電子技術專業(yè)課程設計-貯水水管液位與水泵控制裝置.doc

此文檔收集于網絡，如有侵權，請聯系網站刪除2002級電子技術專業(yè)課程設計設計題目：貯水水管液位與水泵控制裝置摘要本單片機系統(tǒng)設計的目的是應用單片機控制技術，以89S52單片機為核心控制水箱的水位，通過水位信號的采集模塊采集信號,單片機對信號進行處理,控制水泵的啟停,并實現了報警和手動、自動切換功能。用數碼管顯示液位高度與體積,并可以實現液面高度自動調整(液面高度可以人為的調整).該系統(tǒng)操作方便、性能良好，比較符合家禽用水系統(tǒng)控制的需要。本文還詳細的給出了相關的硬件框圖和軟件流程圖，并編制了該匯編語言程序.關鍵詞：單片機 水泵驅動模塊 顯示屏 信號采集模塊ABSTRACTThis task is to control the water level of tank by micro-controller, the micro-controller always inspect the water level. And then control the water pump to add the water to tank. The digital led gives the water level and vol. the system should easy to operate, easy to use. adapt to family animal drink automatically. This article illustrate how to design hardware and software. At the same time, it also gives their drawing and script. KEYWORDS: Micro-controller pump drive digital tube signal aquire. 目 錄第一章 方案論證11、 控制單元的選擇12、信號產生方案的選擇13、水泵的選擇24、顯示方案25、聲光報警電路設計26、水泵工作但無水供出方案的選擇3第二章 硬件設計41、系統(tǒng)總體設計42、系統(tǒng)各模塊電路設計7第三章 系統(tǒng)軟件設計9第四章 測試方法與實驗數據13第五章 收獲和總結15附件一 AT89C2051控制程序16附件二 AT89S52單片機數據采集、轉換及顯示程序19附件三 電路PCB圖24第一章 方案論證根據題目的設計要求，本設計主要實現水泵在液位下限時給水管補水，液位到達上限的時候停止供水，并在高于上限或低于下限的時候發(fā)出聲光報警。同時顯示水位的高度。其系統(tǒng)方案框圖如圖1所示。為實現各模塊功能，提出了幾種設計方案并進行論證?？刂破髂KAT89S52AT89C2051水泵驅動模塊聲光報警模塊擴展模塊旋鈕輸入信號產生模塊顯示模塊信號采集調理模塊 圖1 系統(tǒng)方案圖 Fig-1 the system plan diagram 1、 控制單元的選擇方案一：采用16位單片機SPCE061A作為的控制中。SPCE061A具有豐富的資源：RAM，ROM，空間大、指令周期短 運算速度快等特點，尤其是可以進行復雜的數學運算，精度很高，但16位的匯編語言較為復雜。方案二：采用ATMEL89S52型8位單片機作為顯示控制系統(tǒng)，同時考慮到芯片的擴展對系統(tǒng)穩(wěn)定性能會造成一定影響，因此另外采用AT89C2051對水泵進水進行控制。這兩種芯片價格便宜，功能強大，在本設計中其運算速度足以達到要求，同時其片內的ROM及RAM容量足以滿足要求。綜合各方面考慮，最終選擇了第二套方案2、信號產生方案的選擇方案一：采用觸點式開關產生信號，具體為：在水箱外用一根小的透明管與水箱連通，透明管內置浮子，浮子通過一根線使滑輪與滑動觸點相連接，通過水箱液面高度的變化使浮子帶動移動觸點開關運動。