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1、辽 宁 工 业 大 学单片机原理及接口技术 课程设计（论文）题目： 水库水位监测装置设计 院（系）： 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： （签字）起止时间：课程设计（论文）报告的内容及其文本格式1、课程设计（论文）报告要求用A4纸排版，单面打印，并装订成册2、页边距：上2.5cm，下2.5cm，左3cm，右2.5cm，页眉1.5cm，页脚1.75cm，左侧装订；3、字体：一级标题，小二号字、黑体、居中；二级，黑体小三、居左；三级标题，黑体四号；正文文字，小四号字、宋体；4、行距：20磅行距；5、页码：底部居中，五号、黑体；6、对图题和图中文字要求：图题是5号黑体，在图的下方居中图中文
2、字是5号宋体，参照图2.17、对表题和表中文字要求：表题是5号黑体，在表的上方居中表中文字是5号宋体，参照表2.1课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室： 学 号080303110学生姓名侯文鹏专业班级电气084课程设计（论文）题目水库水位监测装置设计课程设计（论文）任务该测量装置用于水库水位的检测与预报，可实时显示测量结果。连接1只液位传感器，量程达5米，测量精度达1厘米，有上限报警和消音功能。主要设计内容：硬件电路设计：1选择液位传感器及其接口电路设计2. CPU最小系统设计（包括CPU选择，晶振电路，复位电路）3. 报警、显示及按键电路设计软件设计：1.编程程序流程图2
3、.程序清单进度计划第1天 查阅收集资料第2天 总体设计方案的确定第4天 CPU最小系统设计第5天 选择液位传感器及其接口电路设计第6天报警、显示及按键电路设计第7天 程序流程图设计第8天 软件编写与调试第9天 设计说明书完成第10天 答辩指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘 要在人们的日常生活中，水库水位大都未能实现自动控制，水库中水位的高低常由水电管理人员进行监测。不仅浪费人力又会造成不必要的资源浪费。这在大型水库中显得尤为突出。为了不造成水资源的浪费和财力的浪费，本人设计一个自动
4、监测水位的系统。本系统以89C51单片机为核心控制，以水深不高于5米的水库为例，实现了报警和水位高度实时显示功能。本控制系统由A/D转换部分、单片机控制部分、数码显示部分等构成。同时对各个部分进行了详细的论述，并给出了主要的流程图和软件设计程序。这是个简单而灵敏的监测报警电路，操作简单，接通电源即可工作。因为大部分电路采用数字电路，所以本水位监测报警器还具有耗能低、准确性高的特点。该系统设计新颖、简易，灵敏度高，工作稳定，能够自动检测与显示当前水位、高低水位报警等功能，比较符合水库的需要。本文还详细地给出了相关的硬件框架和软件流程图，并编制了相应的汇编语言程序。关键词：89C51单片机；水位自
5、动控制目 录第1章 绪论11.1 水库水位监测装置设计概况11.2 本文研究内容1第2章 CPU最小系统设计22.1 水库水位监测装置总体设计方案22.2 CPU的选择22.3 数据存储器扩展52.4 复位电路设计52.5 时钟电路设计62.6 CPU最小系统图7第3章 水库水位监测装置输入输出接口电路设计83.1 水库水位监测装置传感器的选择83.2 水库水位监测装置检测接口电路设计83.2.1 A/D转换器选择83.2.2 模拟量检测接口电路图83.3 水库水位监测装置输出接口电路设计93.4 人机对话接口电路设计9第4章 水库水位监测装置软件设计114.1 软件实现功能综述114.2 流
6、程图设计114.2.1 主程序流程图设计114.2.2 中断子程序124.2.3 GAODU子程序134.2.4 查表子程序流程图设计144.3 程序清单15第5章 系统设计与分析185.1 系统原理图185.2 系统原理综述18第6章 课程设计总结19参考文献20第1章 绪论1.1 水库水位监测装置设计概况水库是我国防洪广泛采用的工程措施之一。在防洪区上游河道适当位置兴建能调蓄洪水的综合利用水库，利用水库库容拦蓄洪水，削减进入下游河道的洪峰流量，达到减免洪水灾害的目的。水库对洪水的调节作用有两种不同方式，一种起滞洪作用，另一种起蓄洪作用。滞洪作用就是使洪水在水库中暂时停留。当水库的溢洪道上无
