單片機(jī)水位控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)(論文)題 目 名 稱： 課 程 名 稱： 學(xué) 生 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 學(xué) 院： 指 導(dǎo) 教 師： 課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書分院信息科學(xué)與工程學(xué)院專業(yè)自動(dòng)化學(xué)生姓名學(xué)號(hào)0設(shè)計(jì)題目基于單片機(jī)的水位檢測(cè)儀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求：利用MCS-51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)水位檢測(cè)儀系統(tǒng)，用兩個(gè)數(shù)碼管實(shí)時(shí)地顯示當(dāng)前水位，并能根據(jù)設(shè)定的水位值控制水位。1、要求設(shè)計(jì)水位檢測(cè)的硬件電路，給出電路原理圖和元器件清單；2、要求給出軟件流程圖并編寫程序源代碼；3、完成系統(tǒng)的調(diào)試，給出調(diào)試結(jié)果并分析；4、撰寫符合要求的課程設(shè)計(jì)說明書。進(jìn)度及安排：1、收集和課程有關(guān)的資料，熟悉課題任務(wù)和要求；2、總體方案設(shè)計(jì)；3、硬

2、件電路設(shè)計(jì)；4、軟件設(shè)計(jì)；5、系統(tǒng)調(diào)試改進(jìn)；6、整理、書寫設(shè)計(jì)說明書及答辯。指導(dǎo)教師（簽字）：年 月 日分院院長(zhǎng)（簽字）：年 月 日目 錄摘   要.4引言.51幾種方案的比較.61.1 簡(jiǎn)單的機(jī)械式控制方式  .61.2 復(fù)雜控制器控制方案.6 1.3通過水位變化上下限的控制方式.62水塔水位控制原理 .8 3電路設(shè)計(jì).93.1原件的介紹.93.2引腳功能.10 3.3 水位檢測(cè)接口電路.133.4報(bào)警接口電路.14 3.5 存儲(chǔ)器擴(kuò)展接口電路. .144系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).154.1 流程圖.154.2程序.165實(shí)

3、驗(yàn)仿真.186結(jié)語.197參考文獻(xiàn).19摘要隨著微電子工業(yè)的迅速發(fā)展，單片機(jī)控制的智能型控制器廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品中，為了使學(xué)生對(duì)單片機(jī)控制的智能型控制器有較深的了解。經(jīng)過綜合分析選擇了由單片機(jī)控制的智能型液位控制器作為研究項(xiàng)目，通過訓(xùn)練充分激發(fā)學(xué)生分析問題、解決問題和綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)的潛能。另外，水位控制在高層小區(qū)水塔水位控制，污水處理設(shè)備和有毒，腐蝕性液體液位控制中也被廣泛應(yīng)用。通過對(duì)模型的設(shè)計(jì)可很好的延伸到具體應(yīng)用案例中。設(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)水塔水位檢測(cè)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)水位檢測(cè)、電機(jī)故障檢測(cè)、處理和報(bào)警等功能，實(shí)現(xiàn)超高、低警戒水位報(bào)警，超高警戒水位處理。介紹電路接口原理圖，給出相應(yīng)的軟

4、件設(shè)計(jì)流程圖和匯編程序，并用Proteus軟件仿真。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有良好的檢測(cè)控制功能，可移植性和擴(kuò)展性強(qiáng)。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；水位檢測(cè)；控制系統(tǒng)；仿真引言    水塔供水的主要問題是塔內(nèi)水位應(yīng)始終保持在一定范圍，避免“空塔”、“溢塔”現(xiàn)象發(fā)生。目前，控制水塔水位方法較多，其中較為常用的是由單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行，使水塔內(nèi)水位保持恒定，以保證連續(xù)正常地供水。實(shí)際供水過程中要確保水位在允許的范圍內(nèi)浮動(dòng)，應(yīng)采用電壓控制水位。首先通過實(shí)時(shí)檢測(cè)電壓，測(cè)量水位變化，從而控制電動(dòng)機(jī)，保證水位正常。因此，這里給出以Atmel公司的AT89C5l單片機(jī)為核心器件的水塔水位檢測(cè)

5、控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)水位的檢測(cè)控制、電機(jī)故障檢測(cè)、處理和報(bào)警等功能，并在Proteus軟件環(huán)境下實(shí)際仿真。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有良好的檢測(cè)控制功能可移植性和擴(kuò)展性強(qiáng)。1設(shè)計(jì)方案比較 對(duì)于水位進(jìn)行控制的設(shè)計(jì)方式有很多，而應(yīng)用較多的主要有3種，三種方式的實(shí)現(xiàn)如下：1.1簡(jiǎn)單的機(jī)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(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)作，且只能單獨(dú)控制，與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信較難實(shí)現(xiàn)。1.2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(hào)的模擬信號(hào)，經(jīng)過前置放大、多路

