水位报警器的研究与设计-水位报警器毕业论文.doc

水位报警器毕业论文

专业 电子信息工程技术
题目 水位报警器的研究与设计

目录
1 引言 1
1.1 选题的目的意义 1
1.2 应解决的主要问题 1
1.3 国内外发展现状 2
2 设计方案的确定 1
3 硬件设计 1
3.1 传感器的选择 1
3.1.1 传感器的概述 1
3.1.2 传感器类别的选择 2
3.1.3 传感器型号的选择 4
3.2 A/D转换器的选择 6
3.2.1 A/D转换器的主要技术指标 6
3.2.2 A/D转换器的类别的选择 7
3.2.3 A/D转换器型号的选择 8
3.3 单片机选择 12
3.3.1 单片机的简介 12
3.3.2 8051芯片引脚 13
3.3.3 存储器 16
3.4 复位电路和时钟电路的设计 17
3.4.1 复位电路设计 17
3.4.2 时钟电路选择 19
3.5 报警电路设计 20
3.6 控制电路的设计 20
3.7 键盘显示电路设计 21
3.7.1 键盘电路简介 21
3.7.2 键盘电路的分类 22
3.7.3 8155的结构与引脚 23
3.7.4 矩阵式键盘电路简介 24
3.8 显示电路设计 25
3.8.1 显示器件的选择 25
3.8.2 驱动芯片的选择 25
3.8.3 MC14499芯片简介 26
3.8.4 LED驱动芯片MC14499 28
3.9 集成稳压器电路 29
3.9.1 集成稳压器电路简介 29
3.9.2 W7805芯片简介 30
3.10 电源监控器件 31
4 软件设计 1
4.1 程序模块 1
4.2 程序流程图 1
4.2.1 主程序流程图 1
4.2.2 A/D0809转换程序流程 2
4.2.3 键盘扫描子程序 2
4.2.4 键盘显示子程序的设计 4
总结 1
参考文献 1
致 谢 1
附录A 1
附录B 2

3

1 引言

1.1 选题的目的意义

随着计算机技术和现代通信技术的迅速发展，水位报警计已经从普通型发展到智能化，而且水位报警计的功能日益趋向于完善，然而水位报警计的许多相关理论与技术仍在不断发展。本次设计的就是针对锅炉水位报警计研究的一个课题。
因锅炉里的水在高温时汽化供暖，水和汽的损耗较大，要不断地补充水，使锅炉里的水位保持一定的高度，水位过低，锅炉就有爆炸的危险。为了随时了解锅炉内的水位，在锅炉上都装有水位计，水位计和锅炉构成一个连通器。常用的有玻璃液位计、压强液位计、浮标液位计、电容液位计及电阻液位计等。在高温和高压下，也可采用同位素液位计。
水位计产品多种多样，其中以玻璃管液位计和玻璃板液位计使用的最多，玻璃管液位计又因材质的不同分为普通玻璃管液位计和石英玻璃管液位计，二者是有区别的。
本人之选题《水位报警计》，具有如下目的意义：①通过查阅资料可以了解当前行业前沿的水位报警计技术及产品发展状况。②培养自己将所学的知识与现实相联系的能力。③水位报警计，它的作用是观测和控制容器内的介质多少量，通过液面的高度来掌握体积的多少，从而达到防止超装和掌握存液数量的目的。④对水位报警计研究，有利于满足人们日益增长的物质需求，通过将科学技术应用到水位控制上从而使得人们真正体会到科技的发展给自己的现实生活所带来的方便和舒适。
1.2 应解决的主要问题
本设计主要解决传感器的选择、硬件电路的设计和软件程序的设计。其所能达到的技术指标为①可以对水罐水位信息进行采集。②通过单片机控制，使水罐水位水位维持在正常的范围内。③具有键盘显示功能。④具有报警功能当水位超过上限或下限时，能及时报警。⑤对水位进行控制的功能。⑥对整个电路有一个专门提供电源的基准电压回路。⑦对电源进行监控的电源监控器件。

