基于單片機(jī)的液位水溫控制

1、課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告 課程名稱_單片機(jī)綜合應(yīng)用設(shè)計(jì) 題目名稱基于單片機(jī)的水位水溫控制系統(tǒng)學(xué)生學(xué)院_電氣與信息工程學(xué)院 _ 專業(yè)班級(jí)_ 學(xué) 號(hào) 學(xué)生姓名_ 2014 年 7 月 4 日課程設(shè)計(jì)題目： 基于單片機(jī)的水位水溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)項(xiàng)目簡介1. 設(shè)計(jì)意義及目的早期溫度和水位的參數(shù)控制是通過模擬電路實(shí)現(xiàn)的。這種方式不僅電路復(fù)雜成本高而且誤差大，系統(tǒng)的穩(wěn)定性不好。單片機(jī)及微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用有效地解決了這些缺點(diǎn)，特別是傳感器的發(fā)展更好的提高了檢測參數(shù)的精度。選擇基于單片機(jī)的水溫水位控制系統(tǒng)是因?yàn)樗粌H在人們生活中具有顯著的意義，更重要的是能系統(tǒng)地聚溫度和水位參數(shù)于一身，對(duì)于

2、更好的掌握和認(rèn)識(shí)單片機(jī)的應(yīng)用和傳感器的應(yīng)用，系統(tǒng)地深刻認(rèn)識(shí)自動(dòng)控制的實(shí)際應(yīng)用，掌握復(fù)雜的多子系統(tǒng)地設(shè)計(jì)起到了很強(qiáng)的鍛煉作用。2. 系統(tǒng)功能描述本設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)由水位控制模塊和水溫控制模塊組成。水位控制部分主要由水位檢測、按鍵調(diào)整、水位控制和顯示等組成。水溫控制部分主要由溫度檢測、按鍵調(diào)整和顯示等組成。本設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)測量水位水溫方便、直觀成本較低較好地解決了工程應(yīng)用問題。3. 設(shè)計(jì)達(dá)到目標(biāo)對(duì)水池內(nèi)的溫度水位進(jìn)行監(jiān)測，用lcd1602進(jìn)行顯示，當(dāng)水位低于某個(gè)程度時(shí)，輸出啟動(dòng)抽水的控制信號(hào)，達(dá)到水位標(biāo)準(zhǔn)時(shí)停止抽水；當(dāng)溫度低于某個(gè)溫度時(shí)，輸出啟動(dòng)加熱裝置控制信號(hào)，達(dá)到指定溫度時(shí)，停止加熱。二、系統(tǒng)硬

3、件設(shè)計(jì)1. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 用51單片機(jī)作為中心處理器，用lcd1602顯示數(shù)據(jù)，用ds18b20測量溫度，用繼電器控制加熱工具加熱溫度，用超聲波測水液位，當(dāng)溫度到達(dá)一定溫度停止加熱，水位低于標(biāo)準(zhǔn)水位就啟動(dòng)水泵加水。圖12. 系統(tǒng)電路原理圖設(shè)計(jì)及說明本次設(shè)計(jì)用的是AT85C51作為主控制芯片 AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲(chǔ)器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以

4、反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃速存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。外形及引腳排列如圖2所示。LCD1602是本次用來顯示數(shù)據(jù)的顯示硬件液晶顯示器1602（Liquid Crytal Display）簡稱LCD1602，其主要原理是以電流刺激液晶分子產(chǎn)生點(diǎn)、線、面并配合背部燈光構(gòu)成畫面。1602表示每行顯示16個(gè)字符，

5、共有2行。LCD與51單片機(jī)連接如圖3圖3本次用的DS18B20測溫度，經(jīng)過cpu再轉(zhuǎn)換到LCD1602顯示DSl8B204數(shù)字溫度計(jì)提供9位(二進(jìn)制)溫度讀數(shù)，指示器件的溫度。信息經(jīng)過單線接口送入DSl8B20或從DSl8B20送出，因此從主機(jī)CPU到DSl8B20僅需一條線（和地線）。DSl8B20的電源可以由數(shù)據(jù)線本身提供而不需要外部電源，這允許在許多不同的地方放置溫度敏感器件。DSl8B20的測量范圍從-55攝式度到+125攝式度，增量值為0.5攝式度，可在l s(典型值)內(nèi)把溫度變換成數(shù)字。 用HC-SR04聲波測液位HC-SR04超聲波測距模塊可提供2cm-40

