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1、1 前言. 1.1 系统概述本课题主要是为了配合某一小区生活供水方案的技术改造而进行的。该小区原方案是楼顶高水位水箱供水。根据该小区改造要求，该小区要求投资少，节约能源，水质不遭二次污染，或遭二次污染少。众所周知，随着城镇人口的不断增加，楼房越来越高，如何利用有效的水源保证高层建筑的正常供水已是迫在眉睫。传统的方法是利用高层水塔或高位水箱，但高层水塔占地面积大，建筑费用高，塔内污物不易清理，故现在发达国家早已淘汰。高位水箱一般建于楼顶，它虽避免了水塔占地面积大等问题，但又人为地增加了楼房的重量，使建筑设计及楼房造价提高，亦是不可多用的方案。人们对水的使用要求也越来越高，不仅对水的质量有了一定的
2、要求，而且对水的压力、流量也有了更高的要求。但由于供水系统的宠大性、高程和距离产生的压差性、水阻变异性等诸多不确定因素，导致供水压力、流量等技术参数在用水高峰和低峰变化较大，如果在供水系统中仍采用过去的供水方式供水，就常可能出现高峰期供水末端压力不足、甚至高层用户无水，低峰期管网静水压力不足、低峰期管网静水压力过大而导致一些老化的管网崩裂漏水问题。目前，工业和生活供水系统普遍采用恒压供水方式。这种供水方式克服了传统供水系统占地面积大、水质易污染、基建投资多的缺点，且技术先进、水压恒定、操作方便、运行可靠。随着微电子技术和电力电子技术的飞速发展，变频器的可靠性不断提高，价格又趋于低廉，许多泵类负
3、载越多地由传统的固定转速拖动改为变频调速拖动。多数供水系统是以满足用户所需流量为控制目标的，近年来，越来越广泛地采用了变频调速的恒压供水系统。采用变频调速控制的优点：1）压力、流量、水位等容易控制；2）可节约由阀门引起的管阻损失；3）便于和上位微机联接；4）容易实现反复多次的起动和停止。1.2 变频恒压供水系统研究的意义一般给水管网中的水压(自来水厂的一次供水压力)已很难满足用户的用水需求，除建筑低层可由市政管网直接供水外，其余高层用户或大型用水单位(如高校，企业)均须加压供水目前常用的加压方案，无论是水塔、高位水箱、还是气压罐，都必须由水泵以高出用户实际所需水压的压力进行“提升”，从而造成能
4、源的浪费。采用水塔或高位水箱式供水.用户管网水压较稳定，具有一定的蓄水能力。但水塔(或水箱)的存在，增加了建筑物结构的承重和建筑造价，同时造成了水质的二次污染，且高层最不利配水点水压不能满足用户需要。气压式供水其实是把高位水箱移到了地面。它虽然可减少污染，并一定程度上消除“水锤”现象，但气压罐的有效容积有限，水泵电机启停十分频繁，管网压力波动较大;气压罐为钢制压力容器，还需使用胶囊隔膜或补气装置，运营费用高，潜在费用较高。变频恒压供水系统以管网水压(或用户用水流量)为设定参数，通过微机控制变频器的输出频率从而自动调节水泵电机的转速，实现管网水压的闭环调节(PID),使供水系统自动恒稳于设定的压
5、力值:即用水量增加时，频率升高，水泵转速加快，供水量相应增大:用水量减少时，频率降低，水泵转速减慢，供水量亦相应减小，这样就保证了供水效率用户对水压和水量的要求，同时达到了提高供水品质和供水效率的目的，“用多少水，供多少水”;采用该设备不需建造高位水箱，水塔，水质无二次污染，是一种理想的现代化建筑供水设备。新型的变频恒压供水与传统的水箱和气压供水方式相比，不论是设备的投资额，运行的经济性，还是系统的稳定性，可靠性，节能效果、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，这些优越性引起了几乎所有供水设备厂家的高度重视，争相研制、开发这一新技术产品，最近几年，随着交流变频调速技术的成熟和普及，变频恒压供水
