课程设计-单片机水塔水位控制[1]要点.pdf

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1、0 目录 第一章 系统整体设计说明 . 1 第二章 整体设计方案 . 2 第三章 设计系统方框图与工作原理. 3 3.1 工作原理： . 3 3.2 系统结构框图 : 4 第四章 硬件设计及说明 . 5 4.1 硬件设计说明 : 5 4.2 水位控制硬件设计： 5 4.3 故障及水质监测硬件设计： 6 4.4 水位显示硬件设计原理图： . 7 第五章 软件设计与说明（包括流程图）. 8 5.1 软件设计： 8 5.2 软件设计流程图： 10 第六章 调试步骤、使用说明 . 11 第七章 设计总结 . 13 参考文献 . 错误！未定义书签。 附录 14 1 第一章系统整体设计说明 现代传感技术、

2、电子技术、计算机技术、自动控制技术、信 息处理技术和新工艺、新材料的发展为智能检测系统的发展带来 了前所未有的奇迹。在工业、国防、科研等许多应用领域，智能 检测系统正发挥着越来越大的作用。检测设备就像神经和感官， 源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信息，成为人们认 识自然、改造自然的有力工具。现代的广义智能检测系统应包括 一切以计算机（单片机、PC机、工控机、系统机）为信息处理核 心的检测设备。因此，智能检测系统包括了信息获取、信息传送、 信息处理和信息输出等多个硬、软件环节。从某种程度上来说， 智能检测系统的发展水平表现了一个国家的科技和设计水平。 本课题研究的内容是 “ 水塔水位控制

3、系统 ” 。 水位控制在日常生 活及工业领域中应用相当广泛，而以往水位的检测是由人工完成 的，值班人员全天候地对水位的变化进行监测，用有线电话及时 把水位变化情况报知主控室。然后主控室再开动电机进行给排水。 很显然上述重复性的工作无论从人员、时间和资金上都将造成很 大的浪费。同时也容易出差错。因此急需一种能自动检测水位， 并根据水位变化的情况自动调节的自动控制系统，我所设计的就 是这方面的课题。 水位检测可以有多种实现方法，如机械控制、逻辑电路控制、 机电控制等。本设计采用单片机进行主控制，在水水塔上安装一 个自动测水位装置。利用水的导电性连续地全天候地测量水位的 变化，把测量到的水位变化转换

4、成相应的电信号，主控台应用单 片微机对接收到的信号进行数据处理，完成相应的水位显示、控 制及故障报警及显示水位等功能。 2 第二章整体设计方案 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，污水报警，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，（单 片机的 P1,P2和 P3的部分引脚不能用来信号的输入输出）因此我 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 口连接两个数码管来显示实际

5、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

6、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。水位显示我设计的是动态的，因此在设设计时我要设 计一个延时子程序， 延时时间 2ms，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。 3 第三章设计系统方框图与工作原理 3.1 工作原理： 我们可以设置水位的上下限，在正常情况下，应保持水位在 上下限之间。为此，在水塔内的不同高度安装3 根金属棒，以感 知水位变化情况。其中， A 棒处于下限水位， B 处于上限水位， G 浮球在上下水位之间，它可以在水面上浮动。 水塔由电机带动水泵供水，单片机控制电机转动，以达到水 位控制

7、之目的。供水时，水位上升，当达到上限时，由于水的导 电作用， G 棒连通 +5V。因此， A、B 两端均为 1 状态，这时应停 止电机和水泵的工作，不再給水塔供水。 当水位降到下限时， A、B 棒都不能与 G 棒导电，因此 A、B 两端均为 0 状态。这时，应启动电机，带动水泵工作，給水塔供 水。 当水位处于上下限之间时，G 棒与 A 棒导通，因此 B 棒不能与 G 棒导通，A 端为 1 状态，B 端为 0 状态。这时，无论是电机已在带 动水泵給水塔供水，水位在不断上升，或者是电机没有工作，用 水使水位在不断下降，都应继续维持原有的工作状态。 为了满足本次课程设计的要求，我们还要显示上下限水位

8、之 间的几个数值，其电路的接法和A 棒和 B 棒一样，都是接一个电 阻然后接地，然后将端口接到单片机上，通过单片机与显示器连 接，以显示不同的水位值。由于本次课程设计不需要动态显示所 以只需要一个显示器即可。 4 3.2 系统结构框图 : 该方案以单片机为核心，配以一定的外围电路和软件，以实 现水塔水位控制的功能。它由硬件部分和软件部分组成。系统设 计方案的硬件电路设计框图如下图1 所示。 单片机 8255A 启动水泵 故障报警 污水报警 信号输入 水位显示 图 3.1 5 第四章硬件设计及说明 4.1 硬件设计说明 : 此设计也可以用PROTEUS 来进行仿真，我们可以在此软件中仿真 有点繁

