基于單片機(jī)的水位控制器設(shè)計(jì)

1、分?jǐn)?shù)： 評(píng)語(yǔ)：專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告(Part )題目：基于單片機(jī)的水位控制器設(shè)計(jì)學(xué) 生 姓 名：學(xué) 號(hào)：指 導(dǎo) 教 師：二一六年一月目 錄1 緒論1 1.1 實(shí)驗(yàn)課題來(lái)源與背景1 1.1.1 課題來(lái)源1 1.1.2 課題背景1 1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1 1.3 實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵? 1.3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 1.3.2 基本要求2 1.4 實(shí)驗(yàn)所需相關(guān)知識(shí)2 1.4.1 水箱水位自動(dòng)控制系統(tǒng)2 1.4.2 AT89C51單片機(jī)（控制器）32 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程4 2.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求4 2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案流程圖4 2.3 Proteus生成PCB具體操作流程53 原理圖設(shè)計(jì)5 3.1 Proteus概述5 3.

2、2 電路原理圖所用元器件介紹7 3.2.1 水位檢測(cè)傳感器7 3.2.2 復(fù)位電路的設(shè)計(jì)7 3.2.3 光報(bào)警電路的設(shè)計(jì)8 3.2.4 泵的簡(jiǎn)介及泵的相關(guān)參數(shù)84 設(shè)計(jì)原理和電路圖9 4.1 設(shè)計(jì)原理9 4.1.1水位控制原理9 4.1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖10 4.1.3 控制方案說(shuō)明10 4.1.4 元件清單11 4.1.5 電路原理圖11 4.2 PCB 板圖115 實(shí)驗(yàn)總結(jié)11附錄：實(shí)驗(yàn)電路原理圖13附錄：PCB圖14附錄三：三維視圖151 緒論1.1 實(shí)驗(yàn)課題來(lái)源與背景1.1.1 課題來(lái)源在武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院自動(dòng)化系本科生的教學(xué)課程中，安排學(xué)生學(xué)習(xí)了自動(dòng)控制理論、智能化儀器儀表原理與應(yīng)

3、用等課程，學(xué)生已初步掌握了單片機(jī)的基本原理以及水位控制的系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，為增強(qiáng)學(xué)生的自主動(dòng)手操作與實(shí)際解決問(wèn)題的能力，將學(xué)到的知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合，故將學(xué)生專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)課題定為“基于單片機(jī)的水位控制器設(shè)計(jì)”。1.1.2 課題背景在生產(chǎn)領(lǐng)域中，實(shí)現(xiàn)水位自動(dòng)檢測(cè)和控制是工業(yè)過(guò)程控制的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)于提高工業(yè)過(guò)程控制的自動(dòng)化水平有著重要的意義。在生活領(lǐng)域中，供水方式過(guò)去一般是通過(guò)人工來(lái)實(shí)現(xiàn)控制，容易造成對(duì)水資源的浪費(fèi)，所以現(xiàn)在人們?cè)絹?lái)越關(guān)注水資源的問(wèn)題。目前，水位控制系統(tǒng)是受到廣泛應(yīng)用的供水系統(tǒng)，水位控制可以有多種實(shí)現(xiàn)方法，如機(jī)械控制、邏輯電路控制、機(jī)電控制、傳感器控制等，但傳統(tǒng)的控制方式存在控制精

4、度低、能耗大、不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制和跟蹤水位的特點(diǎn)，采用單片機(jī)對(duì)水位進(jìn)行控制，不僅具有控制方便、簡(jiǎn)單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅提高被控水位的技術(shù)指標(biāo)，從而大大提高控制的效果，更加符合人們的預(yù)期。1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容針對(duì)水箱水位自動(dòng)控制系統(tǒng)，要求設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)的控制器，其完成過(guò)程需要以下步驟：1、學(xué)習(xí)水箱水位自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作過(guò)程，了解控制器所需的功能及要求。2、學(xué)習(xí)單片機(jī)的各部件的工作原理和工作過(guò)程。3、學(xué)習(xí)Proteus 的使用方法。4、參考AT89C51單片機(jī)開(kāi)發(fā)板設(shè)計(jì)水位控制器，并利用 Proteus繪制電路原理圖和 PCB 板圖。1.3 實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?.3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、培養(yǎng)掌握、

