【文章內(nèi)容簡介】 性是控制系統(tǒng)最一般的要求，從而使 控制 系統(tǒng)有較長的平均無故障時間。因此，在設(shè)計單片機應(yīng)用系統(tǒng)中 ， 高可靠性 在每一環(huán) 節(jié)都必須作為設(shè)計 原則。 （ 2）高性價比 在具有高可靠性的同時，在設(shè)計單片機應(yīng)用系統(tǒng)時，控制系統(tǒng)的性價比也是必須考慮。在保證功能實現(xiàn)和高可靠性的條件下，不必強求 CPU 及元器件的高檔次，能使用8 位機就不用 16 位機，能使用中檔就不用高檔機，能使用 89C51 就不用 89C52。 能用軟件實現(xiàn)的功能就不要用硬件來做，盡量減少元器件的數(shù)量，以提高性價比。 （ 3）操作簡單，維護方便 武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文） 說明書 10 一般的單片機應(yīng)用系統(tǒng)的使用者都不是專業(yè)人員，所以在設(shè)計時應(yīng)注意使用者的操作要盡量簡單、方便 。 設(shè)計時也要注意系統(tǒng)的維修方便，要使系統(tǒng) 一旦發(fā)生了故障，維修人員能夠及時查出原因，并能迅速排除故障。 （ 4）具有可擴展性 由于工廠的生產(chǎn)工藝在不斷的革新，市場的情況也在不斷的變化，所以單片機的控制對象也會不斷地改變，所需控制的功能也有可能不斷地增加，在設(shè)計單片機控制系統(tǒng)時，也許有些功能當(dāng)時用不到，但也應(yīng)在輸入 /輸出接口、數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器等方面留有可擴展的余地。 89C51芯片功能 及引腳介紹 89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除 只讀存儲器 （ FPEROM— Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能 CMOS8 位 微處理器 ，俗稱 單片機 。 單片機 的可擦除 只讀存儲器 可以反復(fù)擦除 100 次。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍 存儲器 組合在單個芯片中， ATMEL 的 89C51 是一種高效微控制器， 89C2051 是它的一種精簡版本。 89C51 單片機為很多 嵌入式控制系統(tǒng) 提供了一種靈活性高且價廉的方案。 89C51 的 主要特性為： 與 MCS51 兼容 、 4K 字節(jié)可編程閃爍 存儲器 、 數(shù)據(jù)保留時間 為 10 年 、 128*8 位內(nèi)部 RAM、 32 可編程 I/O 線 兩個 16 位 定時器 /計數(shù)器 、 5 個 中斷源 、 可 編程 串行通道 等 。 下面是 89C51 單片機引腳圖及引腳功能介紹 （ 如圖 22 所示 ）： 武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文） 說明書 11 圖 22 單片機引腳圖 40 個引腳按引腳功能大致可分為 4 個種類：電源、時鐘、控制和 I/O 引腳 。 1） . 電源 ： ⑴ VCC 芯片電源，接 +5V； ⑵ GND 接地端； 2） . 時鐘 ： XTAL XTAL2 晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端。 3） . 控制線 ： 控制線共有 4 根 ： ⑴ ALE/PROG： 地址鎖存允許 /片內(nèi) EPROM 編程脈沖 。 ① ALE 功能： 用來鎖存 P0 口送出的低 8 位地址 。 ② PROG 功能 ：片內(nèi)有 EPROM 的芯片，在 EPROM 編程期間，此引腳輸入編程脈沖。 ⑵ PSEN： 外 ROM 讀選通信號 。 ⑶ RST： 復(fù)位。 武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文） 說明書 12 ⑷ EA/Vpp： 內(nèi)外 ROM 選擇 /片內(nèi) EPROM 編程電源。 ① EA 功能：內(nèi)外 ROM 選擇端。 ② Vpp 功能：片內(nèi)有 EPROM 的芯片，在 EPROM 編程期間，施加編程電源 Vpp。 4） . I/O 口 ： 89C51 共有 4 個 8 位并行 I/O 端口： P0、 P P P3 口，共 32 個引腳。 CD4511 芯片功能 及引腳介紹 CD4511 是一片 CMOS BCD— 鎖存 /7 段譯碼 /驅(qū)動器， 具有 BCD 轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅(qū)動功能的 CMOS 電路能提供較大的拉電流 ， 可直接驅(qū)動共陰 LED數(shù)碼管 。 下面是 CD4511 引腳圖及引腳功能介紹 （ 如圖 23 所示 ）： 圖 23 CD4511 引腳圖 引腳 功能： A0~A3： 二進制數(shù)據(jù)輸入端 /BI： 輸出消隱控 制端 LE： 數(shù)據(jù)鎖定控制端 /LT： 燈測試端 QA~QG： 數(shù)據(jù)輸出端 使用 方法： 武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文） 說明書 13 其中 A、 B、 C、 D 為 BCD 碼輸入， A 為最低位。 