南通大学杏林学院毕业论文封面

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南通大学杏林学院毕业设计南通大学杏林学院本科毕业论文题目基于单片机及组态软件的水箱液位监控系统设计作者：陈超专业：自动化班级：自132指导教师：王胜锋27 南通大学杏林学院毕业设计摘要大型水箱是很多公司生产过程中必不可少的部件，它的性能和工作质量的优良不仅仅对生产有着巨大的影响，而且也关系着生产的安全。在过去，大量的对水箱操作是由相应的人员进行操作的，这样的人工方式带来了很大的弊端，比如水位的控制，时刻监控水箱的环境，夜间的监控等等，操作员稍有疏忽，或者简易的监则器件损坏，将带来无法弥补的损失，更严重的会危机到生产人员的人身安全等。所以，对水箱控制，如果能够使用精密的而且完全会严格按照生产规定运行的自动化系统，可以最大限度的避免事故的几率，同时也能节省资源并能有效提高生产的效率。本单片机系统设计的目的是应用单片机控制技术，以8051单片机为核心控制水箱的水位，并实现了报警和手动、自动切换功能。该系统操作方便、性能良好，比较符合电厂生产用水系统控制的需要。组态软件是面向过程监控与数据采集的软件平台，当它运行于组态（开发）环境时，向用户提供丰富的设置项目，最后定制出符合用户需要的目标应用。该目标应用运行时可帮助操作人员监控生产过程。组态软件是自动化软件的一个活跃的研究方向之一。液位作为工业生产过程中重要的工艺参数之一，在各个领域中都有广泛的应用，诸如液体储罐、储槽、进料罐、缓冲罐、水箱等设备。而对于双容水箱液位的监控越来越有其实际的意义，我们可以在其上进行诸多的控制策略的试验，然后将成功的经验总结、应用到其他领域中去，这对节省能耗、工业安全性以及工业自动化的发展是很有推动意义的。27 南通大学杏林学院毕业设计针对监控系统对组态软件的要求，本文详细讨论了力控组态软件的功能和特征，为开发组态软件需要解决的若干问题提供了解决方法，为液位控制系统的设计提供了一套可行的方案。文章阐述了力控组态软件的体系结构，数据处理流程，描述了各组成部分的功能，给出了实现这些功能所需的技术、措施：具体描述图形界面系统、实时数据库系统、I/O系统、开放数据交换接口等内容；为本系统开发的几个组成部分规划了数据结构、基本算法。还介绍了OPC这一当前对组态软件很有影响的技术标准。关键词：力控组态软件，液位监控系统，实时数据库，I/O系统，过程监控与数据采集，单片机，水位，控制，报警BasedonthesinglechipmicrocomputercontrolsystemofthewatertankAbstractLargewatertanksarealotofcompaniesessentialtotheproductionprocessofparts,itsperformanceandthequalityofworknotonlyonproductionofthefinehasenormousinfluence,butalsothesafetyofproduction.Inthepast,manyofthetanksareoperatedbythestafftooperate,sothatartificialmeansalotofdrawbacks,suchasthewaterlevelcontrol,watertanksatalltimestomonitortheenvironment,andsoonthenightofmonitoring,theoperatorslightlynegligence,ordamagetotheSummaryofthemonitoringdevicewillbringirreparabledamagewillbeevenmoreseriouscrisisin27 南通大学杏林学院毕业设计production,suchasthepersonalsafetyofstaff.Therefore,controlofwatertanks,iftheuseofsophisticatedandcantotallyberuninstrictaccordancewiththeprovisionsoftheautomatedproductionsystemthatcanmaximizethechancesofavoidingaccidents,butalsosaveresourcesandcaneffectivelyimprovetheefficiencyofproduction.Thepurposeofsingle