基于單片機的水塔控制系統(tǒng)

1、基于單片機的水塔控制系統(tǒng)基于單片機的水塔控制系統(tǒng)基于單片機的水塔控制系統(tǒng)設(shè)計摘要水塔是大型養(yǎng)殖場必不可少的部件，主要 的功能是為家畜提供飲用水，沖洗養(yǎng)殖圈。對水塔的管理不僅僅決定了家畜的生長，而且也關(guān)系著養(yǎng) 殖場的收益。在傳統(tǒng)的管理方式下，水塔的管理是由相應(yīng)的工作人員對 水塔進行監(jiān)視。然而，人工管理方式存在很大的弊端，例如對水塔中水位 的控制，要時刻的監(jiān)控，尤其在夜間時，工作人員稍有疏忽, 就會由現(xiàn)缺水現(xiàn)象。若家畜缺水，家畜就會飲用地面上的臟水，這將致使家畜 生病，不利于家畜的健康生長；若情況較為嚴(yán)重，將導(dǎo)致家 畜在養(yǎng)殖圈中踩踏、撕咬，就會發(fā)生傷亡，直接降低養(yǎng)殖場 的收益。因此，對水塔的管理顯

2、得十分重要。如果能夠使用精密的、自動化的控制系統(tǒng)，則可以最大限 度的降低缺水機率，同時也能有效提高養(yǎng)殖場的收益。本文設(shè)計的是以單片機作為控制中心，運用單片機控制 技術(shù)管理水塔中的水位，并實現(xiàn)了報警和手動、自動切換功該水塔控制系統(tǒng)操作方便、降低工作人員的工作量，比較符合養(yǎng)殖場對水塔的管理關(guān)鍵詞 單片機 水位控制 報警引言1.1研究意義 在當(dāng)社會經(jīng)濟高速增長的同時，水在人們的生活、生產(chǎn)中起 著重要的作用。一旦由現(xiàn)缺水，輕則給人們生活帶來極大的不便，重則由 現(xiàn)造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故并造成不可挽救的經(jīng)濟損失。因此，對供水系統(tǒng)的控制顯得十分重要。水塔是我國廣泛應(yīng)用的供水系統(tǒng)，傳統(tǒng)的水塔水位控制方 式存在很大

3、的弊端，需要工作人員的時刻監(jiān)控，不僅勞動強 度大，而且工作效率低，最重要的是供水的安全性難以保障。而自動控制則不需要工作人員的時刻監(jiān)控，水塔控制系統(tǒng) 能自動地調(diào)節(jié)水塔中的水位以保持恒定，以滿足人們生活中 用水需求。在大型養(yǎng)殖場中，對家畜的飲用水控制顯得十分重要，稍 有不慎則會由現(xiàn)缺水現(xiàn)象。若家畜缺水，家畜就會飲用地面上的臟水，這將致使家畜 生病，不利于家畜的健康生長；若情況較為嚴(yán)重，將導(dǎo)致家 畜在養(yǎng)殖圈中踩踏、撕咬，就會發(fā)生傷亡，直接降低養(yǎng)殖場 的收益。單片機，它是在一小塊芯片上集成了一個微型計算機的 各個組成部分，它的由現(xiàn)使眾多自動化控制系統(tǒng)得以實現(xiàn)。單片機不僅它功能強大、設(shè)計簡單，而且制造

4、廉價，支持指令集較多。因此，本文對基于單片機的水塔水位控制器的研究有著重 要的意義。1. 2研究內(nèi)容 在養(yǎng)殖場中水塔水位控制器主要完成的功 能是對水塔水位的控制，完成家畜飲水需求。此控制器主要是在水塔無人監(jiān)控的情況下工作。它能自動對水塔水位進行采樣，并對水位輸入信號進行分 析，和設(shè)置好的水位參數(shù)進行比較，控制電機水泵的開啟、 停機實現(xiàn)對水位的調(diào)節(jié)。系統(tǒng)中要求配置兩臺電機：一臺備用工作電機 （B電動機）、一臺工作電機（A電動機）。 在正常情況下，工作電機在抽水信號到達時被啟動，若在規(guī)定的時間內(nèi)無法啟動，則自動切斷工作電機，立即啟用備 用工作電機，并發(fā)生聲、光報警。系統(tǒng)還要求配置低水位，高水位，缺

