單片機(jī)課程設(shè)計(jì)-水位控制系統(tǒng)

1、生命賜給我們，我們必須奉獻(xiàn)生命，才能獲得生命。單片機(jī)原理及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)評(píng)語(yǔ)：考勤 10 分守紀(jì) 10 分過(guò)程 30 分設(shè)計(jì)報(bào)告 30 分答辯 20 分總成績(jī)（ 100 ）分專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化班 級(jí)： 電氣姓 名： xxx學(xué) 號(hào)：指導(dǎo)教師： xxx蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院2014 年 1 月 13 日基于單片機(jī)的水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1 設(shè)計(jì)目的水位控制系統(tǒng)是以水位為被控參數(shù)的控制系統(tǒng)，它在工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域都 有廣泛的應(yīng)用。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，有很多地方需要對(duì)容器內(nèi)的介質(zhì)進(jìn)行水位控 制，使之高精度地保持在給定的數(shù)值，如在建材行業(yè)中，玻璃窯爐水位的穩(wěn)定對(duì) 窯爐的使用壽命和產(chǎn)品的質(zhì)量起著

2、至關(guān)重要的作用。水位控制一般指對(duì)某一水位 進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，使其達(dá)到所要求的控制精度。液體的水位的自動(dòng)控制,是近年來(lái)新開發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù) ,它是微型計(jì)算機(jī)軟件、硬件、自動(dòng)控制等幾項(xiàng)技術(shù)緊密結(jié)合的 產(chǎn)物 ,工程作業(yè)采用的是微機(jī)控制和原有的儀表控制 ,微機(jī)控制有以下明顯優(yōu)勢(shì) :（1）直觀而集中的顯示各運(yùn)行參數(shù) ,能顯示水位狀態(tài)。（2）在運(yùn)行中可以隨時(shí)方便的修改各種各樣的運(yùn)行參數(shù)的控制值 ,并修改系統(tǒng) 的控制參數(shù) ,可以方便的改變水位的上限、下限。（3）具有水體控制過(guò)程的自動(dòng)化處理以及監(jiān)控軟件良好的人機(jī)界面， 操作人員 在監(jiān)控計(jì)算機(jī)上能根據(jù)控制效果及時(shí)修運(yùn)行參數(shù)，這樣能有效地減少工人的疲勞 和失誤，提高生

3、產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)性、安全性。綜合以上的種種優(yōu)點(diǎn)可以預(yù)見采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是行業(yè)的大勢(shì)所趨。單片 機(jī)是在一塊芯片上集成了一片微型計(jì)算機(jī)所需的 CPU、存儲(chǔ)器、輸入、輸出等部 件。單片機(jī)自問(wèn)世以來(lái) ,性能不斷提高和完善 , 體積小、速度快、功耗低的特點(diǎn)使 它的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛。一般 , 工業(yè)控制系統(tǒng)的工作環(huán)境差 ,干擾強(qiáng), 利用單片機(jī)控 制就能克服這些缺點(diǎn) , 因此單片機(jī)在控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用 , 使用單片機(jī)控制液 體水位是很好的選擇。2 設(shè)計(jì)任務(wù)和基本要求 設(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)水位檢測(cè)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)水位檢測(cè)、電機(jī)故障 檢測(cè)、處理和報(bào)警等功能，實(shí)現(xiàn)超高、低警戒水位報(bào)警，超高警戒水位處理。介 紹

4、電路接口原理圖，給出相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)流程圖和匯編程序，并用Proteus軟件仿真。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有良好的檢測(cè)控制功能，可移植性和擴(kuò)展性強(qiáng)。本設(shè)計(jì)為一個(gè)實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的水塔水位控制部分。在此水塔水位控制系統(tǒng)中， 檢測(cè)信號(hào)來(lái)自插入水中的 3 個(gè)金屬棒，以感知水位變化情況。 工作正常情況下， 應(yīng)保持水位在某一范圍內(nèi)，當(dāng)水位變化發(fā)生故障的時(shí)候，及時(shí)關(guān)斷電機(jī)電源，發(fā) 出聲、光報(bào)警信號(hào)。（1）完成單片機(jī)硬件的設(shè)計(jì)，包括： CPU、存儲(chǔ)器（外擴(kuò) ROM 、RAM ）、輸 入 /輸出接口（外擴(kuò)并行 I/O 口）以及總線連接部分（附控制電路原理圖） 。（2）完成控制軟件的設(shè)計(jì)（附控制軟件清單） 。希望是本無(wú)

