基于AT89C51單片機(jī)的水位控制系統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)

1、基于單片機(jī)的水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)目錄1概述32設(shè)計(jì)的基本任務(wù)和要求42.1 基本功能42.2塔水位控制原理42.3 系統(tǒng)硬件總體方案53控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)53.1系統(tǒng)硬件方案53.2 核心芯片AT89C51單片機(jī)63.3系統(tǒng)軟件總體方案74.Proteus設(shè)計(jì)與仿真84.1元器件清單84.2基于單片機(jī)水位控制原理圖594.3基于單片機(jī)的水位控制PCB圖694.4水位檢測(cè)的主程序104.5 實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果134.6 結(jié)語(yǔ)135 設(shè)計(jì)體會(huì)13參考文獻(xiàn)141概述液位控制系統(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(guò)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

2、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(lái)新開(kāi)發(fā)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(shì):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(guò)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

3、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(guò)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(jiàn)采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是行業(yè)的大勢(shì)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、存儲(chǔ)器、輸入、輸出等部件。單片機(jī)自問(wèn)世以來(lái),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(guó)在單片機(jī)測(cè)控裝置研究、生產(chǎn)、應(yīng)用中,取得了很大的成績(jī),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(kāi)展的工作更看

4、重的是理論和算法,數(shù)年來(lái)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(cè)控裝置與系統(tǒng)研究的生產(chǎn)基礎(chǔ)較雄厚,在生產(chǎn)過(guò)程中需要新型的測(cè)控裝置與系統(tǒng),因此在不斷的努力研究與開(kāi)發(fā)。上海的工程技術(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(cè)控裝置與系統(tǒng)領(lǐng)域也比較有成就,盡管與其他國(guó)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(wú)關(guān)的問(wèn)題基本不去考慮,主要考慮選取什么材料,測(cè)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。2設(shè)計(jì)的基本任務(wù)和要求2.1 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

5、件來(lái)實(shí)現(xiàn)的水體液位控制系統(tǒng),在用液位傳感器測(cè)液位的同時(shí), CPU循環(huán)檢測(cè)傳感器輸出狀態(tài),并用3位七段LED顯示示液位高度,檢測(cè)液位數(shù)據(jù),實(shí)施報(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(kāi)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(kāi)排水泵。2.2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(guò)低，要保證有足夠大的流水量)。水塔由電機(jī)帶

6、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+5 V連通。因此b、C兩端的電壓都為+5 V即為。l”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“r狀態(tài)。C端為“O”狀態(tài)。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)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)水泵給水塔注水。2.3 系統(tǒng)硬件總體方案系統(tǒng)的原理是采用8個(gè)按鈕進(jìn)行水位檢測(cè)，在現(xiàn)場(chǎng)的3個(gè)不同的

7、位置，由下至上測(cè)量水體的液位值,。并把這四個(gè)液位狀態(tài)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器傳到單片機(jī)中,在通過(guò)3位七段LED顯示器顯示出液位的三種狀態(tài)及報(bào)警安全提示。用LED顯示是因?yàn)樗哂酗@示清晰、亮度高、使用電壓低、光電轉(zhuǎn)換效能高、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，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(kāi)、關(guān)水泵,需要是否開(kāi)啟和關(guān)閉驅(qū)動(dòng)閥門(mén)的電動(dòng)機(jī)。3控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)3.1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(guò)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(guò)運(yùn)算控制，輸出數(shù)字信號(hào)，輸出接口接LED進(jìn)行顯示,實(shí)現(xiàn)液位的報(bào)警和鍵盤(pán)的顯示與控制；圖2即是液位控制系統(tǒng)：圖2液位

8、控制系統(tǒng)由上圖可觀察到傳感器通過(guò)對(duì)液面進(jìn)行測(cè)量，輸出模擬信號(hào)，再通過(guò)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(guò)AT89C51單片機(jī)的運(yùn)算控制，在通過(guò)LED進(jìn)行顯示,通過(guò)報(bào)警裝置進(jìn)行報(bào)警,報(bào)警顯示之后再通過(guò)對(duì)閥門(mén)的開(kāi)啟實(shí)現(xiàn)對(duì)水體的液位進(jìn)行調(diào)節(jié)控制,閥門(mén)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備是電動(dòng)機(jī)。3.2 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)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可