LT 為燈測試端，加高電平時，顯示器正常顯示，加低電平時，顯示器一直顯示數(shù)碼 “8” ，各筆段都被點亮，以檢查顯示器是否有故障。 BI 為消隱功能端，低電平時使所有筆段均消隱，正常顯示時， B1端應(yīng)加高電平。另外 CD4511 有拒絕偽碼的特點，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)越過十進制數(shù) 9(1001)時，顯示字形也自行消隱。 LE 是鎖存控制端，高電平時鎖存，低電平時傳輸數(shù)據(jù)。 QA~QG是 7 段輸出，可驅(qū)動共陰 LED 數(shù)碼管 。 下圖是 CD4511 和 CD4518 配合而成一位計數(shù)顯示電路，若要多位計數(shù)，只需將計數(shù)器級聯(lián)，每級輸出接一只 CD4511 和 LED 數(shù)碼管即可。所謂共陰 LED 數(shù)碼管是指 7 段 LED 的陰極是連在一起的，在應(yīng)用中應(yīng)接地。限流電阻要根據(jù)電源電壓來選取，電源電壓 5V 時可使用 300Ω 的限流電阻。 DS1302 芯片功能 及引腳介紹 DS1302 是 美國 DALLAS 公司推出的一種高性能、低功耗、帶 RAM 的實時時鐘電路，它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能，工作電壓為 ～ 。采用三線接口與 CPU 進行 同步通信 ，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的 時鐘信號 或 RAM 數(shù)據(jù)。 DS1302 內(nèi)部有一個 318 的用于臨時性存放數(shù)據(jù)的 RAM寄存器 。 它的 主要特點是采用串行數(shù)據(jù)傳輸，可為掉電保護電源提供可編程的充電功能，并且可以關(guān)閉充電功能。 圖 24 DS1302 引腳圖 引腳 功能 （如圖 24 所示 ）： Vcc1： 主電源 Vcc2： 后備電源 X X2： 振蕩源 RST： 復(fù)位 /片選線 武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文） 說明書 14 I/O： 串行數(shù)據(jù)輸入輸出端 (雙向 ) SCLK： 時鐘輸入端 電路 連接 （ 如圖 25 所示 ）： 圖 25 DS1302 芯片 的 電路連接 LED 數(shù)碼管顯示 LED 數(shù)碼管（ LED Segment Displays）由多個 發(fā)光二極管 封裝在一起組成 “ 8” 字型的器件，引線已在內(nèi)部連接完成，只需引出它們的各個筆劃，公共電極 （ 數(shù)碼管實際上是由七個發(fā)光管組成 8 字形構(gòu)成的， 加上 小數(shù)點就是 8 個 ） 。這些段分別由字母 “ a， b，e， f， g， dp” 來表 示 [14]。 LED 數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動電路來驅(qū)動數(shù)碼管的各個段碼，從而顯示出我們要的數(shù)字，因此根據(jù) LED 數(shù)碼管的驅(qū)動方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類。靜態(tài)驅(qū)動也稱直流驅(qū)動 ， 靜態(tài)驅(qū)動是指 每個數(shù)碼管的每一個段碼都由一個單片機的 I/O 端口 進行驅(qū)動，或者使用如 BCD 碼二 十進制譯碼器譯碼進行驅(qū)動，靜態(tài)驅(qū)動的優(yōu)點是編程簡單，顯示亮度高，缺點是占用 I/O 端口多；動態(tài)顯示接口是單片機中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的 8 個顯示筆劃 “ a， b， c， d， e， f， g， dp” 的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極 COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的 I/O 線控制，當(dāng)單片機輸出字形碼時，單片機對位選通 COM 端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形 ，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮 ， 通過分時輪流控制各個數(shù)碼管的的COM 端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅(qū)動 ， 在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點亮?xí)r間為 1～ 2ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文） 說明書 15 實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的 I/O端口，而且功耗更低。 