基于單片機的水位控制器設計

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上分數(shù)： 評語：專業(yè)綜合實驗報告(Part )題目：基于單片機的水位控制器設計學 生 姓 名：學 號：指 導 教 師：二一六年一月專心-專注-專業(yè) 1 緒論1.1 實驗課題來源與背景1.1.1 課題來源在武漢大學動力與機械學院自動化系本科生的教學課程中，安排學生學習了自動控制理論、智能化儀器儀表原理與應用等課程，學生已初步掌握了單片機的基本原理以及水位控制的系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，為增強學生的自主動手操作與實際解決問題的能力，將學到的知識與實踐相結(jié)合，故將學生專業(yè)綜合實驗課題定為“基于單片機的水位控制器設計”。1.1.2 課題背景在生產(chǎn)領(lǐng)域中，實現(xiàn)水位自動檢測和控制是工業(yè)過程

2、控制的一項關(guān)鍵技術(shù)，對于提高工業(yè)過程控制的自動化水平有著重要的意義。在生活領(lǐng)域中，供水方式過去一般是通過人工來實現(xiàn)控制，容易造成對水資源的浪費，所以現(xiàn)在人們越來越關(guān)注水資源的問題。目前，水位控制系統(tǒng)是受到廣泛應用的供水系統(tǒng)，水位控制可以有多種實現(xiàn)方法，如機械控制、邏輯電路控制、機電控制、傳感器控制等，但傳統(tǒng)的控制方式存在控制精度低、能耗大、不能實現(xiàn)連續(xù)控制和跟蹤水位的特點，采用單片機對水位進行控制，不僅具有控制方便、簡單和靈活性大等優(yōu)點，而且可以大幅提高被控水位的技術(shù)指標，從而大大提高控制的效果，更加符合人們的預期。1.2 實驗內(nèi)容針對水箱水位自動控制系統(tǒng)，要求設計一個基于單片機的控制器，其完

3、成過程需要以下步驟：1、學習水箱水位自動控制系統(tǒng)的工作過程，了解控制器所需的功能及要求。2、學習單片機的各部件的工作原理和工作過程。3、學習Proteus 的使用方法。4、參考AT89C51單片機開發(fā)板設計水位控制器，并利用 Proteus繪制電路原理圖和 PCB 板圖。1.3 實驗目的和要求1.3.1 實驗目的1、培養(yǎng)掌握、使用實用電子線路、計算機系統(tǒng)設計、仿真軟件的能力。2、提高讀圖、分析線路和正確繪制設計線路、系統(tǒng)的能力。1.3.2 基本要求1、了解原理圖設計基礎(chǔ)、了解設計環(huán)境設置、學習 Proteus 軟件的功能及使用方法。2、掌握繪制原理圖的各種工具、利用軟件繪制原理圖。3、掌握編輯

4、元器件的方法構(gòu)造原理圖元件庫。4、熟練掌握手工繪制電路版的方法。5、掌握繪制編輯元件封裝圖的方法，自己構(gòu)造印制板元件庫。6、了解電路板設計的一般規(guī)則、利用軟件繪制原理圖并自動生成印制板圖。1.4 實驗所需相關(guān)知識1.4.1 水箱水位自動控制系統(tǒng)水箱水位自動控制系統(tǒng)如圖 1.1。圖1.1 水箱水位自動控制系統(tǒng)設定水位上、下限，到達或超過上限時，電動機停止轉(zhuǎn)動，到達或低于下限時，電動機開始轉(zhuǎn)動。1.4.2 AT89C51單片機（控制器）AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memor

5、y）的低電壓、高性能CMOS8位單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。89C單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。單片機結(jié)構(gòu)功能如下：8位CPU4kbytes程序存儲器(ROM) (52為8K)128bytes的數(shù)據(jù)存儲器(RAM) （52有256bytes的RAM）32條I/O口線111條指令，大部分為單字節(jié)指令21個專用寄