7、闸门控制，水库蓄水位与溢洪道堰顶高程平齐时，则水库只能起到暂时滞留洪水的作用。蓄洪作用是在溢洪道未设闸门情况下，在水库管理运用阶段，如果能在汛期前用水，将水库水位降到水库限制水位，且水库限制水位低于溢洪道堰顶高程，则限制水位至溢洪道堰顶高程之间的库容，就能起到蓄洪作用。蓄在水库的一部分洪水可在枯水期有计划地用于兴利需要。当溢洪道设有闸门时，水库就能在更大程度上起到蓄洪作用，水库可以通过改变闸门开启度来调节下泄流量的大小。由于有闸门控制，所以这类水库防洪限制水位可以高出溢洪道堰顶，并在泄洪过程中随时调节闸门开启度来控制下泄流量，具有滞洪和蓄洪双重作用。只有精确的水位监测装置才能对水库中的水进行更
8、好的管理。倘若没有水库的水位自动监测系统，则不仅要安排人力去人为的检测水位，而且还测不准。不仅造成水资源的浪费还造成财力的浪费。所以我们何不设计一个自动检测水位的系统呢，这样既不需要安排人力去检测，减少了财力的开支。又加强了测量的精度，减少了水资源的浪费。这个水库水位监测装置会实时监测水库中的水位，倘若实际水位高于水库蓄水的上限水位时，则该装置将及时的发起警报，提醒水库的工作人员采取防洪措施。1.2 本文研究内容本论文主要研究水库水位监测系统。实现了水位报警和水位实时显示功能。操作方便、性能良好。水位传感器将水位高度转换为05V的直流电压，再经过A/D转换后，将转换所得的8路并行数字量送入单片
9、机进行处理来达到对水位进行自动控制的目的。通过对电压和水位的转换关系，最终利用单片机进行精确的控制，实现对水位高度的显示和报警装置的控制。第2章 CPU最小系统设计2.1 水库水位监测装置总体设计方案水位高度的检测：利用水位传感器完成。传感器输出信号处理：传感器输出信号，有直流电压和直流电流之分。设计中需将这一信号进行处理，以便单片机能够接收和处理。单片机控制：单片机将由前级输入的检测信号进行分析和处理，从而产生相应的控制信号。水位传感器A/D转换单片机数码显示报警系统数码显示和报警电路根据单片机产生的控制信号，做出相应的动作。图2.1 过程原理框图2.2 CPU的选择89C51是Intel公
10、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。以上各个部分通过内部总线相连接。下面简单介绍下其各个部分的功能。89C51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
11、I/O引脚。下面按引脚功能分为4个部分叙述个引脚的功能。电源引脚Vcc和VssVcc（40脚）：接+5V电源正端；Vss（20脚）：接+5V电源正端。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。控制信号或与其它
12、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)
13、: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（MS52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。输入/输出（I/O）引脚P0口、P1口、P2口
14、及P3口(A).P0口（39脚22脚）：P0.0P0.7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）：P1.0P1.7统称为P1口，可作为准双向I/O接口使用。对于MCS52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EP
15、ROM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）：P2.0P2.7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）：P3.0P3.7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。89C51的引脚如图图2.2 51单片机引脚分布2.3 数据存储器扩展89C51片内
