1、单片机控制系统吉林电子信息职业技术学院毕业设计（论文）论文题目： 单片机控制系统毕业论文 专 业： 机电一体化 班 级： 机电23班 学 号： 1101012301 姓 名： 指导教师： 2014年 3月 14日中文摘要随着新技术的不断开发与应用，近年来单片机发展十分迅速，一个以微机应用为主的新技术革命浪潮正在蓬勃兴起，单片机的应用已经渗透到电力、冶金、化工、建材、机械、食品、石油等各个行业。传统的温度采集方法不仅费时费力，而且精度差，单片机的出现使得温度的采集和数据处理问题能够得到很好的解决。温度是工业对象中的一个重要的被控参数。然而所采用的测温元件和测量方法也不相同；产品的工艺不同，控制温
2、度的精度也不相同。因此对数据采集的精度和采用的控制方法也不相同。大型水箱是很多发电厂生产过程中必不可少的部件，而水箱的控制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手动操作控制的，这样工作方式给操作人员带来了很多的不便，不仅增强了劳动强度，而且操作员稍有疏忽，可能给生产带来无法弥补的损失，更严重的会危及到生产人员的人身安全。所以，对水箱的控制，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，可以降低生产人员的劳动强度，最大限度的避免发生事故的几率，同时也能节省资源并能有效提高生产的效率。温度控制无论是在工业生
3、产过程中，还是在日常生活中都起着非常重要的作用，在现代冶金、石油、化工及电力生产过程中，温度是极为重要而又普遍的热工参数之一。在环境恶劣或温度较高等场合下，为了保证生产过程正常安全地进行，提高产品的质量和数量，以及减轻工人的劳动强度、节约能源等方面有重要意义。关键词 单片机 水位 控制 报警 温度采集 中文摘要 1关键词 11 单片机控制系统的基本结构 3 2 系统的构成原则 32.1 社会需求决定智能模块的成本 42.2社会需求需要全面发展的人才 42.3社会需求需要创造性设计 53 通讯的原则 64水箱水位自动控制系统的意义 64.1水箱控制系统发展现状 74.2 80C51单片机介绍 7
4、4.3 80C51单片机水箱控制系统工作原理介绍84.4 80C51单片机输入输出设计 95 80C51单片机水箱控制系统程序设计 10 5.1 程序概要设计 105.2 系统程序原理 10 5.2.1 主程序原理以及流程框图 105.2.2 自动模式子程序原理以及流程框图 105.2.3 手动模式子程序原理框图以及流程框图12参考文献 15附录 16 图1 单片机系统结构图 3图2 多功能智能模块控制器 5图3 主程序原理框图 10图4 自动模式子程序原理框图 11图5 手动模式子程序原理框图 13在当今社会，建设工程及日常生活中温度控制都起着重要作用，最早的温度控制应用于工厂生产中，可以起
5、到实时采集温度数据，提高生产效率、产品质量的作用。然而随着人们生活质量的提高，现代社会中的温度控制不仅应用在工厂生产方面也应用于酒店，厂房以及家庭生活中，在有些应用中，如高精度的生产厂房，对温度的要求极其严格，温度的变化极有可能对生产的产品造成极大的影响。因此，这就需要一种能够及时检测温度变化以及温度变化的设备，提供温度数据值，使人们对温度的变化做及时的调整，及时反映生产，生活中温度变化使人们能及时看到温度变化的第一手资料，提示人们温度变化情况，协助人们能及时的调整，起到温度报警作用，使温度控制更好的服务于社会生产，生活。 单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力
6、的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的300M的高速单片机。1 单片机控制系统的基本结构在工业自动控制工程中，一个较完善的单片机控制系统应如图1所示。在这个结构中，各节点智能模块具有独立工作能力并受控于前置计算机；控制中心能完成单片机控制系统的测试、控制和配置的工作，计算机中心能完成“多网合一”的工作，即时向各级决策领导提供可靠、