5、所謂有，無(wú)所謂無(wú)的。這正如地上的路；其實(shí)地上本沒有路，走的人多了，也便成了路。生命賜給我們，我們必須奉獻(xiàn)生命，才能獲得生命。3 水位控制原理以水塔水位控制為例。單片機(jī)水塔水位控制原理圖 1所示，圖中的 A、B表示允許水位變化的上、 下限 位置。由于題目中所要求的金屬導(dǎo)體在長(zhǎng)時(shí)間置于水和空氣中會(huì)被氧化，因此導(dǎo) 電性會(huì)下降，這樣會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作，所以本設(shè)計(jì)需要改動(dòng)部分控制硬件， 上部?jī)蓚€(gè)導(dǎo)體分別用浮子開關(guān)代替，第三個(gè)不需要置于水中，而將它直接接地然 后串入電阻接入電路中。 在正常情況下， 水位應(yīng)控制在上下限的范圍之內(nèi)。 為此， 在水塔內(nèi)的不同高度處，安裝固定不變的兩個(gè)浮子開關(guān) A 、B，利用杠

6、桿原理， A 浮子控制開關(guān) A，B浮子控制開關(guān) B，受到浮力時(shí)開關(guān)打開， A 靠近水塔上部， B靠 近水池底部， A 、 B之間足夠距離，要保證有足夠大的流水量。水塔由電機(jī)帶動(dòng)水 泵供水，單片機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，隨著供水，水位不斷上升，當(dāng)水位上升到上限水 位時(shí)，由于水的浮力作用， 使浮子開關(guān) A，B均斷開。因此b、c兩端的電壓都為 +5 V 即為“1狀”態(tài)此時(shí)應(yīng)停止電機(jī)和水泵工作，不再向水塔注水；當(dāng)水位處于上、下 限之間時(shí)， B開關(guān)斷開和 A開關(guān)閉合， b端為1狀態(tài)，c端為 0狀態(tài)。此時(shí)電機(jī)保持原 來(lái)的運(yùn)行狀態(tài)，使水位上升或下降，當(dāng)水位處于下限位置以下時(shí)， A， B開關(guān)都斷 開，b、c均為 0狀態(tài)

7、，此時(shí)應(yīng)啟動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)水泵給水塔注水。當(dāng)開關(guān) A斷開 B 閉合(這種狀態(tài)在正常情況下不會(huì)出現(xiàn)， 因此必有一浮子出現(xiàn)故障停止電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)， 報(bào)警器打開。圖1所示水塔浮子的控制原理。圖 1 控制原理圖4 系統(tǒng)總體方案4.1 電路設(shè)計(jì)水塔水位控制系統(tǒng)主要由 CPU(80C31)、水位檢測(cè)接口電路、報(bào)警接口電路、 存儲(chǔ)器擴(kuò)展接口電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘振蕩等部分組成，圖 2 為系統(tǒng)硬件電路。 希望是本無(wú)所謂有，無(wú)所謂無(wú)的。這正如地上的路；其實(shí)地上本沒有路，走的人多了，也便 成了路。圖 2 系統(tǒng)硬件電路4.2 水位檢測(cè)接口電路為了便于實(shí)現(xiàn)水位檢測(cè)功能，用一個(gè)兩位的浮子開關(guān) A，B 模擬 P1.1和 P1.0

