單片機原理與接口技術(shù)課程設(shè)計

1、 單片機原理與接口技術(shù)課程設(shè)計題目：基于單片機的水位控制系統(tǒng)設(shè)計院 系：工學(xué)院電氣與電子工程系專 業(yè)：自動化 班 級：自動化1202 姓 名：王學(xué)松 學(xué) 號：7 指導(dǎo)教師：張彥飛 、劉曉明 二一五年六月單片機原理與接口技術(shù)課程設(shè)計任務(wù)書一、基本情況學(xué)時：2周 學(xué)分：1.5 學(xué)分 適應(yīng)班級：自動化1201-1202二、進度安排本設(shè)計共安排2周，合計60學(xué)時，具體分配如下：動員及準備工作： 1學(xué)時選題分組： 1學(xué)時PROTEUS仿真軟件使用講解： 8學(xué)時總體方案設(shè)計： 8學(xué)時硬件設(shè)計： 12學(xué)時PROTEUS仿真圖繪制： 4學(xué)時軟件設(shè)計： 12學(xué)時撰寫設(shè)計報告： 4 學(xué)時制作答辯PPT ： 4 學(xué)

2、時答辯： 4 學(xué)時總結(jié)： 2學(xué)時教師輔導(dǎo)： 隨時三、基本要求1、課程設(shè)計的基本要求單片機原理與接口技術(shù)課程設(shè)計的主要內(nèi)容包括：理論設(shè)計與撰寫設(shè)計報告等。其中理論設(shè)計又包括總體方案選擇，硬件系統(tǒng)設(shè)計、軟件系統(tǒng)設(shè)計；硬件設(shè)計包括單元電路，選擇元器件及計算參數(shù)等；軟件設(shè)計包括程序流程圖和應(yīng)用程序。程序設(shè)計是課程設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過進一步完善程序設(shè)計，使之達到課題所要求的指標。課程設(shè)計的最后要求是寫出設(shè)計總結(jié)報告，把設(shè)計內(nèi)容進行全面的總結(jié)。2、課程設(shè)計的教學(xué)要求單片機原理與接口技術(shù)課程設(shè)計的教學(xué)采用相對集中的方式進行，以班為單位全班學(xué)生集中到設(shè)計室進行。嚴格考勤制度，在實訓(xùn)期間累計曠課達到6節(jié)以上，或

3、者遲到、早退累計達到8次以上，該課程考核按不及格處理。 課程設(shè)計的分組：每3-4名學(xué)生組成一個小組，完成一個課題的設(shè)計。小組成員既有分工、又要協(xié)作，同一小組的成員之間可以相互探討、協(xié)商，可以互相借鑒或參考別人的設(shè)計方法和經(jīng)驗。但每個學(xué)生必須單獨完成設(shè)計任務(wù)，要有完整的設(shè)計資料，獨立撰寫設(shè)計報告。教學(xué)要求具體如下：（一）、掌握單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)、設(shè)計流程；硬件、軟件的資源分配與規(guī)劃。（二）、熟練硬件電路原理圖的設(shè)計與繪制。（三）、掌握運用PROTUS進行軟、硬件仿真調(diào)試能力。（四）、熟練運用C語言編寫開發(fā)程序。（五）、熟練掌握制板及實物焊接技能。（六）、掌握單片機應(yīng)用系統(tǒng)綜合調(diào)試的方法、具備綜合

4、調(diào)試能力。四、設(shè)計題目及要求題目：水位控制系統(tǒng)要求：1、用51單片機完成設(shè)計。2、通過鍵盤設(shè)置其預(yù)定水位，根據(jù)水位不同控制電機的旋轉(zhuǎn)。五、設(shè)計報告設(shè)計完成后，必須撰寫課程設(shè)計報告。設(shè)計報告必須獨立完成，格式符合要求，文字（不含圖形、程序）不少于2000字，圖形繪制規(guī)范。設(shè)計報告的格式如下： 1、封面 2、摘要 3、目錄4、正文(1) 所作題目的意義、本人所做的工作及系統(tǒng)的主要功能；(2) 方案選擇及論證；(3) 硬件電路設(shè)計及描述（包括硬件的選型及電路圖、輸入輸出接線圖等的設(shè)計）；(4) 軟件設(shè)計流程及描述（流程圖及文字說明）；(5) 源程序代碼及調(diào)試；5、心得體會 6、參考文獻 六、考核方法