移動觸點開關與固定觸點接觸時輸出高電平，通過觸點的移動，將產生一系列的脈沖信號，反饋給單片機后，單片機對信號進行計數判斷，然后控制水泵。但由于觸點在相互接觸時，產生的信號出現抖動，影響單片機對信號的計數，從而導致控制精度不高。 方案二 ：采用滑動變阻器產生信號。在滑動變阻器上裝一個滑輪，在一個比較重的小鐵球和有浮性的膠球用一根線連接，將其裝在滑輪上。通過液面高度的變化，在浮力的作用下，帶動小球浮動，從而引起滑動變阻器阻值變化?；瑒幼冏杵髯柚档淖兓瘜⒁鹌潆妷鹤兓瑢⒋诵盘栞斎氲絾纹瑱CAT89C2051后，進而由單片機控制水泵的運轉和啟停。綜合各方面，最終選擇了第二套方案。3、水泵的選擇方案一：用直流12V電壓驅動的雨刮水泵。其工作的電壓底，出水量少，而水管的體積很大，要使水貯滿水管需要很長的時間。而且泵水的高度也有點難以達到水管的高度要求。方案二：用交流220V電壓驅動的JP022型8W的小型水泵。其出水量合適，泵水的高度也能達到設計的要求。綜上分析，選擇方案二。4、顯示方案方案一：采用LCD液晶顯示器。LCD液晶顯示器即能顯示數字又能顯示文字，功能很大的，但其價格要比較貴，且控制較為困難。方案二：采用四位一體DG-E40561IP共陽數碼管。這種數碼管外形小、結構簡單、使用方便，本設計只要用一個四位一體的數碼管就可以實現顯示要求。綜合各項因素，選擇方案二。5、聲光報警電路設計方案一：報警電路由電壓比較器LM339、固態(tài)繼電器、蜂鳴器、發(fā)光二極管和旋扭式可調電阻等組成。電壓比較器LM339從傳感器采集到的電壓值與設置的上限報警值比較再通過從輸出管輸出。（1）當傳感器采集到的信號電壓比設置的上限電壓值高時，輸出管飽和，輸出管截止，相當于輸出端接低電平。（2）當設置的上限報警值比傳感器采集到的信號電壓高時，輸出管截止，相當于輸出端開路。通過電源驅動，蜂鳴器發(fā)出聲音報警信號，同時使發(fā)光二極管發(fā)出光報警信號。方案二：采用語音芯片，在超過水位上下限時能夠通過語音進行報警，其人機交互友好，但控制復雜，成本較高。綜合各項因素，選擇方案一。6、水泵工作但無水供出方案的選擇方案一：在出水口處加入一觸點，若有水流出則觸點導通，此時信號將輸入給單片機使其識別。此種方案安裝簡單，但其是否導通受水的導電性影響。方案二：在出水口位置安裝一水流開關，在有水流出時，開關斷開；無水流出時，開關閉合以提供給單片機一開關信號。綜合各項因素考慮，選擇方案二。第二章 硬件設計1、系統(tǒng)總體設計系統(tǒng)電路連接及硬件資源分配，本系統(tǒng)硬件電路連接圖見圖2。AT89S52 旋鈕傳感器模塊數碼管顯示模塊聲光報警裝置 水流開關旋 鈕水泵控制模塊AT89C2051 圖2 系統(tǒng)電路原理圖 Fig-2 the diagram of the system circuit theory本系統(tǒng)信號產生模塊時刻檢測水位的高低，并把這個信號通過ADC0809轉換為數字信號后輸送給單片機，系統(tǒng)中的旋鈕可以修改極限的上下限，極限值決定是否應該啟動水泵給儲液罐加水或停止供水，水泵功率為10W，通過單片機控制繼電器的斷閉得以實現。數碼管顯示模塊時刻顯示水位、容積和極限值的大小。本系統(tǒng)的電路圖如圖3所示。精品文檔圖3 系統(tǒng)電路連接圖Fig-3 the diagram of the system circuit2、系統(tǒng)各模塊電路設計（1） 電源電路本系統(tǒng)中采用外部開關電源直接供電方式，所提供電壓為5V，電流為0.5A。 （2） 晶振電路所選擇AT89S52單片機的晶振頻率應低于33MHZ，考慮到在程序設計中指令時間計算的便利，我們采用12MHz晶振，一個機器周期為1s。