三相异步电动机串电阻调速与变频调速的区别与应用

沈阳大学继续教育学院

毕业论文（设计）

（2011届本科）

题目：单片机的控制系统设计专业：电气工程及自动化

姓名：乔豹豹

指导教师：田宏

完成日期：年月日

目录

摘要: (1)

前言： (1)

一AT89C51单片机系统说明 (2)

1.1 AT89C51单片机简介 (2)

1.2 时序 (3)

1.3 引脚极其功能 (4)

二水箱给水设备系统的构成 (6)

三本系统8051单片机控制部分结构 (8)

四本系统的工作原理 (9)

五主程序框图 (9)

5.1 主程序框图 (10)

5.2 自动模式子程序 (10)

5.3 手动模式子程序 (11)

六本系统程序清单 (11)

七系统电路示意图 (14)

八总结 (15)

参考文献 (16)

致谢 (17)

摘要

本单片机系统设计的目的是应用单片机控制技术，以AT89C51单片机为核心控制工厂的水箱的水位，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，比较符合工厂生厂用水系统控制的需要。本毕业论文还详细的给出了相关的硬件框图和软件流程图，并编制了该汇编语言程序。Design of control system for water tank Based on MCU

ABSTRACT:

The purpose of single-chip system design is the application of single-chip control technology, to AT89C51 as the core to control the water level in water tank factory, and the realization of the alarm and manual, automatic switching function. The system is easy to operate, good performance, more in line with Health Works plant needs water system control. This article also gives a detailed diagram of the related hardware and software flow chart, and the preparation of the assembly language program.

关键词：89C51单片机； CPU；单片机P3.0管脚；水箱；

前言

随着我国的国民经济与生活水平的发展，工厂对自动化的需求也日益增加，为减少污染、节约能源，单片机控制技术得到了广泛的应用。在工业生产里，很多都用到大水箱，水箱里的水位控制就是问题了，以前有专门的人看着，既浪费人力，又不能准确的判断水位高低。所以单片机控制水箱水位就在工厂得到广泛的应用。一般工业里用到的水箱，体积都比较大，所以对水位的控制需求就相应的大了，工厂里对水位的控制精度要求也高。

题目：基于单片机水箱控制系统设计

一 AT89C51单片机系统说明

1.1 AT89C51单片机简介

目前，89C51单片机在工业检测领域中得到了广泛的应用，因此我们可以在许多单片机应用领域中，配接各种类型的语音接口，构成具有合成语音输出能力的综合应用系统，以增强人机对话的功能。89C51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，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。

中央处理器CPU是单片微型计算机的指挥、执行中心，由它读人用户程序，并逐条执行指令，它是由8位算术／逻辑运算部件(简称ALu)、定时／控制部件，若干寄存器A、B、B5w、5P以及16位程序计数器(Pc)和数据指针寄存器(DM)等主要部件组成。算术逻辑单元的硬件结构与典型微型机相似。它具有对8位信息进行+、-、x、/ 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。枷执行指令时，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I／o 接口电路，完成指令功能。程序计数器Pc 程序计数器Pc用来存放下一条将要执行的指令，共16位．可对以K字节的程序存储器直接寻址c指令执行结束后，Pc计数器自动增加，指向下一条要执行的指令地址。

CPU功能，总的来说是以不同的方式，执行各种指令。不同的指令其功自略异。有的指令涉及到枷各寄存器之间的关系；有的指令涉及到单片机核心电路内部各功能部件的关系；有的则与外部器件如外部程序存储器发生联系。事实上，cRJ是通过复杂的时序电路完成不同的指令功能。所谓cRJ的时序是指控制器控照指今功能发出一系列在时间上有一定次序的信号，控制和启动一部分逻辑电路，完成某种操作。]2[

1.2 时序

1．2.1时钟电路 M田—51片内设有一个由反向放大器所构成的振荡电路，XTALI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1．2—12MHZ在使用外部时钟时，XTAL2用来输入外部时钟信号，而XTALI接地。

1.2．2时序 MGL5l单片机的一个执器周期由6个状态(s1—s6)组成，每个状态又持续2个接荡周期，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1／6us；在一数情况下，算术和逻辑操作发生在N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，当指令操作码读人指令寄存器时，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读人第二字节。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Mcs—51指令周期为1—2个机器周期，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人两个字节，但Movx指令例外，Movx指令是访问外部数据存储器的单字节双机器周期指令，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：

1.3引脚极其功能

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。

下面按引脚功能分为4个部分叙述个引脚的功能。

1.3.1电源引脚Vcc和Vss

Vcc（40脚）：接+5V电源正端；

Vss（20脚）：接+5V电源正端。

1.3.2外接晶振引脚XTAL1和XTAL2

XTAL1（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。

1.3.3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/V

PD 、ALE/P、PSEN和EA/V

PP

等4种形式。

1.3.3.1 RST/V

PD （9脚）：RST即为RESET，V

PD

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V

CC 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V

PD

（+5V）为

内部RAM供电，以保证RAM中的数据不丢失。

1.3.3.2 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P

口的低

1.3.3.3 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。

1.3.3.4 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。

1.3.4 输入/输出（I/O）引脚P0口、P1口、P2口及P3口

1.3.4.1 P

0口（39脚～22脚）：P

0.0

～P

0.7

统称为P

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，P

0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P

口输入指令字节，而当检验程序时，则输出指令字节。

1.3.4.2 P

1口（1脚～8脚）：P

1

.

