計算機控制課程設(shè)計--基于單片機的水塔水位控制

1、. 計算機控制技術(shù)課程設(shè)計 課題：基于單片機的水塔水位控制 ; 目錄第1章 背景與意義31.1.1背景 3 1.1.2 目的與意義4第2章 總體方案設(shè)計52.1 方案選擇5 2.2 工作原理7 2.3 主控模塊設(shè)計7 2.2.1單片機選擇7 2.2.2電機控制模塊8 2.2.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊8 2.2.4 傳感器電路9 2.2.5 時鐘電路與復(fù)位電路10 2.2.6 按鍵設(shè)計10 2.2.7 顯示與A/D轉(zhuǎn)換處理12 2.2.8系統(tǒng)主程序流程圖12 2.2.9系統(tǒng)主程序14第3章 硬件設(shè)計163.1 硬件選型1617 第一章 背景與意義1.1.1背景 現(xiàn)代傳感技術(shù)、電子技術(shù)，計算機技術(shù)、自動

2、控制技術(shù)、信息處理技術(shù)和新工藝、新材料的發(fā)展為智能檢測系統(tǒng)的發(fā)展帶來了前所未有的奇跡。在工業(yè)、國防、科研等許多應(yīng)用領(lǐng)域，智能檢測系統(tǒng)正發(fā)揮著越來越大的作用。檢測設(shè)備就像神經(jīng)和感官，源源不斷地向人類提供宏觀與微觀世界的種種信息，成為人們認(rèn)識自然、改造自然的有力工具?，F(xiàn)代的廣義智能檢測系統(tǒng)應(yīng)包括一切以計算機（單片機、PC機、工控機、系統(tǒng)機）為信息處理核心的檢測設(shè)備。因此，智能檢測系統(tǒng)包括了信息獲取、信息傳送、信息處理和信息輸出等多個硬、軟件環(huán)節(jié)。從某種程度上來說，智能檢測系統(tǒng)的發(fā)展水平表現(xiàn)了一個國家的科技和設(shè)計水平。 我的本次課程設(shè)計研究的內(nèi)容是“水塔水位控制系統(tǒng)”。水位控制在日常生活及工業(yè)領(lǐng)域中

3、應(yīng)用相當(dāng)廣泛，而以往水位的檢測是由人工完成的，值班人員全天候地對水位的變化進(jìn)行監(jiān)測，用有線電話及時把水位變化情況報知主控室。然后主控室再開動電機進(jìn)行給排水。很顯然上述重復(fù)性的工作無論從人員、時間和資金上都將造成很大的浪費。同時也容易出差錯。因此急需一種能自動檢測水位，并根據(jù)水位變化的情況自動調(diào)節(jié)的自動控制系統(tǒng)，我所設(shè)計的就是這方面的課題。 檢測可以有多種實現(xiàn)方法，如機械控制、邏輯電路控制、機電控制等。本設(shè)計采用單片機進(jìn)行主控制，在水水塔上安裝一個自動測水位裝置。利用氣壓傳感器測量氣壓的變化連續(xù)地反眏水位的變化，把測量到的水位變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，主控臺應(yīng)用單片微機對接收到的信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，

4、完成相應(yīng)的水位顯示、控制及故障報警及顯示水位等功能。 1.1.2 目的與意義 1，通過這次課程設(shè)計，加深對計算機控制技術(shù)這門課程的理解。 2，掌握單片機的內(nèi)部模塊的應(yīng)用，如片內(nèi)外存儲器、A/D轉(zhuǎn)換器等。 3、了解和掌握單片機對單片機水塔水位控制的全過程、以及實際問題中硬件如何選型問題。為以后設(shè)計和實現(xiàn)單片器應(yīng)用系統(tǒng)打下良好基礎(chǔ)。4、通過簡單課題的設(shè)計練習(xí)，了解必須提交的工程文件，也達(dá)到鞏固、充實和綜合運用所學(xué)知識解決實際問題的目的。 第2章 總體方案設(shè)計 2.1 方案選擇 目前在用的水位控制方式主要有以下種： （1)簡單的機械式控制方式。其常用形式有浮標(biāo)式、電極式等,這種控制形式的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡

