水位控制课程设计

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1、郑州轻工业学院课 程 设 计 任 务 书 题目 水位控制器设计 专业、班级 学号 姓名 主要内容、基本要求、主要参考资料等：一、主要内容： 熟悉单片机应用系统的设计方法和规范，达到综合的目的。 学习文件检索和查找数据手册的能力。 学习protel软件的使用。 学会整理和总结设计文档报告。二、基本要求： 以MCS-51系列单片机为核心，组成一个水位自动控制系统。 六区间式水位显示。 全自动位式进水。 满水、低水水位报警。 水位传感器故障自检及报警提示。 能延时恢复的报警消音。三、主要参考资料： 张毅坤等 单片微型计算机原理及应用 西安 西安电子科技大学出版社 李建忠编著 单片机原理及应用 西安

2、西安电子科技大学出版社 完 成 期 限： 2015年1月2日 指导教师签名： 课程负责人签名： 2015年 1 月 2 日摘 要随着科学技术的发展，单片机作为嵌入式微控制器在工业测控系统， 智能仪器和家用电器中得到广泛应用。本次设计利用MCS-51系列单片机进行控制，利用水的导电性测量水位的变化，把测量到的水位变化转换成相应的电信号，用单片机对接收到的信号进行数据处理，完成水位的检测、控制及故障报警等功能。关键词 单片机 电信号 水位目 录摘要I1.引言12.总体设计思想22.1 目标功能及分析22.2设计思路22.3总体设计框图33. 单元设计53.1水位检测53.1.1水位检测原理53.1

3、.2水位控制电路设计63.2 水位显示73.3报警电路83.4进出水电路94软件设计104.1设计概述104.2设计流程图115收获与总结14参考文献151.引言水位控制在日常生活及工业领域中应用相当广泛。生活中，一些大型工厂的锅炉水位，特别是农村住宅楼房生活用水水箱的水位的控制现在大都未能实现自动控制，水位的高低通常有水电管理人员进行控管，非常麻烦，而且常出现断水和水位过高产生的溢水事故。这给工厂和居民的生活带来了极大的不便，同时也造成了不必要的水资源的浪费。于是结合我们所学的专业知识，就有了这个课题。通过对水位控制进行自动化控制系统的改造，从而实现提供足够的水量、平稳的水压、水塔水位的自动

4、控制有设计低成本、高实用价值的控制器。该设计采用分立的电路实现超高、低警戒水位处理,实现自动控制,而达到节能的目的,提高了供水系统的质量。2.总体设计思想2.1 目标功能及分析本设计用80C51单片机为核心，由于单片机I/O管脚能够使用的只有P0口，而设计的要求是利用引脚输入信号并对信号进行处理，并且要输出水位显示，故障报警，启动停止水泵等功能，这样一来我们只用单片机的P1引脚是远远不够的，因此需利用8255A对其引脚进行扩展， 通过8255A的PC口进行信号的输入并利用8255A的PA口连接数码管来显示实际水位，当水位在不同的位置时利用程序控制将在数码管上显示这段时间的水位。并利用延时子程序

5、来延时，延时时间1S，每间隔1S系统将进行一次水位检测，当水位低于下限水位时将通过PC口输入信号并由8255A将信号送到单片机，通过单片机来控制水泵工作，同样当水位上升到上限水位时将通过PC口输入信号并由8255A将信号送到单片机，通过单片机的P1.6口来控制停止水泵工作，当处于上下线之间是保持原有状态，并且此设计我还设计故障报警和水质检测，当检测到故障时通过PC口输入信号并由8255A将信号送到单片机，再由单片机的P1.5和P1.7口输出信号到发光二极管，通过二极管和水质有问题时我通过发光二极管来显示，同时停止系统工作。水位显示设计的是动态的，因此在设设计时我要设计一个延时子程序，延时时间2

6、ms，通过延时子程序经过一段时间间隔后，再调用显示子程序。通过这种反复调用来实现LED显示器的动态扫描。2.2设计思路每部分电路都有其相应的功能：首先由信号产生部分产生整个电路的输入信号，该信号经过信号处理部分处理后输出其他电路的控制信号，控制其他电路工作：电机控制电路部分接收到由信号处理电路输出的有效控制信号后正常工作驱动电机转动抽水，使水位上升，而水位的变化又直接关系到信号的产生，因此有一个循环的过程，即使水位保持在一定范围内；水位显示电路接收到有效信号后驱动显示器工作使其显示该时刻的水位；水位超限时输出为报警电路的有效控制信号使报警电路工作驱动报警器报警。有“信号产生信号处理电机控制电机

7、信号产生”这个循环就能使水塔具有自动控制水位的能力。2.3总体设计框图分析可知，该设计电路主要有三个功能：水位控制、水位显示与报警。而要有这些功能就必须要有使其工作的控制信号，所以首先就必须要有输入信号，因为任务要求是自动控制所以输入信号也必须由电路自己产生而不能人为加入。因此可以将整个电路设计为五个部分：信号产生、信号处理、电机控制、报警控制和水位显示电路。整体设计电路框架如图2-1所示。图2-1整体设计电路框架3. 单元设计3.1水位检测3.1.1水位检测原理单片机水塔水位控制原理如图3-1所示，图中的虚线表示允许水位变化的上、下限位置。在正常情况下，水位应控制在虚线范围之内。为此，在水塔

8、内的不同高度处，安装固定不变的3根金属棒A、B、C，来反映水位变化的情况。其中，A棒在下限水位，B棒在上、下限水位之间，C棒在上限水位。水塔由电机带动水泵供水，单片机控制电机转动，随着供水，水位不断上升，当水位上升到上限水位时，由于水的导电作用，使B、C棒均与+5 V连通。因此b、c两端的电压都为+5 V即为“1”状态此时应停止电机和水泵工作，不再向水塔注水。当水位处于上、下限之间时，B棒和A棒导通，而C棒不能与A棒导通，b端为“1”状态，c端为“0”状态。此时电机带动水泵给水塔注水，使水位上升，还是电机不工作，水位不下降，应继续维持原有工作状态。当水位处于下限位置以下时，B、C棒均不能与A棒