9、琐，我的硬件仿真是在试验台上进行的，但基本接线与下 图 2 一样，由于试验台上没有水泵，我就用发光二极管来代替水 泵，通过二极管是否发光来显示出水泵是否工作。用80C51 设计 一个单片机最小控制系统。 其中 PC0接水位上限传感器； PC1接水 位下限传感器；PC4输出后接光电耦合器， 用来检测水的质量，P1.6 输出后通过继电器控制水泵工作；P1.5 输出后接LED ，当出现故 障是 LED发亮； P1.7 输出后接 LED ，当水出现浑浊时LED发亮。 4.2 水位控制硬件设计： 用导电片、导线等设计一个水塔水位传感器。其中A电极置 于水位 2m 处经 4.7K 下拉电阻接 8255A的

10、 PC1口， B 电极置于 水位 12m处经 4.7K 下拉电阻接 8255A的 PC0口，C电极置于水位 4m处经 4.7K 下拉电阻接 8255A的 PC2口，D电极置水位 6m处经 4.7K 下拉电阻接 8255A的 PC4口，E电极置于水位 8m处经 4.7K 下拉电阻接 8255A的 PC5口并将它们全部接地。再设计一个导电 浮球 G并在浮球上接 +5V电压。 设计一个单片机至水泵的控制电路。 要求单片机与水泵之间要用光电耦合器和继电器控制，计算出 LED 限流电阻，接好继电器的续流二极管。硬件仿真图如下： 6 图 4.1 4.3 故障及水质监测硬件设计： 利用光电传感器测出水的浑浊

11、度并转换成电压与标准水质所 得电压做与比较，通过PC3口接入单片机。利用发光二极管来显 示。硬件仿真图如下： 7 图 4.2 4.4 水位显示硬件设计原理图： 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 和 P1.1 来控 制两个 LED管硬件仿真图如下： 8 图 4.3 第五章软件设计与说明（包括流程图） 5.1 软件设计： 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 9 件编程而代替。 甚至有

12、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P3.0 置零，继电器吸合，启动水泵向水塔灌水； 当水位高于 A 低

13、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。 10 5

14、.2 软件设计流程图： 流程图 1：下图 2 主要实现的是控制水泵是否工作，故障检测， 水质检测的功能。 开始 检测水质 PC4=0? 水位检测 最高水位 PC0=1? 最低水位 PC1=1? 停机 报警 P1.7=0 保持 N Y Y Y PC1=1? 启动 P1.6=0 报警 P1.5=0 停机 P1.6=1 等待 停机 P1.6=1 N Y N 延时 图 5.1 11 如下图 3 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

15、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。 显示水位 PC1=0? PC2=0? PC4=0? PC5=0? PC0=0? 显示数值 0 显示数值 2 显示数值 4 显示数值 6 显示数值 8 显示数值 12 返回 图 5.2 12 第六章调试步骤、使用说明 1) 硬件的调试机器故障排除 硬件的调试在上电后的工作是不是正常，主要包括不插单片 机的调试和插上单片机的检测。 2) 无单片机的调试 无单片机

16、调试主要检查电路工作是否正常，调试数码管是否 点亮，显示数据是否正确，具体步骤如下： A：打开电源，将输出电压调到5 伏，然后关闭电源。 B：将电路板的火线与电源正极相连，地线与负极相连。 C：打开电源，用万用表检测电路板是否有输出电压，如果有 就是好的，没有就要检测是否有短路。 D：电路检查完后，关闭电源，用一根导线与电源负极相连， 然后打开电源，用导线的另一端逐个与P0、P2口的管脚接触，看 数码管显示是否正确。 调试过程中遇到的问题及解决办法： （1）上电后，用导线一端接低电平，另一端逐一连接P0、P2 管 脚，数码管显示不正常，检测后发现管脚有短路现象，将短路管 脚重新焊接后，显示正常

