單片機(jī)課程設(shè)計(jì)--水塔水位控制設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　單片機(jī)課程設(shè)計(jì)</b></p><p>　　題 目: 水塔水位控制設(shè)計(jì) </p><p>　　班 級(jí)： 自控084 </p><p>　　姓 名： </p><p>　　學(xué) 號(hào)： </p>

2、;<p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　設(shè)計(jì)時(shí)間： 2011年1月 </p><p><b>　　一 引言</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)為一個(gè)實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的水塔水位控制部分。在此水塔水位控制系統(tǒng)中，檢測(cè)信號(hào)來(lái)自插入水中的3個(gè)金屬棒，以感知水位變化情況。工作正常情況下，應(yīng)保持水位在某

3、一范圍內(nèi)，當(dāng)水位變化發(fā)生故障的時(shí)候，及時(shí)關(guān)斷電機(jī)電源，發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào)。  單片機(jī)自20世紀(jì)70年代問(wèn)世以來(lái)，以其極高的性?xún)r(jià)比，受到人們的重視和關(guān)注的應(yīng)用廣、發(fā)展快。而MCS-51單片機(jī)是各單片機(jī)中最為典型和最具代表性的一種。</p><p>　　水塔供水的主要問(wèn)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，

4、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(guò)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(guò)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80C5l單片機(jī)為核心器件的水塔水位檢測(cè)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)。</p>

5、<p>　　本次設(shè)計(jì)以8031芯片為核心，輔以必要的外圍電路，設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)易的水塔水位控制系統(tǒng)，它由5V直流電源供電。在硬件方面，除了CPU外，使用了2732芯片對(duì)8031的 ROM進(jìn)行4K擴(kuò)展，并且使用74LS07芯片對(duì)外部電路驅(qū)動(dòng)。軟件方面采用匯編語(yǔ)言編程，整個(gè)水塔水位控制系統(tǒng)能根據(jù)水塔水位的高低來(lái)決定水泵電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，并且在發(fā)生故障時(shí)由外部電路的LED發(fā)光管點(diǎn)亮報(bào)警。 </p><p>　　水

6、塔水位控制系統(tǒng)是我國(guó)住宅小區(qū)廣泛應(yīng)用的供水系統(tǒng)，傳統(tǒng)的控制方式存在控制精度低、能耗大的缺點(diǎn)，而自動(dòng)控制原理，依據(jù)用水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，保持水壓恒定以滿(mǎn)足用水要求，從而提高了供水系統(tǒng)的質(zhì)量。而且成本低，安裝方便，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)證明，靈敏性好，是節(jié)約水源，方便家庭和單位控制水塔水位的理想裝置。水塔水位控制系統(tǒng)采用交流電壓檢測(cè)水位，水位低于下限點(diǎn)水位時(shí)，水泵抽水，水位達(dá)到最高水位線(xiàn)時(shí)，水泵停止抽水，水位下降到最低水位線(xiàn)以下時(shí)，恢復(fù)

7、運(yùn)行抽水，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。</p><p><b>　　二 設(shè)計(jì)方案及原理</b></p><p>　　圖中虛線(xiàn)表示允許水位變化的上下限。在正常情況下，應(yīng)保持水位在虛線(xiàn)范圍之內(nèi)。為此，在水塔內(nèi)的不同高度安裝3根金屬棒，以感知水位的變化情況。其中A棒處于水塔底部，C棒處于上限水位上，B棒處于下限水位上。A棒接+5V電源，B棒、C棒各通過(guò)一個(gè)電阻與地相連。水塔由電機(jī)帶動(dòng)

8、水泵供水，單片機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)以達(dá)到對(duì)水位控制的目的。</p><p>　　供水時(shí)，水位上升，當(dāng)達(dá)到上限時(shí)，由于水的導(dǎo)電作用，B、C棒連通+5V，因此，b、c兩端均為“1”態(tài)，這時(shí)應(yīng)停止電機(jī)和水泵的工作，不再給水塔供水。</p><p>　　當(dāng)水位降到下限時(shí)，B、C棒都不能與A棒導(dǎo)通，因此b、c兩端均為“0”狀態(tài)。這時(shí)應(yīng)啟動(dòng)電機(jī)，帶動(dòng)水泵工作，給水塔供水。</p><p&

