基于MCS-51单片机的洗衣机控制系统设计.doc

XX大学毕业设计（论文）

大学毕业设计论文

基于MCS-51单片机的洗衣机控制系统设计
摘 要
随着数字技术的快速发展，数字技术被广泛应用于智能控制的领域中。单片机以体积小、功能全、价格低廉、开发方便的优势得到了许多电子系统设计者的青睐。它适合于实时控制，可构成工业控制器、智能仪表、智能接口、智能武器装置以及通用测控单元等。
本文以AT89S51单片机为核心设计了全自动洗衣机控制系统。本系统实现了对洗衣机整个洗衣过程的控制包括用户参数输入、洗衣、脱水和结束演奏四个阶段。控制系统主要由电源电路、数字控制电路和机械控制电路三大模块构成。电源电路为数字控制电路提供稳定的5V直流电压为电动机提供220V市电；数字控制电路负责控制洗衣机的工作过程主要由AT89S51单片机、两位共阴数码管、按键、蜂鸣器、LED指示灯组成；机械控制电路实现水位检测、电机驱动、进水、排水等功能主要由水位检测器、电动机、进水排水电磁阀组成。
本系统的电路并不复杂给AT89S51单片机载入软件程序后能够实现全自动洗衣机的基本功能。虽然不能与电器市场上的洗衣机控制系统媲美但也具有一定的实用性。
关键词：单片机；全自动洗衣机；实时控制；控制系统

Design of Washing Machine Control System Based On 51 Single-Chip
Abstract
With its rapid development,digital technology is widely used in the field of control system. Single chip microcontroller is favored by many electronic system designers for its smallness, full function, low price and easy application. It’s pretty fit for real-time control as a core in industrial controller, intelligent apparatus, intelligent interface, intelligent weapon device, universal measure control unit, etc.
This article designs a full-automatic washing machine control system with AT89S51 as core. This system realizes whole working course of full-automatic washing machine, including four parts: user parameter input, wash, dehydrate and ending music play. Hardware system is made up of three modules: power supply circuit, digital control circuit and machine control circuit. Power supply circuit provides steady DC 5V voltage for digital control circuit and AC 220V for motor. Digital control circuit takes charge of controlling the working course. it consists of AT89S51, double-figured common-cathoded numeral display, buttons, buzzer, LEDs. Machine control circuit realizes the functions of water level detect, motor driven, water import and export, it consists of water level detector, motor, transmission system components and penstocks.
After downloading the program to AT89S51, this circuit can realize basic functions of full-automatic washing machine. It seems hard for this control system to compare with perfect ones in the electrical appliance market, but it has certain practicability.
Keywords: SCM; Full-automatic washing machine; Realtime control; Control system

目 录
引 言 - 1 -
第1章 绪论 - 2 -
1.1 本课题的研究目的和意义 - 2 -
1.2 洗衣机的发展和分类 - 2 -
1.3 洗衣机的基本工作原理 - 3 -
第2章 设计方案 - 5 -
2.1 控制系统的功能 - 5 -
2.2 系统的设计方案 - 5 -
第3章 硬件设计 - 8 -
3.1洗衣机的整体电路模块 - 8 -
3.2 电源电路 - 8 -
3.3 数字控制电路 - 9 -
3.3.1 AT89S51单片机主控模块 - 9 -
3.3.2单片机的时钟电路 - 12 -
3.3.3 单片机的复位电路 - 13 -
3.3.4指示灯显示模块 - 14 -
3.3.5 按键输入模块 - 15 -
3.3.6 蜂鸣器报警模块 - 15 -
3.4 机械控制电路 - 15 -
3.4.1电动机的控制电路 - 15 -
3.4.2 水位控制电路 - 16 -
3.4.3进水/排水电磁阀 - 16 -
第4章 软件设计 - 17 -
4.1 主程序设计 - 17 -
4.1.1 进水程序设计 - 18 -
4.1.2 洗涤过程程序设计 - 18 -
4.1.3 脱水、漂洗过程程序设计 - 19 -
4.2 内部定时中断设计 - 20 -
4.3 外部中断设计 - 20 -
第5章 调试 - 22 -
5.1 硬件调试 - 22 -
5.2 软件调试 - 22 -
结论与展望 - 23 -
致 谢 - 25 -
参考文献 - 26 -
附 录A：系统总图 - 27 -
附 录B：外文文献及译文 - 28 -
附 录C：主要参考文献及摘要 - 33 -
附 录D：源程序 - 35 -

