基于51单片机的水箱冲水装置的设计.docx
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基于51单片机的水箱冲水装置的设计
目录
引言2
1概况和现状的分析2
1.1概况2
1.2现状的分析2
2总体设计3
2.1总体设计的要求3
2.2总体设计框架4
3硬件介绍4
3.1单片机4
3.1.1单片机概述与基础4
3.1.2单片机与单片机系统5
3.1.3单片机应用领域5
3.1.4主控芯片单片机的选择6
3.1.5AT89S52的主要性能7
3.1.6单片机管脚说明7
3.1.7单片机的电源电路和备用电路9
3.1.8AT89S51时钟电路10
3.1.9复位电路11
3.2DS1288711
3.2.1DS12887引脚结构11
3.2．2DS12887主要功能介绍12
3.3.3DS12887内部功能12
3.4MAX721914
3.4.1MAX7219引脚结构14
3.4.2MAX7219主要功能介绍15
3.4.3分类信息15
3.4.4规格：
15
3.4.5应用MAX7219芯片注意问题16
4硬件电路图的设计16
4.1硬件电路图的连接16
4.2硬件电路设计优点17
5系统的程序设计17
5.1主程序的设计18
5.2 系统测试子程序20
5.3 读取时钟数据子程序21
5.4 数据处理子程序22
5.5.数据显示子程序22
6结束语23
致谢23
参考文献24
智能水箱冲水装置的设计
摘要:
智能有效的节水系统研制对于我们倡导的可持续发展有着重要的意义，此次我设计了一种自适应节水系统，阐述了系统的硬件和软件设计方法，该系统以D512887为时钟芯片，以89S52单片机为核心，实现了自动放水、红外模式、定时模式等自适应控制功能，并且附加了控制器上的时钟显示功能.该系统经过仿真运行，能有效地节水且符合设计要求。
关键词:
D512887，AT89S52,红外模式，定时模式
引言
我国是一个水资源短缺，也是用水量巨大的国家。
虽然水资源的总量居世界第六位，但是人均占有量约为世界人均水量的1/4，排在世界110位，已被联合国列为13个贫水国家之一，同时，我国水资源的分布很不均匀，有些地区的人均占有量甚至低于世界最贫水的国家埃及和以色列的水平。
所以节约用水也在我国开展开来。
一方面可以集中管理，加强控制;一方面可以按时按需定量供水，严格控制用水量，达到节水用水目的；另一方面，可以通过自动量测设备，实施精确计量，为按方收费提供依据，促进用水观念更新，为生产和人民生活带来巨大的社会效益和经济利益。
现在电子控制也已在很多方面有了广大的应用，在节水方面也有了很多的应用，但也存在不足之处。
本次就公厕智能节约用水装置做一个设计，做到合理地用水。
利用单片机为主控制节水，设计出在特定的时间中可以选择地用到红外线控制，定时控制和手动控制的节水方式。
1概况和现状的分析
1.1概况
目前，节约环保已然成为世界的主题，而在我国，建立节约型社会更是成为近期发展的重要目标之一。
随着经济和科学技术的发展，水资源的日益紧缺，节约用水的可持续发展战略思想倍受社会的关注，许多专家、学者和专业技术人员致力于节水方法的研究，取得了卓越的成效.本文中研制的智能节水系统对于倡导的可持续发展有着重要的意义
1.2现状的分析
针对一些公厕用水出现的浪费现象针对我国国内的公共卫生场所的清洁冲水进行调查了解到，公共卫生清洁冲水发展至今可以分为三个阶段：
第一阶段，手动冲水装置，原始的手动冲水装置可以做到最“智能”的节水，但是也最大限度的浪费了人力物力；第二阶段，定时冲水装置，此种冲水方式做到了相对智能，也用定时器取代了人工，是冲水装置实现了自动化，但是这种冲水装置的不足也是明显。
如果定时时间短，人少的时候甚至夜间就会造成大量的浪费水资源，如果时间长，人多的时候起不了良好的清洁作用；第三阶段，感应冲水装置，实现了现行的感应式冲水装置用感应器完美的弥补了定时冲水的不足，但是在改进的过程中，却完全否定了定时器的价值，目前公共厕所感应式冲水装置为“有人即冲”式，这样的感应方式存在相当大的弊端，根据实际调查发现，采用现有的感应方式，仅仅在人流少的场所能起到较好的节水作用，而在人流多的公共场所采用有人即冲的方式。