7、准确的实时数据。温度是表征物体冷热程度的物理量，温度测量则是工农业生产过程中一个很重要而普遍的参数。温度的测量及控制对保证产品质量、提高生产效率、节约能源、生产安全、促进国民经济的发展起到非常重要的作用。由于温度测量的普遍性，温度传感器的数量在各种传感器中居首位。而且随着科学技术和生产的不断发展，温度传感器的种类还是在不断增加丰富来满足生产生活中的需要。2 系统的构成原则在工业自动控制工程中，单片机控制系统一般有自己独立支持的网络，这种网络不同于纯粹的互联网、局域网。从图1中可以看出，节点智能模块是单片机控制系统的基础所在，整个系统的可靠性和稳定性全由其决定，单片机控制系统之所以有实时性好，精
8、度高，控制与被控制灵活，这些智能模块有着重要的关系。2.1 社会需求决定智能模块的成本：能满足功能和效率要求的最低成本是每个单片机控制系统用户在开发单片机控制系统时追求的目标，没有一个用户在开发单片机控制系统时不考虑成本而盲目采用新型芯片。但是，从现在单片机控制系统的技术资料上，高校单片机控制系统的教材中大量介绍的是各种单片机控制系统新型芯片的使用，而这种介绍往往是在模块级，在系统级的介绍则不多。单片机控制系统的更新往往落后于新型芯片的发展，在工业自动控制工程中，有很多已经使用了由早期微处理器开发的智能模块，现在仅仅需要增加功能更新应用程序，而不需要重新开发一个新的单片机控制系统。这是一个很大
9、的市场，在这个市场里，可以加深理解单片机的发展，增加系统的开发能力和现场实践经验，最重要的是可以巩固基础知识的运用和综合水平的提高，对于了解社会需求、系统构成成本是一个不可少的重要环节。由于智能模块一般具有收集数据、数据处理、保存数据、实现控制、实时通讯、实时告警的功能，为了保证智能模块的可靠工作一般设计了断电保存数据电路，端口扩展电路，符合系统通讯的控制电路，时钟电路，显示电路和相应的键盘电路等。能满足这些要求的模块主要芯片有很多，而各种芯片的价格均不样同，单片机控制系统的开发人员必须使用最合适的芯片。如在家用的电视机中就不会使用32位嵌入式处理器。2.2 社会需求需要全面发展的人才：在单片
10、机控制系统中离不开硬件的使用，硬件的学习到硬件设计能力的提高是要一个过程的，单片机控制系统设计人员的工作生命期比从事计算机网络、计算机软件方面的设计人员的工作生命期长很多。单片机控制系统的可靠性还要有好的工艺作为支持，好的单片机控制系统必须经过严格的现场测试，全面提高单片机控制系统设计人员的开发能力是一个系统工程，这是单片机控制系统发展的需要，也是社会的需要。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。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
11、浪费的重视。水箱控制系统仍然有大规模推广的前景。2.3 社会需求需要创造性设计：有一种理论认为，单片机控制系统从复杂程度上可分为两种：即简单单片机控制系统(系统已存在时间长，结构简单，如单片机、DSP组成的系统)和复杂单片机控制系统(硬件高度集中、实用范围广、接口多、功能丰富)。将单片机控制系统在复杂程度上进行分类是一种很好的思想，但将系统已存在时间长的单片机控制系统，有DSP结构的系统一概分为是简单的单片机控制系统则不太有理。下面以一个2006年12月国家知识产权局正式受理的一个名为“多功能智能模块控制器”的专利为例(目前已办理完所有正式授权手续)，按“硬件高度集中，实用范围广、接口多、功能
12、丰富”说明有单片机的系统也是一个复杂系统的理由。 在图2中，以微处理器和ispLSI1032器件为核心，为了解决定时、中断和断电等事宜的处理，使用采用带锂电的数据、时钟存贮器承担其工作，在器件的选型上以成本低和通用强为原则。要求模块在相应器件和端口的支持下，向上可以与计算机和受控设备相连接，向下可以与被测设备相连接。ispLSI1032是超大规模集成电路资源量为6000PLD，使用开发语言为ABELHDL语言，ispLSI1032器件如果需要更新，可对安装在电路板上正在使用的ispLSI1032器件在不必断电的状态下进行下载，保证在相同的电路结构下，随时可完成系统更新和升级，随时改变系统对外的
