基于單片機(jī)的水處理控制器設(shè)計(jì)

1、水處理控制器的設(shè)計(jì) 甄彩虹 指導(dǎo)老師： 伍 星目 錄The Design Of A Water purified Controller緒 論第一局部 系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明一.水處理控制器介紹二.系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路第二局部 工程模塊的建立一.CPU的選擇二.鍵盤控制三.復(fù)位四.中斷 五，程序簡析 第三局部 畢業(yè)設(shè)計(jì)的收獲參考文獻(xiàn)： 緒論 單片微型計(jì)算機(jī)Single Chip Microcomputer簡稱單片機(jī)，它是把微型計(jì)算機(jī)的各個(gè)功能部件：中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器及I/O接口電路等集成在一塊芯片上，構(gòu)成一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)。 單片機(jī)以其卓越的性能，得到了廣泛的應(yīng)

2、用，已深入到各個(gè)領(lǐng)域。單片機(jī)在控制領(lǐng)域中，具有如下特點(diǎn)：單片機(jī)具有體積小、控制功能強(qiáng)、本錢低等特點(diǎn)，因而可方便地組裝各種智能式控制設(shè)備和儀器，做到機(jī)、電、儀一體化。易擴(kuò)展，很容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)，為應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)帶來極大的方便。可靠性好，適用溫度范圍寬，在各種惡劣的環(huán)境下都能可靠工作，這是其他機(jī)種無法比較的?？梢苑奖愕貙?shí)現(xiàn)多機(jī)和分布式控制，從而使整個(gè)控制系統(tǒng)的效率和可靠性大為提高隨著社會(huì)對(duì)環(huán)保工作的要求不斷提高，以及工業(yè)對(duì)節(jié)能高效低耗的不斷追求，水處理的新工藝新設(shè)備不斷涌現(xiàn)。隨之，對(duì)控制系統(tǒng)的要求也不斷提高，由以往的手動(dòng)控制改為自動(dòng)控制。單片機(jī)由于其自身的特點(diǎn)使其在水處理控制領(lǐng)域有

3、了很大的開展。隨著社會(huì)對(duì)環(huán)保工作的要求不斷提高，以及工業(yè)對(duì)節(jié)能高效低耗的不斷追求，水處理的新工藝新設(shè)備不斷涌現(xiàn)。隨之，對(duì)控制系統(tǒng)的要求也不斷提高，由以往的手動(dòng)控制改為自動(dòng)控制。單片機(jī)由于其自身的特點(diǎn)使其在水處理控制領(lǐng)域有了很大的開展。此次設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)主要用于鍋爐用水的軟化。眾所周知，自然界中的水中含有大量的鈣，鎂離子，這些陽離子使得水硬度很高，很容易在參加的時(shí)候沉淀出來，形成結(jié)垢現(xiàn)象，結(jié)垢不僅會(huì)使鍋爐的效率降低，同時(shí)當(dāng)結(jié)垢到達(dá)一定厚度時(shí)還會(huì)造成平安隱患，發(fā)生爆炸。因此國家有規(guī)定鍋爐的用水必須經(jīng)過軟化處理前方可使用。 所以，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的對(duì)象為鍋爐水處理控制系統(tǒng)的控制器。設(shè)計(jì)中選取的C8051

4、F221器件是完全集成的混合系統(tǒng)級(jí)MCU芯片，使用Cygnal的專利CIP-51TM位控制器內(nèi)核。CIP-51與8051完全兼容，結(jié)構(gòu)上采用流水線結(jié)構(gòu)，與標(biāo)準(zhǔn)的8051結(jié)構(gòu)相比指令執(zhí)行速度有很大的提高，而且在微控制器的內(nèi)部和外部有幾項(xiàng)關(guān)鍵性的改進(jìn)，提高了整體性能，更易于在最終應(yīng)用中使用。在設(shè)計(jì)中用可讀性強(qiáng)的C語言在相應(yīng)環(huán)境下進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，調(diào)試并進(jìn)行仿真測(cè)試以實(shí)現(xiàn)所需功能。第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明一. 水處理控制器的介紹 1. 水處理的工藝流程此控制器的控制對(duì)象為四工位平面閥為：松床位，再生位，置換位和清洗位。工藝流程示意圖如下：1#為進(jìn)水閥 3#為再生閥松床1#開3#關(guān)置換1#開3#關(guān)清洗1#開3

