基于89c51單片機(jī)的水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)+實(shí)物

1、湖南科技大學(xué)本科生課程設(shè)計(jì) 湖 南 科 技 大 學(xué)單 片 機(jī) 課 程 設(shè) 計(jì) 題 目 ：基于單片機(jī)的水位系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)姓 名 : 劉福學(xué) 院 : 機(jī)電工程學(xué)院專 業(yè) ：測控技術(shù)與儀器學(xué) 號(hào) ：1003030321指導(dǎo)教師 ：付國紅成 績 _i 摘要 液位控制系統(tǒng)是以液位為被控參數(shù)的控制系統(tǒng)，它在工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，有很多地方需要對(duì)容器內(nèi)的介質(zhì)進(jìn)行液位控制，使之高精度地保持在給定的數(shù)值，如在建材行業(yè)中，玻璃窯爐液位的穩(wěn)定對(duì)窯爐的使用壽命和產(chǎn)品的質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。液位控制一般指對(duì)某一液位進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，使其達(dá)到所要求的控制精度。液體的液位的自動(dòng)控制,是近年來新開發(fā)

2、的一項(xiàng)新技術(shù),它是微型計(jì)算機(jī)軟件、硬件、自動(dòng)控制等幾項(xiàng)技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物,工程作業(yè)采用的是微機(jī)控制和原有的儀表控制,微機(jī)控制有以下明顯優(yōu)勢: 1)直觀而集中的顯示各運(yùn)行參數(shù),能顯示液位狀態(tài)。 2)在運(yùn)行中可以隨時(shí)方便的修改各種各樣的運(yùn)行參數(shù)的控制值,并修改系統(tǒng)的控制參數(shù),可以方便的改變液位的上限、下限。 3) 具有水體控制過程的自動(dòng)化處理以及監(jiān)控軟件良好的人機(jī)界面，操作人員在監(jiān)控計(jì)算機(jī)上能根據(jù)控制效果及時(shí)修運(yùn)行參數(shù)，這樣能有效地減少工人的疲勞和失誤，提高生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)性、安全性 綜合以上的種種優(yōu)點(diǎn)可以預(yù)見采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是行業(yè)的大勢所趨。單片機(jī)是在一塊芯片上集成了一片微型計(jì)算機(jī)所需的CPU、

3、存儲(chǔ)器、輸入、輸出等部件。單片機(jī)自問世以來,性能不斷提高和完善,體積小、速度快、功耗低的特點(diǎn)使它的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛。一般,工業(yè)控制系統(tǒng)的工作環(huán)境差,干擾強(qiáng),利用單片機(jī)控制就能克服這些缺點(diǎn),因此單片機(jī)在控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用,使用單片機(jī)控制液體液位是很好的選擇。 目前我國在單片機(jī)測控裝置研究、生產(chǎn)、應(yīng)用中,取得了很大的成績,總結(jié)了很多經(jīng)驗(yàn),但是各行業(yè)仍處于發(fā)展期,經(jīng)調(diào)查,更多科研究所在這方面開展的工作更看重的是理論和算法,數(shù)年來這方面的研究的論文較多,著重生產(chǎn)實(shí)際的很少。在上海,新型的單片機(jī)測控裝置與系統(tǒng)研究的生產(chǎn)基礎(chǔ)較雄厚,在生產(chǎn)過程中需要新型的測控裝置與系統(tǒng),因此在不斷的努力研究與開發(fā)。上海

