水塔-計算機(jī)控制課程設(shè)計

1、<p><b>　　一、摘要</b></p><p>　　微型計算機(jī)SCMC，簡稱單片機(jī)，又稱單片微控制器,它不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是把一個計算機(jī)系統(tǒng)集成到一個芯片上。它的體積小、質(zhì)量輕、價格便宜。這種計算機(jī)的最小系統(tǒng)只用了一片集成電路，可進(jìn)行簡單運算和控制。因為它體積小，通常藏在被控機(jī)械的“肚子”里。它在整個裝置中，起著有如人類頭腦的作用，它出了毛病，整個裝置就癱瘓了。

2、現(xiàn)在，這種單片機(jī)的使用領(lǐng)域已十分廣泛，如智能儀表、實時工控、導(dǎo)航系統(tǒng)、家用電器等。雖然單片機(jī)只有一個芯片，但無論從組成還是從功能上看，它已具備了計算機(jī)系統(tǒng)的屬性，是一個簡單的微型計算機(jī)。本文對單片機(jī)水塔水位控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，完成單片機(jī)水塔水位控制系統(tǒng)硬件接線圖和流程圖以及單片機(jī)的控制程序設(shè)計，并完成了指令編程。</p><p><b>　　二、引言</b></p><p&

3、gt;<b>　　水塔水位</b></p><p>　　水位控制在日常生活及工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用相當(dāng)廣泛，比如水塔、地下水、水電站等情況下的水位控制。自動檢測水位的檢測系統(tǒng)能根據(jù)水位變化的情況自動調(diào)節(jié)。本次課題采用單片機(jī)進(jìn)行主控制，利用水的導(dǎo)電性測量水位的變化，把測量到的水位變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，用單片機(jī)對接收到的信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，完成水位的檢測、控制及故障報警等功能。</p>&

4、lt;p><b>　　三、設(shè)計方案及原理</b></p><p>　　本次課程設(shè)計對我們有以下意義: </p><p>　　(1) 通過這次課程設(shè)計，加深對單片機(jī)理論方面的理解。 </p><p>　　(2) 掌握單片機(jī)的內(nèi)部模塊的應(yīng)用，如片內(nèi)外存儲器、I/O口、串行口通訊等。 </p><p>　　(3) 了解和

5、掌握單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計過程、方法及實現(xiàn)，為以后設(shè)計和實現(xiàn)單片器應(yīng)用系統(tǒng)打下良好基礎(chǔ)。 </p><p>　　(4) 通過簡單課題的設(shè)計練習(xí)，了解必須提交的工程文件，也達(dá)到鞏固、充實和綜合運用所學(xué)知識解決實際問題的目的。</p><p>　　四、硬件電路設(shè)計及描述</p><p>　　實驗證明，純凈水幾乎是不導(dǎo)電的，但自然界存在的以及人們?nèi)粘Ｊ褂玫乃紩幸?/p>

6、定的導(dǎo)電離子，本智能水位檢測裝置就是利用水的導(dǎo)電性完成的。檢測裝置控制圖中的虛線表示允許水位變化設(shè)定的上下限。在正常情況下，應(yīng)保持水位在虛線范圍內(nèi)。為此，在水塔的不同高度安裝了3根金屬棒，以感知水位變化情況。這樣b、c兩點的電壓信號位數(shù)字信號，不需要再進(jìn)行數(shù)字信號變換處理，可以直接輸入給單片機(jī)。如下圖所示：</p><p><b>　　水位檢測原理圖</b></p><p

7、>　　B棒處于設(shè)定下限水位，C棒處于設(shè)定上限水位，A棒接+5V電源，B棒、C棒各通過一個阻值位4.7K的電阻與地相連。水塔由電動機(jī)帶動補(bǔ)水泵供水，單片機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動實現(xiàn)對水位的控制。單片機(jī)通過不斷的采集B、C兩點電壓信號來檢測水位的變化?？刂七^程如下：</p><p>　　（1）當(dāng)水塔補(bǔ)水過程中水位達(dá)到上限時，由于水的導(dǎo)電作用，B、C棒連通+5V。因此，b、c兩端均為1狀態(tài)，這是應(yīng)停止電機(jī)和水泵工作，不再給