13、功能。使用这样的器件，可以缩短了设计周期，降低了工程成本，确实保证硬件高度集中，功能丰富的要求，是对单片机控制系统设计唯一性的挑战。程序软件在微处理器中运行，各种数据的运算和处理在ispLSI1032中的“内部控制器”控制下工作，当它们需要进行数据交换时，则在“系统控制器”的作用下达到同步并进行数据交换。这样改变了由软件完全控制系统的模式，提高了系统的处理事务的能力，同时也改变了微处理器的工作效率，扩大了实用范围，为简单的单片机控制系统向复杂的单片机控制系统转变提供了可能。被测设备的输入/输出主要安排在系统时钟脉冲的低电平时进行，只要在系统时序上合理安排，利用被测设备和系统软、硬件在处理数据上
14、的速度差别，就可在最大程度上实现系统的软、硬件并行工作。另外，ispLSI1032器件在带负载的数量上、能力上是很强的，可以解决因微处理器接口少的问题。从图2中的左框内的微处理器可以使用不同的型号，ISP器件资源量可以使用10万或100万以上的新型芯片，必要的时候还可以增加使用DSP编程器件。只要基础知识牢固，系统功能明觉，在保证社会需求和构成成本的原则下，实现这样的系统是不难的。3 通讯的原则单片机控制系统的通讯主要难点在前置计算机与智能模块中，与纯计算机网络的通讯相比，这里最大的区别是在智能模块中没有现存的通讯协议可选用，通讯距离则可由设计人员按不同要求确定具体的方式。在单片机控制系统中一
15、般有多个智能模块，因此各智能模块必须用自己的唯一地址进行标识，同时要求每个智能模块必须有区别自己地址的能力。为了通讯的可靠，在前置计算机与智能模块中最基本的通讯要求是必须定义数据的结构形式，数据的种类和数据流动的方向。4 水箱水位自动控制系统的意义火力发电厂的工作过程主要是利用煤的燃烧产生的热能，将水加热到一定参数的过热蒸汽并通过推动汽轮机组转动的转化为机械能，最后通过汽轮机组带动发电机组做功，将机械能转化成电能的的过程。因此，大型水箱是火力发电厂生产过程中必不可少的部件。水箱的控制性能和工作质量的优良与否不仅仅对生产有着巨大的影响，而且也关系着生产的安全。所以，对水箱的控制，如果能够使用精密
16、的而且完全会严格按照生产规定运行的自动化系统，可以降低生产人员的劳动强度，最大限度的避免发生事故的几率，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
17、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。4.1 水箱控制系统发展现状 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。 我国仍然处于生产型发展中国家
18、，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。目前，水箱控制系统已不仅仅局限于大型的电厂、煤炭、
19、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。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。4.2 80C51单片机介绍80C51是Intel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；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
20、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。它具有对8位信息进行加、减、乘、除四则运算和逻辑与、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。在执行指令时，从程序存储器中取来经译码器译码后，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Io接口电路，完成指令功能。 众多的厂商都介入了以80C51为代表的8位单片机的发展，如Philips、Siemens（Infineon）、Dallas、ATMEL等公司