-chipsystemdesignistheapplicationofsingle-chipcontroltechnology,to8051asthecoretocontrolthewaterlevelinwatertanks,andimplementationofthealarmandmanual,automaticswitchingfunction.Thesystemiseasytooperate,goodperformance,moreinlinewiththepowertocontroltheproductionofthenecessarywatersystem.Keywords:Single-chiplevelControlAlarm27 南通大学杏林学院毕业设计目录1诸论..............................................................11.1水箱控制系统的研究意义..........................................11.2水箱控制系统国内外研究现状......................................21.3水箱水位控制系统研究发展方向....................................32单片机水箱控制系统原理............................................42.180C51单片机控制系统理..........................................42.180C51单片机水箱控制系统工作原理................................42.280C51单片机控制部分结构说明....................................52.380C51引脚电路及其功能.........................................103串行口的应用.....................................................1127 南通大学杏林学院毕业设计1.1水箱控制系统的研究意义大型水箱是很多公司生产过程中必不可少的部件，它的性能和工作质量的优良不仅仅对生产有着巨大的影响，而且也关系着生产的安全。在过去，大量的对水箱操作是由相应的人员进行操作的，这样的人工方式带来了很大的弊端，比如水位的控制，时刻监控水箱的环境，夜间的监控等等，操作员稍有疏忽，或者简易的监则器件损坏，将带来无法弥补的损失，更严重的会危机到生产人员的人身安全等。所以，对水箱控制，如果能够使用精密的而且完全会严格按照生产规定运行的自动化系统，可以最大限度的避免事故的几率，同时也能节省资源并能有效提高生产的效率。从水资源节约方面考虑，以往的人工控制在很多情况下，造成资源不必要的浪费，大部分原因是水箱内部水位没有及时的反馈信息到操作员，从而使控制上有一定的延迟，从而造成了水量过多或者没能及时补水而导致资源的浪费或生产出现异常。而对水箱水位的监控以及自动化的引入可以很好的改善补水过多和及时补水的情况，可以很好的节约资源有效的降低成本。单片机，一小块芯片上集成了一个微型计算机的各个组成部分，它的诞生使众多自动化控制系统得以实现。80C51以它功能强大，设计简单，制造廉价，支持指令集较多。所以应用到众多嵌入式系统开发中。因此，基于80C51单片机的水箱控制系统研究有着重要的意义。1.2水箱控制系统国内外研究现状目前，水箱控制系统已不仅仅局限于大型的电厂、煤炭、钢铁等大型企业领域，它以自身的自动化控制系统的安全优势，已经慢慢深入到一些民用水箱产品。但是目前阶段，它的成本还很高。比如把一台纯手工家用水箱设计成自动化控制的水箱，从硬件的设计和铺设，对于民用化产品实施的性价比较高。因此大规模的使用仍受到经济上的限制。但是，从长远来看，随着自动化技术的改进和硬件成本的降低，以及人们对资源浪费的重视。水箱控制系统仍然有大规模推广的前景。27 南通大学杏林学院毕业设计我国仍然处于生产型发展中国家，所有几乎在能源相关的所有领域中，水箱是比不可少的部件，即使是发达国家也不例外。它性能的优良与否关系直接关系到企业的生产安全和效益。随着我国嵌入式技术的发展，我国控制系统技术已经达到国际水平，但是在中小型企业以及民用产品，大量的水箱控制任然通过专职的人员进行控制。随着我国单片机开发技术的逐渐成熟，以及单片机生产成本的下降，基于单片机的水箱控制系统应用到中小型以及民用产品有着交大的发展空间。