5、本課程設(shè)計的考核方式為考查，考核結(jié)果為優(yōu)秀、良好、中等、及格和不及格五等，分數(shù)在90-100之間為優(yōu)秀，80-89分之間為良好，70-79分之間為中等，60-69分之間為及格，60分以下為不及格。 考核分三個方面進行：平時表現(xiàn)20%；設(shè)計過程25%；設(shè)計報告 40%；設(shè)計答辯15%。有下列情形之一者，課程設(shè)計考核按不及格處理： 1、設(shè)計期間累計遲到、早退達8次；2、設(shè)計期間累計曠課達6節(jié)； 3、設(shè)計報告雷同率超過50%或無設(shè)計報告；4、不能完成設(shè)計任務(wù)，達不到設(shè)計要求。摘 要液位測量廣泛應(yīng)用于工業(yè)、經(jīng)濟、生活等領(lǐng)域。本設(shè)計以水箱供水為模型，用于對水箱液位信號進行測量監(jiān)控記錄?；趩纹瑱C的液位測

6、量裝置具有測量準確、重復(fù)性好、功耗低、使用壽命長的特點，是廣泛采用的技術(shù)。在深入學(xué)習(xí)科學(xué)發(fā)展觀的同時，電子設(shè)備的設(shè)計也需融入可持續(xù)發(fā)展的設(shè)計理念。故此，在基于單片機的液位測量裝置基礎(chǔ)上，擴展實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、計算機串行通信等功能，從而能夠通過科學(xué)的方法將液位測量與統(tǒng)計科學(xué)結(jié)合，合理調(diào)度水資源，降低能源消耗。本文從系統(tǒng)方案選擇與論證，硬件電路設(shè)計，系統(tǒng)軟件與上位機軟件設(shè)計等幾個方面介紹了基于單片機的液位測量監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計過程，最終實現(xiàn)了液位的實時測量與監(jiān)控。最后，本文總結(jié)了設(shè)計過程中出現(xiàn)的問題及解決方法，簡要敘述了所獲數(shù)據(jù)的處理方法，引出了進一步設(shè)計開發(fā)的思路。關(guān)鍵詞：單片機 測量 監(jiān)控 通信

7、目錄第一章引言11.1 設(shè)計目的11.2 設(shè)計要求11.3 基本功能1第二章系統(tǒng)的總體設(shè)計22.1 水塔水位控制原理22.2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案2第三章硬件設(shè)計33.1 系統(tǒng)硬件方案33.2 主芯片AT89C5133.3 光報警及顯示電路43.4 鍵盤連接電路53.5 復(fù)位電路63.6 晶振電路7第四章軟件設(shè)計84.1 Keil軟件84.2 程序流程圖及其分析84.3 水位檢測的主程序9第五章Proteus設(shè)計與仿真125.1 元器件清單125.2 基于單片機水位控制原理圖125.3 實驗仿真結(jié)果12心得體會16參考文獻17第一章 引言1.1 設(shè)計目的液位控制系統(tǒng)是以液位為被控參數(shù)的控制系統(tǒng)，它

8、在工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。隨著國家工業(yè)的迅速發(fā)展，液位測量技術(shù)被廣泛應(yīng)用到石油、化工、醫(yī)藥等各行各業(yè)中。低溫液體（液氧、液氮、液氬、液化天然氣及液體二氧化碳等）得到廣泛的應(yīng)用，作為儲存低溫液體的容器要保證能承受其載荷；在發(fā)電廠、煉鋼廠中，保持正常的鍋爐氣泡水位、除氧器水位、汽輪機凝汽器水位、高、低壓加熱器水位等，是設(shè)備安全運行的保證，因此一個安全合適的水位系統(tǒng)是很必要的。1.2 設(shè)計要求利用單片機設(shè)計一個水位控制系統(tǒng)，要求用開關(guān)來模擬水位狀態(tài)，當(dāng)設(shè)定完水位后，系統(tǒng)根據(jù)水位情況控制電磁閥的開啟和關(guān)斷。具體要求如下：1、設(shè)計單片機工作系統(tǒng)電路。2、通過鍵盤設(shè)置其預(yù)定水位，根據(jù)水位不同控制

9、電機的旋轉(zhuǎn)。3、利用Protues進行仿真1.3 基本功能本設(shè)計是采用AT89C51單片機為核心芯片，及其相關(guān)硬件來實現(xiàn)的水體液位控制系統(tǒng)，采用八個按鍵來模擬水位，CPU循環(huán)檢測傳感器輸出狀態(tài)，并用3位七段LED顯示液位高度，檢測液位數(shù)據(jù)，實時報警安全提示，當(dāng)水體液位低于用戶設(shè)定的值時，系統(tǒng)自動打開水泵上水，當(dāng)水位到達設(shè)定值時，系統(tǒng)自動打開排水泵。第二章 系統(tǒng)的總體設(shè)計2.1 水塔水位控制原理單片機水塔水位控制原理如圖l所示，圖中的虛線表示允許水位變化的上、下限位置。在正常情況下水位應(yīng)控制在虛線范圍之內(nèi)。為此，在水塔內(nèi)的不同高度處，安裝固定不變的3根金屬棒A、B、C。用以反映水位變化的情況。其

