單片機(jī)水位控制系統(tǒng)

1引言隨著集成電路規(guī)模日益大型化、復(fù)雜化，各種復(fù)雜的液位控制系統(tǒng)已成為一個研究的熱點。單片機(jī)以其控制精度高，性能穩(wěn)定、可靠，設(shè)置操作方便，造價低等特點，應(yīng)用到液位系統(tǒng)控制之中，不但保證了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性，而且增強(qiáng)了人機(jī)交互的能力。單片機(jī)應(yīng)用發(fā)展迅速而廣泛。在過程控制中，單片機(jī)既可作為主計算機(jī)，又可作為分布式計算機(jī)控制系統(tǒng)中的前端機(jī)，完成模擬量的采集和開關(guān)量的輸入、處理和控制計算，然后輸出控制信號。單片機(jī)廣泛用于儀器儀表中，與不同類型的傳感器相結(jié)合，實現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度、流量、速度、厚度、壓力、溫度等物理量的測量；在家用電器設(shè)備中，單片機(jī)已廣泛用于電視機(jī)、錄音機(jī)、電冰箱、電飯鍋、微波爐、洗衣、高級電子玩具、家用防盜報警等各種家電設(shè)備中。在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信、醫(yī)用設(shè)備、工商、金融、科研、教育、國防、航空航天等領(lǐng)域都有著十分廣泛的應(yīng)用。項目應(yīng)用中液位的測量常用方法主要有超聲波、激光紅外測距、機(jī)械浮子、壓力傳感器測距等幾種。這些測量方式對一般液位的測量來說各有各的優(yōu)點，可根據(jù)不同的應(yīng)用場合和要求進(jìn)行選擇。2系統(tǒng)設(shè)計方案系統(tǒng)設(shè)計方案及總框圖對于水位進(jìn)行控制的方式有很多,而應(yīng)用較多的主要有2種,一種是簡單的機(jī)械式控制裝置控制,一種是復(fù)雜的控制器控制方式。兩種方式的實現(xiàn)如下：簡（單1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)點是結(jié)構(gòu)簡單,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作,且只能單獨控制,與計算機(jī)進(jìn)行通信較難實現(xiàn)。復(fù)（雜2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、/變換成數(shù)字信號傳送到單片機(jī)經(jīng)單片機(jī)運算和給定參量的比較進(jìn)行運算得出調(diào)節(jié)參量。經(jīng)由/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)到控制水位的目的。圖2-系1圖2-系1統(tǒng)總體框圖硬件設(shè)計方案1工作原理1工作原理基于單片機(jī)實現(xiàn)的水位控制器是以 芯片為核心由鍵盤、數(shù)碼顯示、/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? 標(biāo)準(zhǔn)信號送入/轉(zhuǎn)換器/轉(zhuǎn)換器把模擬信號變成數(shù)字信號量,由單片機(jī)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)置液位高、低和限定值以及強(qiáng)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。2.2.2主控模塊設(shè)計方案單片機(jī)作為主控模塊，使得在對單片機(jī)選型上有了較大的空間。單片機(jī)在30多年的發(fā)展歷程中，形成了多公司、多系列、多型號“百家爭鳴”的局面。因而，選擇一個合適的單片機(jī)有時真的不太容易，要考慮的方面太多。大致總結(jié)出以下幾點：單片機(jī)的基本參數(shù)。例如速度、程序存儲器容量、 引腳數(shù)量等。單片機(jī)的增強(qiáng)功能。例如看門狗、雙指針、雙串口、實時時鐘）、 、擴(kuò)展、接口、接口、接口、接口。和 一次性可編程）。

