單片機(jī)水箱水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)說(shuō)明

1、 . 單位代碼0 2 學(xué) 號(hào)分 類 號(hào) TH6密 級(jí) 課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書水箱水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 院（系）名稱 機(jī)械工程學(xué)院 專業(yè)名稱機(jī)械設(shè)計(jì)制造與其自動(dòng)化 學(xué)生 指導(dǎo)教師2015年 10 月 27 日黃河科技學(xué)院課程設(shè)計(jì)任務(wù)書機(jī)械工程學(xué)院 機(jī)械系機(jī)械設(shè)計(jì)制造與其自動(dòng)化專業(yè)12級(jí)1班學(xué)號(hào) 1200000000指導(dǎo)教師題目: 水箱水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 課程: 單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)課程設(shè)計(jì)時(shí)間 2015年 10 月 13日至 10 月27日共 2 周課程設(shè)計(jì)工作容與基本要求(設(shè)計(jì)要求、設(shè)計(jì)任務(wù)、工作計(jì)劃、所需相關(guān)資料)（紙不夠可加頁(yè)）1. 設(shè)計(jì)要求在高塔的部我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易的水位探測(cè)傳感器用來(lái)探測(cè)三個(gè)水位，即低水位

2、，正常水位，高水位。低水位時(shí)送給單片機(jī)一個(gè)高電平，驅(qū)動(dòng)水泵加水，紅燈亮；正常圍的水位時(shí)，水泵加水，綠燈亮；高水位時(shí)，水泵不加水，黃燈亮。2. 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求（完成后需提交的文件和圖表等）1系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)根據(jù)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能要求選擇所用元器件，設(shè)計(jì)硬件電路。要求用Proteus繪制整個(gè)系統(tǒng)電路原理圖。2軟件設(shè)計(jì)根據(jù)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能要求進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，要求用VISIO軟件繪制整個(gè)系統(tǒng)與各部分的軟件流程圖。并根據(jù)流程圖編寫程序并匯編調(diào)試通過(guò)。列出軟件清單，軟件清單要加以注釋。3Proteus仿真用Proteus對(duì)系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行仿真調(diào)試通過(guò)。4軟硬件實(shí)際調(diào)試5編寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書一份，容包括任務(wù)書、設(shè)計(jì)方案

3、分析、硬件設(shè)計(jì)部分要繪制整個(gè)系統(tǒng)電路原理圖，對(duì)各部分電路設(shè)計(jì)原理做出說(shuō)明。軟件設(shè)計(jì)部分要繪制整個(gè)系統(tǒng)與各部分的軟件流程圖，并列出軟件清單，軟件清單要求加注釋，并在各功能塊前加程序功能注釋。調(diào)試結(jié)果整理分析與設(shè)計(jì)調(diào)試的心得體會(huì)。3工作計(jì)劃（進(jìn)程安排） 第1周基本完成軟、硬件的設(shè)計(jì)（分散在教學(xué)過(guò)程中完成）。第二周2天繪制所要求的圖紙，完成軟、硬件的調(diào)試；2天完成設(shè)計(jì)說(shuō)明書；1.5天答辯或驗(yàn)收，評(píng)定成績(jī)。6主要參考資料單片機(jī)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書皮大能理工大學(xué)2010.78051單片機(jī)實(shí)踐與應(yīng)用吳金戎清華大學(xué)2003.8單片機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)教程與實(shí)踐夏路易電子工業(yè)2008.1MCS-51單片機(jī)原理接口與應(yīng)用王質(zhì)樸

4、 理工大學(xué)出版2009.11基于Proteus的單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真實(shí)例輝平機(jī)械工業(yè) 2009.7系主任審批意見：審批人簽名： 日期： 14 / 20摘 要我們可以采用單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了水塔水位的自動(dòng)控制，設(shè)計(jì)出一種低成本、高使用價(jià)值的水塔水位控制器。該系統(tǒng)具有水位檢測(cè)，低水位高水位報(bào)警以與自動(dòng)加水等功能。本設(shè)計(jì)過(guò)程中主要采用傳感技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、光報(bào)警技術(shù)以與弱電控制強(qiáng)電技術(shù)。檢測(cè)系統(tǒng)采用銅針探測(cè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低、靈敏度高。并采用AT89C2051單片機(jī)系統(tǒng)控制整個(gè)電路的信號(hào)處理以與采用光電耦合和繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)弱電控制強(qiáng)電從而實(shí)現(xiàn)加水系統(tǒng)的自動(dòng)控制。該系統(tǒng)可以完成光報(bào)警，水位自動(dòng)檢測(cè)，上水停

