畢業(yè)設計（論文）單片機水箱水位控制系統(tǒng)設計

1、單位代碼 0 2 學 號 分 類 號 th6 密 級 課程設計說明書水箱水位控制系統(tǒng)設計 院（系）名稱 機械工程學院 專業(yè)名稱機械設計制造及其自動化 學生姓名 指導教師 2015年 10 月 27 日黃河科技學院課程設計任務書 機械工程 學院 機械 系 機械設計制造及其自動化 專業(yè) 12 級 1 班學號 1200000000 姓名 指導教師 題目: 水箱水位控制系統(tǒng)設計 課程: 單片機應用技術 課程設計時間 2015 年 10 月 13 日 至 10 月 27 日 共 2 周課程設計工作內容與基本要求(設計要求、設計任務、工作計劃、所需相關資料)（紙張不夠可加頁）1. 設計要求在高塔的內部我們

2、設計一個簡易的水位探測傳感器用來探測三個水位，即低水位，正常水位，高水位。低水位時送給單片機一個高電平，驅動水泵加水，紅燈亮；正常范圍的水位時，水泵加水，綠燈亮；高水位時，水泵不加水，黃燈亮。2. 設計任務與要求（完成后需提交的文件和圖表等）1系統(tǒng)硬件電路設計根據(jù)該系統(tǒng)設計的功能要求選擇所用元器件，設計硬件電路。要求用proteus繪制整個系統(tǒng)電路原理圖。2軟件設計根據(jù)該系統(tǒng)設計的功能要求進行軟件設計，要求用visio軟件繪制整個系統(tǒng)及各部分的軟件流程圖。并根據(jù)流程圖編寫程序并匯編調試通過。列出軟件清單，軟件清單要加以注釋。3proteus仿真用proteus對系統(tǒng)軟硬件進行仿真調試通過。4軟

3、硬件實際調試5編寫設計說明書一份，內容包括任務書、設計方案分析、硬件設計部分要繪制整個系統(tǒng)電路原理圖，對各部分電路設計原理做出說明。軟件設計部分要繪制整個系統(tǒng)及各部分的軟件流程圖，并列出軟件清單，軟件清單要求加注釋，并在各功能塊前加程序功能注釋。調試結果整理分析及設計調試的心得體會。3工作計劃（進程安排） 第1周基本完成軟、硬件的設計（分散在教學過程中完成）。第二周2天繪制所要求的圖紙，完成軟、硬件的調試；2天完成設計說明書；1.5天答辯或驗收，評定成績。6主要參考資料單片機課程設計指導書 皮大能 北京理工大學出版社2010.78051單片機實踐與應用 吳金戎 清華大學出版社2003.8單片機

4、技術基礎教程與實踐夏路易 電子工業(yè)出版社2008.1mcs-51單片機原理接口及應用王質樸 北京理工大學出版2009.11基于proteus的單片機系統(tǒng)設計與仿真實例 蔣輝平 機械工業(yè)出版社 2009.7系主任審批意見：審批人簽名： 日 期： 摘 要我們可以采用單片機系統(tǒng)實現(xiàn)了水塔水位的自動控制，設計出一種低成本、高使用價值的水塔水位控制器。該系統(tǒng)具有水位檢測，低水位高水位報警以及自動加水等功能。本設計過程中主要采用傳感技術、單片機技術、光報警技術以及弱電控制強電技術。檢測系統(tǒng)采用銅針探測結構簡單、制造成本低、靈敏度高。并采用at89c2051單片機系統(tǒng)控制整個電路的信號處理以及采用光電耦合和

5、繼電器來實現(xiàn)弱電控制強電從而實現(xiàn)加水系統(tǒng)的自動控制。該系統(tǒng)可以完成光報警，水位自動檢測，上水停水等工作。并能有效保證液面高度始終處于較理想范圍，該系統(tǒng)制造成本低、結構簡單、感應度高、綠色環(huán)保?？捎糜诟鞣N液體的儲存。關鍵詞:單片機，自動檢測，自動控制 abstractwe can use micro-controller system using cooling towers to achieve the level of automation, design a low cost and high practical value of the water tower water level c

6、ontroller. the system has the water level detection, low water high water level alarm and automatic functions such as adding water. the design process mainly uses the sensor technology, single chip technology, optical technology and the weak control the strong police power technology. detection syst

7、em using simple system for detection of copper needles, resulting in the low and high sensitivity.at89c2051 scm system control by using the circuit of signal processing and the use of optical coupling and weak control relays to achieve strong power to realize automatic control of water systems. it c