1.3 国内外发展现状

2009-2010年中国容器液位报警计产业专题调查分析报告中指出《中国容器液位报警计市场分析报告》立足于容器液位报警计市场发展现状分析，通过对容器液位报警计行业环境、容器液位报警计产业链、容器液位报警计市场供需、容器液位报警计价格、容器液位报警计生产企业的详尽分析，以使企业和投资者达到对容器液位报警计产品市场发展现状的全面、深入掌握；同时为使企业和投资者把握容器液位报警计未来的市场发展趋势，单位还对容器液位报警计行业未来发展趋势和市场前景进行科学、严谨的分析与预测；另外在投资分析部分，针对企业投资决策依据进行了重点分析，并综合给出投资建议。
目前国内外液位计的种类很多，有雷达液位计、磁性浮子液位计、石英管液位计、智能雷达液位计、彩色石英管液位计和超声波液位计等等。而生产液位计的公司有美国罗斯蒙特ROSEMOUNT、德国E+H、日本横河YOKOGAWA、德国西门子SIEMENS、瑞士ABB、德国VEGA 。这些只是常用而较热门的品牌。

2 总体设计方案的确定

数据采集系统主要是指这样的系统，它具有将模拟量（例如 温度、压力、位移、语音、图像等）变为数字量，然后经计算机进行适当的处理后，再配以显示、记录等功能。典型的数据采集系统框图如图2.1所示，图中各单元的功能如下：

被测物理量
传感器
放大，整形，滤波
A/D转换器
单片机
控制设备
显示设备
报警设备
变送器

2.1 典型的数据采集系统框图
被测物理量：主要是指非电的物理量，例如工业控制中的温度、压力、流量、水位等。
传感器：将输入的物理量转换成相应的电信号输出，实现非电量到电量的变换。传感器的精度直接影响到整个系统的性能，所以是系统中一个重要的部件。
放大，整形，滤波：传感器的输出信号一般不适合直接去转换数字量，通常要进行放大，特性补偿，滤波等环节的预处理来完成。
A/D转换器：实现将模拟量转换成数字量，常用的是并行比较型、逐次逼近式、积分式等。
单片机：目前的数据采集系统功能和性能日趋完善，因此主控部分一般都采用单片机。
显示设备：常用的显示器有发光二极管、7段数码管等。
控制设备：一般有按键控制，具有设定，确定等功能。
报警设备：当所测的信号超出了设定值，应该通知工作人员进行处理的设备，一般有声光报警等。
综上所述，设计数据采集系统时在硬件方面的工作主要是根据系统要求，合理选好个单元器件及互相连接，以及完成输入、输出的设计。而数据采集系统的软件设计是根据系统要实现的功能，经接口对各个部分进行控制；对模拟多路输入通道的选择以保证选择正确的通道；在正确的时刻取样和保持以使ADC能正确完成转换；对输入的数字信息进行运算处理以及显示、记录和传输，对信息格式可能还要做变换工作，这些基本上都是通过编程来实现。
基于上述的考虑本设计的整体思路如下:以MCS-51系列单片机为核心开始设计，选用合适的液位传感器对水罐中的液位参数进行报警把检测到的模拟信号转换成电信号。本次设计采用的是变送器，它可以直接把液位信号转化成标准的电信号，而不需要放大、整形、滤波等。对该电信号通过模数转换把模拟信号转换成数字信号。模数转换器A/D与单片机相连，由I/O端口输入到单片机，由单片机对其进行监测和控制。在控制电路的控制下，最后经过输出端口单片机与显示电路相连通过所编的程序完成显示功能。
设计方法从整体上把它分成两块：
第一块为硬件电路的设计，对传感器的选型，A/D转换器，接口芯片的选型。为显示的驱动电路、数码管的选型。
第二块为软件的设计，采用汇编语言编程，这里面包含定时对检测电路数据采集，输出信号驱动数码管显示等。

3 硬件设计

硬件设计大体可以分为5步：①用传感器将非电量信号转换成电量信号，而在设计中选用什么类型的传感器，从经济性，可靠性和准确性的方面考虑。②用模/数转换器将模拟信号转换成数字信号，然后传送到单片机里。③是控制电路的设计，即键盘、按钮等对水位报警系统的控制。④显示、监控电路的设计。⑤对电压基准电路和电源监控电路的设计。
硬件系统的设计框图如图3.1所示。