（3）顯示電路設計本系統(tǒng)中，利用DG-E40561IP共陽數碼管來顯示水位的高度和體積及上下限的水位高度。LED顯示電路由自制液位傳感器采集信號，后輸入ADC0809經過A/D轉換后，從單片機AT89S52的P0口輸入，由單片機進行BCD碼轉換后，顯示水位值。由單片機的P1口控制四位LED數碼管顯示當前水位及設定的上下限。（4） 報警模塊設計本系統(tǒng)采用旋鈕式可調電阻進行水位上下限的控制，并通過LM339對輸入的水位進行判斷，若過高或過低，則通過發(fā)光二極管和蜂鳴器進行聲光報警。（5）水泵控制模塊電路本設計采用的是220V的JP022小型水泵，由于其工作的電壓高，故在電路中用歐姆龍G3MB-202P固態(tài)繼電器對其220V電路進行控制。當水位處于高低水位之間時，水泵工作。繼電器在單片機控制下，處于常閉狀態(tài)。若水位過高或過低，則繼電器控制220V電路斷開，如下圖4所示。圖4 繼電器控制原理Fig-4 the controlled theory of the relay(6) 模數轉換電路設計本系統(tǒng)模數轉換電路原理為：從ADC0809端模擬輸入信號地址線（23-25）可決定對哪一路模擬輸入作為A/D轉換22腳鎖址控制，當輸入為高電平時，對地址信號進行鎖存：6腳為測試控制，當輸入一個寬電平脈沖時，就開始A/D轉換：7腳 為A/D轉換結束的標志，當A/D轉換結束時，7腳輸出高電平：9腳為A/D數據輸出允許控制，當OE腳為高電平時A/D轉換數據從端口輸出：10腳為0809的時鐘輸入端，利用單片機30腳的六分頻晶振信號再通過4024二分頻得到。（7）供水水位不足報警電路設計為防止出現供水水位不足但水泵仍工作的現象，在系統(tǒng)設計當中加入了報警裝置，該裝置的設計為：在水管的出水口處，加入一水流開關，當水泵工作且有水流出時，開關斷開，警告燈滅；水泵工作而無水流出時時，警告燈亮，系統(tǒng)處于報警狀態(tài)。第三章 系統(tǒng)軟件設計軟件設計是本系統(tǒng)的重要組成部分，因顯示功能與控制功能由不同的單片機控制，為此程序設計分為兩部分，考慮到匯編語言對顯示控制編譯的便利性以及Keil C語言對運算編譯的便利性，系統(tǒng)使用匯編語言對AT89S52進行編程，使用Keil C語言對AT89C2051進行編程（程序詳見附件一與附件二）。本系統(tǒng)的軟件設計共分為六個部分，分別為初始化程序設計部分、主程序設計部分、顯示主程序設計部分、摸數轉換測量子程序部分、水泵啟?？刂撇糠帧⒐┧徊蛔銏缶糠值冉M成。（1） 初始化程序系統(tǒng)上電時，將70H72H內存單元清零，P2口置零。（2） 主程序在剛上電時，因70H72H內存單元的數據為0，則每一通道的數碼管顯示值都為000。當進行一次測量的A/D轉換值。每個通道的數碼管顯示時間在1s左右。主程序在調用顯示程序和測試程之間循環(huán)。(3) 控制程序當設置好水位的上限和下限值后，單片機將不斷檢測水位狀態(tài)，若發(fā)現水位到達最低水位，則使繼電器閉合，啟動水泵電機，同時聲光報警。若發(fā)現水位到達最高水位，則使繼電器斷開，停止水泵工作，同時聲光報警，如圖5所示。（4） 數轉換測量子程序模數轉換測量子程序是用來控制對ADC0809 八路模擬輸入電壓的A/D轉換，并將對應的數值移入70H72H內存單元，其程序流程如圖6所示。 （5）顯示子程序采用動態(tài)掃描法實現四位數碼管的數值顯示。測量所得的A/D轉換數據放在70H72H內存單元中。測量數據在顯示時需經過轉換成為十進制BCD碼放在76H79H中，其中7BH存放通道標志數。