6、0cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達(dá)高到3mm；模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路?；竟ぷ髟恚?1)采用IO口TRIG觸發(fā)測距，給最少10us的高電平信呈。(2)模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40khz的方波，自動(dòng)檢測是否有信號(hào)返回；(3)有信號(hào)返回，通過IO口ECHO輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。測試距離=(高電平時(shí)間*聲速(340M/S)/2;圖6為蜂鳴器與單片機(jī)連接圖圖6圖7為按鍵電路圖7圖8為時(shí)鐘電路和復(fù)位電路時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需要的時(shí)鐘信號(hào)，單片機(jī)本身就是一個(gè)復(fù)雜的同步時(shí)序電路，為了保證同步工作方式的實(shí)現(xiàn)，電路應(yīng)在唯一的時(shí)鐘信號(hào)控制下嚴(yán)格地按

7、時(shí)序進(jìn)行工作。  在51芯片內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，其輸入端為芯片引腳1XTAL，輸出端為引腳2XTAL，在芯片的外部跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，形成反饋電路，就構(gòu)成了一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。 此電路采用12MHz的石英晶體。復(fù)位電路：復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤是系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為擺脫困境，也需要按復(fù)位鍵以重新啟動(dòng)。 RST引腳是單片機(jī)復(fù)位信號(hào)的輸入端，復(fù)位信號(hào)是高電平有效，其有效時(shí)間應(yīng)持續(xù)24個(gè)振蕩周期（即2個(gè)機(jī)器周期）以上，若使用頻率為12MHz的晶振，則復(fù)位信號(hào)持續(xù)時(shí)間應(yīng)超過4ms才能完

8、成復(fù)位操作。復(fù)位操作有上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵手動(dòng)復(fù)位兩種方式。上電自動(dòng)復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實(shí)現(xiàn)的 三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)1. 軟件設(shè)計(jì)方案圖112. 軟件設(shè)計(jì)框圖及說明本系統(tǒng)中，主程序主要分兩部分，分別是設(shè)置部分和工作部分。設(shè)置部分需要調(diào)用設(shè)置子程序，工作時(shí)需要調(diào)用顯示屏初始化、鍵盤掃描、錯(cuò)誤檢驗(yàn)、溫度讀取、顯示、繼電器控制、延時(shí)子程序。因?yàn)橄到y(tǒng)開始工作時(shí)需要先設(shè)置目標(biāo)溫度，所以需要設(shè)置子程序。目標(biāo)溫度設(shè)置好之后可以在工作中微調(diào)。工作時(shí)首先要將顯示屏初始化，這樣才能保證顯示屏的工作。因?yàn)樾枰⒄{(diào)，所以除了設(shè)置子程序之外，主程序也需要調(diào)用鍵盤掃描和錯(cuò)誤檢驗(yàn)程序。之后，需要顯示目標(biāo)溫度和實(shí)際溫

9、度的比較，于是需要從傳感器讀取溫度值，即溫度讀取子程序。讀到溫度之后，需要將兩個(gè)溫度顯示出來，于是需要調(diào)用顯示子程序。當(dāng)然，因?yàn)橐刂粕郎亟禍卦O(shè)備，所有還需要繼電器控制子程序。最后，延時(shí)，否則屏幕會(huì)持續(xù)閃動(dòng)系統(tǒng)無法正常使用。 溫度傳感器圖13四、設(shè)計(jì)調(diào)試及結(jié)果分析（做實(shí)物的同學(xué)給出實(shí)際調(diào)試結(jié)果，附結(jié)果圖片；仿真的同學(xué)寫仿真結(jié)果分析，給出仿真結(jié)果圖）五、 結(jié)束語本次設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)：本系統(tǒng)簡單可行，所用原件均為市場主流原件，造價(jià)低廉并能準(zhǔn)確完成我們需要的對(duì)溫度的顯示和控制等功能。并且通過LCD液晶顯示明確直觀地將目標(biāo)溫度和現(xiàn)場實(shí)際溫度顯示出來，便于我們觀察和記錄。本次設(shè)計(jì)缺點(diǎn)：焊接電路的時(shí)候有虛焊，有的

10、元件連接不好，控制系統(tǒng)部署很靈敏通過這次課題設(shè)計(jì)，我對(duì)單片機(jī)的工作原理有了更深一步的了解，對(duì)于I/O工作方式更加明確，并且在應(yīng)用上掌握了不少方法。在與同學(xué)們交流中，也發(fā)現(xiàn)不少問題，并且及時(shí)的做出相應(yīng)的更改，還有一些應(yīng)用巧妙的方法，這些使我對(duì)單片機(jī)技術(shù)能更靈活的應(yīng)用。致謝：多謝老師在課堂上傳授的知識(shí)，感謝隊(duì)員的各方面的幫助，讓我可以完成這個(gè)課程設(shè)計(jì)，讓我學(xué)到了很多東西，以前不懂的地方經(jīng)過同學(xué)指點(diǎn)已經(jīng)基本可以明白。六、 附錄1. 電路原理圖整體繪制圖2. 電路PCB圖整體繪制圖3. 相關(guān)程序代碼#include<reg52.h>#include<intrins.h>#def