而且越来越多的水箱生产厂商开始聘用单片机开发人员和电路设计人员，将控制系统成为水箱设计的一部分，以提高自身产品的安全性能和科技含量来提高产品在市场中的竞争力。一些发达国家在单片机新型系统研究、制造和应用上，已经积累了很多的经验，奠定了基础，进入了国际市场。我国在新型测控装置与系统研究、制造、应用和经验上，与其他发达国家相比还存在差距，但是我国研究人员已经克服很多困难，并在不断摸索中前进，有望在相关领域赶上甚至超越发达国家的技术水平，这是发展趋势。1.3水箱水位控制系统研究发展方向纵观我们现在生活的各个领域，从导弹的导航装置，到飞机上各种仪表的控制，从计算机的网络通讯与数据传输，到工业自动化过程的实时控制和数据处理，以及我们生活中广泛使用的各种智能IC卡、电子宠物等，这些都离不开单片机。以前没有单片机时，这些东西也能做，但是只能使用复杂的模拟电路，然而这样做出来的产品不仅体积大，而且成本高，并且由于长期使用，元器件不断老化，控制的精度自然也会达不到标准。在单片机产生后，我们就将控制这些东西变为智能化了，我们只需要在单片机外围接一点简单的接口电路，核心部分只是由人为的写入程序来完成。这样产品的体积变小了，成本也降低了，长期使用也不会担心精度达不到了。所以，它的魔力不仅是在现在，在将来将会有更多的人来接受它、使用它。据统计，我国的单片机年容量已达3亿片，且每年以大约20%的速度增长，但相对于世界市场我国的占有率还不到1%。特别是沿海地区的玩具厂等生产产品多数用到单片机，并不断地辐射向内地。所以，学习单片机在我国是有着广阔前景的。而在本次的毕业论文是基于单片机的水箱控制系统，主要核心就是80C51单片机。通过这次设计，我综合运用大学四年所学知识去分析和解决问题，我深刻的了解和掌握了单片机的控制原理和设计方法。不仅加深和回顾了但单片机等专业知识而且积累到单片机控制技术在实际中的经验。27 南通大学杏林学院毕业设计由于自身缺少在实践设计的经验，所以在这次的设计中我自身也发现了很多不足的方面，从论文的本身的方面的结构到具体设计中硬件设计知识和经验的不足使得设计和论文存在的很多的问题，但是我的导师程老师的细心指导下，经过前后多次的修改和完善，最终完成了毕业设计的任务。单片机控制技术领域是一个有着非常潜力和前景的专业技术，我相信通过这次毕业论文的设计，不仅加深和掌握了这一专业技术，而且也提高了自己的专业能力和综合素质，为我的大学生涯画下一个完整的句号。3.2单片机水箱控制系统原理2.180C51单片机控制系统原理本论文主要研究水箱水位控制器系统。实现了水位报警和手动、自动切换功能。操作方便、性能良好。水箱给水设备系统由两台给水泵机组、水箱和三只浮球开关组成，其系统结构如图2.1：图2.1水箱给水系统结构其中M1、M2为给水泵机组，LG、LD、LDD分别为水位高、水位低、水位低低浮球开关，当水位高（大于90%）时，LG闭合，当水位低（小于75%）时，LD闭合，当水位低低（小于50%）时，LDD闭合。2.1.180C51单片机水箱控制系统工作原理27 南通大学杏林学院毕业设计当水箱水位低时，起动M1、M2给水，水位上升到90%，停M1；当水箱水位低低（小于50%）时，同时起动M1、M2；当水位上升到50%以上75%以下时，停M2，M1继续运行到水位上升到90%以上才停止工作。经过数据统计，得到以下数据：水位从50%--75%，两台泵运行需要约10分钟；水位从75%--90%，一台泵运行需要约15分钟。水箱的水位一般保持在75%--90%。报警控制如下：当水位高于90%的时候，由传感器经变送器发送信号，LG闭合，系统水位高报警。当水位低于75%的时候，由传感器经变送器发送信号，LD闭合，系统水位低报警。当水位低于50%的时候，由传感器经变送器发送信号，LDD闭合，系统水位低低报警。手动/自动模式转换控制如下：全自动模式下，系统自动判断水位的状况，选择不同的工作状态。手动的模式下，两台给水泵的运行控制可由人工自己操作。其部分原理图如图2.2所示图2.2水位控制电路原理图开关K1,K2,K3,K4,K5,K6分别与单片机引脚P3.0,P3.1,P3.2,P3.3,P3.4,P3.5相连，他们的功能分别是：27 南通大学杏林学院毕业设计K1:DD自动正转加水M1M2;K2:手动反转抽水M1M2;K3:GG自动停止M1M2;K4:手动正转加水M1M2;K5:手动停止;K6:D自动正转加水M1.2.1.280C51单片机控制部分结构说明MCS-51是Intel公司生产的一个单片机系列的名称。该公司继1976年推出MCS-48系列8位单片机之后，又于1980年推出了MCS-51系列高档8位单片机。