LED 數(shù)碼管的形狀以及共陰極共陽極電路如 圖 26 所示 : 圖 26 LED 數(shù)碼管共 陽 極 和 共 陰 極電路 對水塔 水位顯示， 本設(shè)計 是通過 CD4511 來 驅(qū)動共陰極數(shù)碼管， 將 CD4511 的 A、B、 C、 D 端分別和 89C51 的 P3 口的低 4 位 相連 ， A 是最低位 D 是最高位。然后 再將CD4511 的 “ QA， QB， QC， QD， QE， QF， QG” 分別 和 LED 數(shù)碼管 的 數(shù)據(jù)端相連 ，通過 89C51 的 P3 口的低 4 位來 驅(qū)動數(shù)碼管的顯示 。 通過 A、 B、 C、 D 的 BCD 碼來驅(qū)動數(shù)碼管的顯示， 如 圖 27 所示： 武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文） 說明書 16 圖 27 CD4511 驅(qū)動 的數(shù)碼管 對 數(shù)字 時鐘 的顯示， 本設(shè)計 是通過 DS1302 來驅(qū)動 八個數(shù)碼管 ， 將 數(shù)碼管的 “ a， b，c， d， e， f， g， dp” 分別 和 89C51 的 P0 口 相連 ， 再 將數(shù)碼管的 “ 1， 2， 3， 4， 5， 6，7， 8” 端口 分別和 89C51 的 P2 口 相連， 當(dāng) 系統(tǒng)一運行時， DS1302 能 及時驅(qū)動數(shù)碼管顯示當(dāng)前的時間。 電機 驅(qū)動 及顯示 電動機（ Motors）是把電能轉(zhuǎn)換成 機械能 的一種設(shè)備。它是利用通電線圈（也就是定子繞組）產(chǎn)生旋轉(zhuǎn) 磁場 并作用于轉(zhuǎn)子（如鼠籠式閉合鋁框）形成磁電動力旋轉(zhuǎn)扭矩。電動機按使用電源不同分為直流電動機和交流電動機， 電力系統(tǒng) 中的電動機大部分是交流 電機 ，可以是 同步電機 或者是異步電機（電機 定子 磁場轉(zhuǎn)速與 轉(zhuǎn)子 旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速不保持同步速）。電動機主要由定子與轉(zhuǎn)子組成，通電導(dǎo)線在磁場中受力運 動的方向跟 電流 方向和磁感線（磁場方向）方向有關(guān)。電動機工作原理是磁場對電流受力的作用，使電動機轉(zhuǎn)動。 水塔中水量 都是通過電動機的轉(zhuǎn)動，將水輸送到水塔中 ，而電動機 的轉(zhuǎn)動 是 通過 繼電器 的 吸合 和斷開來控制。當(dāng) 水塔中的水位過高時， 控制電動機 的 繼電器會自動的斷開 ，電動機停轉(zhuǎn) ；當(dāng)水塔中的 水位過低時，控制 電動機 的繼電器 會 自動的吸合， 電動機 開始轉(zhuǎn)動，水塔中的水位開始上升，直到水塔中的水位達到高位 時繼電器自動的斷開，電動機停轉(zhuǎn)。 電機控制部分，采用了三極管放大和二極管正向?qū)ǖ淖饔煤屠^電器的吸合作用來控制電機的工作，由單片機 口進行控制 ，而電機的工作狀況由相應(yīng)的顯示指示燈來顯示， 如 圖 28 所示： 武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文） 說明書 17 圖 28 電機 控制電路 水位檢測電路 按鍵是直接用 I/O 口線構(gòu)成的單個按鍵電路 ,每個獨立式按鍵占有一根 I/O 口線 ,各根 I/O 口線之間不會相互影響。在此電路中 ,按鍵輸入采用低電平有效 。 水位檢測部分是用單片機 ～ 連接的 四 個按鈕分別代表 shuiman、 sw sw2和 sw1。 由于基于單片機的水塔 水位 控制系統(tǒng) 在 Protues 中 進行仿真時， Protues 中 沒有水塔水位的模型，所以就不能用 實際的液位 傳感器來前側(cè)水塔 中 的 實際 水位。在 這里 可以用四個按鈕 K K K K5 來 控制水塔中的 水位 。當(dāng) 按下 K5， 電動機開始轉(zhuǎn)動 ， 此時水塔 中的 水位 會顯示 1，即 此時的水位時水塔總高度的 1/4；當(dāng) 按下 K4， 電動機開始轉(zhuǎn)動 ， 此時水塔 中的 水位 會顯示 2，即 此時的水位時水塔總高度的 2/4；當(dāng) 按下 K3， 電動機開始轉(zhuǎn)動 ， 此時水塔 中的 水位 會顯示 3，即 此時的水位 時水塔總高度的 3/4；當(dāng) 按下K2， 電動機開始轉(zhuǎn)動 ， 此時水塔 中的 水位 會顯示 4，即 此時的水位 達到水滿 狀態(tài) 。如 圖29 所示 ： 武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文） 說明書 18 圖 29 水位檢測 電路 聲光 報警電路 報警 電路 是一種為防止或預(yù)防某事件發(fā)生所造成的后果，以聲音、光、氣壓等形式來提醒或警示我們應(yīng)當(dāng)采取某種行動的電子產(chǎn)品。 聲光 報警 部分 主要由 以 揚聲器為代表的聲音報警部分和以數(shù)碼管為 代表的 光 報警 部分 ， 它們分別 由 單片機的 和 接口來實現(xiàn)水位的報警。 當(dāng) K2 按鈕 被 按下時 ，即此時為 shuiman， 報警 指示燈 發(fā)光 二 極管會閃爍 并且揚聲器會 發(fā)出尖銳的報警聲，且閃爍幾秒鐘后聲光報警會自動的關(guān)閉； 當(dāng)K5 被 按下時，即此時為低水位， 報警 指示燈 發(fā)