插图清单
图2-1 洗衣机整体设计框图................................................................6
图3-1 电源部分电气原理图…………….........………………...…………….8
图3-2 内部数据存储器 …………………………………………….....…….....…………11
图3-3 时钟电路…………………………………………………….....….....…....……….12
图 3-4 手动复位电路............................................................................................................13
图 3-5 LED显示器管脚图……………………………………….....………….....………14
图4-1 主程序流程图…………………………………………….....….....………………18
图4-2 洗涤过程程序流程图……………………………….....…….....…………………..19
图4-3 脱水、漂洗程序流程图………………………….....……….....…………………..20
图4-4 内部中断程序流程图……………………………….....………………….....……..21
图4-5 外部中断0程序流程图……………………………………….....….....…………..22
图4-6 外部中断1程序流程图………………………….....……….....…………………..22

表格清单
表3-1 P3口的第二功能表…………………………………………………………………11
表3-2 复位后寄存器状态…………………………………………………………………13

V
XX大学毕业论文
引 言

目前中国洗衣机市场正进入更新换代时期，市场潜力巨大，人们对于洗衣机的要求也越来越高。目前的洗衣机主要有强弱洗涤功能、进排水系统故障自动诊断功能、暂停等七大功能在许多方面还不能达到人们的需求。这就要求设计者们有更高的专业和技术水平能够提出更多好的建议和新的课题将人们的需要变成现实，设计出更节能、功能更全面、更人性化的洗衣机。目前的洗衣机都没有实现全方面的兼容大多洗衣机的厂家都注重各自品牌的洗衣机的特长，突出一两个与别的洗衣机不同的个性化的功能，洗衣机的各项功能是由单片机控制实现的，单片机的体积小控制功能灵活，因此设计出基于单片机的洗衣机控制电路系统具有很强的实用性。
预计2009年洗衣机生产量将达1800万台左右，增长率在5％－6％之间国内销量为1500万台左右，增长率在3％－4％之间。“更节水更洗净”将成为今年中高档洗衣机最大的亮点和卖点。随着更多国内外强势品牌加入，研究新的技术开发新的产品，洗衣机行业将爆发新一轮以“绿色环保”、“节水节能”为主题的大战。而技术制高点则是未来的竞争焦点。消费者选择自动选择进水量和洗衣程序进一步实现省水、省电。在国内从洗衣机市场得到的商情显示由于受水资源不断减少自来水费有所提高等因素的影响市场上那些用水量较大的洗衣机销售受阻而具有节水功能的洗衣机销路不断看好。针对市场需求的变化一些生产厂家如小天鹅、小鸭、海尔等先后向市场推出了一批节水型全自动洗衣机受到消费者的青睐成为洗衣机中的购买热点。节水型全自动洗衣机的主要特点是可供用水水位在选择上有6种、8种、10种等多种。有的节水型全自动洗衣机最低水位在12升至20升之间用水量大大减少。除此之外由于传统双缸洗衣机用水量可以随意选择因此又重新被消费者认可。
本设计采用物美价廉的ATMTEI单片机AT89S51为控制核心，为保证洗衣机及人身安全设计了蜂鸣报警电路。因本设计输入按键较少所以采用直接输入方式使电路简单化。电源采用三端集成固定稳压器7805提供+5V电源。功率驱动电路由可控硅实施对电动机进水阀排水阀的控制。为方便读者更快地了解熟悉本设计作为基础知识还介绍了与洗衣机有关的一些常见的电子元器件的基本功能。
本设计只设计了洗衣机的基本功能其他的一些功能可在原有的基础上扩展升级使洗衣机能更加智能化更加完善。

