單片機課程設(shè)計-水位控制系統(tǒng)

1、生命賜給我們，我們必須奉獻生命，才能獲得生命。單片機原理及系統(tǒng)課程設(shè)計評語：考勤 10 分守紀 10 分過程 30 分設(shè)計報告 30 分答辯 20 分總成績（ 100 ）分專 業(yè)： 電氣工程及其自動化班 級： 電氣姓 名： xxx學 號：指導教師： xxx蘭州交通大學自動化與電氣工程學院2014 年 1 月 13 日基于單片機的水位控制系統(tǒng)設(shè)計1 設(shè)計目的水位控制系統(tǒng)是以水位為被控參數(shù)的控制系統(tǒng)，它在工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域都 有廣泛的應(yīng)用。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，有很多地方需要對容器內(nèi)的介質(zhì)進行水位控 制，使之高精度地保持在給定的數(shù)值，如在建材行業(yè)中，玻璃窯爐水位的穩(wěn)定對 窯爐的使用壽命和產(chǎn)品的質(zhì)量起著

2、至關(guān)重要的作用。水位控制一般指對某一水位 進行控制調(diào)節(jié)，使其達到所要求的控制精度。液體的水位的自動控制,是近年來新開發(fā)的一項新技術(shù) ,它是微型計算機軟件、硬件、自動控制等幾項技術(shù)緊密結(jié)合的 產(chǎn)物 ,工程作業(yè)采用的是微機控制和原有的儀表控制 ,微機控制有以下明顯優(yōu)勢 :（1）直觀而集中的顯示各運行參數(shù) ,能顯示水位狀態(tài)。（2）在運行中可以隨時方便的修改各種各樣的運行參數(shù)的控制值 ,并修改系統(tǒng) 的控制參數(shù) ,可以方便的改變水位的上限、下限。（3）具有水體控制過程的自動化處理以及監(jiān)控軟件良好的人機界面， 操作人員 在監(jiān)控計算機上能根據(jù)控制效果及時修運行參數(shù)，這樣能有效地減少工人的疲勞 和失誤，提高生

3、產(chǎn)過程的實時性、安全性。綜合以上的種種優(yōu)點可以預(yù)見采用計算機控制系統(tǒng)是行業(yè)的大勢所趨。單片 機是在一塊芯片上集成了一片微型計算機所需的 CPU、存儲器、輸入、輸出等部 件。單片機自問世以來 ,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, 利用單片機控 制就能克服這些缺點 , 因此單片機在控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用 , 使用單片機控制液 體水位是很好的選擇。2 設(shè)計任務(wù)和基本要求 設(shè)計一種基于單片機水位檢測控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實現(xiàn)水位檢測、電機故障 檢測、處理和報警等功能，實現(xiàn)超高、低警戒水位報警，超高警戒水位處理。介 紹

4、電路接口原理圖，給出相應(yīng)的軟件設(shè)計流程圖和匯編程序，并用Proteus軟件仿真。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有良好的檢測控制功能，可移植性和擴展性強。本設(shè)計為一個實際應(yīng)用系統(tǒng)的水塔水位控制部分。在此水塔水位控制系統(tǒng)中， 檢測信號來自插入水中的 3 個金屬棒，以感知水位變化情況。 工作正常情況下， 應(yīng)保持水位在某一范圍內(nèi)，當水位變化發(fā)生故障的時候，及時關(guān)斷電機電源，發(fā) 出聲、光報警信號。（1）完成單片機硬件的設(shè)計，包括： CPU、存儲器（外擴 ROM 、RAM ）、輸 入 /輸出接口（外擴并行 I/O 口）以及總線連接部分（附控制電路原理圖） 。（2）完成控制軟件的設(shè)計（附控制軟件清單） 。希望是本無

5、所謂有，無所謂無的。這正如地上的路；其實地上本沒有路，走的人多了，也便成了路。生命賜給我們，我們必須奉獻生命，才能獲得生命。3 水位控制原理以水塔水位控制為例。單片機水塔水位控制原理圖 1所示，圖中的 A、B表示允許水位變化的上、 下限 位置。由于題目中所要求的金屬導體在長時間置于水和空氣中會被氧化，因此導 電性會下降，這樣會影響系統(tǒng)的正常工作，所以本設(shè)計需要改動部分控制硬件， 上部兩個導體分別用浮子開關(guān)代替，第三個不需要置于水中，而將它直接接地然 后串入電阻接入電路中。 在正常情況下， 水位應(yīng)控制在上下限的范圍之內(nèi)。 為此， 在水塔內(nèi)的不同高度處，安裝固定不變的兩個浮子開關(guān) A 、B，利用杠