8、an automatically detect the water level, light alarm, all the work without water cycle, to ensure better surface height is always within the context of its structure simple, low cost high sensitivity, significant energy is used in various kind of ideal equipment for high-level liquid storage.key wor

9、ds: scm, automatic monitoring, circuit control目錄1 課程設計系統(tǒng)概述.2 1.1 系統(tǒng)原理.2 1.2 系統(tǒng)結構圖.2 1.3 控制方案說明. .3 1.4 系統(tǒng)組成及原理.32 硬件設計.4 2.1 單片機最小系統(tǒng)電路設計.5 2.2 水位檢測傳感器的選用.6 2.3 穩(wěn)壓電路的設計.7 2.4 光報警電路的設計.8 2.5 繼電器控制水泵加水電路.93 軟件設計.9 3.1 系統(tǒng)總原理圖.10 3.2 系統(tǒng)總程序如下.114 總結.11致謝.11參考文獻.12附錄.131 課程設計系統(tǒng)概述1.1 系統(tǒng)原理當水位處于低水位的時候，傳感器的低水位

10、探測線沒被+5v的電源導通進入穩(wěn)壓電路經過處理在穩(wěn)壓電路的輸出端有一個高電平，送入單片機的p1.0口，另一個穩(wěn)壓電路輸出的高電平進入單片機的p1.1口單片機經過分析，在p1.2口輸出一低電平，驅動紅燈亮，p1.5出來一個信號使光電耦合器gdouhe導通，這樣繼電器閉合，使水泵加水；當水位處于正常范圍內時，水泵加水，在p1.3引腳出來一個低電平，使綠燈亮；當水位在高水位區(qū)時，傳感器的兩根探測線均被導通，均被+5v的電源導通，送入單片機，單片機經過分析，在p1.4引腳出來一個低電平，使黃燈亮，在p1.5端出來一個低電平不能使光電耦合器導通，這樣繼電器不能閉合，水泵不能加水；當三燈閃爍表示系統(tǒng)出現(xiàn)故

11、障。1.2 系統(tǒng)結構圖系統(tǒng)結構圖如圖1.2所示：圖1.2 系統(tǒng)結構圖采用單片機at89c2051作為我們的控制芯片，主要工作過程是當高塔中的水在低水位時，水位探測傳感器送給單片機一個高電平，然后單片機驅動水泵加水和顯示系統(tǒng)使紅燈變亮；當水位在正常范圍內時，水泵加水，綠燈亮；當水位在高水位時，單片機不能驅動水泵加水，黃燈亮。1.3 控制方案說明這個方案中使用了單片機處理，單片機技術是信息時代用于精密測量的一種新技術。此系統(tǒng)使用過程中采用穩(wěn)壓電路能夠準確地把輸入的電平送給單片機不會產生誤判的情況，由于at89c2051單片機有四端口，20引腳能夠非常方便地設計顯示系統(tǒng)。1.4 系統(tǒng)組成及原理本系統(tǒng)

12、由電源電路、水位探測傳感電路、穩(wěn)壓電路、單片機系統(tǒng)、光報警顯示電路、繼電器控制水泵加水電路、以及高塔模型組成。主電氣原理圖如圖1.4所示：圖1.4 主電氣原理圖 工作原理：當水位處于低水位的時候，傳感器的低水位探測線沒被+5v的電源導通進入穩(wěn)壓電路經過處理在穩(wěn)壓電路的輸出端有一個高電平，送入單片機的p1.0口，另一個穩(wěn)壓電路輸出的高電平進入單片機的p1.1口單片機經過分析，在p1.2口輸出一低電平，驅動紅燈亮，p1.5出來一個信號使光電耦合器gdouhe導通，這樣繼電器閉合，使水泵加水；當水位處于正常范圍內時，水泵加水，在p1.3引腳出來一個低電平，使綠燈亮；當水位在高水位區(qū)時，傳感器的兩根探

13、測線均被導通，均被+5v的電源導通，送入單片機，單片機經過分析，在p1.4引腳出來一個低電平，使黃燈亮，在p1.5端出來一個低電平不能使光電耦合器導通，這樣繼電器不能閉合，水泵不能加水；當三燈閃爍表示系統(tǒng)出現(xiàn)故障。2 硬件設計2.1 單片機最小系統(tǒng)電路設計at89c2051是美國atmel公司生產的低電壓、高性能cmos 8位單片機，片內含2k bytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器（perom）和128bytes的隨機數(shù)據(jù)存儲器（ram），器件采用atmel公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準mcs-51指令系統(tǒng)，片內置通用8位中央處理器和flash存儲單元，功能強大at89c205