单
片
机
液位变送器
时钟电路
复位电路
操作键盘
LED显示驱动电路
报警电路
电压基准回路
电源监控电路
LED显示电路
A/D转换器
水位控制电路

3.1 硬件系统的设计框图
3.1 传感器的选择
3.1.1 传感器的概述

传感器是一种能将与待报警的能量形式，转化成另一种可供处理查询的能量形式的装置。信号处理电路用于处理信息，而输出器件是一种利用已处理过的信号的装置、显示或动作。
传感器不但对被测信号敏感，而且具有把它对被测变量的响应送出去的功能。也就是说，传感器不是一般的敏感元件，它的输出响应还必须易于传送的物理量。例如弹性膜盒的输出响应是形变，是微小的几何量（位移）不便于远距离传送。如果把膜盒中心的位移转变为电容极板的间隙变化，就称为输出响应是电容量的压力传感器。倘若，再通过适当的电路使电容量的大小为振荡频率的高低，就演变成输出响应是频率值的压力传感器。某些敏感元件的输出响应本来就能够传送到别处报警，例如，铂电阻应变电阻的阻值，热电偶的电动势等，把这些敏感元件称为传感器也未尝不可。
由于电信号便于远距离传送，所以绝大多数传感器的输出是电量的形式，如电压、电流、电阻、电感、电容、频率等。也有利用压缩空气的压力大小传送信息的这种方法在抗电磁干扰和防报安全方面比电传送要优越，但气源和线路上的投资较大，而且传送速度较低。近年来利用光纤传送信号信息的传感器正在发展，其抗干扰、防爆、快速性都有突出的优点。总之，传感器的输出物理量不拘一格，其数值范围也没有一定的范围限制。
3.1.2 传感器类别的选择

常用于报警液位的液位计有连通器式、吹泡式、差压式、电容式等，报警物位的有超声波物位计和放射性物位计等。其报警原理和特点如下：
①连通器式就是应用最普通的玻璃液位计，它的特点是结构简单、价廉、直观，适于现场使用，但易破损，内表面沾污，造成读数困难，不便于远传和调节。
②浮力式液位计包括恒浮力式和变浮力式两类。1）恒浮力式液位计。恒浮力式液位计是依靠浮标或浮子浮在液体中随液面变化而升降，它的特点是结构简单、价格较低，适于各种贮罐的报警；2）变浮力式液位计。变浮力式亦称沉筒式液位计，当液面不同时，沉筒浸泡于液体内的体积不同，因而所受浮力不同而产生位移，通过机械传动转换为角位移来报警液位。此类仪表能实现远传和自动调节。
③吹泡式液位计是应用静压原理报警敞口容器液位。压缩空气经过过滤减压阀后，再经定值器输出一定的压力，经节流元件后分两路：1）一路进到安装在容器内的导管，由容器底部吹出；2）另一路进入压力计进行指示。当液位最低时，气泡吹出没有阻力，背压力零，压力计指零；当液位增高时，气泡吹出要克服液柱的静压力，背压增加，压力指示增大。因此，背压即压力计指示的压力大小，就反映了液面的高低。吹泡式液位计结构简单、价廉，适用于报警具有腐蚀性、粘度大和含有悬浮颗粒的敞口容器的液位，但精度较低。
④差压式液位计有气相和液相两个取压口。气相取压点处压力为设备内气相压力；液相取压点处压力除受气相压力作用外，还受液柱静压力的作用，液相和气相压力之差，就是液柱所产生的静压力。这类仪表包括气动、电动差压变送器及法兰式液位变送器，安装方便，容易实现远传和自动调节，工业上应用较多。
⑤电容式液位计是采用报警电容的变化来报警液面的高低的。它是一根金属棒插入盛液容器内，金属棒作为电容的一个极，容器壁作为电容的另一极。两电极间的介质即为液体及其上面的气体。由于液体的介电常数ε1和液面上的介电常数ε2不同，比如：ε1>ε2，则当液位升高时，两电极间总的介电常数值随之加大因而电容量增大。反之当液位下降，ε值减小，电容量也减小。所以，可通过两电极间的电容量的变化来报警液位的高低。电容液位计的灵敏度主要取决于两种介电常数的差值，而且，只有ε1和ε2的恒定才能保证液位报警准确，因被测介质具有导电性，所以金属棒电极都有绝缘层覆盖。电容液位计体积小，容易实现远传和调节，适用于具有腐蚀性和高压的介质的液位报警。