11、ine uint unsigned int#define uchar unsigned char#define NOP() _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();#define LCD_DATA P2sbit DSPORT=P10; /DS18b20sbit Heat = P00; /溫度控制繼電器sbit Push = P01;/抽水控制/-Beep-sbit BEEP = P11;/sbit LED = P14;/-Key-sbit AUTO = P34;sbit MOV = P35;sbit ADD = P36;sbit DEC = P37; /sbit EN

12、= P24;sbit INT = P33;/-LCD引腳-sbit LCD_RS=P04;sbit LCD_RW=P05;sbit LCD_EN=P06;/-超聲波引腳-sbit Tx=P31;/觸發(fā)控制信號(hào)輸入sbit Rx=P32;/回響信號(hào)輸出 uchar temp_dis = "N:00.0 C 000.0cm"/LCD第一行uchar table = " :00.0 C 000.0cm"/LCD第二行顯示uchar Hand_table= "H: heat push "/uchar Auto_table= "A:0

13、0.0 C 000.0cm"uchar Set_Table7 =3,6,0,0,2,0,0;/設(shè)定溫度值，水位值數(shù)組uchar Con_Flag=0;/控制標(biāo)志位1為自動(dòng)，0為手動(dòng)uchar aa=0, bb=0;long int t,distance,S_Distance=0,R_Distance=0;/L=500;/distance=超聲波安裝點(diǎn) 與 水面的距離,水深=超聲波安裝點(diǎn)-distancelong int temp = 0,S_Temp=0,R_Temp=0;int TError=0,DError=0;uchar cache4=0,0,0,0;uchar datas3

14、= 0,0,0; /定義數(shù)組/double Kp=0.0;/PID控制的比例、積分、微分常數(shù)/* 函 數(shù) 名 : Delay1ms* 函數(shù)功能 : 延時(shí)函數(shù)* 輸 入 : 無* 輸 出 : 無*/void Delay1ms(uint ms)uint t;while(ms-)for(t=0;t<120;t+);/* 函 數(shù) 名 : Init_Config* 函數(shù)功能 : 中斷配置* 輸 入 : 無* 輸 出 : 無*/void Init_Config(void)TMOD=0x19;TR0=1;/啟動(dòng)定時(shí)器EX0=1;/開外部中斷IT0=1;EX1=1;IT1=1;PX0=1;PX1=0;E

15、A=1;/開總中斷/* 函 數(shù) 名 : read_lcd_state* 函數(shù)功能 : 讀取LCD狀態(tài)* 輸 入 : 無* 輸 出 : 無*/uchar read_lcd_state()uchar state;LCD_RS=0;LCD_RW=1;LCD_EN=1;_nop_();state=LCD_DATA;LCD_EN=0;_nop_();return state;/* 函 數(shù) 名 : lcd_busy_wait* 函數(shù)功能 : LCD測忙* 輸 入 : 無* 輸 出 : 無*/void lcd_busy_wait()while(read_lcd_state() & 0x80)=0x8

16、0);NOP();/* 函 數(shù) 名 : lcd_write_com* 函數(shù)功能 : 寫命令入LCD* 輸 入 : 無* 輸 出 : 無*/void lcd_write_com(uchar com)lcd_busy_wait();LCD_RS=0;/RS為0時(shí)，寫指令，RS為1時(shí)，寫數(shù)據(jù)LCD_RW=0;LCD_DATA=com;NOP();LCD_EN=1;NOP();LCD_EN=0;/* 函 數(shù) 名 : lcd_write_data* 函數(shù)功能 : 寫數(shù)據(jù)入LCD* 輸 入 : dat* 輸 出 : 無*/void lcd_write_data(uchar dat)lcd_busy_wai

17、t();LCD_RS=1;LCD_RW=0;LCD_DATA=dat;NOP();LCD_EN=1;NOP();LCD_EN=0;/* 函 數(shù) 名 : lcd_init* 函數(shù)功能 : LCD初始化* 輸 入 : 無* 輸 出 : 無*/void lcd_init()LCD_EN=0;lcd_write_com(0x38);/LCD顯示模式設(shè)置lcd_write_com(0x0c);/LCD顯示開/關(guān)及光標(biāo)設(shè)置lcd_write_com(0x06);/當(dāng)寫一個(gè)字符后地址指針加1，且光標(biāo)加1lcd_write_com(0x01);/顯示清屏/* 函 數(shù) 名 : set_lcd_pos* 函數(shù)功能