寄存器R3用來作3路循環(huán)控制，R0用作顯示數據地址指針，其流程圖如7所示到最低水位否Y開 始初 始 化超過最高水位否聲光報警NYN水泵停止工作水泵工作有水泵出否聲光報警NY圖5水泵控制流程圖Fig-5 the flow chart of the pump controlling開 始啟 動 測 試數模轉換結束？P3.7=1？取數據（P2.5=1）0809地址加1取 上 限 值取 下 限 值地址數小于3？結 束圖6 數模轉換測量程序流程圖YN Fig-6 the flow chart of the A/D transverse measurement 開 始初始化調用顯示子程序調用A/D轉換子程序圖7 顯示流程圖Fig-7 the flow chart of the monitoring（6）系統(tǒng)軟件抗干擾程序為防止因電磁干擾而造成程序的“跑飛”，在程序設計當中加入了軟件陷阱，既每段程序后加入兩個空操作NOP，若程序“跑飛”則程序被軟件陷阱捕獲，被抗干擾程序處理，返回復位狀態(tài)，重新啟動系統(tǒng)。第四章 測試方法與實驗數據1、測試儀器萬用表、51系列仿真器、8051仿真頭、89C2051仿真頭以及SUPERPRO/Z編程器。2、 硬件調試注意事項（1）硬件調試時，可先檢查印制板及焊接的質量是否符合要求，有無虛焊點及線路間有無短路、斷路。然后用萬用表測試或通電檢測，檢查無誤后，可通電檢查數碼顯示器亮度情況。（2）LM339與單片機相連的只有4根線，很容易檢查，主要檢查其與管腳是否連接好。3、軟件調試軟件調試是在WAVE G6000軟件模擬器下進行，源程序編譯及仿真調試應分段或以子程序為單位逐個進行，最后結合硬件實時調試。子程序調試包括：（1）ADC0809信號采集程序；（2）顯示液位高度子程序；（3）聲光報警程序； 本系統(tǒng)使用偉福V5/S仿真器進行程序仿真，在仿真過程中，因仿真頭對輸入電壓有非常嚴格的要求，因此必須嚴格檢查仿真頭40腳輸入電壓是否超過5V，程序仿真成功后方可燒入單片機。4、測試結果分析（1）啟停水位及報警水位的測試分析經過實驗，本設計小組選取了10cm、25cm、35cm等水位進行測試，實驗結果表明：在10-25cm間，顯示誤差小于0.5cm。在35cm時誤差為1 cm。測試通過（2）液位小于10cm時自動啟停水泵測試本小組首先將水箱中的水全部排除，系統(tǒng)通電后，水泵自動進水，同時蜂鳴器報警，指示燈閃亮，表明水位低于10cm。測試通過（3）液位在高于上限值報警測試本小組選擇40cm水位報警，測試結果表明，當水位到達40cm時，聲光報警裝置啟動，誤差值在1cm以內。（4）液位在高于上限時停水測試本小組選擇了35cm和40cm兩個位置作為上限高度，實驗結果表明在兩個位置，系統(tǒng)能實現自動停水功能，誤差在1cm以內。（5）顯示測試本小組選擇了10cm、25cm、35cm以及40cm四個位置進行顯示，測試結果表明：此四個位置所顯示值誤差小于0.5cm。測試通過（6）電機工作但液位不變化報警測試本小組首先使水泵工作，在系統(tǒng)正常工作后，將水管拔除，系統(tǒng)報警。將水管接好后，報警解除。由于所采用的ADC0809為8位，其計時精度相對設計要求而言已經足夠，測量水位高度較為準確，誤差在1cm以內。第五章 收獲和總結經過緊張的四三聯單天的奮力拼搏，與小組其他成員通力協作，團結互助，終于完成了實驗項目。首先，我們小組全體成員感謝主持本次競賽的主委會和全體評審老師以及我們的輔導老師，謝謝你們給了我們一個提高自己和展現自己的舞臺，讓我們在以后的人生中更加自信和堅定?；叵脒@四天三夜，短暫而充實，就我們而言，我們在許多方面都有了明顯進步和收獲，無論是拼搏精神還是團隊精神都是對我一生都是一筆豐富的財富。所以這次競賽無論能否取得成功，我們都不會有遺憾，我們會繼續(xù)發(fā)揚這四天三夜的精神，在以后的日子里更加努力地提高自己、充實自己。