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1、目录第一章 引言311 课题简介312 水位测量现状313 单片机技术的发展及应用现状414 本课题的背景及意义5第二章 MCS-51系列单片机及8051简介621 MCS-51系列单片机简介622 8051单片机简介72. 3 引脚定义和功能92. 4 MCS-8051内部硬件祥述102. 5 AT89S51简介14第三章 系统设计方案2031 电源模块2032 水位测量传感部件的选择203. 3 电流-电压转换2134 单片机模块2235 警戒线设置按钮2336 显示模块233. 7 声光报警电路25第四章 硬件设计2841 电源模块2842 水位传感器接口28421 传感器简介28422
2、 压力传感器简介2843 电流-电压转换3044 A/D 转换模块30441 A/D转换器简介30442 ADC0809简介3145 单片机模块3346 警戒线设置按钮3347 显示模块3448 声光报警电路35第五章 软件设计3651 软件说明3652 程序设计思路3653 程序设计流程图3754 程序说明38541 主程序38542 数码显示模块38543 键盘模块39544 声光报警模块42第六章 系统调试4361 硬件调试4362 软件调试44总结46致谢47参考文献48第一章 引言11 课题简介 矿井主排水系统是煤矿大型设备的一个重要组成部分。在煤矿的开采过程中，会产生大量的水。为了
3、保证煤矿的安全和开采煤矿的正常进行，应将这些水通过一水仓安全排放，因此不仅应控制水仓水位在一定的范围之内，同时要保持一定的上下限，超过了限度则报警，从而给其排水。因此，对水仓的水位进行测量是非常必要的。12 水位测量现状80年代以来，我国又发展了以自记遥测为主的水位测量技术。它主要是建立自记水位计，实现水位自动采集、存储、远传。同期，还发展了无人立尺观测技术，这种技术采用激光测距仪与经纬仪接口配套组成的一套设备，利用激光测距仪无须反射棱镜测定距离（测距精度 ：O5m）的性能，配以经纬仪测角测定目标高程的一种测量方法。随着近代科学技术的发展和新材料新器件的开发，采用传感器研制水位计近年来有较大发
4、展。主要采用的传感器有超声波、光电、压力、接触式、浮于式等几种。超声波式水位计是将换能器向水面发射超声波，测量超声波传播时间，计算出水位。压力式水位计也是不需要水位测并，其基本原理是测量静水压力来实现水深的测量，已采用过波纹管和水银位移式压力传感器等方法。固态压力传感器由于其灵敏度高、体积小、寿命长、且有抗腐蚀性而受到重视，但由于半导体传感器受温度影响大等原因，使其实用受到限制。近年来固态传感器温度自动补偿问题有了进展， 固态压阻式水位计已经得到应用。接触式水位计使用机电的方法用探头跟踪井内水面高低变化测量水位，已在少数领域使用，浮子式水位计，利用水球（或其它浮子） 作敏感器件，避免了温度、湿
5、度等因素的影晌，性能稳定，工作可靠，因而得到长期使用和发展。 我国使用的自记水位计，最常见的为浮子式水位计。近年来，由于土建工程费用不断上涨，无需水位量的压力式水位计随着现代技术的发展和进步也日趋稳定和成熟，致使人们越来越重视使用压力式水位计。13 单片机技术的发展及应用现状 单片微型计算机(简称单片机) 技术自1976 年美国Inter公司的MCS48 单片机芯片问世以来,得到了迅猛的发展。世界上许多公司竞相推出了许多各具特色的单片机芯片,到目前为止世界各大公司已研制出大约50多个系列300 多个品种的单片机芯片产品。近十多年来我国单片机的开发应用一直是以Inter 公司的8 位机MCS48
6、 和MCS 51 以及16 位机MCS 96 为主流系列。进入90 年代以后,世界上单片机技术发展很快,市场竞争激烈,而单片机应用领域更加广泛。随着改革开放政策的深入,世界上许多国家的著名单片机生产公司的优秀单片机系列产品进入我国的单片机市场。如: Motorola 的M68HC05. M68HC11 系列,Zilong 公司的Z8 系列等。 纵观各系列单片机产品的发展状况和特性,可以看出单片机正朝着以下两个方向发展。 1、是性能不断提高,功能越来越强,可以完成各种较为复杂系统的设计和应用。该类产品的典型代表有Inter 公司的MCS 96 系列单片机和Motorola 公司的M68HC11
7、系列单片机。在我国,这类产品主要用于工业自动化控制。 2、 另一方面,在中小型的智能化产品中,尤其是在消费类电子产品的应用中,单片机则朝着超小型、低功耗、低成本、多品种等方向发展。目前已被广泛应用于智能化仪器仪表、家用电器、通讯器材、智能玩具等许多领域之中。在国内有着极为广阔的发展前景。该类产品的典型代表有Zilong 公司的CCP 系列单片机。 单片机制造业如此繁荣，应用就不言而喻了。 单片机可应用于电话机、寻呼机、手机、对讲机等电信设备，电视机、录像机、摄像机、 VCD机、洗衣机等家用电器，电子玩具，计算机外围设备，办公自动化设备，工业控制设备、仪器仪表，军用设备等等。 有人这样说：“凡是
8、能想到的地方，单片机都可以用得上”，这并不夸张。 全世界单片机的年产量数以亿计，应用范围之广，花样之多，一时难以详述。 单片机应用的意义不仅仅限于它的广阔范围以及所带来的经济效益，更重要的还在于从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。 从前，必须由模拟电路或数字电路实现的大部分控制功能，现在已能使用单片机通过软件方法实现了。这种以软件取代硬件并能提高系统性能的控制技术称之为微控制技术。微控制技术标志着一种全新概念，随着单片机应用的推广普及，微控制技术必将不断发展和日趋完善，而单片机的应用则必将更加深入、更加广泛。14 本课题的背景及意义随着单片机的广泛应用，它逐渐被用于对矿井环境参数进
