【正文】 CS— 51 單片機已有數(shù)百個品種， 在 一般性能上都可以達到 本次設計的 要求 。 例如 AT89C5 AT89C52 等都可以用于控制 水位 ，唯一缺點在于不能 在線下載， 并且， AT 系列單片機 編程器 價錢比較 昂 貴。不利于小資本實驗。 ， 造成了不便的煩惱 。 STC89 系列單片機是 MCS51 系列單片機的派生產(chǎn)品。它們在指令系統(tǒng)、硬件結構和片內(nèi)資源上與標準 8051 單片機完全兼容， 且 價錢容易接受 。其優(yōu)點是 可以在線下載，下載器也比 較容易購買到 ， 方便攜帶應用。例如 STC89C51， 其可以用于控制 水位 ， 在 功能 和 性能上要比 AT 系列 單片機突出，因此，選擇 STC89C系列單片機 ，作為 水位 控制 器 核心 。 吉林 工業(yè)職業(yè)技術學院論文 5 STC89C 系列單片機 概述 STC89C51 是 深圳宏晶 公司生產(chǎn)的一種單片機，在 一小塊芯片上集成了一個微型計算機的各個組成部分。每一個單片機包括：一個 8 位的微型處理器 CPU；一個 256K 的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器 RAM；片內(nèi)程序存儲器 ROM；四個 8 位并行的 I/O 接口 P0P3，每個接口既可以輸入，也可以輸出；兩個定時器 /記數(shù)器；五個中斷源的中斷控制系統(tǒng)；一個全雙工 UART 的串行 I/O 口；片內(nèi)振蕩器和時鐘產(chǎn)生電路，但石英晶體和微調電容需要外接。最高允許振蕩頻率是 12MHZ。 STC89C51 單片機 采用 40Pin 封裝的雙列直 插 DIP 結構， 與8051 為 pintopin 兼容。 STC89 系列單片機高速（ 最高時鐘頻率 90MHz)，低功耗，在系統(tǒng)／在應用可編程（ ISP,IAP)，不占用戶資源。 主要特性： 處理器單元 是 以 80C51 為 核心； 工作電壓 為 3V/5V，操作頻率 033MHz (STC89LE516AD 最高可達 90MHz)。 工作電壓 為 5V，操作頻率 040MHZ。 大容量內(nèi)部數(shù)據(jù) RAM: IK字節(jié) RAM。 64/32/16/8kB 片內(nèi) Flash 程序存儲器，具有 再 應用可編程（ IAP)， 再 系統(tǒng)可編程（ ISP)，可實現(xiàn)遠程軟件升級，無需編程器；支持 12時鐘（默認）或 6 時鐘模式 。 雙 DPTR 數(shù)據(jù)指針； SPI（串行外圍接口）和增強型 UART。 PCA（可編程計數(shù)器陣列），具有 PWM 的捕獲／比較功能 。 4 個 8 位 I/O 口，含 3 個高電流 Pl 口，可直接驅動 LED。3 個 16 位定時器／計數(shù)器；可編程看門狗定時器（ WDT)。低 EMI 方式（ ALE 禁止） 。兼容TTL 和 COMS 邏輯電平；掉電檢測和低功耗模式等。 吉林 工業(yè)職業(yè)技術學院論文 6 它是由 8 位算術／邏輯運算部件 (簡稱 ALu)、定時／控制部件，若干寄存器 A、 B 以及 16 位程序計數(shù)器 (Pc)和數(shù)據(jù)指針寄存器 (DM)等主要部件組成。算術邏輯單元的硬件結構與典型微型機相似。它具有對 8 位信息進行+、 、 x、 / 四則運算和邏輯與、或、異或、取反、清“ 0”等運算，并具有判跳、轉移、數(shù)據(jù)傳送等功能，此外還提供存放中間結果及常用數(shù)據(jù)寄存器?？刂破鞑考怯芍噶罴拇嫫?、程序計數(shù)器 Pc、定時與控制電路等組成的。 下面主要介紹 STC89 系列單片機有特色之處及需要注意的地方。 STC89C51 硬件資源 單片機包含中央處理器、程序存儲器 (ROM)、數(shù)據(jù)存儲器 (RAM)、定時 /計數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線 。如圖 21 所示。 圖 21 單片機內(nèi)部結構 吉林 工業(yè)職業(yè)技術學院論文 7 數(shù)據(jù)存儲器 (RAM) 單片機 內(nèi)部有 128 個 8位用戶數(shù)據(jù)存儲單元和 128 個專用寄存器單元，它們是統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數(shù)據(jù)，所以，用戶能使用的 RAM 只有 128 個，可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運算的中間結果或用戶定義的字型表。 