5、#關(guān)再生1#開3#開電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)換位電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)換位電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)換位電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)換位2.工作原理 系統(tǒng)可以通過手動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)換位，在正常工作狀態(tài)下是自動(dòng)運(yùn)行的，換位是由電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)完成。原理圖如下：3.人機(jī)界面 為了便于生產(chǎn)過程中的操作設(shè)計(jì)出相應(yīng)的人機(jī)界面，使各過程可以在可視狀態(tài)下進(jìn)行。單片機(jī)的CPU及擴(kuò)展應(yīng)用的7289使界面的按鍵，數(shù)碼管和指示燈控制相應(yīng)的工作狀態(tài)，顯示相應(yīng)工作過程。其示意圖如下，其中復(fù)位鍵按下顯示初始狀態(tài)，選位鍵與鍵結(jié)合可選工位，確定鍵確定相應(yīng)設(shè)定，鍵用來移位。4.系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能 4.1 具有記憶、保護(hù)功能停電時(shí)可自動(dòng)記憶當(dāng)前狀態(tài)；來電時(shí)自動(dòng)烣復(fù)停電前原狀態(tài)繼續(xù)運(yùn)行；2無電情況下，芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)可保

6、存10年。4.2 具有水位自動(dòng)檢測(cè)、控制和自動(dòng)報(bào)警、保護(hù)、提示功能當(dāng)水位超高時(shí)，6秒后水位高限紅燈亮，自動(dòng)停運(yùn)，水位恢復(fù)正常后紅燈滅、系統(tǒng)進(jìn)入保護(hù)、工位循環(huán)停止，直至水位降到設(shè)定低位，恢復(fù)工位循環(huán)，水位降至低于低位超過30秒，低限紅燈亮，水箱缺水，但工位循環(huán)繼續(xù)進(jìn)行，提醒運(yùn)行人員前去檢查處理；自動(dòng)電機(jī)定位，假設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)換位過程中，被卡大于90秒，無霍爾元件到位信號(hào)，那么過載燈亮，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲，工位循環(huán)停，提醒運(yùn)行人員前去檢查處理；選位功能，可隨意的進(jìn)行人為工位選擇；復(fù)位功能，可立即去除當(dāng)前數(shù)據(jù)，返回初始狀態(tài)；鍵盤防誤功能；一開、關(guān)機(jī)及復(fù)位按電源開關(guān)鍵，控制器自動(dòng)按前次停機(jī)時(shí)記憶工位及剩余時(shí)

7、間開始工作。再按電源開關(guān)鍵，控制器記憶當(dāng)前狀態(tài)，并停止工作。運(yùn)行時(shí)，按住復(fù)位2秒不放，數(shù)碼管顯示RST，控制器各工位時(shí)間全置為出廠時(shí)設(shè)定的原始數(shù)據(jù)，從松床開始工作。二數(shù)碼管顯示和流程時(shí)間修改工位及流程代碼表工 位松床位再生位置換位清洗位工位代碼1234運(yùn)行狀態(tài)數(shù)碼管第一位(左起)第二位至第四位(左起)顯示E-左交換柱R-右交換柱數(shù)碼管顯示流程的剩余時(shí)間流程時(shí)間修改鍵 名按確定2秒確定鍵的作用進(jìn)入時(shí)間修改狀態(tài)移位數(shù)值遞增改變進(jìn)入下一流程時(shí)間調(diào)整數(shù)碼管第一位(左起)第二位(左起)第三位(左起)第四位(左起)顯示流程代碼流程時(shí)間的百位流程時(shí)間的十位流程時(shí)間的個(gè)位手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)鍵 名按選位2秒確定鍵的作

