單片機(jī)水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、單片機(jī)水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電工程學(xué)院11級機(jī)制x班 xxx摘要：本文介紹一種單片機(jī)水箱水位控制系統(tǒng)，通過單片機(jī)進(jìn)行水箱高低水位的監(jiān)測，用數(shù)碼管顯示水位狀況，分為缺水、水位低、水位中、水位高和水滿5檔。根據(jù)檢測結(jié)果控制電磁閥、水泵電動機(jī)等，當(dāng)水箱缺水時開始注水；當(dāng)水箱水滿時，停止注水，保證水箱水位維持在一定的范圍內(nèi)。關(guān)鍵詞 單片機(jī) 水位前言單片機(jī)是計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物，基于單片機(jī)自身的特點(diǎn)，開發(fā)的智能化、自動化設(shè)備或控制產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)和國防工業(yè)各領(lǐng)域，極大促進(jìn)了產(chǎn)品技術(shù)水平的提高。本次所設(shè)計(jì)的水位控制系統(tǒng)要求通過單片機(jī)控制的方法來進(jìn)行實(shí)時水位的監(jiān)測，用數(shù)碼管顯示水位狀態(tài)，分為缺

2、水、水位較低、水位中間、水位較高和水滿5檔。根據(jù)水位檢測結(jié)果通過單片機(jī)I/O口控制繼電器、電磁閥、水泵電機(jī)等電器元件，完成當(dāng)水箱缺水時注水；當(dāng)水箱水滿時，停止水泵電機(jī)完成注水，最終使水箱水位維持在一定的范圍內(nèi)。系統(tǒng)控制原理 1. 程序存儲器擴(kuò)展利用8031單片機(jī)實(shí)現(xiàn)水位控制，由于8031片內(nèi)沒有程序存儲器，需要擴(kuò)展2K的EPROM（型號2716），單片機(jī)與EPROM的連接框圖如圖1所示。18 298031 3019 單 片機(jī) 9 P0 P2.2OE EPROMA02716DA8A1074LS373 圖 1 2. 水箱水位檢測電路在水箱水位檢測電路中，四個常開型干黃管H1H4安裝在水箱里四個不同

3、高度的位置，連線經(jīng)光電隔離后分別接上拉電阻輸入到單片機(jī)I/O端口。由于普通水具有導(dǎo)電特性，當(dāng)水位上升到一定高度時，相應(yīng)的干黃管導(dǎo)通，如同開關(guān)閉合，經(jīng)光電耦合輸入給單片機(jī)I/O端口的為低電平信號；否則為高電平信號。其中光電耦合器亦稱光電隔離器或光耦合器，簡稱光耦。它是以光為媒介傳輸電信號的一種“電一光一電”轉(zhuǎn)換器件，由發(fā)光源和受光器兩部分組成。光電耦合器在電路中的作用是使水箱與單片機(jī)在電氣上通過光來實(shí)現(xiàn)隔離，使用單片機(jī)控制的現(xiàn)場環(huán)境一般比較惡劣，來自現(xiàn)場的電、磁、振動等干擾嚴(yán)重。為了避免現(xiàn)場電氣對單片機(jī)的工作造成干擾，必須將單片機(jī)與現(xiàn)場電氣進(jìn)行隔離，一般采用光電耦合器件來實(shí)現(xiàn)光電隔離。光電耦合器

4、的另外一個作用是可以實(shí)現(xiàn)電平匹配?，F(xiàn)場開關(guān)量信號不一定是TTL電平，需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，才能與單片機(jī)I/O端口連接，最簡單的方法是利用光電耦合器分壓電路實(shí)現(xiàn)。光電耦合器電路如圖2所示。 圖 23. 開關(guān)量輸出的驅(qū)動接口開關(guān)量（數(shù)字“0”或“1”信號）輸入一般需要采用光電隔離以避免干擾。同時，由于8031單片機(jī)I/O端口的驅(qū)動能力有限（輸出電流較小，不足以驅(qū)動繼電器、接觸器、電磁閥等電氣部件），必須在I/O端口線上加驅(qū)動電路。(1) 繼電器輸出接口：接觸器、電磁閥、水泵電機(jī)等屬于強(qiáng)電設(shè)備，一般需要市電（220V、50Hz）或工業(yè)用電（380V、50Hz）來驅(qū)動。繼電器能夠完成從低壓直流到高壓交流控