5、水等工作。并能有效保證液面高度始終處于較理想圍，該系統(tǒng)制造成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、感應(yīng)度高、綠色環(huán)保?？捎糜诟鞣N液體的儲(chǔ)存。關(guān)鍵詞:單片機(jī)，自動(dòng)檢測(cè)，自動(dòng)控制AbstractWe can use micro-controller system using cooling towers to achieve the level of automation, design a low cost and high practical value of the water tower water level controller.The system has the water level detectio

6、n, low water high water level alarm and automatic functions such as adding water.The design process mainly uses the sensor technology,single chip technology,optical technology and the weak control the strong police power technology.Detection system using simple system for detection of copper needles

7、,resulting in the low and high sensitivity.AT89C2051 SCM system control by using the circuit of signal processing and the use of optical coupling and weak control relays to achieve strong power to realize automatic control of water systems. It can automatically detect the water level,light alarm,all

8、 the work without water cycle,to ensure better surface height is always within the context of its structure simple,low cost high sensitivity,significant energy is used in various kind of ideal equipment for high-level liquid storage.Key words:SCM, Automatic monitoring, Circuit Control目錄1 課程設(shè)計(jì)系統(tǒng)概述.2

9、1.1 系統(tǒng)原理.2 1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖.2 1.3 控制方案說(shuō)明. .3 1.4 系統(tǒng)組成與原理.32硬件設(shè)計(jì).4 2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì).5 2.2 水位檢測(cè)傳感器的選用.6 2.3 穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì).7 2.4 光報(bào)警電路的設(shè)計(jì).8 2.5 繼電器控制水泵加水電路.93 軟件設(shè)計(jì).9 3.1 系統(tǒng)總原理圖.10 3.2 系統(tǒng)總程序如下.114總結(jié).11致.11參考文獻(xiàn).12附錄.131 課程設(shè)計(jì)系統(tǒng)概述1.1系統(tǒng)原理當(dāng)水位處于低水位的時(shí)候，傳感器的低水位探測(cè)線沒(méi)被+5V的電源導(dǎo)通進(jìn)入穩(wěn)壓電路經(jīng)過(guò)處理在穩(wěn)壓電路的輸出端有一個(gè)高電平，送入單片機(jī)的P1.0口，另一個(gè)穩(wěn)壓電路輸出的高電平進(jìn)

10、入單片機(jī)的P1.1口單片機(jī)經(jīng)過(guò)分析，在P1.2口輸出一低電平，驅(qū)動(dòng)紅燈亮，P1.5出來(lái)一個(gè)信號(hào)使光電耦合器GDOUHE導(dǎo)通，這樣繼電器閉合，使水泵加水；當(dāng)水位處于正常圍時(shí)，水泵加水，在P1.3引腳出來(lái)一個(gè)低電平，使綠燈亮；當(dāng)水位在高水位區(qū)時(shí)，傳感器的兩根探測(cè)線均被導(dǎo)通，均被+5V的電源導(dǎo)通，送入單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過(guò)分析，在P1.4引腳出來(lái)一個(gè)低電平，使黃燈亮，在P1.5端出來(lái)一個(gè)低電平不能使光電耦合器導(dǎo)通，這樣繼電器不能閉合，水泵不能加水；當(dāng)三燈閃爍表示系統(tǒng)出現(xiàn)故障。1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1.2所示：圖1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖采用單片機(jī)AT89C2051作為我們的控制芯片，主要工作過(guò)程是當(dāng)高

11、塔中的水在低水位時(shí)，水位探測(cè)傳感器送給單片機(jī)一個(gè)高電平，然后單片機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵加水和顯示系統(tǒng)使紅燈變亮；當(dāng)水位在正常圍時(shí)，水泵加水，綠燈亮；當(dāng)水位在高水位時(shí)，單片機(jī)不能驅(qū)動(dòng)水泵加水，黃燈亮。1.3控制方案說(shuō)明這個(gè)方案中使用了單片機(jī)處理，單片機(jī)技術(shù)是信息時(shí)代用于精密測(cè)量的一種新技術(shù)。此系統(tǒng)使用過(guò)程中采用穩(wěn)壓電路能夠準(zhǔn)確地把輸入的電平送給單片機(jī)不會(huì)產(chǎn)生誤判的情況，由于AT89C2051單片機(jī)有四端口，20引腳能夠非常方便地設(shè)計(jì)顯示系統(tǒng)。1.4 系統(tǒng)組成與原理本系統(tǒng)由電源電路、水位探測(cè)傳感電路、穩(wěn)壓電路、單片機(jī)系統(tǒng)、光報(bào)警顯示電路、繼電器控制水泵加水電路、以與高塔模型組成。主電氣原理圖如圖1.4所示：圖