10、中，A棒在下限水位(底端靠近水池底部不能過低，要保證有足夠大的流水量)，B棒在上、下限水位之間，C棒在上限水位。水塔由電機帶動水泵供水。單片機控制電機轉(zhuǎn)動，隨著供水，水位不斷上升當(dāng)水位上升到上限水位時，由于水的導(dǎo)電作用。使B、C棒均與+5 V連通。因此b、C兩端的電壓都為+5 V即為“l(fā)”狀態(tài)，此時應(yīng)停止電機和水泵工作，不再向水塔注水；當(dāng)水位處于上、下限之間時。B棒和A棒導(dǎo)通而C棒不能與A棒導(dǎo)通，b端為“1”狀態(tài)。C端為“O”狀態(tài)。此時電機帶動水泵給水塔注水，使水位上升，還是電機不工作，水位不斷下降，都應(yīng)繼續(xù)維持原有工作狀態(tài)；當(dāng)水位處于下限位置以下時，B、C棒均不能與A棒導(dǎo)通，b、c均為“0”

11、狀態(tài)。此時應(yīng)啟動電機轉(zhuǎn)動，帶動水泵給水塔注水。如圖2-1所示。圖2-1 水塔水位控制原理圖2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案系統(tǒng)的原理是采用8個按鈕進行水位檢測，在現(xiàn)場的3個不同的位置，由下至上測量水體的液位值,。并把這四個液位狀態(tài)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器傳到單片機中,在通過3位七段LED顯示器顯示出液位的三種狀態(tài)及報警安全提示。用LED顯示是因為它具有顯示清晰、亮度高、使用電壓低、光電轉(zhuǎn)換效能高、壽命長等特點，根據(jù)當(dāng)前的液位值和用戶設(shè)定的水位決定是否進行開、關(guān)水泵,需要是否開啟和關(guān)閉驅(qū)動閥門的電動機。第三章 硬件設(shè)計3.1 系統(tǒng)硬件方案系統(tǒng)方案設(shè)計液位控制是利用把液位的狀態(tài)轉(zhuǎn)換成模擬信號,再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器AT8

12、9C51把輸出狀態(tài)直接接到單片機的I/O接口，單片機經(jīng)過運算控制，輸出數(shù)字信號，輸出接口接LED進行顯示,實現(xiàn)液位的報警和鍵盤的顯示與控制。由下圖可觀察到水位由鍵盤控制輸入以后，通過AT89C51單片機的運算控制，在通過LED進行顯示，通過報警裝進行報警，報警顯示之后再通過對閥門的開啟實現(xiàn)對水位的液位進行調(diào)節(jié)控制，閥門的驅(qū)動設(shè)備是電動機。圖3-1為液位控制系統(tǒng)。圖3-1 液位控制系統(tǒng)由上圖可觀察到傳感器通過對液面進行測量，輸出模擬信號，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器把輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過AT89C51單片機的運算控制，在通過LED進行顯示,通過報警裝置進行報警,報警顯示之后再通過對閥門的開啟實

13、現(xiàn)對水體的液位進行調(diào)節(jié)控制,閥門的驅(qū)動設(shè)備是電動機。3.2 主芯片AT89C51 本系統(tǒng)采用AT89C51作為主要芯片，AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器的低電壓、高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。在本系統(tǒng)設(shè)計中采用AT89C51作為主要的芯片，它具有P0、P1、P2

14、、P3四個I/O口，每個口又有8個接口，32個接口可以滿足外接電路的需要，更方便的顯示系統(tǒng)。本設(shè)計中采用了單片機AT89C51的P0、P1、P2口，分別完成了顯示和控制以及報警功能的實現(xiàn)。如圖3-2所示。圖3-2 AT89C5引腳圖3.3 光報警及顯示電路圖3-3所示為系統(tǒng)的光報警及顯示電路，三段LED數(shù)碼管于單片機的P0-P7口相連，同時排阻的八根線也連在單片機的P0口上，作為上拉電阻。圖3-3 光報警及顯示電路圖3.4 鍵盤連接電路鍵盤連接電路如圖3-4所示，從下到上依次為K1-K8，八個鍵盤K1-K8分別與單片機的P1口的八個接口相連，這八個鍵盤的按下與否用來模擬的是水位的高低，K1鍵代