16、有128B的RAM存储器，在实际应用中紧靠这128B的数据存储器是远远不够的。这种情况下可利用89C51单片机所具有的扩展功能，扩展外部数据存储器。89C51单片机最大可扩展64KB RAM。常用的数据存储器有静态存储器RAM和动态数据存储器，由于在实际应用中，需要扩展的容量不大，所以本次采用SRAM6116.数据存储器空间地址同程序存储器一样，油P2口提供高8位地址，P0口分时提供8位地址和8位双向数据线。数据存储器的读和写由RD和WR信号控制,而程序存储器由读选通信号PSEN控制，两者虽然共处同一地址空间，但由于控制信号不同，故不会发生总线冲突。本次锁存器采用8282，其与89C51和61
17、16的硬件连接图如图2.3所示：图2.3 数据存储器扩展电路2.4 复位电路设计复位操作可以使单片机初始化，也可以使死机状态下的单片机重新启动，因此非常重要。单片机的复位都是靠外部复位电路来实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的RESET引脚上出现24个时钟振荡脉冲以上的高电平，单片机就能实现复位。为了保证系统可靠复位，在设计复位电路时，一般使RESET引脚保持10ms以上的高电平，单片机便可以可靠地复位。当RESET从高电平变为低电平以后，单片机从0000H地址开始执行程序。在复位有效期间，ALE和PSEN引脚输出高电平。如图2.4是常用的上电复位电路，这种上电复位利用电容器充电来实现。当
18、加电时，电容C充电，电路有电流流过，构成回路，在电阻R上产生压降，RESET引脚为高电平；当电容C充满电后，电路相当于断开，RESET的点位与地相同，复位结束。可见复位的时间与充电的而时间有关，充电时间越长复位时间越长，增大电容或增大电阻都可以增加复位时间。图2.4 上电复位电路2.5 时钟电路设计89C51片内设有一个由反向放大器所构成的振荡电路，XTAL1和XTAL2分别为振荡电路的输入端和输出端。时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。采用内部方式时，在C1和C2引脚上接石英晶体和微调电容可以构成振荡器， 振荡频率的选择范围为1212MHZ在使用外部时钟时，XTAL2用来输入外部时钟信号，
19、而XTALI接地。89C5l单片机的一个执行周期由6个状态(s1s6)组成，每个状态又持续2个振荡周期，分为P1和P2两个节拍。这样，一个机器周期由12个振荡周期组成。若采用12MHz的晶体振荡器，则每个机器周期为1us，每个状态周期为16us；在一数情况下，算术和逻辑操作发生在P1期间，而内部寄存器到寄存器的传输发生在P2期间。对于单周期指令，当指令操作码读入指令寄存器时，使从S1P2开始执行指令。如果是双字节指令，则在同一机器周期的s4读入第二字节。若为单字节指令，则在51期间仍进行读，但所读入的字节操作码被忽略，且程序计数据也不加1。在加结束时完成指令操作。多数89C51指令周期为12个
20、机器周期，只有乘法和除法指令需要两个以上机器周期的指令，它们需4个机器周期。 对于双字节单机器指令，通常是在一个机器周期内从程序存储器中读入两个字节，但Movx指令例外，Movx指令是访问外部数据存储器的单字节双周期指令，在执行Movx指令期间，外部数据存储器被访问且被选通时跳过两次取指操作。下面是51单片机的振荡电路图：图2.5 51单片机振荡电路图2.6 CPU最小系统图 图2.6 最小系统图第3章 水库水位监测装置输入输出接口电路设计3.1 水库水位监测装置传感器的选择传统的水位检测通过设检测点来完成对水位的检测。通常，由于受检测点物理体积的影响，水位检测点的数目有限，从而影响了后续电路
21、控制的精度。本设计，采用新型水位传感器CBM-2100，可以达到对水位高度的精确检测，以利于提高后续电路控制的精度。其原理如下：当液位变送器投入到被测液体中某一深度时，传感器迎液面受到的压力公式为： = .g.H + Po式中： P ：变送器迎液面所受压力 ：被测液体密度 g ：当地重力加速度 Po ：液面上大气压 H ：变送器投入液体的深度 同时，通过导气不锈钢将液体的压力引入到传感器的正压腔，再将液面上的大气压 Po 与传感器的负压腔相连，以抵消传感器背面的 Po ，使传感器测得压力为： .g.H ，显然 , 通过测取压力 P ，可以得到液位深度。 3.2 水库水位监测装置检测接口电路设计