21、，我们把这些公司生产的与80C51兼容的单片机统称为80C51系列。特别是在近年来，80C51系列又有了许多发展，推出了一些新产品，主要是改善单片机的控制功能，如内部集成了高速I/O口、ADC、PWM、WDT等，以及低电压、微功耗、电磁兼容、串行扩展总线和控制网络总线性能等。 ATMEL公司研制的89CXX系列是将flash memory（EEPROM）集成在80C51中，作为用户程序存储器，并不改变80C51的结构和指令系统。Philips公司的83/87CXX系列不改变80C51的结构、指令系统，省去了并行扩展总线，属于非总线的廉价性单片机，特别适合于家电产品。Infineon（原Siem
22、ens半导体）公司推出的C500系列单片机在保持与80C51兼容的前提下，增强了各项性能，尤其是增强了电磁兼容性能，增加了CAN总线接口，特别适用于工业控制、汽车电子、通信和家电领域。 鉴于80C51系列在硬件方面的的广泛性、代表性和先进性以及指令系统的兼容性，可用其作为本教材的介绍对象；至于其他类型的单片机，在深入学习和掌握了80C51单片机之后再去学习已不是什么难事。4.3 80C51单片机水箱控制系统工作原理介绍 80C51单片机片内程序存储器有多种配置形式，即：无、掩膜ROM（厂家一次性写入的ROM）、EPROM和EEPROM（Flash）。这几种配置形式对应着不同的单片机芯片，它们各
23、有特点，也各有其适用场所，在使用时应根据需要进行选择。目前较普遍采用的表述方式是：内部程序存储器有两种配置形式，它们是OTP（one time programmable,一次性可编程）和MTP（multi-times programmable，多次性可编程）。当水箱水位低（75%液位开关闭合）时，启动电动给水泵M1进行上水，当水箱水位上升到90%时，自动停止电动给水泵M1；当水箱水位低低（小于50%）时，启动电动给水泵M2；当水位上升到50%以上70%以下时，停M2，M1继续运行到水位上升到90%以上才停止工作 报警设置如下：当水位高于90%的时候，由浮球式液位开关LG信号闭合，系统发出水位高
24、报警。当水位低于70%的时候，由浮球式液位开关LD信号闭合，系统发出水位低报警。当水位低与50%的时候，由浮球式液位开关LDD信号闭合，系统发出水位低低报警。手动/自动模式转换控制如下：自动控制方式时，单片机根据传感器送来的信号判断水箱水位的高低，控制两台电动给水泵的工作状态手动控制方式时，两台电动给水的工作状态由人工根据现场的工况进行操作。4.4 80C51单片机输入输出设计本水箱水位控制系统采用80C51单片机的P1口和P3口作为输入检测信号和输出控制信号作为核心控制单元，引脚具体分配如下：P1.0：水位低低信号输入端。（水位低时为“0”，水位高时为“1” ）P1.1：水位低信号输入端。（
25、水位低时为“0”，水位高时为“1” ）P1.2：水位高信号输入端。（水位低时为“1”，水位高时为“0” ）P1.3：手动与自动转换信号输入端。（手动“1”，自动“0”）P1.4：电动给水泵M1起动时断路器KM1控制端的接收信号。（手动“1”，自动“0”）P1.5：电动给水泵M2起动时断路器KM2控制端的接收信号。（手动“1”，自动“0”）P1.6：电动给水泵M1开关状态输入信号。（启动“0”，停止“1”）P1.7：电动给水泵M2开关状态输入信号。（启动“0”，停止“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：手动启动电动给水泵M1
