水箱水位控制系統設計

1、 遼遼 寧寧 工工 業(yè)業(yè) 大大 學學單片機原理及接口技術單片機原理及接口技術課程設計（論文）課程設計（論文）題目：題目：水箱水位控制系統設計院（系）：院（系）： 專業(yè)班級：專業(yè)班級： 學學 號：號： 學生姓名：學生姓名： 指導教師：指導教師： 起止時間：起止時間：2011-7-2011-7-至至2011-12-312011-12-31遼 寧 工 業(yè) 大 學 課 程 設 計 說 明 書 （論文）學 號姓名專業(yè)班級課程設計水箱水位控制系統設計課程設計（論文）任務課題完成的功能、設計任務及要求、技術參數課題完成的功能、設計任務及要求、技術參數實現功能實現功能設計任務及要求設計任務及要求1、分析系統功

2、能，確定系統硬件組成；2、設計系統的硬件電路圖；3、編寫相應的軟件，完成控制系統的控制要求；4、上機調試、完善程序；5、按學校規(guī)定格式，撰寫、打印設計說明書一份；設計說明書應在 4000字以上。技術參數技術參數水箱容量：600 立方米；水箱水位低于 50%時，兩臺水泵 M1、M2 同時供水，水位上升到 50%以上 70%以下時，停 M2， M1 繼續(xù)運行到水位上升到 90%停止工作；低于低水位、高于高水位時聲光報警；手動模式下，兩臺水泵的運行由人工操作，自動模式下，兩臺水泵的運行自動切換。進度計劃1、布置任務，查閱資料，確定系統的組成（1 天）2、硬件設計（2 天）3、按系統的控制要求，完成軟

3、件設計（2 天）4、上機調試、修改程序（2 天）5、撰寫、打印設計說明書（2 天）6、答辯（1天）指導教師評語及成績平時： 論文質量： 答辯： 總成績： 指導教師簽字： 年 月 日遼 寧 工 業(yè) 大 學 課 程 設 計 說 明 書 （論文）注：成績：平時20% 論文質量60% 答辯20% 以百分制計算本科生課程設計（論文）III摘 要本單片機系統設計的目的是應用單片機控制技術，以8051單片機為核心控制某電廠的600立方米的水箱的水位，并實現了報警和手動、自動切換功能。該系統操作方便、性能良好，比較符合電廠生產用水系統控制的需要。本文還詳細的給出了相關的硬件框圖和軟件流程圖，該系統主要由兩臺給

4、水水泵組、水箱和三只浮球及有關開關器件組成，并編制了C語言程序，通過LED和有關的顯示部件顯示出來。關鍵詞：單片機；水箱水位；控制；報警本科生課程設計（論文）IV目 錄第 1 章 緒論 .11.1 8051 單片機的簡介.11.2 主要功能特性.21.3 時序.21.4 引腳及其功能.3第 2 章 內部單元 .62.1 運算器.62.2 控制器.72.2.1 復位電路.72.3 600立方米水箱給水設備系統的構成.92.3.1 本系統 8051 單片機控制部分結構.102.3.2 本系統的工作原理.11第 3 章 主程序框圖 .123.1 主程序框圖.123.2 自動模式子程序.123.3 手

5、動模式子程序.13第 4 章 本系統程序清單 .14第 5 章 模擬仿真圖 .18第 6 章 結論 .19參考文獻 .20本科生課程設計（論文）0第 1 章 緒論1.1 8051 單片機的簡介目前，8051 單片機在工業(yè)檢測領域中得到了廣泛的應用，因此我們可以在許多單片機應用領域中，配接各種類型的語音接口，構成具有合成語音輸出能力的綜合應用系統，以增強人機對話的功能。89C51 是 Intel 公司生產的一種單片機，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 的片內數據存儲器 RAM；片內程序存儲器 ROM；四個 8 位

6、并行的 I/O 接口 P0-P3，每個接口既可以輸入，也可以輸出；兩個定時器/記數器；五個中斷源的中斷控制系統；一個全雙工 UART 的串行 I/O口；片內振蕩器和時鐘產生電路，但石英晶體和微調電容需要外接。最高允許振蕩頻率是 12MHZ。以上各個部分通過內部總線相連接。下面簡單介紹下其各個部分的功能。中央處理器 CPU 是單片微型計算機的指揮、執(zhí)行中心，由它讀人用戶程序，并逐條執(zhí)行指令，它是由 8 位算術邏輯運算部件(簡稱 ALu)、定時控制部件，若干寄存器 A、B B5w、5P 以及 16 位程序計數器(Pc)和數據指針寄存器(DM)等主要部件組成。算術邏輯單元的硬件結構與典型微型機相似。

7、它具有對 8 位信息進行+、-、x、/ 四則運算和邏輯與、或、異或、取反、清“0”等運算，并具有判跳、轉移、數據傳送等功能，此外還提供存放中間結果及常用數據寄存器?？刂破鞑考怯芍噶罴拇嫫鳌⒊绦蛴嫈灯?Pc、定時與控制電路等組成的。指令寄存器中存放指令代碼。枷執(zhí)行指令時，從程序存儲器中取來經譯碼器譯碼后，根據不同指令由定時與控制電路發(fā)出相應的控制信號，送到存儲器、運算器或 Io 接口電路，完成指令功能。程序計數器 Pc 程序計數器 Pc 用來存放下一條將要執(zhí)行的指令，共 16 位可對以 K 字節(jié)的程序存儲器直接尋址 c 指令執(zhí)行結束后，Pc 計數器自動增加，指向下一條要執(zhí)行的指令地址。 CPU

