内程序存储器ROM;
四个8位并行的I/O接口P0-P3,每个接口既可以输入,也可以输出;
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。
STC89C51单片机采用40Pin封装的双列直插DIP结构,与8051为pin-to-pin兼容。
STC89系列单片机高速(最高时钟频率90MHz),低功耗,在系统/在应用可编程(ISP,IAP),不占用户资源。
主要特性:
处理器单元是以80C51为核心;
工作电压为3V/5V,操作频率0-33MHz(STC89LE516AD最高可达90MHz);
工作电压为5V,操作频率0-40MHZ。
大容量内部数据RAM:
IK字节RAM;
64/32/16/8kB片内Flash程序存储器,具有再应用可编程(IAP),再系统可编程(ISP),可实现远程软件升级,无需编程器;
支持12时钟(默认)或6时钟模式。
双DPTR数据指针;
SPI(串行外围接口)和增强型UART;
PCA(可编程计数器阵列),具有PWM的捕获/比较功能。
4个8位I/O口,含3个高电流Pl口,可直接驱动LED;
3个16位定时器/计数器;
可编程看门狗定时器(WDT);
低EMI方式(ALE禁止);
兼容TTL和COMS逻辑电平;
掉电检测和低功耗模式等。
2.2STC89C51硬件资源
单片机包含中央处理器、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。
如图2-1所示。
图2-1单片机内部结构
·
数据存储器(RAM)
单片机内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元,它们是统一编址的,专用寄存器只能用于存放控制指令数据,用户只能访问,而不能用于存放用户数据,所以,用户能使用的RAM只有128个,可存放读写的数据,运算的中间结果或用户定义的字型表。
程序存储器(ROM):
单片机共有4096个8位掩膜ROM,用于存放用户程序,原始数据或表格。
定时/计数器(ROM):
有两个16位的可编程定时/计数器,以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。
并行输入输出(I/O)口:
共有4组8位I/O口(P0、P1、P2或P3),用于对外部数据的传输。
全双工串行口:
内置一个全双工串行通信口,用于与其它设备间的串行数据传送,该串行口既可以用作异步通信收发器,也可以当同步移位器使用。
中断系统:
具备较完善的中断功能,有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断,可满足不同的控制要求,并具有2级的优先级别选择。
时钟电路:
内置最高频率达12MHz的时钟电路,用于产生整个单片机运行的脉冲时序,但8051单片机需外置振荡电容。
2.3STC89C51的引脚说明
STC89C51采用DIP40形式封装,如图2-2所示,其特殊管脚说明如下。
图2-2单片机引脚图
RESET/Vpd复位信号复用脚,当单片机通电,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。
初始化后,程序计数器PC指向0000H,P0-P3输出口全部为高电平,堆栈指针写入07H,其它专用寄存器被清“0”。
RESET由高电平下降为低电平后,系统即
从0000H地址开始执行程序。
然而,初始复位不改变RAM(包括工作寄存器R0-R7)的状态。
单片机的复位方式可以是自动复位,也可以是手动复位,见下图2-3。
此外,RESET/Vpd还是一复用脚,Vcc掉电其间,此脚可接上备用电源,以保证单片机内部RAM的数据不丢失。
图2-3复位、晶振连接示意图
Pin3.0:
ALE/当访问外部程序器时,ALE(地址锁存)的输出用于锁存地址的低位字节。
而访问内部程序存储器时,ALE端将有一个1/6时钟频率的正脉冲信号,这个信号可以用于识别单片机是否工作,也可以当作一个时钟向外输出。
更有一个特点,当访问外部程序存储器,ALE会跳过一个脉冲。
如果单片机是EPROM,在编程其间,将用于输入编程脉冲。
Pin2.9:
当访问外部程序存储器时,此脚输出负脉冲选通信号,PC的16位地址数据将出现在P0和P2口上,外部程序存储器则把指令数据放到P0口上,由CPU读入并执行。
Pin3.1:
EA/Vpp程序存储器的内外部选通线,单片机内置有4kB的程序存储器,当EA为高电平并且程序地址小于4kB时,读取内部程序存储器指令数据,
而超过4kB地址则读取外部指令数据。
如EA为低电平,则不管地址大小,一律读取外部程序存储器指令。
对内部无程序存储器的单片机,EA端必须接地。
图2-4单片机P3口第二功能说明
2.4本章小结
本章介绍了STC89C51基本结构与相关的硬件资源,这些知识是本次设计必须掌握的基本内容。
第3章硬件电路设计
3.1硬件电路总体设计
四路水位控制器硬件电路构成框图如图3-1所示。
以STC89C51为电路的中央处理器,用来处理传感器采集来的数据,进而控制水泵电机工作。
为了人们能清晰地了解系统工作状况,在电路图中设计了水位指示,电源部分是为整个电路模块提供电源,以便能正常工作。
本设计总共包含五大部分:
中央处理器(CPU)、电源模块、水位限位传感器(含四个单元)、水位指示部分、水泵电机驱动。
依此框图作为电路设计的依据。
从中也体现了电路的结构简单、实用,设计灵活等特点。
图3-1四路水位控制器硬件电路构成框图
3.2水位测量电路设计
3.2.1水位传感器的设计与原理
脉冲调制式红外发射接收器。
该器件由于采用的是交流分量的调制信号,侧可大幅度减少外界干扰,以便提高信号传输的准确性;
另外红外发射接收管的最大工作电流取决于调制信号的平均电流,如果采用占空比小的调制信号,在平均电流不变的情况下,瞬时电流很大(50~100mA),则大大提高了信噪比。
并且红外传感器反应灵敏,外围电路也很简单,如图3-2所示。
它的优点是消除了外界光线的干扰提高了灵敏度
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