26、的输入信号，低电平有效。P3.5：手动启动电动给水泵M2的输入信号，低电平有效。P3.6：手动停电动给水泵M1的输入信号，低电平有效。P3.7：手动停电动给水泵M2的输入信号，低电平有效。5 80C51单片机水箱控制系统程序设计 5.1 程序概要设计本系统程序开发，使用的语言给汇编语言。程序实现当水位处于LH(高)、LD(低)或LDD(低低)时，报警信号输出，判断泵水方式(自动或手动)。当水位到达规定容量时，停止泵水。在次程序中，低电平为有效(即0为有效),高电平为无效(即1为无效)。 概要设计的主要任务是把需求分析得到的系统扩展用例图转换为软件结构和数据结构。设计软件结构的具体任务是：将一个
27、复杂系统按功能进行模块划分、建立模块的层次结构及调用关系、确定模块间的接口及人机界面等。数据结构设计包括数据特征的描述、确定数据的结构特性、以及数据库的设计。显然，概要设计建立的是目标系统的逻辑模型，与计算机无关。 5.2 系统程序原理 5.2.1 主程序原理以及流程框图主程序要实现的是，对数据的初始化，并且判断用户是使用自动模式还是手动模式，根据用户的具体需求：若用户选择自动模式，则程序调用自动化子程序；若用户选择手动模式，则程序调用手动子程序。主程序原理框图如下图3 图3 主程序原理框图5.2.2 自动模式子程序原理以及流程框图自动模式子程序运行的前置条件是，系统开始运行，并且用户选择使用
28、自动化控制模式。 自动模式子程序首先判断水位是否高LG，若水位高于指标，则运行“水位高报警”程序，并返回主程序。若水位不高，则判断水位是否低LD，若水位低，则试运行“水位低报警”程序。然后判断水位是否低低LDD：若水位没有达到LDD的指标，则试判断“M1是否开启”，若没有开启，则开启M1;若“M1开启”则判断“M2是否开启”，若“M2开启”，则程序运行“停止M2”程序；若“M2没有开启”，则试程序运行“延迟1分钟”， 一分钟后程序“返回主程序”。若水位达到水位LDD的指标，则运行“水位低低报警”，然后程序判断“M1是否开启”，若“M1未开启”则运行“M1开启”程序；若“M1开启”则程序判断“M
29、2是否开启”，若“M2未开启”则运行“M2开启”程序，若“M2开启”，则运行“延迟一分钟”，一分钟后程序“返回主程序”。自动模式子程序原理框图如图4：图4 自动模式子程序原理框图目前，我国从事“机电一体化”研究开发及生产的单位很多。各自都有一套自己的发展策略。各单位的计划由于受各自立足点、着眼点的限制，难免只考虑局部利益，各主管部门的有关计划和规划，也有统一考虑不足，统筹安排不够的问题，同时缺少综观全局的有权威性的发展计划和战略规划。因此，建议各主管部门责成有关单位在进行深入调查研究、科学分析的基础上，制定出统管全局的“机电一体化”研究、开发、生产计划和规划，避免开发上重复，生产上撞车！在我国
30、工业系统中，能耗、耗水大户，对环境污染严重的企业还占相当大的比重。近年来我国的工业结构、产品结构虽然几经调整，但由于多种原因，成效一直不够明显。这里面固然有上级领导部门的政出多门问题，有企业的“故土难离”“死守故业”问题，但不可否认也有优化不出理想的产业，优选不出中意的产品问题。上佳的答案早就摆在了这些企业的面前，这就是发展机电一体化，开发和生产有关的机电一体化产品。5.2.3 手动模式子程序原理框图以及流程框图手动模式子程序运行的前置条件是，系统开始运行，并且用户选择使用自手动控制模式。手动模式子程序中判断语句的条件是依据用户的具体操作。 手动模式子程序首先判断“水位是否LG” ，若水位LG
31、达到指标，则程序返回主程序；若水位LG未达到指标，则程序运行“判断有无键合”：若“判断没有键合”则子程序进行循环；若“判断键合”，则程序判断“M1是否键合”。若用户操作“M1键合”，则程序运行“判断M1是否开启”：若“M1开启”则子程序进行循环；若“判断M1未开启”，则程序运行“开启M1”。若用户操作“M1不键合”，则程序判断“M2是否键合”：若用户操作“M2键合”，则程序运行“判断M2是否开启”；若“M2开启”则子程序进行循环；若“判断M2未开启”，则程序运行“开启M2”。若程序判断用户均未进行“M1、M2键合”，则程序要判断“是否停止M1键合”：若用户操作“M1停止键合”，则程序判断“M1是否停止”；若“M1停止”，则子程序循环； 若“M1没有停止”，则程序运行“停止M
