基于單片機(jī)的水位檢測儀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)

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

2、 </p><p>　　學(xué) 號： </p><p>　　學(xué) 院： </p><p>　　指 導(dǎo) 教 師： <

3、/p><p>　　課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 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(jī)械式控制方式  ............................................................6</p><p>　　1.2 復(fù)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(shè)計(jì)..................................................................................................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(bào)警接口電路............................................................................14</p><p>　　3.5 存儲器擴(kuò)展接口電路.................. ..................................

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

11、...................................15</p><p>　　4.2程序.............................................................................................16</p><p>　　5實(shí)驗(yàn)仿真................................

12、................................................................18</p><p>　　6結(jié)語…....................................................................................................19</p><p>　　7參

13、考文獻(xiàn)…..............................................................................................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(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)生對單片機(jī)控制的智能型控制

14、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)水塔水位檢測控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)水位檢測、電機(jī)故障檢測、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

15、出相應(yīng)的軟件設(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)具有良好的檢測控制功能，可移植性和擴(kuò)展性強(qiáng)。關(guān)鍵詞：單片機(jī)；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(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

16、實(shí)現(xiàn)自動運(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，應(yīng)采用電壓控制水位。首先通過實(shí)時(shí)檢測電壓，測量水位變化，從而控制電動機(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控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)水位的檢測控制、電機(jī)故障檢測、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)具有良好的檢測控制功能可移植性和擴(kuò)展性強(qiáng)。<

17、;/p><p><b>　　1設(shè)計(jì)方案比較</b></p><p>　　對于水位進(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：</p><p>　　1.1簡單的機(jī)械式控制方式。</p><p>　　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)簡單，成本低廉。存在問題是精度不高，不能進(jìn)行數(shù)值顯

18、示，另外很容易引起誤動作，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)。</p><p>　　1.2復(fù)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(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、A／D變換成數(shù)字信號傳送到單片機(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D／A變換給調(diào)壓／變頻調(diào)速裝置輸入給定端

19、，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。</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(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)一個對供水箱水位進(jìn)行監(jiān)控的系統(tǒng)。當(dāng)水塔水位下降至下限水位時(shí)，啟動水泵；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)，自動報(bào)警；故障解除時(shí)，水泵恢復(fù)正常工作。</p><p>　　2水塔水位控制原理    單片

21、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)帶動水泵供水，單片機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，隨著供水，水位不斷上升，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

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(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)啟動電機(jī)轉(zhuǎn)動，帶動水泵給水塔注水。</p>&

23、lt;p>　　3電路設(shè)計(jì)    水塔水位控制系統(tǒng)主要由CPU(AT89C51)、水位檢測接口電路、報(bào)警接口電路、存儲器擴(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、</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(jī)。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(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(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?！?lt;/p><p>　　74LS373鎖存器： 74LS373的輸出端 O0~O7 可直接與總線相連。當(dāng)

25、三態(tài)允許控制端 OE 為低電平時(shí)，O0~O7 為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅(qū)動負(fù)載或總線。當(dāng) OE 為高電平時(shí)，O0~O7 呈高阻態(tài)，即不驅(qū)動總線，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)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：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(yuǎn)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(shí)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(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。</p><p>　　P1口

28、：P1口是一個內(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。 </p><p>　　P2口：P2口為一個內(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TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高

29、，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)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(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，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(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和控制信號。 </p><p>　　P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的

30、雙向I/O口，可接收輸出4個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）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(shí)器0外部輸入） </p><p>　　P3.5 T1（記時(shí)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(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號。 </p><p>　　RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 </p><p>　　ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時(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FLASH編程期間，

33、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，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(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)，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(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。 </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(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。 </p><p>　　/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。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(nèi)部時(shí)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(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)動器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸

36、入至內(nèi)部時(shí)鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時(shí)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(shí)現(xiàn)水位檢測功能，用一個兩位的撥碼開關(guān)模擬b、c端的狀態(tài)(1、0)，正電極接+5 V電源，每個負(fù)電極分別通過4．7 kQ的電阻(尺1，R2)接地。將單片機(jī)的P1．0端口接開關(guān)

37、1，P1．1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)采集檢測水位，當(dāng)缺水時(shí)(此時(shí)兩個開關(guān)均置0)，電機(jī)必須帶動水泵抽水；若水位在正常范圍內(nèi)時(shí)，檢測信號為高，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)，檢測信號為高電平(此時(shí)開關(guān)l和2都置1)，單片機(jī)檢測到P1．0和P1．1為高電平后，立即停機(jī)。</p><p>　　3.4

38、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)警信號直接從高、低警界水位電極獲得。單片機(jī)P1．7端口為啟動電機(jī)命令輸出端口，P1．7=0為低電平，經(jīng)過非門后與電機(jī)的另一端接地導(dǎo)通，啟動電機(jī)工作；P1．7=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。水位超過高警戒水

39、位，單片機(jī)控制系統(tǒng)使電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，向水塔內(nèi)供水工作也停止。</p><p>　　3.5 存儲器擴(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通過復(fù)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(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(jī)選通引腳麗接存儲器OE端，因只擴(kuò)展一片存儲器，片選端CE接地。</p><p><b>　　4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　4.1  流程圖 </b></p&

41、gt;<p>　　當(dāng)水塔水位處于上、下限之間時(shí)，P1．0=l，P1．1=0，此時(shí)無論電機(jī)是在帶動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)，P1．0=0，P1．1=0，此時(shí)啟動電機(jī)轉(zhuǎn)動，帶動水泵給水塔供水。水位檢測信號與輸出控制操作關(guān)系如表1所列，圖4為水塔水位控制程序流程。</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(zhǔn)備</p><p>　　MOV A , P1</p><p>　　JNB ACC.0 , ONE;P1.0=0則轉(zhuǎn)</p><p>　　

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

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

45、><p>　　AJMP BACK</p><p>　　TWO: SETB 97H ;停止電機(jī)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(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果</b></p><p>　　根據(jù)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件流程圖，編寫相應(yīng)的程序在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)能成功實(shí)現(xiàn)了水位檢測、電機(jī)故障檢測、處理和報(bào)警等功能，具有良好的檢測控制功能，可移植性和擴(kuò)展性強(qiáng)。通過制作PCB板子，

48、該系統(tǒng)已成功運(yùn)用于某實(shí)驗(yàn)的水冷卻系統(tǒng)。</p><p><b>　　6 結(jié)語</b></p><p>　　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、電機(jī)故障檢測、處理和報(bào)警等功能，提高了實(shí)驗(yàn)的自動控制能力。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，