電子信息工程101班 梁水青 2010

1、太原理工大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院 嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)課程設(shè)計 設(shè)計名稱 水位控制器的設(shè)計 專業(yè)班級 電子信息工程 10-1 班 學(xué) 號 姓 名 梁水青 指導(dǎo)教師 溫景國 目 錄 課程設(shè)計任務(wù)書課程設(shè)計任務(wù)書3 一、緒論一、緒論 4 1 11 1 課題背景與研究意義課題背景與研究意義4 1 12 2 本課題功能要求本課題功能要求4 二、系統(tǒng)設(shè)計方案二、系統(tǒng)設(shè)計方案.5 2.12.1 系統(tǒng)設(shè)計方案比較系統(tǒng)設(shè)計方案比較5 2.22.2 系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成.5 2 23 3 工作原理工作原理.6 三、三、 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計系統(tǒng)硬件電路設(shè)計.6 3.13.1 系統(tǒng)硬件總體方案系統(tǒng)硬件總體方案.6 3.23.2 液位控

2、制系統(tǒng)液位控制系統(tǒng).7 3.33.3 核心芯片核心芯片 AT89C51AT89C51 單片機單片機 8 3.43.4 LEDLED 顯示電路顯示電路 9 3.53.5 電源電路電源電路.9 3.3. 6 6 按鍵設(shè)計電路按鍵設(shè)計電路10 3 3. .7 7 基基于于單單片片機機水水位位控控制制原原理理圖圖 11 四、系統(tǒng)程序設(shè)計四、系統(tǒng)程序設(shè)計11 4.14.1 設(shè)計思路設(shè)計思路.11 4.24.2 設(shè)計程序設(shè)計程序.12 4.34.3 結(jié)語結(jié)語.13 五、本次課程設(shè)計總結(jié)及體會五、本次課程設(shè)計總結(jié)及體會14 太原理工大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院太原理工大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院 課程設(shè)計任務(wù)書課程設(shè)計任務(wù)書 注：

3、課程設(shè)計完成后，學(xué)生提交的歸檔文件應(yīng)按，封面任務(wù)書說明書圖紙的順序進行 裝訂上交（大張圖紙不必裝訂） 指導(dǎo)教師簽名指導(dǎo)教師簽名： 溫景國 日期日期：2013.6.9 專業(yè)班級 電信 10-1 班 學(xué)生姓名 梁水青課程名稱嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ) 設(shè)計名稱 水位控制器設(shè)計周數(shù)1.5指導(dǎo)教師溫景國 設(shè)計 任務(wù) 主要 設(shè)計 參數(shù) 設(shè)計一個水位控制器，實現(xiàn)蓄水池水位自動控制。 主要設(shè)計參數(shù)： 1、 水位低于報警值時報警； 2、 水位低于下限值時報警并停止放水； 3、 水位高于報警值時報警； 4、 水位高于上限值時報警并停止進水； 5、 進水/放水閥門控制； 6、 顯示水位。 設(shè)計內(nèi)容 設(shè)計要求 1設(shè)計水位信號輸

4、入接口電路； 2設(shè)計 LED 顯示電路； 3設(shè)計數(shù)據(jù)采集及顯示程序。 要求：仿真調(diào)試硬件電路，仿真調(diào)試程序 主要參考 資 料 1 單片機原理與接口技術(shù)，李曉林等，電子工業(yè)出版社，2011。 2 微型計算機控制技術(shù)，潘新民等，人民郵電出版社，1999。 3 單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)，張齊等，電子林業(yè)出版社，2010。 學(xué)生提交 歸檔文件 課程設(shè)計說明書 1 份 專業(yè)班級 電信 10-1 班 學(xué)號 姓名 梁水青 成績 一、緒論一、緒論 單片機應(yīng)用發(fā)展迅速而廣泛。在過程控制中，單片機既可作為主計算機，又可作為分布式計算機 控制系統(tǒng)中的前端機，完成模擬量的采集和開關(guān)量的輸入、處理和控制計算，然后輸出控制

5、信號。單 片機廣泛用于儀器儀表中，與不同類型的傳感器相結(jié)合，實現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度、流量、 速度、厚度、壓力、溫度等物理量的測量；在家用電器設(shè)備中，單片機已廣泛用于電視機、錄音機、 電冰箱、電飯鍋、微波爐、洗衣、高級電子玩具、家用防盜報警等各種家電設(shè)備中。在計算機網(wǎng)絡(luò)和 通信、醫(yī)用設(shè)備、工商、金融、科研、教育、國防、航空航天等領(lǐng)域都有著十分廣泛的應(yīng)用。隨著科 技的發(fā)展，液位測量技術(shù)趨于智能化、微型化、可視化。 本設(shè)計思想是用單片機做下位機， PC 機做上位機，單片機和 PC 機相結(jié)合對蓄水池液位進行測 量和監(jiān)控。該設(shè)計要求具有一定的智能化，可操作性和穩(wěn)定性好。 1 11 1 課題背景與