封裝： 雙列直插） 有對應(yīng)插座）還是貼片。工作溫度范圍，工業(yè)級還是商業(yè)機(jī)。6＞功耗。7＞工作電壓范圍。例如設(shè)計電視機(jī)遙控器，2節(jié)干電池供電,至少應(yīng)該能在 電壓范圍內(nèi)工作。8＞供貨渠道暢通。9＞價格。燒錄器價格，能否 在線系統(tǒng)編程）。11仿＞真器。12單＞片機(jī)匯編語言支持。13資＞料盡量豐富。14抗＞干擾性能好。15和＞其他外設(shè)芯片放在一起的綜合考慮。單片機(jī)采用由 公司生產(chǎn)的雙列腳芯片如圖一所示。其中口用于/轉(zhuǎn)換和顯示。口連接一個X的鍵盤?？谟糜诳刂齐姶砰y和水泵動作。雙口3用于上、下限指示燈,報警指示燈以及用于讀寫控制和中斷PDIP/CerdipP1.D匚P1.1匚P1.2P1.D匚P1.1匚P1.2匚P1.3匚P1.4匚P1.5匚P1.6匚P1.7匚RST匚：RXD)P3.D匚：TXD)P3.1匚(rNTD)P3.2匚(TNTI)P3.3匚,一二1P3一［圖W.5匚RI-選用繼電器作為電ziPD.D(ADO)=1PD.1(AD1)P0.2(AD2iPD.3(AD3i□PD.4(AD4)ZIPD.5(AD5iGPD.B(AD61=1PD.7(AD7)的VPPALEi1PROGP2.7：A15)9腳圖51A'3P2.5：A13)P2.4：A12)日園口伍內(nèi)P2.2(AID)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.倍5，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 ,工作電流，控制電壓 的小型繼電器。2.2.4A/D□□□□□□□□是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的工藝通道，位逐次逼近式轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通路模擬輸入信號中的一個進(jìn)行轉(zhuǎn)換。是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的位通用芯片。1、主要特性1路輸入通道，位 轉(zhuǎn)換器，即分辨率為位。＜2）具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫?。3轉(zhuǎn)換時間為 |J時鐘為 時, |J時鐘為 時）4單個+ 電源供電

5模擬輸入電壓范圍?+v不需零點和滿刻度校準(zhǔn)。6工作溫度范圍為?+攝氏度7低功耗，約。2、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部引腳的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部引腳分別如下兩圖所示。內(nèi)部各部分的作用和工作原理在內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖中已一目了然，在此就不再贅述，下面僅對各引腳定義分述如下：)?一一路模擬輸入，通過根地址譯碼線 、 、來07 ABC選通一路。) 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)輸出端，為三態(tài)可控輸出，故可直接和微70處理器數(shù)據(jù)線連接。位排列順序是為最高位，為最低位。703 、 、 一一模擬通道選擇地址信號， 為低位， 為高TOC\o"1-5"\h\zABC A C位。地址信號與選中通道對應(yīng)關(guān)系如表11.所3示。) + 一一正、負(fù)參考電壓輸入端，用于提供片內(nèi) 電阻網(wǎng)絡(luò)RR的基準(zhǔn)電壓。在單極性輸入時， ， ；雙極性輸入時， +RR R分別接正、負(fù)極性的參考電壓。R)一一地址鎖存允許信號，高電平有效。當(dāng)此信號有效時，、、三位地址信號被鎖存，譯碼選通對應(yīng)模擬通道。在使用時，該信號常和 信號連在一起，以便同時鎖存通道地址和啟動 轉(zhuǎn)換。6一一轉(zhuǎn)換啟動信號，正脈沖有效。加于該端的脈沖的上升沿使逐次逼近寄存止，重新從頭開始轉(zhuǎn)換器清零，下降沿開始轉(zhuǎn)換。如正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換時又接到新的啟動脈沖，則原來的轉(zhuǎn)換進(jìn)程被中。-IN：一叫—ADDaaddb-ADD-IN：一叫—ADDaaddb-ADD—ALE—?D7(MSB)一口6-AD.一以-Do(LSB)一Vr㈠一%2AADDbADD、 A—■—000001010011100101110111選中通道叫叫叫IN31凡叫IN6坦7外部引腳圖)——轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，高電平有效。該信號在 轉(zhuǎn)換過程中為低電平，其余時間為高電平。該信號可作為被 查詢的狀態(tài)信號，也可作為對的中斷請求信號。在需要對某個模擬量不斷采樣、轉(zhuǎn)換的情況下，也可作為啟動信號反饋接到 端，但在剛加電時需由外電路第一次啟動。8 ——輸出允許信號，高電平有效。當(dāng)微處理器送出該信號時，的輸出三態(tài)門被打開，使轉(zhuǎn)換結(jié)果通過數(shù)據(jù)總線被讀走。在中斷工作方式下，該信號往往是 發(fā)出的中斷請求響應(yīng)信號。3硬件電路設(shè)計傳感器電路系統(tǒng)選用 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3—1所示圖3—1壓阻式壓力傳感器原理圖時鐘電路與復(fù)位電路要使單片機(jī)按照設(shè)計要求正常工作，完整單片機(jī)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，采用的晶振提供系統(tǒng)時鐘。并附加復(fù)位電路，組成單片機(jī)最小系統(tǒng)。A口D采集轉(zhuǎn)換電路本系統(tǒng)芯片所選用的是，該大規(guī)模集成電路芯片是一種由單一電源供電，采用逐次逼近轉(zhuǎn)換原理，能夠?qū)β芬惠斎肽M電壓進(jìn)行分時轉(zhuǎn)換的八位并行通用型可編程模數(shù)轉(zhuǎn)換器。 由單片機(jī)控制驅(qū)動，對傳感器進(jìn)行定式循環(huán)采集，然后單片機(jī)將各測量參數(shù)傳至機(jī)，進(jìn)行后臺數(shù)據(jù)處理。電路連接如圖3-。3圖3—3A/D轉(zhuǎn)換電路圖按鍵設(shè)計鍵盤在單片機(jī)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(jī)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(jī)的主要手段?？紤]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，通過端口讀入按鍵狀態(tài)，當(dāng)有按鍵按下時，相應(yīng)的端口變?yōu)榈碗娖剑幢话聪碌陌存I在上拉電阻作用下為高電平，這樣通過讀口的狀態(tài)判斷是否有按鍵按4軟件程序設(shè)計按鍵在上拉電阻作用下為高電平，這樣通過讀口的狀態(tài)判斷是否有按鍵按4軟件程序設(shè)計系統(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(jī)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4圖-所1示。