第1章 绪论
1.1 本课题的研究目的和意义
在数字技术风行的今天大多数的家用电器实现了数字化控制。作为一个价廉物美的微处理器单片机被广泛应用在各种数字系统中。基于单片机的洗衣机控制系统是单片机应用的一个典型例子。
洗衣机是现代人必备的日常生活家电。它的发明和应用使人们的洗衣工作变得省时又省力，很好地缓解了人们在家务劳动方面的压力。而在家电市场竞争日益激烈和利润下降的今天各大家电生产厂商均致力于开发出能满足用户各种要求的家电产品并努力降低生产成本以增强竞争力。作为家电市场中的重要成员洗衣机的市场竞争更是趋于白炽化。
对基于单片机的洗衣机控制系统设计进行深入研究可使我们掌握洗衣机这种重要家电的工作原理和控制系统，进一步了解单片机在不同领域的应用方法学会维修洗衣机的基本技术同时也为将来从事电子信息行业打下一定基础，所以本题课具有重大的意义。
1.2 洗衣机的发展和分类
自19世纪中叶美国人史密斯研制出世界上首台洗衣机至今洗衣机的发展已经历了一个多世纪。1910年世界上第一台电动洗衣机问世标志着揉家务劳动自动化的开始。1922年世界上第一台搅拌式洗衣机在美国诞生。1937年世界上第一台全自动滚筒式洗衣机投放市场。1957年三洋公司推出世界上第一台涡流式波轮洗衣机。从此确立了搅拌式、滚筒式和波轮式三种工作方式洗衣机三足鼎立天下的局面。
20世纪60年代以后洗衣机在一些发达国家的普及率迅速上升。70年代末生产出波轮式套桶全自动洗衣机。70年代后期又生产出微电脑控制型波轮式套桶全自动洗衣机。80年代后“模糊控制”开始应用于洗衣机生产出智能型模糊控制洗衣机使洗衣机的功能更加完善，其洗衣程序更随人意，其使用操作更简单化。进入90年代由于电机调速技术的提高实现了洗衣机宽范围大调速比的转速变换与调节诞生了各种新水流洗衣机。20世纪末到21世纪初变频洗衣机问世使洗衣机的功能更具人性化，实现了真正意义上的智能化控制。
在中国洗衣机工业起步于20世纪70年代后期当时洗衣机工业发展缓慢。进入全面改革开放的80年代经济的发展人民生活水平的提高使洗衣机进入家庭的速度加快。1981年以前国产洗衣机以波轮单桶洗衣机为主。1982年以后才先后生产出波轮式双桶洗衣机、滚筒洗衣机、波轮式全自动洗衣机、超薄型滚筒洗衣机、变频洗衣机和搅拌式洗衣机形成了较为完善的洗衣机开发生产体系。
从20世纪90年代末期我国的洗衣机的总质量水平呈下降趋势，1997年、1998年、1999年的国家质量抽查的合格率均为96%以上，2002年、2003年的合格率分别为82%、81%，而不合格项目占80%以上，为产品性能不合格，所以说目前我国家用电动洗衣机产品的整体质量只相当于国外20世纪90年代的水平，本来与外国先进水平缩小的差距又拉大了。
洗衣机的种类可以按自动化程度、洗涤方式和结构形式三方面来划分，下面介绍按自动化程度和结构形式划分的情况。
（1）按自动化程度划分
普通型洗衣机：指洗涤、漂洗和脱水三个功能都需要人工进行转换才能完成的机型。