22、3.2.1 A/D转换器选择ADC0809为多通道8位逐次比较式CMOS A/D转换器，它是美国National Semiconductor公司产品，它是目前最流行的中速廉价型产品之一。其结构、性能与ADC08010805系列相似。片内有多路模拟开关及通道地址译码及锁存电路，可对多路模拟信号进行分时采集与转换；片内配置了三态输出数据缓冲器，提供了与微处理器兼容接口；ADC0808的最大不可调误差小于0.5LSB，而ADC0809为1LSB。3.2.2 模拟量检测接口电路图画出有传感器、CPU、AD转换器等电路连接图，即完整的模拟量检测硬件电路。图3.1 模拟量检测接口电路图3.3 水库水位监测
23、装置输出接口电路设计报警电路，如图3.3所示。当AT89C51的P2.0管脚有高电平输出时，SPEAKER发出报警声。图3.2 报警电路3.4 人机对话接口电路设计动态显示的特点是将所有位数码管的段选线并联在一起，由位选线控制是哪一位数码管有效。这样一来，就没有必要每一位数码管配一个锁存器，从而大大地简化了硬件电路。选亮数码管采用动态扫描显示。所谓动态扫描显示即轮流向各位数码管送出字形码和相应的位选，利用发光管的余辉和人眼视觉暂留作用，使人的感觉好像各位数码管同时都在显示。动态显示的亮度比静态显示要差一些，所以在选择限流电阻时应略小于静态显示电路中的。图3.3 动态显示电路图第4章 水库水位监
24、测装置软件设计4.1 软件实现功能综述本设计是通过水位传感器对水位高度（05m）进行采样、量化后，输出05V的直流电压。再经过信号处理电路将这一直流模拟量转换为8位的并行数字量，并送入单片机进行处理。在单片机中将输入的8位数字量进行量化数为50的量化处理，并根据这一量化将水位高度控制转化为对状态0049的控制，其中状态00对应0.0m、状态01对应0.1m、 状态49对应4.9m 。根据状态0049的不同，分别将0049输出到数码显示部分。当状态在4049时，报警电路工作。根据上述状态，即可分别对数码显示和SPEAKER实现单片机的自动化控制。4.2 流程图设计4.2.1 主程序流程图设计如图
25、4.2.1程序所示：首先对单片机写入外围端口地址（INT0和F8H），并开中断1，且定义中断为边缘触发方式。再将INT0的端口地址写入F8H（ADC0809的端口地址），即可启动ADC0809。随后，单片机进入等待中断状态。主程序输入数据首地址30H送R2IN0地址送R2开CPU中断SETB EA允许中断SETB EX1令中断1为边缘触发SETB IT1送端口地址F8H到R0送IN0地址到08FH并启动A/D等待中断图4.1 主程序流程图4.2.2 中断子程序中断子程序如图4.2.2所示：在中断到来后，程序转到中断子程序。在中断子程序中，实现单片机对ADC0809转换所得的8路并行数据的接收。
26、并通过GAODU子程序实现对接收所得的并行数据的量化，其量化数为100。通过量化，将输入数据变为099种状态，为下一步处理作好准备。送IN0地址到08FH并启动A/D中断程序输入地址0F8H送R0输入数值送A将A数据存入输入数据区R1 转到电流与水位高度转换子程序图4.2 中断子程序4.2.3 GAODU子程序如图4.1.3GAODU子程序所示。通过乘法指令实现数据的转换：将输入的05转换为049，为查表指令的实现作好准备工作。GAODU输入数据作第一乘数MOV A ,R1倍率送B=10作第二乘数A*B=BA水位高度数A据送以00H为首地址的数据区RET图4.3 GAODU子程序4.2.4 查
27、表子程序流程图设计如图4.1.4查表子程序所示，本设计通过查表指令对099种状态进行处理。在处理过程中，关键是rel的初始值必须为0（因AJMP为双字节指令，当rel为0、2、198时，可进行查询），以便能够顺利的对表中数据进行查询，并通过查询结果做出相应的处理。在GAODU子程序中，将输入数据处理为以0开始的100种状态，正是出于这一考虑。0200HA 水位高度A2*AA*B=BA利用PCA+DPTR指令查表转到ROUT00转到ROUT01转到ROUT49图4.4查表子程序4.3 程序清单ORG 0000H AJMP MAIN ;转到主程序 ORG 0008H AJMP CINT1 ;转到中
28、断子程序 ORG 0040H AJMP GAODU ;转到高度子程序 ORG 0080H AJMP CHAB ;转到查表子程序MAIN: MOV R1 , #30H ;输入数据地址送R1 MOV R2 , #00H ;IN0地址送R2 SETB EA ;开CPU中断 SETB EX1 ;允许中断1 SETB IT1 ;令中断1为边缘触发 MOV R0 , #0F8H ;送端口地址F8H到R0 MOV A , R2 ;IN0地址送A MOVX R0, A ;送IN0地址并启动A/D ;SJMP $ ;等待中断或其他CINT1: MOV R0 ,#0F8H ;端口地址送R0 MOVX A , R0