属于这一系列的单片机芯片有个单片机系统有以下几部分组成：（1）一个8位的微处理器(CPU)。（2）片内数据存储器RAM(128B/256B)，用以存放可以读/写的数据，如运算的中间结果，最终结果以及欲显示的数据等。（3）片内程序存储器ROM/EPROM(4KB/8KB)，用以存放程序，一些原始数据和表格。但也有一些单片机内部不带ROM/EPROM，如8031，8032等。（4）四个8位并行I/O接口P0～P3，每个口既可以用作输入，也可以用作输出。（5）两个定时器/计数器，每个定时器/计数器都可以设置成计数方式，用以对外部件进行计数，也可以设置成定时方式，并可以根据计数或定时的结果实现计算机的控制。（6）五个中断源的中断控制系统。（7）一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通信。（8）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。最高允许振荡频率为12MHZ。以上各部分是通过内部数据总线相连接的。其中，CPU是单片机的核心，是计算机的控制和指挥中心，有运算器和控制器等部件组成。运算器包括一个可进行8位算术运算和逻辑运算的单元ALU，8位的暂存器1，暂存器2，8位的累加器ACC，寄存器B和程序状态寄存器PSW等.27 南通大学杏林学院毕业设计累加器ACC经常作为一个运算数经暂存器2进入的输入端，与另一个来自暂存器1的运算数进行运算，运算结果又回送ACC。除此之外，ACC在8051内部经常作为数据传送的中转站。同一般微处理器一样，它是最繁忙的一个寄存器了。在指令中助记符A来表示。控制器包括程序计数器，指令寄存，指令译码，振荡器及定时电路等。程序计数器有两个8位的计数器组成，共16位。它实际上是程序的字节地址计数器，PC中内容是将要执行的下一条指令地址。改变它的内容就可改变程序执行的方向。在8051单片机内有振荡电路，只需外接石英晶体和频率微调电容，其频率范围是1.2MHZ～12MHZ.该脉冲信号就作为8051工作的基本节拍，即时间的最小单位。8051片内有ROM（程序存储器，只能读）和RAM（数据存储器，可读可写）两类,它们有各自独立的存储地址空间，与一般微机的存储器配置方式不相同。程序存储器8051及8751的片内程序存储器容量为4KB，地址从0000H开始，用于存放程序和表格常数。数据存储器8051及8751、8031片内数据存储器均为128B，地址伪007FH，用于存放运算的中间结果，数据暂存以及数据缓冲等。在这128B的RAM中，有32个字节单元可指定为工作寄存器，这同一般微处理器不同，8051的片内RAM和工作寄存器排在一个队列里同一编址。另外MCS-51系列单片机与一般微机的存储器配置方式很不相同。一般微机通常只有一个地址空间，ROM和RAM可以随意安排在这一地址范围内不同空间，即ROM和RAM的地址同在一个队列里分配不同的地址空间。访问存储器时，一个地址对应唯一的存储器单元，可以是ROM，也可以是RAM，并用同类访问指令。此种存储器结构称为普林斯顿结构。8051的存储器在物理结构上分为程序存储器空间和数据存储器空间，共有四个存储空间：片内程序存储和片外程序存储空间以及片内数据存储器和片外数据存储器空间，这种程序器和数据存储器和数据存储器分开的结构形式，称为哈佛结构。但从用户使用角度，8051存储器地址空间分为三类[3]：（1)片内，片外统一编址0000H～FFFFH（用16位地址）。（2)64KB片外数据存储器地址空间，地址也从0000H～FFFFH（用16位地址）编址。（3)256B数据存储器地址空间（用8位地址）。27 南通大学杏林学院毕业设计前述的三个存储器空间地址是重叠的，为了区分起见在8051的指令系统设计了不同数据传送指令符号：CPU访问片内，片外ROM指令用MOVC，访问片外RAM指令用MOVX，访问片内RAM指令用MOV。8051单片机有四个8位并行I/O端口，称P0,P1,P2和P3。每个端口都是8位准双向口，共占32只引脚。每一条I/O线都能独立地用作输入和输出。每个端口都包括一个锁存器（即特殊功能寄存器），一个输出驱动器和一输入缓冲器。作输出时数据可以锁存，作输入时数据可以缓冲，但这四个通道的功能不完全相同。在无片外扩展存储器的系统中，这四个端口都可以作为准双向通用I/O口使用。在具有片外扩展存储器的系统中，P2口送出高8位地址；P0口为双向总线，分时送出低8位地址和数据的输入/输出。8051单片机四个I/O端口的电路设计非常巧妙。