水塔水位自動控制電路設(shè)計(jì)

1、 四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 設(shè)計(jì)(論文)題目:_ 水塔水位自動控制電路設(shè)計(jì) 專 業(yè): 應(yīng)用電子技術(shù) 班 級: 學(xué) 號: 姓 名: 指導(dǎo)教師: 二一三年十二月五日 四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書學(xué)生姓名學(xué)號班級專業(yè)設(shè)計(jì)題目水塔水位自動控制電路設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師姓名職 稱工作單位及所從事專業(yè)聯(lián)系方式備 注設(shè)計(jì)內(nèi)容：1.當(dāng)水位達(dá)到最低水位時自動上水。2.當(dāng)水位達(dá)到最高水位時自動上停止水。3.通過一只中間繼電器來接通大功率的交流接觸器，控制水泵的運(yùn)行。4.完成 EWB 對電路進(jìn)行仿真和制作實(shí)物 5.撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告。5.撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告。進(jìn)度安排：1.

2、34 周：消化課題，收集相關(guān)資料，選擇參考方案；2.56 周：初步確定設(shè)計(jì)方案并熟悉部分器件的用途；3.79 周：劃分功能模塊，設(shè)計(jì)單元電路；4.1011 周：分析電路原理，基本完成設(shè)計(jì)過程，撰寫設(shè)計(jì)說明書初稿；5.1213 周：修改、完善設(shè)計(jì)電路，進(jìn)行電路仿真；6.1415 周：按畢業(yè)設(shè)計(jì)的各項(xiàng)要求整理設(shè)計(jì)說明書并修改、完善，檢查定稿；7.16 周：熟悉設(shè)計(jì)全過程，準(zhǔn)備答辯。主要參考文獻(xiàn)、資料：1高吉祥電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)北京：電子工業(yè)出版社，2002 年2彭介華電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)北京：高等教育出版社，1997 年3 張毅坤、陳善久、裘雪紅. 單片微型計(jì)算機(jī)原理機(jī)及應(yīng)用. 1998

3、年第一版.西安：西安電子科技大學(xué)出版社. 1998.84 譚浩強(qiáng). C 程序設(shè)計(jì). 第 2 版. 北京：清華大學(xué)出版社. 2005.65 田立，代方震. 51 單片機(jī) C 語言程序設(shè)計(jì)快速入門. 北京：電子工業(yè)出版社.2007 審批意見教研室負(fù)責(zé)人： 年 月 日 四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書I目錄摘要 .1緒論 .2第 1 章方案論證與分析 .31.1系統(tǒng)功能要求.31.2整體方案.31.2.1方案比較與論證.31.2.2方案論證.5第 2 章硬件設(shè)計(jì)與分析.62.1單片機(jī)最小系統(tǒng).62.1.1芯片介紹.62.1.2單片機(jī)時鐘電路設(shè)計(jì).82.1.3單片機(jī)復(fù)位電路設(shè)計(jì).92.2超聲波測水位

4、電路.102.3指示電路.112.3.1顯示電路.112.4報(bào)警電路.122.5交流接觸器工作原理.122.6整機(jī)電路工作原理.13第 3 章軟件設(shè)計(jì).143.1主程序流程圖.143.2中斷流程圖.14第 4 章系統(tǒng)仿真與調(diào)試.164.1常用調(diào)試工具.164.1.1Keil 軟件.164.1.2Proteus 軟件.16 四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書II4.2系統(tǒng)調(diào)試.17第 5 章實(shí)物制作與調(diào)試.185.1PCB 板的制作.185.2元件的裝配.195.3調(diào)試與性能檢測.20參考文獻(xiàn) .22附錄 1整機(jī)電路原理圖.23附錄 2源程序.24附錄 3元器件清單.27 四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢

5、業(yè)設(shè)計(jì)說明書第 1 頁 共 27 頁摘要采用低功耗單片機(jī)為控制核心、輔以超聲波水位狀態(tài)采集模塊、二極管指示模塊、電源供電模塊、揚(yáng)聲器報(bào)警模塊設(shè)計(jì)的自動水塔水位控制系統(tǒng)，通過一只中間繼電器來接通大功率的交流接觸器，控制水泵的運(yùn)行成功實(shí)現(xiàn)水塔水位控制功能，它具有電路簡單、功能齊全、制作成本低、性價(jià)比高等特點(diǎn)，是一種經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的自動水塔水位控制系統(tǒng)。硬件部分主要由單片機(jī)指示燈、繼電器、蜂鳴器等基本外圍電子電路組成。它設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)水位達(dá)到一定的位置時報(bào)警器開始報(bào)警。因此在生活實(shí)踐應(yīng)用中具有一定的價(jià)值。關(guān)鍵字關(guān)鍵字超聲波檢測；水位控制 四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第 2 頁 共 27 頁緒論在我