8、水塔供水。</p><p>　?。?）當(dāng)水位在水位下限時， B、C棒都不能與A棒導(dǎo)電。因此，b、c兩端均為0狀態(tài)。這時正常起動電機(jī)，并接通相關(guān)電路開關(guān)電源，帶動水泵工作，給水塔供水。</p><p>　　（3）當(dāng)水位處于上下限之間時，B棒與A棒導(dǎo)通，b端為1狀態(tài)。C端為0狀態(tài)。這時，無論是電機(jī)以帶動水泵給水塔加水，水位在不斷上升；或者是電機(jī)沒有工作，用水使水位在不斷下降，都應(yīng)繼續(xù)維持原來的

9、工作狀態(tài)。單片機(jī)循環(huán)不斷地采集水位信號以實現(xiàn)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求。</p><p><b>　　五.軟件設(shè)計</b></p><p>　　水塔水位的單片機(jī)控制系統(tǒng)水塔水位控制在鐵路、油田、化工等部門有著廣泛的應(yīng)用。我們?yōu)樵O(shè)計了一種用ＭＣＳ－５１單片機(jī)控制水塔水位的控制系統(tǒng)，繼電器控制的主電路圖和控制電路圖如下： </p><p>　　注：圖

10、中ＫＭ１為控制一號泵A電機(jī)起動的繼電器線圈和常開觸頭；ＫＭ２為控制二號泵B電機(jī)起動的繼電器線圈和常開觸頭。</p><p>　　在晶閘管雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，輸入量有速度、電流等模擬量，有啟停指令、轉(zhuǎn)向給定等開關(guān)量信號。輸出量有觸發(fā)脈沖、故障信號等開關(guān)量信號。</p><p><b>　　1.開關(guān)量輸出電路</b></p><p>　　采用光電

11、耦合器的開關(guān)量輸出電路如圖2所示。+5V電源為單片機(jī)電源，+24V電源為開關(guān)量輸出電源，兩個電源是隔離的。當(dāng)單片機(jī)輸出端口輸出高電平時，經(jīng)與非門電路，A點為低電平，經(jīng)光耦器件使驅(qū)動晶體管V導(dǎo)通，出口繼電器J得電吸合。當(dāng)輸出端輸出低電平時，經(jīng)與非門電路，A點輸出高電平，經(jīng)光耦器件使V截止，J釋放。</p><p>　　帶光耦的開關(guān)量輸出電路</p><p><b>　　2.硬件接線

12、圖</b></p><p>　　單片機(jī)控制水塔系統(tǒng)主要完成的功能是對水塔水位控制及監(jiān)測。本系統(tǒng)有2 臺電機(jī)，一臺作為工作電機(jī)，另一臺作為備用電機(jī)。此系統(tǒng)一般在水塔無人值守的情況下工作，所以單片機(jī)必須能自動對水塔水位進(jìn)行采樣，對水位輸入信號進(jìn)行分析，與已設(shè)置好的水位參數(shù)進(jìn)行比較， 控制電機(jī)水泵的開啟、停機(jī)，實現(xiàn)水位的調(diào)節(jié)。水位允許在已設(shè)置的上、下水位參數(shù)范圍內(nèi)變化。當(dāng)工作電機(jī)發(fā)生故障時，單片機(jī)自動選用第

13、二臺電機(jī)工作。在發(fā)生特殊情況某一時刻人為的要強(qiáng)行啟動電機(jī)，但又要通過單片機(jī)來控制，可通過上調(diào)下限水位參數(shù)隨時啟動電機(jī)。當(dāng)工作的電機(jī)出現(xiàn)異常情況可通過下調(diào)上限水位參數(shù)，單片機(jī)控制電機(jī)立即停機(jī)等。</p><p>　　系統(tǒng)的基本工作原理與構(gòu)成單片機(jī)控制水塔系統(tǒng)主要完成的功能是對水塔水位控制及監(jiān)測。由水塔的水位模擬信號并與機(jī)組的電壓、電流模擬信號同時送入單片機(jī)系統(tǒng)的模擬輸入通道接口。該系統(tǒng)是以 MCS- 5 1為核心實