熟悉I/O端口逻辑电路，不但有利于正确合理地使用端口，而且会对设计单片机外围逻辑电路有所启发。端口的负载能力和接口都有一定要求，由于P0口的输出级与P1～P3口的输出级在结构上是不同的，因此，它门的负载能力和接口要求也各不相同。P0口与其他口不同，它的输出级无上拉电阻。当把它用作通用口使用时，输出级是开漏电路，故用其输出去驱动NMOS输入时需外接上拉电阻。用作输入时，应先向口锁存器写“1”。P0口的每一位输出可驱动8个LS型TTL负载.P1口也是一个准双向口，用作通用I/O。其电路的输出部分与P0口不同，内部有上拉负载电阻与电源相连。实质上，电阻是两个场效应管FET并在一起：一个FET为负载管，其电阻固定。另一个可工作在导止或截止两种状态，使其总电阻值变化近似0或阻值很大两种情况。当电阻近似为0时，可将引脚快速上拉至高电平；当电阻值很大时，P1口为高阻输入状态。当P1口输出高电平时，能向外提供拉电流负载，所以不必再接上拉电阻。在端口用作输入时，也必须先向对应的锁存器写入1，使FET截止。由于片内负载电阻较大约20千欧姆～40千欧姆，所以不会对输入的数据产生影响。P2口某位的结构与P0口类似，有MUX开关。驱动部分与口类似，但比P1口多了一个转换控制部分。P3口是一个多功能端口，它比P1口多了“与非”门3和缓冲器4。正是这两部分，使得它除了具有P1口的准双向功能之外，还可以使用各引脚所具有的第二功能。“与非”门327 南通大学杏林学院毕业设计的作用实际上是一个开关，决定是输出锁存器上的数据还是输出第二功能的信号。当W=1时，输出Q端信号；当Q=1时，可输出W线信号。编程时，可不必软件设置P3口为第一功能还是第二功能。当CPU对P3口进行SFR寻址（位或字节）访问时，有内部硬件自动将第二功能输出/输入线时，有内部硬件锁存器Q=1。P3口的工作原理与P1口类似。P1～P3口的输出级接有内部上拉负载电阻，它们的每一位输出可驱动4个LS型TTL负载。作为输入口时，任何TTL或NMOS电路都能以正常的方式驱动8051单片机的P1～P3口。由于它们的输出级具有上拉电阻，也可以被集电极开路或漏极开路所驱动，而无需外接上拉电阻。I/O口也都是准双向口。作为输入时，必须先对相应端口锁存器写1。对于80C51单片机，端口只能提供几毫安的输出电流，故当作输出口去驱动一个普通晶体管的基极时，应在端口与晶体管基极间串联一个电阻，以限制高电平输出时的电流。复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。在8051中RST引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期（即二个机器周期）以上。若使用频率6兆赫兹的晶振，则复位信号持续时间应超过4微妙才能完成复位操作。图2.3产生复位信号的电路逻辑图整个复位电路包括芯片内、外两部分。外部电路产生的复位信号(RST)27 南通大学杏林学院毕业设计送至施密特触发器，再有片内复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对施密特触发器的输出进行采样，然后才得到内部复位操作所需的信号。一般复位电路中的电阻，电容参数适用于6晶振，能保证复位信号高电平持续时间大于2个机器周期。复位电路虽然简单，但其作用非常重要。一个单片机系统能否正常运行，首先要检查是否能复位成功。初步检查可用示波器探头监视引脚，按下复位键，观察是否有足够幅度的波形输出（瞬时的），还可以通过改变复位电路阻容值进行实验。本系统采用8051单片机，引脚具体控制如下：P1口和P3口为输入输出检则信号和控制信号。P1.0：水位低低输入信号。（低0，高1）P1.1：水位低输入信号。（低0，高1）P1.2：水位高输入信号。（高1，低0）P1.3：手动与自动转换输入信号。（手动1，自动0）P1.4：M1起动KM1控制输出信号。（手动1，自动0）P1.5：M2起动KM1控制输出信号。（手动1，自动0）P1.6：M1开关状态输入信号。（开0，关1）P1.7：M2开关状态输入信号。（开0，关1）P3.0：水位低低报警输出信号。P3.1：水位低报警输出信号。P3.2：水位高报警输出信号。P3.4：手动起动M1输入信号，低电频有效动作。P3.5：手动起动M2输入信号，低电频有效动作。P3.6：手动停M1输入信号，低电频有效动作。P3.7：手动停M2输入信号，低电频有效动作。2.1.380C51引脚电路及其功能MCS—51系列单片机的40个引脚中有2个专用于主电源引脚，2个外接晶振的引脚，4个控制或与其它电源复用的引脚，以及32条输入输出I/O引脚[4]。