6、系统以其技术之先进，得到了飞速的发展。目前该产品正向着高可靠性、全数字化、多品种系列化的方向发展。追求高度智能化、系列标准化是未来供水设备适应城镇建设成片开发、网络供水调试和整体规划要求的必然趋势。因此，研究变频恒压供水系统的意义在于提供一种经济、节能、稳定且高品质的供水方案。1.3 本课题的研究内容及研究目标本课题研究的主要内容:研究变频恒压供水系统、自动进水系统和自动供水系统的软硬件设计和实现。硬件方面主要研究多种芯片和外设的接口，包括:模数转换，数模转换，实时时钟，开关量输入，开关量输出。 本课题研究要求达到以下目标:(1)实现24小时不间断变频恒压供水，供水压力可实时调整；(2) 实时
7、测量水管压力；(3) 提供中文液晶显示。本文提出的全自动变频供水装置是采用了变频高速、微机闭环控制系统。该装置实现了直接向管网供水，适应供水管网水量变化自动无级调变电机和水泵的转速，以调速由于无附加压力损失，所以是理想的高效调节方法。它根据用水量的大小，自动实现单泵交替变频和多泵并联运行，保证各泵都在高效区工作。1.4系统的工作原理其工作原理是：控制器通过检测实际水压值，比较设定水压值和实际水压值的差别，按PID控制规律运算后，输出控制信号至变频器，变频器则根据控制器的输入信号调节水泵电机的供电电压和频率。当用水量增加时，控制器控制变频器使电动机的电压和频率加大，水泵转速升高，出水量增加；当用
8、水量减少时，控制器控制变频器使电动机的电压和频率降低，水泵转速下降，出水量减少。通过这种控制方式，就可以使自来水管道压力保持在设定值上。该系统具有结构简单，运行稳定，节约能源，同时也克服了传统控制方式所具有的不足1。2 单片机控制器设计如图2-1是一个典型的由8051单片机控制的闭环调速恒压供水系统。系统由微机控制器、交流变频调速器、水泵机组、供水管网和压力传感器等组成，控制系统结构原理如图2-2所示。8051单片机在这里主要起压力采集、PID调节器计算、功能判断处理、消防处理、逻辑切换、压力显示和声光报警等作用。 图2-1 供水系统组成原理 图2-2 供水控制系统结构原理2.1 系统主要单元
9、设计 系统单元设计主要包括CPU单元、拨码盘接口电路、压力显示电路、反馈压力检测电路和相应的开关电路等。(1) CPU基本单元设计。CPU基本单元主要包括8051单片机、373锁存器、2732EPROM只读存储器、拨码盘接口（74LS240）、显示器接口（74LS273）和A/D、D/A转换器等，电路如图2-3所示。根据图2-3所示的译码器接线可知：存储器EPROM地址范围是0000H0FFFH；8421拨码盘接口（74LS240）地址是1000H；D/A转换器（0832）接口地址是2000H；设定压力显示接口（74LS273）地址是3000H；反馈压力显示接口（74LS273）地址是400C
10、J；A/D转换器（0809）通道地址是5000H5907H。 图2-3 CPU基本单元连接电路 （2）拨码盘接口电路设计。该系统采用两位8421BCD码拨码盘作为数字压力设定，设定范围为0.000.99MPa（相当于水泵的扬程是099m）。电路接线如图2-4所示，系统工作时CPU可以通过接口电路74LS240将拨码盘的值读入内存。读取程序如下：MOV DPTR，#1000H ；DPTR指向拨码盘接口地址MOVX A，DPTR ；读取的BCD码值送AMOV 35， A ；A内容送35H单元在该图接线中，拨码盘输出为两位BCD码反码，经74LS240反相后，恰好是BCD码的原玛。 图2-4 拨码盘
11、接口电路（3）压力显示电路。系统压力显示包括设定压力显示和反馈压力显示两种，各自采用两位共阳极数码管（LA5012）显示器显示。系统工作时，CPU将待显示的压力BCD码通过输出接口（74LS273）送至BCD七段译码器74LS47后直接驱动LED，电路如图2-5所示。 图2-5 压力显示电路设定和反馈压力BCD码如果分别存放在内存46H和47H中，则显示程序如下：MOV DPTR， #3000H ；DPTR指向设定压力显示器接口地址MOV A，46H ；压缩式设定压力BCD码送AMOVX DPTR，A ；输出设定压力显示MOV DPTR，#4000H ；DPTR指向反馈压力显示器接口地址MOV