半自动型洗衣机：指洗涤、漂洗和脱水三个功能中的任意两个功能之间的转换不需要人工协助就能自动完成的机型。
全自动型洗衣机：指洗涤、漂洗和脱水三个功能之间的转换均不需要人工协助就能自动完成的机型。
（2）按结构形式划分
①波轮式洗衣机
普通水流波轮式洗衣机的特点：波轮式洗衣机设有一个立式洗涤桶在洗涤桶的底部装有波轮。在电动机的驱动下波轮作间歇性正、反向运转使桶内洗涤液形成涡流故又名涡流式洗衣机。这种洗衣机具有结构简单、洗涤时间短、洗净率高以及重量轻等优点在亚洲等发展中国家普及率较高。
普通水流波轮式洗衣机的最大特点和最大缺点都是涡卷水流这种水流容易造成衣物缠绕在一起影响洗涤的均匀性磨损率也较高。
②滚筒式洗衣机
滚筒式洗衣机为套桶结构，内桶是圆柱形卧置的滚筒筒壁，设有3～4条凸棱筒壁开有许多小孔滚筒，一般是由不锈钢材料制成，筒上设有一可开启的弧形盖洗涤物，由此放入洗涤筒。
在洗涤过程中电动机带动转筒以50～60r/min的低速运转由凸棱不断将浸沉在洗涤液中的衣物捞起，当滚筒运转带动衣物达到一定高度时衣物在自身重力的作用下摔落回洗涤液中。如此循环其洗涤动作与原理同人工洗涤衣物相似。
滚筒洗衣机的洗涤容量大洗涤动作比较柔和对衣物的磨损和缠绕小。但洗涤时间长洗净率低耗电量大结构复杂售价高因此它在欧洲国家的应用较为普遍。
③搅拌式洗衣机
搅拌式洗衣机是在立式洗涤桶的正中央设置一根垂直立轴在轴上有搅拌翼（摆动叶）。电机通过传动装置带动搅拌翼作180°的正反摆动约每分钟摆动40～50次。衣物在洗涤液中不断被搅动从而达到洗涤目的。
搅拌式洗衣机的洗涤容量大洗涤均匀性好衣物磨搞和缠绕低；但洗涤时间长结构复杂售价高。搅拌式洗衣机以美国为主要生产使用国家所以被称为美国式洗衣机。
1.3 洗衣机的基本工作原理
洗衣机的洗涤原理是由模拟人工洗涤衣物发展而来的即通过翻滚、摩擦、水的冲刷等机械作用以及洗涤剂的表面活化作用将附着在衣物上的污垢除掉以达到洗净衣物的目的。
现今大多数的洗衣机都使用以单片机为核心的控制电路来控制电动机、数码显示管、进水阀、排水阀及蜂鸣器的电压输出使洗衣机根据程序运转。 而在设计洗衣机的控制系统时要把握好洗涤、漂洗和脱水的时间：
（1）洗涤时间
有人认为洗涤时间越长衣物就洗得越干净。其实不然如果洗涤时间超过一定的限度衣物不但不会随洗涤时间的延长而提高洗净度反而会加速衣物的磨损还会造成能源的浪费。实验证明洗衣机（波轮式洗衣机）的最佳洗涤时间为5～10分钟最长也不应超过15分钟。
（2）漂洗时间
在漂洗刚开始的3分钟时间内残留在衣物上的表面活性剂脱落最快。此后活性剂脱落趋缓漂洗10分钟后活性剂几乎不再脱落。一般采用贮水方式漂洗每次3分钟漂洗2～3次就可以了。
（3）脱水时间
电动机高速地转动洗涤桶水份就会由于离心力而脱离衣物被甩出。脱水时间一般为2～3分钟时间太短会造成脱水不够彻底太长又可能会损坏衣物。
上述的工作原理是进行波轮式洗衣机控制系统设计的重要指标，也是本论文的设计依据