同時，我們希望在這四天三夜的努力有所肯定，希望我們能站在領獎臺上。參考文獻1胡漢才.單片機原理及其接口技術M.北京：清華大學出版社，19962徐愛鈞，彭秀華.單片機高級C51應用程序設計M.北京：電子工業(yè)出版社，20003李建忠.單片機原理及應用M.西安：西安電子科技大學出版社，19994李群芳.單片微型計算機與接口技術M北京：電子工業(yè)出版社，20015樓然苗，李光飛.51系列單片機設計實例M.北京：北京航空航天大學出版社，2003附件一 AT89C2051控制程序#include #include #include #include #include /*/#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define ulong unsigned long/*/*定義全局變量*/sbit JS=P17; /點火線通斷繼電器控制口sbit CS=P16; /過限蜂鳴器報警控制口sbit SB=P15; /發(fā)動機啟動信號輸入口sbit XB=P14; /發(fā)動機冷卻水水位傳感器輸入口輸出sbit SX=P30; /發(fā)動機水溫傳感器輸入口sbit XX=P31; /發(fā)動機機油壓力傳感器輸入口sbit YBJ=P32;uchar BB=0;/*/*延時程序*/ void delay() /延時25秒 uchar i,j; for(i=0;i100;i+) for(j=0;j100;j+); /*IO口初始化*/void ioini() JS=1; CS=1; SB=1; XB=1; /MD=0; /SW=0;/*/*主函數*/void main() ioini(); /端口初始化 do #pragma ASM MOV P3,#0FFH #pragma ENDASM if(XX=1) while(!SX) #pragma ASM MOV P3,#0FFH #pragma ENDASM JS=0;BB=1; if(XX=1) XB=0; delay(); delay(); XB=1; delay(); delay(); else/JS=1; if(SX=1) SB=0; delay(); SB=1; delay(); #pragma ASM MOV P3,#0FFH #pragma ENDASMif(BB=1&YBJ=1) CS=0;else CS=1; else JS=1; BB=0; if(XX=1) XB=0; delay(); delay(); XB=1; delay(); delay(); if(SX=1) SB=0; delay(); SB=1; delay(); while(1);/*結束*/附件二 AT89S52單片機數據采集、轉換及顯示程序70H-72H存放采樣值，76H-79H存放顯示數據，依次為個位、十位、百位、通道標志;*;* *;* 主程序和中斷程序入口 *;* *;*ORG 0000H ;程序執(zhí)行開始地址LJMP START ;跳至START執(zhí)行ORG 0003H ;外中斷0中斷入口地址RETI ;中斷返回（不開中斷）ORG 000BH ;定時器T0中斷入口地址RETI ;中斷返回（不開中斷）ORG 0013H ;外中斷1中斷入口地址RETI ;中斷返回（不開中斷）ORG 001BH ;定時器T1中斷入口地址RETI ;中斷返回（不開中斷）ORG 0023H ;串行口中斷入口地址RETI ;中斷返回（不開中斷）ORG 002BH ;定時器T2中斷入口地址RETI ;中斷返回（不開中斷）;*;* *;* 初始化程序中的各變量 *;* *;*CLEARMEMIO: CLR A ; MOV P2,A ;P2口置0 MOV R0,#70H ;內存循環(huán)清0（70H-79H） MOV