徐偉

摘 要：本文的研究目的是掌握單片機在工業(yè)控制中的應用，涉及單片機的結構，原理及其匯編語言指令和程序的掌握。主要內容為單片機鍋爐液位控制系統(tǒng)。通過單片機對鍋爐液位的語音顯示和報警，可以避免鍋爐爆炸等生產事故，從而確保了安全生產。

關鍵詞：單片機；液位；顯示和報警

中圖分類號：TP27 文獻標志碼：A

0 前言

單片機作為計算機的一個分支，廣泛應用于工業(yè)控制、智能儀器儀表、機電一體化產品、家用電器等各個領域。單片機又稱微控制器。它把三大部分（CPU+存儲器+I/O接口）和一些實時控制所需的功能器件集成在該芯片上。

這次的設計任務是利用單片機構成一個小系統(tǒng)在鍋爐液位控制中的應用與研究。雖然系統(tǒng)比較小，但是可以看出單片機的功能強大和應用的廣泛性。

1 系統(tǒng)的設計

由任務書的要求我們可以確定。我們的設計性質為產品開發(fā)。按產品開發(fā)設計步驟，我們把設計分為4個部分：（1）總體介紹；（2）硬件系統(tǒng)的設計；（3）軟件系統(tǒng)的設計；（4）軟硬件結合性能測試分析。

1.1 總體介紹

系統(tǒng)控制圖如圖1所示。

1.1.1 單片機 ATMEL 89C51

（1）結構特點與分類。ATEMEL 89系列單片機內部結構與80C51接近，主要含有以下部件：（a）8051CPU；（b）內部震蕩電路；（c）總線控制部件；（d）定時/計數(shù)部件，中斷控制部件；（e）并行I/O接口，串行I/O接口；（f）片內RAM，特殊功能寄存器SFR，F(xiàn)lash程序存儲器。ATEMEL 89系列單片機可分為標準型，低檔型，高檔型。

（2）兼容性。ATEMEL 89系列單片機與MCS-51指令系統(tǒng)兼容，可以用相同引腳的89系列單片機直接代替80C51產品。AT89C51相同封裝的80C51兼容，指令系統(tǒng)完全相同，開發(fā)與設計均與80C51相同，是ATMEL公司功能強，性價比高的單片機。

（3）ATC89C51特點：（a）程序存儲器的加密位。ATC89C51內部有4KB的閃存程序存儲器，其閃存存儲器均有3個加密位。（b）AT89C51片內有4KB的Flash程序存儲陣列，一片新的AT89C51，其存儲器陣列處于擦除狀態(tài)（FFH），此時可以對其進行編程，存儲器陣列一次編程一個字節(jié)，若編程任何非空字節(jié)時，需對整個存儲器陣列進行擦除。

1.1.2 3-8譯碼器74LS138

3-8譯碼器74LS138為一種常用的地址譯碼芯片，其引腳圖如圖2所示。

其中G1、/G2A、/G2B為3個控制端，只有當G1為“1”且/G2A，/G2B均為“0”時，譯碼器才能進行譯碼輸出。否則譯碼器的8個輸出端全為高阻狀態(tài)。具體使用時，G1，G2A，G2B即可直接至+5V（電源端）或接地，也可參與地址譯碼。但其譯碼關系必須為100。需要時也可通過反相器使輸入信號滿足要求。

1.1.3 8D鎖存器74LS373

74LS373是一種帶輸出三態(tài)門的8D鎖存器，其結構如圖3所示：1D～8D為輸入端。1Q～8Q為輸出端。G位數(shù)據鎖存控制端：當G為“1”時，鎖存器輸出端同輸入端；當G由“1”變“0”時，數(shù)據輸入鎖存器中。/OE為輸出允許端：當/OE為“0”時，三態(tài)門打開；當/OE為“1”時三態(tài)門關閉，輸出呈高阻狀態(tài)。在MCS-51單片機系統(tǒng)中，常采用74LS373作為地址鎖存器使用，其連接方法如圖4所示：其中輸入端1D～8D接至單片機的P0口，輸出端提供的是低8位地址，G端接至單片機的地址鎖存允許信號ALE。輸出允許端/OE接地，表示輸出三態(tài)門一直打開。

