單片機水箱水位控制系統(tǒng)設(shè)計方案

1、單位代碼02學(xué)號分類號 TH6密 級HUANGHE S&T COLLEGE課程設(shè)計說明書水箱水位控制系統(tǒng)設(shè)計院（系）名稱機械工程學(xué)院專 業(yè)名稱 機械設(shè)計制造及其自動化學(xué)生姓名指導(dǎo)教師2015年 10月27 日黃河科技學(xué)院課程設(shè)計任務(wù)書機械工程學(xué)院機械系機械設(shè)計制造及其自動化 專業(yè) 機級1班學(xué)號1200000000姓名指導(dǎo)教師題目：水箱水位控制系統(tǒng)設(shè)計課程：單片機應(yīng)用技術(shù)課程設(shè)計時間 2015年 10月13日至0 月27日共2周課程設(shè)計工作內(nèi)容與基本要求（設(shè)計要求、設(shè)計任務(wù)、工作計劃、所需相關(guān)資料 ） （紙張不夠可加頁）1 .設(shè)計要求在高塔的內(nèi)部我們設(shè)計一個簡易的水位探測傳感器用來探測三

2、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(qū)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(shè)計任務(wù)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(shè)計根據(jù)該系統(tǒng)設(shè)計的功能要求選擇所用元器件，設(shè)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(shè)計根據(jù)該系統(tǒng)設(shè)計的功能要求進行軟件設(shè)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(diào)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(diào)試通過。4軟硬件實際調(diào)試5編寫設(shè)計說明書

3、一份，內(nèi)容包括任務(wù)書、設(shè)計方案分析、硬件設(shè)計部分 要繪制整個系統(tǒng)電路原理圖，對各部分電路設(shè)計原理做出說明。軟件設(shè)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(diào)試結(jié)果整理分析及設(shè)計調(diào)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(shè)計（分散在教案過程中完成）。第二周 2天繪制所要求的圖紙，完成軟、硬件的調(diào)試； 2 天完成設(shè)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(shè)計指導(dǎo)書皮大能北京理工大學(xué)出版社2010.7 8051 單片機實踐與應(yīng)用吳金戎清華大學(xué)出版社2003.8單片機技術(shù)基礎(chǔ)教程

4、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(yīng)用王質(zhì)樸北京理工大學(xué)出版2009.11基于Proteus的單片機系統(tǒng)設(shè)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：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(shè)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(shè)計過程中主要采用傳感技術(shù)、單片機技術(shù)、光報警技術(shù)以及弱電控制強電技術(shù)。檢測系統(tǒng)采用銅針探測結(jié)構(gòu)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繼電器來實現(xiàn)弱電控制強電從而實

5、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(jié)構(gòu)簡單、感應(yīng)度高、綠色環(huán)保?？捎糜诟鞣N液體的儲存。關(guān)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 controller.The

6、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 system using simple sys

7、tem 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 can automatically dete

8、ct 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 words: SCM,Automaticmonitorin

9、g,CircuitControl目錄1 課程設(shè)計系統(tǒng)概述21.1 系統(tǒng)原理 21.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 21.3 控制方案說明 31.4 系統(tǒng)組成及原理32 硬件設(shè)計 42.1 單片機最小系統(tǒng)電路設(shè)計52.2 水位檢測傳感器的選用 62.3 穩(wěn)壓電路的設(shè)計72.4 光報警電路的設(shè)計82.5 繼電器控制水泵加水電路93 軟件設(shè)計 93.1 系統(tǒng)總原理圖 103.2 系統(tǒng)總程序如下114 總結(jié) 11致謝 11參考文獻 12附錄 13單片機AT89C2051水泵加水系統(tǒng)1課程設(shè)計系統(tǒng)概述1.1 系統(tǒng)原理當(dāng)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(dǎo)通進入穩(wěn)壓電路經(jīng)過處理在穩(wěn)壓電路的輸出端有

10、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(jīng)過分析，在P1.2 口輸出一低電平，驅(qū)動紅燈亮， P1.5出來一個信號使光電耦合器 GDOUHE 導(dǎo)通，這樣繼電器閉合，使水泵加水；當(dāng)水位處于正常范圍內(nèi)時，水泵加水， 在P1.3引腳出來一個低電平，使綠燈亮；當(dāng)水位在高水位區(qū)時，傳感器的兩根 探測線均被導(dǎo)通，均被 +5V的電源導(dǎo)通，送入單片機，單片機經(jīng)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(dǎo)通，這樣繼電器不能閉合，水泵不能加水；當(dāng)三燈閃爍表示系統(tǒng)出現(xiàn)故 障。1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1.2

11、所示：顯示系統(tǒng)水塔模型 水箱圖1.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖采用單片機AT89C2051作為我們的控制芯片，主要工作過程是當(dāng)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(qū)動水泵 加水和顯示系統(tǒng)使紅燈變亮；當(dāng)水位在正常范圍內(nèi)時，水泵加水，綠燈亮；當(dāng) 水位在高水位時，單片機不能驅(qū)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(shù)是信息時代用于精密測量的一 種新技術(shù)。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(chǎn)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(shè)計顯示系統(tǒng)。1.4 系統(tǒng)組成及原理本系統(tǒng)由電源電

12、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(dāng)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(dǎo)通進入穩(wěn)壓電路經(jīng)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(jīng)過分析，在 P1.2 口輸出一低電平，驅(qū)動紅燈亮， P1.5 出來一個信號使光電耦合器GDOUHE 導(dǎo)通，這樣繼電器閉合，使水泵加水；當(dāng)水位處于正常范圍內(nèi)時，水泵加水，在P1.3 引腳出來一個低電平，使綠燈亮；當(dāng)水位在高水位區(qū)時，傳