5、使用實(shí)用電子線路、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真軟件的能力。2、提高讀圖、分析線路和正確繪制設(shè)計(jì)線路、系統(tǒng)的能力。1.3.2 基本要求1、了解原理圖設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、了解設(shè)計(jì)環(huán)境設(shè)置、學(xué)習(xí) Proteus 軟件的功能及使用方法。2、掌握繪制原理圖的各種工具、利用軟件繪制原理圖。3、掌握編輯元器件的方法構(gòu)造原理圖元件庫(kù)。4、熟練掌握手工繪制電路版的方法。5、掌握繪制編輯元件封裝圖的方法，自己構(gòu)造印制板元件庫(kù)。6、了解電路板設(shè)計(jì)的一般規(guī)則、利用軟件繪制原理圖并自動(dòng)生成印制板圖。1.4 實(shí)驗(yàn)所需相關(guān)知識(shí)1.4.1 水箱水位自動(dòng)控制系統(tǒng)水箱水位自動(dòng)控制系統(tǒng)如圖 1.1。圖1.1 水箱水位自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)定水位上、下限，到

6、達(dá)或超過(guò)上限時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，到達(dá)或低于下限時(shí)，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)。1.4.2 AT89C51單片機(jī)（控制器）AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS8位單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除100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和閃爍存儲(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(jiǎn)版本。89C

7、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。單片機(jī)結(jié)構(gòu)功能如下：8位CPU4kbytes程序存儲(chǔ)器(ROM) (52為8K)128bytes的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM) （52有256bytes的RAM）32條I/O口線111條指令，大部分為單字節(jié)指令21個(gè)專用寄存器2個(gè)可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器5個(gè)中斷源，2個(gè)優(yōu)先級(jí)（52有6個(gè)）一個(gè)全雙工串行通信口外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器尋址空間為64kB外部程序存儲(chǔ)器尋址空間為64kB邏輯操作位尋址功能雙列直插40PinDIP封裝單一+5V電源供電CPU：由運(yùn)算和控制邏輯組成，同時(shí)還包括中斷系統(tǒng)和部分外部特殊功能寄存器；RAM：用以存放可以讀寫(xiě)的數(shù)據(jù)，如運(yùn)算的中間

8、結(jié)果、最終結(jié)果以及欲顯示的數(shù)據(jù)；ROM：用以存放程序、一些原始數(shù)據(jù)和表格；I/O口：四個(gè)8位并行I/O口，既可用作輸入，也可用作輸出T/C：兩個(gè)定時(shí)/記數(shù)器，既可以工作在定時(shí)模式，也可以工作在記數(shù)模式；五個(gè)中斷源的中斷控制系統(tǒng)；一個(gè)全雙工UART（通用異步接收發(fā)送器）的串行I/O口，用于實(shí)現(xiàn)單片機(jī)之間或單片機(jī)與微機(jī)之間的串行通信；片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘產(chǎn)生電路，石英晶體和微調(diào)電容需要外接。最佳振蕩頻率為6M12M。2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程2.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求設(shè)計(jì)內(nèi)容：根據(jù)題目要求的指標(biāo)，通過(guò)查閱有關(guān)資料，確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并設(shè)計(jì)其硬件電路，繪制電路原理圖，并繪制 PCB 板。設(shè)計(jì)要求：在水箱內(nèi)部設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)