6、存器2個可編程定時/計數(shù)器5個中斷源，2個優(yōu)先級（52有6個）一個全雙工串行通信口外部數(shù)據(jù)存儲器尋址空間為64kB外部程序存儲器尋址空間為64kB邏輯操作位尋址功能雙列直插40PinDIP封裝單一+5V電源供電CPU：由運算和控制邏輯組成，同時還包括中斷系統(tǒng)和部分外部特殊功能寄存器；RAM：用以存放可以讀寫的數(shù)據(jù)，如運算的中間結(jié)果、最終結(jié)果以及欲顯示的數(shù)據(jù)；ROM：用以存放程序、一些原始數(shù)據(jù)和表格；I/O口：四個8位并行I/O口，既可用作輸入，也可用作輸出T/C：兩個定時/記數(shù)器，既可以工作在定時模式，也可以工作在記數(shù)模式；五個中斷源的中斷控制系統(tǒng)；一個全雙工UART（通用異步接收發(fā)送器）的串

7、行I/O口，用于實現(xiàn)單片機之間或單片機與微機之間的串行通信；片內(nèi)振蕩器和時鐘產(chǎn)生電路，石英晶體和微調(diào)電容需要外接。最佳振蕩頻率為6M12M。2 系統(tǒng)設計流程2.1 設計內(nèi)容及要求設計內(nèi)容：根據(jù)題目要求的指標，通過查閱有關(guān)資料，確定系統(tǒng)設計方案，并設計其硬件電路，繪制電路原理圖，并繪制 PCB 板。設計要求：在水箱內(nèi)部設計一個簡易的水位探測器用來探測三個水位，即：低水位、正常水位、高水位。低水位時送給單片機一個高電平，驅(qū)動水泵加水，紅燈亮；正常水位時，水泵加水，綠燈亮；高水位時，驅(qū)動水泵停止工作，黃燈亮。用兩個開關(guān)按鈕的狀態(tài)來表示水位的變化，即按鈕的接通和斷開狀態(tài)分別用數(shù)字0、1表示，從而實現(xiàn)實

8、際的仿真功能。2.2 系統(tǒng)設計方案流程圖1、 原理圖設計流程，如圖 2.1。圖2.1 原理圖設計流程2、PCB設計流程圖，如圖2.2。圖2.2 PCB 設計流程圖2.3 Proteus生成PCB具體操作流程 1、 繪制電路原理圖，并仿真調(diào)試。2、 加載網(wǎng)絡表及元件封裝。進入Proteus的ARES界面，通過工具導網(wǎng)絡圖表到ARES，系統(tǒng)會自動添加元件封裝。3、 規(guī)劃電路板并設置相應參數(shù)。1） 選擇Board Edge選項，在繪圖工具欄，繪制方框按鈕。2） 進行元件布局，布線并調(diào)整。4、 輸出及制作PCB單擊Output選項中的Set Output Area選項，按住鼠標左鍵并拖動，選擇要輸出的

9、版圖，在打印布線層和布局層時，分別進行不同的設置。3 原理圖設計3.1 Proteus概述Proteus是世界上著名的EDA工具()，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種。Pro

10、teus軟件具有其它EDA工具軟件（例：multisim）的功能。這些功能包括：1原理布圖2PCB自動或人工布線3SPICE電路仿真另外，Proteus具有一些獨特的特點1互動的電路仿真用戶可以實時采用諸如RAM，ROM，鍵盤，馬達，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。2仿真處理器及其外圍電路可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流單片機。還可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，再配合顯示及輸出，能看到運行后輸入輸出的效果。配合的虛擬邏輯分析儀、示波器等，Proteus建立了完備的電子設計開發(fā)環(huán)境。Proteus具有豐富的資源用于仿真1Proteus可提供的