经过调查，根据资料显示，现有的一些节水系统要么是定时冲水控制方式，要么是根据设定人数控制方式，但还不能实现有效的节水.鉴于这些情况，该节水系统根据活动作息时间，不仅实现了定时工作模式，还整合了红外工作模式下的计数和定时功能，实现了自适应控制，达到了有效的节水目的，并且符合卫生要求.该系统结构简单，性价比高，性能稳定，适合于公厕节水系统的应用。
2总体设计
2.1总体设计的要求
89S52读取DS12887的实时时钟数据，经过数据处理，待显示的时钟数据以串行传送方式至7219，从而驱动LED显示.DS12887的工作电源为5V,MOT接地为INTEL时序，AS地址锁存、DS读信号、R/W写信号分别与89S52的ALE、RD、WR连接，ADO-AD7为地址/数据复用总线，分别与89S52的PO口连接，上电时RESET需保证200ms以上低电平才能可靠复位CS是DS12887的片选信号，低电平有效，与89S52的P2.7口连接，那么DS12887的高八位地址为7FH，低八位地址则由其内部各单元地址来决定1-3显示驱动芯片MAX7219内部集成了数据保持、多路扫描器，为串行接口，编程容易，与单片机的接口简单，占用口资源少.89S52读取的时钟数据，需经过数据处理才能送7219显示，DIN为数据输入端，CLK和LOAD分别为脉冲输入和锁存数据端口，满足7219的时序要求时，数据可传送至7219内部相应的寄存器，从而驱动LED显示，依次显示月份、星期、小时和分钟数值。
89S52根据读取的时钟数据决定系统工作在定时模式或红外模式，根据子动开关的通断决定是否使用于动放水功能，在满足放水的各种情况下，由89S52的P1.6口来控制TIL117的通断，从而控制电磁阀的通断以达到控制要求。
89S52的P1.4、P1.5、P1.7、P3.3口分别给出了红外模式、定时模式、放水、红外动作的相应指示，红外传感器接在89S52的外部中断O。
稳、压电源电路由交流变压器（输入A口20V、输出36V）、稳压芯片7824、7812、7805等元件组成，为电阀、传感器以及电路板中的各芯片提供工作电源。
2.2总体设计框架
图1总体设计图
3硬件介绍
3.1单片机
3.1.1单片机概述与基础
单片机因将其主要组成部分集成在一个芯片上而得名，具体说就是把中央处理器CPU（Centralprocessingunit）。
随机存储器RAM（Randomaccessmemory）。
只读存储器RO（Readonlymemory）。
中断系统、定时器／计数器以及I\O（Input/output）接口电路等主要微型机部件集成在一个芯片上。
虽然单片机只是一个芯片，但从组成和功能上看，它已具有了计算机系统的属性。
为此，称它为单片微型计算机SCMC（Singlechipmicrocomputer），简称单片机。
单片机主要应用于控制领域，用以实现各种测试和控制功能，为了强调起控制属性，也可以把单片机称为微控制器MCU（Microcontrollerunit）。
在国际上，“微控制器”的叫法似乎更通用一些，而在我国则比较习惯于“单片机”这一名称。
单片机在应用时，通常是处于控制系统的核心地位并融入其中，即以嵌入的方式进行使用，为了强调其“嵌入”的特点，也常常将单片机称为嵌入式微控制器EMCU（Embeddedmicrocontrollerunit）。
在单片机的电路和结构中，有许多嵌入式应用的特点。
根据控制应用的需要，可以将单片机分成为通用型和专用型两种类型。
通用型单片机是一种基本芯片，他的内部资源比较丰富，性能全面且适用性强，能覆盖多种应用需要。
用户可以根据需要设计成各种不同应用的控制系统，即通用单片机有一个在设计的过程，通过用户进一步设计，才能组建成一个以通用单片机芯片为核心再配以其它外围电路的应用控制系统。