13、感器的兩根探測線均被導(dǎo)通，均被+5V 的電源導(dǎo)通，送入單片機，單片機經(jīng)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(dǎo)通，這樣繼電器不能閉合，水泵不能加水；當(dāng)三燈閃爍表示系統(tǒng)出現(xiàn)故障。2 硬件設(shè)計2.1 單片機最小系統(tǒng)電路設(shè)計AT89C2051是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能 CMOS 8位單片機，片內(nèi)含 2k bytes 的可反復(fù)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(shù)生產(chǎn)，兼容標準MCS-51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器和Fl

14、ash 存儲單元，功能強大at89c2051 單片機可為您提供許多高性價比的應(yīng)用場合。本設(shè)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(nèi)有2 K字節(jié)的閃速程序存儲器（采用電擦除編程， 可重復(fù)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(jié)構(gòu)，即一片 AT89C2051 相當(dāng)于 8031、373 、 2716 組成的最小系統(tǒng)。用它構(gòu)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(nèi)部上拉電阻，

15、P1.0與P1.1無內(nèi)部上拉電阻。P1.0與P1.1具有第二功能，分別作為片內(nèi)精密比較器的同相、反相輸入端。 P1 口輸出驅(qū)動器能提供 20mA 的灌電流驅(qū)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(nèi)部上拉電阻，P3口輸出驅(qū)動器能提供20mA灌電 流驅(qū)動能力，其鎖存器寫1時可作輸入口。P316作為輸入線與片內(nèi)精密比較器 輸出端在片內(nèi)相連，故無引出線，但可讀該位的值。P310P315的第二功能與8031 P3 口相應(yīng)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(qū)動發(fā)光二極管，不用再配置發(fā)光二極管驅(qū)動電路，P1.0與P1.

16、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(jié)構(gòu)。最小系統(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(zhuǎn)化為便于傳輸或處理的電信 號的裝置，在現(xiàn)代科技領(lǐng)域中，傳感器得到了廣泛應(yīng)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(shè)計當(dāng)中我們采用的水位探測傳感器簡單易做，經(jīng)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(dāng)水位到 達低水位的時候它不導(dǎo)通，水在正常范圍內(nèi)時，它導(dǎo)通。 C

17、線為高水位控制 線，當(dāng)它導(dǎo)通時，表示水已經(jīng)為高水位。本設(shè)計中采用了細銅線作為我們的傳感器的材料。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(qū)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(shè)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

18、、D3、Q4導(dǎo)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均不能導(dǎo)通二是R13導(dǎo)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(guān)資料以及我們自己在設(shè)計過程當(dāng)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(shè)計目的，但是也有很多時候發(fā)生水位誤判的情況，產(chǎn)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(dāng)然就要 控制精確。穩(wěn)壓電路原理圖如圖 2.3所示：2.4 光報警電路的設(shè)計（1）發(fā)光二極管（LED）是用半導(dǎo)體材料制作的正向偏置的PN結(jié)二極管。其發(fā)光機理是當(dāng)在 PN結(jié)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

19、過程中復(fù)合發(fā)光，這種發(fā)射過程主要對應(yīng)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)射型和邊發(fā)射型。發(fā)光二極 管的發(fā)光原理同樣可以用 PN結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)來解釋。制作半導(dǎo)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(jié)阻擋層的限制，在常態(tài)下，二者不能發(fā)生自 然復(fù)合。，而當(dāng)給PN結(jié)加以正向電壓時，溝區(qū)導(dǎo)帶中的電子則可逃過 PN結(jié)的 勢壘進入到P區(qū)一側(cè)。于是在PN結(jié)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(chǎn)生發(fā)光復(fù)合。這種發(fā)光復(fù)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 Ego本電

20、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，其他兩燈不亮 表示在正常的水位線內(nèi)；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(dāng)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(guān)、光電耦合器、水泵 R13、R22、R11、R12以及D2、Q6等組成。當(dāng)水位在低水位時單片機給 P1.1送

21、一個高電平導(dǎo)通 光電耦合器然后光電耦合器驅(qū)動 Q6導(dǎo)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所示：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(zhuǎn)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(nèi)，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(shè)計當(dāng)中發(fā)光源為發(fā)光二極管，受光器為光敏三極管。在本設(shè)計當(dāng)中我們采用光電耦合器組成開關(guān)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(qū)動繼電器閉合。繼電器是具有隔離功能的自動開關(guān)元件，在我們設(shè)計當(dāng)中主要來

22、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(dāng)中我們一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(chǎn)生電磁效應(yīng)，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(dāng)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(dǎo)通、切斷的目的。對于繼電器的“常開

23、、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(shè)計3.1 系統(tǒng)總流程圖系統(tǒng)總流程圖如圖 3.1 所示：重 新 掃 描圖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 0000HLJMP STARTSTART: SETB P2.0SETB P2.1RESTART: MOV A,P2ANL A,#00000011BCJNE A,#00H,LOOP1 。在低水位之下，開啟電動機，亮紅燈SETB P2.4SETB P2.3CLR P2.2LJMP RESTARTLOOP1: CJNE A,#01H,LO

24、OP2 ；當(dāng)超過低水位，并且未達到高水位時，。 保持電動機轉(zhuǎn)動，亮綠燈SETB P2.4SETB P2.2CLR P2.3LJMP 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 P2.4CLR P2.3CLR P2.2SETB P2.4SETB P2.3SETB P2.2LJMP RESTARTLOOP3: CJNE A,#03H,RESTART 。當(dāng)達到高水位時，停止電動機，亮黃。燈SETB P2.3SETB P2.2CLR P2.4LJMP RESTARTRETEND4 總結(jié)做了這次單片機課程設(shè)計，我有了很多體會和感想。單片機設(shè)計十分有意 義而且很重要。我們在課堂