接下来来分析一下本设计到底用哪一种液位传感器更为合适，首先，应该明确一下，本设计是水位报警计，因此有很多种，如石油、化工、环保和水利等。本次所选的是一个大型水罐，但类似于水塔。根据下面的信息来确定应该用何种传感器。
①连通式传感器，俗称直读液位计，由于它易于破损，不便于远传和调节。所以它不适合用在大型水罐上；②浮力式液位计，价格较低，简单易于操作，可用来远传和调节。适合用在大型水罐上；③吹泡式液位计简单价廉，但精度较低，不适合用在大型水罐上；④差压是液位计，主要用表报警粘稠、有沉淀、有腐蚀或易冻结的液体，一般不会用在大型水罐上；⑤电容液位计体积小，容易实现远传和调节，适用于具有高腐蚀性和高压液位报警，因此不适合用在大型水罐上；
从上面分析中，可以看出浮子式液位计和应变式传感器都适合作为大型水罐的液位传感器。在本设计中选择应变式液位计作为液位传感器。

3.1.3 传感器型号的选择

在本次设计中，准备选用液位传感器为JBY系列L形普通投入式液位变送器。
作为此次设计所使用的传感器。
简介：
投入式静压式液位变送器是基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，采用外国先进的隔离型扩散硅敏感元件，利用压阻效应，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号（一般为4～20mA）。JYB系列L形普通投入式液位变送器适用于石油、化工、冶金、电力、制药、环保等行邪恶各种介质的液位报警。精巧的结构，简单的调校和灵活的安装方式为用户轻松地使用提供了方便。4～20mA、0～5V、0～10mA等标准信号输出方式由用户根据需要任选。
用途与特点：
可广泛用于水厂、污水处理厂、城市供水、高楼水池、水井、矿井、工业水池、水罐、水文地质、水库、河道、海洋等场所、抗过载能力强、防浪涌电压，抗腐蚀性能优良，具有过压过流保护，反向极性保护，稳定性高，抗干扰能力强，实用性强，安装简便。
主要性能指标如表3.2所示：

表3.2:
量程/m
0～100内各量程，最小量程0.5
迟滞性与可重复性/%FS
≤0.1
长期稳定性/（%FS/年）
≤0.1
介质温度/℃
-20～+70
热力零点漂移/（%FS/℃）
≤0.03
环境温度/℃
-10～+60
相应时间/ms
﹤30
供电电压/V DC
＞100，12～32（通常24）
最大工作压力
2倍量程
输出信号
电流输出型≤600
电压输出型≥3000
电气连接
电缆连接
外部零件的材料
普通不锈钢/316不锈钢
负载特性/
0～10mA/4～20 mA
0～5VDC/1～5VDC
壳体材料
普通不锈钢/316不锈钢/铸铝外壳
报警介质
油，水，气体及其他与316不锈钢兼容介质
绝缘电阻/M
﹥100
准确度/%FS
A级：0.25
B级：0.5
防护等级
IP68
非线性/%FS
﹤0.2
本质安全防爆
ExiaⅡ
生产厂家：
北京昆仑海岸传感技术中心

3.2 A/D转换器的选择
3.2.1 A/D转换器的主要技术指标

A/D转换器的作用是把模拟量转化成数字量，以便于计算机进行处理。
随着超大规模集成电路技术的飞速发展，A/D转换器的新设计思想和制造技术层出不穷。为满足各种不同的检测及控制任务的需要，大量结构不同，性能不同的A/D转换芯片应运而生。
①转换精度
单片集成A/D转换器的转换精度是用分辨率和转换误差来描述的。
1）分辨率：它说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。
A/D转换器的分辨率以输出二进制（或十进制）数的位数表示。从理论上讲，n位输出的A/D转换器能区分个不同等级的输入模拟电压，能区分输入电压的最小值为满量程输入的1/ 。在最大输入电压一定时，输出位数越多，量化单位越小，分辨率越高。例如A/D转换器输出8位二进制数，输入信号最大值为5V，那么这个转换器应能区分输入信号的最小电压为19.53mV。
2）转换误差：表示A/D转换器是输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。常用最低有效位的倍数表示。例如给出相对误差LSB/2，这就表明实际输出的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。
②转换时间
转换时间指A/D转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。
不同类型的转换器转换速度相差甚远。其中并行比较A/D转换器转换速度最高，8位二进制输出的单片集成A/D转换器时间可达50ms以内。逐次比较型A/D转换器次之，转换速度较慢，一般在10s～50s之间，也有达几百纳秒的。双积分型A/D转换器的转换时间大都在几十毫秒至几百毫秒之间。在实际应用中，应根据系统数据总位数、精度要求、输入模拟信号的范围及输入信号极性等方面综合考虑选用何种A/D转换器。