12、1.4 主電氣原理圖工作原理：當(dāng)水位處于低水位的時(shí)候，傳感器的低水位探測(cè)線沒(méi)被+5V的電源導(dǎo)通進(jìn)入穩(wěn)壓電路經(jīng)過(guò)處理在穩(wěn)壓電路的輸出端有一個(gè)高電平，送入單片機(jī)的P1.0口，另一個(gè)穩(wěn)壓電路輸出的高電平進(jìn)入單片機(jī)的P1.1口單片機(jī)經(jīng)過(guò)分析，在P1.2口輸出一低電平，驅(qū)動(dòng)紅燈亮，P1.5出來(lái)一個(gè)信號(hào)使光電耦合器GDOUHE導(dǎo)通，這樣繼電器閉合，使水泵加水；當(dāng)水位處于正常圍時(shí)，水泵加水，在P1.3引腳出來(lái)一個(gè)低電平，使綠燈亮；當(dāng)水位在高水位區(qū)時(shí)，傳感器的兩根探測(cè)線均被導(dǎo)通，均被+5V的電源導(dǎo)通，送入單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過(guò)分析，在P1.4引腳出來(lái)一個(gè)低電平，使黃燈亮，在P1.5端出來(lái)一個(gè)低電平不能使光電耦合器

13、導(dǎo)通，這樣繼電器不能閉合，水泵不能加水；當(dāng)三燈閃爍表示系統(tǒng)出現(xiàn)故障。2硬件設(shè)計(jì)2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)AT89C2051是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8位單片機(jī)，片含2k bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器（PEROM）和128bytes的隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大at89c2051單片機(jī)可為您提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合。本設(shè)計(jì)中單片機(jī)采用AT89C2051，它是一種高性能低價(jià)格單片機(jī)。引腳（20個(gè)）和指令系統(tǒng)與8031單片機(jī)完全

14、兼容。片有2 K字節(jié)的閃速程序存儲(chǔ)器（采用電擦除編程， 可重復(fù)編程1000次，數(shù)據(jù)可保10年），除沒(méi)有P0口、P2口外，具有8031所有功能結(jié)構(gòu)，即一片AT89C2051相當(dāng)于8031、373 、2716 組成的最小系統(tǒng)。用它構(gòu)成的測(cè)量、控制系統(tǒng)具有電路簡(jiǎn)單、可靠性好、體積小和成本低等優(yōu)點(diǎn)。AT89C2051 的P1 口為八位雙向I/ O 口， P1.2P1.7有部上拉電阻， P1.0與P1.1無(wú)部上拉電阻。P1.0與P1.1具有第二功能，分別作為片精密比較器的同相、反相輸入端。P1口輸出驅(qū)動(dòng)器能提供20mA 的灌電流驅(qū)動(dòng)能力，其鎖存器寫1時(shí)可作為輸入口。AT89C2051 的P3口為七位雙向

15、I/ O 口， 有部上拉電阻， P3口輸出驅(qū)動(dòng)器能提供20mA 灌電流驅(qū)動(dòng)能力， 其鎖存器寫1時(shí)可作輸入口。P316作為輸入線與片精密比較器輸出端在片相連， 故無(wú)引出線， 但可讀該位的值。P310 P315的第二功能與8031 P3口相應(yīng)口線的第二功能完全一樣。綜上所述， P1 和P3 口中的各口線可直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管， 不用再配置發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)電路，P1.0與P1.1具有第二功能， 不用再配置比較器，從而簡(jiǎn)化了控制電路的結(jié)構(gòu)。最小系統(tǒng)電路圖如圖2.1所示：2.2水位檢測(cè)傳感器的選用傳感器是一種能感受被測(cè)物體物理量并將其轉(zhuǎn)化為便于傳輸或處理的電信號(hào)的裝置，在現(xiàn)代科技領(lǐng)域中，傳感器得到了廣泛應(yīng)用