15、表水位最低點，K8鍵代表的是水位最高點，K2鍵為下限水位線，K7鍵為上限水位線，K3-K6鍵位設(shè)定水位高度，當(dāng)K1鍵按下時，指示燈亮，電機正轉(zhuǎn)，開始加水，一直加水至水位7（即7鍵按下時），電機開始停止轉(zhuǎn)動，并反向轉(zhuǎn)動抽水，水位開始降低，直至到達2水位，燈亮電機開始自動加水，加水水位可以由用戶自己設(shè)定，本系統(tǒng)中采取的是2水位便開始加水，7水位開始抽水。本系統(tǒng)采用的是獨立式鍵盤結(jié)構(gòu)，每個按鍵單獨占用一根I/O口線，每個按鍵的工作不會影響其他I/O口線的狀態(tài)。軟件是采用查詢式結(jié)構(gòu)，首先逐位查詢每根I/O口線的輸入狀態(tài)，如某一根I/O口線輸入為低電平，則可確認該I/O口線所對應(yīng)得按鍵已按下，然后，再轉(zhuǎn)

16、向該鍵的功能處理程序。圖3-4 鍵盤連接電路圖3.5 復(fù)位電路復(fù)位電路中上端與單片機的復(fù)位引腳相連，下面與EA端相連，要使CPU只訪問外部程序存儲器（地址為0000HFFFFH），則EA端必須保持低電平（接到GND端）。然而要注意的是，如果保密位LB1被編程，復(fù)位時在內(nèi)部會鎖存EA端的狀態(tài)。當(dāng)EA端保持高電平（接Vcc端）時，CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的程序。其復(fù)位電路部分用來對系統(tǒng)進行復(fù)位操作，末端與單片機的復(fù)位相連，按下復(fù)位鍵，當(dāng)震蕩器運行時，在該引腳上出現(xiàn)兩個機器周期的高電平將使單片機復(fù)位。如圖3-5所示。3-5 復(fù)位電路圖3.6 晶振電路晶體振蕩電路的兩個端口分別連接在單片機的XTA

17、L1和XTAL2上。晶振電路的作用是為本系統(tǒng)提供基本的時鐘信號。通常一個系統(tǒng)共用一個晶振，便于各部分保持同步。有些通訊系統(tǒng)的基頻和射頻使用不同的晶振，而通過電子調(diào)整頻率的方法保持同步。晶振電路通常與鎖相環(huán)電路配合使用，以提供系統(tǒng)所需的時鐘頻率。如果不同子系統(tǒng)需要不同頻率的時鐘信號，可以與同一個晶振相連的不同鎖相環(huán)來提供。如圖3-6所示。圖3-6 晶振電路圖第四章 軟件設(shè)計4.1 Keil軟件Keil軟件是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系列，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。Keil提供了包括C編譯器、宏匯

18、編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境將這些部分組合在一起。運行Keil軟件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系統(tǒng)。具有方便易用的集成環(huán)境和強大的軟件仿真調(diào)試工具。Keil軟件生成的目標代碼的效率特別高，大部分語句生成的匯編代碼緊湊，容易理解。與匯編語言相比，C語言在其功能上、結(jié)構(gòu)上、可讀性上以及可維護性上都有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。4.2 程序流程圖及其分析水位檢測是通過8個按鈕進行水位檢測的，當(dāng)水位到檢測位置其輸出端口就向單片機輸出低電平。由上至下的第一個位置為水位上限報警線，即當(dāng)水位高于此位置時，開水閥控制系統(tǒng)就會自動

19、報警，提醒工作人員注意，加水電磁閥有可能出故障；第二個位置是自動停止加水線，即當(dāng)水位高于此位置時，控制系統(tǒng)會自動關(guān)閉加水電磁閥，停止加水；第三個位置是自動加水線，即當(dāng)水位低于此位置時，控制系統(tǒng)會自動接通加水電磁閥，開始加水；第四個位置是水位下限報警線，即當(dāng)水位低于此位置時，控制系統(tǒng)就會自動報警，提醒工作人員注意，加水電磁閥可能出故障。本設(shè)計的一個較大的優(yōu)點是可以設(shè)置多個水位，即用戶可根據(jù)自己需要設(shè)定加水時的水位。根據(jù)所分析的該系統(tǒng)地具體功能，可以畫出該系統(tǒng)的流程圖，流程圖應(yīng)該盡量力求簡便，而且從中可以較容易的看出設(shè)計者的目的，充分了解所需設(shè)計的系統(tǒng)的功能，從而根據(jù)流程圖編寫程序。如圖4-1所示