8、用進(jìn)入調(diào)整狀態(tài)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)遇霍爾信號(hào)自動(dòng)停返回運(yùn)行狀態(tài)手動(dòng)工位選擇鍵 名按選位2秒確定鍵的作用進(jìn)入調(diào)整狀態(tài)工位號(hào)增1本次工位選擇有效數(shù)碼管第一位(左起)第三位(左起)顯示E-左交換柱R-右交換柱當(dāng)前工位代碼三工位時(shí)間修改流程時(shí)間修改時(shí)不用停止當(dāng)前循環(huán)，可在任何運(yùn)行狀態(tài)或電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行，修改完成后按下確認(rèn)鍵返回當(dāng)前狀態(tài)，在修改正程中，不會(huì)影響當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)。如果在修改狀態(tài)下，15秒不觸動(dòng)任何鍵即返回當(dāng)前狀態(tài)。修改方法：1、定個(gè)位數(shù)字：按住 確認(rèn)鍵2秒不放，左第1數(shù)碼管顯示流程代碼，右邊三位數(shù)碼管顯示該代碼下的參數(shù)值，右邊第1數(shù)碼管“閃動(dòng)， 按“鍵 ，每按一次，或按住不放，數(shù)字自0至9循環(huán)遞增變化

9、 ，松手即停，按到要設(shè)定的個(gè)位數(shù)字后松手； 2、定十位數(shù)字：按 “ 進(jìn)位鍵，十位數(shù)字“閃動(dòng)，再按“鍵，十位數(shù)字自0至9循環(huán)遞增變化 ，按到要設(shè)定的十位數(shù)字后松手；3、定百位數(shù)字：方法同上； 4、進(jìn)入下一個(gè)流程：再按確定鍵，左第1數(shù)碼管顯示下一個(gè)流程代碼，再重復(fù)上面方法修改時(shí)間，直至6個(gè)流程時(shí)間修改完；5、進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)：最后一個(gè)參數(shù)設(shè)置后，按確定鍵確認(rèn)，這時(shí)左第1數(shù)碼管顯示原柱號(hào)，數(shù)碼管停止閃動(dòng)，進(jìn)入原流程時(shí)間設(shè)定狀態(tài)繼續(xù)運(yùn)行 6、參數(shù)設(shè)置無效：設(shè)置流程時(shí)間參數(shù)未全部完成，如果15秒內(nèi)沒有按下確定鍵，那么程序自動(dòng)返回運(yùn)行狀態(tài)顯示，且本次參數(shù)設(shè)置無效,按原參數(shù)運(yùn)行； 7、修改完后的流程時(shí)間不會(huì)立即

10、見效，下一流程才按設(shè)定參數(shù)執(zhí)行， 如果要使設(shè)定狀態(tài)立即進(jìn)入運(yùn)行，要按下面三選位方法，使它進(jìn)入原柱號(hào)原工位，那么控制器按新設(shè)置的參數(shù)運(yùn)行。檢查各流程時(shí)間方法: 按確定鍵 左第1數(shù)碼管顯示流程代碼, 右邊三個(gè)數(shù)碼管顯示該代碼下的參數(shù)值，按一次確定鍵，進(jìn)入下一流程，直到最后一流程參數(shù)，再按確定鍵，進(jìn)入運(yùn)行顯示，如果15秒內(nèi)后沒有按下確定鍵 ，那么自動(dòng)返回運(yùn)行顯示。四選位操作1 、選位鍵作用：用手動(dòng)方法使控制器顯示工位與多路閥工位一致，或使它進(jìn)入需要的工位排除電機(jī)卡住故障或電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)換工位用；2 、選位操作按住選位鍵2秒不放，右邊三個(gè)數(shù)碼管中中間一個(gè)顯示當(dāng)前工位代碼，左第1數(shù)碼管顯示柱號(hào)，即進(jìn)入選位狀態(tài)

11、。按“鍵，代碼變到下一個(gè)，按下確定鍵，退出選位狀態(tài)，就進(jìn)入選定工位；3 、電機(jī)轉(zhuǎn)位操作按選位鍵2秒不放，右邊三個(gè)數(shù)碼管中中間一個(gè)顯示當(dāng)前工位代碼，按“鍵，電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，直到霍爾發(fā)出到位信號(hào)，電機(jī)自動(dòng)停止，按“鍵代碼變到下一個(gè)工位，按確定鍵，退出轉(zhuǎn)位操作，返回運(yùn)行狀態(tài)；4、電機(jī)卡住故障處理電機(jī)卡住時(shí)，應(yīng)先排除故障，再進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)位操作；5、同時(shí)進(jìn)行選位和電機(jī)轉(zhuǎn)位操作在選位狀態(tài)時(shí)，可同時(shí)進(jìn)行選位和電機(jī)轉(zhuǎn)位操作。當(dāng)前在第一工位，要轉(zhuǎn)換到第三工位，同時(shí)電機(jī)也要轉(zhuǎn)位到第三工位，可進(jìn)行如下的操作：按“鍵，代碼變?yōu)?，再按“鍵，代碼變?yōu)?；按下“鍵，電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，直到霍爾發(fā)出到位信號(hào)，電機(jī)自動(dòng)停止，再按一下“