～P

1

.

7

统称为P

1

口，可作为准双向I/O接口使用。对

于MCS—52子系列单片机，P

1.0和P1.1还有第2功能：P

1.0

口用作定时器/计数器2的计数脉冲

输入端T2；P

1.1

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，

P

口接收输入的低8位地址。

1.3.4.3 P

2口（21脚～28脚）：P

2

.

～P

2.7

统称为P

2

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，P

2

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，P

2

口接收输入的8位地址。

1.3.4.4 P

3口（10脚～17脚）：P

3.0

～P

3.7

统称为P

3

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P

3

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。P

3

口的第2功能见下表

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：1).单片机功能多，引脚数少，因而许多引脚具有第2功能；

2).单片机对外呈3总线形式，由P

2、P

口组成16位地址总线；由P

口分时复用作为数据

总线。

附:89C51的管脚如图

二水箱给水设备系统的构成水箱由两台给水泵机组、水箱和三只浮球开关组成，其系统结构如图：

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。

水箱的控制器由8051系统构成。为避免电机的起停和电源波动时对电路的影响，输入输出均采用光电隔离。输出通过继电器，控制水泵机组的起停和报警，其电路图如下：

给水泵电机主控回路图如下：

三本系统8051单片机控制部分结构

本系统采用8051单片机，引脚具体控制如下：

P1口和P3口为输入输出检测信号和控制信号。下面是8051芯片引脚具体分配：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。

四本系统的工作原理

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。经过调试系统，测得以下数据：水位从50%--70%，两台泵运行需要约10分钟；水位从70%--90%，一台泵运行需要约15分钟。水箱的水位一般保持在70%--90%。

报警控制如下：

当水位高与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。当水位低与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。在手动的模式下，两台给水泵的运行控制可由人工自己操作。

五主程序框图

5.1 主程序框图

5.2 自动模式子程序：

5.3 手动模式子程序：

六本系统程序清单

主程序：

ORG 0000H

AJMP MAIN

ORG 0060H

MAIN: MOV P1, #FFH ; P1 P3口初始化置1

MOV P3，#FFH

JNB P1.3 ， AVT ；若手动在自动位置，跳到自动模式子程序

AJMP MEN ；否则转到手动模式子程序END

AUT： NOP（空命令）

JNB P1.2 , LG ;水位高—LG

JB P1.1 LD ，；水位没低---LD

CLR P3.1 ；水位低报警

JB P1.0, LDD ；水位未低低---LDD

CLR P3.0 ；水位低低报警

JNB 3.1 P1.6, Y1 ；M1已启动—Y1

CLR P1.4 ；否则启动M1

Y1:JNB P1.7 ,Y2 ； M2已启动---Y2

CLR P1.5 ；否则启动M2

Y2:ACALL DELAY ；延时1分钟

AJMP AUT ；返回自动模式

LDD: JNB P1.6 ,Y3 ；单独运行M1（LDD〈水位〈LD）CLR P1.4

Y3: JB P1.7 Y2

SETB P1.5

AJMP Y2

LG:CLR P3.2 ;水位高报警

LD:AJMP MAIN ;返回主程序

手动控制子程序

MEN：NOP

JNB P1.1 , MAIN ;

ACALL KEY

CJNE A ,#FOH,NN ;