4、的工程技術(shù)研究人員更著重的是生產(chǎn)實(shí)際研究,對(duì)理論、算法和成果的論文較少;深圳在研制新型的測控裝置與系統(tǒng)領(lǐng)域也比較有成就,盡管與其他國家比較尚有差距,但是,深圳的高校、研究院所的最大的特點(diǎn)就是實(shí)際,與生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目無關(guān)的問題基本不去考慮,主要考慮選取什么材料,測控什么物理量,優(yōu)點(diǎn)是什么,與機(jī)器設(shè)備的通訊接口等等。ii目錄1、設(shè)計(jì)的基本任務(wù)和要求41.1 基本功能41.2塔水位控制原理41.3 系統(tǒng)硬件總體方案52控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)52.1系統(tǒng)硬件方案52.2 核心芯片AT89C51單片機(jī)62.3系統(tǒng)軟件總體方案73.Proteus設(shè)計(jì)與仿真83.1元器件清單83.2基于單片機(jī)水位控制原理圖593

5、.3基于單片機(jī)的水位控制PCB圖693.4水位檢測程序104.5 實(shí)驗(yàn)仿真134.6 結(jié)語134 設(shè)計(jì)體會(huì)13參考文獻(xiàn)14 iii1設(shè)計(jì)的基本任務(wù)和要求1.1 基本功能 本設(shè)計(jì)是采用AT89C51單片機(jī)為核心芯片,及其相關(guān)硬件來實(shí)現(xiàn)的水體液位控制系統(tǒng),在用液位傳感器測液位的同時(shí), CPU循環(huán)檢測傳感器輸出狀態(tài),報(bào)警安全提示,當(dāng)水體液位低于用戶設(shè)定的值時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)打開泵上水,當(dāng)水位到達(dá)設(shè)定值時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉水泵或打開排水泵。1.2塔水位控制原理 單片機(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

6、變的3根金屬棒A、B、C。用以反映水位變化的情況。其中，A棒在接地。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(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棒均與地連通。因此b、C兩端的電壓都為0即為接地狀態(tài)，此時(shí)應(yīng)停止電機(jī)和水泵工作，蜂鳴器報(bào)警，紅燈亮，不再向水塔注水；當(dāng)水位處于上、下限之間時(shí)，此時(shí)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

7、機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)水泵給水塔注水。1.3 系統(tǒng)硬件總體方案 系統(tǒng)的原理是采用2個(gè)按鈕模擬水位檢測，在現(xiàn)場的3個(gè)不同的位置，由下至上測量水體的液位值,。并把這兩個(gè)液位狀態(tài)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器傳到單片機(jī)中,在發(fā)光二極管顯示出液位的三種狀態(tài)及報(bào)警安全提示。壓低、光電轉(zhuǎn)換效能高、壽根據(jù)當(dāng)前的液位值和用戶設(shè)定的水位決定是否進(jìn)行開、關(guān)水泵,需要是否開啟和關(guān)閉驅(qū)動(dòng)閥門的電動(dòng)機(jī)。2控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)硬件方案 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)液位控制是利用把液位的狀態(tài)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào),再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器AT89C51把輸出狀態(tài)直接接到單片機(jī)的I/O接口，單片機(jī)經(jīng)過運(yùn)算控制，輸出數(shù)字信號(hào)，輸出接口接發(fā)光二極管進(jìn)行顯示,實(shí)現(xiàn)液位的報(bào)警和鍵盤的

8、顯示圖2液位控制系統(tǒng) 由上圖可觀察到傳感器通過對(duì)液面進(jìn)行測量，輸出模擬信號(hào)，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器把輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過AT89C51單片機(jī)的運(yùn)算控制，在通過發(fā)光二極管進(jìn)行顯示,通過報(bào)警裝置進(jìn)行報(bào)警,報(bào)警顯示之后再通過對(duì)閥門的開啟實(shí)現(xiàn)對(duì)水體的液位進(jìn)行調(diào)節(jié)控制,閥門的驅(qū)動(dòng)設(shè)備是電動(dòng)機(jī)。2.2 核心芯片AT89C51單片機(jī) AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲(chǔ)器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）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(chǔ)器

9、的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)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。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。外形及引腳排列如圖3所以。圖3 AT89C5引腳圖2.3三極管 圖4三極管的基本結(jié)構(gòu)是兩個(gè)反向連結(jié)的PN結(jié)面，如圖1所示，可有PNP和NPN兩種組合。三個(gè)接出來的端點(diǎn)依序稱為發(fā)射極（emitter,E）、基極（base,B）和集電極（co