5、水燈光顯示，電動機 運行燈光顯示來表示水塔的水位狀態(tài)和電動機的運行情況。水塔控制原理 2.1單片機概述單片微型計算機（Single Chip Microcomputer , SCM ）簡稱單片機，它將微型計算機 的基本功能部件（中央處理器CPU、數(shù)據(jù)存儲器 RAM、程序存儲器ROM、定時/計數(shù)器以及I/O接口等）集成在一塊 芯片上。隨著SCM在架構(gòu)上的不斷發(fā)展， 新一代單片機不斷涌現(xiàn),控制功能被不斷地擴充，并將一些功能集成化，如A/D、PWM、WDT 等。由于單片機主要是面向控制的，因此又稱其為微控制器。2.2 水塔供水設(shè)備原理水塔給水設(shè)備系統(tǒng)由兩臺給水泵機組、水箱和三只浮球開關(guān)組成，其系統(tǒng)結(jié)

6、構(gòu)如下圖 2-1 o圖2-1水塔水箱給水控制器結(jié)構(gòu)圖其中M1、M2為給水泵機組，LG、LD、LDD分別為高水位、低水位、缺水浮球開關(guān)，當(dāng)高水位（大于水塔總水位的 90%）時，LG閉合， 當(dāng)?shù)退唬ㄐ∮谒偹坏?75%）時，LD閉合，當(dāng)缺水（小于水塔總水位的 50%）時，LDD閉合。2.3 80C51單片機控制系統(tǒng)原理 2.3.1 80C51單片機控制部分結(jié)構(gòu)說明 本系統(tǒng)采用的單片機具體引腳如下圖12-2 o圖2-2 80C51結(jié)構(gòu)圖 P1 口和P3 口為輸入輸由檢測信號和控制信號，以下是芯片引腳具體功能分配：P1.0:缺水低輸入信號，其中低 0、高1。P1.1:低水位輸入信號，其中低 0、

7、高1。P1.2:高水位輸入信號，其中低 0、高1。P1.3:手動與自動轉(zhuǎn)換輸入信號，其中手動1、自動0。P1.4:M1起動KM1控制輸由信號，其中手動 1、自動0P1.5:M2起動KM1控制輸由信號，其中手動 1、自動0P1.6:M1開關(guān)狀態(tài)輸入信號，其中開0、關(guān)1。P1.7:M2開關(guān)狀態(tài)輸入信號，其中開0,關(guān)1。P3.0:缺水報警輸由信號。P3.1:低水位報警輸由信號。P3.2:高水位報警輸生信號。P3.4:手動起動M1輸入信號，低電頻有效。P3.5:手動起動M2輸入信號，低電頻有效。P3.6:手動停M1輸入信號，低電頻有效。P3.7:手動停M2輸入信號，低電頻有效。2.3.2單片機水塔控制

8、系統(tǒng)工作原理當(dāng)水塔中水位低于時，同時啟動 M1、M2;當(dāng)水塔中水位上升到總水位的50%以上總水位的70%以下時，停M2 , M1繼續(xù)運行；當(dāng)水塔中 水位上升到總水位的 90%以上才停止 M1 ;水塔中的水位一 般保持在70%-90% o報警控制：當(dāng)水塔中水位高于總水位的90%時，由傳感器經(jīng)變送器發(fā)送信號，LG閉合，高水位報警；當(dāng)水塔中水位低于總水位的 75%時，由傳感器經(jīng)變送器發(fā)送信號，LD閉合，低水位報警； 當(dāng)水塔中水位低與總水位的50%時，由傳感器經(jīng)變送器發(fā)送信號，LDD閉合，缺水位報警。手動/自動模式轉(zhuǎn)換控制：全自動模式下，系統(tǒng)自動判斷水位的狀態(tài)，選擇不同的工作 狀態(tài)。手動的模式下，兩臺

9、給水泵的運行控制可由人工自己操 作。水塔控制硬件設(shè)計 3.1水塔控制系統(tǒng)硬件簡介3.1.1數(shù)據(jù)采集及處理模塊 89C512是Intel公司生產(chǎn)的一種單片機， 在一小塊芯片上集成了一個微型計算機的各個組成部分。每一個單片機包括：一個8位的微型處理器 CPU、一個256K的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器RAM、片內(nèi)程序存儲器 ROM、四個8位并行的I/O接口P0-P3、兩個定時器/記數(shù)器、五個中斷源的中斷控制系統(tǒng)、 一個全雙工UART的串行I/O 口、片內(nèi)振蕩器和時鐘產(chǎn)生電 路，其中石英晶體和微調(diào)電容需要外接。在全靜態(tài)工作時振蕩器頻率為012MHZ o以上各個部分通過內(nèi)部總線相連接。多數(shù)MCS-51指令周期為1