6、國尤其是人口高度密集的企業(yè)單位和學(xué)校，有 90%以上是采用傳統(tǒng)的抽水方法，用人工監(jiān)控但是這種方法不僅浪費(fèi)。人力資源且工作不方便而且，近幾年來，隨著農(nóng)村飲水工程的。啟動和鄉(xiāng)村集鎮(zhèn)化建設(shè)的發(fā)展，深井取水成為解決飲用水的主要方法 如果采用人工監(jiān)控抽水，不但浪費(fèi)人力資源，而且還容。易發(fā)生干抽現(xiàn)象，而且水塔的水用完了還不知道，有時則抽滿溢出來，浪費(fèi)水資源和能源為了提高效率，節(jié)約資源，我們就如何實(shí)現(xiàn)智能抽水，采用單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制，給出了硬件電路和程序思路。其中運(yùn)用比較多的主要在大眾生活方面，以單片機(jī)為控制中心的智能小系統(tǒng)。在本設(shè)計(jì)中，我們采用了單片機(jī)控制多模塊設(shè)計(jì)，便于檢查和維修。該設(shè)計(jì)的基本原理為以

7、51 單片機(jī)作為控制元，由軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)兩部分組成?？煽啃裕合到y(tǒng)應(yīng)保證長期安全地運(yùn)行。系統(tǒng)中的硬軟件及信息資源應(yīng)滿足可靠性設(shè)計(jì)要求。安全性：系統(tǒng)應(yīng)具有必要的安全保護(hù)和保密措施。實(shí)用性：注重采用經(jīng)濟(jì)而實(shí)用的技術(shù)，使系統(tǒng)建設(shè)的投入產(chǎn)出比最高，能產(chǎn)生良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。易操作性：貫徹面向最終用戶的原則，使用戶操作簡單直觀，易于掌握。廣泛性：現(xiàn)在大多數(shù)企業(yè)以及農(nóng)戶為了節(jié)約成本都應(yīng)用此種水塔控制，它的優(yōu)越性被越來越多的人們所接受、使用。 四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第 3 頁 共 27 頁第 1 章方案論證與分析1.1系統(tǒng)功能要求設(shè)計(jì)方案采用單片機(jī)作為核心部件，并配以時鐘電路、復(fù)位電路、

8、報(bào)警電路、通過擴(kuò)展外圍設(shè)備及接口電路完成整個控制系統(tǒng)對電機(jī)的控制。成功實(shí)現(xiàn)水塔水位顯示功能，自動控制電機(jī)進(jìn)行補(bǔ)水功能，從而達(dá)到設(shè)計(jì)要求。1.2整體方案1.2.1方案比較與論證1基于數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的電路方案本設(shè)計(jì)電路專門用于自來水塔水位的控制。當(dāng)水位低于最低水位時，自動將供水泵啟動上水；當(dāng)水位到達(dá)最高水位是，自動停住上水，不用人工控制。該電路的特點(diǎn)是通過一只中間繼電器來接通大功率的交流接觸器，控制上水水泵電動機(jī)的啟動。這是由于 555 電路輸出功率較小，不能驅(qū)動大功率的交流接觸器它。電路工作原理：電路中如圖（1-1） ，NE555 組成 R-S 觸發(fā)器，作為主控電路。R1、R3 與 R4 組成輸入

9、端分壓偏置電路，它將 R-S 觸發(fā)器的 R 端與 S 端分別偏置在既不大于 2V/3，也不小于 V/3 的中間狀態(tài)。當(dāng)水塔中的水位處于滿水時，電源電極 A 通過水電阻與 B、C 電極相連，使 R-S 觸發(fā)器的 R、S 端均為高電平，R-S 觸發(fā)器輸出端為低電平，繼電器 K 通過吸合，通過常閉觸點(diǎn)將交流接觸 K2 的電源斷開，上水水泵處于停歇狀態(tài)。555 定時器水位指示水塔水位控制水塔供水驅(qū)動圖 1-1數(shù)電設(shè)計(jì)電路原理圖在上水過程中，當(dāng)水位上升使電極 A、B 接觸后，通過水電阻與 R2 將電源電壓加至定時器的 2 腳，使 R-S 觸發(fā)器的 S 端出現(xiàn)高電平，但這一高電平對電路不起觸發(fā)作用。電路保

10、持原狀態(tài)，上水過程繼續(xù)。當(dāng)水位進(jìn)一步上升使電極 AC 連通后，電源電 四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第 4 頁 共 27 頁壓通過水電阻與 R1 加至 6 腳，是 R-S 觸發(fā)器的 R 端出現(xiàn)高電平。這一高電平作為 R-S觸發(fā)器的復(fù)位電平，使電路復(fù)位，輸出端輸出低電平，繼電器 K 通電吸合，通過常閉觸點(diǎn) K1-1 將交流電接觸器的電源斷開，接觸器斷開水泵工作電源，上水停止。2基于單片機(jī)電路實(shí)現(xiàn)的電路方案本設(shè)計(jì)方案采用內(nèi)部含 Flash 存儲器的單片機(jī)作為核心部件，并配以時鐘電路、復(fù)位電路、顯示電路、報(bào)警電路、超聲波測距模塊，通過擴(kuò)展外圍設(shè)備及接口電路完成整個控制系統(tǒng)對電機(jī)的控制電機(jī)的控制有

11、串行和并行兩種方式，本系統(tǒng)采用串行控制，驅(qū)動系統(tǒng)中通過單片機(jī)輸出控制信號，實(shí)現(xiàn)電機(jī)不同的控制?；趩纹瑱C(jī)實(shí)現(xiàn)的電路方案方框圖如圖 1-2 所示：單片機(jī)時鐘電路復(fù)位電路超聲波測距接觸器電路報(bào)警電路數(shù)碼管顯示圖 1-2單片機(jī)設(shè)計(jì)電路原理框圖各模塊的功能如下：時鐘電路：單片機(jī)的時鐘信號用來提供單片機(jī)內(nèi)各種微操作的時間基準(zhǔn)，時鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需要的時鐘信號。復(fù)位電路：用于系統(tǒng)的正常初始化，當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為擺脫困境，也需要復(fù)位以使其恢復(fù)正常工作狀態(tài)。超聲波水位控制及顯示電路：用于控制水位的上升，同時顯示水位，當(dāng)水位超過警衛(wèi)線時顯示燈就會亮。交流接觸器電路