9、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(jiǎn)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3.3系統(tǒng)軟件總體方案水位檢測(cè)是通過(guò)8個(gè)按鈕進(jìn)行水位檢測(cè)的，當(dāng)水位到檢測(cè)位置其輸出端口就向單片機(jī)輸出低電平。由上至下的第一個(gè)位置為水位上限報(bào)警線，即當(dāng)水位高于此位置時(shí)，開(kāi)水閥控制系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警，提醒工作人員

10、注意，加水電磁閥有可能出故障；第二個(gè)位置是自動(dòng)停止加水線，即當(dāng)水位高于此位置時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉加水電磁閥，停止加水；第三個(gè)位置是自動(dòng)加水線，即當(dāng)水位低于此位置時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)接通加水電磁閥，開(kāi)始加水；第四個(gè)位置是水位下限報(bào)警線，即當(dāng)水位低于此位置時(shí)，控制系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警，提醒工作人員注意，加水電磁閥可能出故障如圖4。 圖4 水位控制流程圖4.Proteus設(shè)計(jì)與仿真4.1元器件清單7SEG-COM-CAT-GRNLED數(shù)碼管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)RES電阻RESPACK-8排

11、阻4.2基于單片機(jī)水位控制原理圖5圖5水位控制原理圖4.3基于單片機(jī)的水位控制PCB圖6圖6水位控制PCB圖4.4水位檢測(cè)的主程序本控制系統(tǒng)采用的是控制，由于模糊控制量的求取是采用查表法，因此軟件程序較簡(jiǎn)單，整個(gè)軟件部分較多，現(xiàn)取最重要的水位檢測(cè)主程序。#include<reg51.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit MOR=P27;sbit MOT=P26;sbit LED=P20;code uchar tab=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f

12、,0x6f;void delay (uint n)while(n-);void LED_SHOW()if(P1=0xfe) P0=tab8;LED=0;MOR=0;MOT=1; if(P1=0xfd) P0=tab7; LED=0;MOR=0;MOT=1; if(P1=0xfb) P0=tab6; LED=1;MOR=1;MOT=1; if(P1=0xf7) P0=tab5; LED=1;MOR=1;MOT=1; if(P1=0xfd) P0=tab4; LED=1;MOR=1;MOT=1; if(P1=0xef) LED=1;MOR=1;MOT=1; if(P1=0xdf) P0=tab2;

13、 LED=0;MOR=1;MOT=0; if(P1=0xbf) P0=tab1; LED=0;MOR=1;MOT=0; if(P1=0x7f) P0=tab0;LED=0;MOR=1;MOT=0; void main()while(1) LED_SHOW();4.5 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(xiě)相應(yīng)的程序在Pro-teus軟件環(huán)境下實(shí)際仿真，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能成功實(shí)現(xiàn)了水位檢測(cè)、電機(jī)故障檢測(cè)、處理和報(bào)警等功能，具有良好的檢測(cè)控制功能，可移植性和擴(kuò)展性強(qiáng)。通過(guò)制作PCB板子，該系統(tǒng)已成功運(yùn)用于某實(shí)驗(yàn)水冷卻系統(tǒng)。4.6 結(jié)語(yǔ)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

14、片機(jī)強(qiáng)大控制功能和方便通信接口，該檢測(cè)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(cè)、電機(jī)故障檢測(cè)、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(cè)控制等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。5 設(shè)計(jì)體會(huì)設(shè)計(jì)過(guò)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(shū)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(cè)控制，介紹了AT89C51單片機(jī)和

15、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，利用LED來(lái)進(jìn)行信號(hào)的輸出顯示,我設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(wèn)題立即就能發(fā)現(xiàn)。通過(guò)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(guò)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(shū)本上的知識(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(lái)。這次設(shè)計(jì)之后，我感覺(jué)到自己在自動(dòng)化專業(yè)上的學(xué)習(xí)應(yīng)

16、該還有很長(zhǎng)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(cè)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(guò)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(cè)試 .華中科技大學(xué)出版社，2003.4 楊國(guó)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 王永平，陳建華.基于S7200PLC