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1、毕 业 (设 计) 论 文题目： 基于51单片机控制的水塔自动供水系统系部： 电气工程与自动化系 专业： 自动化技术 班级： 电气A0701班 姓名： 李月鹏 指导教师： 陈毅朋、张慧明 山 西 综 合 职 业 技 术 学 院 摘 要微型计算机SCMC，简称单片机，又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，可进行简单运算和控制。虽然单片机只有一个芯片，但无论从组成还是从功能上看，它已具备了计算机系统的属性，是一个简单的微型计算机。单片机以其体积小、功能全、价格优等种种优势充满着整个市场。现在，单片机的使用领域
2、已十分广泛，如智能仪表、实时工控、导航系统、家用电器等。单片机开发出的各种产品遍布于我们日常生活中的每个角落。为了加深对单片机智能型控制器的了解，经过综合分析，本次设计最终选取了由51单片机控制的智能型液位控制器作为研究工程，本文对单片机水塔水位控制系统进行了整体设计，完成了单片机水塔水位控制系统硬件接线图和流程图以及单片机内部控制程序设计，并完成了开发板模拟仿真过程。通过此次设计过程，自己在分析问题、解决问题方面的能力得到了很大程度的提高。关键词： MCS-51单片机 液压传感器 AD转换 水塔水位检控目 录引言31、系统设计方案比拟及论证32、系统原理框图43、工作原理44、硬件设计44.
3、1 STC89C52RC单片机简介44.2 锁存器(74HC573)简介54.3 ADC0804简介64.4 单片机与继电器及蜂鸣器的接口电路74.5 井中缺水信号检测电路84.6 压力传感器介绍94.7 LCD1602液晶显示屏接线图及其引脚功能图104.8 开关电源局部105、软件设计125.1 程序流程图125.2 程序流程图解析136、实验仿真结果137、结束语13致谢14附 录15附录1 PCB原理图15附录2 C程序16参考文献26基于51单片机控制的水塔自动供水系统山西综合职业技术学院 李月鹏引言 水塔供水的主要问题是塔内水位应始终保持在一定范围，防止“空塔、“溢塔现象发生。目前
4、，控制水塔水位方法较多，其中较为常用的是由单片机控制实现自动运行，使水塔内水位保持恒定，以保证连续正常地供水。实际供水过程中要确保水位在允许的范围内浮动，应采用水压监测来控制水位。首先通过压力传感器实时检测水压，测量水位变化，再变送成电压信号传回单片机，由单片机执行内部控制程序指令，从而控制水泵电动机，保证水位在正常范围内变化。为此，这里给出以STC公司的STC89C52RC单片机为核心器件、以压力传感器为检测原件、通过ADC0804芯片为信号转换原件的水塔水位检测控制系统仿真设计，实现水位的自动检测控制、电机故障检测和报警等功能，通过在51单片机实验开发板上实际仿真，实验结果说明：该系统具有
5、良好的检测和控制功能，实用性很强。1 系统设计方案比拟及论证 对于液位进行控制的方式有很多，而应用较多的主要有2种，一种是通过简单的机械控制装置来实现，而另一种是由复杂的控制器来控制。两种方式的实现简介如下： (1)简单的机械式控制方式。其常用形式有浮标式、电极式等，这种控制形式的优点是结构简单，本钱低廉。存在问题是精度不高，不能进行数值显示，另外很容易引起误动作，且只能单独控制，与计算机进行通信较难实现。 (2)复杂控制器控制方式。这种控制方式是通过安装在水塔出口管道上的压力传感器来把出口水压变成标准工业电信号的模拟信号，再经过前置放大、AD转换模块变换成数字信号传送到单片机中，而后经单片机
6、运算和给定参量的比拟，进行PID运算，得出调节参量；最后经由DA变换给调压、变频调速装置输入给定端，控制其输出电压变化，来调节电机转速，以到达控制水箱液位的目的。 针对上述2种控制方式，以及设计需到达的性能要求，这里选取第二种控制方式，同时考虑到本钱问题需要把PID控制去掉。最终形成的方案是，利用单片机为控制核心，设计一个对水塔水位能进行自动监控的工控系统。根据监控对象的特征，要求实时检测水塔的液位高度，并与开始预设定的上、下限值做比拟，由单片机控制固态继电器的开断进行液位的调整，最终到达液位的预设定值范围内。检测值假设高于上限设定值时，要求报警，同时断开继电器，使水泵停止上水；检测值假设低于
7、下限设定值，要求报警，同时开启继电器，控制水泵开始上水。现场在LCD1602液晶屏上实时显示测量值，从而实现对水箱液位的自动监控。 在功能上，本设计还预留了两个调参按键，通过这两个按键可以自由设定水塔内水位的上下限值，以此来实现人工可控功能。2 系统原理框图 图1 系统原理框图3 工作原理基于51单片机实现液位控制的控制器是以STC89C52RC芯片为核心，由键盘、LCD1602液晶显示、ADC0804模数转换、液压传感器、开关电源、蜂鸣报警、电磁继电器等局部组成。工作过程如下：水塔液位发生变化时，引起水塔中液压传感器的输出电压值变化，即把压力变化量转化成电压信号；该信号经过运算放大电路放大后