12、 A，47H ；压缩式反馈压力BCD码送AMOVX DPTR，A ；输出反馈压力显示（4）反馈压力检测电路。系统压力检测电路主要由压力传感器（或压力变送器）、信号隔离器和0809A/D转换器等组成。加线性隔离的目的是防止系统的共模干扰侵入计算机，提高系统的可靠性。压力检测电路如图2-6所示。反馈压力采集程序如下： MOV DPTR，#5000H ；DPTR指向0809通道0地址 MOVX DPTR，A ；启动该通道A/D转换 UP： MOV A，P1 ；读转换状态EOC JNB ACC.5，UP ；EOC1未转换完，等待 MOVX A，DPTR ；转换完，读回压力值 MOV 48H，A ；结果
13、存入48H中 图2-6 压力检测电路（5）输出控制电路。系统在运行中按图2-2所示的结构将压力设定值和反馈值进行比较后再按PID算法进行计算，其计算结果u(k)经0832D/A转换后变成模拟控制电压信号，再经过线形隔离作用于交流变频调速器。交频调速器按其控制信号u(t)的大小来调节水泵的速度，以达到恒压的目的。输出控制电路如图2-7所示。 CPU访问0832D/A转换器的输出控制程序如下： MOV DPTR， #2000H ；DPTR指向0832地址 MOV A，25H ；取控制信号u(k)送A MOVX DPTR，A ；输出该控制信号 图2-7 输出控制电路原理（6）开关电路设计。系统在自动
14、方式下运行时，CPU将不断地通过P1.6和P1.7位查询缓冲水箱是否有水。当缓冲水箱无水时，为防止电机空转，需要自动停机，同时通过P1.3发出无水指示。当缓冲水箱的水位达到上限水位时，P1.7变为高电平，系统会自行启动，恢复供水。当P3.0=“0”时，处于生活供水方式，系统通过闭环调速维持恒压供水。当检测到P3.0=“1”时，将自动进入消防状态，在消防期间CPU将使P1.0=P1.1=P1.2=“1”，三个固态继电器全部接通，接触器1C、2C和3C均吸合，大泵、小泵和消防泵全速工作。当自来水管网压力大于设定压力时，u(k)为负值，此时系统会自动停机，处于节能状态，同时发出满压指示。此外，本系统
15、还具有用水高峰时自动投入大泵，用水低峰时自动投入小泵的经济运行状态。开关电路如图2-8所示。 图2-8 系统开关电路2.2 自动进水系统自动进水系统实现的主要功能是:在保证自来水管网水压在设定范围(即不影响客户的用水)的前提下，自动调节进水阀门的开度，尽可能增大进水量。进水阀门主要依据两个参数:管网水压与设定水压之间的偏差、水池的水位。当水池水位到达高水位时，进水门必须关闭:当水池水位低于最高水位时，进水阀门的开度由管管网水压与设定水压之间的偏差决定。802电控调节阀内部采用三相电机驱动，经过实验，阀门从全关至全开只需要15秒。而在实际的调整过程中，有时只需要调节1%的开度，也就是只需要阀门通
16、电0.15秒即可。但由于阀门存在惯性，0.15秒的通电时间不足以使阀门有所动作。而当通电时间大于0.5秒时，阀门可以动作，但每次的调节量并不确定。这也正是自动进水系统控制的难点所在。自动进水系统的控制目标是保证管网水压在目标水压的士0.015Mpa之间。(1)系统首先检查水池的水位，当水池达到最高水位时，应停止进水，关闭阀门。(2)当水池需要进水时，将当前水压与目标水压比较，如果水压过低，说明阀门开度过大，阀门关向调节:水压过高，说明阀门开度可以更大，阀门开向调节:水压正常，阀门保持原有开度。阀门的调节时间选择0.5秒。(3)当阀门进行调节后，由于进水量发生变化，管网压力会有较大波动，水压通常
17、需耍20秒钟后才能重新趋于稳定。因此，需要等特一段时间，以避开水压不稳定的情况。从抗干扰的角度来看，软件控制对象或测量对象可能出现大波动的情况时，不进行处理，也是抗干扰的一种有效途径。系统提供了一个参数，调节该参数可以调节系统的等待时间。从而控制自动进水系统调节的灵敏度。2.3自动供水系统自动供水系统实现的主要任务是根据水管水压情况，自动起动或停止45KW水泵，开始或停止向用户供水。水管水压情况由系统传感器任务更新。当水管的水压低于给定水压时，系统通过控制自耦减压起动箱的“起动”按钮起动45KW水泵，在45KW水泵内的水压建立起来后(约15秒)自动打开电动阀门，由进水管向水池供水。当水管的水压
