基于單片機的水位檢測儀系統(tǒng)的設計課程設計

1、<p><b>　　課程設計(論文)</b></p><p>　　題 目 名 稱： </p><p>　　課 程 名 稱： </p><p>　　學 生 姓 名：

2、 </p><p>　　學 號： </p><p>　　學 院： </p><p>　　指 導 教 師： <

3、/p><p>　　課 程 設 計 任 務 書</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　摘   要.......................................................................................................4

4、</p><p>　　引言...........................................................................................................5</p><p>　　1幾種方案的比較........................................................

5、............................6</p><p>　　1.1 簡單的機械式控制方式  ............................................................6</p><p>　　1.2 復雜控制器控制方案...................................

6、...............................6 </p><p>　　1.3通過水位變化上下限的控制方式..............................................6</p><p>　　2水塔水位控制原理 ..............................................................

7、...................8 3電路設計..................................................................................................9</p><p>　　3.1原件的介紹................................................................

8、...................9</p><p>　　3.2引腳功能....................................................................................10　</p><p>　　3.3 水位檢測接口電路................................................

9、...................13</p><p>　　3.4報警接口電路............................................................................14</p><p>　　3.5 存儲器擴展接口電路.................. ..................................

10、..........14</p><p>　　4系統(tǒng)軟件設計........................................................................................15</p><p>　　4.1 流程圖.....................................................

11、...................................15</p><p>　　4.2程序.............................................................................................16</p><p>　　5實驗仿真................................

12、................................................................18</p><p>　　6結語…....................................................................................................19</p><p>　　7參

13、考文獻…..............................................................................................19</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　隨著微電子工業(yè)的迅速發(fā)展，單片機控制的智能型控制器廣泛應用于電子產品中，為了使學生對單片機控制的智能型控制

14、器有較深的了解。經過綜合分析選擇了由單片機控制的智能型液位控制器作為研究項目，通過訓練充分激發(fā)學生分析問題、解決問題和綜合應用所學知識的潛能。另外，水位控制在高層小區(qū)水塔水位控制，污水處理設備和有毒，腐蝕性液體液位控制中也被廣泛應用。通過對模型的設計可很好的延伸到具體應用案例中。設計一種基于單片機水塔水位檢測控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實現(xiàn)水位檢測、電機故障檢測、處理和報警等功能，實現(xiàn)超高、低警戒水位報警，超高警戒水位處理。介紹電路接口原理圖，給

15、出相應的軟件設計流程圖和匯編程序，并用Proteus軟件仿真。實驗結果表明，該系統(tǒng)具有良好的檢測控制功能，可移植性和擴展性強。關鍵詞：單片機；水位檢測；控制系統(tǒng)；仿真</p><p><b>　　引言</b></p><p>　　水塔供水的主要問題是塔內水位應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控制

16、實現(xiàn)自動運行，使水塔內水位保持恒定，以保證連續(xù)正常地供水。實際供水過程中要確保水位在允許的范圍內浮動，應采用電壓控制水位。首先通過實時檢測電壓，測量水位變化，從而控制電動機，保證水位正常。因此，這里給出以Atmel公司的AT89C5l單片機為核心器件的水塔水位檢測控制系統(tǒng)仿真設計，實現(xiàn)水位的檢測控制、電機故障檢測、處理和報警等功能，并在Proteus軟件環(huán)境下實際仿真。實驗結果表明，該系統(tǒng)具有良好的檢測控制功能可移植性和擴展性強。<

17、;/p><p><b>　　1設計方案比較</b></p><p>　　對于水位進行控制的設計方式有很多，而應用較多的主要有3種，三種方式的實現(xiàn)如下：</p><p>　　1.1簡單的機械式控制方式。</p><p>　　其常用形式有浮標式、電極式等，這種控制形式的優(yōu)點是結構簡單，成本低廉。存在問題是精度不高，不能進行數(shù)值顯

18、示，另外很容易引起誤動作，且只能單獨控制，與計算機進行通信較難實現(xiàn)。</p><p>　　1.2復雜控制器控制方式。</p><p>　　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，把出口壓力變成標準工業(yè)電信號的模擬信號，經過前置放大、多路切換、A／D變換成數(shù)字信號傳送到單片機，經單片機運算和給定參量的比較，進行PID運算，得出調節(jié)參量；經由D／A變換給調壓／變頻調速裝置輸入給定端

19、，控制其輸出電壓變化，來調節(jié)電機轉速，以達到控制水塔水位的目的。</p><p>　　1.3通過水位變化上下限的控制方式。</p><p>　　這種控制方式通過在水塔的不同高度固定不動的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棒各通過一個電阻與地相連。 </p><p>　　