6、切換、AD變換成數(shù)字信號(hào)傳送到單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)運(yùn)算和給定參量的比較，進(jìn)行PID運(yùn)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(jī)轉(zhuǎn)速，以達(dá)到控制水塔水位的目的。1.3通過水位變化上下限的控制方式。這種控制方式通過在水塔的不同高度固定不動(dòng)的3根金屬棒ABC，以感知水位的變化情況。其中，A棒處于下限水位，C棒處于上限水位，B棒在上下限水位之間。A棒接+5V電源，B棒C棒各通過一個(gè)電阻與地相連。 針對(duì)上述3種控制方式，以及設(shè)計(jì)需達(dá)到的性能要求，這里選擇第三種控制方式。最終形成的方案是，利用單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)一個(gè)對(duì)供水箱水位進(jìn)行監(jiān)控的系統(tǒng)。當(dāng)水塔水位下降至

7、下限水位時(shí)，啟動(dòng)水泵；水塔水位上升至上限水位時(shí)，關(guān)閉水泵；水塔水位在上、下限水位之間時(shí)，水泵保持原狀態(tài)；供水系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，自動(dòng)報(bào)警；故障解除時(shí)，水泵恢復(fù)正常工作。2水塔水位控制原理    單片機(jī)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。其中，A棒在下限水位，B棒在上、下限水位之間，C棒在上限水位(底端靠近水池底部，不能過低，要保證有足夠大的流水量)。水塔由電機(jī)帶動(dòng)水泵供水，單片機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，隨著供水，水位不

8、斷上升，當(dāng)水位上升到上限水位時(shí)，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“1”狀態(tài)此時(shí)應(yīng)停止電機(jī)和水泵工作，不再向水塔注水；當(dāng)水位處于上、下限之間時(shí)，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“0”狀態(tài)。此時(shí)電機(jī)帶動(dòng)水泵給水塔注水，使水位上升，還是電機(jī)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(shí)，B、C棒均不能與A棒導(dǎo)通，b、c均為“0”狀態(tài)，此時(shí)應(yīng)啟動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)水泵給水塔注水。          &#

9、160;                         3電路設(shè)計(jì)    水塔水位控制系統(tǒng)主要由CPU(AT89C51)、水位檢測(cè)接口電路、報(bào)警接口電路、存儲(chǔ)器擴(kuò)展接口電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘振蕩等部分組成。而設(shè)計(jì)中所用到的原件有AT89C51、74LS373鎖存器、3.1原件的介紹AT89C51：AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃

10、存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓、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。74LS373鎖存器： 74LS373的輸出端 O0O7 可直接與總線相連。當(dāng)三態(tài)允許控制端 OE 為低電平時(shí)，O0O7 為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅(qū)動(dòng)負(fù)載或總線。當(dāng) OE 為高電平時(shí)，O0O7 呈高阻態(tài)，即不驅(qū)動(dòng)總線，也不為總線的負(fù)載，但鎖存器內(nèi)部的邏輯操作不受影響。當(dāng)鎖存允許端 LE 為高電平時(shí)，O 隨數(shù)

11、據(jù) D 而變。當(dāng) LE 為低電平時(shí)，O 被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。當(dāng) LE 端施密特觸發(fā)器的輸入滯后作用，使交流和直流噪聲抗擾度被改善 400mV。引出端符號(hào)：D0D7 數(shù)據(jù)輸入端OE 三態(tài)允許控制端（低電平有效）LE 鎖存允許端O0O7 輸出端。2732存儲(chǔ)器：2732以 HMOS-E(高速NMOS硅柵)工藝制成，24腳雙列直插式，2732為4KB容量，地址線12條A0A11；，數(shù)據(jù)線8條D0D7，遠(yuǎn)為片選端，低電平有效，OEVPP是輸出允許信號(hào)，低電平有效，該引腳在編程時(shí)也作為編程電壓VPP的輸入端。VCC為十5V電源，GND為地。3.2引腳功能 P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向I/O

12、口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P0口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。 P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電