18、高于用户需求水压时，系统首先关闭45KW水泵的电动阀门，当阀门关闭后(关闭时间需要15秒)。通过控制自耦减压起动箱的“停止”按钮停止45KW水泵.2.4自动控制系统的控制状态调整由于应用情况的复杂性，自动控制系统本身需要十分灵活的控制方式。如，当水池水位过低时，为保证给居民的供水，需要强制进水，此时需要将关闭“自动进水系统”的控制功能，利用手动调节进水量。又如，居民无需供水时，需要关闭“变频恒压供水系统”控制功能.停止出水管道的供水。 表 2-1 为系统的控制参数子系统参数控制状态意义自动进水系统阀控控自动进水系统处于控制状态无自动进水系统处于非控制状态自动供水系统位控控自动供水系统处于控制状
19、态无自动供水系统处于非控制状态变频恒压供水系统频控控变频恒压供水系统处于控制状态无变频恒压供水系统处于非控制状态电机选择M45，M15选择M45或M15电机供水，允许系统根据压力进行电机切换M45*，M15*固定M45或M15电机供水，不允许系统根据压力进行电机切换PIDFIX0根据PID控制器，控制变频器频率1-255变频器输出频率固定=（PIDFIX*60/255）HZ作为一个自动控制系统，本系统的实现了对三种不同类型对象的自动控制。(1) 恒压控制。本课题采用PID控制算法，实现了对出水压力的恒定控制，同时完成 了 根 据 实 际 的 输出频值和当前出水压力切换不同变频器的算法。(2)
20、进水量控制。电控调节阀的控制有其特殊性。电控调节阀的控制既不精确，以不允许调节过量。 需要不断微调，逐渐到达设定范围，也是控制的一个难点 。(3) 水位控制。根据水池的水位控制进水阀门自动进水系统或控制水泵。3系统硬件设计3.1 MCS51系列单片机MCS51是Intel公司生产的一个单片机系列的名称。它是该公司于1980年推出的高档8位单片机。属于这一系列的单片机芯片有许多，如8051、8031、8751等，它们的基本组成、基本性能和指令系统都是相同的。而8051是其系列单片机中的代表产品，因此，本设计选用8051。3.1.1 8051的介绍MCS51系列单片机的最典型的产品有内部无ROM的
21、8031、内部具有4KB字节掩膜ROM的8051及内部具有4KB字节EPROM的 8751。这三种型号的单片机除内部程序存贮器ROM不同外，其他内部资源均相同。本设计中主要采用的是8051单片机。3.1.2 8051的内部资源8051的内部资源为：1) 8位CPU；2) 时钟电路，外接晶振和电容可产生1.2MHz12MHz的时钟频率；3) 128字节内部RAM数据存贮器；4) 2个16位定时器/计数器；5) 5个中断源、两级中断优先级的中断控制器；6) 一个全双工的异步串行I/O口；7) 4KB字节掩膜ROM程序存贮器。3.1.3 8051单片机内部结构8051单片机内部总体结构如图3-1所示
22、。按功能划分为8个组成部分：微处理器（CPU）、数据存贮器（RAM）、特殊功能寄存器（SFR）、I/O口、串行口、定时器/计数器及中断系统是通过片内单一总线连接起来的。各部分的功能简述如下：1) 中央处理单元（CPU）CPU是单片机的核心，是计算机的控制和指挥中心，由运算器和控制器组成。运算器包括一个可进行8位算数运算和逻辑思维运算的单元ALU，8位的暂存器1，暂存器2，8位的累计器ACC，寄存器B和程序状态寄存器PSW。控制器包括程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器ID、振荡器和定时电路。8031片内振荡电路，只需外接石英晶体和频率微调电容，其频率范围为1.2MHz12MHz。2) 数
