基于AT89C51單片機(jī)的水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、單片機(jī)原理及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告1 引言1.1 設(shè)計(jì)目的在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，常常需要測(cè)量液體液位。隨著國(guó)家工業(yè)的迅速發(fā)展，液位測(cè)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(jī)凝氣器水位、高、低壓加熱器水位等，是設(shè)備安全運(yùn)行的保證，因此一個(gè)安全合適的水位系統(tǒng)是很必要的。1.2 設(shè)計(jì)要求利用單片機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)水位控制系統(tǒng)，要求用開(kāi)關(guān)來(lái)模擬水位的狀態(tài)，當(dāng)設(shè)定完水位后，系統(tǒng)根據(jù)水位情況控制電磁閥的開(kāi)啟和關(guān)斷。具體要求如下：1、設(shè)計(jì)單

2、片機(jī)工作系統(tǒng)電路。2、通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)置其預(yù)定水位，根據(jù)水位不同控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)。5、利用proteus進(jìn)行仿真。1.3 設(shè)計(jì)方法本設(shè)計(jì)是采用at89c51單片機(jī)為核心芯片,及其相關(guān)硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)的水體液位控制系統(tǒng),采用八個(gè)鍵盤(pán)來(lái)模擬水位, cpu循環(huán)檢鍵盤(pán)輸入狀態(tài),并用3位七段led顯示示液位高度,檢測(cè)液位數(shù)據(jù),實(shí)施報(bào)警安全提示,當(dāng)水體液位低于用戶(hù)設(shè)定的值時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)打開(kāi)泵上水,當(dāng)水位到達(dá)設(shè)定值時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)打開(kāi)排水泵。2 設(shè)計(jì)方法和原理2.1 水塔水位的控制原理單片機(jī)水塔水位控制原理如圖l所示，圖中的虛線(xiàn)表示允許水位變化的上、下限位置。在正常情況下水位應(yīng)控制在虛線(xiàn)范圍之內(nèi)。為此，在水塔內(nèi)的不同高度處，安

3、裝固定不變的3根金屬棒a、b、c。用以反映水位變化的情況。其中，a棒在下限水位b棒在上、下限水位之間，c棒在上限水位(底端靠近水池底部不能過(guò)低，要保證有足夠大的流水量)。水塔由電機(jī)帶動(dòng)水泵供水。單片機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，隨著供水，水位不斷上升當(dāng)水位上升到上限水位時(shí)，由于水的導(dǎo)電作用。使b、c棒均與+5 v連通。因此b、c兩端的電壓都為+5 v，即為“l(fā)”狀態(tài)，此時(shí)應(yīng)停止電機(jī)和水泵工作，不再向水塔注水；隨著水量的減少，當(dāng)水位處于上、下限之間時(shí)。b棒和a棒導(dǎo)通而c棒不能與a棒導(dǎo)通，b端為“1”狀態(tài)。c端為“0”狀態(tài)。此時(shí)電機(jī)帶動(dòng)水泵給水塔注水，使水位上升，或是電機(jī)不工作，水位不斷下降，都應(yīng)繼續(xù)維持原有工

4、作狀態(tài)；當(dāng)水位處于下限位置以下時(shí)，b、c棒均不能與a棒導(dǎo)通，b、c均為“0”狀態(tài)。此時(shí)應(yīng)啟動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)水泵給水塔注水，然后重復(fù)原來(lái)的過(guò)程，這就是簡(jiǎn)單的水位控制原理。圖1 水位控制原理2.2 總體設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)的原理是采用8個(gè)按鈕進(jìn)行水位檢測(cè)，在現(xiàn)場(chǎng)的3個(gè)不同的位置，由下至上測(cè)量水體的液位值。并把這八個(gè)液位狀態(tài)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器傳到單片機(jī)中（在本系統(tǒng)中采用開(kāi)關(guān)的打開(kāi)與閉合來(lái)模擬）,在通過(guò)3位七段led顯示器顯示出液位的八種狀態(tài)并通過(guò)led燈報(bào)警提示。當(dāng)水位過(guò)低（在3水位）時(shí)燈就會(huì)變亮，當(dāng)水位較高（在7水位時(shí)）等也會(huì)變亮，用來(lái)讓用戶(hù)察覺(jué)。在水位過(guò)高和過(guò)低時(shí)電磁閥都會(huì)自動(dòng)的抽水或排水，其具體的抽水和排