8、 端的狀態(tài) （0、1），浮子開關(guān)另一端接地， 每個(gè)負(fù)電極分別通過(guò) 4.7 k 的電阻（R1，R2） 接+5V 電源。將單片機(jī)的 P1.0 端口接開關(guān) B，P1.1端口接開關(guān) A。假設(shè)被水淹沒 的負(fù)電極都為高電平，此時(shí)開關(guān)置 1；露在水面的負(fù)電極都為低電平，開關(guān)此時(shí)置 為 0 。單片機(jī)通過(guò)負(fù)電極重復(fù)采集檢測(cè)水位，當(dāng)缺水時(shí) （ 此時(shí)兩個(gè)開關(guān)均置 0） ，電 機(jī)必須帶動(dòng)水泵抽水；若水位在正常范圍內(nèi)時(shí)，檢測(cè)信號(hào)為高，低電平（此時(shí)開關(guān)B 置 1，開關(guān) A 置 0） ；當(dāng)水位過(guò)高時(shí)，檢測(cè)信號(hào)為高電平 （此時(shí)開關(guān) A 和 B 都置 1），單片機(jī)檢測(cè)到 P1.0和 P1.1為高電平后，立即停機(jī)。4.3 報(bào)警接

9、口電路為了避免系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，水位失去控制造成嚴(yán)重后果，在超出、低于警戒 界水位時(shí)，報(bào)警信號(hào)直接從高、低警界水位電極獲得。單片機(jī) P1.3 端口為啟動(dòng)電 機(jī)命令輸出端口， P1.3=0為低電平，經(jīng)過(guò)非門和驅(qū)動(dòng)器 7406 后與電機(jī)的另一端接 地導(dǎo)通，啟動(dòng)電機(jī)工作； P1.3=l 為高電平，反之，電機(jī)停止工作。電機(jī)故障報(bào)警由 單片機(jī)控制，電機(jī)故障報(bào)警信號(hào)由 P1.3 輸人。當(dāng) P1.3 為高電平時(shí)蜂鳴器報(bào)警。水 位超過(guò)高警戒水位， 單片機(jī)控制系統(tǒng)使電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)， 向水塔內(nèi)供水工作也停止。4. 4 存儲(chǔ)器擴(kuò)展接口電路為了便于系統(tǒng)擴(kuò)展，存放大容量應(yīng)用程序，系統(tǒng)設(shè)計(jì)擴(kuò)展一片程序存儲(chǔ)器， 用于存放源程序

10、代碼。 74LS373 用于鎖存地址，單片機(jī)的 P0.0P0.7 通過(guò)復(fù)用方 式分別接鎖存器 74LS373的 DOD7和存儲(chǔ)器 2732的 D0D7 端，地址鎖存信號(hào) 線 ALE 接鎖存器的 OE 端，通過(guò)軟件設(shè)置實(shí)現(xiàn)地址和數(shù)據(jù)信息的傳輸，鎖存器的 輸出端 Q0 Q7 與存儲(chǔ)器地址線 A0A7 相連，剩余的 3 根地址線 A8 A11 接 P2.0P2.2單片機(jī)選通引腳接存儲(chǔ)器 OE 端，因只擴(kuò)展一片存儲(chǔ)器，片選端 CE 接地。4.5 各設(shè)備的地址分配各元件所接端口以及對(duì)應(yīng)地址如表 1 所示表 1 元件所接端口以及對(duì)應(yīng)地址表序號(hào)123 4P1口P1.0P1.1P1.2P1.3元件開關(guān) B開關(guān)

11、 A電動(dòng)機(jī)報(bào)警地址90H91H92H93H4.6 軟件設(shè)計(jì)4.6.1 設(shè)計(jì)思路描述當(dāng)水塔水位處于上、下限之間時(shí)， P1.0=l，P1.1=0，此時(shí)無(wú)論電機(jī)是在帶動(dòng)水 泵給水塔供水使水位不斷上升還是電機(jī)沒有工作使水位不斷下降，都應(yīng)繼續(xù)維持 原有工作狀態(tài)；當(dāng)水位低于下限時(shí)， P1.0=0，P1.1=0，此時(shí)啟動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)水 泵給水塔供水。4.6.2 設(shè)計(jì)程序流程圖為實(shí)現(xiàn)表 2 的各個(gè)控制，要求程序選擇 P1.0和 P1.1的高低電平，以及當(dāng)出現(xiàn) 故障時(shí)控制 P1.3 為低電平報(bào)警同時(shí)關(guān)閉電機(jī)。程序流程圖如圖 3 所示：圖 3 程序流程圖 希望是本無(wú)所謂有，無(wú)所謂無(wú)的。這正如地上的路；其實(shí)地上本