9、易的水位探測(cè)器用來(lái)探測(cè)三個(gè)水位，即：低水位、正常水位、高水位。低水位時(shí)送給單片機(jī)一個(gè)高電平，驅(qū)動(dòng)水泵加水，紅燈亮；正常水位時(shí)，水泵加水，綠燈亮；高水位時(shí)，驅(qū)動(dòng)水泵停止工作，黃燈亮。用兩個(gè)開(kāi)關(guān)按鈕的狀態(tài)來(lái)表示水位的變化，即按鈕的接通和斷開(kāi)狀態(tài)分別用數(shù)字0、1表示，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)際的仿真功能。2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案流程圖1、 原理圖設(shè)計(jì)流程，如圖 2.1。圖2.1 原理圖設(shè)計(jì)流程2、PCB設(shè)計(jì)流程圖，如圖2.2。圖2.2 PCB 設(shè)計(jì)流程圖2.3 Proteus生成PCB具體操作流程 1、 繪制電路原理圖，并仿真調(diào)試。2、 加載網(wǎng)絡(luò)表及元件封裝。進(jìn)入Proteus的ARES界面，通過(guò)工具導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)圖表到AR

10、ES，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)添加元件封裝。3、 規(guī)劃電路板并設(shè)置相應(yīng)參數(shù)。1） 選擇Board Edge選項(xiàng)，在繪圖工具欄，繪制方框按鈕。2） 進(jìn)行元件布局，布線并調(diào)整。4、 輸出及制作PCB單擊Output選項(xiàng)中的Set Output Area選項(xiàng)，按住鼠標(biāo)左鍵并拖動(dòng)，選擇要輸出的版圖，在打印布線層和布局層時(shí)，分別進(jìn)行不同的設(shè)置。3 原理圖設(shè)計(jì)3.1 Proteus概述Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)

11、，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。Proteus軟件具有其它EDA工具軟件（例：multisim）的功能。這些功能包括：1原理布圖2PCB自動(dòng)或人工布線3SPICE電路仿真另外，Proteus具有一些獨(dú)特的特點(diǎn)1互動(dòng)的電路仿真用戶可以實(shí)時(shí)采用諸如RAM，ROM，鍵盤(pán)，馬達(dá)，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。2仿真處理器及其外圍

12、電路可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流單片機(jī)。還可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，再配合顯示及輸出，能看到運(yùn)行后輸入輸出的效果。配合系統(tǒng)配置的虛擬邏輯分析儀、示波器等，Proteus建立了完備的電子設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)環(huán)境。Proteus具有豐富的資源用于仿真1Proteus可提供的仿真元器件資源：仿真數(shù)字和模擬、交流和直流等數(shù)千種元器件，有30多個(gè)元件庫(kù)。2Proteus可提供的仿真儀表資源 ：示波器、邏輯分析儀、虛擬終端、SPI調(diào)試器、I2C調(diào)試器、信號(hào)發(fā)生器、模式發(fā)生器、交直流電壓表、交直流電流表。理論上同一種儀器可以在一個(gè)電路中隨意的調(diào)用。3除了現(xiàn)實(shí)存在的儀器外，Proteu

13、s還提供了一個(gè)圖形顯示功能，可以將線路上變化的信號(hào)，以圖形的方式實(shí)時(shí)地顯示出來(lái)，其作用與示波器相似，但功能更多。這些虛擬儀器儀表具有理想的參數(shù)指標(biāo)，例如極高的輸入阻抗、極低的輸出阻抗。這些都盡可能減少了儀器對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。4Proteus可提供的調(diào)試手段 Proteus提供了比較豐富的測(cè)試信號(hào)用于電路的測(cè)試。這些測(cè)試信號(hào)包括模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。3.2 電路原理圖所用元器件介紹3.2.1 水位檢測(cè)傳感器傳感器是一種能感受被測(cè)物體物理量并將其轉(zhuǎn)化為便于傳輸或者處理的電信號(hào)的裝置。在現(xiàn)代科技領(lǐng)域中，傳感器得到了廣泛的應(yīng)用，各類信息的采集均可見(jiàn)到傳感器的身影，傳感器的基本功能在于能感受外界的各種“刺