14、1單片機可為您提供許多高性價比的應用場合。本設計中單片機采用at89c2051，它是一種高性能低價格單片機。引腳（20個）和指令系統(tǒng)與8031單片機完全兼容。片內有2 k字節(jié)的閃速程序存儲器（采用電擦除編程， 可重復編程1000次，數(shù)據(jù)可保10年），除沒有p0口、p2口外，具有8031所有功能結構，即一片at89c2051相當于8031、373 、2716 組成的最小系統(tǒng)。用它構成的測量、控制系統(tǒng)具有電路簡單、可靠性好、體積小和成本低等優(yōu)點。at89c2051 的p1 口為八位雙向i/ o 口， p1.2p1.7有內部上拉電阻， p1.0與p1.1無內部上拉電阻。p1.0與p1.1具有第二功能

15、，分別作為片內精密比較器的同相、反相輸入端。p1口輸出驅動器能提供20ma 的灌電流驅動能力，其鎖存器寫1時可作為輸入口。at89c2051 的p3口為七位雙向i/ o 口， 有內部上拉電阻， p3口輸出驅動器能提供20ma 灌電流驅動能力， 其鎖存器寫1時可作輸入口。p316作為輸入線與片內精密比較器輸出端在片內相連， 故無引出線， 但可讀該位的值。p310 p315的第二功能與8031 p3口相應口線的第二功能完全相同。綜上所述， p1 和p3 口中的各口線可直接驅動發(fā)光二極管， 不用再配置發(fā)光二極管驅動電路，p1.0與p1.1具有第二功能， 不用再配置比較器，從而簡化了控制電路的結構。最

16、小系統(tǒng)電路圖如圖2.1所示：2.2 水位檢測傳感器的選用傳感器是一種能感受被測物體物理量并將其轉化為便于傳輸或處理的電信號的裝置，在現(xiàn)代科技領域中，傳感器得到了廣泛應用，各種信息的采集離不了圖2.1 最小系統(tǒng)電路圖各種傳感器，傳感器的基本功能在于能感受外界的各種“刺激”并作出迅速反映。本設計當中我們采用的水位探測傳感器簡單易做，經濟實惠。其外形輪廓如圖2.2所示：圖2.2 水位探測傳感器外觀圖a為接+5v電源的線與水一直保持連通，b線為低水位控制線，當水位到達低水位的時候它不導通，水在正常范圍內時，它導通。c線為高水位控制線，當它導通時，表示水已經為高水位。本設計中采用了細銅線作為我們的傳感器

17、的材料。主要考慮了（1）細銅線的電阻率比較低，這樣就可以避免由于電阻過大而使輸出的電平過低，以致不能很好地驅動單片機工作（2）傳電性能比較好，傳電速率比較快，也就是說靈敏性非常好。（3）細銅線便宜易找。本傳感器的尺寸是a線是30cm，b線是20cm，c線是15cm，銅線直徑是15mm。2.3 穩(wěn)壓電路的設計本電路的主要作用是使從傳感器輸出的電平能夠穩(wěn)定地輸入單片機中，主要由三極管的兩極放大穩(wěn)定電路組成，其工作過程是水位探測傳感器把探測到的電信號送給r12，如果送入的是高電平則r11、q5、d3、q4導通把低于1.4v的低電平穩(wěn)定地送給單片機。如果是低電平送給r12則r11、q5、d3、q4均不

18、能導通二是r13導通將把高于1.4v的高電平穩(wěn)定的送給單片機。我查找了相關資料以及我們自己在設計過程當中免去此穩(wěn)定電路，發(fā)現(xiàn)有時候也能實現(xiàn)我們的設計目的，但是也有很多時候發(fā)生水位誤判的情況，產生不穩(wěn)定現(xiàn)象，所以我們認為此電路是不可缺少的。既然是控制系統(tǒng)，當然就要控制精確。穩(wěn)壓電路原理圖如圖2.3所示：圖2.3 穩(wěn)壓電路原理圖2.4 光報警電路的設計（1）發(fā)光二極管（led）是用半導體材料制作的正向偏置的pn結二極管。其發(fā)光機理是當在pn結兩端注入正向電流時，注入的非平衡載流子（電子空穴對）在擴散過程中復合發(fā)光，這種發(fā)射過程主要對應光的自發(fā)發(fā)射過程。按光輸出的位置不同，發(fā)光二極管可分為面發(fā)射型和

