單片機課程設(shè)計--水塔水位控制設(shè)計

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

2、;<p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　設(shè)計時間： 2011年1月 </p><p><b>　　一 引言</b></p><p>　　本設(shè)計為一個實際應(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，檢測信號來自插入水中的3個金屬棒，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)生故障的時候，及時關(guān)斷電機電源，發(fā)出聲、光報警信號。  單片機自20世紀70年代問世以來，以其極高的性價比，受到人們的重視和關(guān)注的應(yīng)用廣、發(fā)展快。而MCS-51單片機是各單片機中最為典型和最具代表性的一種。</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控制實現(xiàn)自動運行，

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80C5l單片機為核心器件的水塔水位檢測控制系統(tǒng)仿真設(shè)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(jié)果表明，該系統(tǒng)具有良好的檢測控制功能，可移植性和擴展性強。</p>

5、<p>　　本次設(shè)計以8031芯片為核心，輔以必要的外圍電路，設(shè)計了一個簡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8031的 ROM進行4K擴展，并且使用74LS07芯片對外部電路驅(qū)動。軟件方面采用匯編語言編程，整個水塔水位控制系統(tǒng)能根據(jù)水塔水位的高低來決定水泵電機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，并且在發(fā)生故障時由外部電路的LED發(fā)光管點亮報警。 </p><p>　　水

6、塔水位控制系統(tǒng)是我國住宅小區(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，而自動控制原理，依據(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，保持水壓恒定以滿足用水要求，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)過多次實驗證明，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)采用交流電壓檢測水位，水位低于下限點水位時，水泵抽水，水位達到最高水位線時，水泵停止抽水，水位下降到最低水位線以下時，恢復(fù)

7、運行抽水，從而實現(xiàn)自動控制。</p><p><b>　　二 設(shè)計方案及原理</b></p><p>　　圖中虛線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棒各通過一個電阻與地相連。水塔由電機帶動

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

9、gt;　　當(dāng)水位處于上下限之間時，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，無論是電機已在帶動水泵給水塔加水，水位在不斷上升；或者是電機沒有工作，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</b></p><p&g

10、t;　　由于所采用的信號是頻率隨水位變化而變的脈沖信號（開關(guān)量），因此電路設(shè)計中省去了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送到8031的P1.0和P1.1腳電平，當(dāng)接收到信號時，輸入脈沖使其輸出高電平，而無信號輸入時，無觸發(fā)脈沖，此時翻轉(zhuǎn)為低電平。程序控制8031周期性地對P1.1和P1.0腳電平進行采樣，達到控制的目的。</p>

11、;<p>　　（1）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，對其進行信號處理，便能實現(xiàn)對水位的控制及故障報警等功能。要完成此一工作，最佳的選擇是采用微機控制，實驗中是以MCS—51系列單片機8031作CPU。其中8031的時鐘頻率為6MHz。由于8031沒有內(nèi)部ROM，因此需外擴展程序存儲器。本系統(tǒng)采用2732EPROM擴展4K程序存儲器，對應(yīng)地址空間為0000H～0FFFH。</p>

12、;<p>　?。?）74LS373作為地址鎖存器。74LS373片內(nèi)是8個輸出帶三態(tài)門的D鎖存器，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖4所示。當(dāng)使能端G呈高點平時鎖存器中的內(nèi)容可更新，而在返回低電平瞬間實現(xiàn)鎖存。如此時芯片的輸出控制端為低，也即輸出三態(tài)門打開，鎖存器中的地址信息便可經(jīng)由三態(tài)門輸出。</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)計中還是應(yīng)該考慮到，并作為一種故障狀態(tài)。</p><p>　　（4）控制信號由P1.2端輸出，去控制電機。為了提高控制的可靠性，使用了光電耦合。</p><p>　　（5）由P1.3輸出報警信號，驅(qū)動一只發(fā)光二極管進行光報警。</p><p>　?。?）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(guān)模

14、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(guān)1，P1.1端口接開關(guān)2。假設(shè)被水淹沒的負電極都為高電平，此時開關(guān)置1；露在水面的負電極都為低電平，開關(guān)此時置為0。單片機通過負電極重復(fù)采集檢測水位，當(dāng)缺水時(此時兩個開關(guān)均置0)，電機必須帶動水泵抽水；若水位在正常范圍內(nèi)時，檢測信號為高，低電平(此時開關(guān)1置1，開關(guān)2置0)；當(dāng)水位過高時，檢測信號為高電

15、平(此時開關(guān)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>　　表1 水位信號狀態(tài)表</p><p>　?。?）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(jīng)過非門后與電機的另一端接地導(dǎo)通，啟動電機工作；P