3.2.2 A/D转换器的类别的选择

常用的A/D转换器可分为并行比较型、逐次比较型和双积分型等几种。
①并行比较型A/D转换器
并行A/D转换器具有如下特点。
1） 由于转换是并行的，其转换时间只受比较器，触发器和编码电路延迟时间的限制，因此转换精度较快。
使用这种含有寄存器的并行A/D转换电路时，可以不用附加取样-保持电路，因为比较器和寄存器这两部分兼有取样-保持功能。
随着分辨率的提高，元件数目要按几何级数增加，一个n位转换器，所用的比较器个数为-1，如8位的并行A/D转换器需要-1=255个比较器。位数越多，电路越复杂，因此要得到分辨率较高的集成并行A/D转换器，需要很复杂的电路，这也是并行A/D转换器最大的缺点。
②逐次比较型A/D转换器
逐次比较型A/D转换器的转换过程与用天平称物体质量的过程非常相似。逐次比较型A/D转换器的工作原理就是将输入的模拟信号与不同的参考电压做多次比较，使转换所得的数字量在数值上主次逼近输入模拟量的对应值。
逐次比较型A/D转换器完成一次转换所需要的时间与其位数和时钟脉冲频率有关，位数越少，时钟频率越高，转换时间就越短。这种A/D转换器具有转换速度快、精度高的特点。
常用的集成逐次比较型A/D转换器有ADC0808/0809系列（8）位、ADC0804(8位)和AD7810（10位）等。
③双积分型A/D转换器
双积分型A/D转换器是一种间接A/D转换器。它的基本原理是，对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值转换成与之成正比的时间间隔，然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，进而得到相应的数字量输出。由于该转换电路是对输入电压的平均值进行转换，所以它具有很强的抗工频干扰能力，在报警中得到广泛应用。
由于双积分A/D转换器在T1时间内采用的是输入电压的平均值，因此具有很强的抗工频干扰能力。从理论上来说，尤其对周期等于T1或几分之一T1的对称干扰（所谓对称干扰是指整个周期内平均值为零的干扰），有无穷大的抑制能力。即使在工频干扰幅度大于被测直流信号，使输入信号正负变化时，仍有良好的抑制能力。在工业系统中经常碰到的是工频（50Hz）或工频的倍频干扰，故通常选定采样时间T1总是等于工频电源周期的倍数，如20ms或40ms等。另一方面，由于在转换过程中，前后两次积分所采用的是同一积分器，因此，在两次积分期间（一般在几十至数百毫秒之间），R、C和脉冲源等元件参数的变化对转换精度的影响均可以忽略。
常用的A/D转换器可分为并行比较型、逐次比较型和双积分型等几种，不同类型的转换器转换速度相差甚远。其中并行比较A/D转换器转换速度最高，8位二进制输出的单片集成A/D转换器时间可达50ms以内。逐次比较型A/D转换器次之，转换速度较慢，一般在10s～50s之间，也有达几百纳秒的。双积分型A/D转换器的转换时间大都在几十毫秒至几百毫秒之间。而且双积分型A/D转换器很强的抗工频干扰能力，再从经济性方面综合考虑，逐次比较型是最适合应用在设计中的A/D转换器。

3.2.3 A/D转换器型号的选择

本设计采用A/D转换器ADC0809。
ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A／D转换器，由于输出级有8位三态输出锁存器，因而0809的数据输出端可以直接与单片机的数据总线连接。
ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图3.2所示。

图3.2 ADC0809引脚图
ADC0809各引脚功能如下：
IN7～IN0:8路模拟量输入端，即内部8选1多路开关的输入端。
D7～D0:A/D转换输出端，输出信号与TTL电平兼容，可直接至微型计算机数据总线。
ADDA、ADDB、ADDC为多路地址选择端，用于切换A/D通道，其取值与A/D转换通道的对应关系如3.4表所示。
ADC0809的ADDA、ADDB、ADDC与A/D转换通道的对应关系
表3.4：
多路开关地址线
被选中的输入通道
对应通道的入口地址
ADDC
ADDB
ADDA
0
0
0
IN0
00
0
0
1
IN1
01
0
1
0
IN2
02
0
1
1
IN3
03
1
0
0
IN4
04
1
0
1
IN5
05
1
1
0
IN6
06
1
1
1
IN7
07