14、現(xiàn)水位的自動控制。該系統(tǒng)有電機(jī)故障報警功能，采用獨立的電路實現(xiàn)超高、低警戒水位報警,超高警戒水位處理,配有手動控制電機(jī)電路。此系統(tǒng)一般在水塔無人值守的情況下工作,所以單片機(jī)必須能自動對水塔水位進(jìn)行采樣,對水位輸入信號進(jìn)行分析,與已設(shè)置好的水位參數(shù)進(jìn)行控制。</p><p>　　兩個水位信號由P1.0和P1.1輸入，這兩個信號共有四種組合狀態(tài)。如下表：</p><p>　　表1 水位狀態(tài)信號

15、表</p><p>　　其中第三種組合（b=1、c=0）正常情況下是不能發(fā)生的，但在設(shè)計中還是應(yīng)該考慮到，并作為一種故障狀態(tài)。</p><p>　　3.水位自動控制裝置設(shè)計方案論證:</p><p>　　本次設(shè)計所考慮的方案有以下幾種：</p><p>　?。?）利用浮力原理使浮標(biāo)帶動觸頭工作,進(jìn)而影響直流接觸器動作,控制交流接觸器工作,實

16、現(xiàn)水塔無水時自動開啟水泵電動機(jī),水滿時自動關(guān)閉的自動控制目的,同時,在浮標(biāo)失效時保護(hù)電路自動報警,并切斷供水系統(tǒng),延時實現(xiàn)間斷供水和自動報警功能。鑒于當(dāng)前水塔利用增多,可設(shè)計成簡單易行、成本低廉、便于安裝的水泵自控電路。利用水的浮力使浮標(biāo)帶動觸頭,使其閉合/(斷開),致使直流接觸器工作,電路自動接通/(斷路),從而控制主控電路,實現(xiàn)自動控制的目的。</p><p>　?。?）通過兩到三根電極放在水中，高度不同，其

17、中一條伸到水底當(dāng)?shù)鼐€(如果底部是金屬的也可以省去它)，另外兩條一個在低水位一個在高水位上，當(dāng)?shù)退坏膶Φ厥ミB接時說明水位低，當(dāng)兩條都對地連接說明水位高；</p><p>　　（3）是用絕緣電極電容式測量，用兩根(或兩組)外表絕緣的電極垂直伸進(jìn)水低，通過測量電極上的電容量變化情況測定水位，水作為電容的介質(zhì)，水位越高電容越大，只要測定一下高低水位時的電容量就可以知道結(jié)果了。</p><p>

18、　　本次設(shè)計主要采用第二種方案。</p><p><b>　　六、具體程序的編寫</b></p><p><b>　　6.1 程序流程圖</b></p><p>　　一個應(yīng)用系統(tǒng)，要完成各項功能，首先必須有較完善的硬件作保證。同時還必須得到相應(yīng)設(shè)計合理的軟件的支持，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

19、過軟件編程而代替。甚至有些必須采用很復(fù)雜的硬件電路才能完成的工作，用軟件編程有時會變得很簡單。</p><p><b>　　程序流程圖如下：</b></p><p><b>　　水塔水位控制流程圖</b></p><p><b>　　6.2 程序清單</b></p><p>&

20、lt;b>　　ORG 0000H</b></p><p>　　LJMP START</p><p>　　START: MOV P1, #0FFH ；程序初始化</p><p>　　MOV P2, #0FFH </p><p>　　START1: JB P2.0, SHOU ；P2.

21、0為1否？為1轉(zhuǎn)手動</p><p>　　LOOP: ORL P1, #00000011B ；P1.0、P1.1置1，準(zhǔn)備輸入</p><p>　　MOV A, P1 ；讀P1口</p><p>　　JNB ACC.0, XX1 ；P1.0=0轉(zhuǎn)</p><p>　　JB ACC.1,

22、XX2 ；P1.1=0轉(zhuǎn)</p><p>　　BACK: LCALL TIM</p><p><b>　　SJMP LOOP</b></p><p>　　XX1: JNB ACC.1, XX3 ；P1.1=0轉(zhuǎn)</p><p>　　CLR P1.3 ；

23、黃燈亮</p><p>　　SETB P1.2 ；停A電機(jī)</p><p>　　XX4: SJMP XX4 </p><p>　　LCALL TIM </p><p>　　XX3: CLR P1.2 ；開A電機(jī)</p><p>　　

24、LCALL TIM </p><p>　　JB P2.1,STATU ；P2.1為1否？為1轉(zhuǎn)</p><p><b>　　LCALL TIM</b></p><p>　　CLR P2.7 ；綠燈亮</p><p><b>　　LJMP BACK</b&g