17、。 （2）反复调试几次后，发现电路不稳定，有时没反应。仔细分析 后，觉得是稳压管有问题，拆除后直接接5V电压源，问题解决。 （3) 有单片机的调试 加上单片机，目的是看单片机能否正常工作，有效地控制显 示数据。编写一个小程序，烧入芯片中加点调试。 将编好的程序进行编译，即将*.ASM文件转化为 *.BIN 文件， 然后烧入片子。程序的编译和烧入将在以后介绍。 把单片机 AT89C51接入底座插入底座，加电，看各位显示是 不是正确。 用复位键看显示是否正确，如果稳定，表示调试成功。 调试过程中遇到的问题：上电后，用示波器检测30脚，发现 没有时钟频率输出， 仔细分析发现 30 脚没接高电平，重新

18、焊接后， 输出漂亮的时钟脉冲。 13 第七章设计总结 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。 作为一名电气工程专业的学生，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

19、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 着这俩个星期认真的学习，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。 一开始我们从老师那领来课题，回去后找参考书，上网找资 料，把程序输到软件中再仿真，发现很多程序都是不完整的，这 让我们伤透了脑筋。看着别的小组都弄得有模有样了，可是我们 连这个课题程序都没有弄好。最后反复推敲仿真结果还是很不尽 人意。程序接线什么的都没改好了，使用电脑软件调试没有问题， 可是就是无法达到预期想要的结果。无奈之下不得不求助于老师， 经过老

20、师给我们分析讲解程序的各个环节设计。经过大家一起努 力，终于完成了设计。应该说这是通过我们小组成员的共同努力 和动脑完成的，虽然内容并不是很复杂，但是我们觉得设计的过 程相当重要，学到了很多，收获了很多。 14 参考文献 1、教材单片微型计算机技术刘国荣 编机械工业出版社 2、 单片微型计算机原理、 应用及接口技术张迎新 编 国防工 业出版社 3、 单片机实用系统设计技术房小翠 编国防工业出版社 4、 单片机应用系统设计何立民 编北航出版社 5、 单片机原理及接口技术曹琳琳编国防科技大学出版社 附录 附录 A 系统原理图 15 附录 B 系统程序清单 org 0000h sjmp main o

21、rg 0030h main: mov dptr, #0cfa3h mov a, #89h movx dptr, a mov dptr, #0cfa2h movx a, dptr jnb acc.3,lp1 jb acc.0,one jb acc.1,three clr P1.6 setb p1.5 setb p1.7 acall main1 back: acall delay1 sjmp main lp1: clr P1.5 setb P1.6 acall main1 lp2: sjmp main one: jb acc.1, two clr P1.7 setb P1.6 setb p1.5

22、acall main1 four: ajmp main two: setb P1.6 setb p1.5 acall main1 ajmp back three:clr P1.6 setb p1.5 setb p1.7 acall main1 ajmp back 16 ;延时 2ms delay: mov r6,#10 dl1: mov r5,#48 dl3: nop nop djnz r5,dl3 djnz r6,dl1 ret ;延时 1S delay1: mov r6,#4 dl1: mov r5,#251 dl2: mov r4,248 dl3: nop nop djnz r4,dl3

23、 djnz r5,dl2 djnz r6,dl1 Ret ;显示水位 main1: jb acc.1,return1 mov r1, #0 mov a, r1 acall dir ret return1: jb acc.2, return2 mov r1, #02 mov a, r1 acall dir ret return2: jb acc.4, return3 mov r1, #04 mov a, r1 acall dir ret return3: jb acc.0, return4 mov r1, #06 mov a, r1 acall dir 17 ret return4: jb ac

24、c.0, return5 mov r1, #08 mov a, r1 acall dir ret return5: mov r1, #12 mov a, r1 ret dir: clr p1.0 setb p1.1 mov b,#10 div ab acall dir acall delay setb p1.0 clr p1.1 mov a,b acall dir mov dptr, #tab movc a, a+dptr mov dptr,#0cfa1h movx dptr, a ret tab: db 3fh 06h 5bh 4fh db 66h 6dh 7dh 07h db 7fh 6f

25、h 77h 7ch db 39h 5eh 79h 71h end 18 电气与信息工程系课程设计评分表 项目 评价 优良中及格差 设计方案合理性与创造性（10% ） 开发板焊接及其调试完成情况*（10% ） 硬件设计或软件编程完成情况（20% ） 硬件测试或软件调试结果 * (10%) 设计说明书质量(20%) 答辩情况 (10%) 完成任务情况 (10%) 独立工作能力 (10%) 出勤情况 (10%) 综 合 评 分 导教师签名： _ 日期：_ 注：表中标 *号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容； 此表装订在课程设计说明书的最后一页。课程设计说明书装订顺序：封面、任务 书、目录、正文、评分表、附件（非16K 大小的图纸及程序清单） 。