12、：控制大功率水泵進(jìn)行抽水工作。報(bào)警電路：超過警衛(wèi)線時，再加水就會實(shí)施報(bào)警，提醒人們無需再加水。穩(wěn)壓濾波電源電路：主要是為給系統(tǒng)提供安全、穩(wěn)定的電源電路。接觸器電路報(bào)警電路數(shù)碼管顯示超聲波測距復(fù)位電路時鐘電路單片機(jī) 四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第 5 頁 共 27 頁1.2.2方案論證以單片機(jī)為主體配以超聲波測距模塊，精確測出水位容量，且不會影響水質(zhì)。電路具有高可靠性、功能強(qiáng)、高速度、超強(qiáng)抗干擾、低功耗、便于操作等優(yōu)點(diǎn)，高可靠性、功能強(qiáng)、高速度。在系統(tǒng)中，應(yīng)用超聲波模塊可以測出水位的高度和水即滿的位置，在單片機(jī)的控制下，讓超聲波功能最大化。一直是衡量單片機(jī)性能的重要指標(biāo)，也是單片機(jī)占領(lǐng)市場

13、、賴以生存的必要條件，所以本次設(shè)計(jì)我們選用了以單片機(jī)為中心的設(shè)計(jì)，此方案的靈活性明顯要高于數(shù)字電路構(gòu)成的系統(tǒng)，即本次設(shè)計(jì)選擇基于單片機(jī)電路實(shí)現(xiàn)的電路方案。 四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第 6 頁 共 27 頁第 2 章硬件設(shè)計(jì)與分析水塔自動供水系統(tǒng)由單片機(jī)最小系統(tǒng)、液位控制電路、水位指示電路、報(bào)警電路、交流接觸器電路和穩(wěn)壓電源等組成，水塔自動供水系統(tǒng)電路原理圖見附錄 1 所示。2.1單片機(jī)最小系統(tǒng)電路最小系統(tǒng)由 AT89C51 單片機(jī)、時鐘電路、復(fù)位電路組成，它是電路工作的最基本的單元電路，任何單片機(jī)基于單片機(jī)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)都離不開它。2.1.1芯片介紹單片機(jī)包含中央處理器、程序存儲器（RO

14、M）、數(shù)據(jù)存儲器（RAM）、定時/計(jì)數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線。中央處理器：中央處理器（CPU）是整個單片機(jī)的控制核心部件，完成運(yùn)算和控制功能。CPU有運(yùn)算器和控制器組成。它是 8 位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理 8 位二進(jìn)制數(shù)據(jù)或代碼，CPU 負(fù)責(zé)控制、指揮和調(diào)度整個單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運(yùn)算和控制輸入輸出功能等操作。內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（RAM）：單片機(jī)內(nèi)部共有 256 個 RAM 單元，其中有 128 個 8 位用戶數(shù)據(jù)存儲單元和 128 個專用寄存器單元，它們是統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問，而不能用于存放

15、用戶數(shù)據(jù)，所以，用戶能使用的 RAM 只有 128 個，可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運(yùn)算的中間結(jié)果或用戶定義的字型表。內(nèi)部程序存儲器（ROM）：單片機(jī)共有 4096 個 8 位掩膜 ROM，用于存放用戶程序，原始數(shù)據(jù)或表格。定時/計(jì)數(shù)器：單片機(jī)有兩個 16 位的可編程定時/計(jì)數(shù)器，以實(shí)現(xiàn)定時或計(jì)數(shù)產(chǎn)生中斷用于控制程序轉(zhuǎn)向。并行輸入輸出(I/O)口共有 4 組 8 位 I/O 口（P0、 P1、P2 或 P3），用于對外部數(shù) 四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第 7 頁 共 27 頁據(jù)的傳輸。全雙工串行口：單片機(jī)內(nèi)置一個全雙工串行通信口，用于與其它設(shè)備間的串行數(shù)據(jù)傳送，該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也

16、可以當(dāng)同步移位器使用。中斷系統(tǒng)：單片機(jī)具備較完善的中斷功能，有兩個外中斷、兩個定時/計(jì)數(shù)器中斷和一個串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有 2 級的優(yōu)先級別選擇。時鐘電路：單片機(jī)內(nèi)置最高頻率達(dá) 12MHz 的時鐘電路，用于產(chǎn)生整個單片機(jī)運(yùn)行的脈沖時序，但單片機(jī)需外置振蕩電容。單片機(jī)的引腳說明：單片機(jī)采用 40Pin 封裝的雙列直接 DIP 結(jié)構(gòu)，下圖是它們的引腳配置，40 個引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時鐘線兩根，4 組 8 位共 32 個 I/O 口，中斷口線與 P3 口線復(fù)用。其引腳排列如圖 2-1。 圖 2-1單片機(jī)引腳圖控制引腳介紹：1ALE:系統(tǒng)擴(kuò)展時，P0 口是八位數(shù)