5、水位置可以設(shè)定，此系統(tǒng)中采用的是7水位和3水位。3 硬件設(shè)計(jì)3.1 硬件設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)液位控制是利用把液位的利用來(lái)管進(jìn)行模擬，再通過(guò)at89c51把輸出狀態(tài)直接接到單片機(jī)的i/o接口，單片機(jī)經(jīng)過(guò)運(yùn)算控制，輸出數(shù)字信號(hào)，輸出接口接led進(jìn)行顯示,實(shí)現(xiàn)液位的報(bào)警和鍵盤(pán)的顯示與控制。由下圖可觀察到水位由鍵盤(pán)控制輸入以后，通過(guò)at89c51單片機(jī)的運(yùn)算控制，在通過(guò)led進(jìn)行顯示,通過(guò)報(bào)警裝置進(jìn)行報(bào)警,報(bào)警顯示之后再通過(guò)對(duì)閥門(mén)的開(kāi)啟實(shí)現(xiàn)對(duì)水體的液位進(jìn)行調(diào)節(jié)控制,閥門(mén)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備是電動(dòng)機(jī)。圖2即是液位控制系統(tǒng)。圖2 水位控制系統(tǒng)分析3.2 主芯片at89c51本系統(tǒng)采用at89c51作為主要芯片，at

6、89c51是一種帶4k字節(jié)flash存儲(chǔ)器的低電壓、高性能cmos 8位微處理器，俗稱(chēng)單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用atmel高密度非易失存儲(chǔ)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(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，atmel的at89c51是一種高效微控制器。at89c51單片機(jī)為很多嵌入式系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用at89c51作為主要的芯片，它具有p0、p1、p2、p3四個(gè)i/o口，每個(gè)口又有8個(gè)接口，32個(gè)接口可以滿(mǎn)足外接電路的需要，更方便的顯示系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)中采用了單片機(jī)at89c

7、51的p0、p1、p3口，分別完成了顯示和控制以及報(bào)警功能的實(shí)現(xiàn)。下圖為單片機(jī)at89c51的引腳圖。圖3 at89c51引腳圖3.3 光報(bào)警及顯示電路 圖4所示為系統(tǒng)的光報(bào)警及顯示電路，三段led數(shù)碼管于單片機(jī)的p0-p7口相連，同時(shí)排阻的把根線(xiàn)也連在單片機(jī)的p0口上，作為上拉電阻。圖4 光報(bào)警及顯示電路3.4 鍵盤(pán)連接電路鍵盤(pán)連接電路如圖5所示，八個(gè)鍵盤(pán)k1-k8分別與單片機(jī)的p1口的p1-p7相連，這八個(gè)鍵盤(pán)的按下與否用來(lái)模擬的是水位的高低，k1鍵代表水位最低點(diǎn)，k8鍵代表的是水位最高點(diǎn)，當(dāng)k1鍵按下時(shí)，指示燈亮，電機(jī)正轉(zhuǎn)，開(kāi)始加水，一直加水至水位7（即7鍵按下時(shí)），電機(jī)開(kāi)始停止轉(zhuǎn)動(dòng)，并

8、反向轉(zhuǎn)動(dòng)抽水，水位開(kāi)始降低，直至到達(dá)3水位，燈亮電機(jī)開(kāi)始自動(dòng)加水，加水水位可以由用戶(hù)自己設(shè)定，本系統(tǒng)中采取的是3水位便開(kāi)始加水，7水位開(kāi)始抽水。本系統(tǒng)采用的是獨(dú)立式鍵盤(pán)結(jié)構(gòu)，每個(gè)按鍵單獨(dú)占用一根i/o口線(xiàn)，每個(gè)按鍵的工作不會(huì)影響其它i/o口線(xiàn)的狀態(tài)。它軟件是采用查詢(xún)式結(jié)構(gòu)，首先逐位查詢(xún)每根i/o口線(xiàn)的輸入狀態(tài)，如某一根i/o口線(xiàn)輸入為低電平，則可確認(rèn)該i/o口線(xiàn)所對(duì)應(yīng)的按鍵已按下，然后，再轉(zhuǎn)向該鍵的功能處理程序。圖5 鍵盤(pán)連接電路3.5 復(fù)位電路系統(tǒng)的復(fù)位電路如圖6所示。復(fù)位電路中上端于單片機(jī)的復(fù)位引腳相連，下面與與ea端相連，要使cpu只訪(fǎng)問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000hffffh），則e