6、研究意義課題背景與研究意義 在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，常常需要測量液體液位。隨著國家工業(yè)的迅速發(fā)展，液位測量技術(shù)被廣泛應(yīng)用到石 油、化工、醫(yī)藥、食品等各行各業(yè)中。低溫液體（液氧、液氮、液氬、液化天然氣及液體二氧化碳等）得 到廣泛的應(yīng)用，作為貯存低溫液體的容器要保證能承受其載荷；在發(fā)電廠、煉鋼廠中，保持正常的鍋爐汽 包水位、除氧器水位、汽輪機凝氣器水位、高、低壓加熱器水位等，是設(shè)備安全運行的保證；在教學(xué)與科 學(xué)研究中，也經(jīng)常碰到需要進行液位控制的實驗裝置。 1 12 2 本課題本課題功能要求功能要求 設(shè)計一個水位控制器，實現(xiàn)蓄水池水位自動控制。 主要設(shè)計參數(shù)： （1）水位低于報警值時報警； （2）水位低于

7、下限值時報警并停止放水； （3）水位高于報警值時報警； （4）水位高于上限值時報警并停止進水； 裝訂線 （5）進水/放水閥門控制； (6）顯示水位。 二、系統(tǒng)設(shè)計方案二、系統(tǒng)設(shè)計方案 2.12.1 系統(tǒng)設(shè)計方案比較系統(tǒng)設(shè)計方案比較 對于水位進行控制的方式有很多,而應(yīng)用較多的主要有 2 種,一種是簡單的機械式控制裝置控制,一種 是復(fù)雜的控制器控制方式。兩種方式的實現(xiàn)如下： (1)簡單的機械式控制方式。其常用形式有浮標(biāo)式、電極式等,這種控制形式的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單,成本 低廉。存在問題是精度不高,不能進行數(shù)值顯示,另外很容易引起誤動作,且只能單獨控制,與計算機進行通 信較難實現(xiàn)。 (2)復(fù)雜控制器控制

8、方式。這種控制方式是通過安裝在水泵出口管道上的壓力傳感器,把出口壓力變成 標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)電信號的模擬信號,經(jīng)過前置放大、多路切換、AD 變換成數(shù)字信號傳送到單片機,經(jīng)單片機運算 和給定參量的比較,進行 PID 運算,得出調(diào)節(jié)參量;經(jīng)由 DA 變換給調(diào)壓變頻調(diào)速裝置輸入給定端,控制 其輸出電壓變化,來調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速,以達到控制水位的目的。 2.22.2 系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成 本系統(tǒng)主要由 AT89C51 單片機、LED 顯示電路、報警電路、水位拾取電路及電機控制電路等部分組 成。系統(tǒng)框圖如 1 所示： 2 23 3 工作原理工作原理 水位控制系統(tǒng)的基本原理是：單片機 AT89C51 通過檢測到的水位信號，根

9、據(jù)系統(tǒng)的不同要求編寫相 應(yīng)的單片機工作程序進行處理。得出結(jié)果判斷是否要啟動或停止電機的運轉(zhuǎn)以達到對水位的控制，同時驅(qū) 動顯示電路來顯示當(dāng)前水位所處的狀態(tài)。 首先，電路采用接觸式水位拾取信號，在水箱的不同位置安裝三根金屬棒來感知水位的變化，直接利 用金屬棒和水的導(dǎo)電性采集水位信號。然后由單片機 AT89C51 對測得的水位信號進行判斷，根據(jù)判斷結(jié) 果，單片機輸出相應(yīng)的控制信號控制繼電器的動作，進而控制電機的啟動或停止。當(dāng)水箱的水位下降，達 到下限時，需要啟動電機給水箱供水；當(dāng)水箱的水位達到上限后，應(yīng)該關(guān)閉電機，并采用不同色彩的發(fā)光 二極管顯示相應(yīng)的水位。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，報警電路工作。 三、三、

10、 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 3.13.1 系統(tǒng)硬件總體方案系統(tǒng)硬件總體方案 圖 2 是系統(tǒng)整機原理圖。 圖中時鐘信號由 AT89C51 的 l8 腳和 19 腳輸入，復(fù)位信號由 9 腳輸入；采集的水位信號由 P11、P10 輸入至單片機 AT89C51 處理；在水箱的不同高度，安裝三根金屬棒，A 棒接的是+5 V 電源， C 棒、B 棒分別代表水位的上下限；P17 口控制繼電器的吸合與斷開，而 P12 口控制報警器的工作。 當(dāng)水箱里的水位達到上限時，根據(jù)水的導(dǎo)電性，B 棒、C 棒上的電壓為+5 V，B、C 端輸入高電平， P11=1，P10=1，水位處于水滿狀態(tài)，此時電機不運轉(zhuǎn)、報警器