程序存儲器 (ROM)： 單片機 共有 4096 個 8 位掩膜 ROM，用于存放用戶程序，原始數(shù)據(jù)或表格。 定時 /計數(shù)器 (ROM)： 有兩個 16 位的可編程定時 /計數(shù)器，以實現(xiàn)定時或計數(shù)產(chǎn)生中斷用于控制程序轉向。 并行輸入輸出 (I/O)口： 共有 4 組 8 位 I/O 口 (P0、 P P2 或 P3)，用于對外部數(shù)據(jù)的傳輸。 全雙工串行口： 內(nèi)置一個全雙工串行通信口，用于與其它設備間的串行數(shù)據(jù)傳送，該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當同步移位器使用。 中斷系統(tǒng)： 具備較完善的中斷功能，有兩個外中斷、兩個定時 /計數(shù)器中斷和一個串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有 2 級的優(yōu)先級別選擇。 時鐘電路： 內(nèi)置最高頻率達 12MHz 的時鐘電路，用于產(chǎn)生整個單片機運行的脈沖時序，但 8051 單片機需外置振蕩電容。 吉林 工業(yè)職業(yè)技術學院論文 8 STC89C51 的引腳說明 STC89C51 采用 DIP40 形式 封裝 ，如 圖 22 所示 ，其 特殊管腳說明 如下 。 圖 22 單片機引腳圖 Pin9: RESET/Vpd 復位信號復用腳，當 單片機 通電，時鐘電路開始工作，在RESET 引腳上出現(xiàn) 24 個時鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復位。初始化后，程序計數(shù)器 PC 指向 0000H， P0P3 輸出口全部為高電平，堆棧指 針 寫入07H，其它專用寄存器被清 “0” 。 RESET 由高電平下降為低電平后，系統(tǒng)即 從 0000H 地址開始執(zhí)行程序。然而，初始復位不改變 RAM（包括工作寄存器R0R7）的狀態(tài) 。 吉林 工業(yè)職業(yè)技術學院論文 9 單片機 的復位方式可以是自動復位 ，也可以是手動復位，見下圖 23。此外， RESET/Vpd 還是一復用腳， Vcc 掉電其間，此腳可接上備用電源，以保證單片機內(nèi)部 RAM 的數(shù)據(jù)不丟失。 圖 23 復位、晶振連接示意圖 Pin : ALE/ 當訪問外部程序器時， ALE(地址鎖存 )的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。而訪問內(nèi)部程序存儲器時， ALE 端將有一個 1/6 時鐘頻率的正脈沖信號，這個信號可以用于識別單片機是否工作，也可以當作一個時鐘向外輸出。更有一個特點，當訪問外部程序存儲器， ALE 會跳過一個脈沖。如果單片機是 EPROM，在編程其間， 將用于輸 入編程脈沖。 Pin : 當訪問外部程序存儲器時，此腳輸出負脈沖選通信號， PC 的 16位地址數(shù)據(jù)將出現(xiàn)在 P0 和 P2 口上，外部程序存儲器則把指令數(shù)據(jù)放到 P0口上，由 CPU 讀入并執(zhí)行。 Pin : EA/Vpp程序存儲器的內(nèi)外部選通線，單片機內(nèi)置有 4kB 的程序存儲器，當 EA 為高電平并且程序地址小于 4kB 時，讀取內(nèi)部程序存儲器指令數(shù)據(jù)，吉林 工業(yè)職業(yè)技術學院論文 10 而超過 4kB 地址則 讀取外部指令數(shù)據(jù)。如 EA 為低電平，則不管地址大小，一律讀取外部程序存儲器指令。對內(nèi)部無程序存儲器的 單片機 ,EA 端必須接地。 圖 24 單片機 P3 口 第二功能說明 本章小結 本章介紹了 STC89C51 基本 結構與相關的 硬件資源， 這些知識是 本 次 設計 必須掌握的 基 本內(nèi)容 。 吉林 工業(yè)職業(yè)技術學院論文 11 第 3 章 硬件電路設計 硬件電路總體設計 四路水位控制器硬件 電路 構成 框圖如圖 31 所示。以 STC89C51 為電路的中央處理器， 用 來處理傳感器采集來的數(shù)據(jù)， 進而 控制 水泵 電機 工作 。 