20、針對上述3種控制方式，以及設計需達到的性能要求，這里選擇第三種控制方式。最終形成的方案是，利用單片機為控制核心，設計一個對供水箱水位進行監(jiān)控的系統(tǒng)。當水塔水位下降至下限水位時，啟動水泵；水塔水位上升至上限水位時，關閉水泵；水塔水位在上、下限水位之間時，水泵保持原狀態(tài)；供水系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，自動報警；故障解除時，水泵恢復正常工作。</p><p>　　2水塔水位控制原理    單片

21、機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，水位應控制在虛線范圍之內。為此，在水塔內的不同高度處，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)。水塔由電機帶動水泵供水，單片機控制電機轉動，隨著供水，水位不斷上升，當水位上升到上限水位時，由于水的導電作用，使B、C棒均與

22、+5 V連通。因此b、c兩端的電壓都為+5 V即為“1”狀態(tài)．此時應停止電機和水泵工作，不再向水塔注水；當水位處于上、下限之間時，B棒和A棒導通，而C棒不能與A棒導通，b端為“1”狀態(tài)，c端為“0”狀態(tài)。此時電機帶動水泵給水塔注水，使水位上升，還是電機不工作，水位不斷下降，都應繼續(xù)維持原有工作狀態(tài)；當水位處于下限位置以下時，B、C棒均不能與A棒導通，b、c均為“0”狀態(tài)，此時應啟動電機轉動，帶動水泵給水塔注水。</p>&

23、lt;p>　　3電路設計    水塔水位控制系統(tǒng)主要由CPU(AT89C51)、水位檢測接口電路、報警接口電路、存儲器擴展接口電路、復位電路、時鐘振蕩等部分組成。而設計中所用到的原件有AT89C51、74LS373鎖存器、</p><p><b>　　3.1原件的介紹</b></p><p>　　AT89C51：AT89C51

24、是一種帶4K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容?！?lt;/p><p>　　74LS373鎖存器： 74LS373的輸出端 O0~O7 可直接與總線相連。當

25、三態(tài)允許控制端 OE 為低電平時，O0~O7 為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅動負載或總線。當 OE 為高電平時，O0~O7 呈高阻態(tài)，即不驅動總線，也不為總線的負載，但鎖存器內部的邏輯操作不受影響。當鎖存允許端 LE 為高電平時，O 隨數(shù)據(jù) D 而變。當 LE 為低電平時，O 被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。當 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：D0～D7 數(shù)據(jù)輸入端OE 三態(tài)允許控制端（低電

26、平有效）LE 鎖存允許端O0~O7 輸出端。</p><p>　　2732存儲器：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A0～A11；，數(shù)據(jù)線8條D0～D7，遠為片選端，低電平有效，OE／VPP是輸出允許信號，低電平有效，該引腳在編程時也作為編程電壓VPP的輸入端。VCC為十5V電源，GND為地。</p><p><

27、;b>　　3.2引腳功能　</b></p><p>　　P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P0口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。</p><p>　　P1口

28、：P1口是一個內部提供上拉電阻的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，被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。 </p><p>　　P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高

29、，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 </p><p>　　P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的

30、雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，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）這是由于上拉的緣故。 </p><p>　　P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： </p><p>　　P3.0 RXD（串行輸入口） </p><p>　　P3.1 TXD（串行輸出口）

31、 </p><p>　　P3.2 /INT0（外部中斷0） </p><p>　　P3.3 /INT1（外部中斷1） </p><p>　　P3.4 T0（記時器0外部輸入） </p><p>　　P3.5 T1（記時器1外部輸入） </p><p>　　P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） </p>

32、<p>　　P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） </p><p>　　P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 </p><p>　　RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。 </p><p>　　ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，

33、此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， 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。 </p><p>　　

34、/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。 </p><p>　　/EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此

35、引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 </p><p>　　XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。 </p><p>　　XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 </p><p>　　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振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件，XTAL2應不接。有余輸

36、入至內部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。如圖2所示。圖3為系統(tǒng)硬件電路。</p><p>　　3.3 水位檢測接口電路    為了便于實現(xiàn)水位檢測功能，用一個兩位的撥碼開關模擬b、c端的狀態(tài)(1、0)，正電極接+5 V電源，每個負電極分別通過4．7 kQ的電阻(尺1，R2)接地。將單片機的P1．0端口接開關

37、1，P1．1端口接開關2。假設被水淹沒的負電極都為高電平，此時開關置1；露在水面的負電極都為低電平，開關此時置為0。單片機通過負電極重復采集檢測水位，當缺水時(此時兩個開關均置0)，電機必須帶動水泵抽水；若水位在正常范圍內時，檢測信號為高，低電平(此時開關1置1，開關2置0)；當水位過高時，檢測信號為高電平(此時開關l和2都置1)，單片機檢測到P1．0和P1．1為高電平后，立即停機。</p><p>　　3.4