16、1.7=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(dāng)P1.5為高電平時蜂鳴器報警。水位超過高警戒水位，單片機控制系統(tǒng)使電機停止轉(zhuǎn)動，向水塔內(nèi)供水工作也停止。 （8）存儲器擴展接口電路，為了便于系統(tǒng)擴展，存放大容量應(yīng)用程序，系統(tǒng)設(shè)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(fù)用方式分別接鎖存器74LS373的DO～D7和

17、存儲器2732的D0～D7端，地址鎖存信號線ALE接鎖存器的G端，通過軟件設(shè)置實現(xiàn)地址和數(shù)據(jù)信息的傳輸，鎖存器的輸出端Q0～Q7與存儲器地址線A0～A7相連，剩余的3根地址線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</b></p><p>　　水位控制系

18、統(tǒng)主要由CPU(80C51)、水位檢測接口電路、報警接口電路、存儲器擴展接口電路、復(fù)位電路、時鐘振蕩等部分組成. </p><p><b>　　表2 真值表</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，用軟件編程有時會變得很簡單，如數(shù)字濾波，信號處理等。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匯編語言和結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法進行軟件編程。這個系統(tǒng)程序由主控程序、延時子程序組成。其中主控程序是核心。由它控制著整個系統(tǒng)程序的運行和跳轉(zhuǎn)。流程圖如圖2所示。包括系統(tǒng)初始化，數(shù)據(jù)處理，故障報警等。</p><p>　　電路具體工作情況如下： ① 當(dāng)水位低于

20、B時，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，單片機控制電路使P1.2置零，繼電器吸合，啟動水泵向水塔灌水； ② 當(dāng)水位高于B低于C時，P1.0置1，P1.1置0，繼電器常開觸電自保，因此升到B以上時，繼電器并不立即釋放，電極仍然供水； ③ 當(dāng)水位達到C時，P1.0 、P1.1均置1，單片機控制電路使P1.2置1，繼電器釋放，水泵停止工作； ④ 用水過程中，水位降到C以下，

21、P1.1置0，P1.0置1，維持原狀，電機不工作，直到降到B以下，如此循環(huán)往復(fù)。系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，由P1.3置零，輸出報警信號，驅(qū)動一支發(fā)光二極管進行光報警。</p><p>　　五 總結(jié)    該系統(tǒng)設(shè)計是基于在單片機嵌入式系統(tǒng)而設(shè)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

22、高了實驗的自動控制能力。進一步優(yōu)化系統(tǒng)軟硬件設(shè)計，可為實時實現(xiàn)遠端控制，因此，該系統(tǒng)在農(nóng)村水塔，城市水源檢測控制等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。</p><p>　　這次課程設(shè)計首先讓我對于單片機有了更深一層的認識，對它的意義也有了一定的了解，單片機在數(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。其次對于單片機程序也有了進一步的掌握，在前面單片機課程的學(xué)習(xí)中編寫程序是我的大難題，我總是將一些知識點混淆，而這

23、次的課程設(shè)計將所學(xué)得知識都綜合起來，因此我的編寫程序的水平也比原來好一點了。同時我也熟悉了一些芯片的使用，很多芯片我在做單片機實驗時也用到了，這次的設(shè)計讓我對80c51芯片的使用有了更詳細的了解。當(dāng)然，在此期間我也遇到了許多困難，開始調(diào)試程序時出現(xiàn)了一大堆錯誤，有語法錯誤，也有邏輯錯誤。在老師的指導(dǎo)下，我們一起合作，耐心的排除了所有的錯誤，成功的調(diào)試出了結(jié)果。</p><p><b>　　六 參考文獻&

24、lt;/b></p><p>　　[1]李廣弟，朱月秀，王秀山.單片機基礎(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.電子線路設(shè)計·實驗·測試（第二版）武漢：華中理工出版社，2000<

25、;/p><p>　　[4]楊恢先,黃輝先.單片機原理及應(yīng)用[M].人民郵電出版社,2006. </p><p>　　[5]曾一江.單片機微機原理與接口技術(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，啟動報警裝置</p><p>　　SETB

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

30、 SETB 92H ；停止電機工作</p><p>　　AJMP BACK</p><p>　　D10S： ORG 8030H ；延時子程序D10S（延時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>　　單片機的40個引腳大致可分為4類：電源、時鐘

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:控制線共有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。</p><p>　　c.RST/VPD:復(fù)位/備用電源。</p><p>　　RST（Reset）功能：復(fù)位信號輸入端。</p><p>　?、?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</b></p><p>　　8031共有4個8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32個引腳。P3口還具有第二功能，用于特殊信號輸入輸出和控制信號