第2章 设计方案

在家电全面普及应用的今天洗衣机的控制系统应该具有操作简单、功能完善的特点。作为一款功能完善的洗衣机除了要具有洗净率高、衣物磨损率低的特点外用户还可以根据实际情况设置洗涤时间、漂洗次数、脱水时间这些参数。
2.1 控制系统的功能
基于单片机洗衣机通过控制系统设定洗衣程序在内桶（洗涤脱水桶）自动完成注水、洗涤、漂洗、浸泡、排水和脱水全过程。洗衣时控制系统打开进水电磁阀开始注水；当洗涤脱水桶内的水位达到系统设定值时水位检测器向单片机发送一个低电平通知控制系统关闭进水电磁阀同时启动电机洗衣。电机在系统的控制下进行正转、停、反转通过传动机构带动波轮执行洗涤程序；当洗涤时间终了控制系统切断电机电路打开排水电磁阀开始排水；然后再次注水，洗衣机进入漂洗状态完成漂洗程序（通常为2次漂洗）再注水进行浸泡；浸泡完开始排水同时排水电磁铁的动作带动减速离合器制动臂使离合器棘轮与棘爪分离制动带松开为脱水程序作好准备；排水结束后系统控制电机单方向高速运转完成脱水程序；当脱水程序终了系统控制排水电磁铁和电机断电，排水阀和减速离合器的制动臂复位同时蜂鸣器奏响音乐通知用户整个洗衣程序结束。
本设计要实现的功能有：
（1）用户参数的输入：用户根据衣物的数量和质地确定洗涤时间、漂洗次数、脱水时间然后通过按键输入具体的参数。
（2）参数和时间的显示：灵活地运用数码显示管会带来许多方便它可以用来显示欢迎界面、用户参数和剩余洗衣时间。
（3）实时控制的实现：单片机在获取了用户输入的参数后对其进行分析处理然后按照计算结果对洗衣过程进行实时控制。
（4）水位检测的实现：水位的高低影响着整个洗衣过程的进行因此需要水位检测器将水位的变化发送给单片机单片机根据水位的情况确定下一步应该做什么。
（5）洗衣过程的实现：一般的洗衣过程包括注水、洗涤、漂洗、浸泡、排水和脱水这些步骤。在洗衣过程中系统主要控制进水电磁阀、排水电磁阀的打开和关闭电机的正转、反转和停止。
（6）洗衣完毕的通知：当洗衣过程结束后蜂鸣器就奏出一段音乐通知用户洗衣完毕。
2.2 系统的设计方案
本文以AT89S51单片机为核心设计了洗衣机控制系统。系统的整体框图如图2-1所示本系统实现了对洗衣机整个洗衣过程的控制包括用户参数输入、洗衣、脱水和结束演奏四个阶段。控制系统主要由电源电路、数字控制电路和机械控制电路三大模块构成。电源电路为数字控制电路提供稳定的5V直流电压为电动机提供220V市电；数字控制电路负责控制洗衣机的工作过程主要由AT89S51单片机、74LS138译码器、与门、两位共阴数码管、按键、蜂鸣器、LED指示灯组成；机械控制电路实现水位检测、电机驱动、进水、排水等功能主要有水位检测器、电动机、进水排水电磁阀组成。
本系统的电路并不复杂给AT89S51单片机载入软件程序后能够实现洗衣机的基本功能。虽然不能与电器市场上的洗衣机控制系统媲美但也具有一定的实用性。