20、。圖4-1 水位控制流程圖4.3 水位檢測的主程序本控制系統(tǒng)采用的是控制，由于模糊控制量的求取是采用查表法，因此軟件程序較簡單，整個軟件部分較多，現(xiàn)取最重要的水位檢測主程序。#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit MOR=P27;sbit MOT=P26;sbit LED=P20;code uchar tab10=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;void delay (uint n)while(n-);void LED_SHOW()if(

21、P1=0xfe) P0=tab8;LED=0;MOR=0;MOT=1;if(P1=0xfd) P0=tab7;LED=0;MOR=0;MOT=1; if(P1=0xfb) P0=tab6; LED=1;MOR=1;MOT=1; if(P1=0xf7) P0=tab5; LED=1;MOR=1;MOT=1; if(P1=0xef) P0=tab4; LED=1;MOR=1;MOT=1; if(P1=0xdf) P0=tab3; LED=1;MOR=1;MOT=1; if(P1=0xbf) P0=tab2; LED=0;MOR=1;MOT=0; if(P1=0x7f) P0=tab1; LED=0

22、;MOR=1;MOT=0; void main()while(1) LED_SHOW();第五章 Proteus設(shè)計與仿真5.1 元器件清單按照設(shè)計要求及其目的，所需元器件如表5-1所示。表5-1 元器件清單表7SEG-COM-CAT-GRNLED數(shù)碼管AT89C1單片機BUTTON按鈕CAP電容CAP-ELEC陶瓷電容CRYSTAL12兆晶振LED-RED發(fā)光二極管MOTOR-DC電機RES電阻RESPACK-8排阻5.2 基于單片機水位控制原理圖將所有的硬件按照上面所說的方法連接起來，將源程序在keil c中生成.hex文件，放在proteus中連接好的電路圖中運行，則可得到正確的結(jié)果。如

23、圖5-1所示。圖5-1 水位控制原理圖5.3 實驗仿真結(jié)果根據(jù)所設(shè)計系統(tǒng)的軟件流程圖，編寫相應(yīng)的程序在Pro-teus軟件環(huán)境下實際仿真，實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能成功實現(xiàn)了水位檢測、電機故障檢測、處理和報警等功能，具有良好的檢測控制功能，可移植性和擴展性強。該系統(tǒng)設(shè)計是基于在單片機嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計的，充分利用單片機強大控制功能和方便通信接口，該檢測控制系統(tǒng)在實驗室某實驗水冷卻系統(tǒng)得到成功實踐，實現(xiàn)水位檢測、電機故障檢測、處理和報警等功能，提高了實驗的自動控制能力。進一步優(yōu)化系統(tǒng)軟硬件設(shè)計，可為實時實現(xiàn)遠端控制，因此，該系統(tǒng)在農(nóng)村水塔，城市水源檢測控制等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。仿真結(jié)果如圖5-2所

24、示。水位過低，指示燈報警，電動機正轉(zhuǎn)，開始加水。水位處于下限水位，電機持續(xù)正轉(zhuǎn)，繼續(xù)加水，直至到達設(shè)定水位高度。根據(jù)設(shè)定水位要求，到達指定位置，電機停止轉(zhuǎn)動，不再加水。水位處于上限水位，指示燈亮，電機開始反轉(zhuǎn)，水位降低。水位高于上限水位，指示燈報警，電機反轉(zhuǎn)降低水位，直至設(shè)定水位高度。圖5-2 仿真圖心得體會設(shè)計過程中我遇到了很多的困難，因為知識是不連貫的，所以需要準備很多方面的知識去融合，去聯(lián)系。由于在學(xué)習(xí)的時候更注重的是書面上的東西，而本次課程設(shè)計更多的是鍛煉了我的動手動腦能力，讓我有機會把課上學(xué)習(xí)的知識轉(zhuǎn)化為可以在實際生產(chǎn)生活中應(yīng)用的技術(shù)。本次課程設(shè)計的系統(tǒng)主要介紹了水體的液位檢測控制，介紹了AT89C51單片機和其它一些單片機在液位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，介紹了它們的引腳和在系統(tǒng)中的電路圖，利用LED來進行信號的輸出顯示,我設(shè)計的硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡化,系統(tǒng)精度高，具有良好的人機交互功能,并設(shè)有液位報警，