17、據(jù)線和低八位地址先復(fù)用引腳，ALE 用于把 P0 口輸出的低八位地址鎖存起來，以實(shí)現(xiàn)低八位地址和數(shù)據(jù)的隔離。2PSEN；低電平有效時，可實(shí)現(xiàn)對外部 ROM 單元的讀操作。3EA:當(dāng) EA 信號為低電平時，對 ROM 的讀操作限制在外部程序存儲器；而單片機(jī) 四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第 8 頁 共 27 頁擋 EA 為高電平時，對 ROM 的讀操作是從內(nèi)部程序存儲器開始的，并可延至外部程序存儲器。4RST:當(dāng)輸入的復(fù)位信號延續(xù)兩個機(jī)器周期以上的高電平時即為有效，用以完成單片機(jī)的復(fù)位初始化操作。5XTAL 和 1XTAL2：外接晶振引線端。并行 I/O 端口介紹：P0 端口P0.0-P0.

18、7P0 是一個 8 位漏極開路型雙向 I/O 端口，端口置 1（對端口寫 1）時作高阻抗輸入端。作為輸出口時能驅(qū)動 8 個 TTL。P1 端口P1.0P1.7P1 是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/0 端口。輸出時可驅(qū)動 4 個 TTL。端口置 1 時，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入用。對內(nèi)部 Flash 程序存儲器編程時，接收低 8 位地址信息。P2 端口P2.0P2.7P2 是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/0 端口。輸出時可驅(qū)動 4 個 TTL。端口置 1 時，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入用。對內(nèi)部Flash 程序存儲器編程時，接收高 8 位地址和控制信息。

19、在訪問外部程序和 16 位外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2 口送出高 8 位地址。而在訪問 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時其引腳上的內(nèi)容在此期間不會改變。P3 端口P3.0P3.7P2 是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/0 端口。輸出時可驅(qū)動 4 個 TTL。端口置 1 時，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入用。除此之外 P3 端口還用于一些專門功能，具體請看下表 2-1。表 2-1 P3 引腳的第二功能說明P3 引腳兼用功能P3.0串行通訊輸入（RXD）P3.1串行通訊輸出（TXD）P3.2外部中斷 0 申請（INT0）P3.3外部中斷 1 申請（INT1）P3.4定時器/計(jì)數(shù)器 0 的外部輸

20、入（T0）P3.5定時器/計(jì)數(shù)器 1 的外部輸入（T1）P3.6外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 WRP3.7外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 RD2.1.2單片機(jī)時鐘電路設(shè)計(jì)單片機(jī)是一個復(fù)雜的同步時序電路，為了保證同步工作方式的實(shí)現(xiàn)，電路應(yīng)在 四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第 9 頁 共 27 頁唯一的時鐘信號控制下嚴(yán)格的按時序進(jìn)行工作。時鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)的工作的所修要的時鐘信號。時鐘可以由內(nèi)部方式或外部方式產(chǎn)生。89C52 內(nèi)部方式時鐘電路，是在XTAL1 和 XTAL2 引腳上外接定時元件，就能構(gòu)成自激振蕩電路。定時元件通常采用石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振電路。電容器 C1 和 C2 主要起頻率微調(diào)作用

21、，電容值可選取為 30pF 左右或40pF 左右。89C52 外部方式時鐘電路是 XTAL1接外部振蕩器，XTAL2 懸空。對外部振蕩信號無特殊要求，只要保證脈沖寬度，一般采用頻率低于 12MHz 的方波信號。而此設(shè)計(jì)采用石英晶體內(nèi)部時鐘電路。如圖 2-2 所示。XTAL1 是片內(nèi)振蕩器的反相放大器輸入端，XTAL2 則是輸出端，使用外部振蕩器時，外部振蕩信號應(yīng)直接加到 XTAL1，而 XTAL2 懸空。內(nèi)部方式時，時鐘發(fā)生器對振蕩脈沖二分頻，如晶振為 12MHz，時鐘頻率就為 6MHz。晶振的頻率可以在 1MHz-12MHz 內(nèi)選擇。電容取 30pF 左右。系統(tǒng)的時鐘電路設(shè)計(jì)是采用的內(nèi)部方式

22、，即利用芯片內(nèi)部的振蕩電路。AT89C52 單片機(jī)內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器。引腳 XTAL1 和 XTAL2 分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個放大器 與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構(gòu)成一個自激振蕩器。外接晶體諧振器以及電容 C1 和 C2 構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。對外接電容的值雖然沒有嚴(yán)格的要求，但電容的大小會影響震蕩器頻率的高低、震蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。因此，此系統(tǒng)電路的晶體振蕩器的值為 12MHz，電容應(yīng)盡可能的選擇陶瓷電容，電容值約為 30pF。2.1.3單片機(jī)復(fù)位電路設(shè)計(jì)復(fù)位是使單片機(jī)或系統(tǒng)中的其他部件處于某種確定的初始狀

