單片機鍋爐液位控制系統

徐偉

摘 要：本文的研究目的是掌握單片機在工業控制中的應用，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。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在鍋爐液位控制中的應用與研究。雖然系統比較小，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。按產品開發設計步驟，我們把設計分為4個部分：（1）總體介紹；（2）硬件系統的設計；（3）軟件系統的設計；（4）軟硬件結合性能測試分析。

1.1 總體介紹

系統控制圖如圖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，Flash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，指令系統完全相同，開發與設計均與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（FFH），此時可以對其進行編程，存儲器陣列一次編程一個字節，若編程任何非空字節時，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。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，數據輸入鎖存器中。/OE為輸出允許端：當/OE為“0”時，三態門打開；當/OE為“1”時三態門關閉，輸出呈高阻狀態。在MCS-51單片機系統中，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，也做三態數據緩沖器。

1.1.5 液晶數碼管

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

1.1.6 LED顯示器的顯示方式

在單片機應用系統中可利用LED顯示塊靈活地構成所要求位數的顯示器。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靜態顯示方式。LED工作在靜態顯示方式下，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。故在位數較多時往往采用動態顯示方式。

（2）LED動態顯示方式。LED動態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，模擬轉發器，平滑濾波器，差分功放等高品質語音錄放系統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：數字電路電源正極；③VCCA：模擬電路電源正極 ；④VSSD ： 數字電路電源負極，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：邊緣觸發放音端；PLAYL：電平觸發放音端；REC：錄音觸發端；RECLED：發光二極管接口端；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：循環重放信息；（d）A4：連續尋址；（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。它可以開發會說話的電子秤，語音數字萬用表，會說話的電壓表和電流表，多路語音報警系統等新穎的電子電器來。

1.2 硬件系統的設計

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。基本的通信方法有并行通信和串行通信兩種。一個信息的各位數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。其通信速度快，但傳輸線根數多，只適用于近距離（相距數米）的通信。一個信息的各位數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。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

本系統中，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（發光二極管）和LED數碼管，前者多用于信號指示，后者可用于數字輸出，它們有足夠的亮度，耗電與發熱都很少，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。

本系統采用共陰極數碼管動態掃描顯示，兩個74ls245與4個LED數碼管相連接，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上出現正脈沖使單片機實現了上電復位。按鈕按下時，RST上同樣出現高電平，實現了按鈕復位。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個數碼管上顯示液位數值，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 軟件系統的設計

1.3.1系統軟件流程圖

根據此次單片機應用系統設計要求，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，FIND_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，FIND_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，FIND_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，對已編好的系統程序分塊進行反復調試，發現錯誤及時更正，直到完全無誤為止。

1.4 軟硬件結合性能測試介紹

單片機應用系統的程序存儲器必須寫有調試好的應用程序，系統才能運行。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，必須用到開發工具。

從用戶源程序的編寫到單片機應用系統正常工作前的全過程，統稱為單片機應用系統的開發，而用已實現這一開發的工具便稱為開發裝置或開發系統。

開發系統本身也是一個計算機系統，在完成上述開發任務時，可進行仿真：把應用系統自身的單片機拔掉，將開發系統的仿真插頭插入以取代原單片機，從而實現對用戶樣機軟、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，作為系統總體方案設計的依據.合理選擇機型和系統構成方案。合理劃分軟硬件的功能，以有利兼顧系統價格比和縮短研制周期。

（2）機型選擇。系統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功能要求，并留有適當余地，以便調試時修改和二次開發。

（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.