显示灯
单
片
机
主
控
系
统
键盘
LED显示
电 源
电 机
蜂鸣器
水位检测机构

　　　　图2-1洗衣机整体设计框图

（1）系统总体设计
在进行功能和技术指标对应用系统的可靠性、通用系统设计之前首先应根据对系统功能要求及其应用环境等确定其合理性、具体性、先进性、可维护性、以及成本等进行综合考虑以尽量满足并符合相应的标准。然后根据市场上各种单片机的货源情况和单片机的性能及开发工具等因素选择合适的机型。接下来要根据系统中可能遇到的传感器、模拟电路、I/O接口、存储器和显示器等器件和设备进行器件选择使之符合系统在精度、速度和可靠性等方面的要求。最后确定硬件和软件的功能划分。由于在系统设计中某功能用硬件和软件都能实现，在设计中应综合考虑研制周期和成本等因素，具有划分软硬件功能。
（2）系统硬件设计
硬件设计的任务是根据总体要求在所选的MCU和各个元器件型号的基础上设计出系统的电路原理图，做一些必要的以及工艺结构的设计加工印刷电路板的设计制作和样机的组装等。在硬件设计中需要考虑系统总线的负载能力、系统扩展时的片选方式、模拟电路的速度和精度等如需扩展存储器则尽量用一片完成这样既降低了成本又减小了线路板的面积同时提高了系统的可靠性。
（3）系统软件设计
单片机应用系统的软件设计是系统设计中最基本而且工作量较大的任务。与系统机上操作系统支持下的纯软件不同，单片机的软件设计是在裸机的条件下进行的而且随应用系统的不同而不同。在软件中一般需考虑以下几个方面：
1） 根据要求确定软件的具体任务细节然后确定合理的软件结构。一般系统软件的主程序和若干个子程序及中断服务程序组成详细划分主程序、子程序和中断服务程序的具体任务确定各个中断的优先级。主程序是一个顺序执行的无限循环的程序不停地顺序查询各种软件标志以完成对事务的处理。在子程序和中断服务程序中要考虑现场的保护和恢复以及它们和主程序之间的信息交换方法。
2） 程序的结构用模块化结构即把监控程序分解为若干个功能相对独立的较小的程序模块分别设计以便于调试。具体设计时可采用自底向上或自顶向下的方法。
3） 在进行程序设计时，先根据问题的定义描述出各个输入变量和输出变量之间的数学关系即建立数学模型，然后绘制流程图再根据流程图，用汇编语言进行具体程序的编写。
4） 在程序设计完成后利用相应的开发工具和软件进行程序的汇编生成程序的机器码。

第3章 硬件设计
3.1洗衣机的整体电路模块
该电路的主要组成部件由AT89S51单片机、74LS138译码器、与门、指示灯、水位检测机构、电动机、蜂鸣器、电控水龙头、LED显示器、以及4只按键组成。水位检测机构由玻璃管、浮子、金属滑杆等组成。玻璃管与洗衣机相连，玻璃管中的水位就是洗衣桶内的水位，在放水或进水的过程中浮子带动金属管上下移动，当水位处于最高点或最低点时金属滑杆都与金属地相连致使引脚INT1处于低电平向CPU申请中断否则INT1被上拉电阻上拉为高电平。74LS138的输入端分别接AT89S51单片机的P1.2、P1.3、P1.4，输出端Y0控制“洗衣剩余时间”指示灯，Y1控制“脱水剩余时间”指示灯，Y2控制“强洗”指示灯，Y3控制“弱洗”指示灯，Y4控制“洗涤次数”指示灯，Y5控制“洗衣定时”指示灯，Y6控制“脱水定时”指示灯。电动机有两个控制端一段控制电机正向运转该端与P1.0相连，另一端控制电机反向运转该端与P1.1相连。电控水龙头共两只一只为进水龙头受P3.0控制，另一只为出水龙头受P3.1控制，当电控水龙头的控制端为“1”时水龙头打开，当电控水龙头的控制端为“0”时水龙头关闭。显示器共有两只P0控制高位显示器，P2控制低位显示器。按键四只分别为“编程选择”、“增”、“减”和“启动键”这四只键组成的2*2键的矩阵式键盘，该键盘使用引脚INT0向CPU申请中断，P3.5和P3.4为该键盘的行输出，P3.6和P3.7为该键盘的列输入。蜂鸣器由P1.7控制,当P1.7输出为“1”时蜂鸣器发声。本系统采用12M的晶体振荡器定时器0和定时器1的初始值设置为每隔100us产生一次中断。
3.2 电源电路
系统电源部分电气原理图如图3-1[2]所示。市电220V 经过变压器T 变压为12V 交流电压 通过4只二极管1N4004 全桥整流 再经过电容C 滤波后得到光滑的直流电压 经过三端稳压7805 稳压后得到稳定的+5V 电压给各器件供电。