ALE：地址锁存信号输入线。ADC0809完成一次A/D转换的典型时间为120 S，为保证转换结果正确，转换期间要保证不进行通道切换，ALE信号下降沿将启动A/D时的ADDA、ADDB、ADDC信号锁存入芯片内部地址锁存器。
START：启动转换信号输入引脚，其上升沿清除上一次A/D转换结果，其下降沿用以启动内部控制逻辑，是A/D转换器开始工作。
EOC：转换结束信号输出引脚，其上升沿表示A/D转换已经结束，可以读取结果。
OE:输出允许控制端，高电平有效。信号有效时，转换结果送到D0～D7数据线上。
CLOCK：转换器时钟信号输入端。它的频率决定了A/D转换器的转换速度。但该频率不得高于640kHz,其对应的转换时间为100S。
和：ADC0809内部A/D转换时的参考电压输入引脚。不能为负值，不能超过，且应满足如下关系：
/2-/2
和GND：ADC0809的电源引脚，它采用+5V电源供电。
主要特性：
①8路8位A／D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100μs。
④单个＋5V电源供电。
⑤模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准。
⑥工作温度范围为-40～＋85摄氏度。
⑦低功耗，约15mW。
在本设计中使用到74LS373。74LS373是一种带有三态门的8D锁存器，其引脚如图3.3所示。

图3.3 锁存器74LS373的引脚
其引脚的功能如下：
D7～D0：8位数据输入线
Q7～Q0：8位数据输出线
G：数据输入锁存选通信号，高电平有效。当该信号为高电平的时候，外部数据选通到内部锁存器，负跳变时，数据锁存到锁存器中。
：数据输出允许信号，低电平有效。当该信号为低电平的时候，三态门打开，锁存器中数据输出到数据输出线。当该信号为高电平的时候，输出线为高阻态。
74LS373的功能表如表3.5所示。
表3.5：

G
D
Q
0
1
1
1
0
1
0
0
0
0
×
不变
1
×
×
高阻态

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 A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D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.
ADC0809转换是采用逐次比较的方法完成A/D转换的，由单一的+5V供电，片内带有锁存功能的8路选一的模拟开关，由A，B，C引脚的编码来确定所选通道。0809完成一次转换需要100us左右，输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接连到MCS-51的数据总线上，通过适当的外接电路，0809可对0-5V的模拟信号进行转换。
如上所说，ADC0809与单片机的接口电路如图3.4所示。

图3.4 ADC0809与单片机的接口电路
3.3 单片机选择
3.3.1 单片机的简介

单片机就是在一块半导体硅片上集成了微处理器（CPU），存储器和各种输入，输出接口，这样一块集成电路芯片具有一台计算机的属性，因而被称为单片机微型机算机，简称单片机。
MCS是Intel公司生产的单片机的系列符号，例如Intel公司的MCS-48、MCS-51、MCCS-96系列单片机。MCS-51系列单片机包括三个基本型8031，8051，8751。
MCS-51由如下几个功能部件组成：①微处理器②数据存储器③程序存储器④4个8位并行I/O口⑤一个串行口⑥2个16位定时器/计数器⑦中断系统⑧特殊功能寄存器。MCS-51单片机的硬件结构具有功能部件种类全，功能强等特点，特别值得一提的是MCS-51CPU中的位处理器，它实际上是一个完整的1位微机算机。这个1位计算机有自己的CPU，位寄存器，I/O口和指令集。1位机在开关决策，逻辑电路仿真，工业控制方面非常有效：而8位机在数据采集，运算处理方面有明显的长处。MCS-51单片机中8位机和1位机的硬件资源复合在一起，二者相辅相成，它是计算机的技术上的一个突破，本设计采用8051单片机。
MCS-51的内部结构如图3.5所示。
系统时钟
ROM