11、仿真元器件資源：仿真數(shù)字和模擬、交流和直流等數(shù)千種元器件，有30多個元件庫。2Proteus可提供的仿真儀表資源 ：示波器、邏輯分析儀、虛擬終端、SPI調(diào)試器、I2C調(diào)試器、信號發(fā)生器、模式發(fā)生器、交直流電壓表、交直流電流表。理論上同一種儀器可以在一個電路中隨意的調(diào)用。3除了現(xiàn)實存在的儀器外，Proteus還提供了一個圖形顯示功能，可以將線路上變化的信號，以圖形的方式實時地顯示出來，其作用與示波器相似，但功能更多。這些虛擬儀器儀表具有理想的參數(shù)指標，例如極高的輸入阻抗、極低的輸出阻抗。這些都盡可能減少了儀器對測量結(jié)果的影響。4Proteus可提供的調(diào)試手段 Proteus提供了比較豐富的測試信

12、號用于電路的測試。這些測試信號包括模擬信號和數(shù)字信號。3.2 電路原理圖所用元器件介紹3.2.1 水位檢測傳感器傳感器是一種能感受被測物體物理量并將其轉(zhuǎn)化為便于傳輸或者處理的電信號的裝置。在現(xiàn)代科技領(lǐng)域中，傳感器得到了廣泛的應用，各類信息的采集均可見到傳感器的身影，傳感器的基本功能在于能感受外界的各種“刺激”，并作出迅速反應。在實驗中，我們采用的傳感器較為簡單，其外形輪廓如圖3.1：圖3.1 水位檢測傳感器實驗仿真中，我們用按鈕開關(guān)來作為傳感器的原始狀態(tài)即用按鈕的狀態(tài)來表示傳感器的傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。3.2.2 復位電路的設計如圖3.2所示，復位電路由兩個電容串聯(lián)后再晶振片并聯(lián)組成：圖3.2 單片機復

13、位電路圖3.2.3 光報警電路的設計實驗中，光報警電路的設計用不同顏色的發(fā)光二極管表示不同水位的情況，來作為報警信號。當紅燈亮，其他兩燈不亮，表示是低水位狀態(tài)，此時需要啟動水泵加水；當綠燈亮其他兩燈不亮，表示在正常的水位線內(nèi)，此時水泵不停止工作，繼續(xù)向水箱加水；當黃燈亮，其他兩燈不亮，表示高水位狀態(tài)，水泵停止工作，不向水箱加水；若出現(xiàn)其他情況，則表示系統(tǒng)出現(xiàn)故障，三燈均不亮，馬達不轉(zhuǎn)動。光報警電路的設計路圖如圖3.3所示：圖3.3 光報警電路原理圖電路中采用共陽極連接，只有當單片機給發(fā)光二極管為低電平時才能推動發(fā)光二極管點亮，其中R2、R3、R4為上拉電阻，起限壓控流作用。3.2.4 泵的簡介

14、及泵的相關(guān)參數(shù)泵，一種用以增加液體或氣體的壓力，使之輸送流動的機械，是一種用來移動液體、氣體或特殊流體介質(zhì)的裝置，即是對流體作功的機械。 主要有容積式泵：利用工作腔容積周期變化來輸送液體；葉片泵：利用葉片和液體相互作用來輸送液體。水泵具有不同的用途，不同的輸送液體介質(zhì)，不同的流量、揚程的范圍，因此，它的結(jié)構(gòu)形式當然也不一樣，材料也不同，概括起來，大致可以分為：1 、城市供水 2 、污水系統(tǒng) 3 、土木、建筑系統(tǒng) 4 、農(nóng)業(yè)水利系統(tǒng) 5 、電站系統(tǒng)6 、化工系統(tǒng) 7 、石油工業(yè)系統(tǒng) 8 、礦山冶金系統(tǒng) 9 、輕工業(yè)系統(tǒng) 10 、船舶系統(tǒng)。水泵的參數(shù)主要有：1、流量流量是泵在單位時間內(nèi)輸送出去的液