5、制的過渡，如下圖所示。24V 圖 3(2) 雙向晶閘管輸出接口：雙向晶閘管，又稱為雙向可控硅，（可控硅分為單向可控硅和雙向可控硅兩種，前者只允許一個方向的電流通過，即電流只能從單向可控硅的陽極流到陰極；而雙向可控硅不僅允許電流從陰極流到陰極，也允許電流從陰極流到陽極），雙向可控硅是目前比較理想的交流開關(guān)器件。無論在雙向晶閘管兩端接入何種極性的電壓，只要在它的控制極上加上一個觸發(fā)脈沖，也不管這個脈沖是什么極性的,都可以使雙向晶閘管導(dǎo)通。本系統(tǒng)采用的雙向晶閘管應(yīng)用電路如圖4所示（MOC3041是過零觸發(fā)可控硅型光耦）。其中觸發(fā)信號來自單片機(jī)P1.0端口，經(jīng)過反相器控制過零觸發(fā)可控硅型光電耦合器MO

6、C3041M（2腳）的光電二極管負(fù)極，MOC3041M（4腳）輸出觸發(fā)脈沖，觸發(fā)雙向可控硅U2，使其導(dǎo)通，220V交流電壓經(jīng)過雙向可控硅加到負(fù)載ZL兩端（ZL即電機(jī)整流電路）。 圖 44. 水泵直流電機(jī)的單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)對直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速控制，是單片機(jī)在機(jī)電控制中的一個典型應(yīng)用。(1) 直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制：控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的單電源驅(qū)動電路原理如圖5所示。 PWM電源 圖 5采用2只PNP型和2只NPN型功率三極管構(gòu)成橋式主電路，4個并聯(lián)在三極管兩端的二極管為續(xù)流二極管（當(dāng)三極管關(guān)斷時，由于電機(jī)是電感性負(fù)載，它產(chǎn)生的反電動勢由二極管提供電流通路）。4只三極管組成的橋式電路有兩個支路，Q1，Q

7、4為一個支路，Q2，Q3為另外一個支路，一個支路控制直流電機(jī)的一個旋轉(zhuǎn)方向，所以任何時刻只允許同一個支路的兩個晶體管導(dǎo)通，另外一個支路的兩個晶體管必須截止，這種互鎖的邏輯關(guān)系由單片機(jī)匯編程序通過I/O端口實(shí)現(xiàn)。(2) PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速原理：PWM是一種對模擬信號電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法，通的時候即是直流供電加到負(fù)載（直流電機(jī)）上的時候，斷的時候即是供電斷開的時候。所謂占空比就是輸出的PWM中，高電平保持的時間與該P(yáng)WM的時鐘周期的時間之比。下圖6給出了3種不同占空比的PWM波形。 圖 6（自上而下，占空比為75%，50%和25%）占空比不同，其等效的直流電壓的高低也不一樣，

8、因?yàn)橹绷麟姍C(jī)的轉(zhuǎn)速與加在電機(jī)電樞兩端的電壓成正比，如果將PWM電源通過驅(qū)動電路分別加到直流電機(jī)上，則電機(jī)將具有3種不同的轉(zhuǎn)速。而占空比可以通過改變單片機(jī)的I/O端口輸出延遲時間來調(diào)整，通常PWM的頻率為1kHz到200kHz之間。 圖 7直流電機(jī)為注水泵提供動力，電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，注水的速度也越快。在圖7所示電路中，用PWM方法實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)正轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。其中按鍵S1為加速鍵（P1.0=0），S2為減速鍵（P1.1=0），S3為電機(jī)開始運(yùn)行鍵（P1.2=0），S4為電機(jī)停止運(yùn)行鍵（P1.4=0，圖中未畫出）。利用單片機(jī)產(chǎn)生PWM波，對直流電機(jī)調(diào)速需完成兩個任務(wù)： 一是基本周期信號的產(chǎn)生，

9、即提供一個基本的PWM周期信號，此任務(wù)由定時器T1完成。T1定時初值為0，在晶振12MHz時，定時時間256s。T1定時時間到啟動T0，并且使電機(jī)停轉(zhuǎn)。TT1: MOV P3,#00H ；P3=0，晶體管關(guān)斷，電機(jī)停轉(zhuǎn)。 SETB TR0 ；啟動定時器T0 RETI ；中斷返回T0定時時間T1定時時間 二是脈沖寬度的調(diào)整，此任務(wù)由定時器T0完成。T0的定時時間可通過按鍵進(jìn)行調(diào)整，且當(dāng)T0定時時間到時，啟動電機(jī)運(yùn)行，T0的再次啟動由T1控制，也就是新的PWM周期的開始。TT0: CLR TR0 ；TR0=0，定時器T0停止運(yùn)行 MOV P3,#10H ；P3.4=1，晶體管Q1，Q4導(dǎo)通，啟動電