圖4—1主程序流程圖顯示與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碼，而轉(zhuǎn)換輸入的數(shù)據(jù)是位進(jìn)制碼，因此在實現(xiàn)顯示之前需要編碼的轉(zhuǎn)換。對位轉(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4表-：2十六進(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F111115/1615/2564.8000.320E111014/1614/2564.4800.280D110113/1613/2564.1600.260C110012/1612/2563.8400.240B101111/1611/2563.5200.220A101010/1610/2563.2000.200910019/169/2562.8800.180

010008/168/2562.5600.160701117/167/2562.2400.140601106/166/2561.9200.120501015/165/2561.6000.100401004/164/2561.2800.080300113/163/2560.9600.060200102/162/2560.6400.040100011/161/2560.3200.020000000/160/2560.0000.000表 轉(zhuǎn)換幅值數(shù)據(jù)關(guān)系對照表顯示轉(zhuǎn)換部分程序簡略如下：系統(tǒng)主程序口初始化置若手動在自動位置，跳到自動模式程序MEN； 否則轉(zhuǎn)到手動模式子程序空命令)L 水位高一.1，L；D 水位沒低---LD3.1 ； 水位低報警P1.0,；LDD水位未低低---LDD3.0 ； 水位低低報警； E啟動一.4 ； 否則啟動M1； E啟動1.5 ； 否則啟動M2LL； DELAY延時1分鐘；AUT 返回自動模式P 單獨運行〈水位V)LG:CLR。P3.2 水位高報警M 返回主程序5總結(jié)在即將畢業(yè)之際，作為一名電氣的大四學(xué)生，通過做這次課程設(shè)計是很有意義的，而且也是必要的。在做這次課程設(shè)計的過程中，我感觸最深的當(dāng)屬查閱大量的設(shè)計資料了。為了讓自己的設(shè)計更加完善，查閱這方面的實際資料是十分必要的，也是必不可少的。其次，在這次課程設(shè)計中，我們運用了以前學(xué)過的專業(yè)課知識，如：仿真、匯編語言、模擬和數(shù)字電路知識等。雖然過去我從未獨立應(yīng)用過他們，但在學(xué)習(xí)的過程中帶著問題去學(xué)我發(fā)現(xiàn)效率很高，這是我做這次課程設(shè)計的又一收獲。最后，要做好一個課程設(shè)計，就必須做到：在設(shè)計程序之前，對所用單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有一個系統(tǒng)的了解，知道該單片機(jī)有哪些資源；要有一個清晰的思路和一個完整的軟件流程圖；在設(shè)計程序時，不能妄想一次將整個程序設(shè)計好，反復(fù)修改、不斷改