11、不響、v7“水滿”LED 亮。 當(dāng)水箱里的水處于下限以下時，B 棒、C 棒懸空，由于 B、C 端經(jīng)過電阻與地連接，所以此時 B、C 端輸入低電平，P11=0，P10=0，水位處于欠水狀態(tài)，電機運轉(zhuǎn)、報警器不響、V9“欠水”LED 亮。 當(dāng)水箱里的水位處于上下限之間時，B 棒接+5 V 電源，C 棒懸空，所以 B 端輸入高電平、C 端輸入低 電平，P11=0，P10=1，水位處于適中狀態(tài)，電機運轉(zhuǎn)、報警器不響、V8“適中”LED 亮。 當(dāng) B 端輸入低電平、c 端輸入高電平時，PI1=1，P10=0，處于故障狀態(tài)，電機不運轉(zhuǎn)、報警器響、 V9“欠水”和 VIO“故障”LED 一直亮，等待維修：

12、為了便于觀察，每一種水位狀態(tài)都有 3 S 的延時時間，3 s 后由該種狀態(tài)返回到主程序中繼續(xù)判斷當(dāng)前 的水位情況。在水滿、適中、欠水三種狀態(tài)間可以相互轉(zhuǎn)換，一旦出現(xiàn)故障時先報警 3 s，而后欠水和故 障燈就一直亮著，等待維修。 3.23.2 液位控制系統(tǒng)液位控制系統(tǒng) 系統(tǒng)方案設(shè)計液位控制是利用把液位的狀態(tài)轉(zhuǎn)換成模擬信號,再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器 AT89C51 把輸出狀態(tài) 直接接到單片機的 I/O 接口，單片機經(jīng)過運算控制，輸出數(shù)字信號，輸出接口接 LED 進行顯示,實現(xiàn)液位 的報警和鍵盤的顯示與控制；圖 2 即是液位控制系統(tǒng)： 圖 2 液位控制系統(tǒng) 由上圖可觀察到傳感器通過對液面進行測量，輸出模擬信

13、號，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器把輸入的模擬信號轉(zhuǎn) 換成數(shù)字信號，通過 AT89C51 單片機的運算控制，在通過 LED 進行顯示,通過報警裝置進行報警,報警顯 示之后再通過對閥門的開啟實現(xiàn)對水體的液位進行調(diào)節(jié)控制,閥門的驅(qū)動設(shè)備是電動機。 3.33.3 核心芯片核心芯片 AT89C51AT89C51 單片機單片機 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié) FLASH 存儲器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能 CMOS 8 位微處理器，俗稱 單片機。AT89C2051 是一種帶 2K 字節(jié) 閃存可編程可擦除 只讀存儲

14、器 的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除1000 次。該器 件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51 指令集和輸出管腳相兼容。 由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器， AT89C2051 是它的一種精簡版本。 AT89C 單片機為很多 嵌入式控制系統(tǒng) 提供了一種靈活性高且價廉 的方案。 外形及引腳排列 如圖 3 所示 D4 D2 C5 0.1uF C6 0.1uF C7 0.01uF 1 2 3 J1 CON3 Vin 1 GND 2 Vout 3 U2 7805 Vin

15、1 GND 2 Vout 3 U1 7812 C4 1000uF V1 VSIN D3 D1 GND 5V 12V 圖 3 AT89C5 引腳圖 3.43.4 LEDLED 顯示電路顯示電路 3.53.5 電源電路電源電路 電源電路雖然簡單，但需要功能可靠，所用采用兩個三端集成穩(wěn)壓器7802、7805，可以方便的實現(xiàn)此 功能，電路如圖4所示： 圖 4 電源電路 3.3. 6 6 按鍵設(shè)計按鍵設(shè)計電路電路 鍵盤在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中是一個很關(guān)鍵的部件，它能實現(xiàn)向單片機系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)、發(fā)送命令等功能， 是人工干預(yù)單片機的主要手段?？紤]到本設(shè)計實際需要的按鍵較少，故采用獨立式鍵盤接口電路。它是將 每個獨立