图3-1 电源部分电气原理图

3.3 数字控制电路
3.3.1 AT89S51单片机主控模块
（1）单片机概述
单片机又称微控制器或称嵌入式控制器。而现在的智能家电无一例外是采用微控制器来实现的所以家用电器是单片机应用最多的领域之一。它是家用电器实现智能化的心脏和大脑。
由于家用电器体积小故要求其控制器体积更小以便能嵌入其结构之中。而家用电器品种多功能差异也大所以又要求其控制器有灵活的控制功能。单片机以微小的体积和编程的灵活性而产生多种控制功能完全可以满足家用电器的需求。
单片机主要用于计算机外设、实时控制、仪器仪表、通信和家用电器等各个领域是计算机技术和电子技术的综合性应用在不同应用场合其技术要求各不相同，因此设计方法和研制的步骤不完全一样。
单片机应用系统由硬件和软件组成。硬件是指MCU、存储器、I/O接口和外设等物理器件的有机组合。软件是指系统监控程序的总称。在开发的过程中它们的设计不能完全分开二者需要互相配合、不断调整才能组成高性能的应用系统。单片机应用系统的开发包括系统总体设计、硬件设计、软件设计、系统调试等几个阶段它们有时交叉进行。
单片机是现代电子设计中使用最广泛的电子元件。它的价格低廉功能强大体积小性能稳定。目前在各类产品中都能看到单片机的身影如门铃、报警器、玩具以及各类数据采集系统等。
（2）单片机的应用
1）在智能仪表中的应用
这是单片机应用最多、最活跃的领域之一。在各类仪器仪表中引入单片机使仪器仪表智能化提高，测试的自动化程度和精度，简化仪器仪表的硬件结构提高其性能价格比。
2）在机电一体化中的应用
机电一体化产品是指集机械技术、微电子技术、计算机技术于一体，使其产品具有智能化特征的电子产品它是机械工业发展的方向。
3）在实时控制系统中的应用
单片机广泛用于各种实时过程控制系统中，例如工业过程控制、过程监测、航空航天、机器人系统等各种实时控制系统。用单片机进行实时系统数据处理和控制保证系统工作在最佳状态，有利于提高系统的工作效率和产品的质量。
4）在人们生活中的应用
目前国内外各种家具已经普遍用单片机代替传统的控制电路，例如洗衣机、电冰箱、空调机、微波炉、电饭煲、收音机、电风扇及许多高级电子玩具都配上了单片机。
5）在其他方面的应用
单片机还广泛应用于办公自动化、商业营销、安全防卫、汽车及通信系统、计算机外部设备、模糊控制等领域。
基于单片机在各行各业中的广泛应用，社会对单片机越来越重视高校也纷纷开设单片机课程。学好单片机可以增加对电子产品的了解，扩展产品开发的思路提高社会竞争力。但学习单片机有一定的挑战性因为要学好单片机必须掌握单片机的软硬件。
（3）AT89S51芯片的特点
AT89S51[3]是美国ATMEL公司生产的底功耗高性能CMOS8位单片机片内含4k bytes的可系统编程的Flash，只读程序存储器器件采用ATMEL公司的高密度`非易失性存储技术产生兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于芯片中，ATMEL公司的功能强大底价位AT89S51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域
主要性能参数：
与MCS-51产品指令系统完全兼容
4K字节在系统编程（ISP）Flash闪速存储器
1000次檫写周期
全静态工作模式：0Hz-33M Hz
三级程序加密锁
128*8字节内部RAM
32个可编程I/O线
2个16位定时/计数器
6个中断源
全双工串行UART通道
低功耗空闲和掉电模式
中断可从空闲模唤醒系统
看门狗（WDT）及双数据指针
掉电标识和快速编程特性
灵活的在线系统编程（ISP字节或页写模式），此外AT89S51设计和配置了振荡频率可为11.0592MHz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下CPU暂停工作而RAM定时计数器、串行口、外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC三种封装形式以适应不同产品的需要[4]。看门狗（WDT）电路主要是实现复位功能.当单片机运行出现死循环时看门狗（WDT）电路可以起保护功能实现复位作用。
AT89S51单片机作为控制部件. 该型号单片机一共有40个引脚有双脚直插式和方形封装方式可用于不同的场合。本次采用的是双列直插式，下面对这些引脚的功能加以说明。
1）I/O口线
P0口——8位、漏极开路的双向I/O口。
P1口——8位、准双向I/O口具有内部上拉电阻。
P2口——8位、准双向I/O口具有内部上拉电阻。
P3口——8位、准双向I/O口具有内部上拉电阻。P3口还具有第二功能第二功能见表3-1。
2）控制信号线
RST——复位输入信号高电平有效。
EA/Vpp——外部程序存储器访问允许信号/编程电压输入端。
PSEN——片外程序存储器读选通信号低电平有效。
ALE/PROG——低字节地址锁存信号/编程脉冲输入端。
3）电源和外部晶振引脚
Vcc——电源电压输入引脚。
GND——电源地。
XTAL1、XTAL2——外部晶振引脚。
以上就是关于本设计中用的单片机AT89S51的特性、引脚功能的简单介绍。
表3-1 P3口的第二功能表[4]
引脚
替代功能
说明
P3.0
RXD
串行数据接受
P3.1
TXD
串行数据发送
P3.2