38、報警接口電路    為了避免系統(tǒng)發(fā)生故障時，水位失去控制造成嚴重后果，在超出、低于警戒界水位時，報警信號直接從高、低警界水位電極獲得。單片機P1．7端口為啟動電機命令輸出端口，P1．7=0為低電平，經過非門后與電機的另一端接地導通，啟動電機工作；P1．7=l為高電平，反之，電機停止工作。電機故障報警由單片機控制，電機故障報警信號由P1．0和P1．1輸人．當P1．5為高電平時蜂鳴器報警。水位超過高警戒水

39、位，單片機控制系統(tǒng)使電機停止轉動，向水塔內供水工作也停止。</p><p>　　3.5 存儲器擴展接口電路    為了便于系統(tǒng)擴展，存放大容量應用程序，系統(tǒng)設計擴展一片程序存儲器，用于存放源程序代碼。74LS373用于鎖存地址，單片機的P0．0～P0．7通過復用方式分別接鎖存器74LS373的DO～D7和存儲器2732的D0～D7端，地址鎖存信號線ALE接鎖存器的OE端，通過軟

40、件設置實現(xiàn)地址和數(shù)據(jù)信息的傳輸，鎖存器的輸出端OQ0～O7與存儲器地址線A0～A7相連，剩余的3根地址線A8～A11接P2．0～P2．2．單片機選通引腳麗接存儲器OE端，因只擴展一片存儲器，片選端CE接地。</p><p><b>　　4系統(tǒng)軟件設計</b></p><p><b>　　4.1  流程圖 </b></p&

41、gt;<p>　　當水塔水位處于上、下限之間時，P1．0=l，P1．1=0，此時無論電機是在帶動水泵給水塔供水使水位不斷上升．還是電機沒有工作使水位不斷下降，都應繼續(xù)維持原有工作狀態(tài)；當水位低于下限時，P1．0=0，P1．1=0，此時啟動電機轉動，帶動水泵給水塔供水。水位檢測信號與輸出控制操作關系如表1所列，圖4為水塔水位控制程序流程。</p><p><b>　　4.2程序</b&

42、gt;</p><p>　　ORG 0030H</p><p>　　LOOP: ORL P1 , #03H ;為檢查水位狀態(tài)準備</p><p>　　MOV A , P1</p><p>　　JNB ACC.0 , ONE;P1.0=0則轉</p><p>　　

43、JB ACC.1 , TWO;P1.1=1則轉</p><p>　　BACK: ACALL D10S ;延時10s</p><p>　　AJMP LOOP</p><p>　　ONE: JNB ACC.1 ,THREE;P1.1=0則轉</p><p>　

44、　CLR 95H ;0→P1.5, 啟動報警裝置</p><p>　　SETB 97H ;1→P1.7,停止電機工作</p><p>　　FOUR: SJMP FOUR</p><p>　　THREE: CLR 97H ;啟動電機</p

45、><p>　　AJMP BACK</p><p>　　TWO: SETB 97H ;停止電機工作</p><p>　　AJMP BACK</p><p>　　ORG 0100H</p><p>　　D10S: MOV R3

46、 , #19H</p><p>　　LOOP3: MOV R1 , #85H</p><p>　　LOOP1: MOV R2 , #0FAH</p><p>　　LOOP2: DJNZ R2 , LOOP2</p><p>　　DJNZ R1 , LOOP1</

47、p><p>　　DJNZ R3 , LOOP3</p><p><b>　　5 實驗仿真結果</b></p><p>　　根據(jù)所設計系統(tǒng)的軟件流程圖，編寫相應的程序在Proteus軟件環(huán)境下實際仿真，實驗結果表明，該系統(tǒng)能成功實現(xiàn)了水位檢測、電機故障檢測、處理和報警等功能，具有良好的檢測控制功能，可移植性和擴展性強。通過制作PCB板子，

48、該系統(tǒng)已成功運用于某實驗的水冷卻系統(tǒng)。</p><p><b>　　6 結語</b></p><p>　　該系統(tǒng)設計是基于在單片機嵌入式系統(tǒng)而設計的，充分利用單片機強大控制功能和方便通信接口，該檢測控制系統(tǒng)在實驗室某實驗水冷卻系統(tǒng)得到成功實踐，實現(xiàn)水位檢測、電機故障檢測、處理和報警等功能，提高了實驗的自動控制能力。進一步優(yōu)化系統(tǒng)軟硬件設計，可為實時實現(xiàn)遠端控制，因此，