23、据存储器（RAM）8051/8751/8031片内数据存储器均为128B，地址为00H7FH，用于存放运算的中间结果、数据暂存以及数据缓冲。它可分为片内RAM和片外RAM。8751片外RAM的空间为64KB，片内RAM的空间为256B。图 3-1 MCS51结构图3) I/O接口8051有四个8位并行接口，即P0P3。它们都是双向端口，每个端口各有8条I/O线，均可输入/输出。P0P3口四个锁存器同RAM统一编址，可以把I/O口当一般特殊功能寄存器来寻址。3.1.4 8051单片机引脚及其功能8051单片机是高性能单片机，它采用40条引脚的双列直插式封装（DIP），引脚排列如图3-2所示，40
24、条引脚按功能可分为三部分。各引脚功能说明如下：1) 电源引脚Vcc和VssVcc（40脚）：接+5V电源Vss（20脚）：接地端2) 时钟电路引脚XTAL1和XTAL2XTAL1（19脚）：接外部晶体和微调电容的一端。在片内，它是振荡电路反相放大器的输入端。当采用外接晶体振荡器时，此引脚应接地。12456789101112131415161718192040393837363534333231302928272625242322218051P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VPDP3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7XTAL2XT
25、AL1VSSRXDTXDT0T1VCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0ALE/PROGEA/VPPINTINT1WRRDPSEN图 3-2 MCS51引脚图XTAL2（18脚）：接外部晶体和微调电容的另一端。在片内，它是振荡电路反相放大器的输出端。若采用外部振荡器时，该引脚接收振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。要检查8051的振荡电路是否正常工作，可用示波器查看XTAL2端是否有脉冲信号输出。3) 控制信号引脚：RST/VPD（9脚）：RST是复位信号输入端，高电平有效。当振荡
26、器运行时，在此引脚上加上两个机器周期的高电平将使单片机复位。复位后，应使此引脚电平为0.5V的低电平，以保证单片机正常工作。掉电期间，此引脚可接备用电源（VPD），以保持内部RAM中的数据不丢失。当Vcc下降到低于规定值，而VPD在其规定的电压范围内（50.5V）时，VPD就向内部RAM提供备用电源。ALE（30脚）：地址锁存允许信号端。CPU访问片外存储器时，ALE输出信号作为锁存低8位地址的控制信号。即使不访问外部存贮器，ALE端仍有周期性正脉冲输出，其频率为振荡器频率的1/6。但是，每当访问外部数据存贮器时在两个机器周期中ALE只出现一次，即丢失一个ALE脉冲。ALE端可以驱动8个TTL
27、负载。（29脚）：此输出为单片机内访问外部程序存贮器的读选通信号。在从外部程序存贮器取指令（或常数）期间，每个机器周期两次有效。但在此期间，每当访问外部数据存贮器时，这两次有效的信号将不出现。同样可以驱动8个TTL负载。/（31脚）：当端保持高电平时，单片机访问的是内部程序存贮器，但当PC值超过某值时，将自动转向执行外部程序存贮器内的程序。当端保持低电平时，则不管是否有内部程序存贮器而只访问外部程序存贮器。4) 输入/输出引脚： 输入/输出（I/O）口引脚包括4个并口，即P0、P1、P2和P3口。P0口（P0.0P0.7）：为双向8位三态I/O口，当作为I/O口使用时，可直接连接外部I/O设备
28、。它是地址总路线低8位及数据总路线分时复用口，可驱动8个TTL负载。一般作为扩展时地址/数据总路线口使用。P1口（P1.0P1.7）：是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口。P1口的每一位能驱动4个LS型TTL负载。在P1口作为输入口使用时，应先向P1口锁存器写入全1，此时P1口引脚由内部上拉电阻成高电平。P2口（P2.0P2.7）：为8位准双向I/O口，当作为I/O口使用时，可直接连接外部I/O设备。它是与地址总路线高8位复用，可驱动4个TTL负载，一般作为扩展时地址总路线的高8位使用2。P3口（P3.0P3.7）：为8位准双向I/O口，是双功能复用口,可驱动4个TTL负载。3.1.5