23、態(tài)。單片機(jī)的工作就是從復(fù)位開始的，當(dāng)在單片機(jī)的 RST 引腳引入高電平并保持 2 個機(jī)器周期時，單片機(jī)內(nèi)部就執(zhí)復(fù)位操作（若該引腳持續(xù)保持高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)） 。實(shí)際應(yīng)用中，復(fù)位操作有兩種基本的形式：一種是上電復(fù)位，另一種是按鍵復(fù)位。由于本次設(shè)計(jì)采用的是按鍵復(fù)位，所以這里只介紹按鍵復(fù)位，如圖 2-1-3 所示。按鍵復(fù)圖 2-2時鐘電路 四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第 10 頁 共 27 頁位要求按下按鍵后，單片機(jī)實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。常用的按鍵復(fù)位如圖所示。按下按鍵瞬間RST 引腳獲得高電平，隨著電容 C1的充電，RST 引腳的高電平將逐漸下降。RST 引腳的高電平只要能保持足夠的時

24、間（2 個機(jī)器周期） ，單片機(jī)就可以進(jìn)行復(fù)位操作。該電路典型的電阻和電容參數(shù)為：晶振為12MHz 時，C1為 10uF，R1為 8.2k，晶振為 6MHz時，C1為 22uF，R1為 1k。單片機(jī)的復(fù)位操作使單片機(jī)進(jìn)入初始化狀態(tài)。初始化后，程序計(jì)數(shù)器 PC=0000H 所以程序從0000H 地址單元開始執(zhí)行。單片機(jī)啟動后，片內(nèi)RAM 為隨機(jī)值，運(yùn)行中的復(fù)位操作不改變片內(nèi)RAM 的內(nèi)容。特殊功能寄存器復(fù)位后狀態(tài)使確定的。P0P3 為 FFH，SP 為 07H，SBUF 不定，IP、IE 和 PCON 的有效值為 0，其余的特殊功能寄存器的狀態(tài)均為 00H。2.2超聲波測水位電路超聲波測水位的作用

25、：一種是為了液體儲藏量的管理，一種是為了液位的安全或自動化控制。有時需要精確的液位數(shù)據(jù)，有時只需液位升降的信息，超聲波模塊一共五個引腳，左邊第一個引腳是 VCC，第二個引腳是控制端，第三個引腳是接收端，第四個引腳是信號輸出端，第五個引腳是 GND。如圖 2-4 所示。超聲波測水位的基本工作原理如圖 2-5 所示。單片機(jī)發(fā)出的脈沖信號經(jīng)過整形后，傳到超聲波換能器(中心頻率為 40 kHz)，通過超聲波發(fā)射頭將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能發(fā)射出去。脈沖信號采用高頻低功耗非周期窄脈沖信號，因?yàn)槠渚哂蓄l率高，波長短，繞射現(xiàn)象小，方向性好，發(fā)射器體積小等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)檢測水位的要求進(jìn)行升降調(diào)節(jié)，實(shí)圖 2-3按鍵復(fù)位電路

26、圖 2-4超聲波測距模塊 四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第 11 頁 共 27 頁際是一個測距的檢測電路。當(dāng)超聲波檢測到水位小于最短距離時，此時水位處于 L，就可以通過單片機(jī)控制水泵停止工作；當(dāng)超聲波檢測到水位大于最短距離時，此時水位處于 A 點(diǎn)或者 B 點(diǎn)，就可以控制水泵開始工作。同時通過顯示器，可對供水系統(tǒng)進(jìn)行控制。超聲波的測距公式：聲速（V）*時間（T/2）=距離（S） 2.3指示電路指示部分可由液晶顯示屏、發(fā)光二極管等組成，考慮到成本和適用等問題，在此我們選用發(fā)光二極管作為本次設(shè)計(jì)地顯示器件，發(fā)光二極管具有工作電流低、發(fā)光響應(yīng)快、體積小、耐振動、耐沖擊、驅(qū)動電路簡單，適用于和集成電

27、路配合等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)P2.7 輸出為高電平時，此時二極管 D11 亮，指示水塔水位處于 A；當(dāng) P2.6 為高電平時，二極管 D10 亮，指示水塔水位處于 B；當(dāng) P2.7 和 P2.6 都為高電平時，二極管 D11 和D10 同時亮，預(yù)示水塔水位處于 L 已將溢滿不能再加水。如圖 2-6 所示。 2.3.1顯示電路本系統(tǒng)使用數(shù)碼顯示管顯示水位的實(shí)際高度。一共12個引腳，4個位選，8個段選。從上面一排左邊第一引腳開始，按順時針順序依次往下遍歷所有引腳。1：左邊第1個數(shù)碼管的位選擇端；2：a；3：f；4：左邊數(shù)起第2個數(shù)碼管的位選擇端；5：左邊數(shù)起圖 2-5超聲波測水位工作原理圖圖 2-6指示電路

28、四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第 12 頁 共 27 頁第3個數(shù)碼管的位選擇端；6：b；7：左邊數(shù)起第4個數(shù)碼管的位選擇端；8：g；9：c；10：小數(shù)點(diǎn)dp；11：d；12：e。如圖2-7所示 2.4報(bào)警電路報(bào)警電路實(shí)現(xiàn)的功能是：當(dāng)水塔即將溢滿時，指示燈亮揚(yáng)聲器開始發(fā)聲報(bào)警，提示人們不能再加水了，防止水資源白白浪費(fèi)。工作原理是：當(dāng)用戶按下按鍵 D 時，P2.0 將電流送至二極管 D5 和三極管 Q1，二極管變亮揚(yáng)聲器開始報(bào)警。當(dāng)用戶按下斷開 D 時，此時二極管 D5 變滅并且揚(yáng)聲器停止工作。如圖 2-8 所示。 2.5交流接觸器工作原理交流接觸器主要有四部分組成：電磁系統(tǒng),包括吸引線圈、動