9、行监测,大型设备的监控、故障诊断和保护,传统设备的技术改造,智能仪器仪表研制等等。 单片机用在矿井安全监控系统中,可以连续实时监控和跟踪井上、井下的各种安全参数和设备的工作状态,防止事故的发生,以及发生事故时作出及时处理,避免事故扩大。单片机用于提升机监控系统中,通过对提升机的运行速度、加速度和控制线路中的继电器等元器件进行在线检测,以确保提升系统的安全,还可以根据负荷的变化,自动控制电阻的切除,从而使启动平衡,减少对机械系统的冲击;单片机用于通风机检测系统中可以保证矿井通风安全;用单片机在线检测井下滚筒采煤机负载的变化情况,可以自动调整采煤机的高度,从而延长采煤机的使用寿命;单片机还可广泛应
10、用于矿区变电所的无人(少人) 值守,井下电机车的调度、各种安全设施的研制、检测仪表的开发等许多方面。因此,单片机在煤炭企业具有广阔的应用前景。 本课题主要介绍煤炭开采的主排水系统，如果该系统不能正常运行,会危及整个矿井的安全生产,甚至造成重、特大财产损失事故。为了给煤炭的开采带来安全、方便，本课题的研究迫在眉睫。第二章 MCS-51系列单片机简介21 MCS-51系列单片机简介MCS-51单片机是美国INTE公司于1980年推出的产品，它具有先进的结构和强大的功能更。并增加了一些电路单元和指令,指令数达111条，MCS-51单片机可以算是相当成功的产品，一直到现在，MCS-51系列或其兼容的单
11、片机仍是应用的主流产品。MCS-51具有比较大的寻址空间，地址线宽达16条，即外部数据存储器和程序存储器的寻址范围达216=64kB，这作为单片机控制来说已是比较大的，这同时具备对I/O口的访问能力。此外，MCS-51采用模块化结构，可方便地增删一个模块就可引脚和指令兼容的新产品。从而容易使产品形成系列化。由于MCS-51集成了几乎完善的8位中央处理单元，处理功能强，中央处理单元中集成了方便灵活的专用寄存器，硬件的加、减、乘、除法器和布尔处理机及各种逻辑运算和转移指令，这给应用提供了极大的便利。MCS-51的指令系统近乎完善，指令系统中包含了全面的数据传送指令、完善的算术和逻辑运算指令、方便的
12、逻辑操作和控制指令、对于编程来说，是相当灵活和方便的。MCS-51单片机的工作频率为2-12MHz，当振荡频率为12MHz时，一个机器周期为1us,这个速度应该说是比较快的。MCS-51系列单片机主要包括8031、8051和8751等通用产品，其主要功能如下：8位CPU4kbytes 程序存储器(ROM)128bytes的数据存储器(RAM)32条I/O口线111条指令，大部分为单字节指令21个专用寄存器2个可编程定时/计数器5个中断源，2个优先级一个全双工串行通信口外部数据存储器寻址空间为64kB外部程序存储器寻址空间为64kB逻辑操作位寻址功能双列直插40PinDIP封装单一+5V电源供电
13、 MCS-51以其典型的结构和完善的总线专用寄存器的集中管理，众多的逻辑位操作功能及面向控制的丰富的指令系统，堪称为一代“名机”，为以后的其它单片机的发展奠定了基础。正因为其优越的性能和完善的结构，导致后来的许多厂商多沿用或参考了其体系结构，有许多世界大的电气商丰富和发展了MCS-51单片机，象PHILIPS、Dallas、ATMEL等著名的半导体公司都推出了兼容MCS-51的单片机产品，就连我国的台湾WINBOND公司也发展了兼容C51(人们习惯将MCS-51简称C51,如果没有特别声明，二者同指MCS-51系列单片机)的单片机品种MCS-51把微型计算机的主要部件都集成在一块心片上，使得数
14、据传送距离大大缩短，可靠性更高，运行速度更块。由于属于芯片化的微型计算机，各功能部件在芯片中的布局和结构达最优化，抗干扰能力加强，工作亦相对稳定。因此，在工业测控系统中，使用单片机是最理想的选择。单片机属于典型的嵌入式系统，所以它是低端控制系统最佳器件。MCS-51的开发环境要求较低，软件资源十分丰富，介绍其功能特性书籍和开发软件随处可取，只需配备一台PC（个人电脑对电脑的配置基本上无要求），一台仿真编程器即可实现产品开发，早期的开发软22 8051单片机简介MCS51是指由美国INTEL公司生产的一系列单片机的总称，这一系列单片机包括了好些品种，如8031，8751，8032，8052，87
15、52等，其中8051是最早最典型的产品，该系列其它单片机都是在8051的基础上进行功能的增、减、改变而来的，所以人们习惯于用8051来称呼MCS51系列单片机，而且8051单片机也成为了MCS-51系列的代表。8051是MCS-51系列单片机中的代表产品，它内部集成了功能强大的中央处理器，包含了硬件乘除法器、21个专用控制寄存器、4kB的程序存储器、128字节的数据存储器、4组8位的并行口、两个16位的可编程定时/计数器、一个全双工的串行口以及布尔处理器8051其内部RAM大小为128B，两个16位的计数器，5各中断源。而且8051单片机采用了HMOS工艺：具有高速度、高密度等特点。8051中集成了完善的各种中断源，用户可十分方便地控制和使用其功能，使得它的应用范围加大，可以说它可以满足绝大部分的应用场合。图1 8051的引脚图2. 3 引脚定义和功能 8051单