R2,#06H ;LOOPMEM: MOV R0,A ; INC R0 ; DJNZ R2,LOOPMEM ; MOV A,#0FFH ; MOV P0,A ;P0、P1、P3端口置1 MOV P1,A ; MOV P3,A ; NOP NOP LJMP ERR RET ;子程序返回;*;* *;* 主 程 序 *;* *;*START: LCALL CLEARMEMIO ;初始化MAIN: SETB P3.4; LCALL DISPLAY ;顯示數據一次 LCALL TEST ;測量一次 LCALL CON ;控制水泵動作 AJMPMAIN ;返回MAIN循環(huán) NOP ;PC值出錯處理 NOP ;空操作 NOP ;空操作 LJMPSTART ;重新復位起動;DISPLAY: MOV R3,#03H ;3路信號循環(huán)顯示控制 MOV R0,#70H ;顯示數據初址（70H-72H） MOV 76H,#00H ;顯示通道路數（0-3）DISLOOP1: MOV A,R0 ;顯示數據轉為三位十進制BCD碼存入SUBB A,#16HRRC A MOV B,#100 ;76H、77H、78H顯示單元內 DIV AB ;顯示數據除100 MOV 75H,A ;商入7AH MOV A,#10 ;A放入數10 XCH A,B ;余數與數10交換 DIV AB ;余數除10 MOV 74H,A ;商入79H MOV 73H,B ;余數入78H MOV R2,#0FFH ;每路顯示時間控制 4MS*255DISLOOP2: LCALL DISP ;調四位LED顯示程序 DJNZ R2,DISLOOP2 ;每路顯示時間控制 INC R0 ;顯示下一路 INC 76H ;通道顯示數值加1 DJNZ R3,DISLOOP1 ;3路顯示未完轉DISLOOP1再循環(huán) NOP NOP LJMP ERR RET ;3路顯示完子程序結束; LED共陽顯示子程序，顯示內容在78H-7BH，數據在P1輸出，列掃描在P3.0-P3.3口DISP: MOV R1,#73H ;賦顯示數據單元首址 MOV R5,#0FEH ;掃描字PLAY: MOV P1,#0FFH ;關顯示 MOV A,R5 ;取掃描字 ANL P3,A ;開顯示 MOV A,R1 ;取顯示數據 MOV DPTR,#TAB ;取段碼表首址 MOVC A,A+DPTR ;查顯示數據對應段碼 MOV P1,A ;段碼放入P1口 LCALL DL1MS ;顯示1MS INC R1 ;指向下一地址 MOV A,P3 ;取P3口掃描字 JNB ACC.3,ENDOUT ;四位顯示完轉ENDOUT結束 RL A ;掃描字循環(huán)左移 MOV R5,A ;掃描字放入R5暫存 MOV P3,#0FFH ;顯示暫停 AJMP PLAY ;轉PLAY循環(huán)ENDOUT: MOV P3,#0FFH ;顯示結束，端口置1 MOV P1,#0FFH ; NOP NOP LJMP ERRRET ;子程序返回;LED數碼顯示管用共陽段碼表，分別對應0-9，最后一個是熄滅符TAB: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,0FFH; 1MS延時子程序，LED顯示用DL1MS: MOVR6,#19H ;DL1: MOVR7,#19HDL2: DJNZ R7,DL2 DJNZ R6,DL1 RET;模數轉換測量子程序TEST: CLR A ;清累加器A MOV P2,A ;清P2口 MOV R0,#70H ;轉換值存放首址 MOV R7,#03H ;轉換8次控制 LCALL TESTART ;啟動測試WAIT: JB P3.7,MOVD ;等A/D轉換結束信號后轉MOVD AJMP WAIT ;P3.7為