然而在单片机的控制应用中，有许多时候是专门针对某个特定产品的，例如电度表和IC卡读写器上的单片机等。
这种应用的最大特点是针对性强而且数量巨大，为此厂家常与芯片制造商合作，设计和生产专用的单片机芯片。
由于专用单片机芯片是针对一种产品或一种控制应用而专门设计的，设计时已经对系统结构的最简化，软硬件资源利用的最优化。
3.1.2单片机与单片机系统
单片机通常是指芯片本身，它是有芯片制造商生产的，在它上面集成的是一些做为基本组成部分的运算器电路，控制器电路，存储器，中断系统，定时器/计数器以及输入/输出口电路等。
但一个单片机芯片并不能把计算机的全部电路都集成到其中，例如组成谐振电路和复位电路的石英晶体，电阻，电容等，这些元件在单片机系统中只能以散件的形式出现。
此外，在实际的控制应用中，常常需要扩展外围电路和外围芯片。
从中可以看到单片机和单片机系统的差别，即：
单片机只是一块芯片，而单片机系统则是在单片机芯片的基础上扩展其它电路或芯片构成的具有一定应用功能的计算机系统。
通常所说的单片机系统都是为实现某一控制应用需要由用户设计的，是一个围绕单片机芯片而组建的计算机应用系统。
在单片机系统中，单片机处于核心地位，是构成单片机系统的硬件和软件基础。
3.1.3单片机应用领域
现在单片机的应用已经很广泛，下面我们就一些典型方面进行介绍。
工业自动化方面：
自动化能使工业系统处于最佳状态，提高经济效益，改善产品质量和减轻劳动强度。
因此，自动化技术广泛应用于机械、电子、电力、石油、化工、纺织、食品等轻重工业领域中，而在工业自动化技术中，无论是过程控制技术，数据采集和测控技术，还是生产线上的机器人技术，都需要要有单片机的参与。
在工业自动化的领域中，机电一体化技术将发挥愈来愈重要的作用，在这种集机械、微电子和计算机技术于一体的综合技术中，单片机将发挥越来越大的作用。
仪器仪表方面：
现在仪器仪表的自动化和智能化要求越来越高，对此最好使用单片机来实现，而单片机的使用又将加速仪器仪表向数字化，智能化，多功能化和柔性化方向发展。
此外，单片机的使用还有助于提高仪器仪表的精度和准确度，简化结构、减小体积及重量而易于携带和使用，并具有降低成本，增强抗干扰的能力，便于增加显示、报警和自诊断等功能。
家用电器方面：
当前，家用电器产品的一个重要发展趋势是不断提高其智能化程度，而家电智能化的进一步提高就需要有单片机的参与，所以生产厂家常标榜“电脑控制”以提高其产品的档次，例如洗衣机，电冰箱，空调机，微波炉，电视机和音像视频设备等，这里说的电脑实际上就是单片机。
智能化家用电器将给我们带来更大的舒适和方便，进一步改善我们的生活质量，把我们的生活变的更加丰富多彩。
信息和通信产品方面：
信息和通信产品的自动化和智能化程度很高，这当然离不开单片机的参与，例如计算机的外部设备和自动化办公设备中，都有单片机在其中发挥着作用。
军事装备方面：
科技强军、国防现代化离不开计算机，在现代化的飞机、军舰、坦克、大炮、导弹火箭和雷达等各种军用装备上，都有单片机深入其中。
3.1.4主控芯片单片机的选择
20世纪80年代以来，单片机的发展非常迅速，就通用单片机而言，世界上一些著名的计算机厂家已投放市场的产品就有50多个系列，数百个品种。
目前世界上较为著名的8位单片机的生产厂家和主要机型如下：
美国Intel公司：
MCS—51系列及其增强型系列
美国Motorola公司：
6801系列和6805系列
美国Atmel公司：
89C51等单片机
美国Zilog公司：
Z8系列及SUPER8
美国Fairchild公司：
F8系列和3870系列
美国Rockwell公司：
6500/1系列
美国TI（德克萨司仪器仪表）公司：
TMS7000系列
NS（美国国家半导体）公司：
NS8070系列
尽管单片机的品种很多，但是在我国使用最多的还是Intel公司的MCS—51系列单片机和美国Atmel公司的89C51单片机。
MCS—51系列单片机包括三个基本型8031、8051、8751。