12、鍵，電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，直到霍爾發(fā)出到位信號(hào)，電機(jī)自動(dòng)停止，再按下確定鍵，退出轉(zhuǎn)位操作，返回運(yùn)行狀態(tài)，控制器即第三工位開始運(yùn)行。二.系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路1.設(shè)計(jì)方案 水處理控制器的功能框圖如下所示鍵盤顯示水位 檢測(cè)電機(jī) CPU 根據(jù)這個(gè)功能框圖可以看出，單片機(jī)要完成的主要任務(wù)是通過I/O口實(shí)現(xiàn)鍵盤功能，通過I/O口和總線擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)顯示功能，通過I/O口或A/D轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制和水位檢測(cè)功能。通過軟件的中斷設(shè)置和單片機(jī)外中斷設(shè)置，來設(shè)置蜂鳴器和中斷工作的優(yōu)先級(jí)。2.設(shè)計(jì)步驟 (1).選擇符合要求的器件 (2).充分了解個(gè)器件的功能和原理并掌握其實(shí)現(xiàn)電路3.設(shè)計(jì)電路4.程序設(shè)計(jì) 第二局部 工程模塊的建立一.選擇

13、 CPU 根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇C8051F2XX系列器件型號(hào)為F221的單片機(jī)用CIP-51TM 微控制器內(nèi)核。1.總體結(jié)構(gòu) 2.引腳定義及功能 C8051F221是32引腳的方形封裝方式集成電路芯片，引腳排列如圖：程序設(shè)計(jì)中的定義 在程序設(shè)計(jì)中要對(duì)應(yīng)用的I/O口引腳進(jìn)行初始化，本設(shè)計(jì)應(yīng)用到的輸入輸出端口有P0，P 1,P2,P3的局部口，原程序代碼下： /CPU與7289通訊用端口定義sbit key=P22; sbit cs=P23;sbit clk=P20;sbit dio=P21;/ 輸出局部定義sbit Mt=P00;sbit bFM=P24;sbit ZSF=P17; /3#再生閥,底

14、電平繼電器吸合sbit JSF1=P16; /1#進(jìn)水閥，底電平繼電器吸合/顯示燈的定義sbit CDXD=P25; /清洗燈/輸入局部端口定義sbit MPosCur1=P02;sbit MPosCur=P02;sbit WaterLS=P03;sbit WaterHS=P04;sbit WaterHS1=P04;sbit WaterLS1=P03;二. 鍵盤控制器ZLG72891.ZLG7289的主要特性2.引腳圖及功能介紹3.應(yīng)用電路及簡析硬件設(shè)計(jì)中的電路設(shè)計(jì)如下： 為了使電源更加穩(wěn)定，一般要在Vcc 到GND 之間接入47470uF的電解電容。J1 是ZLG7289B 與微控制器的接口

15、。晶振Y1 取416MHz，調(diào)節(jié)電容C3 和C4 通常取值在10pF 左右。復(fù)位信號(hào)是低電平有效，一般只需外接簡單的RC 復(fù)位電路，也可以通過直接拉低RST 引腳的方法進(jìn)行復(fù)位。數(shù)碼管必須是共陰式的，不能直接使用共陽式的。DPY1 和DPY2 是4 位聯(lián)體式數(shù)碼管，共同組成完整的8 位。數(shù)碼管在工作時(shí)要消耗較大的電流，R9R16 是限流電阻，典型值是270。64 只按鍵中，左下角是K0，右上角是K63。為了使鍵盤掃描得以正常進(jìn)行，下拉電阻R1R8 和位選電阻R17R24 是必須的。它們之間還要遵從一定的比例關(guān)系，比值在5:1到50:1 之間，典型值是10:1。下拉電阻取值范圍在10100K，位