29、鐵芯和靜鐵芯；觸頭系統(tǒng),包括三組主觸頭和一至兩組常開、常閉輔助觸頭,它和動鐵芯是連在一起互相聯(lián)動的；滅弧裝置，一般容量較大的交流接觸器都設(shè)有滅弧裝置，以便迅速切斷電弧，圖 2-8報(bào)警電路圖 2-7顯示電路 四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第 13 頁 共 27 頁免于燒壞主觸頭；絕緣外殼及附件,各種彈簧、傳動機(jī)構(gòu)、短路環(huán)、接線柱等。當(dāng)線圈通電時，靜鐵芯產(chǎn)生電磁吸力，將動鐵芯吸合，由于觸頭系統(tǒng)是與動鐵芯聯(lián)動的，因此動鐵芯帶動三條動觸片同時運(yùn)行，觸點(diǎn)閉合，從而接通電源。當(dāng)線圈斷電時，吸力消失，動鐵芯聯(lián)動部分依靠彈簧的反作用力而分離，使主觸頭斷開，切斷電源。如圖 2-9 所示。2.6整機(jī)電路工作原

30、理為了節(jié)約水資源我們設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的水塔自動供水系統(tǒng)，更加快速的來控制水位的升降，在生活中起到了非常重要的作用。整個水塔供水系統(tǒng)原理是：開啟電源，水塔的水位不斷上升，當(dāng)水位位于 B 時指示燈 D10 亮， ；當(dāng)水位位于 A 時指示燈 D11 亮；當(dāng)水位位于 L 時指示燈 D11 和 D10 同時亮，并且電動機(jī)開始減速直至停止，預(yù)示著水塔水位即將溢滿；當(dāng)水位位于 L 時此時指示燈 D11 和 D10 同時亮報(bào)警揚(yáng)聲器報(bào)警。當(dāng)水位低于 L 時報(bào)警器停止報(bào)警，指示燈滅；當(dāng)水位低于 A 時指示燈 D11 滅，電動機(jī)開始工作為水塔供水；當(dāng)水位低于 B 時電動機(jī)正常工作為水塔供水。圖 2-9交流接觸器原

31、理圖 四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第 14 頁 共 27 頁第 3 章軟件設(shè)計(jì)程序是使單片機(jī)系統(tǒng)按預(yù)定的操作方式運(yùn)行，它是單片機(jī)系統(tǒng)程序的框架。系統(tǒng)上電后，對系統(tǒng)進(jìn)行初始化。初始化程序主要完成對單片機(jī)內(nèi)專用寄存器的設(shè)定，單片機(jī)工作方式及各端口的工作狀態(tài)的規(guī)定。同時控制電機(jī)的運(yùn)行達(dá)到升水的目的。系統(tǒng)功能是由軟硬件共同實(shí)現(xiàn)的，由于軟件的可伸縮性，終實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)功能可強(qiáng)可弱，差別可能很大。因此，軟件是本系統(tǒng)的靈魂。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法，不僅易于編程和調(diào)試，也可減小軟件故障率和提高軟件的可靠性。3.1主程序流程圖主程序的功能是檢測水塔的水位，提示、顯示水塔的水位，以防水溢出來了，造成不必要的浪費(fèi)

32、。如圖 3-1 所示主程序的流程圖。 開始IO口、定時器初始化While(1)超聲波采集子程序超聲波數(shù)據(jù)處理子程序3.2中斷流程圖圖 3-1主程序流程圖 四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第 15 頁 共 27 頁在實(shí)時控制中，現(xiàn)場的各種參數(shù)、信息的變化是隨機(jī)的。這些外界變量可根據(jù)要求隨時向 CPU 發(fā)出中斷申請，請求 CPU 及時處理，如中斷條件滿足，CPU 馬上就會響應(yīng)，轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的處理程序，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時控制。如圖 3-2 所示中斷流程圖。 定時器1中斷定時器重新賦初值掃描按鍵Flag-l=1 ？是調(diào)用6秒延時函數(shù)S30 ?是聲光報(bào)警并控制上水啟動一次超聲波采集否否圖 3-2定時器中斷流

33、程圖 四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第 16 頁 共 27 頁第 4 章系統(tǒng)仿真與調(diào)試調(diào)試是一個必不可少的環(huán)節(jié)，它將會驗(yàn)證你的成果，是否實(shí)現(xiàn)了所要完成的功能。系統(tǒng)調(diào)試仿真時首先要在使用 Keil 編譯器，把所寫的程序進(jìn)行編譯，同時在仿真器里設(shè)置生成“HEX”文件，編譯無錯誤時還要進(jìn)行 Proteus 仿真，查看功能是否能夠?qū)崿F(xiàn)。下面就將仿真將會用到的軟件進(jìn)行簡單的介紹，并對仿真過程予以簡介。4.1常用調(diào)試工具4.1.1Keil 軟件Keil 軟件是集成調(diào)試環(huán)境，集成了編緝器、編譯器、調(diào)試器，支持軟件模擬，支持項(xiàng)目管理功能強(qiáng)大的觀察窗口，支持所有的數(shù)據(jù)類型。樹狀結(jié)構(gòu)顯示，一目了然，支持 AS