10、2個機器周期，只有乘法 和除法指令需要兩個以上機器周期的指令。對于雙字節(jié)單機器指令，通常是在一個機器周期內(nèi)從程序存儲器中讀取兩個字節(jié)，但 MOVX指令例外，MOVX指 令是訪問外部數(shù)據(jù)存儲器的單字節(jié)雙機器周期指令，在執(zhí)行 MOVX指令期間，外部數(shù)據(jù)存儲器被訪問且被選通時跳過兩 次取指操作。下面是80C51單片機的振蕩電路如圖13-1 o圖3-1 80C51震蕩電路原理圖 引腳及其功能說明1:外接晶振引腳XTAL1和XTAL2 :XTAL1 （19腳），接外部石英晶體的一端。它是一個反相放大器的輸入端，這個放大器構(gòu)成采用外部時鐘時，對于 HMOS單片機，該引腳接地；對于 CHOMS 單片機，該引

11、腳作為外部振蕩信號的輸入端。XTAL2 （18腳）,接外部晶體的另一端，接至片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸由端當(dāng)采用外部時鐘時，對于HMOS單片機，該引腳作為外部振蕩信號的輸入端。對于CHMOS芯片，該引腳懸空不接。輸入/輸由（I/O）弓I腳 P0 口、P1 口、P2 口及 P3 口。P0 口 （ 39 腳22 腳），P1 口（ 1 腳8 腳），P2 口（ 21 腳28腳），P3 口（10腳17腳）。P3 口的第2功能1見下表3-1:表3-1 P3 口的第2功能表 綜上所述，MCS51系列單片 機的引腳作用可歸納為以下兩點：（1）單片機功能多，引腳數(shù)少，因而許多引腳具有第 2功能； （2）單片機對

12、外呈3總線形式，由P2、P0 口組成16位地址 總線。3.1.2光電隔離簡介 為避免電機的起、停和電源波動時 對電路的影響，輸入輸由均采用光電隔離。光電隔離是半導(dǎo)體管敏感器件和發(fā)光二極管組成的一種新器件，它主要功能是實現(xiàn)電信號的傳送。輸入與輸由絕緣隔離，信號單向傳輸，無反饋影響?？垢蓴_性強，響應(yīng)速度快。工作時，把輸入信號加到輸入端，使發(fā)光管發(fā)光，光敏器 件在磁光輻射下輸由光電流，從而實現(xiàn)電光點的兩次轉(zhuǎn)換。繼電器隔離是用電信號控制繼電器的機械觸電來實現(xiàn)隔 離控制。輸由通過繼電器，控制水泵機組的啟、停和報警，其電路圖如圖33-2 :圖3-2光電控制電路原理圖 3.1.3給水泵電機主控回路介 紹 給

13、水泵電機主控回路如下圖 33-3。圖3-3水泵電機控制電路原理圖3.2 80C51水塔控制系統(tǒng)主控硬件部署方案3.2.1 80C51單片機實現(xiàn)控制功能說明80C51是數(shù)據(jù)采集及處理模塊核心，它主要完成控制系統(tǒng)對 水位的高低信號進行采集，并對水位信號傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng) 中，然后對信號進行分析、判斷等處理操作。根據(jù)所采集到的信號驅(qū)動對應(yīng)功能，實現(xiàn)對水塔水位的控 制。3.2.2 74LS373芯片實現(xiàn)系統(tǒng)功能說明該系統(tǒng)硬件主要由一個80C51單片機，一個74LS373和一個 EPROM2764芯 片構(gòu)成。其中74LS3734引腳圖如下圖 3-4。圖3-4 74LS373結(jié)構(gòu)圖74LS373是一種帶輸由三