為了人們能清晰地了解系統(tǒng)工作狀況，在電路圖 中設計了水位指示， 電源部分是為整個電路模塊提供電源，以便能正常工作。 本設計總共包含五大部分：中央處理器（ CPU）、電源模塊、水位限位傳感器（含四個單元）、水位指示部分、水泵電機驅動。 依此框圖作為電路設計的依據(jù)。從中也體現(xiàn)了電路的結構簡單、實用，設計靈活等特點。 C P US T C 8 9 C 5 1水 位 限 位 傳 感 器水 位 指 示電 源水 泵 電 機 驅 動 圖 31 四路水位控制器硬件電路構成框圖 吉林 工業(yè)職業(yè)技術學院論文 12 水位測量 電路設計 水位傳感器的設計與原理 脈沖調制 式紅外發(fā)射接收器。 該器件 由于采用 的是 交流分量的調制信號，側可大幅度減 少外界干擾 ，以便提高信號傳輸?shù)臏蚀_性 ；另外紅 外發(fā)射接收管的最大工作電流取決于 調制信號的 平均電流， 如果采用占空比小的調制信號， 在平均電流不變的情況下，瞬時電流很大（ 50~100mA），則大大提高了信噪比。并且 紅外傳感器 反應靈敏，外圍電路也很簡單， 如圖 32 所示。它的優(yōu)點是消除了外界光線的干擾提高了靈敏度 ，制作比較簡單。 R14 7 0R61 0 0 KR52MR42 7 kR31 0 0 kR22kV1D1L E DD2P H O T OC10 . 0 13 5 8R71KV C C + 5 VOUTP 1 . 02 0 0 H Z 圖 32 脈沖調制式紅外發(fā)射接收器電路 因為光在水中的傳播與空氣中光的傳播是由不同的差異的，即光在不同的介質中其強弱程度不同?？梢愿鶕?jù)此原理采集水塔中是否有水，如圖 33所示。共有四組光 電耦合器組成采集信號。 脈沖調制式紅外發(fā)射接收器工作原理 ： 接收管與發(fā)射管放在水塔對立的兩側且在一條直線上，在空氣中接收管吉林 工業(yè)職業(yè)技術學院論文 13 完全接收到發(fā)光管發(fā)送來的信號，運算放大器同向端電平高于反向端，輸出高電平送給單片機處理；當發(fā)射接收兩管之間有水時，水對光有反射和折射特性減弱了光信號，在此適當?shù)恼{整好圖 32 中電阻 R2，使接收管在有 水 4 4321231發(fā)光發(fā)光接收發(fā)光接收接收光 源 圖 33 光電水位檢測示意圖 時 接受的信號是弱信號，此時 運放的 同向端低于反向端，這樣輸出為低電平。由此可以判斷出是否有水。但是 ，問題在于電路調試比較困難，因為光在水中傳播的亮度與光在空氣中傳播的亮度信號，單片機難于區(qū)分出，實現(xiàn)起來比較困難。 水阻開關傳感器。 任何物質在電學里都有一定的阻值， 實驗證明，純凈水幾乎是不導電的，但自然界存在的 ， 以及人們?nèi)粘Ｊ褂玫乃紩幸欢ǖ?Mg2+、 Ca2+等離子，它們的存在使水 可以具有 導電 的性能 ， 水的阻值大約為 10KΩ左右 。本控制裝置就是利用水的導電性完成的。 其傳感器電路結構簡單，是由三極管 901兩個電阻、和一個無極性電容組成， 可以簡單的自制出水位傳感器如圖 34 所示。 此傳感器利用了兩個原理，一 個是三極管的開關特性；另一個是水的阻值特性 (實驗證明，純凈水幾乎是不導電的，但自然界存在的以 及人們?nèi)粘Ｊ褂玫乃紩幸欢ǖ?Mg2+、 Ca2+吉林 工業(yè)職業(yè)技術學院論文 14 C20 . 0 1 uFV29 01 3R65 60R21KP 1. 1I N 2C10 . 0 1 uFV19 01 3R55 60R11KP 1. 0I N 1C30 . 0 1 uFV39 01 3R75 60R31KP 1. 2I N 3C40 . 0 1 uFV49 01 3R85 60R41KP 1. 3I N 4+ 5V金屬棒金屬棒金屬棒金屬棒金屬棒高水位中水位低水位蓄水V C C等離子，它們的存在能夠使水導電 )。 C50 .0 1 u FV49 0 1 3R 1 15 6 0R 1 21KP 1 . XI N X+5金屬棒+ 5 V水位點 圖 34 傳感器工作電路 為此，在水塔的不同高度安裝了 5 根金屬棒，以感知水位變化情況。 根據(jù)水與空氣的阻值特性（水的阻值大約為 10KΩ左右，空氣的阻值約為無窮大）。我們利用的是三極管的開關特性（即飽和導通，截止斷開）。在水塔中分別放置了正 5 伏電源線和四條帶有 金屬棒 判斷水位的導線。 +5 伏導線放在水塔的最底端，另四條分別放置 在