9、gt;　　當(dāng)水位處于上下限之間時(shí)，B棒與A棒導(dǎo)通，因C棒不能與A棒導(dǎo)通，b端為“1”狀態(tài)，c端為“0”狀態(tài)。這時(shí)，無(wú)論是電機(jī)已在帶動(dòng)水泵給水塔加水，水位在不斷上升；或者是電機(jī)沒(méi)有工作，用水使水位不斷下降，都應(yīng)該繼續(xù)維持原有的工作狀態(tài)。 </p><p>　　圖1 水塔水位控制原理圖</p><p><b>　　三 硬件設(shè)計(jì)</b></p><p&g

10、t;　　由于所采用的信號(hào)是頻率隨水位變化而變的脈沖信號(hào)（開(kāi)關(guān)量），因此電路設(shè)計(jì)中省去了A/D轉(zhuǎn)換部分，這不僅降低了硬件電路的成本，而且由于采用數(shù)字脈沖信號(hào)通信，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力、穩(wěn)定性和精度。輸入的可變脈沖信號(hào)送到8031的P1.0和P1.1腳電平，當(dāng)接收到信號(hào)時(shí)，輸入脈沖使其輸出高電平，而無(wú)信號(hào)輸入時(shí)，無(wú)觸發(fā)脈沖，此時(shí)翻轉(zhuǎn)為低電平。程序控制8031周期性地對(duì)P1.1和P1.0腳電平進(jìn)行采樣，達(dá)到控制的目的。</p>

11、;<p>　?。?）接受電路得到的是頻率隨水位變化的調(diào)頻脈沖，它反映了貯水池水位的高度，對(duì)其進(jìn)行信號(hào)處理，便能實(shí)現(xiàn)對(duì)水位的控制及故障報(bào)警等功能。要完成此一工作，最佳的選擇是采用微機(jī)控制，實(shí)驗(yàn)中是以MCS—51系列單片機(jī)8031作CPU。其中8031的時(shí)鐘頻率為6MHz。由于8031沒(méi)有內(nèi)部ROM，因此需外擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器。本系統(tǒng)采用2732EPROM擴(kuò)展4K程序存儲(chǔ)器，對(duì)應(yīng)地址空間為0000H～0FFFH。</p>

12、;<p>　　（2）74LS373作為地址鎖存器。74LS373片內(nèi)是8個(gè)輸出帶三態(tài)門(mén)的D鎖存器，其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖4所示。當(dāng)使能端G呈高點(diǎn)平時(shí)鎖存器中的內(nèi)容可更新，而在返回低電平瞬間實(shí)現(xiàn)鎖存。如此時(shí)芯片的輸出控制端為低，也即輸出三態(tài)門(mén)打開(kāi)，鎖存器中的地址信息便可經(jīng)由三態(tài)門(mén)輸出。</p><p>　?。?）兩個(gè)水位信號(hào)由P1.0和P1.1輸入，這兩個(gè)信號(hào)共有四種組合狀態(tài)。如表3—1所示。其中第三種組合

13、（b=1、c=0）正常情況下是不能發(fā)生的，但在設(shè)計(jì)中還是應(yīng)該考慮到，并作為一種故障狀態(tài)。</p><p>　?。?）控制信號(hào)由P1.2端輸出，去控制電機(jī)。為了提高控制的可靠性，使用了光電耦合。</p><p>　?。?）由P1.3輸出報(bào)警信號(hào)，驅(qū)動(dòng)一只發(fā)光二極管進(jìn)行光報(bào)警。</p><p>　?。?）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)兩位的撥碼開(kāi)關(guān)模

14、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(guò)4．7 kQ的電阻(尺1，R2)接地。將單片機(jī)的P1.0端口接開(kāi)關(guān)1，P1.1端口接開(kāi)關(guān)2。假設(shè)被水淹沒(méi)的負(fù)電極都為高電平，此時(shí)開(kāi)關(guān)置1；露在水面的負(fù)電極都為低電平，開(kāi)關(guān)此時(shí)置為0。單片機(jī)通過(guò)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(kāi)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(kāi)關(guān)1置1，開(kāi)關(guān)2置0)；當(dāng)水位過(guò)高時(shí)，檢測(cè)信號(hào)為高電

15、平(此時(shí)開(kāi)關(guān)l和2都置1)，單片機(jī)檢測(cè)到P1.0和P1.1為高電平后，立即停機(jī)。</p><p>　　表1 水位信號(hào)狀態(tài)表</p><p>　　（7）報(bào)警接口電路，為了避免系統(tǒng)發(fā)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)P1．7端口為啟動(dòng)電機(jī)命令輸出端口，P1.7=0為低電平，經(jīng)過(guò)非門(mén)后與電機(jī)的另一端接地導(dǎo)通，啟動(dòng)電機(jī)工作；P