8031内部包括一个8位CPU、128个字节RAM，21个特殊功能寄存器（SFR）、4个8位并行I/O口、1个全双工串行口、2个16位定时器/计数器，但片内无程序存储器，需外扩EPROM芯片。
比较麻烦，不予采用。
8051是在8031的基础上，片内集成有4KBROM，作为程序存储器，是一个程序不超过4K字节的小系统。
ROM内的程序是公司制作芯片时，代为用户烧制的，出厂的8051都是含有特殊用途的单片机。
所以8051适合与应用在程序已定，且批量大的单片机产品中。
也不予采用。
8751是在8031基础上，增加了4K字节的EPROM，它构成了一个程序小于4KB的小系统。
用户可以将程序固化在EPROM中，可以反复修改程序。
但其价格相对8031较贵。
8031外扩一片4KBEPROM的就相当与8751，它的最大优点是价格低。
随着大规模集成电路技术的不断发展，能装入片内的外围接口电路也可以是大规模的。
也不予采用。
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8KB在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
故此设计采用AT89S52。
3.1.5AT89S52的主要性能
与MCS-51单片机产品兼容
8K字节在系统可编程Flash存储器
1000次擦写周期
全静态操作：
0Hz～33Hz
三级加密程序存储器
32个可编程I/O口线
三个16位定时器/计数器
八个中断源
全双工UART串行通道
低功耗空闲和掉电模式
掉电后中断可唤醒
看门狗定时器
双数据指针
掉电标识符
3.1.6单片机管脚说明
按照本设计功能的要求，系统由7个部分组成：
主控制器部分、红外控制部分、信息数据传送分析部分、数据显示部分、定时控制部分、和电路电源部分，系统设计总体方案框图如图1所示。
图2单片机管脚说明
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89S52的一些特殊功能口，如下表所示：
P3口引脚第二功能
P3.0RXD（串行口输入）
P3.1TXD（串行口输出）
P3.2INT0（外部中断0输入）
P3.3INT1（外部中断1输入）
P3.4T0（定时器0外部脉冲输入）
P3.5T1（定时器1外部脉冲输入）
P3.6WR（外部数据存储器写脉冲输出）
P3.7RD（外部数据存储器读脉冲输出）
表1P3口引脚功能表
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
AT89S52单片机的最小系统由时钟电路、复位电路、电源电路及单片机构成。
单片机的时钟信号用来提供单片机片内各种操作的时间基准，复位操作则使单片机的片内电路初始化，使单片机从一种确定的初态开始运行。
单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：
内部振荡方式和外部振荡方式。
在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器（简称晶振）或陶瓷谐振器，就构成了内部振荡方式。
由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。
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。
根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：
上电复位和上电或开关复位。
上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。
上电或开关复位要求电源接通后，单片机自动复位，并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位。
单片机的复位操作使单片机进入初始化状态，其中包括使程序计数器PC＝0000H，这表明程序从0000H地址单元开始执行。
系统复位是任何微机系统执行的第一步，使整个控制芯片回到默认的硬件状态下。