1.1.4 74LS244 驅動器

74LS244常作單片機的總線驅動器，也做三態(tài)數(shù)據緩沖器。

1.1.5 液晶數(shù)碼管

LED顯示器是由發(fā)光二極管顯示字段組成的顯示器件。在單片機應用系統(tǒng)中通常使用的是七段LED。通常的七段LED顯示器中有8個發(fā)光二極管，其中7個發(fā)光二極管構成7筆字型，一個發(fā)光二極管構成小數(shù)點。

1.1.6 LED顯示器的顯示方式

在單片機應用系統(tǒng)中可利用LED顯示塊靈活地構成所要求位數(shù)的顯示器。根據顯示方式的不同，位選線和段選線的連接方法有所不同。段選線控制字符選擇，位選線控制顯示位的亮或暗。

（1）LED靜態(tài)顯示方式。LED工作在靜態(tài)顯示方式下，共陰極接地或共陽極接+5V；每一位的段選碼與一個8位并行I/O口相連。 N位靜態(tài)顯示器要求有N×8根I/O口線，占用I/O口線較多。故在位數(shù)較多時往往采用動態(tài)顯示方式。

（2）LED動態(tài)顯示方式。LED動態(tài)顯示是將所有的段選線并接在一個I/O口上，共陰極端或共陽極端分別由相應的I/O口線控制。

1.1.7 語音芯片ISD1420

ISD1400系列單片語音錄放集成電路，其內部設有時鐘振蕩器，128K E2PROM（電可編，電可擦只讀存儲器），前置放大器，自動增益電路，反混疊濾波器，模擬轉發(fā)器，平滑濾波器，差分功放等高品質語音錄放系統(tǒng)所需的全部基本功能電路。ISD1400系列單片器件采用單一電源供電，工作電壓為直流（VDD）5V。其靜電電流典型值0.5μA，最大值2μA；工作電流典型值15mA，最大值30mA；錄放周期后，僅需0.5μA保持電流。

（1）管腳功能。這里對管腳文字及管腳功能作以下簡介：①A0～A7：地址輸入端；②VCCD：數(shù)字電路電源正極；③VCCA：模擬電路電源正極 ；④VSSD ： 數(shù)字電路電源負極，地；⑤VSSA：模擬電路電源負極，地；⑥SP+：功放輸出端，接揚聲器（+）；⑦SP—：功放輸出端，接揚聲器（—）；⑧XCLK：外接時鐘（振蕩電路）；⑨ANA IN：模擬量輸入；⑩ANA OUT：模擬量輸出；AGC：自動增益控制；MIC：駐極體話筒輸入；MIC REF：駐極體話筒參考輸入；PLAYE：邊緣觸發(fā)放音端；PLAYL：電平觸發(fā)放音端；REC：錄音觸發(fā)端；RECLED：發(fā)光二極管接口端；NC：空腳

（2）操作模式：ISD1420地址輸入端具有雙重功能，根據地址中的A6，A7的電平的高低，決定著A0～A7的功能。如果A6，A7都是低電平，則A0～A7輸入均為地址位，A0作起始地址用。地址位僅作為輸入端，在操作過程中不能輸出內部的地址信息。根據PLAYE，PLAYL或REC的下降沿信號，地址輸入被鎖定。如果A6，A7同為高電平，它們即為模式位。操作模式可以與微機接口，也可以用連線控制操作。有關地址輸入端的功能說明如下：（a）A0：信息檢索；（b）A1：刪除EOM標志；（c）A3：循環(huán)重放信息；（d）A4：連續(xù)尋址；（e）A2，A5未用。

（3）典型應用電路：ISD1400系列器件目前已被用于微型固體錄音機、通信、電話、車船、飛機黑匣子、有聲電子信函、語音信箱、高級玩具等。ISD1420與計算機，單片機相結合，應用前景十分廣闊。它可以開發(fā)會說話的電子秤，語音數(shù)字萬用表，會說話的電壓表和電流表，多路語音報警系統(tǒng)等新穎的電子電器來。