9、a端必須保持低電平（接到gnd端）。然而要注意的是，如果保密位lb1被編程，復(fù)位時(shí)在內(nèi)部會(huì)鎖存ea端的狀態(tài)。當(dāng)ea端保持高電平（接vcc端）時(shí)，cpu則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的程序。其復(fù)位電路部分用來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位操作，末端與單片機(jī)的復(fù)位相連，按下復(fù)位鍵，當(dāng)振蕩器運(yùn)行時(shí)，在該引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。圖6 復(fù)位電路3.6 晶振電路晶體振蕩電路的兩個(gè)端口分別連接在單片機(jī)的xtal1和xtal2上。晶振電路的作用是為本系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)。通常一個(gè)系統(tǒng)共用一個(gè)晶振，便于各部分保持同步。有些通訊系統(tǒng)的基頻和射頻使用不同的晶振，而通過(guò)電子調(diào)整頻率的方法保持同步。晶振電路通常與鎖相環(huán)

10、電路配合使用，以提供系統(tǒng)所需的時(shí)鐘頻率。如果不同子系統(tǒng)需要不同頻率的時(shí)鐘信號(hào)，可以用與同一個(gè)晶振相連的不同鎖相環(huán)來(lái)提供。圖7 晶振電路4 軟件設(shè)計(jì)4.1 程序流程圖及其分析水位檢測(cè)是通過(guò)7個(gè)按鈕進(jìn)行水位檢測(cè)的，當(dāng)水位到檢測(cè)位置其輸出端口就向單片機(jī)輸出低電平。由上至下的第一個(gè)位置為水位上限報(bào)警線(xiàn)，即當(dāng)水位高于此位置時(shí)，開(kāi)水閥控制系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警，提醒工作人員注意，加水電磁閥有可能出故障；第二個(gè)位置是自動(dòng)停止加水線(xiàn)，即當(dāng)水位高于此位置時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉加水電磁閥，停止加水；第三個(gè)位置是自動(dòng)加水線(xiàn)，即當(dāng)水位低于此位置時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)接通加水電磁閥，開(kāi)始加水；第四個(gè)位置是水位下限報(bào)警線(xiàn)，即當(dāng)水位

11、低于此位置時(shí)，控制系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警，提醒工作人員。本設(shè)計(jì)的一個(gè)較大的優(yōu)點(diǎn)是可以設(shè)置多個(gè)水位，既用戶(hù)可根據(jù)自己需要設(shè)定加水時(shí)的水位。根據(jù)所分析的該系統(tǒng)的具體功能，可以畫(huà)出該系統(tǒng)的流程圖，流程圖應(yīng)該盡量力求簡(jiǎn)便，而且從中可以較容易的看出設(shè)計(jì)者的目的，充分的了解所需設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的功能，從而根據(jù)流程圖編寫(xiě)程序。圖8 水位控制流程圖5 系統(tǒng)仿真及實(shí)際調(diào)試5.1 元器件清單7seg-com-cat-grnled數(shù)碼管at89c1單片機(jī)button按鈕cap電容g2rl-1a-cf-dc5繼電器2n6609三極管cap-elec陶瓷電容crystal31兆晶振led-red發(fā)光二極管motor電機(jī)res電阻r

12、espack-8排阻5.2 系統(tǒng)調(diào)試及仿真將所有的硬件按照上面所說(shuō)的方法連接起來(lái)，將源程序在keil c中生成.hex文件，放在在proteus中連接好的電路圖中，運(yùn)行，則可得到正確的結(jié)果。圖9 水位控制系統(tǒng)仿真圖6 總結(jié) 設(shè)計(jì)過(guò)程中我遇到了很多的困難，因?yàn)橹R(shí)是不連貫的，所以需要準(zhǔn)備很多方面的知識(shí)去融合，去聯(lián)系。由于在學(xué)習(xí)的時(shí)候更注重的是書(shū)面上的東西，而本次課程設(shè)計(jì)更多的是鍛煉了我的動(dòng)手動(dòng)腦能力，讓我有機(jī)會(huì)把課上學(xué)習(xí)的知識(shí)轉(zhuǎn)化為可以在實(shí)際生產(chǎn)生活中應(yīng)用的技術(shù)。本次課程設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要介紹了水體的液位檢測(cè)控制，介紹了at89c51單片機(jī)和其它一些單片機(jī)在液位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，介紹了它們的引腳和在