34、M（匯編） 、C 語言，多語言多模塊源程序混合調(diào)試，在線直接修改、編譯、調(diào)試源程序，錯誤指令定位。功能很強(qiáng)大。用于對程序的調(diào)試和編輯。Keil 軟件調(diào)試情況如圖 4-1 所示。圖 4-1Keil 軟件界面4.1.2Proteus 軟件 四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第 17 頁 共 27 頁系統(tǒng)仿真還用到了 Proteus 軟件，可通過仿真可以完全顯示出所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能，對于程序的調(diào)試等有很大的幫助。首先要新建一個文檔是 DNS 型的找出需要的器件，可以使用搜索功能。接著把各個器件放到合適的位置都要放到框內(nèi)。然后根據(jù)自己的設(shè)計(jì)要求連線。把所有的元件都連接好，做出完整的電路圖仿真如圖 4-2

35、 所示。4.2系統(tǒng)調(diào)試單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的調(diào)試包括硬件和軟件兩部分，但是他們并不能完全分開。一般的方法是排除明顯的硬件故障，再進(jìn)行綜合調(diào)試，排除可能的軟/硬件故障。軟件程序的調(diào)試一般可以將重點(diǎn)放在分模塊調(diào)試上，統(tǒng)調(diào)是最后一環(huán)。軟件調(diào)試可以采取離線調(diào)試和在線調(diào)試兩種方式。前者不需要硬件仿真器，可借助于軟件仿真器即可；后者一般需要仿真系統(tǒng)的支持。本次課題，Keil 軟件來調(diào)試程序，通過各個模塊程序的單步或跟蹤調(diào)試，最后統(tǒng)調(diào)程序。系統(tǒng)的調(diào)試開始是把 Keil 編譯生成的無錯誤后綴名為HEX 的文件加載到單片機(jī)中，方法是雙擊單片機(jī)彈出一個對話框，在 program file 后選擇要添加文件，文件要求必須

36、是 HEX 文件。然后可以點(diǎn)擊運(yùn)行觀察現(xiàn)象，不斷的改進(jìn)調(diào)試，軟件仿真能達(dá)到預(yù)期的效果。 圖 4-2系統(tǒng)仿真 四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第 18 頁 共 27 頁第 5 章實(shí)物制作與調(diào)試采用 Altium Designer 6.8 原理圖制作軟件進(jìn)行電路原理圖和 PCB 的設(shè)計(jì)，以強(qiáng)大的設(shè)計(jì)輸入功能為特點(diǎn)，在 FPGA 和板級設(shè)計(jì)中，同時支持原理圖輸入和 HDL硬件描述輸入模式；同時支持基于 VHDL 的設(shè)計(jì)仿真，混合信號電路仿真、布局前/后信號完整性分析。Altium Designer 的布局布線采用完全規(guī)則驅(qū)動模式，并且在PCB 布線中采用了無網(wǎng)格的 SitusTM 拓?fù)溥壿嬜詣硬季€

37、功能。布線速度快，布通率高；將完整的 CAM 輸出功能的編輯結(jié)合在一起，極大的加快了用戶的設(shè)計(jì)速度。Altium Designer 軟件界面如圖 5-1 所示。5.1PCB 板的制作PCB 板的制作一般包括印制底圖圖樣描繪、底圖掩膜層制作和蝕刻加工等三個環(huán)節(jié)。首先根據(jù)方案，采用電子設(shè)計(jì)自動化軟件中的 Altium Designer 6.8 進(jìn)行印制電路板底圖圖樣的設(shè)計(jì)。在軟件環(huán)境下繪制好底圖后，可用噴墨式或激光打印機(jī)將 PCB 板的設(shè)計(jì)圖樣打印出來，然后進(jìn)行制作。PCB 板的制作一般分制作印制電路板、清洗與打孔和檢修三個環(huán)節(jié)。如圖 5-2 所示。圖 5-1Altium Designer 界面圖

38、 四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第 19 頁 共 27 頁1制作印制電路板：利用所打印的 PCB 板圖樣、熱轉(zhuǎn)印紙和恒溫電熨斗完成制作。而熱轉(zhuǎn)印法制板的不足之處是：由于熱轉(zhuǎn)印紙局部缺陷等原因，會出現(xiàn)墨粉在熱轉(zhuǎn)印紙上局部附著不均勻等現(xiàn)象，對附著層太薄的地方，使抗腐蝕能力下降，影響PCB 板的質(zhì)量。2清除防護(hù)層：對于腐蝕好的印制電路板，選用細(xì)砂紙將防護(hù)層打磨掉，并進(jìn)行清洗。3打孔：對清洗好的印制電路板，需要在焊盤和固定位置鉆孔后，才能進(jìn)行安裝。4檢修：對制作好的 PCB 板，要進(jìn)行嚴(yán)格檢查，判斷印制線間是否有短路、斷裂、脫落和起層問題。 5.2元件的裝配元件安裝前，要做好準(zhǔn)備各項(xiàng)工作，清理與檢