5、單,成本低廉。存在問題是精度不高,不能進(jìn)行數(shù)值顯示,另外很容易引起誤動,且只能單獨控制,與計算機進(jìn)行通信較難實現(xiàn)。(2)復(fù)雜控制器控制方式。這種控制方式是通過安裝在水泵出口管道上的壓力傳感器,把出口壓力變成標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)電信號的模擬信號,經(jīng)過前置放大、多路切換、AD變換成數(shù)字信號傳送到單片機,經(jīng)單片機運算和給定參量的比較,進(jìn)行PID運算,得出調(diào)節(jié)參量;經(jīng)由DA變換給調(diào)壓變頻調(diào)速裝置輸入給定端,控制其輸出電壓變化,來調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速,以達(dá)到控制水位的目的。本設(shè)計我選用利用單片機實現(xiàn)的復(fù)雜控制器水位控制系統(tǒng)，要求選擇合適的水位傳感器及電磁閥，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和關(guān)斷。PC終端機（

6、回顯 數(shù)據(jù)處理 報警）系統(tǒng)總體方框圖 AT89C51 A/D轉(zhuǎn)換器傳感模塊顯示電路RS-232接口鍵盤控制電路 執(zhí)行機構(gòu) 2，2工作原理 基于單片機實現(xiàn)的水位控制器是以AT89C51芯片為核心,由鍵盤、數(shù)碼顯示、AD轉(zhuǎn)換、傳感器，電源和控制部分等組成。工作過程如下：當(dāng)水位發(fā)生變化時,引起連接在水位底部軟管管內(nèi)的空氣氣壓變化,氣壓傳感器在接收到軟管內(nèi)的空氣氣壓信號后,即把變化量轉(zhuǎn)化成電壓信號;該信號經(jīng)過運算放大電路放大后變成幅度為05 V標(biāo)準(zhǔn)信號送入AD轉(zhuǎn)換器。AD轉(zhuǎn)換器把模擬信號變成數(shù)字信號量,由單片機進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采集,并進(jìn)行處理,根據(jù)設(shè)定要求控制輸出,同時數(shù)碼管顯示液位高度。通過鍵盤設(shè)置液位

7、高、低和限定值以及強制報警值。該系統(tǒng)控制器特點是直觀地顯示水位高度可任意控制水位高度。2.3主控模塊設(shè)計 2.3.1單片機的選擇 單片機采用由Atmel公司生產(chǎn)的雙列40腳AT89C51芯片,如圖22。其中P0口用于AD轉(zhuǎn)換和顯示；P1口連接一個3×5的鍵盤;P2口用于控制電磁閥和水泵動作;P3口用于上、下限指示燈,報警指示燈以及用于讀寫控制和中斷等。 2.3.2電機控制模塊 （用繼電器作為電機控制的元件） 繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應(yīng)用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關(guān)”。故在電路中

8、起著自動調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。 繼電器主要產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)： 1) 額定工作電壓。是指繼電器正常工作時線圈所需要的電壓。根據(jù)繼電器的型號不同，可以是交流電壓，也可以是直流電壓。 2) 直流電阻。是指繼電器中線圈的直流電阻，可以通過萬能表測量。 3) 吸合電流。是指繼電器能夠產(chǎn)生吸合動作的最小電流。在正常使用時，給定的電流必須略大于吸合電流，這樣繼電器才能穩(wěn)定地工作。而對于線圈所加的工作電壓，一般不要超過額定工作電壓的1.5倍，否則會產(chǎn)生較大的電流而把線圈燒毀。 4) 釋放電流。是指繼電器產(chǎn)生釋放動作的最大電流。當(dāng)繼電器吸合狀態(tài)的電流減小到一定程度時，繼電器就會恢復(fù)到未通電的釋放狀態(tài)。這時

9、的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于吸合電流。 5) 觸點切換電壓和電流。是指繼電器允許加載的電壓和電流。它決定了繼電器能控制電壓和電流的大小，使用時不能超過此值，否則很容易損壞繼電器的觸點。根據(jù)以上的參數(shù)，結(jié)合設(shè)計的演示性，選用額定工作電壓120VAC/24VDC，工作電流3A，控制電壓5VDC的小型繼電器。 2.3.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊 ADC0809是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的8位通用A/D芯片。1主要特性1）8路輸入通道，8位A/D轉(zhuǎn)換器