AJMP MEN

NN:JNB ACC.4 ,HM1

JNB ACC.5, HM2

JNB ACC.6 ,DM1

JNB ACC.7 ,DM2

AJMP MEN

HM1: JNB P1.6 ,MEN

CLR P1.4

AJMP MEN

HM2:JNBP1.7, MEN

CLR P1.5

AJMP MEN

DM1:JB P1.6, MEN

SETB P1.4

AJMP MEN

DM2:JB P1.7, MEN

SETB P1.5

AJMP MEN

RET

延时1S主程序

T1M1: MOV R1, #F0H

L4: MOV R2, #08H

L1: MOV R3, #FAH

L2: MOV R4, #FAH

L1: DJNZ R4, L1

DJNZ R3, L2

DJNZ R2, L3

DJNZ R1, L4

RET

延时6ms子程序

T1M3: MOV R4, #12

MM: MOV R5, #248

DJN2 R5, $

DJN2 R4, D3

RET

有无键合子程序：

KEY：ACALL KS1 ；有无闭合

JNZ LK1

ACALL TIM

AJMP KEY ；无键闭合返回

LK1：ACALL TIM

ACALL TIM

ACALL KS1

JNZ LK2

ACALL TIM

AJMP KEY

LK2：RET

KS1：MOV A ， P3 ；扫描

ANL A ， #FOH ；屏蔽低4位

RET

七系统电路示意图

八总结

珍贵而美好的大学生活即将接近尾声，不是时间过的越来越快，而是时间对于我们来说越来越重要。我们迎来了大学最后一个比较关键的课程—毕业设计，因为它是衡量每个大学生知识掌握程度的关键，而且是对前面所学知识的一种检验，更是对自己能力的一种提高。毕业设计是学校对我们在大学中所学知识的一个检验，它几乎包含了我们学习的全部专业知识与实操动手能力。毕业设计工作做的好坏，直接体现了个人现阶段实力的强弱，我们必须拿出百分之百的热情用心搞好毕业设计。

资料是做毕业设计的前期准备工作，好的开端就相当于成功了一半，因此资料是否全面、可靠，关系到整个毕业设计的进程。总之，不管通过哪种方式查的资料都是有利用价值的，要一一记录下来以备后用。在图书馆和网络搜索中我查到了相关的资料和电路图。

通过前面几周不断搜索资料的过程中，我已经对所选的课题有了一定的了解，并且大概的设计思路已经确定了。于是我联系到毕业设计指导老师田宏老师，说明了我对整个系

统电路的设计与想法，指导老师给我们系统的设计思路讲述了在设计中需要注意的地方。经过老师的指导，我的思路就更加清晰了，这不得不让我相信万事开头难的道理了，也坚定了我做毕业设计的信心。就是在这样一个基础上，综合已有的资料来更透彻的分析题目。

在本次设计的过程中，我发现很多的问题，给我的感觉就是很难很不顺手，看似很简单的电路，要动手用把它给设计出来，是很难的一件事。同时，通过本次毕业设计，巩固了我们学习过的专业知识，也使我们把理论与实践从真正意义上相结合起来；考验了我们借助互联网络搜集、查阅相关文献资料，和组织材料的综合能力；从中可以自我测验，认识到自己哪方面有欠缺、不足，以便于在日后的学习中得以改进、提高；这也使我明白要对以前学过的知识温故知新。

通过这次毕业设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还很多，学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己的知识和综合素质。但从中我也学到了很多知识，更培养了我独立工作与思考的能力，激发了我的创新意识。使我充分体会到了在创造过程中的探索的艰难和成功的喜悦。虽然设计还不是很完善，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。

我认真的进行了课题的研究并完成了本论文，由于我水平有限，论文中可能出现的错误和不足之处，敬请老师批评指正。

参考文献

[1] 马忠梅等，单片机的C语言应用程序设计，北京航空航天大学出版社，2003修订版

[2] 薛均义张彦斌虞鹤松樊波，凌阳十六位单片机原理及应用，2003年，北京航空航天大学出版社

[3] 马忠梅等，单片机的C语言应用程序设计，北京航空航天大学出版社，2003修订版

[4] 薛均义张彦斌虞鹤松樊波，凌阳十六位单片机原理及应用，2003年，北京航空航天大学出版社

[5] 张毅坤.单片微型计算机原理及运用，西安电子科技大学出版社，1998

[6] 胡汉才.单片机原理及其接口技术[M].北京:清华大学出版社,2004.5

[7] 胡乾斌.单片机原理与应用[M].华中科技大学出版社.2006

致谢

美好的大学生活一晃而过，回首走过的岁月，心中无限感慨，当我完成这篇毕业论文的时候，有一种莫名的成就感，也有颇多感慨。

首先诚挚的感谢我的论文指导老师田宏老师。她在忙碌的教学工作中还要挤出时间来审查和修改我的论文。还有教过我的所有老师们，你们严谨细致一丝不苟的作风一直是我工作和学习中的榜样,你们循循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。无论是学习、工作生活上的问题，恩师们都会悉心给以指导解答，让我倍受感动。亲爱的的老师们。给我三年的学习，成长创造了一个良好的环境，引导我充分利用学校的学习资源，去发展、充实自我，而不曾虚度光阴。在此，我真诚的向你们道一声：“谢谢!”。

感谢陪伴在我身边的同学、朋友、感谢他们为我提出的建议和意见，有了他们的支持、鼓励和帮助，我才能充实的度过了大学的学习生活。

在此，我再次的向我的母校，我的老师、同学们表示衷心感谢！