16、1.7=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P1.0和P1.1輸人。當(dāng)P1.5為高電平時(shí)蜂鳴器報(bào)警。水位超過(guò)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。 （8）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)的P0.0～P0.7通過(guò)復(fù)用方式分別接鎖存器74LS373的DO～D7和

17、存儲(chǔ)器2732的D0～D7端，地址鎖存信號(hào)線(xiàn)ALE接鎖存器的G端，通過(guò)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Q0～Q7與存儲(chǔ)器地址線(xiàn)A0～A7相連，剩余的3根地址線(xiàn)A8～A11接P2.0～P2.2。</p><p>　　圖2 水塔水位控制程序流程圖</p><p><b>　　四 軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　水位控制系

18、統(tǒng)主要由CPU(80C51)、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. </p><p><b>　　表2 真值表</b></p><p>　　一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，要完成各項(xiàng)功能，首先必須有較完善的硬件作保證。同時(shí)還必須得到相應(yīng)設(shè)計(jì)合理的軟件的支持，尤其是微機(jī)應(yīng)用高速發(fā)展的今天，許多由硬件完成的工作，都可通過(guò)軟件編程而代替。甚至有

19、些必須采用很復(fù)雜的硬件電路才能完成的工作，用軟件編程有時(shí)會(huì)變得很簡(jiǎn)單，如數(shù)字濾波，信號(hào)處理等。因此充分利用其內(nèi)部豐富的硬件資源和軟件資源，采用MCS—51匯編語(yǔ)言和結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法進(jìn)行軟件編程。這個(gè)系統(tǒng)程序由主控程序、延時(shí)子程序組成。其中主控程序是核心。由它控制著整個(gè)系統(tǒng)程序的運(yùn)行和跳轉(zhuǎn)。流程圖如圖2所示。包括系統(tǒng)初始化，數(shù)據(jù)處理，故障報(bào)警等。</p><p>　　電路具體工作情況如下： ① 當(dāng)水位低于

20、B時(shí)，由于極棒A和C、A和B之間被空氣絕緣，P1.0和P1.1得到低電平，全置0，單片機(jī)控制電路使P1.2置零，繼電器吸合，啟動(dòng)水泵向水塔灌水； ② 當(dāng)水位高于B低于C時(shí)，P1.0置1，P1.1置0，繼電器常開(kāi)觸電自保，因此升到B以上時(shí)，繼電器并不立即釋放，電極仍然供水； ③ 當(dāng)水位達(dá)到C時(shí)，P1.0 、P1.1均置1，單片機(jī)控制電路使P1.2置1，繼電器釋放，水泵停止工作； ④ 用水過(guò)程中，水位降到C以下，

21、P1.1置0，P1.0置1，維持原狀，電機(jī)不工作，直到降到B以下，如此循環(huán)往復(fù)。系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，由P1.3置零，輸出報(bào)警信號(hào)，驅(qū)動(dòng)一支發(fā)光二極管進(jìn)行光報(bào)警。</p><p>　　五 總結(jié)    該系統(tǒng)設(shè)計(jì)是基于在單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，充分利用單片機(jī)強(qiáng)大控制功能和方便通信接口，該檢測(cè)控制系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室某實(shí)驗(yàn)水冷卻系統(tǒng)得到成功實(shí)踐，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，提

22、高了實(shí)驗(yàn)的自動(dòng)控制能力。進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)，可為實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端控制，因此，該系統(tǒng)在農(nóng)村水塔，城市水源檢測(cè)控制等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。</p><p>　　這次課程設(shè)計(jì)首先讓我對(duì)于單片機(jī)有了更深一層的認(rèn)識(shí)，對(duì)它的意義也有了一定的了解，單片機(jī)在數(shù)字產(chǎn)品中大放光彩，好多的核心技術(shù)都是建立在它的基礎(chǔ)上的。其次對(duì)于單片機(jī)程序也有了進(jìn)一步的掌握，在前面單片機(jī)課程的學(xué)習(xí)中編寫(xiě)程序是我的大難題，我總是將一些知識(shí)點(diǎn)混淆，而這

23、次的課程設(shè)計(jì)將所學(xué)得知識(shí)都綜合起來(lái)，因此我的編寫(xiě)程序的水平也比原來(lái)好一點(diǎn)了。同時(shí)我也熟悉了一些芯片的使用，很多芯片我在做單片機(jī)實(shí)驗(yàn)時(shí)也用到了，這次的設(shè)計(jì)讓我對(duì)80c51芯片的使用有了更詳細(xì)的了解。當(dāng)然，在此期間我也遇到了許多困難，開(kāi)始調(diào)試程序時(shí)出現(xiàn)了一大堆錯(cuò)誤，有語(yǔ)法錯(cuò)誤，也有邏輯錯(cuò)誤。在老師的指導(dǎo)下，我們一起合作，耐心的排除了所有的錯(cuò)誤，成功的調(diào)試出了結(jié)果。</p><p><b>　　六 參考文獻(xiàn)&