下面按引脚功能分为4个部分叙述个引脚的功能。①电源引脚Vcc和Vss27 南通大学杏林学院毕业设计Vcc（40脚）：接+5V电源正端；Vss（20脚）：接+5V电源正端。②外接晶振引脚XTAL1和XTAL2XTAL1（19脚）：接外部石英晶体的一端。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚接地；对于CHOMS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。XTAL2（18脚）：接外部晶体的另一端。在单片机内部，接至片内振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，该引脚作为外部振荡信号的输入端。对于CHMOS芯片，该引脚悬空不接。③控制信号或与其它电源复用引脚控制信号或与其它电源复用引脚有RST/VPD、ALE/P、PSEN和EA/VPP等4种形式。（A）．RST/VPD（9脚）：RST即为RESET，VPD为备用电源，所以该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，就可实现复位操作，使单片机复位到初始状态。当VCC发生故障，降低到低电平规定值或掉电时，该引脚可接上备用电源VPD（+5V）为内部RAM供电，以保证RAM中的数据不丢失。（B）．ALE/P（30脚）：当访问外部存储器时，ALE（允许地址锁存信号）以每机器周期两次的信号输出，用于锁存出现在P0口的低（C）．PSEN(29脚):片外程序存储器读选通输出端,低电平有效。当从外部程序存储器读取指令或常数期间，每个机器周期PESN两次有效，以通过数据总线口读回指令或常数。当访问外部数据存储器期间，PESN信号将不出现。（D）．EA/Vpp（31脚）：EA为访问外部程序储器控制信号，低电平有效。当EA端保持高电平时，单片机访问片内程序存储器4KB（MS—52子系列为8KB）。若超出该范围时，自动转去执行外部程序存储器的程序。当EA端保持低电平时，无论片内有无程序存储器，均只访问外部程序存储器。对于片内含有EPROM的单片机，在EPROM编程期间，该引脚用于接21V的编程电源Vpp。④输入/输出（I/O）引脚P0口、P1口、P2口及P3口27 南通大学杏林学院毕业设计(A).P0口（39脚～22脚）：P0.0～P0.7统称为P0口。当不接外部存储器与不扩展I/O接口时，它可作为准双向8位输入/输出接口。当接有外部程序存储器或扩展I/O口时，P0口为地址/数据分时复用口。它分时提供8位双向数据总线。对于片内含有EPROM的单片机，当EPROM编程时，从P0口输入指令字节，而当检验程序时，则输出指令字节。(B).P1口（1脚～8脚）：P1.0～P1.7统称为P1口，可作为准双向I/O接口使用。对于MCS—52子系列单片机，P1.0和P1.1还有第2功能：P1.0口用作定时器/计数器2的计数脉冲输入端T2；P1.1用作定时器/计数器2的外部控制端T2EX。对于EPROM编程和进行程序校验时，P0口接收输入的低8位地址。(C).P2口（21脚～28脚）：P2.0～P2.7统称为P2口，一般可作为准双向I/O接口。当接有外部程序存储器或扩展I/O接口且寻址范围超过256个字节时，P2口用于高8位地址总线送出高8位地址。对于EPROM编程和进行程序校验时，P2口接收输入的8位地址。(D).P3口（10脚～17脚）：P3.0～P3.7统称为P3口。它为双功能口，可以作为一般的准双向I/O接口，也可以将每1位用于第2功能，而且P3口的每一条引脚均可独立定义为第1功能的输入输出或第2功能。P3口的第2功能见表2.1。表2.1单片机P3.0管脚含义综上所述，MCS—51系列单片机的引脚作用可归纳为以下两点[4]：1.单片机功能多，引脚数少，因而许多引脚具有第2功能；27 南通大学杏林学院毕业设计2.单片机对外呈3总线形式，由P2、P0口组成16位地址总线；由P0口分时复用作为数据总线。附:89C51的引脚如图图2.451单片机引脚分布3.串行口的应用利用AT89S51单片机的串行口可以实现AT89S51单片机之间的点对点串行通信.多机通信以及AT89S51单片机与PC机间的单机或多机通信。3-1双机串行通信的硬件连接AT89S51单片机串行口的输入.输出均为TTL电平。这种以TTL电平串行传输数据的方式，抗干扰性差，传输距离短，传输速率低。为了提高串行通信的可靠性，增大串行通信的距离和提高传输速率，一般都采用标准串行接口，如RS-232.RS-422A.RS-485等来实现串行通信。