10、，即分辨率為8位。2）具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫?。3）轉(zhuǎn)換時間為100s(時鐘為640kHz時)，130s（時鐘為500kHz時）4）單個5V電源供電5）模擬輸入電壓范圍05V，不需零點和滿刻度校準(zhǔn)。6）工作溫度范圍為-4085攝氏度7）低功耗，約15mW。ADC0809由單片機控制驅(qū)動，對傳感器進(jìn)行定式循環(huán)采集，然后單片機將各測量參數(shù)傳至PC機，進(jìn)行后臺數(shù)據(jù)處理。 2.3.4 傳感器電路系統(tǒng)選用B2119壓阻式壓力傳感器，壓阻式壓力傳感器是利用單晶硅的壓阻效應(yīng)制成的器件。這種傳感器精度高、工作可靠，容易實現(xiàn)數(shù)字化，比應(yīng)變式壓力傳感器體積小而輸出信號大。它是目前壓力測試中使用最多的一種傳感器。壓阻式壓

11、力傳感器使用集成電路工藝技術(shù)，在硅片上制造出四個等值的薄膜電阻，并組成電橋電路，當(dāng)不受到壓力作用時，電橋處于平衡狀態(tài)，無電壓輸出；當(dāng)受到壓力作用時，電橋失去平衡，電橋輸出電壓。電橋輸出的電壓與壓力成正比例。其工作原理圖如所示。 2.3.5 時鐘電路與復(fù)位電路 要使單片機按照設(shè)計要求正常工作，完整單片機最基本的工作要求，考慮到系統(tǒng)無需精確地定時功能，且為了方便串口通信波特率的計算，采用11.0592MHz的晶振提供系統(tǒng)時鐘。并附加復(fù)位電路，組成單片機最小系統(tǒng)。2.3.6 按鍵設(shè)計鍵盤在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中是一個很關(guān)鍵的部件，它能實現(xiàn)向單片機系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)、發(fā)送命令等功能，是人工干預(yù)單片機的主要手段?？?/p>

12、慮到本設(shè)計實際需要的按鍵較少，故采用獨立式鍵盤接口電路。在程序查詢方式下，通過I/O端口讀入按鍵狀態(tài)，當(dāng)有按鍵按下時，相應(yīng)的I/O端口變?yōu)榈碗娖?，而未被按下的按鍵在上拉電阻作用下為高電平，這樣通過讀I/O口的狀態(tài)判斷是否有按鍵按下。 2.3.7 顯示與A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)處理 系統(tǒng)中，顯示輸出的要求為壓縮BCD碼，而A/D轉(zhuǎn)換輸入的數(shù)據(jù)8位16進(jìn)制碼，因此在實現(xiàn)顯示之前需要編碼的轉(zhuǎn)換。對8位A/D轉(zhuǎn)換器而言，其十六進(jìn)制、相對滿偏電壓比率、相對電壓幅值的關(guān)系對應(yīng)如表十六進(jìn)制二進(jìn)制滿刻度比率相對電壓幅值Vref=2.5V高四位低四位高四位電壓低四位電壓F11111516152564.8000.320E

13、11101416142564.48000.280D11011316132564.1600.260C11001216122563.8400.240B10111116112563.5200.220A10101016102563.2000.2009100191692562.8800.1808100081682562.5600.1607011171672562.2400.1406011061662561.9200.1205010151652561.6000.1004010041642561.2800.0803001131632560.9600.0602001021622560.6400.0401000

14、111612560.3200.0200000001602560.0000.0002.3.8系統(tǒng)主程序流程圖 系統(tǒng)主程序的功能主要是完成對單片機的初始化，設(shè)置警戒液位的上下限，實時顯示液位值以及鍵盤掃描等工作。主程序流程圖如圖所示。 主程序流程圖 2.3.9 主程序主程序：ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0060H MAIN: MOV P1, #FFH ； P1 P3口初始置1 MOV P3，#FFH JNB P1.3 ，AVT ；若手動在自動位置，跳到自動模式程序AJMP MEN ；否則轉(zhuǎn)到手動模式子程序END AUT：NOP（空命令）JNB P1.2 , LG ； 水位高LG JB P1.1 LD ；水位沒低-LD CLR P3.1 ；水位低報警JB P1.0, LDD ；水位未低低-LDD CLR P3.0 ；水位低低報警JNB 3.1 P1.6, Y1 ；M1已啟動Y1 CLR P1.4 ；否則啟動M1 Y1:JNB P1.7 ,Y2 ；M2已啟動-Y2 CLR P1.5 ；否則啟動M2 Y2:ACALL DELAY ；延時1分鐘AJMP AUT ；返回自動模式LDD: JNB P1.6 ,Y3 ；單獨運行M1（LD