24、lt;/b></p><p>　　[1]李廣弟，朱月秀，王秀山.單片機(jī)基礎(chǔ) 北京：航空航天大學(xué)出版社，2000.147～156</p><p>　　[2]康華光，陳大欽.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分 武漢：高等教育出版社，1998.57～116</p><p>　　[3]謝自美.電子線(xiàn)路設(shè)計(jì)·實(shí)驗(yàn)·測(cè)試（第二版）武漢：華中理工出版社，2000<

25、;/p><p>　　[4]楊恢先,黃輝先.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].人民郵電出版社,2006. </p><p>　　[5]曾一江.單片機(jī)微機(jī)原理與接口技術(shù)[M].科學(xué)出版社,2006. </p><p><b>　　附 錄</b></p><p>　　附錄一：水塔水位控制電路</p><p><

26、b>　　附錄二： 主程序</b></p><p>　　ORG 8000H</p><p>　　AJMP LOOP</p><p>　　LOOP： ORL P1，#03H ；為檢查水位狀態(tài)做準(zhǔn)備</p><p>　　MOV A，P1<

27、;/p><p>　　JNB ACC.0，ONE ；P1.0=0則跳至ONE</p><p>　　JB ACC.1，TWO ；P1.1=1則跳至TWO</p><p>　　BACK： ACALL D10S ；延時(shí)10S</p><p&

28、gt;　　AJMP LOOP </p><p>　　ONE： JNB ACC.1，THREE ；P1.1=0則跳至THREE</p><p>　　CLR 93H ；P1.3←0，啟動(dòng)報(bào)警裝置</p><p>　　SETB

29、 92H ；P1.2←1，停止電機(jī)工作</p><p>　　FOUR： SJMP FOUR</p><p>　　THREE： CLR 92H ；啟動(dòng)電機(jī)</p><p>　　AJMP BACK</p><p>　　TWO：

30、 SETB 92H ；停止電機(jī)工作</p><p>　　AJMP BACK</p><p>　　D10S： ORG 8030H ；延時(shí)子程序D10S（延時(shí)10秒）</p><p>　　MOV R3，#19H</p><p&

31、gt;　　LOOP3： MOV R1，#85H</p><p>　　LOOP1： MOV R2，#0FAH</p><p>　　LOOP2： DJNZ R2，LOOP2</p><p>　　DJNZ R1，LOOP1</p><p>　　DJNZ R3，LOOP3

32、</p><p><b>　　RET</b></p><p><b>　　END</b></p><p><b>　　附錄三：芯片介紹</b></p><p>　　圖3 8031引腳圖 </p><p>　　單片機(jī)的40個(gè)引腳大致可分為4類(lèi)：電源、時(shí)鐘

33、、控制和I/O引腳。</p><p><b>　　<1>電源:</b></p><p>　　a.VCC - 芯片電源，接+5V；</p><p>　　b. VSS - 接地端；</p><p><b>　　<2>時(shí)鐘:</b></p><p>　　XT

34、AL1、XTAL2 - 晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端。</p><p>　　<3> 控制線(xiàn):控制線(xiàn)共有4根</p><p>　　a. ALE/PROG:地址鎖存允許/片內(nèi)EPROM編程脈沖① ALE功能：用來(lái)鎖存P0口送出的低8位地址② PROG功能：片內(nèi)有EPROM的芯片，在EPROM編程期間，此引腳輸入編程脈沖。</p><p>　　b. PS

35、EN:外ROM讀選通信號(hào)。</p><p>　　c.RST/VPD:復(fù)位/備用電源。</p><p>　　RST（Reset）功能：復(fù)位信號(hào)輸入端。</p><p>　　② VPD功能：在Vcc掉電情況下，接備用電源。</p><p>　　d. EA/Vpp:內(nèi)外ROM選擇/片內(nèi)EPROM編程電</p><p>　　E

36、A功能：內(nèi)外ROM選擇端。</p><p>　?、?Vpp功能：片內(nèi)有EPROM的芯片，在EPROM編程期間，施加編程電源Vpp。</p><p><b>　　<4> I/O線(xiàn)</b></p><p>　　8031共有4個(gè)8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32個(gè)引腳。P3口還具有第二功能，用于特殊信號(hào)輸入輸出和控制信號(hào)