根据AT89S51单片机的双机通信距离和抗干扰性的要求，可选择TTL电平传输，或选择RS-232C。RS-422A.RS-485串行接口进行串行数据传输。TTL电平通信接口RS-232C双机通信接口RS-422A双机通信接口RS-485双机通信接口3-2串行通信设计需要考虑的问题单片机的串行通信接口设计时，需要考虑如下问题：27 南通大学杏林学院毕业设计首先确定通信双方的数据传输速率。根据数据传输速率确定采用的串行通信接口标准。在通信接口标准允许的范围内确定通信的波特率。为减少波特率的误差，通常选用11.0592MHz的晶振频率。根据任务需要，确定在通信过程中，收发双方所使用的通信协议。通信线的选择是需要考虑的一个很重要的因素。通信线一般选用双绞线较好，并根据传输的距离选择纤芯的直径。如果空间的干扰较多，还要选择带有屏蔽层的双绞线。3-3PC机与单片机的点对点串行通信接口设计在测控系统中，经常使用单片机在操作现场进行数据采集，但是由于单片机的数据存储容量和数据处理能力都较低，所以一般情况下单片机通过串行口与PC机的串行口相连，把采集到的数据传送到PC机上，再在PC机上进行数据处理。由于单片机的输入输出是TTL电平，而PC机配置的都是RS-232标准串行接口，为9针D型连接器。3-4PC机与单片机的点对点串行通信接口设计硬件接口电路一台PC机和若干台AT89S51单片机可构成小型分布式测控系统。软件设计思想第4章主要元器件的介绍4.1SST89E516RD单片机STT89E516RD是8位集成储存器的51系列兼容单片机，和51系列单片机软件兼容、管脚也兼容。SST89E516RD片内有两块SuperFlashEEPROM,分为64k主块（BLOCK0）和8k次块（BLOCK1）.BLOCK0的地址范围是0000h~ffffIBLOCK1的地址范围是10000h~11fffh。做仿真器时BLOCK1储存区烧写SOFtIC仿真监控程序。SST89E516RD具有在应用可编程（IAP）和在系统可编程（ISP）的功能，其中IAP是通过串口实现的。仿真器就是利用了SST89E516RD的IAP功能。由于SST89E516RD具有两块独立的SuperFlash程序储存区，当监控程序在Block1储存区运行时可以改写Block0程序储存区中的程序，这就是仿真器的基本特性。27 南通大学杏林学院毕业设计图4-1单片机原理图4.1.1储存器1.程序FLASH存储器：单片机内部有两块FLASH存储器，第一块（BLOCK0）是64Kbyte，第二块（BLOCK1）是8Kbyte。因为全部程序地址空间限制为64Kbyte，SFCF[1:0]用来控制程序区的选择。请参考图3-1和图3-2的程序空间的配置。64K/32K x8的第一块由512/256个扇区组成，每个扇区有128Byte。8K x8的第二块由64个扇区组成，每个扇区有128Byte。2.程序存储器块的切换：单片机的程序存储器块切换功能使BLOCK1或BLOCK0的低8Kbyte占用程序地址空间的最低8Kbyte地址。SFCF[1:0]控制程序存储器的块切换。3.程序存储器块切换的复位初始值：27 南通大学杏林学院毕业设计程序存储器块切换的复位初始值是由起动配置位SC0及SC1的状态确定。SC0和SC1位可通过外部主机模式命令或IAP模式的命令来编程。请看表4-2和表4-7。RESET完成后，SFCF[0]可以由程序动态地修改，改变SFCF[0]值不会改变SC0位。在改变SFCF[0]的值时需要小心，因为会使不同的物理空间印射到逻辑程序地址空间，使用者必须防止在地址范围0000H到1FFFH执行块切换指令。4.数据RAM储存器：数据RAM有1024字节的内部存储器，RAM能寻址到64Kbyte的外部数据存储器。5.扩展数据RAM的寻址：SST89E/V554RC和SST89E/V564RD都有1K的RAM，对内部数据存储器有四个部分：  （1）RAM的低128Byte（00H到7FH）可以直接或间接寻址。  （2）RAM的高128Byte（80H到FFH）可以间接寻址。  （3）特殊功能寄存器（80H到FFH）只能直接寻址。 （4）768Byte的扩展RAM（00H到2FFH）由转移外部指令MOVX间接寻址和清除EXTRAM位。由于高位128Byte字节和SFR占用相同的地址，RAM必须间接访问，RAM和SFR空间尽管有相同的地址，但是它们在物理上是分开的。当指令访问高位128Byte（高于7FH），单片机访问SFR还是RAM由指令的类型，如果是间接，将访问RAM；如果是直接，将访问SFR。