18、 : 設(shè)置LCD顯示地址* 輸 入 : p* 輸 出 : 無*/void set_lcd_pos(uchar p)lcd_write_com(p|0x80);/* 函 數(shù) 名 : lcd_print* 函數(shù)功能 : 打印顯示字符* 輸 入 : p,*s,low* 輸 出 : 無*/void lcd_print(uchar p,uchar *s,uint low)uint num;set_lcd_pos(p);for(num=0;num<low;num+)lcd_write_data(snum);Delay1ms(1);void HC05_Init()Tx=1;/觸發(fā)脈沖NOP();NOP

19、();NOP();NOP();Tx=0;distance=0.17*t;/距離計(jì)算/distance=L-distance;/水深/* 函 數(shù) 名 : distance_convert* 函數(shù)功能 : 距離裝換* 輸 入 : Ldat* 輸 出 : 無*/void distance_convert(long int Ldat)cache0=Ldat/1000;cache1=Ldat/100%10;cache2=Ldat/10%10;cache3=Ldat%10;temp_dis9=cache0+'0'temp_dis10=cache1+'0'temp_dis11

20、=cache2+'0'temp_dis13=cache3+'0'/* 函 數(shù) 名 : Ds18b20Init* 函數(shù)功能 : 初始化DS18b20* 輸 入 : 無* 輸 出 : 無*/uchar Ds18b20Init()uchar i;DSPORT = 0; /將總線拉低480us960usi = 70;while(i-); /延時(shí)642usDSPORT = 1;/然后拉高總線，如果DS18B20做出反應(yīng)會(huì)將在15us60us后總線拉低i = 0;while(DSPORT)/等待DS18B20拉低總線i+;if(i>5)/等待>5MSreturn

21、 0;/初始化失敗Delay1ms(1);return 1;/初始化成功/* 函 數(shù) 名 : Ds18b20WriteByte* 函數(shù)功能 : 向18B20寫入一個(gè)字節(jié)* 輸 入 : Tdat* 輸 出 : 無/*/void Ds18b20WriteByte(uchar Tdat)uint i, j;for(j=0; j<8; j+)DSPORT = 0; /每寫入一位數(shù)據(jù)之前先把總線拉低1usi+;DSPORT = Tdat & 0x01; /然后寫入一個(gè)數(shù)據(jù)，從最低位開始i=6;while(i-); /延時(shí)68us，持續(xù)時(shí)間最少60usDSPORT = 1;/然后釋放總線，至

22、少1us給總線恢復(fù)時(shí)間才能接著寫入第二個(gè)數(shù)值Tdat >>= 1;/* 函 數(shù) 名 : Ds18b20ReadByte* 函數(shù)功能 : 讀取一個(gè)字節(jié)* 輸 入 : 無* 輸 出 : 無*/uchar Ds18b20ReadByte()uchar byte, bi;uint i, j;for(j=8; j>0; j-)DSPORT = 0;/先將總線拉低1usi+;DSPORT = 1;/然后釋放總線i+;i+;/延時(shí)6us等待數(shù)據(jù)穩(wěn)定bi = DSPORT; /讀取數(shù)據(jù)，從最低位開始讀取/*將byte左移一位，然后與上右移7位后的bi，注意移動(dòng)之后移掉那位補(bǔ)0。*/byte

23、= (byte >> 1) | (bi << 7); i = 4;/讀取完之后等待48us再接著讀取下一個(gè)數(shù)while(i-);return byte;/* 函 數(shù) 名 : Ds18b20ChangTemp* 函數(shù)功能 : 讓18b20開始轉(zhuǎn)換溫度* 輸 入 : 無* 輸 出 : 無*/void Ds18b20ChangTemp()Ds18b20Init();Delay1ms(1);Ds18b20WriteByte(0xcc);/跳過ROM操作命令 Ds18b20WriteByte(0x44); /溫度轉(zhuǎn)換命令Delay1ms(100);/等待轉(zhuǎn)換成功，而如果你是一直刷

24、著的話，就不用這個(gè)延時(shí)了 /* 函 數(shù) 名 : Ds18b20ReadTempCom* 函數(shù)功能 : 發(fā)送讀取溫度命令* 輸 入 : 無* 輸 出 : 無*/void Ds18b20ReadTempCom()Ds18b20Init();Delay1ms(1);Ds18b20WriteByte(0xcc); /跳過ROM操作命令Ds18b20WriteByte(0xbe); /發(fā)送讀取溫度命令/* 函 數(shù) 名 : Ds18b20ReadTemp* 函數(shù)功能 : 讀取溫度* 輸 入 : 無* 輸 出 : 無*/int Ds18b20ReadTemp()uchar tmh, tml;uchar da