25、t;</p><p>　　XX2: SETB P1.2 ；停A電機(jī)</p><p>　　CLR P2.6 ；紅燈亮</p><p><b>　　LJMP BACK</b></p><p>　　STATU: SETB P1.4

26、；開B電機(jī)</p><p><b>　　LCALL TIM</b></p><p>　　JB P2.2，MUSIC ；P2.2為1否？為1轉(zhuǎn)</p><p>　　ORL P1, #00000011B</p><p><b>　　MOV A, P1</b></p><

27、;p>　　JNB ACC.0, XX5</p><p>　　JB ACC.1, XX6</p><p>　　XX: LCALL TIM</p><p>　　SJMP STATU</p><p>　　XX5: JNB ACC.1, XX7</p><p>　　CLR P1.3

28、 ；黃燈亮</p><p>　　SETB P1.4 ；關(guān)B電機(jī)</p><p>　　XX8: LJMP XX8</p><p><b>　　LCALL TIM</b></p><p>　　XX7: CLR P1.4 ；開B電機(jī)</p>

29、<p><b>　　LCALL TIM</b></p><p>　　JB P2.2, MISS ；P2.2為1否？為1轉(zhuǎn)</p><p><b>　　LCALL TIM</b></p><p>　　CLR P2.7 ；綠燈亮</p>

30、<p>　　LJMP BACK </p><p>　　XX6: SETB P1.4 ；停B電機(jī)</p><p>　　CLR P2.6 ；紅燈亮</p><p><b>　　SJMP XX</b></p><p>　　MISS: SJM

31、P MUSIC</p><p>　　MUSIC: CPL P1.7 ；啟動蜂鳴器</p><p><b>　　LCALL TIM</b></p><p><b>　　SJMP LOOP</b></p><p>　　SHOU: JB P1.5, YY

32、 ；開A電機(jī)？</p><p><b>　　CLR P1.2</b></p><p>　　YY: JB P2.4, ZZ ；停A電機(jī)？</p><p><b>　　SETB P1.2</b></p><p>　　ZZ: JB P1.6, TT

33、 ；開B電機(jī)？</p><p><b>　　CLR P1.4</b></p><p>　　TT: JB P2.5, SHOU ；停B電機(jī)？</p><p><b>　　SETB P1.4</b></p><p>　　LJMP START1<

34、;/p><p>　　TIM: MOV R0, #19H ；延時子程序</p><p>　　LP2: MOV R1, #85H</p><p>　　LP1: MOV R2, #0FAH</p><p>　　LP0: NOP</p><p><b>　　NOP</b>&

35、lt;/p><p>　　DJNZ R2,LP0</p><p>　　DJNZ R1,LP1</p><p>　　DJNZ R0,LP2</p><p>　　RET </p><p>　　END </p><p><b>　　七、調(diào)試<

36、/b></p><p>　?。?）當(dāng)水池水位低于水位界時，A電機(jī)的電磁閥打開進(jìn)水。當(dāng)水位高于水池高水位界，閥門關(guān)閉。當(dāng)水塔水位低于水塔低位界時，電動機(jī)運轉(zhuǎn)，開始抽水。當(dāng)水塔水位高于水塔高水位界時，電動機(jī)M1 停止。根據(jù)上述控制要求編制水塔水位自動控制程序，并上機(jī)調(diào)試運行。</p><p>　?。?）當(dāng)水池水位低于水位界時，電磁閥打開進(jìn)水，調(diào)用延時指令，延時時間到，如果電機(jī)A不能正常啟

37、動，表示閥沒有進(jìn)水，出現(xiàn)故障，此時則自行啟動備用B電機(jī)。啟動B電機(jī)后，B電機(jī)的電磁閥打開進(jìn)水，此時調(diào)用延時指令，延時一定的時間后，如果此時B電機(jī)也不能正常啟動，即A、B電機(jī)同時出現(xiàn)故障時，此時啟動蜂鳴器，發(fā)出報警信號。則根據(jù)上述控制要求編制水塔水位自動控制程序，并上機(jī)調(diào)試運行。</p><p>　?。?）在發(fā)生特殊情況某一時刻人為的要強(qiáng)行啟動電機(jī), 但又要通過單片機(jī)來控制, 可通過上調(diào)下限水位參數(shù)隨時啟動電機(jī)。當(dāng)