19、邊發(fā)射型。發(fā)光二極管的發(fā)光原理同樣可以用pn結的能帶結構來解釋。制作半導體發(fā)光二極管的材料是重摻雜的，熱平衡狀態(tài)下的n區(qū)有很多遷移率很高的電子，p區(qū)有較多的遷移率較低的空穴。由于pn結阻擋層的限制，在常態(tài)下，二者不能發(fā)生自然復合。，而當給pn結加以正向電壓時，溝區(qū)導帶中的電子則可逃過pn結的勢壘進入到p區(qū)一側。于是在pn結附近稍偏于p區(qū)一邊的地方，處于高能態(tài)的電子與空穴相遇時，便產生發(fā)光復合。這種發(fā)光復合所發(fā)出的光屬于自發(fā)輻射，輻射光的波長決定于材料的禁帶寬度eg。本電路采用不同顏色的發(fā)光二極管來表示不同的水位情況。即紅燈亮，他兩燈不亮表示是低水位狀態(tài)，此時需要啟動水泵加水；綠燈亮，其他兩燈不

20、亮表示在正常的水位線內；黃燈發(fā)亮，其他兩燈不亮為高水位狀態(tài)，水泵停止加水，三燈閃爍表示系統(tǒng)出現(xiàn)故障。光報警電路原理圖如圖2.4所示：圖2.4 光報警電路的原理圖此電路采用的是共陽極的，所以只有當單片機給發(fā)光二極管為低電平時才能推動發(fā)光二極管點亮。其中r14、r15、r16為上拉電阻起限壓控流作用。2.5 繼電器控制水泵加水電路該電路由繼電器rl1和閉合開關、光電耦合器、水泵r13、r22、r11、r12以及d2、q6等組成。當水位在低水位時單片機給p1.1送一個高電平導通光電耦合器然后光電耦合器驅動q6導致繼電器閉合從而讓220v的交流電接通使水泵加水。繼電器控制水泵加水電路原理圖如圖2.5所

21、示：圖2.5 繼電器控制水泵加水電路的原理圖其中光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號的一種電光電轉換器件。它由發(fā)光源和受光器兩部分組成。把發(fā)光源和受光器組裝在同一密閉的殼體內，彼此間用透明絕緣體隔離。發(fā)光源的引腳為輸入端，受光器的引腳為輸出端，在本設計當中發(fā)光源為發(fā)光二極管，受光器為光敏三極管。在本設計當中我們采用光電耦合器組成開關電路的作用，能夠很好地將單片機信號穩(wěn)定地送給繼電器驅動繼電器閉合。繼電器是具有隔離功能的自動開關元件，在我們設計當中主要來做自動控制作用，我們采用+5v的直流電來控制220v的交流電，以達到控制水泵的作用，因為是在這里是以一種弱電來控制強電所以安裝和使用的過程當中我們一

22、定要注意用電安全注意事項。電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產生電磁效應，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。當線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）吸合。這樣吸合、釋放，從而達到了在電路中的導通、切斷的目的。對于繼電器的“常開、常閉”觸點，可以這樣來區(qū)分：繼電器線圈未通電時處于斷開狀態(tài)的靜觸點，稱為“常開觸點”；處于接通狀態(tài)的靜觸點稱為“常閉觸點”。3 軟件設計3.1 系統(tǒng)總流程

23、圖系統(tǒng)總流程圖如圖3.1所示：圖3.1 系統(tǒng)總流程圖3.2 系統(tǒng)總程序系統(tǒng)總程序如下： org 0000h ljmp startstart: setb p2.0 setb p2.1restart: mov a,p2 anl a,#00000011b cjne a,#00h,loop1 ;在低水位之下，開啟電動機，亮紅燈 setb p2.4 setb p2.3 clr p2.2 ljmp restartloop1: cjne a,#01h,loop2 ；當超過低水位，并且未達到高水位時， ; 保持電動機轉動，亮綠燈 setb p2.4 setb p2.2 clr p2.3 ljmp restartloop2: cjne a,#02h,loop3 ; 系統(tǒng)故障（達到高水位，卻沒達到低水;位）紅，黃，綠燈均閃爍 clr p2.4 clr p2.3 clr p2.2 setb p2.4 setb p2.3 setb p2.2 ljmp restartloop3: cjne a,#03h,restart ;當達到高水位時，停止電動機，亮黃;燈 setb p2.3 setb p2.2 clr p2.4 ljmp restart ret end 4 總結做了這次單片機課程設計，我有了很多體會和感想。單片機設計十分有意義而且很重要。我們