16、，各種信息的采集離不了圖2.1 最小系統(tǒng)電路圖各種傳感器，傳感器的基本功能在于能感受外界的各種“刺激”并作出迅速反映。本設(shè)計(jì)當(dāng)中我們采用的水位探測(cè)傳感器簡(jiǎn)單易做，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。其外形輪廓如圖2.2所示：圖2.2 水位探測(cè)傳感器外觀圖A為接+5V電源的線與水一直保持連通，B線為低水位控制線，當(dāng)水位到達(dá)低水位的時(shí)候它不導(dǎo)通，水在正常圍時(shí)，它導(dǎo)通。C線為高水位控制線，當(dāng)它導(dǎo)通時(shí)，表示水已經(jīng)為高水位。本設(shè)計(jì)中采用了細(xì)銅線作為我們的傳感器的材料。主要考慮了（1）細(xì)銅線的電阻率比較低，這樣就可以避免由于電阻過(guò)大而使輸出的電平過(guò)低，以致不能很好地驅(qū)動(dòng)單片機(jī)工作（2）傳電性能比較好，傳電速率比較快，也就是說(shuō)靈敏性

17、非常好。（3）細(xì)銅線便宜易找。本傳感器的尺寸是A線是30cm，B線是20cm，C線是15cm，銅線直徑是15mm。2.3 穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)本電路的主要作用是使從傳感器輸出的電平能夠穩(wěn)定地輸入單片機(jī)中，主要由三極管的兩極放大穩(wěn)定電路組成，其工作過(guò)程是水位探測(cè)傳感器把探測(cè)到的電信號(hào)送給R12，如果送入的是高電平則R11、Q5、D3、Q4導(dǎo)通把低于1.4V的低電平穩(wěn)定地送給單片機(jī)。如果是低電平送給R12則R11、Q5、D3、Q4均不能導(dǎo)通二是R13導(dǎo)通將把高于1.4V的高電平穩(wěn)定的送給單片機(jī)。我查找了相關(guān)資料以與我們自己在設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中免去此穩(wěn)定電路，發(fā)現(xiàn)有時(shí)候也能實(shí)現(xiàn)我們的設(shè)計(jì)目的，但是也有很多時(shí)候發(fā)

18、生水位誤判的情況，產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，所以我們認(rèn)為此電路是不可缺少的。既然是控制系統(tǒng)，當(dāng)然就要控制精確。穩(wěn)壓電路原理圖如圖2.3所示：圖2.3 穩(wěn)壓電路原理圖2.4 光報(bào)警電路的設(shè)計(jì)（1）發(fā)光二極管（LED）是用半導(dǎo)體材料制作的正向偏置的PN結(jié)二極管。其發(fā)光機(jī)理是當(dāng)在PN結(jié)兩端注入正向電流時(shí)，注入的非平衡載流子（電子空穴對(duì)）在擴(kuò)散過(guò)程中復(fù)合發(fā)光，這種發(fā)射過(guò)程主要對(duì)應(yīng)光的自發(fā)發(fā)射過(guò)程。按光輸出的位置不同，發(fā)光二極管可分為面發(fā)射型和邊發(fā)射型。發(fā)光二極管的發(fā)光原理同樣可以用PN結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)來(lái)解釋。制作半導(dǎo)體發(fā)光二極管的材料是重?fù)诫s的，熱平衡狀態(tài)下的N區(qū)有很多遷移率很高的電子，P區(qū)有較多的遷移率較低的空穴

19、。由于PN結(jié)阻擋層的限制，在常態(tài)下，二者不能發(fā)生自然復(fù)合。，而當(dāng)給PN結(jié)加以正向電壓時(shí)，溝區(qū)導(dǎo)帶中的電子則可逃過(guò)PN結(jié)的勢(shì)壘進(jìn)入到P區(qū)一側(cè)。于是在PN結(jié)附近稍偏于P區(qū)一邊的地方，處于高能態(tài)的電子與空穴相遇時(shí)，便產(chǎn)生發(fā)光復(fù)合。這種發(fā)光復(fù)合所發(fā)出的光屬于自發(fā)輻射，輻射光的波長(zhǎng)決定于材料的禁帶寬度Eg。本電路采用不同顏色的發(fā)光二極管來(lái)表示不同的水位情況。即紅燈亮，他兩燈不亮表示是低水位狀態(tài)，此時(shí)需要啟動(dòng)水泵加水；綠燈亮，其他兩燈不亮表示在正常的水位線；黃燈發(fā)亮，其他兩燈不亮為高水位狀態(tài)，水泵停止加水，三燈閃爍表示系統(tǒng)出現(xiàn)故障。光報(bào)警電路原理圖如圖2.4所示：圖2.4 光報(bào)警電路的原理圖此電路采用的是