52单片机的复位是由RESET引脚来控制的，此引脚与高电平相接超过24个振荡周期后，52单片机即进入芯片内部复位状态，而且一直在此状态下等待，直到RESET引脚转为低电平后，才检查EA引脚是高电平或低电平，若为高电平则执行芯片内部的程序代码，若为低电平便会执行外部程序。
3.1.7单片机的电源电路和备用电路
图3单片机电源电路
由于电子技术的特性，电子设备对电源电路的要求就是能够提供持续稳定、满足负载要求的电能，所以一般需要单独设计电源电路，单片机要求电源中应尽量较少纹波,电压要恒定,且单片机复位电路要稳定、可靠,考故需要设计一个直流稳压电源给单片机供电，先经变压器转为9伏的交流电，再通过桥堆2W10对输入的9伏的交流电进行整流，然后通过电容滤波，稳压器进行稳压，使后续电路的电压稳定为+5伏，电源指示灯亮，说明该模块能正常工作。
滞回比较器:
有滞回特性，具有抗干扰能。
从反相输入端输入的滞回比较器电路如图2.4所示，电路中引入了正反馈。
图4滞回比较器电路
3.1.8AT89S51时钟电路
图5单片机时钟电路
单片机时钟电路如图5所示，该模块使用12.0000MHZ的晶振和两个30uF的电容来实现的，它为单片机提供工作时的时钟脉冲，没有该模块单片机将不能工作。
晶振和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定、可靠的工作。
单片机的时钟信号用来提供单片机片内各种操作的时间基准。
上电或开关复位要求电源接通后，单片机自动复位，并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位。
单片机的复位操作使单片机进入初始化状态，其中包括使程序计数器PC＝0000H，这表明程序从0000H地址单元开始执行。
3.1.9复位电路
图6复位电路
复位电路工作原理如右图所示，VCC上电时，C1充电，在1K电阻上出现电压，使得单片机复位；几个毫秒后，C1充满，1K电阻上电流降为0，电压也为0，使得单片机进入工作状态。
工作期间，按下S1，C1放电。
S1松手，C1又充电，在1K电阻上出现电压，使得单片机复位。
复位操作则使单片机的片内电路初始化，使单片机从一种确定的初态开始运行。
3.2DS12887
是美国达拉斯半导体公司（Dallas）最新推出的串行接口实时时钟芯片,采用CMOS技术制成具有内部晶振和时钟芯片备份锂电池同时它与目前IBMAT计算机常用的时钟芯片MC146818B和DS1287管脚兼容,可直接替换它所提供的世纪字节在位置32h世纪寄存器32h到2000年1月1日将从19递增到20采用DS12887芯片设计的时钟电路无需任何外围电路和器件并具有良好的微机接口DS12887芯片具有微功耗,外围接口简单,精度高工作稳定可靠等优点,可广泛用于各种需要较高精度的实时时钟系统中。
3.2.1DS12887引脚结构
图7DS12887引脚
Vcc:
直流电源+5V电压当5V电压在正常范围内时数据可读写当Vcc低于4.25V读写被禁止计时功能仍继续当Vcc下降到3V以下时RAM和计时器供电被切换到内部锂电池
MOT（模式选择）:
MOT引脚接到Vcc时选择MOTOROLA时序当接到GND时选择Intel时序SQW（方波信号输出）SQW引脚能从实时时钟内部15级分频器的13个抽头中选择一个作为输出信号其输出频率可通过对寄存器A编程改变。
AD0AD7（双向地址/数据复用线）总线接口可与Motorola微机系列和Intel微机系列接口AS（地址选通输入）用于实现信号分离在AD/ALE的下降沿把地址锁入DS12887
DS（数据选通或读输入）DS/RD引脚有两种操作模式取决于MOT引脚的电平当使用Motorola时序时DS是一正脉冲出现在总线周期的后段称为数据选通在读周期DS指示DS12887驱动双向总线的时刻在写周期DS的后沿使DS1288
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