1.2 硬件系統(tǒng)的設計

1.2.1單片機通信

（1）基本概念：計算機與外界的信息交換稱為通信?；镜耐ㄐ欧椒ㄓ胁⑿型ㄐ藕痛型ㄐ艃煞N。一個信息的各位數(shù)據被同時傳送的通信方法稱為并行通信。并行通信依靠I/O接口實現(xiàn)。其通信速度快，但傳輸線根數(shù)多，只適用于近距離（相距數(shù)米）的通信。一個信息的各位數(shù)據被逐位順序傳送的通信方式稱為串行通信。串行通信可通過串行接口實現(xiàn)。串行通信速度慢，但傳輸線少，適宜長距離通信。串行通信又有異步通信和同步通信兩種方式。

（2）串行接口的功能與結構：串行口有4種工作方式。方式0并不用于通信，而是通過外接移位寄存器芯片實現(xiàn)擴展并行I/O接口線的功能。方式1、方式2、方式3都是異步通信方式。方式1用于雙機串行通信。方式2、方式3主要用于多機通信，也可用于雙機通信。

（3）串行接口的工作方式：由于本單片機控制系統(tǒng)通信距離較長，且為雙機通信，宜采用方式1。

1.2.2 語音與顯示系統(tǒng)

本系統(tǒng)中，在ISD1420中分段存入“液位過低”，“液位過高”，“危險液位”……“鍋爐有故障，請檢查”等語音信息，在單片機的控制下，可以根據需要提取任意的組合信息。

顯示器件中最常見的是LED（發(fā)光二極管）和LED數(shù)碼管，前者多用于信號指示，后者可用于數(shù)字輸出，它們有足夠的亮度，耗電與發(fā)熱都很少，并可在單一+5V電源下工作。

對于輸入器件，通過擴展輸入口與單片機連接；對于輸出器件，則常通過擴展輸出口與單片機連接。本例LED通過74LS245驅動芯片與單片機接口。

本系統(tǒng)采用共陰極數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示，兩個74ls245與4個LED數(shù)碼管相連接，用于位驅動和段驅動。片選信號由74ls138提供。

1.2.3 單片機外圍電路

（1）控制部件及振蕩器：控制部件是單片機的神經中樞，它包括定時和控制電路、指令寄存器、譯碼器以及信息傳送等部件。單片機的定時控制功能是用片內的時鐘電路和定時電路來完成的。而片內的時鐘產生有兩種方式：內部時鐘方式和外部時鐘方式。采用內部時鐘方式時，片內高增益反相放大器通過XTAL1，XYAL2外接作為反饋元件的晶體（呈感性）與電容組成的并聯(lián)諧振回路構成一個自激振蕩器向內部時鐘電路提供振蕩時鐘。振蕩器的頻率主要取決于晶體的振蕩頻率，一般晶體可在1.2MHz～12MHz任選。電容C1，C2的值則有微調作用，通常取30pF左右。如圖5所示。

（2）復位電路：與其他計算機一樣，MCS—51單片機系統(tǒng)常常有上電復位和按鈕復位兩種方法。復位是靠外部電路實現(xiàn)的。圖6是上電復位及按鈕復位的電路。

上電時，+5V電源立即對單片機芯片供電，同時經電阻R對電容C3充電。C3上電壓建立的過程就產生一定寬度的負脈沖，經反相后，RST上出現(xiàn)正脈沖使單片機實現(xiàn)了上電復位。按鈕按下時，RST上同樣出現(xiàn)高電平，實現(xiàn)了按鈕復位。非門在這里不僅起了反相作用，還增大了驅動能力，電容C，C起濾波作用，防止干擾竄入復位端產生誤動作。

1.2.4系統(tǒng)硬件電路

液位信息自串行輸入口RXD送入，P2口送出高電平經74LS138譯碼器變成低電平選通驅動器74LS245，先位選碼后段選碼，在4個數(shù)碼管上顯示液位數(shù)值，并判斷其是否在報警范圍內，若在，則由低電平選通ISD1420語音芯片和高電平選通74LS373地址所存器，并送入液位信息地址到語音芯片進行報警。這樣就提醒操作者及時調節(jié)閥門，維持液位在安全范圍內。

