單片機(jī)原理及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

1、單片機(jī)原理及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)專 業(yè)： 自動(dòng)化 班 級(jí)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 評(píng)語：平時(shí)（40）修改（30）報(bào)告（30）總成績自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院2012 年 7月 1日目 錄1 引言12 設(shè)計(jì)方案及原理12.1 設(shè)計(jì)方案12.1.1 單片機(jī)起振方案12.1.2 電機(jī)選擇方案12.1.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案12.1.4 單片機(jī)復(fù)位方案22.2 設(shè)計(jì)原理23 硬件設(shè)計(jì)33.1 單元模塊設(shè)計(jì)33.1.1 起振電路設(shè)計(jì)33.1.2 報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)43.2 系統(tǒng)整機(jī)分析44 軟件設(shè)計(jì)44.1 程序流程圖54.2 主程序54.3 軟件調(diào)試64.4 仿真結(jié)果6總結(jié)8參考文獻(xiàn)10附錄1111 引言本課程設(shè)計(jì)是

2、基于單片機(jī)的水塔水位控制，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的今天，水在人們正常生活和生產(chǎn)中起著越來越重要的作用。一旦斷了水，輕則給人民生活帶來極大的不便，重則可能造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故及損失。因此給水工程往往成為高層建筑或工礦企業(yè)中最重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一 。任何時(shí)候都能提供足夠的水量、平穩(wěn)的水壓、合格的水質(zhì)是對(duì)給水系統(tǒng)提出的基本要求。就目前而言，多數(shù)工業(yè)、生活供水系統(tǒng)都采用水塔、層頂水箱等作為基本儲(chǔ)水設(shè)備，由一級(jí)或二級(jí)水泵從地下市政水管補(bǔ)給。因此，如何建立一個(gè)可靠安全、又易于維護(hù)的給水系統(tǒng)是值得我們研究的課題。其中，給排水控制子系統(tǒng)的作用是為了保證供水/排水系統(tǒng)的正常運(yùn)行，其基本控制內(nèi)容是對(duì)各給水泵、排水泵、污水

3、泵及飲用水泵的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)各水箱及污水的水位、給水系統(tǒng)壓力進(jìn)行監(jiān)測，并根據(jù)這些監(jiān)測信息，控制相應(yīng)的水泵啟/?；虬茨撤N節(jié)能方式運(yùn)行。本設(shè)計(jì)針對(duì)水塔水位高度的顯示、報(bào)警、電機(jī)控制系統(tǒng)正是給排水監(jiān)控子系統(tǒng)的功能之一。 2 設(shè)計(jì)方案及原理2.1 設(shè)計(jì)方案2.1.1 單片機(jī)起振方案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。也可以采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件?？紤]到設(shè)計(jì)、使用的方便，本設(shè)計(jì)中采用片內(nèi)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)。即XTAL1和XTAL2只需外接晶振（配上相應(yīng)的電容），便可以給單片機(jī)提供相應(yīng)的時(shí)鐘頻率。2.1.2 電機(jī)選擇方案電動(dòng)機(jī)有直流

4、、交流之分。異步電動(dòng)機(jī)屬于交流電機(jī)的一種；另一種交流電機(jī)是同步電機(jī)。異步電機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便，價(jià)格便宜，所以應(yīng)用最為廣泛。本設(shè)計(jì)中，采用交流電機(jī)，為了克服沿程阻力損失和高度差所產(chǎn)生的靜壓力，供水水泵的揚(yáng)程應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況有所變化。2.1.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)交流接觸器，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。其中，在單片機(jī)的輸出端到交流接觸器間需接驅(qū)動(dòng)模塊。該驅(qū)動(dòng)模塊，可以由分離元件組成放大電路來實(shí)現(xiàn)對(duì)交流接觸器的驅(qū)動(dòng)，也可以單使用一塊芯片實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)中，采用一塊芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)交流接觸器的控制。以達(dá)到使電路簡潔，調(diào)試方便，易于維修的目的。2.1.4 單片機(jī)復(fù)位方案ST/VPD復(fù)位/備用電源線，可以使單片