6、桿原理， A 浮子控制開關(guān) A，B浮子控制開關(guān) B，受到浮力時開關(guān)打開， A 靠近水塔上部， B靠 近水池底部， A 、 B之間足夠距離，要保證有足夠大的流水量。水塔由電機帶動水 泵供水，單片機控制電機轉(zhuǎn)動，隨著供水，水位不斷上升，當水位上升到上限水 位時，由于水的浮力作用， 使浮子開關(guān) A，B均斷開。因此b、c兩端的電壓都為 +5 V 即為“1狀”態(tài)此時應(yīng)停止電機和水泵工作，不再向水塔注水；當水位處于上、下 限之間時， B開關(guān)斷開和 A開關(guān)閉合， b端為1狀態(tài)，c端為 0狀態(tài)。此時電機保持原 來的運行狀態(tài)，使水位上升或下降，當水位處于下限位置以下時， A， B開關(guān)都斷 開，b、c均為 0狀態(tài)

7、，此時應(yīng)啟動電機轉(zhuǎn)動，帶動水泵給水塔注水。當開關(guān) A斷開 B 閉合(這種狀態(tài)在正常情況下不會出現(xiàn)， 因此必有一浮子出現(xiàn)故障停止電機運轉(zhuǎn)， 報警器打開。圖1所示水塔浮子的控制原理。圖 1 控制原理圖4 系統(tǒng)總體方案4.1 電路設(shè)計水塔水位控制系統(tǒng)主要由 CPU(80C31)、水位檢測接口電路、報警接口電路、 存儲器擴展接口電路、復(fù)位電路、時鐘振蕩等部分組成，圖 2 為系統(tǒng)硬件電路。 希望是本無所謂有，無所謂無的。這正如地上的路；其實地上本沒有路，走的人多了，也便 成了路。圖 2 系統(tǒng)硬件電路4.2 水位檢測接口電路為了便于實現(xiàn)水位檢測功能，用一個兩位的浮子開關(guān) A，B 模擬 P1.1和 P1.0

8、 端的狀態(tài) （0、1），浮子開關(guān)另一端接地， 每個負電極分別通過 4.7 k 的電阻（R1，R2） 接+5V 電源。將單片機的 P1.0 端口接開關(guān) B，P1.1端口接開關(guān) A。假設(shè)被水淹沒 的負電極都為高電平，此時開關(guān)置 1；露在水面的負電極都為低電平，開關(guān)此時置 為 0 。單片機通過負電極重復(fù)采集檢測水位，當缺水時 （ 此時兩個開關(guān)均置 0） ，電 機必須帶動水泵抽水；若水位在正常范圍內(nèi)時，檢測信號為高，低電平（此時開關(guān)B 置 1，開關(guān) A 置 0） ；當水位過高時，檢測信號為高電平 （此時開關(guān) A 和 B 都置 1），單片機檢測到 P1.0和 P1.1為高電平后，立即停機。4.3 報警接

9、口電路為了避免系統(tǒng)發(fā)生故障時，水位失去控制造成嚴重后果，在超出、低于警戒 界水位時，報警信號直接從高、低警界水位電極獲得。單片機 P1.3 端口為啟動電 機命令輸出端口， P1.3=0為低電平，經(jīng)過非門和驅(qū)動器 7406 后與電機的另一端接 地導通，啟動電機工作； P1.3=l 為高電平，反之，電機停止工作。電機故障報警由 單片機控制，電機故障報警信號由 P1.3 輸人。當 P1.3 為高電平時蜂鳴器報警。水 位超過高警戒水位， 單片機控制系統(tǒng)使電機停止轉(zhuǎn)動， 向水塔內(nèi)供水工作也停止。4. 4 存儲器擴展接口電路為了便于系統(tǒng)擴展，存放大容量應(yīng)用程序，系統(tǒng)設(shè)計擴展一片程序存儲器， 用于存放源程序

10、代碼。 74LS373 用于鎖存地址，單片機的 P0.0P0.7 通過復(fù)用方 式分別接鎖存器 74LS373的 DOD7和存儲器 2732的 D0D7 端，地址鎖存信號 線 ALE 接鎖存器的 OE 端，通過軟件設(shè)置實現(xiàn)地址和數(shù)據(jù)信息的傳輸，鎖存器的 輸出端 Q0 Q7 與存儲器地址線 A0A7 相連，剩余的 3 根地址線 A8 A11 接 P2.0P2.2單片機選通引腳接存儲器 OE 端，因只擴展一片存儲器，片選端 CE 接地。4.5 各設(shè)備的地址分配各元件所接端口以及對應(yīng)地址如表 1 所示表 1 元件所接端口以及對應(yīng)地址表序號123 4P1口P1.0P1.1P1.2P1.3元件開關(guān) B開關(guān)