10、llector,C），名稱來源和它們?cè)谌龢O管操作時(shí)的功能有關(guān)。圖中也顯示出 NPN與PNP三極管的電路符號(hào)，發(fā)射極特別被標(biāo)出，箭號(hào)所指的極為n型半導(dǎo)體， 和二極體的符號(hào)一致。工作原理晶體三極管（以下簡稱三極管）按材料分有兩種：鍺管和硅管。而每一種又有NPN和PNP兩種結(jié)構(gòu)形式，但使用最多的是硅NPN和鍺PNP兩種三極管，（其中，N表示在高純度硅中加入磷，是指取代一些硅原子，在電壓刺激下產(chǎn)生自由電子導(dǎo)電，而p是加入硼取代硅，產(chǎn)生大量空穴利于導(dǎo)電）。兩者除了電源極性不同外，其工作原理都是相同的，下面僅介紹NPN硅管的電流放大原理。對(duì)于NPN管，它是由2塊N型半導(dǎo)體中間夾著一塊P型半導(dǎo)體所組成，發(fā)射

11、區(qū)與基區(qū)之間形成的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)，而集電區(qū)與基區(qū)形成的PN結(jié)稱為集電結(jié)，三條引線分別稱為發(fā)射極e、基極b和集電極c。 三極管工作狀態(tài)NPN 型,當(dāng)B與E之間電壓Vbe>0.5V時(shí),如果三個(gè)管腳電壓關(guān)系是Vc>Vb>Ve,則會(huì)處於放大狀態(tài);如果是Vb>Vc>Ve 則會(huì)處於飽和狀態(tài)(相當(dāng)於開關(guān));如果此時(shí)Ve>Vc則仍會(huì)處於截止?fàn)顟B(tài).PNP 型,當(dāng)B和E之間電壓Veb>0.5V時(shí),如果三個(gè)管腳電壓關(guān)系是Ve>Vb>Vc,則會(huì)處於放大狀態(tài);如果是Ve>Vc>Vb則會(huì)處於飽和狀態(tài)(相當(dāng)於開關(guān));如果此時(shí)Vc>Ve則仍會(huì)處於截止?fàn)?/p>

12、態(tài).注:三極管放大狀態(tài)時(shí),導(dǎo)通能力大小由基極電流Ib決定,因此三極管是電流控制型元件.2.4蜂鳴器 圖5 由于蜂鳴器的工作電流一般比較大，以致于單片機(jī)的I/O 口是無法直接驅(qū)動(dòng)的*（但AVR可以驅(qū)動(dòng)小功率蜂鳴器），所以要利用放大電路來驅(qū)動(dòng)，一般使用三極管來放大電流就可以了。蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路一般都包含以下幾個(gè)部分：一個(gè)三極管、一個(gè)蜂鳴器、一個(gè)續(xù)流二極管和一個(gè)電源濾波電容。圖6 水位控制流程圖3.Proteus設(shè)計(jì)與仿真3.1元器件清單 發(fā)光二級(jí)管AT89C1單片機(jī)BUTTON按鈕CAP電容CAP-ELEC陶瓷電容CRYSTAL12兆晶振LED-RED發(fā)光二極管MOTOR-DC電機(jī)3.2圖7水位控制

13、原理圖 ,3.3水位檢測的主程序（蜂鳴器可能一直有聲音或聲音太大，調(diào)節(jié)一下延時(shí)時(shí)間就可以了）N #include <reg51.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit red=P23;sbit green=P20;sbit sw1=P10;sbit sw2=P11;sbit BUZZER=P00;sbit DJ=P05;void delay(uchar z) uchar i,j; for(i=z;i>0;i-) for(j=100;j>0;j-);void beep() zBUZZER=0;d