14、態(tài)門的8D鎖存器，引腳功能介紹：D0D7為8個輸入端，Q0Q7為8個輸由端。G為數(shù)據(jù)鎖存控制端，當(dāng) G為“1時，鎖存器輸由端同輸 入端；當(dāng)G由“1變”0時，數(shù)據(jù)輸入鎖存器中。OE為輸由允許端，當(dāng) OE為“曲，三態(tài)門才T開，當(dāng) OE 為“1時，三態(tài)門關(guān)閉，輸由呈高阻狀態(tài)。在該基于80C51單片機水塔控制統(tǒng)中，采用 74LS373作為I/O接口驅(qū)動使用，80C51與74LS373連接方法如下表 3-2括號內(nèi)為引腳編號。表 3-2 80C51 與 74LS373 連接方法 其中 OE（1 ）、GND（10） 接地，VCC（20）接+5V。輸入端D0D7接至單片機的P0 口，輸由端提供的是低 8 位地

15、址，G端接至單片機的地址鎖存允許信號ALE。輸由允許端OE接地，表示輸由三態(tài)門一直打開。實際連接請參考圖附錄 1所示。3.2.3 EPROM2764芯片實現(xiàn)系統(tǒng)功能說明EPROM2764芯片是8K乘8字節(jié)的紫外線擦由、可編程只讀存儲器，單 一供電（+5V）,工作電流為 75mA,維持為35mA,讀生時 間最大為250ns。27645具體引腳如下圖 3-5 o圖3-5 2764結(jié)構(gòu)圖 各引腳含義為：A0-A12為13根地址線，可尋址 8K字節(jié)，D0-D7為數(shù)據(jù) 輸曲線，CE為片選線，OE為數(shù)據(jù)輸由通線，PGM為編程 脈沖輸入端，VPP是編程電壓，VCC是主電源。正常工作（只讀）時，VPP=VCC

16、=+5V , PGM（20引腳）=+5V。編程時，VPP=+25V（高壓），PGM端加入寬度為50ms的負 脈沖。2764與80C51弓I腳連線如下表 3-3 括號內(nèi)位引腳編號。表3-3 2764與80C51引腳連線 其中CE（20引腳）接地， VCC、PGM、VPP 接+5V。74LS373與2764引腳連接如下表 3-4。注：括號內(nèi)位引腳編號。表3-4 74LS373與2764引腳連線 實際電路連接圖如圖附 錄1。水塔控制程序設(shè)計 4.1程序概要設(shè)計本系統(tǒng)程序開發(fā)， 使用的語言給匯編語言。程序?qū)崿F(xiàn)當(dāng)高水位處于 LH、低水位LD、缺水LDD時， 報警信號輸由，判斷泵水方式 （自動或手動）。當(dāng)

17、水位到達規(guī)定容量時，停止泵水。在次程序中，低電平為有效（即0為有效），高電平為無效（即 1為無效）。4.2控制器程序原理 4.2.1系統(tǒng)主程序原理以及流程框圖主程序要實現(xiàn)的是對數(shù)據(jù)的初始化，并且判斷用戶是使用自動模式還是手動模式，根據(jù)用戶的具體需求：若用戶選擇自動模式，則程序調(diào)用自動化子程序；若用戶選擇手動模式，則程序調(diào)用手動子程序。系統(tǒng)的主程序：ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0060HMAIN: MOV P1 , #FFH ; P1、P3 口初始化置 1 MOV P3 , #FFH JNB P1.3 , AUT ;若手動在自動位置，跳到自動模 式子程序 AJMP MEN ;

18、否則轉(zhuǎn)到手動模式子程序END主程序原理框圖如下圖 4-1 o圖4-1主程序原理框圖 4.2.2自動模式子程序原理以及 流程框圖 自動模式子程序運行的前提條件： 系統(tǒng)處于運行狀態(tài)、用戶選擇使用自動化控制模式。自動模式子程序首先判斷是否為高水位LG,若為高水位狀態(tài)，則運行 高水位報警”程序，并返回主程序；若水塔中 的水位不高，則繼續(xù)判斷是否為低水位LD,若為低水位狀態(tài)，則試運行 低水位報警”程序；然后判斷是否為缺水 LDD , 若沒有達到缺水狀態(tài)，則試判斷“M1是否開啟工若沒有開啟，則開啟M1;若“M1開啟”，則判斷“M2是否開啟”，若“M2 開啟”，則程序運行 停止M2程序；若“M2沒有開啟工則