29、8051单片机的时钟和时钟电路时钟电路是计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏。8051片内有一个反相放大器，XTAL1、XTAL2引脚分别为该反相放大器的输入端和输出端，该反相放大器与片外晶体或陶瓷谐振器一起构成了一个自激振荡器，产生的时钟送至单片机内部的各个部件。单片机的时钟产生方法有内部时钟方式和外部时钟方式两种，本设计所选用单片机应用系统采用内部时钟方式，即采用外接晶体和电容组成的并联谐振回路。如图3-3所示：XTAL2XTAL18051晶体C2C1Vss图3-3 内部时钟方式的时钟电路本电路采用6M晶振发生器。8051芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。反相放大器的输入端
30、为XTAL1，输出端为XTAL2，分别是8051的19脚和18脚。在XTAL1和XTAL2两端跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳定的自激振荡器。8051单片机允许的振荡晶体可在1.2MHz24MHz之间选择，一般取11.0592MHz。电容C1和C2通常取30PF，对振荡频率有微调作用。3.1.6 8051单片机CPU时序CPU的工作是不断取指令和执行指令，以完成数据的处理、传送和输入/输出操作。CPU取出一条指令至该指令执行完所需的时间称为指令周期。因不同的指令执行所需的时间可能不同，故不同的指令可能有不同的指令周期。指令周期是以机器周期为基本单位的，是机器周期的整数倍。8051的一个机器周
31、期由6个状态周期组成，每一个状态周期由两个时钟周期组成，因此一个机器周期包含12个时钟周期。每一条指令的执行都可以包括取指和执行两个阶段。在取指阶段，CPU从内部或者外部ROM中取出指令操作码及操作数，然后再执行这条指令的逻辑功能。在8051指令系统中，根据各种操作的繁简程度，其指令可由单字节、双字节和三字节组成。从机器执行指令的速度看，单字节和双字节指令都可能是单同期或双周期，而三字节指令都是双周期，只有乘、除指令占四个周期。此时，执行一条指令的时间分别为2s、4s、8s。CPU的内部状态和相位表明CPU取指令和执行指令的时序，这些内部时钟信号不能从外部观察到，所以用XTAL2的振荡器输出信
32、号作参考。引脚ALE输出信号为8051扩展系统的外部存贮器地址低8位的锁存信号，在访问外部程序存贮器的周期内，ALE两次有效；而在访问外部数据存贮器的机器周期内，ALE信号有效一次。因此，ALE的频率是不恒定的。3.1.7 8051单片机的复位和复位电路单片机的复位都是靠外部电路实现的，8051单片机有一个复位引脚RST，高电平有效。它是施密特触发输入，当振荡起振后，该引脚上出现两个机器周期以上的高是平，使器件复位，只要RST保持高电平，8051便保持复位状态。此时ALE、P0、P1、P2、P3口都输出高电平。RST变为低电平后，退出复位状态，CPU从初始状态开始工作。复位操作不影响片内RAM
33、的内容，复位以后，PC内容为0000H，使单片机从起始地址000H开始执行程序。所以单片机出错或进入死循环，可以按复位键重新启动。本设计所选用复位操作有上电自动复位和按键手动复位两中方式。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，其电路如图3-4所示。这样只要电源Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位了，即接通电源就完成了系统的复位。上电复位是最简单的复位电路，但在此电路中，干扰信号容易串入复位端，可能会引起内部某些寄存器错误复位，这时可在RST引脚上接一去偶电容。C通常因为系统运行等的需要，常常需要人工按钮复位，如图3-5所示，需将一个常开按钮开关并联于上电复位电路，按