11、 A電動機報警地址90H91H92H93H4.6 軟件設(shè)計4.6.1 設(shè)計思路描述當水塔水位處于上、下限之間時， P1.0=l，P1.1=0，此時無論電機是在帶動水 泵給水塔供水使水位不斷上升還是電機沒有工作使水位不斷下降，都應(yīng)繼續(xù)維持 原有工作狀態(tài)；當水位低于下限時， P1.0=0，P1.1=0，此時啟動電機轉(zhuǎn)動，帶動水 泵給水塔供水。4.6.2 設(shè)計程序流程圖為實現(xiàn)表 2 的各個控制，要求程序選擇 P1.0和 P1.1的高低電平，以及當出現(xiàn) 故障時控制 P1.3 為低電平報警同時關(guān)閉電機。程序流程圖如圖 3 所示：圖 3 程序流程圖 希望是本無所謂有，無所謂無的。這正如地上的路；其實地上本

12、沒有路，走的人多了，也便 成了路。生命賜給我們，我們必須奉獻生命，才能獲得生命。4.6.3 主程序根據(jù)圖 3的流程，首先將 P1口寫 1，為檢查 P1.0和P1.1狀態(tài)做準備， 然后選 擇 P1.0和 P1.1的高低電平，實現(xiàn)控制 P1.2和 P1.3的 7 高低電平的變化，在沒有 改變開關(guān)的狀態(tài)之前，為了保持各個端口的電平，需要調(diào)用延時程序，主程序以 及延時程序見附錄一。5 結(jié)論控制系統(tǒng)有四種運行狀態(tài)， 當水塔里的水面低于最低限時即低于浮子 B 時，A、 B 浮子開關(guān)均閉合，電機運轉(zhuǎn)，向水塔注水；直到水面超過浮子B， B 開關(guān)打開，電機任然保持原來的運行的狀態(tài)；隨著水面上升，浮子開關(guān) A 被

13、打開，此時水面 達到上限， 因此關(guān)閉電機， 停止向水塔里注水； 隨著向外部供水， 水面逐漸下降， 浮子開關(guān) A 閉合，但此時不需要再往水塔里注水，因此電機任然維持原來的停止 狀態(tài)不變。而當不屬于上述的任何閉合情況時，報警器打開。對四種不同狀態(tài)的仿真見附錄二。6 結(jié)語本系統(tǒng)就是充分利用了 80C31和 2732芯片的 I/O 引腳。系統(tǒng)采用 MSC-51系 列單片機 Intel80C31 和可編程并行 I/O 接口芯片 2732 為中心器件來設(shè)計水塔水位 控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了能根據(jù)水位的高低通過 80C31 芯片的 P1口設(shè)置電動機的抽水和 報警工作功能；通過二極管的發(fā)光來報警以及兩個開關(guān)來模擬水位

14、的控制，二極 管由驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動發(fā)光。參考文獻1 張毅坤 單片微型計算機原理及應(yīng)用 M ，西安電子科技大學出版社， 19982 雷麗文 等 微機原理與接口技術(shù) M ，電子工業(yè)出版社， 1997.23 王思明，張金敏 等 單片機原理及應(yīng)用 M ，科學出版社， 2012.94 馮育長主編 單片機系統(tǒng)設(shè)計與實例分析 M ，西安電子科技大學出版社， 20075 謝維成，楊加國主編 單片機原理與應(yīng)用及 C51 程序設(shè)計 M ，清華大學出版社， 2006附錄實驗程序如下：ORG0000HLOOP0100HAJMPORGLOOP:SETB93HORLP1,#03H；為檢查水位狀態(tài)做準備MOVA,P1JNBAC

15、C.0,ONE； P1.0=0則轉(zhuǎn)移JBACC.1,TWO；P1.1=1 則轉(zhuǎn)移BACK:ACALLDELAY；調(diào)用延時AJMPLOOPONE:JNBACC.1,THREE； P1.1=0則轉(zhuǎn)移CLR93H；P1.30，啟動報警裝置SETB92H；P1.21,停止電機工作AJMPLOOPTHREE:CLR92H；啟動電機AJMPBACKTWO:SETB92H；停止電機工作AJMPBACK延時子程序（延時10s）：DELAY:ORG8030HMOVR3,#19HLOOP3:MOVR1,#85HLOOP1:MOVR2,#0FAHLOOP2:DJNZR2,LOOP2DJNZR1,LOOP1DJNZR3,LOOP3RETEND附錄二對四種不同狀態(tài)的仿真如下圖所示：(1) 當 A