定时/计数器
串行I/O
并行I/O
RAM
CPU
外部
时钟
复位
中断
电源

图3.5 MCS-51内部结构框图

3.3.2 8051芯片引脚

8051是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片，引脚图如图3.6所示：

图3.6 8051引脚图
其引脚功能如下：
P0.0～P0.7 P0口8位双向口线（在引脚的39～32号端子）。
P1.0～P1.7 P1口8位双向口线（在引脚的1～8号端子）。
P2.0～P2.7 P2口8位双向口线（在引脚的21～28号端子）。
P3.0～P3.7 P2口8位双向口线（在引脚的10～17号端子）。
P0口有三个功能：
1）外部扩展存储器时，当做数据总线（如图1中的D0～D7为数据总线接口） 2）外部扩展存储器时，当作地址总线（如图1中的A0～A7为地址总线接口）
3）不扩展时，可做一般的I/O使用，但内部无上拉电阻，作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。
P1口只做I/O口使用：其内部有上拉电阻。
P2口有两个功能：①扩展外部存储器时，当作地址总线使用②做一般I/O口使用，其内部有上拉电阻；
1)ALE/PROG 地址锁存控制信号
在系统扩展时，ALE用于控制把P0口的输出低8位地址送锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。8051扩展 EEPROM电路，ALE与74LS373锁存器的G相连接，当CPU对外部进行存取时，用以锁住地址的低位地址，即P0口输出。ALE有可能是高电平也有可能是低电平，当ALE是高电平时，允许地址锁存信号，当访问外部存储器时，ALE信号负跳变（即由正变负）将P0口上低8位地址信号送入锁存器。当ALE是低电平时，P0口上的内容和锁存器输出一致。
在没有访问外部存储器期间，ALE以1/6振荡周期频率输出（即6分频），当访问外部存储器以1/12振荡周期输出（12分频）。从这里可以看到，当系统没有进行扩展时ALE会以1/6振荡周期的固定频率输出，因此可以做为外部时钟，或者外部定时脉冲使用。
2)PORG为编程脉冲的输入端
在单片机的内部结构及其组成中，8051单片机内部有一个4KB或8KB的程序存储器（ROM），ROM的作用就是用来存放用户需要执行的程序的，实际上是通过编程脉冲输入才能写进去的，这个脉冲的输入端口就是PROG。
3)PSEN 外部程序存储器读选通信号
在读外部ROM时PSEN低电平有效，以实现外部ROM单元的读操作。 内部ROM读取时，PSEN不动作； 外部ROM读取时，在每个机器周期会动作两次； 外部RAM读取时，两个PSEN脉冲被跳过不会输出； 外接ROM时，与ROM的OE脚相接。
4)EA/VPP 访问和序存储器控制信号
接高电平时： CPU读取内部程序存储器（ROM） 。扩展外部ROM：当读取内部程序存储器超过0FFFH（8051）1FFFH（8052）时自动读取外部ROM。 接低电平时：CPU读取外部程序存储器（ROM）。8031单片机内部是没有ROM的，那么在应用8031单片机时，这个脚是一直接低电平的。
5)RST 复位信号
当输入的信号连续2个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作，当复位后程序计数器PC=0000H，即复位后将从程序存储器的0000H单元读取第一条指令码。
6)XTAL1和XTAL2
外接晶振引脚。当使用芯片内部时钟时，此二引脚用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。
7)VCC：电源+5V输入
8)VSS：GND接地。

3.3.3 存储器

MCS-51单片机在物理结构上有四个存储空间：①片内程序存储器。②片外程序存储器。③片内数据存储器。④片外数据存储器。但在逻辑上，即从用户的角度上，8051单片机有三个存储空间：①片内外统一编址的64K的程序存储器地址空间(MOVC)。②256B的片内数据存储器的地址空间(MOV)。③以及64K片外数据存储器的地址空间(MOVX)。在访问三个不同的逻辑空间时，应采用不同形式的指令,以产生不同的存储器空间的选通信号。
8051单片机存储器的空间结构图如图3.7所示。