20、共陽(yáng)極的，所以只有當(dāng)單片機(jī)給發(fā)光二極管為低電平時(shí)才能推動(dòng)發(fā)光二極管點(diǎn)亮。其中R14、R15、R16為上拉電阻起限壓控流作用。2.5繼電器控制水泵加水電路該電路由繼電器RL1和閉合開關(guān)、光電耦合器、水泵R13、R22、R11、R12以與D2、Q6等組成。當(dāng)水位在低水位時(shí)單片機(jī)給P1.1送一個(gè)高電平導(dǎo)通光電耦合器然后光電耦合器驅(qū)動(dòng)Q6導(dǎo)致繼電器閉合從而讓220V的交流電接通使水泵加水。繼電器控制水泵加水電路原理圖如圖2.5所示：圖2.5繼電器控制水泵加水電路的原理圖其中光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號(hào)的一種電光電轉(zhuǎn)換器件。它由發(fā)光源和受光器兩部分組成。把發(fā)光源和受光器組裝在同一密閉的殼體，彼此間用

21、透明絕緣體隔離。發(fā)光源的引腳為輸入端，受光器的引腳為輸出端，在本設(shè)計(jì)當(dāng)中發(fā)光源為發(fā)光二極管，受光器為光敏三極管。在本設(shè)計(jì)當(dāng)中我們采用光電耦合器組成開關(guān)電路的作用，能夠很好地將單片機(jī)信號(hào)穩(wěn)定地送給繼電器驅(qū)動(dòng)繼電器閉合。繼電器是具有隔離功能的自動(dòng)開關(guān)元件，在我們?cè)O(shè)計(jì)當(dāng)中主要來(lái)做自動(dòng)控制作用，我們采用+5V的直流電來(lái)控制220V的交流電，以達(dá)到控制水泵的作用，因?yàn)槭窃谶@里是以一種弱電來(lái)控制強(qiáng)電所以安裝和使用的過(guò)程當(dāng)中我們一定要注意用電安全注意事項(xiàng)。電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會(huì)流過(guò)一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會(huì)在電磁力吸引的作用

22、下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動(dòng)銜鐵的動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)（常開觸點(diǎn)）吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會(huì)在彈簧的反作用力返回原來(lái)的位置，使動(dòng)觸點(diǎn)與原來(lái)的靜觸點(diǎn)（常閉觸點(diǎn)）吸合。這樣吸合、釋放，從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。對(duì)于繼電器的“常開、常閉”觸點(diǎn)，可以這樣來(lái)區(qū)分：繼電器線圈未通電時(shí)處于斷開狀態(tài)的靜觸點(diǎn)，稱為“常開觸點(diǎn)”；處于接通狀態(tài)的靜觸點(diǎn)稱為“常閉觸點(diǎn)”。3 軟件設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)總流程圖系統(tǒng)總流程圖如圖3.1所示：圖3.1 系統(tǒng)總流程圖3.2 系統(tǒng)總程序系統(tǒng)總程序如下：ORG 0000H LJMP STARTSTART: SETB P2.0 SETB P2.1R

23、ESTART: MOV A,P2 ANL A,#00000011B CJNE A,#00H,LOOP1 ;在低水位之下，開啟電動(dòng)機(jī)，亮紅燈 SETB P2.4 SETB P2.3 CLR P2.2 LJMP RESTARTLOOP1: CJNE A,#01H,LOOP2 ；當(dāng)超過(guò)低水位，并且未達(dá)到高水位時(shí)， ; 保持電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，亮綠燈 SETB P2.4 SETB P2.2 CLR P2.3 LJMP RESTARTLOOP2: CJNE A,#02H,LOOP3 ; 系統(tǒng)故障（達(dá)到高水位，卻沒(méi)達(dá)到低水;位）紅，黃，綠燈均閃爍CLR P2.4 CLR P2.3 CLR P2.2 SETB P2.4 SETB P2.3 SETB P2.2 LJMP RESTARTLOOP3: CJNE A,#03H,RESTART ;當(dāng)達(dá)到高水位時(shí)，停止電動(dòng)機(jī)，亮黃;燈 SETB P2.3 SETB P2.2 CLR P2.4 LJMP RESTART RET END4 總結(jié)做了這次單片機(jī)課程設(shè)計(jì)，我有了很多體會(huì)和感想。單片