14、激”，并作出迅速反應(yīng)。在實(shí)驗(yàn)中，我們采用的傳感器較為簡(jiǎn)單，其外形輪廓如圖3.1：圖3.1 水位檢測(cè)傳感器實(shí)驗(yàn)仿真中，我們用按鈕開(kāi)關(guān)來(lái)作為傳感器的原始狀態(tài)即用按鈕的狀態(tài)來(lái)表示傳感器的傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。3.2.2 復(fù)位電路的設(shè)計(jì)如圖3.2所示，復(fù)位電路由兩個(gè)電容串聯(lián)后再晶振片并聯(lián)組成：圖3.2 單片機(jī)復(fù)位電路圖3.2.3 光報(bào)警電路的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中，光報(bào)警電路的設(shè)計(jì)用不同顏色的發(fā)光二極管表示不同水位的情況，來(lái)作為報(bào)警信號(hào)。當(dāng)紅燈亮，其他兩燈不亮，表示是低水位狀態(tài)，此時(shí)需要啟動(dòng)水泵加水；當(dāng)綠燈亮其他兩燈不亮，表示在正常的水位線內(nèi)，此時(shí)水泵不停止工作，繼續(xù)向水箱加水；當(dāng)黃燈亮，其他兩燈不亮，表示高水位狀態(tài)，水泵

15、停止工作，不向水箱加水；若出現(xiàn)其他情況，則表示系統(tǒng)出現(xiàn)故障，三燈均不亮，馬達(dá)不轉(zhuǎn)動(dòng)。光報(bào)警電路的設(shè)計(jì)路圖如圖3.3所示：圖3.3 光報(bào)警電路原理圖電路中采用共陽(yáng)極連接，只有當(dāng)單片機(jī)給發(fā)光二極管為低電平時(shí)才能推動(dòng)發(fā)光二極管點(diǎn)亮，其中R2、R3、R4為上拉電阻，起限壓控流作用。3.2.4 泵的簡(jiǎn)介及泵的相關(guān)參數(shù)泵，一種用以增加液體或氣體的壓力，使之輸送流動(dòng)的機(jī)械，是一種用來(lái)移動(dòng)液體、氣體或特殊流體介質(zhì)的裝置，即是對(duì)流體作功的機(jī)械。 主要有容積式泵：利用工作腔容積周期變化來(lái)輸送液體；葉片泵：利用葉片和液體相互作用來(lái)輸送液體。水泵具有不同的用途，不同的輸送液體介質(zhì)，不同的流量、揚(yáng)程的范圍，因此，它的結(jié)

16、構(gòu)形式當(dāng)然也不一樣，材料也不同，概括起來(lái)，大致可以分為：1 、城市供水 2 、污水系統(tǒng) 3 、土木、建筑系統(tǒng) 4 、農(nóng)業(yè)水利系統(tǒng) 5 、電站系統(tǒng)6 、化工系統(tǒng) 7 、石油工業(yè)系統(tǒng) 8 、礦山冶金系統(tǒng) 9 、輕工業(yè)系統(tǒng) 10 、船舶系統(tǒng)。水泵的參數(shù)主要有：1、流量流量是泵在單位時(shí)間內(nèi)輸送出去的液體量（體積或質(zhì)量）。體積流量用Q表示，單位是：m3/s，m3/h，l/s等。質(zhì)量流量用Qm表示，單位是：t/h，kg/s等。2、揚(yáng)程揚(yáng)程是水泵所抽送的單位重量液體從泵進(jìn)口處（泵進(jìn)口法蘭）到泵出口處（泵出口法蘭）能量的增值。也就是一牛頓液體通過(guò)泵獲得的有效能量。其單位是N·m/N=m，即泵抽送液體