1.2.5硬件電路制作與檢查

根據硬件電路選擇所需元器件，先把大的片子在電路板上合理布局，然后進行焊接。最后焊接電阻電容等小的元件。等全部完成后，檢查焊點是否實得，切忌有虛焊點，反復檢查，認真對待。

1.3 軟件系統(tǒng)的設計

1.3.1系統(tǒng)軟件流程圖

根據此次單片機應用系統(tǒng)設計要求，軟件流程圖如圖7所示。

1.3.2 軟件程序

根據軟件系統(tǒng)流程圖編寫程序如下所示：

ORG 0000H

AJMP MAIN

ORG 0030H

MAIN： MOV A，30H ；主程序

CLR C

SUBB A，#20H

JC DANGER ；H<-75 JMP

MOV A，30H

CLR C

SUBB A，#33H

JC LOW_ALARM ；H<-60 JMP

MOV A，30H

CLR C

SUBB A，#0CCH

JNC HIGH_ALARM ；H>60 JMP

MOV A，30H

CLR C

SUBB A，#5AH

JC OPEN_WATER ；-60 < H < -30 JMP

MOV A，30H

CLR C

SUBB A，#0A5H

JNC STOP_WATER ；30 < H < 60 JMP

AJMP DISPLAY

DANGER： ；危險液位報警

CLR P1.0 ；STOP BUMP

CLR P1.1 ；STOP WIND

MOV DPTR，#4000H

MOV A，#10H

MOVX @DPTR，A ；DANGER ALARM

ORL P2，#0E0H

AJMP DISPLAY

LOW_ALARM： ；低液位報警

MOV DPTR，#4000H

MOV A，#08H

MOVX @DPTR，A ；LOW ALARM

ORL P2，#0E0H

AJMP DISPLAY

HIGH_ALARM： ； 高液位報警

MOV DPTR，#4000H

MOV A，#04H

MOVX @DPTR，A

ORL P2，#0E0H

AJMP DISPLAY

OPEN_WATER： ；開泵

SETB P1.0 ；OPEN BUMP

AJMP DISPLAY

STOP_WATER： ；關泵

CLR P1.0 ；STOP BUMP

DISPLAY： ；數(shù)字量與高度之間轉換

MOV A，30H

MOV B，#0C8H ；200

MUL AB

MOV 32H，A ；LOW BIT

MOV 31H，B ；HIGH BIT

MOV 33H，#0FFH ；255

MOV A，32H

MOV R7，#00H

CLR C

LOOP_SUBB：

SUBB A，33H

JC JIE_WEI

INC R7

SJMP LOOP_SUBB

JIE_WEI：

DEC 31H

MOV A，31H

CJNE A，#0FFH，LOOP_SUB

SJMP LOOP_OUT

LOOP_SUB：

INC R7

SJMP LOOP_SUBB

LOOP_OUT：

MOV A，R7

CLR C

SUBB A，#64H

JC MINUS

MOV 40H，#00H ；SAVE BIT 1

SJMP PLUS

MINUS：

MOV A，#64H

CLR C

SUBB A，R7

MOV 40H，#40H ；SAVE BIT 1

PLUS： MOV B，#64H

DIV AB

MOV 41H，A ；SAVE BIT 2

MOV A，B

MOV B，#0AH

DIV AB

MOV 42H，A ；SAVE BIT 3

MOV 43H，B ；SAVE BIT 4

MOV 50H，40H ；DIDP 1 BIT

MOV R6，#00H ；PUT COUNT VALUE

FIND1_IN：

MOV A，R6

MOV DPTR，#TAB

MOVC A，@A+DPTR

CJNE A，41H，F(xiàn)IND_NO1

LJMP FIND1

FIND_NO1：

INC R6

SJMP FIND1_IN

FIND1： MOV 51H，R6

MOV R6，#00H

FIND2_IN：

MOV A，R6

MOV DPTR，#TAB

MOVC A，@A+DPTR

CJNE A，42H，F(xiàn)IND_NO2

SJMP FIND2

FIND_NO2：

INC R6