34、下开关一定时间就能使RST引脚端为高电平，从而使单片机复位。+5VCR1RST8051R2+5VRRST8051 图3-4上电复位电路 图3-5上电复位兼手动复位电路S6S5S4S3S2S1读操作码读下一个操作码(丢失)再读下一个操作码(a) 1字节、1周期指令S6S5S4S3S2S1读操作码读第二字节再读下一个操作码(b) 2字节、1周期指令例：INCA例：ADD A,#dataS6S5S4S3S2S1(c) 1字节、2周期指令例：INC DPTRS6S5S4S3S2S1读操作码读下一个操作码(丢失)再读下一个操作码S6S5S4S3S2S1(d) MOVX(1字节、2周期)ADDRS6S5S
35、4S3S2S1DATA读下一个操作码(丢失)读操作码(MOVX)无取指无ALE无取指访问外部数据贮存器再读下一个操作码ALEOSC(XTAL2)S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2P1P2 图3-6 MCS -51 CPU 时序在本设计系统中，除了单片机本身需要复位以外，外部扩展的I/O接口电路等也需要复位，因此需要一个系统的同步复位信号，即单片机复位后，CPU开始工作时，外部的电路一定要复位好，以保证CPU有效地对外部电路进行初始化编程。如上所述，8051的复位端RST是一个施密特触发
36、输入，高电平有效，而I/O接口电路的复位端一般为TTL电平输入，通常也是高电平有效，但这两种复位输入端复位有效的电平不完全相同。若将图3-4和图3-5中单片机的复位端和I/O接口电路复位端简单相连，将使CPU和I/O的复位可能不同步，CPU对I/O初始化编程无效，将使系统不能正常工作。这可以通过延时一段时间以后对外部电路进行编程来解决。图3-7所示为一种实用的系统复位电路，可以将复位电路产生的复位信号经施密特电路整形后作为系统复位信号，加到8051单片机和外部I/O接口电路的复位端3。+5V100P10F10F10K74LS14RST至外部复位端图3-7 按钮（系统）复位电路3.1.8 805
37、1单片机的软件资源8051单片机有丰富的指令系统，它的指令系统由111条指令组成。其中，单字节指令49条，双字节指令45条，三字节指令17条。这些指令系统简单易学，使用方便。MCS51的指令系统可分为五大类：数据传送类、算术运算类、逻辑运算及移位类、控制转移类及位操作指令或布尔操作类。对于编程是很方便的。8051单片机的寻址方式共有七种：寄存器寻址；直接寻址；立即数寻址；寄存器间接寻址；变址寻址； 相对寻址； 位寻址。3.2 A/D转换及ADC0809的介绍在本设计系统中，被控对象的有关参量是一些连续变化的模拟量，这个模拟量必须转化为数字量后才能进行处理。由于本设计系统中温度的变化比较缓慢，对
38、A/D转换器的转换速度要求也不高。A/D转换器按其转换原理可分五种类型：计数式、逐位逼近式、双积分式、并行式、和串-并行式模/数转换器。衡量A/D性能的主在参数有：分辨率、满刻度误差、转换精度等。根据本设计系统中的控制要求，在此可选用可以选用价格较便宜、速度适中的逐次逼近式A/D转换器。逐次逼近式的A/D转换器的转换速度和精度都比较高，能完全满足本系统中温度检测的转换要求。A/D转换器按其输出数字量位数来分，有8位、10位、12位和16位四种类型。位数越多，误差越小，价格越贵。例如，若A/D转换器输入电压对应于0-1000的检测信号，用8位模/数转换器，且最大误差为1LSB，则转换误差为100