13、流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL

14、）這是由于上拉的緣故。 P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： P3.0 RXD（串行輸入口） P3.1 TXD（串行輸出口） P3.2 /INT0（外部中斷0） P3.3 /INT1（外部中斷1） P3.4 T0（記時(shí)器0外部輸入） P3.5 T1（記時(shí)器1外部輸入） P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLAS

15、H編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。 /PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。 /EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電

16、平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電

17、平要求的寬度。如圖2所示。圖3為系統(tǒng)硬件電路。                                        3.3 水位檢測(cè)接口電路    為了便于實(shí)現(xiàn)水位檢測(cè)功能，用一個(gè)

18、兩位的撥碼開關(guān)模擬b、c端的狀態(tài)(1、0)，正電極接+5 V電源，每個(gè)負(fù)電極分別通過47 kQ的電阻(尺1，R2)接地。將單片機(jī)的P10端口接開關(guān)1，P11端口接開關(guān)2。假設(shè)被水淹沒的負(fù)電極都為高電平，此時(shí)開關(guān)置1；露在水面的負(fù)電極都為低電平，開關(guān)此時(shí)置為0。單片機(jī)通過負(fù)電極重復(fù)采集檢測(cè)水位，當(dāng)缺水時(shí)(此時(shí)兩個(gè)開關(guān)均置0)，電機(jī)必須帶動(dòng)水泵抽水；若水位在正常范圍內(nèi)時(shí)，檢測(cè)信號(hào)為高，低電平(此時(shí)開關(guān)1置1，開關(guān)2置0)；當(dāng)水位過高時(shí)，檢測(cè)信號(hào)為高電平(此時(shí)開關(guān)l和2都置1)，單片機(jī)檢測(cè)到P10和P11為高電平后，立即停機(jī)。 3.4 報(bào)警接口電路    為了避免系統(tǒng)發(fā)

19、生故障時(shí)，水位失去控制造成嚴(yán)重后果，在超出、低于警戒界水位時(shí)，報(bào)警信號(hào)直接從高、低警界水位電極獲得。單片機(jī)P17端口為啟動(dòng)電機(jī)命令輸出端口，P17=0為低電平，經(jīng)過非門后與電機(jī)的另一端接地導(dǎo)通，啟動(dòng)電機(jī)工作；P17=l為高電平，反之，電機(jī)停止工作。電機(jī)故障報(bào)警由單片機(jī)控制，電機(jī)故障報(bào)警信號(hào)由P10和P11輸人當(dāng)P15為高電平時(shí)蜂鳴器報(bào)警。水位超過高警戒水位，單片機(jī)控制系統(tǒng)使電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，向水塔內(nèi)供水工作也停止。 3.5 存儲(chǔ)器擴(kuò)展接口電路    為了便于系統(tǒng)擴(kuò)展，存放大容量應(yīng)用程序，系統(tǒng)設(shè)計(jì)擴(kuò)展一片程序存儲(chǔ)器，用于存放源程序代碼。74LS373用于鎖存地址，單片機(jī)

20、的P00P07通過復(fù)用方式分別接鎖存器74LS373的DOD7和存儲(chǔ)器2732的D0D7端，地址鎖存信號(hào)線ALE接鎖存器的OE端，通過軟件設(shè)置實(shí)現(xiàn)地址和數(shù)據(jù)信息的傳輸，鎖存器的輸出端OQ0O7與存儲(chǔ)器地址線A0A7相連，剩余的3根地址線A8A11接P20P22單片機(jī)選通引腳麗接存儲(chǔ)器OE端，因只擴(kuò)展一片存儲(chǔ)器，片選端CE接地。4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1  流程圖 當(dāng)水塔水位處于上、下限之間時(shí)，P10=l，P11=0，此時(shí)無論電機(jī)是在帶動(dòng)水泵給水塔供水使水位不斷上升還是電機(jī)沒有工作使水位不斷下降，都應(yīng)繼續(xù)維持原有工作狀態(tài)；當(dāng)水位低于下限時(shí)，P10=0，P11=0，此時(shí)啟動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)水泵給水塔供水。水位檢測(cè)信號(hào)與輸出控制操作關(guān)系如表1所列，圖4為水塔水位控制程序流程。                  4.2程序 ORG 0030HLOOP: ORL P1 , #03H ;為檢查水位狀態(tài)準(zhǔn)備 MOV A , P1 JNB ACC.0 , ONE;P1.0=0則轉(zhuǎn) JB ACC.1 , TWO;P1.1=1則轉(zhuǎn)BACK: ACALL D10S ;延時(shí)10s AJMP L