19、 試程序運行 延遲1分鐘”，一分鐘后程序 返回主程序若達到缺水狀態(tài)時，則運行 缺水報警" 并判斷“M1是否 開啟”，若“M1未開啟”則運行“M1開啟”程序；若“M1開啟” 則程序判斷“M2是否開啟”，若“M次開啟”則運行“M2FF啟” 程序，若“M明啟”，則運行延遲一分鐘”，一分鐘后程序返 回主程序自動模式程序：AUT :NOP ;空命令 JNB P1.2 , LG ;高水位 LG JB P1.1 LD ; 低水位LD CLR P3.1 ;缺水報警 JB P1.0, LDD ;缺水LDD CLR P3.0 ;缺水報警 JNB 3.1 P1.6, Y1 ; M1 已啟動一Y1 CLR

20、P1.4 ;否則啟動 M1 Y1 :JNB P1.7 , Y2; M2 已啟動-Y2 CLR P1.5 ;否則啟動 M2 Y2:ACALL DELAY ;延時1分鐘 AJMP AUT ;返回自動模 式 LDD :JNB P1.6 , Y3;單獨運行 M1 （LDD水位LD） CLR P1.4Y3:JB P1.7 Y2 SETB P1.5 AJMP Y2 LG :CLR P3.2 ;高水位報警 LD :AJMP MAIN ;返回主程序 自動模式子程序原理框圖如下 圖 4-2。圖4-2自動模式子程序原理框圖4.2.3手動模式子程序原理框圖以及流程框圖手動模式子程序運行的前提條件是，系統(tǒng)開始運行、用

21、戶選擇使用自手動控制模式。手動模式子程序中判斷語句的條件是依據(jù)用戶的具體操 作。手動模式子程序首先判斷是否為高水位 LG ,若高水位LG , 則程序返回主程序；若沒有達到高水位 LG,則程序運行 判 斷有無鍵合”：若 判斷有無鍵合”則子程序進行循環(huán)；若 判斷鍵合”，則程 序判斷“M1是否鍵合若用戶操作“M1鍵合”，則程序運行 判斷M1是否開啟”： 若“M1開啟”則子程序進行循環(huán)；若 判斷M1未開啟工則程 序運行開啟M1'。若用戶操作“M侏鍵合”，則程序判斷“M混否鍵合”： 若用戶操作“M2鍵合”，則程序運行 判斷M2是否開啟"；若“M班啟”則子程序進行循環(huán)；若判斷M2未開啟工

22、則程序 運行開啟M2 o若程序判斷用戶均未進行“M1 M2鍵合”，則程序要判斷是否停止M1鍵合”。若用戶操作“M1停止鍵合工則程序判斷“M1是否停止”； 若“M1停止”，則子程序循環(huán)；若 “M1沒有停止;則程序運 行停止M1'。若用戶不操作“M1停止鍵合工則程序判斷 是否停止 M2 鍵合”：若用戶操作“M2停止鍵合工則程序判斷“M2是否停止工若“M2亭止”，則子程序循環(huán)；若 “M般有停止工則程序運行惇止M2'。手動模式程序：MEN :NOP JNB P1.1 , MAIN ;水位高返回主程序 ACALL KEYCJNE A ,#FOH,NN ;有無鍵合 AJMP MEN NN

23、:JNB ACC.4 ,HM1 JNB ACC.5, HM2 JNB ACC.6 ,DM1 JNBACC.7 ,DM2 AJMP MEN HM1: JNB P1.6 ,MEN CLR P1.4AJMP MEN HM2: JNB P1.7, MEN CLR P1.5 AJMP MENDM1 :JB P1.6, MEN SETB P1.4 AJMP MEN DM2 :JB P1.7, MEN SETB P1.5 AJMP MEN RET 手動模式子程序 原理框圖如下圖4-3。圖4-3手動模式子程序原理框圖結(jié)束語 本文作者曾在大型養(yǎng)殖場中短期勞動過，了解到水塔的功能及其重要性。認識到對水塔的管理在很大的程度上決定了養(yǎng)殖場的收 益。傳統(tǒng)的水塔管理方式是定時監(jiān)控水塔的水位，完全憑工作 人員的個人經(jīng)驗。這樣的管理方式存在很大的弊端，不僅消耗大量的勞動 力，而且效果也不是很明顯?；谏鲜霰尘埃疚脑O(shè)計了基于單片機的水塔控制系統(tǒng)。在本文的水塔控制系統(tǒng)設(shè)計中，80C51單片機是核心部件。由于本文作者沒有學(xué)習(xí) 80C51單片機這門課程，初始對單片機的理解和認識是相當(dāng)?shù)哪：?。在近來的幾天中，通過自學(xué)、查找資料、