4.1.2定时器器件有3个16位寄存器做定时器或事件计数器。3个定时器或计数器分别是T0、T1和T2。每个都有一对8位特殊功能寄存器指定。各自的寄存器是TL0，TH0，TL1，TH1，TL2，TH2。下面的表提供设置T0、T1、T2的TMOD值。除了在波特率发生器模式，T2CON不包括TR2位的设置，TR2位需要单独设置来启动定时器。4.1.3端口输入/输出SST89E516有4个8位I/O口（32个I/O引脚）和1个4位口，共36个I/O口。SST89E516端口的工作情况与标准8051相似,但有一些改进。1.P0是八位双向I/O端口，当作输出口时每个引脚可以接收LS TTL电平输入，可以写为1使其状态为悬浮用做高阻输入。P0 27 南通大学杏林学院毕业设计也可以在访问外部程序存储器时作地址的低字节，在访问外部数据存储器时作数据总线，此时通过内部强上拉输出1。P0在外部主机模式编程时接收代码，外部主机模式校验是输出代码。在编程校验或是当作通用I/O口时需要外接上拉。2.P1口是8位带内部上拉的双向I/O口，P1输出可以驱动LS TTL输入。向P1口写入1时P1口被内部上拉为高电平，可用作输入口。当作为输入脚时被外部拉低的P1口会因为内部上拉而输出电流(见DC 电气特性) 。P1[5，6，7]可以驱动16mA的大电流。P1口在外部主机模式编程和校验时接收低位地址数据。3.P2口是8位带内部上拉的双向I/O口。向P2口写入1时P2口被内部上拉为高电平，可用作输入口。当作为输入脚时，被外部拉低的P2口会因为内部上拉而输出电流(见DC电气特性)。在访问外部程序存储器和外部数据时分别作为地址高位字节和16位地址(MOVX @DPTR)，此时通过内部强上拉传送1。P2口在外部主机模式编程和校验时接收一些控制信号和部分的高位地址数据。4.P3口是8位带内部上拉的双向I/O口。P3口输出缓冲器可以驱动LSTTL输入。向P3口写入1时P3口被内部上拉为高电平，可用作输入口。当作为输入脚时，被外部拉低的P3口会因为内部上拉而输出电流(见DC电气特性)。P3口在外部主机模式编程和校验时接收一些控制信号和部分的高位地址数据.4.2数/模转换元件PCF8591PCF8591是一款单电源、低功耗8位COMS型A/D、D/A转换芯片，它具有4路模拟量输入通道、一路模拟量输出通道和1个I²C总线接口。该器件I2C从地址的低三位由芯片的A0、A1和A2三个地址引脚决定，所以在不增加任何硬件的情况下同一条I²C总线最多可以连接8个同类型的器件。 27 南通大学杏林学院毕业设计图4-2PCF8591与单片机转换原理图4.组态王软件组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。5水位检测系统的整体电路仿真图27 南通大学杏林学院毕业设计图7水位控制系统仿真图5.1实物图图8实物图6各种水位情况下的仿真图6.1高水位状态加水水到达在蓄水位时：高水位警示灯红灯闪烁急促，蜂鸣器快频率鸣叫。仿真图如下所示：27 南通大学杏林学院毕业设计图9高水位仿真图6.2低水位状态水位减少到低水位时：低水位警示红灯闪烁，蜂鸣器低频率鸣叫。仿真图如下所示：图10低水位仿真图7通信单元硬件设计MAX485仅有8个管脚，电路设计比较简单。27 南通大学杏林学院毕业设计图11MAX485引脚图RO引脚接到单片机串口接收引脚RXD（P3.0），DI引脚接到单片机串口发送引脚TXD（P3.1）。由于MAX485为半双工通信方式，不能同时发送和接收数据，只能通过控制RE和DE引脚的状态来进行发送数据和接收数据的转换。为了节省单片机I/O口资源，将RE和DE引脚连在一起，输入低电平时，MAX485处于接收状态；输入高电平时，其处于发送数据状态。定义RE和DE连接在一起的网络标号为E，接入单片机P1口，用于发送与接收的转换。A，B端为发送接收差分信号端，一般需在A,B端之间加匹配电阻，匹配电阻为120Ω。硬件电路如图3-13：图12串行通信模块电路图8上位机显示单元上位机编程与下位机结合对应，下位机发“0”代表当前水位为高水位，下位机发“1”代表当前水位为低水位。水位变化当高水位发“0”时上位机接受到对应ASCII码为48，此时上位机显示“警戒！当前水位为高水位！”。水位变化当高水位发“1”时上位机接受到对应ASCII码为49，此时上位机显示“警戒！当前水位太低！”。27 南通大学杏林学院毕业设计图13上位机程序代码8.1上位机接受部分控件窗体图14水位检测报警系统窗体27 南通大学杏林学院毕业设计27