14、elay(5);BUZZER=1;delay(5);void main(void) while(1) if(sw1=0&sw2=0)red=0;DJ=1;green=1;BUZZER=1;if(sw1=0&sw2!=0)green=0;DJ=1;red=1;BUZZER=1;if(sw1!=0&sw2=0)red=0;beep();green=1;DJ=1;if(sw1!=0&sw2!=0)green=0;DJ=0;BUZZER=1;red=1;3.4 實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果根據(jù)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件流程圖，編寫相應(yīng)的程序在Pro-teus軟件環(huán)境下實(shí)際仿真。但由于該設(shè)計(jì)簡單，

15、故用單片機(jī)開發(fā)板實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)后結(jié)果圖片如下：P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7電機(jī)110001101010010100001系統(tǒng)故障_ 11 10 01 00 圖63.5 結(jié)語該系統(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(dòng)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，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。4 設(shè)計(jì)體會(huì)設(shè)計(jì)過程中我遇到了很多的困難，因?yàn)橹R(shí)是不連貫的，所以需要準(zhǔn)備很多方

16、面的知識(shí)去融合，去聯(lián)系。由于在學(xué)習(xí)的時(shí)候更注重的是書面上的東西，而本次課程設(shè)計(jì)更多的是鍛煉了我的動(dòng)手動(dòng)腦能力，讓我有機(jī)會(huì)把課上學(xué)習(xí)的知識(shí)轉(zhuǎn)化為可以在實(shí)際生產(chǎn)生活中應(yīng)用的技術(shù)。本次課程設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要介紹了水體的液位檢測控制，介紹了AT89C51單片機(jī)和其它一些單片機(jī)在液位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，介紹了它們的引腳和在系統(tǒng)中的電路圖，我設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡化,系統(tǒng)精度高，具有良好的人機(jī)交互功能,并設(shè)有液位報(bào)警，有問題立即就能發(fā)現(xiàn)。通過自動(dòng)調(diào)節(jié)控制液位并實(shí)現(xiàn)水體的液位報(bào)警。液位控制在設(shè)定值上正常運(yùn)行不需要人工干預(yù)，操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度小。通過本次課程設(shè)計(jì)，我了解到自己的知識(shí)應(yīng)該充分利用在實(shí)踐上，在實(shí)踐中把書本

17、上的知識(shí)固化成自己的能力。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的時(shí)候也有很多的想法，但是有一些想法被否定了，最終完成設(shè)計(jì)的時(shí)候優(yōu)先考慮了在課程上學(xué)習(xí)到的知識(shí)，并且和單片機(jī)、電子電路的知識(shí)結(jié)合起來。這次設(shè)計(jì)之后，我感覺到自己在自動(dòng)化專業(yè)上的學(xué)習(xí)應(yīng)該還有很長的路走，自動(dòng)化是一個(gè)很有前途的行業(yè)，它涉及了生產(chǎn)生活的多個(gè)方面，對(duì)人們的影響可想而知，所以，學(xué)好自動(dòng)化專業(yè)的知識(shí)不僅僅是對(duì)自己能力提升和自我價(jià)值的實(shí)現(xiàn)，更是一件很有意義，可以讓自己有所感觸，有所收獲的事業(yè)。在最后，我很感謝所有傳授我知識(shí)的老師，和關(guān)心幫助我的同學(xué)，也很榮幸自己可以和自動(dòng)化結(jié)下不解之緣 參考文獻(xiàn)1 王文琦.工業(yè)鍋爐的檢測與控制技術(shù) 成都:四川科學(xué)技術(shù)出版社,1986.2 王驥程.化工過程控制工程 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1981.3 謝自美.電子線路設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)與測試 .華中科技大學(xué)出版社，2003.4 楊國志,王立峰,楊東光,.實(shí)用電子制作實(shí)例 .福建科學(xué)技術(shù)出版社，2000.5 金偉正.單線數(shù)字溫度傳感器的原理及用 電子工業(yè)出版社，2000.6 王