39、0/=3.9；而选用12位A/D转换器，最大误差为1LSB，则转换误差为1000/=0.245，但12位的A/D转换器价格比较昂贵。在考虑到价格与精度的均衡之后，本设计选有8位逐次逼近的A/D转换器。3.2.1 逐次逼近式A/D转换器原理逐次逼近法A/D转换器是一种速度较快、精度较高的转换器，它是通过最高位至最低位的逐次检测来逼近被转换的输入电压。一个N位的逐次逼近法A/D转换器的原理图如图3-8所示：VNVX+_OE模拟量输入比较器N位寄存器时钟启动DONE时序与控制逻辑电路输出缓冲器N位数字量输出出图3-8 逐次逼近法A/D转换器原理图这种A/D转换器是以D/A转换为基础，加上比较器，N位
40、逐次逼近寄存器、置数控制逻辑电路以及时钟等组成。其转换原理如下：在启动信号控制下，置数控制逻辑电路置N位寄存器最高位为1，其余位清0，N位寄存器的内容经D/A转换后得到整个量程一半的模拟电压VN，与输入电压Vx比较。若VxVN时，则保留DN-1=1；若VxVN时，则DN-1位清0。然后，控制逻辑使寄存器下一位（DN-2）置1时，与上次的结果一起经D/A转换后与Vx比较，重复上述过程，直至判别出D0位取1还是以为止，此时DONE发出信号表示转换结束。这样经过N次比较后，N位寄存器的状态就是转换后的数字量数据，经输出缓冲器读出。整个转换过程就是这样对分搜索比较逼近实现的，其转换速度由时钟频率决定，
41、一般在几微秒到上百秒之间4。3.2.2 ADC0809A/D转换器芯片ADC0809是CMOS工艺、采用逐次逼近法的8位A/D转换芯片，28引脚双列直插式封装，片内除A/D转换部分外还有多路模拟开关部分。多路开关有8路模拟量输入端，最多允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换。ADC0809的引脚图及内部结构逻辑如图3-9所示。它由8路模拟开关、8位A/D转换器、三态输出锁存器及地址锁存译码等组成。1245678910111213142827262524232221201918171615ADC0809IN3IN4IN5IN6IN7STARTEOCD3(2-5)OECLOCKVCC
42、VREF(+)GNDD1(2-7)IN1IN2IN0ABCALED7(2-1)(MSB)D6(2-2)D5(2-3)D4(2-4)D0(2-8)(LSB)VREF(-)D2(2-6) 图3-9 ADC0809引脚图1 主要特性：1） 8路8位AD转换器，即分辨率8位。 2） 具有转换起停控制端。 3） 转换时间为100s。4） 单个5V电源供电 。5） 模拟输入电压范围05V，不需零点和满刻度校准。 6） 工作温度范围为-4085摄氏度 。7） 低功耗，约15mW。ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式AD转换器。2. 引脚功能说明如下：IN0IN7：8路模拟量输入端。2-12-8：8位数字
43、量输出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 START： AD转换启动信号，输入，高电平有效。 EOC： AD转换结束信号，输出，当AD转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。 OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当AD转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。 REF（+）、REF（-）：基准电压。 Vcc：电源，单一5V。 GND：地。 ADC0809的工作过程是：首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 AD转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到AD转换完成，EOC变为高电平，指示AD转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。8位模拟开关的地址输入通道的关系见表3-1。模拟开关的作用和8选1的CD4051（数据选