39、測好元件，再按電子工藝要求進(jìn)行元件焊接、剪引腳、清洗和檢查等。且安裝元件要遵循先小后大，先輕后重，先內(nèi)后外的原則采用手工烙鐵錫焊。其元件裝配實(shí)物如圖 5-3 所示。具體操作過程如下：1準(zhǔn)備工作：元件安裝前的準(zhǔn)備工作主要包括工具、儀表和材料等。如通常用的工具、儀表和材料主要有：電烙鐵、鑷子、剪刀、萬用表、焊料、助焊劑、導(dǎo)線等。圖 5-2PCB 制作圖 四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第 20 頁 共 27 頁2清理與檢測好元件：對將要安裝的全部元件，可先對引腳進(jìn)行浸錫處理，在按照元件明細(xì)表中的逐一查對，簡易測試其好壞。3元件焊接：對某個元件進(jìn)行焊接前，先需要根據(jù)元件的大小，確定元件是臥裝還是立

40、裝。并對引腳按照電子裝配工藝要求進(jìn)行成形處理，然后再實(shí)施焊接。4剪引腳：元件安裝完成后，剪除引腳過長的部分。值得注意的是：不要在垂直引腳的方向上用力，以免將印制線路扯掉。5清洗與檢查：引腳剪完后，可用工業(yè)酒精，對殘留有助焊劑的焊盤進(jìn)行清洗。然后按照電路原理圖，檢查有無裝錯之處。也可以用萬用表檢測，判斷是否有錯。5.3調(diào)試與性能檢測元件安裝完成后，要使電路處理最佳工作狀態(tài)，需要對單元電路和整個電路進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試與測試方案的選擇應(yīng)根據(jù)現(xiàn)有的儀器儀表?xiàng)l件來確定，但最基本的調(diào)試與測試都要采用專用設(shè)備進(jìn)行調(diào)試與測試。調(diào)試工作分調(diào)試前的準(zhǔn)備和調(diào)試操作兩步完成。電路調(diào)試的基本原則是：先靜態(tài)，后動態(tài)，先局部，

41、后整體。對于動態(tài)技術(shù)指標(biāo)調(diào)試，要從末級開始，逐級向前級反復(fù)進(jìn)行，直到調(diào)準(zhǔn)為止。如實(shí)物圖 5-4 所示。 圖 5-4實(shí)物圖圖 5-3元件裝配實(shí)物圖 四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第 21 頁 共 27 頁結(jié)論利用單片機(jī)為控制核心，指示燈、數(shù)碼管顯示屏、貼片電阻等元件所組成的水塔水位控制。以節(jié)約水資源為目的，能夠很好的應(yīng)用在實(shí)際生活當(dāng)中，幫助我們解決水資源短缺水價(jià)位高等難題，并對系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，整體性好，人性化強(qiáng)、可靠性高。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。下面我對整個畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程做一下簡單的總結(jié)。首先，進(jìn)行選題。選題是畢業(yè)設(shè)計(jì)的開端，選擇恰當(dāng)?shù)摹?/p>

42、感興趣的題目，對于整個畢業(yè)設(shè)計(jì)是否能夠順利進(jìn)行關(guān)系極大。其次，就是找資料了。查找資料是做畢業(yè)設(shè)計(jì)的前期準(zhǔn)備工作。到圖書館查找資料或在網(wǎng)上下載資料，總之，不管通過哪種方式查的資料都是有利用價(jià)值的。第三，軟件的學(xué)習(xí)。根據(jù)已有論文資料中提到的軟件用途，有針對性的學(xué)。包括畢業(yè)設(shè)計(jì)前期讀文獻(xiàn)資料，要與畢業(yè)設(shè)計(jì)緊密聯(lián)系起來，最好是邊做邊讀，有針對性的讀。最后，實(shí)物的制作也是設(shè)計(jì)中重要的一個環(huán)節(jié)。首先必須熟悉每個元器件在電路中的作用，其次分析電路的運(yùn)行過程選擇合適的元器件，最后用導(dǎo)線焊接在電路板上，不僅不能漏焊也不可以虛焊，否則實(shí)物就算焊接完也不能運(yùn)行?？傊?，知識必須通過應(yīng)用才能實(shí)現(xiàn)其價(jià)值！在整個畢業(yè)設(shè)計(jì)過

43、程中使我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了我獨(dú)立工作的能力，樹立了對自己工作能力的信心，相信會對今后的學(xué)習(xí)工作生活有非常重要的影響。而且大大提高了動手的能力，使我充分體會到了在創(chuàng)造過程中探索的艱難和成功的喜悅。雖然這個設(shè)計(jì)還不是很完善，但是在設(shè)計(jì)過程中所學(xué)到的東西是這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的最大收獲和財(cái)富，使我終身受益。 四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第 22 頁 共 27 頁參考文獻(xiàn)1樊明龍單片機(jī)原理與應(yīng)用化學(xué)工業(yè)出版社，20052彭介華電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)北京：高等教育出版社，1997 年3高吉祥電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)北京：電子工業(yè)出版社，2002 年4裘雪紅單片微型計(jì)算機(jī)原理機(jī)及應(yīng)用西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1998.85吳金戌8051 單片機(jī)實(shí)踐與應(yīng)用清華大學(xué)出版社，20036譚浩強(qiáng)C 程序設(shè)計(jì)第 2 版北京：清華大學(xué)出版社，2005.67田立代方震51 單片機(jī) C 語言程序設(shè)計(jì)快速入門北京：電子工業(yè)出版社，2007 四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第 23 頁 共 27 頁附錄 1整機(jī)電路原理圖 四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第 24 頁 共 27 頁附錄 2源程序 #include /器件配置文件 #in