29、 ;输入数值送A MOV R1, A ;存入输入数据区 AJMP 0040H ;转到电流与水位高度转换子程序GAODU: MOV A ,R1 ;输入数据送A MOV B ,#26 ;ADC量化水位高度量化比27送B DIV AB ;A/B：A中存整数，B中存余数 PUSH B ;保存B MOV B,#10 ;B 10 MUL AB ;A*B=BA POP B ;恢复B中数据 PUSH A ;保存A MOV A,B ;A B MOV B,#10 ;B 10 MUL AB ;BA A*B MOV B,#26 ;ADC量化水位高度量化比27送B DIV AB ;A/B：A中存整数，B中存余数 MOV
30、 B,A ;B A POP A ;恢复A中数据 ADD A,B ;A+B=水位高度 MOV R0,#00H ;水位高度存储地址 MOV R0,A ;存入水位高度数据 AJMP 0080H ;转到查表子程序CHAB: MOV A ,R0 ;水位高度数据送A RL A ;A A*2 ADD A ,#10 MOV DPTR , #BRTAB ;绝对转移指令起始地址 JMP A+DPTR ;PCA+DPTRBRTAB :AJMP ROUT00 ;转到ROUT00 AJMP ROUT01 ;转到ROUT01 AJMP ROUT02 AJMP ROUT48 AJMP ROUT49ROUT00: MOV P
31、1, #00H ;显示00 LJMP MAIN ;转到MAINROUT01: MOV P1 , #01H ;显示01 LJMP MAIN ;转到MAINROUT39: MOV P1 , #39H LJMP MAINROUT40: MOV P1 , #40H ;显示40 AJMP ZT;转到ZTROUT41: MOV P1 , #41H AJMP ZTROUT48: MOV P1 , #48H AJMP ZTROUT49: MOV P1 , #49H AJMP ZTZT : SETB P2.0 ;开始报警 NOP CLR EX1 ;关中断1 LJMP MAIN ;返回主程序 END第5章 系统设
32、计与分析5.1 系统原理图图5.1 系统原理图5.2 系统原理综述水位自动控制器由5个部分组成，即水位传感器、A/D转换、单片机、数码显示、报警控制部分。水位自动控制电路是通过水位传感器将水位高度转换为05V的直流电压，再经过A/D转换后，将转换所得的8路并行数字量送入单片机进行处理来达到对水位进行自动控制的目的。通过对电压和水位的转换关系，最终利用单片机进行精确的控制，实现对水位高度的显示、主/备电机和报警装置的控制。第6章 课程设计总结通过这次单片机的课程设计，使我认识到单片机的应用领域确实很广泛，不仅培养了我自己的独立思考能力，还加深了对单片机应用的认识。我所设计的这个系统主要是为了减少
33、人员开支和实时提供水库水位信息进而起到防洪报警等作用，采用了自动化的结构形式，实现对水库水位的自动控制。系统以单片机89C51为核心部件，单片机系统完成对水库水位信号的采集、处理、等功能;运行程序该系统的主要特点是:1)工作运行稳定，抗干扰能力强。能在多种不同环境中运行。保证了该系统的可靠性。2)在无需人工干预的情况下，能有效地进行水库水位自动监测，减少了劳动力，减少了用电量，降低了成本。3)该水位监测系统具有小巧、经济、可靠、实用和节能降耗的特点。4）该水库水位监测系统为防洪蓄洪起到了重要作用，能精确实时的监测当前水库水位，并起到报警作用。它是一种新型的水位监测设备。可以使报警更准确，更及时，继而促使水库对水位监测更有效，有效遏止事故发生，有效地防洪蓄洪，也大大减少了人力上的开支，提高工作效率。从更大的方面说，可以在保证安全的前提下，提高工作效率，树立一种科学的安全发展观。参考文献1 梅丽凤等编著 单片机原理及接口技术 清华大学出版社2009.72 赵晶 主编 Prote199高级应用 人民邮电出版社，2000 3 于海生 编著 微型计算机控制技术 清华大学出版社2003.44 胡汗才 单片机原理及其接口技术M.北京：清华大学出版社，20045 钱晓捷 汇编语言程序设计M.北京：高等学校教材，2005