5、機(jī)處于復(fù)位（即初始化）工作狀態(tài)。通常，單片機(jī)的復(fù)位有自動(dòng)上電復(fù)位和人工按鈕復(fù)位兩種，考慮到，水塔與居民生活密切相關(guān)，當(dāng)因特殊原因?qū)е聠纹瑱C(jī)掉電，需單片機(jī)立即自動(dòng)復(fù)位（如：短時(shí)間的停電，導(dǎo)致系統(tǒng)停止工作），故本設(shè)計(jì)采用上電復(fù)位方式，其電路圖如圖1所示。圖1 上電復(fù)位電路圖2.2 設(shè)計(jì)原理單片機(jī)水塔水位控制原理如上圖所示，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)。因此，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

6、量)。水塔由電機(jī)帶動(dòng)水泵供水，單片機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，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+5V連通。因此b、c兩端的電壓都為+5V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)不管電機(jī)帶動(dòng)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(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)水泵給水塔注水。單片機(jī)水塔水位控制原理如圖2所示。圖2 水塔水位控制原理

7、圖3 硬件設(shè)計(jì)3.1 單元模塊設(shè)計(jì)3.1.1 起振電路設(shè)計(jì)在的起振電路中，80C51芯片片內(nèi)XTAL1為振蕩電路反相放大器的輸入端，在采用外部時(shí)鐘時(shí)，該引腳必須接地；XTAL2為振蕩電路反相放大器的輸出端，振蕩電路的頻率是晶體固有頻率，若需要采用外部時(shí)鐘電路時(shí)，該引腳輸入外部脈沖。要檢查8031的振蕩電路是否正常工作，可用示波器查看XTAL2端是否有脈沖信號(hào)輸出。電容C1和C2可以幫助起振，這里C1和C2分別取5p和20p，晶振采用2MHz。晶振電路如圖3所示。 圖3 起振電路圖3.1.2 報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)在這里用到光報(bào)警，我們用一只發(fā)光二極管進(jìn)行光報(bào)警；當(dāng)水塔系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)發(fā)光二極管發(fā)光。報(bào)警系

8、統(tǒng)電路圖如圖4所示。圖4 報(bào)警系統(tǒng)電路圖3.2 系統(tǒng)整機(jī)分析兩個(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1所示。表1 系統(tǒng)工作輸入狀態(tài)b（P1.0）c（P1.1）操作00電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)10維持原狀01故障報(bào)警11電機(jī)停轉(zhuǎn)其中第三種組合（b=0，c=1）正常情況下是不可能發(fā)生的，為系統(tǒng)的故障當(dāng)故障發(fā)生時(shí)發(fā)光二極管給出光報(bào)警，并由喇叭發(fā)出聲音報(bào)警信號(hào)，第一種狀態(tài)時(shí)，點(diǎn)擊正常運(yùn)轉(zhuǎn)，水箱供水，至第二種狀態(tài)時(shí)，電機(jī)仍維持原狀繼續(xù)運(yùn)行。第三種狀態(tài)時(shí)，發(fā)生報(bào)警，最后到第四種狀態(tài)，電機(jī)停轉(zhuǎn)。復(fù)位電路復(fù)位時(shí)，系統(tǒng)回復(fù)至出事狀態(tài)。4 軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)工作程序流程圖如圖5所示。圖5 系統(tǒng)工作程序流程

9、圖4.2 主程序系統(tǒng)程序見附錄14.3 軟件調(diào)試軟件調(diào)試一般分為以下四個(gè)階段：（1） 編寫程序并查錯(cuò)；（2） 在匯編語言的編譯系統(tǒng)中編譯源程序（3） 對(duì)程序進(jìn)行編譯連接，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)程序中存在的錯(cuò)誤；（4） 改正錯(cuò)誤。在軟件調(diào)試過程中，對(duì)出現(xiàn)的錯(cuò)誤進(jìn)行了認(rèn)真的分析和修改，多次調(diào)試成功后，能夠很好的達(dá)到既定的設(shè)計(jì)效果。4.4 仿真結(jié)果仿真時(shí)用兩個(gè)撥頭的撥碼開關(guān)模擬水箱容量狀況，當(dāng)撥碼開關(guān)都在右邊時(shí)，系統(tǒng)輸入為0、0，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，然后撥至1、0態(tài)，電機(jī)繼續(xù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，再模擬0、1態(tài)，此時(shí)出現(xiàn)報(bào)警二極管光信號(hào)和喇叭聲音信號(hào)，最后仿真1、1狀態(tài)時(shí)，電機(jī)停轉(zhuǎn)。下面使用Proteus進(jìn)行仿真得到的結(jié)果，如圖6、