9、导b、c均为“0”状态，此时应启动电机转动，带动水泵给水塔注水。图3-1水位检测电路示意图3.1.2水位控制电路设计水塔水位控制系统主要由CPU(AT89C51)、水位检测接口电路、报警接口电路、存储器扩展接口电路、复位电路、时钟振荡等部分组成。而设计中所用到的原件有锁存器、AT89C51、74LS373。图3-2 水塔水位控制系统结构框图3-3 系统硬件电路3.2 水位显示利用单片机与8255A连接，将显示水位信号通过8255A的PA口送到数码管进行显示。而我们通过单片机的P1.0、P1.1和P1.2来控制LED管硬件图如下：图3-4 显示模块硬件图3.3报警电路这部分的主要功能是当水位超过

10、警戒水位时或者传感器出项故障时报警。如果水位超过警戒水位。P3.7口输出高电平，三极管导通，驱动扬声器发声报警。图3-5 报警模块电路设计3.4进出水电路工作时，如果水位超过警戒水位，处理器会根据测得水位来判断不同的处理方式。当超过满水位时，它会在P2.2口输出高电平，三极管导通，驱动扬继电器吸合。出水电动机得电开始工作。抽出水。直到低于警戒水位。当低于低水位时，它会在P2.3口输出高电平，三极管导通，驱动扬继电器吸合。进水电动机得电开始工作。抽进水。直到高于低警戒水位。图3-6 进出水电路设计4软件设计4.1设计概述一个应用系统，要完成各项功能，首先必须有较完善的硬件作保证。同时还必须得到相

11、应设计合理的软件的支持，尤其是单片机应用高速发展的今天，许多由硬件完成的工作，都可通过软件编程而代替。甚至有些必须采用很复杂的硬件电路才能完成的工作，用软件编程有时会变得很简单，如数字滤波，信号处理等。因此充分利用其内部丰富的硬件资源和软件资源，采用MCS51汇编语言和结构化程序设计方法进行软件编程。这个系统程序由主控程序、延时子程序，显示子程序组成。其中主控程序是核心。由它控制着整个系统程序的运行和跳转。流程图如图5所示。包括系统初始化，数据处理，故障报警等。 软件设计的具体步骤如下： 当水位低于A时，由于极棒A和G、B和G之间被空气绝缘，PC1和PC0得到低电平，全置0，单片机控制电路使P

12、3.0置零，继电器吸合，启动水泵向水塔灌水； 当水位高于A低于B时，PC1置1，PC0置0，继电器常开触电自保，因此升到A以上时，继电器并不立即释放，电极仍然供水； 当水位达到B时，PC0 、PC1均置1，单片机控制电路使P3.0置1，继电器释放，水泵停止工作； 用水过程中，水位降到B以下，PC0置0，PC1置1，维持原状，电机不工作，直到降到A以下，如此循环往复。系统出现故障时，由P1.8置零，输出报警信号，驱动一支发光二极管D1进行光报警。用水过程中，当光电传感器检测到水质有问题时，此时由P1.7口置零，输出报警信号，驱动一支发光二极管D2进行光报警。若水泵工作则停止工作。4.2设计流程图

13、流程图1：下图4-1主要实现的是控制水泵是否工作，故障检测功能。图4-1 流程图1流程图2：图4-2是显示水位的子程序设计流程图，我们可以通过下面的子程序来显示水位，此时若水位低于A导电片下我将其LED显示水位为00，这是水泵工作，若水位低于C导电片下我将其LED显示水位为02，若水位低于D导电片下我将其LED显示水位为04，若水位低于E导电片下我将其LED显示水位为06，若水位低于B导电片下我将其LED显示水位为08，若水位高于和等于B导电片时我将其LED显示水位为12，停止水泵工作。图4-2流程图25收获与总结本次课程设计我们设计的是水塔水位控制。整个设计过程就是一个不断熟悉和掌握单片机系

14、统设计方法的过程。这个过程又似一个探索与发现的过程，在这个过程中，我们会不断的发现新问题，从而需要不断的去探索，去寻求解决问题的方法与途径，而每一次成功解决问题都会给我们以无比的鼓励和愉悦。这个过程能够给我们一个很好的锻炼，不仅只是专业知识更好的掌握，更重要的是可以培养我们的兴趣、思维能力和动手能力。作为一名电信工程专业的学生，单片机的课程设计是很有意义的。更重要的是如何把自己平时所学的东西应用到实际中。虽然自己对于这门课懂的并不多，很多基础的东西都还没有很好的掌握，觉得很难，也没有很有效的办法通过自身去理解，但是靠着这段时间的学习，在老师和同学的帮助和讲解下，渐渐对这门课逐渐产生了些许的兴趣，自己开始主动学习并逐步从基础慢慢开始弄懂它。我认为这个收获应该说是相当大的。参考文献1 杨宁.单片机与控制技术M.北京:北京航空航天大学出版社, 2002; 2 陈永甫.基于MCS-51系列单片机原理及应用M.北京:国防工业出版社,2003;3 方大千,朱丽宁.电子控制装置制作入门(第四版)M.武汉:国防工业出版社,1996;4 张毅刚,彭喜元,姜守达和等.MCS-51单片机应用设计M.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2003;5 张毅刚,刘杰.单片机原理及应用M.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2004;6 何立民主编.单片机应用文集M.第一版.北京航空航天大学出版社,1993;