16、選電阻取值范圍在110K。在多數(shù)應(yīng)用當(dāng)中可能用不到太多的按鍵，建議按列裁減鍵盤，那么相應(yīng)列的位選電阻可以省略。但是下拉電阻一個(gè)都不能省去，除非完全不使用鍵盤。4. SPI 串行接口信號(hào)ZLG7289B 與微控制器的接口采用3 線制SPI 串行總線，由CS、CLK 和DIO 這3 根信號(hào)線組成。CS 和CLK 是輸入信號(hào)，由微控制器提供。DIO 信號(hào)是雙向的，必須接到微控制器上具有雙向功能的I/O 上。SPI 信號(hào)線的具體意義請(qǐng)參見下表：信號(hào)名稱 引腳序號(hào) 描述CS 6 SPI 總線片選輸入信號(hào)， 低電平有效CLK 7 SPI 總線時(shí)鐘輸入信號(hào)， 上升沿有效DIO 8 SPI 總線數(shù)據(jù)信號(hào)， 雙

17、向1 SPI 總線時(shí)序圖5 控制指令詳解ZLG7289B 的控制指令分為單字節(jié)純指令和雙字節(jié)帶數(shù)據(jù)指令兩大類。1 單字節(jié)純指令所有這些指令的長度都是1 個(gè)字節(jié)。執(zhí)行這一類指令時(shí)，不需要附帶任何其它數(shù)據(jù)。(1) 復(fù)位去除指令(2) 測(cè)試指令(3) 左移指令(4) 右移指令5) 循環(huán)左移指令 (6) 循環(huán)右移指令2 雙字節(jié)帶數(shù)據(jù)指令所有這些指令的長度都是2 個(gè)字節(jié)。第1 字節(jié)是命令字，第2 字節(jié)是輸入或輸出的數(shù)據(jù)。(1) 下載數(shù)據(jù)并且按方式0 進(jìn)行譯碼(2) 下載數(shù)據(jù)并且按方式1 進(jìn)行譯碼(3) 下載數(shù)據(jù)但不譯碼 (4) 閃爍控制(5) 消隱控制(6) 段點(diǎn)亮指令(7) 段關(guān)閉指令(8) 讀鍵盤數(shù)

18、據(jù)指令三. 復(fù)位 1. 復(fù)位源 MCU的復(fù)位電路允許很容易地將控制器置于一個(gè)預(yù)定的缺省狀態(tài)。在進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)時(shí)，CIP-51程序停止執(zhí)行，將外部端口引腳置于一個(gè)狀態(tài)，將SFR初始化為缺省狀態(tài)，禁止中斷和定時(shí)器。有六個(gè)能使MCU進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)的復(fù)位源：上電/掉電復(fù)位，外部/RST引腳，軟件命令，比較器0，時(shí)鐘喪失檢測(cè)器及看門狗定時(shí)器。論文中就看門狗定時(shí)器為例作介紹。 2.看門狗定時(shí)器復(fù)位 MCU內(nèi)部有一個(gè)使用系統(tǒng)時(shí)鐘可編程看門狗定時(shí)器WDT。當(dāng)看門狗定時(shí)器溢出時(shí)，WDT將強(qiáng)制CPU進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。為了防止復(fù)位，必須在溢出發(fā)生前重新觸發(fā)WDT。如果系統(tǒng)出現(xiàn)了硬件/軟件發(fā)生錯(cuò)誤，使應(yīng)用軟件不能重新觸發(fā)WDT，那么WDT將溢出并發(fā)生復(fù)位，這可以防止系統(tǒng)失控。 WDT是一個(gè)21位的使用系統(tǒng)時(shí)鐘的定時(shí)器。該定時(shí)器檢測(cè)對(duì)其控制器寫操作的時(shí)間間隔，如果這個(gè)時(shí)間間隔超過了編程的極限值，將產(chǎn)生一個(gè)WDT復(fù)位。可以根據(jù)需要用軟件允許或禁止WDT，或根據(jù)要求將其設(shè)置為永久性允許狀態(tài)?？撮T狗功能可以通過看門狗定時(shí)器控制存放器WDTCN控制。允許/復(fù)位WDT向WDTCN存放器寫入0 xA5將允許并復(fù)位看門狗定時(shí)器。禁止 WDT 向WDTCN 存放器寫入0 xDE后再寫入0 xAD將禁止WDT。 四 .中斷 在CPU與外設(shè)交換信息時(shí)，假設(shè)使用查尋方式，那么CPU會(huì)浪費(fèi)較多的時(shí)間去等待