10、機(jī)正轉(zhuǎn) RETI ；中斷返回單片機(jī)初始化程序如下：MAIN: MOV TMOD,#22H ；T0、T1均工作在方式2 MOV TH1,#0 MOV TL1,#0 MOV TL0,#80H MOV TH0,#80H SETB EA ；開放中斷 SETB ET0 SETB ET1 MOV R1,#80H加速注水程序如下：LOOP: JB P1.0,SS2 JNB P1.0,$ CJNE R1,#0FAH,DD1 ； R1沒有達(dá)到最大值,轉(zhuǎn) AJMP LOOP ；R1達(dá)到最大值,不變化 DD1: INC R1 ；S1鍵按下增加占空比 MOV TL0,R1 ；重裝初值 MOV TH0,R1 AJMP

11、LOOP減速注水程序如下： SS2: JB P1.1,SS3 JNB P1.1,$ CJNE R1,#09H,DD2 ；R1不是最小值,轉(zhuǎn)DD2 AJMP LOOP ；R1是最小值,不變化DD2: DEC R1 ；S2鍵按下減小占空比 MOV TL0,R1 ；重裝初值 MOV TH0,R1 AJMP LOOP開始注水程序如下：SS3: JB P1.2,SS4 JNB P1.2,$ SETB TR1 ；S3鍵按下電機(jī)開始運(yùn)行 AJMP LOOP停止注水程序如下： SS4: JB P1.3,LOOP JNB P1.3,$ CLR TR1 CLR TR0 MOV P3,#00H AJMP LOOP

12、圖 8水位檢測結(jié)果通過P1口輸入給單片機(jī)，單片機(jī)的P3.4腳控制電機(jī)橋支路（P3.4=0，Q1不導(dǎo)通），即控制注水電機(jī)的起停。用一位數(shù)碼管顯示水位狀態(tài)。完整電路圖如圖8所示。程序流程圖及匯編程序設(shè)計(jì)程序采用多分支結(jié)構(gòu)，根據(jù)對水位狀態(tài)的檢測結(jié)果，分為缺水（數(shù)碼管顯示“1”）、水位較低（數(shù)碼管顯示“2”）、水位中間（數(shù)碼管顯示“3”）、水位較高（數(shù)碼管顯示“4”）和水滿（數(shù)碼管顯示“5”）5種狀態(tài)，每種狀態(tài)執(zhí)行相應(yīng)的功能，程序流程圖如下圖9所示： 圖 9完整的控制程序如下：ORG 0000H MOV DPTR,#8200H MOV A,#0FEH MOVX DPTR,A ；8200H 111111

13、10B（0FEH） MOV DPTR,#8100H LOOP: MOV P1,#0FFH ；P1 11111111B（0FFH） MOV A,P1 ANL A,#0FH ；屏蔽高4位，保留低4位 MOV R2,A ；R2 00001111B（0FH） CJNE A,#0FH,SS1 ；（P1）0FH，轉(zhuǎn)移到SS1 MOV A,#0F9H MOVX DPTR,A ；8100H 11111001B（F9H） CLR P3.4 ；P3.4 0，關(guān)斷電機(jī)正轉(zhuǎn)橋路 AJMP LOOP ；無條件轉(zhuǎn)移到LOOP SS1: MOV A,R2 CJNE A,#07H,SS2 MOV A,#0A4H MOVX DPTR,A AJMP LOOPSS2: MOV A,R2 CJNE A,#03H,SS3 MOV A,#0B0H MOVX DPTR,A AJMP LOOP SS3: MOV A,R2 CJNE A,#01H,SS4 MOV A,#99H MOVX DPTR,A AJMP LOOP SS4: MOV A,R2 CJNE A,#00H,LOOP MOV A,#92H MOVX DPTR,A SETB P3.4 AJMP LOOP END結(jié)束語 用單片機(jī)顯示、控制水箱（或水池）的水位，控制電路簡