8、变成幅度为05 V标准信号，送入AD转换器，AD转换器把模拟信号量变成数字信号量，再由单片机进行实时数据采集，并进行处理，根据设定要求控制输出，同时由液晶屏显示液位高度。通过键盘能够自由设置水位上下限值。该系统控制器的最大特点是可直观地显示水位占水塔容积的百分量，并可任意控制水位上下限高度。 4 硬件设计液位控制器的硬件主要包括由单片机、液压传感器(带变送器)、键盘电路、液晶显示电路、AD转换器和输出控制电路等。 4.1 STC89C52单片机简介 单片机采用的是由STC公司生产的双列40脚STC89C52RC芯片。STC公司生产的STC89C52RC单片机,是一款性价比非常高的单片机，普通用
9、户可完全将其当作一般的51单片机来使用，高级用户可使用其扩展功能。 STC公司的单片机内部资源比起来ATMEL公司的单片机要丰富的多，它内部有1280字节的SRAM、8-64K字节的内部程序存储器、2-8K字节的ISP引导码、除P0-P3口外还多出了P4口(PLCC封装)、片内自带8路8位AD(AD系列)，片内自带EEPROM、单片机内自带看门狗、双数据指针等。目前STC公司的单片机在国内市场上的占有率与日俱增。其中在这里我们把P0口连接LCD1602液晶显示屏；P1口用于AD转换； P2口用于控制电磁阀、蜂鸣报警和键盘输入；P3口用于读写控制和中断等。下列图是STC89C52RC单片机管脚图
10、。 图2 STC89C52RC单片机管脚图4.2 锁存器74HC573简介 锁存器，顾名思义，就是把输入端的数据锁存或送出到输出端，如下列图所示，第11角锁存端为高电平的时候，右边D0-D7的输入与左边Q0-Q7的输出是直通的，就是说，输入端是什么电平，输出端就是什么电平，可以把它当作不存在。当第11角为低电平的时候，左右两端就被断开了，无论输入端怎么变化，输出端都不会变化，当第11角由低电平变为高电平的一瞬间，输入端的数据立刻被传送到输出端，并且在11角保持为高电平期间，输出端数据始终的输入端数据相同，如果此时我们再次把第11角设置为低电平，那么以后当输入端无论再怎么变化，输出端都不会变化而
11、是保持刚刚第11角在下降沿由高电平到低电平跳变之间时输入端的值，这样就到达了锁存数据的目的，这也就是所谓的总线设计思路，一个8位的数据线加一个锁存器后就可以扩接多个元件，中选通哪个元件的片选信号，就送数据给那个元件。 图3 74HC573管脚图4.3 ADC0804简介 ADC0804是8位全MOS中速A/D 转换器，它是逐次逼近式A/D 转换器，片内有三态数据输出锁存器，可以和单片机直接接口。单通道输入,转换时间大约为100us。ADC0804 转换时序是：当CS0 许可进行A/D 转换。WR由低到高时，A/D开始转换。CS与WR同时有效时启动A/D转换，转换结束产生INTR 信号低电平有效
12、，可供查询或者中断信号。在CS和RD 的控制下可以读取数据结果。在使用时可选择中断、查询和延时等待3种方式编制AD转换程序。本实验没有使用INTR信号，而是采用了延时等待的方式，以便把中断口留给LCD1602液晶显示屏接线使用。AD转换电路在控制器中起主导作用，用它来将液压传感器输出的模拟电压信号转换成单片机能处理的数字量。下列图是AD转换局部原理图，在接线时先要经过运算放大器和分压电路把传感器输出的电流信号转换成电压信号，然后输入到AD转换器。由于实际条件较为有限，在此暂时由电位器来代替模拟液压传感器传回的电压信号量。 图4 ADC0804与单片机接线图4.4 单片机与继电器及蜂鸣器的接口电
13、路简介采用光电耦合器的开关量输出电路如下列图所示。+5V电源为单片机电源，+24V电源为开关量输出电源，两个电源是隔离的。当单片机输出端口输出高电平时，经与非门电路，A点为低电平，经光耦器件使驱动晶体管V导通，出口继电器J得电吸合。当输出端输出低电平时，经与非门电路，A点输出高电平，经光耦器件使V截止，J释放。以此来控制水泵执行运行或停止工作。 图5 单片机与继电器接口电路原理图说明：P2.5口接的J，是为了判断接触器是否吸合，从而判知水泵是否得电，以此来检测配合完成单片机内部程序的运行。也就是说程序流程图上的“判断水泵的前一个工作状态就是通过此处的接触器常开触点J的通断来判断的。 图6 单片
14、机与蜂鸣器接口电路原理图4.5 井中缺水信号检测电路 图7 井中缺水信号检测电路说明：通过井中的两电极是否导通来判断井中是否缺水，当井中水位过低、缺乏以淹没两检测电极，那么P2.0口会检测到一个低电平输入信号，单片机可判知井中缺水，并作出相应的动作指令，如缺水报警、水泵停机等紧急动作。4.6 压力传感器介绍经过市场及网上实际调查发现，目前的液压传感器价格普遍偏高，多为高规格工业用品。为实现低价位高功能，在此我们通过气压传感器改制了一个液压传感器。同样可以满足实际要求。传感器使用SY一9411LD型变送器，它内部含有1个压力传感器和相应的放大电路。该压力传感器是美国SM公司生产的5552型OEM压阻式压力传感器，其有全温度补偿及标定(O70)，传感器经过特殊加工处理，用巩固的耐高温塑料外壳封装。其引脚分布如图3所示。1脚为信号输出(一)；2脚为信号输出(一)；3脚为鼓励电压；4脚为地；5脚为信号输出(+)；6脚为信号输出(+)。 在水塔底部安装1根直径为5 mm的软管，