15、體量（體積或質(zhì)量）。體積流量用Q表示，單位是：m3/s，m3/h，l/s等。質(zhì)量流量用Qm表示，單位是：t/h，kg/s等。2、揚程揚程是水泵所抽送的單位重量液體從泵進口處（泵進口）到泵出口處（泵出口法蘭）能量的增值。也就是一牛頓液體通過泵獲得的有效能量。其單位是N·m/N=m，即泵抽送液體的液柱高度，習慣簡稱為米。3、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速是泵軸單位時間的轉(zhuǎn)數(shù)，用符號n表示，單位是r/min。4、又叫凈正吸頭，是表示汽蝕性能的主要參數(shù)。汽蝕余量國內(nèi)曾用h表示。5、功率和效率水泵的功率通常是指輸入功率，即原動機傳支泵軸上的功率，故又稱為軸功率，用P表示；泵的有效功率又稱輸出功率，用Pe表示。它是單

16、位時間內(nèi)從泵中輸送出去的液體在泵中獲得的有效能量。4 設計原理和電路圖4.1 設計原理4.1.1水位控制原理當水位處于低水位時，傳感器的低水位探測線淹沒，被+5V電壓源導通，取得一個高電平信號，此信號被送入單片機的P1.0口，另一個傳感器沒有被電源導通，所以在P1.1口依然輸入低電平，通過單片機的分析，在P1.2口輸出一低電平，驅(qū)動紅燈亮，P1.5輸出一個信號馬達導通，從而是馬達轉(zhuǎn)動，水泵加水。當水位處于正常范圍內(nèi)時，水泵加水，在P1.3引腳輸出一個低電平，使綠燈亮，馬達不停止工作，繼續(xù)加水。當水位在高水位區(qū)時，傳感器的兩根探測線均被淹沒，均被+5V電源導通，送入單片機，經(jīng)單片機分析，在P1.

17、4引腳出來一個低電平，使黃燈亮，在P1.5引腳出來一個輸出一個低電平，不能是馬達導通，馬達不轉(zhuǎn)動，水泵不能加水。出現(xiàn)其他情況，則表示系統(tǒng)出現(xiàn)故障，三燈均不亮，馬達不轉(zhuǎn)動。4.1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4.1：圖4.1 水位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖采用單片機AT89C51作為控制芯片，主要過程是當高塔中的水在低水位時，水位探測傳感器送給單片機一個高電平，然后單片機驅(qū)動水泵加水，并且是紅燈變亮；當水位在正常水位時，水泵加水且綠燈亮；當水位在高水位時，單片機不能驅(qū)動水泵加水，黃燈亮。當出現(xiàn)其他情況時，表示系統(tǒng)出現(xiàn)故障。在實驗中，直接用單片機驅(qū)動小馬達來代替實際電路中配合單片機驅(qū)動繼電器線圈控制實際水泵工

18、作。4.1.3 控制方案說明單片機技術(shù)是信息時代用于緊密測量的一種新技術(shù)，系統(tǒng)使用過程中采用穩(wěn)壓電路，能夠準確地把輸入電平送入單片機而不會產(chǎn)生誤判的情況，由于單片機AT89C51有四個端口，20引腳，能夠非常方便地設計顯示系統(tǒng)。4.1.4 元件清單實驗所用元件清單如表4.1表4.1 實驗所用元件清單4.1.5 電路原理圖本控制系統(tǒng)的電路原理圖總覽見附錄。4.2 PCB 板圖將電路原理圖通過Protues生成 PCB 并導出三維視圖。PCB圖總覽見附錄。三維視圖見附錄。5 實驗總結(jié)由于這學期在準備研究生入學考試，做實驗的時間有點倉促，很多細節(jié)有做的不到位的地方。但是通過此次為期三周的實驗，我基本上完成了實驗。在實驗最開始的時候我打算用Altium Designer來完成PCB的封裝，但由于之前沒用過這款軟件，實驗準備的時間又有點緊湊，最終選擇了曾經(jīng)學過，有一定基礎(chǔ)的Protues來完成實驗原理圖的繪制及PCB的封裝。在準備實驗的過程中，我查閱的相關(guān)資料，遇到不太理解的地方與同學進行的討論，最終獨立完成了實驗及實驗報告的撰寫。在這次實驗中我了解到了 PCB 電路板的設計流程，并且掌握用