13、系統(tǒng)中的電路圖，利用led來(lái)進(jìn)行信號(hào)的輸出顯示,我設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化,系統(tǒng)精度高，具有良好的人機(jī)交互功能,并設(shè)有液位報(bào)警，有問(wèn)題立即就能發(fā)現(xiàn)。通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)控制液位并實(shí)現(xiàn)水體的液位報(bào)警。液位控制在設(shè)定值上正常運(yùn)行不需要人工干預(yù)，操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度小。通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，我了解到自己的知識(shí)應(yīng)該充分利用在實(shí)踐上，在實(shí)踐中把書(shū)本上的知識(shí)固化成自己的能力。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的時(shí)候也有很多的想法，但是有一些想法被否定了，最終完成設(shè)計(jì)的時(shí)候優(yōu)先考慮了在課程上學(xué)習(xí)到的知識(shí)，并且和單片機(jī)、電子電路的知識(shí)結(jié)合起來(lái)。這次設(shè)計(jì)之后，我感覺(jué)到自己在自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)上的學(xué)習(xí)應(yīng)該還有很長(zhǎng)的路走，自動(dòng)化是一個(gè)很有前途的行業(yè)，它涉及了生產(chǎn)

14、生活的多個(gè)方面，對(duì)人們的影響可想而知，所以，學(xué)好自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的知識(shí)不僅僅是對(duì)自己能力提升和自我價(jià)值的實(shí)現(xiàn)，更是一件很有意義，可以讓自己有所感觸，有所收獲的事業(yè)。參考文獻(xiàn)1 王思明. 單片機(jī)原理及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì).科學(xué)出版社.2012.2 陳明熒. 8051單片機(jī)課程設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)教材. 清華大學(xué)出版社. 2004.3 丁明亮. 單片機(jī)原理及應(yīng)基于keil c 與proteus. 北京航空航天大學(xué)出版社. 2009-2.4 梅麗鳳. 單片機(jī)原理及接口技術(shù). 清華大學(xué)出版社.2006-8. 附錄源程序清單#include #define uchar unsigned char /*以后定義的uchar都認(rèn)為是

15、unsigned char*/#define uint unsigned int /*以后定義的uint都認(rèn)為是unsigned int*/sbit mor=p27; /*電機(jī)正極為p2.7口*/sbit mot=p26; /*電機(jī)負(fù)極為p2.6口*/sbit led=p20; /*led燈為p2.0口*/code uchar tab=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f; /*定義一個(gè)碼存表*/void delay (uint n)while(n-); /*10ms的延時(shí)*/void led_show() if(p1=0xfe)

16、/*如果k8鍵按下*/ p0=tab8;/*p0=0x7f*/ led=0;/*led為低電平*/ mor=0;/*電機(jī)正極為低電平*/ mot=1;/*電機(jī)負(fù)極為高電平*/ if(p1=0xfd)/*如果k7鍵按下*/ p0=tab7;/*p0=0x07*/ led=0;/*p2.0為低電平*/ mor=0;/*電機(jī)正極為低電平*/ mot=1;/*電機(jī)負(fù)極為高電平*/ if(p1=0xfb) /*如果k6鍵按下*/ p0=tab6; /*p0=0x7d*/ led=1; /*p2.0為高電平*/ mor=1; /*電機(jī)正極為高電平*/ mot=1; /*電機(jī)負(fù)極為高電平*/ if(p1=0xf7) /*如果k5鍵按下*/ p0=tab5; /*p0=0x6d*/ led=1; /*p2.0為高電平*/ mor=1; /*電機(jī)正極為高電平*/ mot=1; /*電機(jī)負(fù)極為高電平*/ if(p1=0xef) /*如果k4鍵按下*/ p0=tab4; /*p0=0x66*/ led=1; /*p2.0為高電平*/ mor=1; /*電機(jī)正極為高*/ mot=1; /*電機(jī)負(fù)極為高*/ if(p1=0xdf)/*如果k3鍵按下*/ p0=tab3;/*p0=0x4f*/ led=0;/*p2.0為低*/ mor=1;/*電機(jī)正極為高*