12、沒有路，走的人多了，也便 成了路。生命賜給我們，我們必須奉獻(xiàn)生命，才能獲得生命。4.6.3 主程序根據(jù)圖 3的流程，首先將 P1口寫 1，為檢查 P1.0和P1.1狀態(tài)做準(zhǔn)備， 然后選 擇 P1.0和 P1.1的高低電平，實(shí)現(xiàn)控制 P1.2和 P1.3的 7 高低電平的變化，在沒有 改變開關(guān)的狀態(tài)之前，為了保持各個(gè)端口的電平，需要調(diào)用延時(shí)程序，主程序以 及延時(shí)程序見附錄一。5 結(jié)論控制系統(tǒng)有四種運(yùn)行狀態(tài)， 當(dāng)水塔里的水面低于最低限時(shí)即低于浮子 B 時(shí)，A、 B 浮子開關(guān)均閉合，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，向水塔注水；直到水面超過(guò)浮子B， B 開關(guān)打開，電機(jī)任然保持原來(lái)的運(yùn)行的狀態(tài)；隨著水面上升，浮子開關(guān) A 被

13、打開，此時(shí)水面 達(dá)到上限， 因此關(guān)閉電機(jī)， 停止向水塔里注水； 隨著向外部供水， 水面逐漸下降， 浮子開關(guān) A 閉合，但此時(shí)不需要再往水塔里注水，因此電機(jī)任然維持原來(lái)的停止 狀態(tài)不變。而當(dāng)不屬于上述的任何閉合情況時(shí)，報(bào)警器打開。對(duì)四種不同狀態(tài)的仿真見附錄二。6 結(jié)語(yǔ)本系統(tǒng)就是充分利用了 80C31和 2732芯片的 I/O 引腳。系統(tǒng)采用 MSC-51系 列單片機(jī) Intel80C31 和可編程并行 I/O 接口芯片 2732 為中心器件來(lái)設(shè)計(jì)水塔水位 控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了能根據(jù)水位的高低通過(guò) 80C31 芯片的 P1口設(shè)置電動(dòng)機(jī)的抽水和 報(bào)警工作功能；通過(guò)二極管的發(fā)光來(lái)報(bào)警以及兩個(gè)開關(guān)來(lái)模擬水位

14、的控制，二極 管由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)發(fā)光。參考文獻(xiàn)1 張毅坤 單片微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用 M ，西安電子科技大學(xué)出版社， 19982 雷麗文 等 微機(jī)原理與接口技術(shù) M ，電子工業(yè)出版社， 1997.23 王思明，張金敏 等 單片機(jī)原理及應(yīng)用 M ，科學(xué)出版社， 2012.94 馮育長(zhǎng)主編 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)例分析 M ，西安電子科技大學(xué)出版社， 20075 謝維成，楊加國(guó)主編 單片機(jī)原理與應(yīng)用及 C51 程序設(shè)計(jì) M ，清華大學(xué)出版社， 2006附錄實(shí)驗(yàn)程序如下：ORG0000HLOOP0100HAJMPORGLOOP:SETB93HORLP1,#03H；為檢查水位狀態(tài)做準(zhǔn)備MOVA,P1JNBAC

15、C.0,ONE； P1.0=0則轉(zhuǎn)移JBACC.1,TWO；P1.1=1 則轉(zhuǎn)移BACK:ACALLDELAY；調(diào)用延時(shí)AJMPLOOPONE:JNBACC.1,THREE； P1.1=0則轉(zhuǎn)移CLR93H；P1.30，啟動(dòng)報(bào)警裝置SETB92H；P1.21,停止電機(jī)工作AJMPLOOPTHREE:CLR92H；啟動(dòng)電機(jī)AJMPBACKTWO:SETB92H；停止電機(jī)工作AJMPBACK延時(shí)子程序（延時(shí)10s）：DELAY:ORG8030HMOVR3,#19HLOOP3:MOVR1,#85HLOOP1:MOVR2,#0FAHLOOP2:DJNZR2,LOOP2DJNZR1,LOOP1DJNZR3,LOOP3RETEND附錄二對(duì)四種不同狀態(tài)的仿真如下圖所示：(1) 當(dāng) A