SJMP FIND2_IN

FIND2： MOV 52H，R6

MOV R6，#00H

FIND3_IN：

MOV A，R6

MOV DPTR，#TAB

MOVC A，@A+DPTR

CJNE A，#43H，F(xiàn)IND_NO3

SJMP FIND3

FIND_NO3：

INC R6

SJMP FIND3_IN

FIND3： MOV 53H，R6

SJMP DISP_START

TAB：DB 3FH，06H，59H，4FH，66H

DB 6DH，7DH，07H，7FH，67H

DISP_START： ；顯示程序

MOV DPTR，#2000H

MOV A，#01H

MOVX @DPTR，A

ORL P2，#0E0H

MOV DPTR，#0000H

MOV A，50H

MOVX @DPTR，A ；DISP 1 BIT

ACALL DELAY_1ms

MOV DPTR，#2000H

MOV A，#02H

MOVX @DPTR，A

ORL P2，#0E0H

MOV DPTR，#0000H

MOV A，51H

MOVX @DPTR，A ；DISP 2 BIT

ACALL DELAY_1ms

MOV DPTR，#2000H

MOV A，#04H

MOVX @DPTR，A

ORL P2，#0E0H

MOV DPTR，#0000H

MOV A，52H

MOVX @DPTR，A ；DISP 3 BIT

ACALL DELAY_1ms

MOV DPTR，#2000H

MOV A，#08H

MOVX @DPTR，A

ORL P2，#0E0H

MOV DPTR，#0000H

MOV A，53H

MOVX @DPTR，A

ACALL DELAY_1ms

AJMP MAIN ；返回主程序

DELAY_1ms： ；延時1毫秒

MOV R1，#0AH

DEL1：MOV R2，#18H

DEL2：NOP

NOP

DJNZ R2，DEL2

DJNZ R1，DEL1

RET

END MAIN

1.3.3 軟件調試

本系統(tǒng)主要有兩個程序模塊，顯示程序和報警程序。借助計算機軟件調試工具，對已編好的系統(tǒng)程序分塊進行反復調試，發(fā)現(xiàn)錯誤及時更正，直到完全無誤為止。

1.4 軟硬件結合性能測試介紹

單片機應用系統(tǒng)的程序存儲器必須寫有調試好的應用程序，系統(tǒng)才能運行。因此，總要有調試過程，甚至反復多次調試。由于程序是連續(xù)高速的運行的，我們無法觀察它的運行情況，也無法加以修改，為了提供診斷、修改等調試手段，必須用到開發(fā)工具。

從用戶源程序的編寫到單片機應用系統(tǒng)正常工作前的全過程，統(tǒng)稱為單片機應用系統(tǒng)的開發(fā)，而用已實現(xiàn)這一開發(fā)的工具便稱為開發(fā)裝置或開發(fā)系統(tǒng)。

開發(fā)系統(tǒng)本身也是一個計算機系統(tǒng)，在完成上述開發(fā)任務時，可進行仿真：把應用系統(tǒng)自身的單片機拔掉，將開發(fā)系統(tǒng)的仿真插頭插入以取代原單片機，從而實現(xiàn)對用戶樣機軟、硬件的故障診斷和調試。

結語

（1）設計單片機應用系統(tǒng)時，首先必須明確設計任務和設計要求，抓住關鍵問題，作為系統(tǒng)總體方案設計的依據.合理選擇機型和系統(tǒng)構成方案。合理劃分軟硬件的功能，以有利兼顧系統(tǒng)價格比和縮短研制周期。

（2）機型選擇。系統(tǒng)的擴展和配置是硬件設計的主要內容。當機型確定后，必須根據應用對象所需的數(shù)字量及模擬量通道，進行I/O饑餓口的分配，擬定外圍設備接口相應的電路，考慮中斷順序和方法。硬件設計應充分滿足系統(tǒng)功能要求，并留有適當余地，以便調試時修改和二次開發(fā)。

（3）軟件設計常采用模塊化結構，分塊設計和調試，易于尋找故障和修改。根據每個模塊的功能，首先畫出程序流程圖，然后盡可能應用程序設計方法的技巧編制應用程序。

（4）為提高應用系統(tǒng)可靠性，還應進行軟硬件抗干擾設計。

參考文獻

[1]丁元杰.單片微機原理及應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，1999.

[2]陳汝全，林水生.實用微機與單片機控制技術[M].成都：電子科技大學出版社，1993.