10、圖7、圖8、圖9所示。圖6 水塔水位控制電路的連線，此時(shí)對(duì)應(yīng)的P1.0=1，P1.1=1圖7 供水時(shí)的情況，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)應(yīng)的P1.0=0，P1.1=0圖8 供水時(shí)的情況，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)應(yīng)的P1.0=1，P1.1=0圖9 出現(xiàn)故障時(shí)的狀態(tài)，發(fā)光二極管發(fā)光報(bào)警，供水時(shí)的情況，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)應(yīng)的P1.0=0，P1.1=1總結(jié)在過去的一周時(shí)間里，我在老師的指導(dǎo)下完成了水塔水位的單片機(jī)課程設(shè)計(jì),這個(gè)過程對(duì)我自己來說相對(duì)而言是比較困難的，但在老師的知道和同學(xué)的幫助下，我最終完成了這個(gè)任務(wù)。上學(xué)期我們學(xué)習(xí)了有關(guān)單片機(jī)的理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，在一學(xué)期的學(xué)習(xí)后，我對(duì)單片機(jī)的了解也僅僅是局限在理論知識(shí)上，有關(guān)的編程軟件及硬

11、件電路的實(shí)現(xiàn)都非常的陌生，對(duì)知識(shí)的了解非常片面，更不要說學(xué)以致用靈活的運(yùn)用自己學(xué)習(xí)到的知識(shí)。 說實(shí)話，剛開始拿到課程設(shè)計(jì)的題目時(shí)，我的心里非常不安，怕自己不能完成任務(wù)，從題目的分析，到設(shè)計(jì)構(gòu)思，硬件電路的搭建，程序的編寫，以及最后的模擬運(yùn)行，我完成的相當(dāng)?shù)目部?，整體的電路設(shè)計(jì)相對(duì)而言是比較困難的，程序編寫一直是我的弱項(xiàng)。但是在課程設(shè)計(jì)的整個(gè)過程中，我和同學(xué)之間的相處更加的融洽了，每個(gè)人都有自己的特長，也許這只是一個(gè)我自己的課程設(shè)計(jì)，但在以后的工作生活的誰不會(huì)遇到一點(diǎn)困難呢，互相幫助互相團(tuán)結(jié)可以讓我們度過難關(guān)。在學(xué)習(xí)中，唯有勤學(xué)，不恥下問，才能讓我們學(xué)到更多的知識(shí)。感觸最深的一點(diǎn)就是，理論知識(shí)畢

12、竟有局限性，如果要真正的掌握一門知識(shí)，那我們必須通過實(shí)踐來將它鞏固，在平常的學(xué)習(xí)當(dāng)中，我們應(yīng)該多動(dòng)手，多操作，及時(shí)的鞏固自己所學(xué)的知識(shí)，真正意義上的去掌握它，學(xué)以致用，這才是我們學(xué)習(xí)的真正目的。這幾天過得很充實(shí)，尤其對(duì)我們女生而言，動(dòng)手能力都是比較弱的，希望以后能有更多的機(jī)會(huì)去鍛煉自己這方面的能力。在這次的設(shè)計(jì)中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了我獨(dú)立工作的能力，這次課程設(shè)計(jì)中學(xué)習(xí)到的知識(shí)，不論是知識(shí)，還是對(duì)周圍同學(xué)的重新認(rèn)識(shí)，對(duì)我來說都是一筆寶貴的財(cái)富。參考文獻(xiàn)1 何宏主編.單片機(jī)原理與接口技術(shù)M.北京:國防工業(yè)出版社,2006.2 李華等主編.單片機(jī)原理及應(yīng)用 M.蘭州:蘭州大學(xué)出版社,2001.3 朱清慧等主編.Proteus教程電子線路設(shè)計(jì)、制版與仿真M.清華大學(xué)出版社,2008.4 周向紅主編.51系列單片機(jī)應(yīng)用于實(shí)踐教程M.北京:北京航空航天大社,2001.附錄1 ORG0000HAJMPLOOPORG0100HLOOP:ORLP1,#03H ；為檢查水位做準(zhǔn)備MOVA,P1JNBACC.0,ONE；P1.0=0則轉(zhuǎn)移JBACC.1,TWO；p1.1=1則轉(zhuǎn)移BACK:ACALLD10S；延時(shí)10秒AJMPLOOPONE:JNBACC,1,THREE；P1.1=0則轉(zhuǎn)移CLR93H；P1.3=0，啟動(dòng)報(bào)警裝置S