外部中断0申请
P3.3

外部中断1申请
P3.4
T0
定时器0外部事件计数输入
P3.5
T1
定时器1外部事件计数输入
P3.6
WR
外部RAM写选通
P3.7
RD
外部RAM读选通

4）存储器的分配
AT89S51的内部共有256[5]个数据存储器单元，通常把这256个单元按其功能划分为两部分：低128单元和高128单元。

其中内部数据存储器的分配情况如图3-2

FFH
特殊功能
寄存器

80H

7FH

数据
缓冲区

位寻址区
128位

工作寄存器区
4组R0-R7

30H

2FH

20H

1FH

10H

图3-2 内部数据存储器

3.3.2单片机的时钟电路
时钟电路[6]用于产生单片机工作所需的时钟信号，单片机本身就如同一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作电路应在唯一的时钟信号控制下严格的按规定时序工作。
单片机内含振荡器电路但晶体振荡器和电容在片外由引脚XTAL1和XTAL2接入片内。XTAL1为振荡器反相放大器和时钟发生电路的输入，XTAL2为反相放大器的输出。
时钟电路的接法有二种：
当使用片内振荡器时片外振荡源和电容与XTAL1和XTAL2的接法如图3-3的a）所示。当使用晶体谐振器时C1、C2=（3010）pF，当使用陶瓷谐振器时C1、C2=（4010）pF。C1和C2虽然没有严格的要求但电容的大小影响振荡器电路的稳定性和快速性通常选在20pF到30pF。在设计电路板时晶振和电容等应尽可能的靠近芯片以减小分布电容，保证振荡器振荡的稳定性。
当使用外部振荡器信号时外部始终信号接入XTAL1引脚XTAL2引脚悬空如图3-3的b）所示。对外部时钟信号的占空比没有要求但高低电平持续时间应不短于20ms。
本次设计采用图3-3的a）中的时钟电路的接法晶振取11.0592MHz。

NC
外部震荡信号
XTAL2

XTAL1
GND

XTAL2

XTAL1
GND

a) b）

图3-3 时钟电路
3.3.3 单片机的复位电路
复位是单片机的初始化操作，其主要功能是把PC初始化为0000H使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱困境也需要按复位键以重新启动。
在振荡器工作时将RST脚保持至少两个机器周期高电平，12时钟模式为24个振荡器周期，6时钟模式为12振荡器周期可实现复位，为了保证上电复位的可靠RST保持高电平的时间至少为振荡器启动时间，通常为几个毫秒再加上两个机器周期，复位后振荡器以12时钟模式运行，当已通过并行编程器设置为6时钟模式时除外。
单片机在RESET为高电平控制下程序计数器（PC）和特殊功能寄存器的复位如表3－2所示。单片机的复位并不影响芯片内部RAM状态只要RESET引脚保持高电平单片机将循环复位。在复位有效期间内ALE﹑PSEN将输出高电平。
表3-2 复位后寄存器状态[7]
寄存器
复位状态
寄存器
复位状态
PC
0000H
TMOD
00H
ACC
00H
TCON
00H
B
00H
TL0
00H
PSW
00H
TH0
00H
SP
07H
TL1
00H
DPTR
0000H
TH1
00H
P0—P3
0FFH
SCON
00H
IP
××000000B
S