17、的液柱高度，習(xí)慣簡(jiǎn)稱為米。3、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速是泵軸單位時(shí)間的轉(zhuǎn)數(shù)，用符號(hào)n表示，單位是r/min。4、汽蝕余量汽蝕余量又叫凈正吸頭，是表示汽蝕性能的主要參數(shù)。汽蝕余量國(guó)內(nèi)曾用h表示。5、功率和效率水泵的功率通常是指輸入功率，即原動(dòng)機(jī)傳支泵軸上的功率，故又稱為軸功率，用P表示；泵的有效功率又稱輸出功率，用Pe表示。它是單位時(shí)間內(nèi)從泵中輸送出去的液體在泵中獲得的有效能量。4 設(shè)計(jì)原理和電路圖4.1 設(shè)計(jì)原理4.1.1水位控制原理當(dāng)水位處于低水位時(shí)，傳感器的低水位探測(cè)線淹沒(méi)，被+5V電壓源導(dǎo)通，取得一個(gè)高電平信號(hào)，此信號(hào)被送入單片機(jī)的P1.0口，另一個(gè)傳感器沒(méi)有被電源導(dǎo)通，所以在P1.1口依然輸入低電平，

18、通過(guò)單片機(jī)的分析，在P1.2口輸出一低電平，驅(qū)動(dòng)紅燈亮，P1.5輸出一個(gè)信號(hào)馬達(dá)導(dǎo)通，從而是馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，水泵加水。當(dāng)水位處于正常范圍內(nèi)時(shí)，水泵加水，在P1.3引腳輸出一個(gè)低電平，使綠燈亮，馬達(dá)不停止工作，繼續(xù)加水。當(dāng)水位在高水位區(qū)時(shí)，傳感器的兩根探測(cè)線均被淹沒(méi)，均被+5V電源導(dǎo)通，送入單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)分析，在P1.4引腳出來(lái)一個(gè)低電平，使黃燈亮，在P1.5引腳出來(lái)一個(gè)輸出一個(gè)低電平，不能是馬達(dá)導(dǎo)通，馬達(dá)不轉(zhuǎn)動(dòng)，水泵不能加水。出現(xiàn)其他情況，則表示系統(tǒng)出現(xiàn)故障，三燈均不亮，馬達(dá)不轉(zhuǎn)動(dòng)。4.1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4.1：圖4.1 水位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖采用單片機(jī)AT89C51作為控制芯片，主要過(guò)

19、程是當(dāng)高塔中的水在低水位時(shí)，水位探測(cè)傳感器送給單片機(jī)一個(gè)高電平，然后單片機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵加水，并且是紅燈變亮；當(dāng)水位在正常水位時(shí)，水泵加水且綠燈亮；當(dāng)水位在高水位時(shí)，單片機(jī)不能驅(qū)動(dòng)水泵加水，黃燈亮。當(dāng)出現(xiàn)其他情況時(shí)，表示系統(tǒng)出現(xiàn)故障。在實(shí)驗(yàn)中，直接用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)小馬達(dá)來(lái)代替實(shí)際電路中配合單片機(jī)驅(qū)動(dòng)繼電器線圈控制實(shí)際水泵工作。4.1.3 控制方案說(shuō)明單片機(jī)技術(shù)是信息時(shí)代用于緊密測(cè)量的一種新技術(shù)，系統(tǒng)使用過(guò)程中采用穩(wěn)壓電路，能夠準(zhǔn)確地把輸入電平送入單片機(jī)而不會(huì)產(chǎn)生誤判的情況，由于單片機(jī)AT89C51有四個(gè)端口，20引腳，能夠非常方便地設(shè)計(jì)顯示系統(tǒng)。4.1.4 元件清單實(shí)驗(yàn)所用元件清單如表4.1表4.1 實(shí)驗(yàn)所用元件清單4.1.5 電路原