图3.7 8051单片机存储器的空间结构图
①程序存储器
它是用于存放用户程序。数据和表格等信息。对于内部无ROM的8031单片机，它的程序存储器必须外接，空间地址为64kB,此时单片机的端必须接地。强制CPU从外部程序存储器读取程序。对于内部有ROM的8051等单片机，正常运行时，则需接高电平，使CPU先从内部的一个微处理器能够聪明地执行某种任务，除了它们强大的硬件外，还需要它们运行的软件，其实微处理器并不聪明，它们只是完全按照人们预先编写的程序而执行之。那么设计人员编写的程序就存放在微处理器的程序存储器中，俗称只读程序存储器(ROM)。程序相当于给微处理器处理问题的一系列命令。其实程序和数据一样，都是由机器码组成的代码串。只是程序代码则存放于程序存储器中。
MCS-51具有64kB程序存储器寻址空间，程序存储中读取程序，当PC值超过内部ROM的容量时，才会转向外部的程序存储器读取程序。
当=1时，程序从片内ROM开始执行，当PC值超过片内ROM容量时会自动转向外部ROM空间。
当=0时，程序从外部存储器开始执行，例如前面提到的片内无ROM的8031单片机，在实际应用中就要把8031的引脚接为低电平。
②数据存储器
数据存储器也称为随机存取数据存储器。数据存储器分为内部数据存储和外部数据存储。MCS-51内部RAM有128或256个字节的用户数据存储(不同的型号有分别),片外最多可扩展64KB的RAM,构成两个地址空间，访问片内RAM用“MOV”指令，访问片外RAM用“MOVX”指令。它们是用于存放执行的中间结果和过程数据的。MCS-51的数据存储器均可读写，部分单元还可以位寻址。
8051单片机片内RAM共有256个单元(00H-FFH),这256个单元共分为两部分。其一是地址从00H—7FH单元(共128个字节)为用户数据RAM。从80H—FFH地址单元(也是128个字节)为特殊寄存器(SFR)单元。

3.4 复位电路和时钟电路的设计
3.4.1 复位电路设计

MCS-51的复位是由外部的复位电路来实现的。
当MCS-5l系列单片机的复位引脚RST(全称RESET)出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。复位是单片机的初始化操作。单片机启运运行时，都需要先复位，其作用是使CPU和系统中其他部件处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。因而，复位是一个很重要的操作方式。但单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部电路才能实现。
复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种形式。
①上电自动复位
上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。MCS-51单片机的上电自动复位电路如图3.8所示，在时钟电路工作后，在RST端连续给出两个机器周期的高电平就可完成复位操作。图中给出了复位电路参数。

图3.8 MCS-51单片机的上电自动复位电路
②上电加按键手动复位
MCS-51单片机的上电加按键手动复位电路如图3.9所示。当复位按键按下后，复位端通过51的小电阻与+5V电源接通，电容迅速放电，使RST引脚为高电平；当复位按键弹起后，+5V电源通过2k电阻对22F电容重新充电，RST引脚端出现复位正脉冲。其持续时间取决于RC电路的时间常数。

图3.9 MCS-51单片机的上电加按键手动复位
复位时，ALE和成复位状态，即ALE= =1时，片内RAM不受复位影响。复位后，P0～P3口输出高电平且使这些双向口皆处于输入状态，并将07H写入堆栈指针SP，同时将PC和其余特殊功能寄存器清零。此时，单片机从起始地址0000H开始重新执行程序。所以，当单片机运行出错或进入死循环时，可使其复位后重新运行。
在本次设计中使用复位电路上电加按键手动复位电路。

3.4.2 时钟电路选择

MCS-51单片机各功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准，有条不紊的一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性，常用的时钟电路设计有两种方式，一种是内部时钟方式，另外一种为外部时钟方式。
①内部时钟方式
利用芯片内部的振荡器，然后再引脚XTAL1和XTAL2两端跨接晶体振荡器（简称晶振），就构成了稳定的自激振荡器，发出的脉冲直接接送人内部时钟电路，外接晶振时，C1和C2的值通常选择为30pf左右；C1和C2对频率有微调作用，对外接电容的值虽然没有严格要求，但电容的大小会影响振荡器频率的高低，振荡器的稳定性和起振的快速性，晶振的频率越高，单片机的运行速度也越快。晶振或陶瓷谐振器的频率范围可在1.2～12MHZ之间选择。为了减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定、可靠的工作，振荡器和电容应尽可能安装得与单片机引脚XTAL1和XTAL2靠近。单片机内部时钟电路如图3.10所示。

图3.10 单片机内部时钟电路
②外部时钟方式
外部时钟方式是使用外部振荡脉冲信号，常用于多片MCS-51单片机同时工作，以便于多片单片机之间的同步，一般低于12MHz的方波。如图3.