25、tas3 = 0,0,0; /定義數(shù)組Ds18b20ChangTemp(); /先寫入轉(zhuǎn)換命令Ds18b20ReadTempCom();/然后等待轉(zhuǎn)換完后發(fā)送讀取溫度命令tml = Ds18b20ReadByte();/讀取溫度值共16位，先讀低字節(jié)tmh = Ds18b20ReadByte();/再讀高字節(jié)temp = tmh;temp <<= 8;temp |= tml;temp=temp*0.625;return temp; /* 函 數(shù) 名 : Ds1820Disp* 函數(shù)功能 : DS18b20的顯示* 輸 入 : Tdata* 輸 出 : 無*void LcdDispl

26、ay(int Tdata) /lcd顯示 datas0 = Tdata % 1000 /100 ;datas1 = Tdata % 100 / 10;datas2 = Tdata % 10 ;temp_dis2=datas0+'0'temp_dis3=datas1+'0'temp_dis5=datas2+'0'temp_dis6=0xdf;/攝氏度符號(hào)/* 函 數(shù) 名 : Read_Value* 函數(shù)功能 : 寫入溫度值、水位值的顯示* 輸 入 : 無* 輸 出 : 無*/void Write_Value(void) /溫度值 table2= S

27、et_Table0+'0' /十位 table3= Set_Table1+'0' /個(gè)位 table5 = Set_Table2+'0' /小數(shù)位 table6 = 0xdf; /水位值 table9= Set_Table3+'0' table10= Set_Table4+'0' table11= Set_Table5+'0' table13= Set_Table6+'0' /* 函 數(shù) 名 : Read_Value* 函數(shù)功能 : 讀取溫度值、水位值的顯示* 輸 入 : 無* 輸

28、出 : 無*void Read_Set_Value(void)S_Distance= Set_Table3*1000+Set_Table4*100+Set_Table5*10+Set_Table6; 水位S_Temp= Set_Table0*100+Set_Table1*10+Set_Table2; 溫度/* 函 數(shù) 名 : Read_Value* 函數(shù)功能 : 讀取溫度值、水位值的顯示* 輸 入 : 無* 輸 出 : 無*void Read_Real_Value(void)R_Distance = cache0*1000+cache1*100+cache2*10+cache3;R_Temp

29、= datas0*100+datas1*10+datas2;/* 函 數(shù) 名 : Auto_Temp_Control* 函數(shù)功能 : * 輸 入 : 無* 輸 出 : 無*void Auto_Temp_Control(void)if(TError>20) Heat=0;else if(TError<-20)Heat=1;/* 函 數(shù) 名 : Auto_Distance_Control* 函數(shù)功能 : * 輸 入 : 無* 輸 出 : 無*void Auto_Distance_Control()if(DError>50) Push=0;else if(DError<-10

30、)Push=1;/* 函 數(shù) 名 : Auto_Activity* 函數(shù)功能 : 自動(dòng)* 輸 入 : 無* 輸 出 : 無*void Auto_Activity(void)while(1)table0='S'LcdDisplay(temp);lcd_print(0x00,temp_dis,16);Set_Tablebb=aa;Write_Value();lcd_print(0x40,table,16);Delay1ms(1);HC05_Init();distance_convert(distance);Ds18b20ReadTemp();Set_Tablebb=0x5f;Wri

31、te_Value();lcd_print(0x40,table,16);if(!MOV)Delay1ms(1);bb+;if(bb=7)bb=0;else if(!ADD)Delay1ms(1);aa+;if(aa=10)aa=0;Set_Tablebb=aa;else if(!DEC)if(aa=0)aa=10;Delay1ms(1);aa-;Set_Tablebb=aa;else if(!AUTO)Read_Set_Value();break;else if(!AUTO)break;/* 函 數(shù) 名 : Hand_Activity* 函數(shù)功能 : 手動(dòng)模式配置* 輸 入 : 無* 輸 出 : 無*void Hand_Activity(void)if(!ADD) /手動(dòng)加熱Heat=0;Hand_table3='H'Hand_table4='E'Hand_table5='A'Hand_table6='T'elseHeat=1;Hand_table3='h'Hand_table4='e'Hand_table5='a'Hand_table6='t'if(!DEC)/手動(dòng)抽水Push=0;Hand_table9='P'