16、按鍵按一對一的方式直接接到單片機的I/O口上，通過程序掃描查詢方式實現(xiàn)與單片機系統(tǒng)交互 的。在程序查詢方式下，通過I/O端口讀入按鍵狀態(tài)，當(dāng)有按鍵按下時，相應(yīng)的I/O端口變?yōu)榈碗娖?，而?被按下的按鍵在上拉電阻作用下為高電平，這樣通過讀I/O口的狀態(tài)判斷是否有按鍵按下。系統(tǒng)按鍵電路 如圖5所示。 下圖中，S2S5便是控制顯示用的按鍵。其作用就是通過按動它們實現(xiàn)對高低警戒液位的設(shè)置。具體 來說，S3、S4分別實現(xiàn)數(shù)字的增一與減一，S2、S5則作為高低警戒液位的模式選擇和確認(rèn)鍵。 圖 5 系統(tǒng)按鍵電路 3 3. .7 7 基基于于單單片片機機水水位位控控制制原原理理圖圖 圖 6 水位控制原理圖 四

17、、系統(tǒng)程序設(shè)計四、系統(tǒng)程序設(shè)計 4.14.1 設(shè)計思路設(shè)計思路 軟件部分采用 LCA51 軟件進行編程，執(zhí)行對系統(tǒng)的軟件編譯，程序中包括 4 種水位狀態(tài)的模塊程序 和一個延時子程序。AT89C51 根據(jù)水位拾取電路輸入的電平信號，判斷出水箱的水位，然后根據(jù)比較語句 判斷的結(jié)果，執(zhí)行該水位狀態(tài)的程序，輸出相應(yīng)的操作控制信號，啟動或者停止執(zhí)行元件實現(xiàn)水位的自動 化控制 其程序流程圖如圖 3 所示： 4 42 2 設(shè)計程序設(shè)計程序 （1） 初始化程序 0RL P2#OFH ；初始化 SETB P17 ；關(guān)閉水泵 SETB P12 ；關(guān)閉報警器 ANL P1#03H ；為檢查水位狀態(tài)做準(zhǔn)備 M0V A

18、P1 ；讀 P1 口 8 JNB ACC0，LOOP1 ；當(dāng) P10=0 則轉(zhuǎn) LOOP1 JB ACC1，LOOP2 ；當(dāng) P11=1 則轉(zhuǎn) LOOP2 （2） 水滿狀態(tài)下的程序：（電機不運轉(zhuǎn)，報警器不響， “水滿”LED 亮） SETB P17 ；使 P17=1，停止電機工作 SETB P12 ；關(guān)閉報警器 CLR P23 ；“水滿”LED 亮 （3） 適中狀態(tài)下的程序：（電機運轉(zhuǎn)，報警器不響， “欠水”LED 亮） SETB P12 ；關(guān)閉報警器 CLR P22 ；“適中”LED 亮 （4） 欠水狀態(tài)下的程序：（電機運轉(zhuǎn)，報警器不響， “欠水”LED 亮） CLR P17 ；使 P17=

19、0，啟動電機工作 SETB P12 ；關(guān)閉報警器 CLR P21 ；“欠水”LED 亮 （5） 故障狀態(tài)下的程序：（電機不運轉(zhuǎn)，報警器響 3 S 后關(guān)閉， “欠水”和“故障”LED 一直亮） SETB P17 ；使 P17=1，停止電機工作 CLR P12 ；報警器響 CLR P21 ；“欠水”LED 亮 CLR P20 ；“故障”LED 亮 ACALL DELAY ；調(diào)用 3s 延時子程序 SETB P12 ；關(guān)閉報警器 LOOP4：AJMP LOOP4 ；出現(xiàn)故障后程序進入等待狀態(tài) 4.34.3 結(jié)語結(jié)語 該系統(tǒng)設(shè)計是基于在單片機嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計的，充分利用單片機強大控制功能和方便通信接口

20、，該 檢測控制系統(tǒng)在實驗室某實驗水冷卻系統(tǒng)得到成功實踐，實現(xiàn)水位檢測、電機故障檢測、處理和報警等功 能，提高了實驗的自動控制能力。進一步優(yōu)化系統(tǒng)軟硬件設(shè)計，可為實時實現(xiàn)遠(yuǎn)端控制，因此，該系統(tǒng)在 農(nóng)村水塔，城市水源檢測控制等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。 五、本次課程設(shè)計總結(jié)及體會五、本次課程設(shè)計總結(jié)及體會 作為一名電子信息專業(yè)的大三學(xué)生，在學(xué)習(xí)相關(guān)專業(yè)課程一年之際，完成這次課程設(shè)計是很有意義的， 而且也是必要的。在做這次課程設(shè)計的過程中，我遇到了很多的困難，需要準(zhǔn)備很多方面的知識去融合， 去聯(lián)系。在學(xué)習(xí)的時候更注重的是書面上的東西，而本次課程設(shè)計更多的是鍛煉了我的動手動腦能力，讓 我有機會把課上學(xué)習(xí)的知識轉(zhuǎn)化為可以在實際生產(chǎn)生活中應(yīng)用的技術(shù)。 本次課程設(shè)計的系統(tǒng)主要介紹了