8、 功能，總的來說是以不同的方式，執(zhí)行各種指令。不同的指令其功自略異。有的指令涉及到枷各寄存器之間的關系；有的指令涉及到單片機核心電路內部各功能部件的關系；有的則與外部器件如外部程序存儲器發(fā)生聯系。事實上，cRJ 是通過復雜的時序電路完成不同的指令功能。所謂 cRJ 的時序是指控制器控照指今功能發(fā)出一系列在時間上有一定次序的信號，控制和啟動一部分邏輯本科生課程設計（論文）1電路，完成某種操作。1.2 主要功能特性 表 1.1 C51 單片機的主要功能1.3 時序 (1)時鐘電路 M 田51 片內設有一個由反向放大器所構成的振蕩電路，XTALI 和 XTAL2 分別為振蕩電路的輸入端和輸出端。時鐘

9、可以由內部方式產生或外部方式產生。采用內部方式時，在 C1 和 C2 引腳上接石英晶體和微調電容可以構成振蕩器， 振蕩頻率的選擇范圍為 1212MHZ 在使用外部時鐘時，XTAL2 用來輸入外部時鐘信號，而 XTALI 接地。 (2)時序 MGL5l 單片機的一個執(zhí)器周期由 6 個狀態(tài)(s1s6)組成，每個狀態(tài)又持續(xù) 2 個接蕩周期，分為 P1 和 P2 兩個節(jié)拍。這樣，一個機器周期由 12個振蕩周期組成。若采用 12MHz 的晶體振蕩器，則每個機器周期為 1us，每個狀態(tài)周期為 16us；在一數情況下，算術和邏輯操作發(fā)生在 N 期間，而內部寄存器到寄存器的傳輸發(fā)生在 P2 期間。對于單周期指

10、令，當指令操作碼讀人指令寄存器時，使從 S1P2 開始執(zhí)行指令。如果是雙字節(jié)指令，則在同一機器周期的 s4 讀人第二字節(jié)。若為單字節(jié)指令，則在 51 期間仍進行讀，但所讀入的字節(jié)操作碼被忽略，且程序計數據也不加 1。在加結束時完成指令操作。多數 Mcs51 指令周期為 12 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，兼容 MCS51 指令系統 4k 可反復擦寫(1000 次）Flash ROM 32 個雙向 I/O 口 可編程 UARL 通道 兩個 16 位可編程定時/計數器 全靜態(tài)操作 0-24MHz 1 個串行中斷 128x8bit 內部 RAM 兩個外部中斷源 共 6 個

11、中斷源 可直接驅動 LED 3 級加密位 低功耗空閑和掉電模式 軟件設置睡眠和喚醒功能本科生課程設計（論文）2它們需 4 個機器周期。 對于雙字節(jié)單機器指令，通常是在一個機器周期內從程序存儲器中讀人兩個字節(jié)，但 Movx 指令例外，Movx 指令是訪問外部數據存儲器的單字節(jié)雙機器周期指令，在執(zhí)行 Movx 指令期間，外部數據存儲器被訪問且被選通時跳過兩次取指操作。下面是 51 單片機的振蕩電路圖：圖 1.1 振蕩電路1.4 引腳及其功能MCS51 系列單片機的 40 個引腳中有 2 個專用于主電源引腳，2 個外接晶振的引腳，4 個控制或與其它電源復用的引腳，以及 32 條輸入輸出 I/O 引腳

12、。下面按引腳功能分為 4 個部分敘述個引腳的功能。電源引腳 Vcc 和 VssVcc（40 腳）：接+5V 電源正端；Vss（20 腳）：接+5V 電源正端。外接晶振引腳 XTAL1 和 XTAL2XTAL1（19 腳）：接外部石英晶體的一端。在單片機內部，它是一個反相放大器的輸入端，這個放大器構成采用外部時鐘時，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。在單片機內部，接至片內振蕩器的反相放大器的輸出端。當采用外部時鐘時，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

13、，該引腳懸空不接?？刂菩盘柣蚺c其它電源復用引腳 控制信號或與其它電源復用引腳有RST/VPD、ALE/P、PSEN 和 EA/VPP等 4 種形式。 （A） RST/VPD（9 腳）：RST即為 RESET，VPD為備用電源，所以該引腳為單片機的上電復位或掉電保護端。本科生課程設計（論文）3當單片機振蕩器工作時，該引腳上出現持續(xù)兩個機器周期的高電平，就可實現復位操作，使單片機復位到初始狀態(tài)。當 VCC發(fā)生故障，降低到低電平規(guī)定值或掉電時，該引腳可接上備用電源VPD（+5V）為內部 RAM 供電，以保證 RAM 中的數據不丟失。（B） ALE/ P （30 腳）：當訪問外部存儲器時，ALE（允許

14、地址鎖存信號）以每機器周期兩次的信號輸出，用于鎖存出現在 P0口的低位。（C） PSEN(29 腳):片外程序存儲器讀選通輸出端,低電平有效。當從外部程序存儲器讀取指令或常數期間，每個機器周期 PESN 兩次有效，以通過數據總線口讀回指令或常數。當訪問外部數據存儲器期間，PESN 信號將不出現。（D） EA/Vpp（31 腳）：EA 為訪問外部程序儲器控制信號，低電平有效。當 EA 端保持高電平時，單片機訪問片內程序存儲器 4KB（MS52 子系列為8KB） 。若超出該范圍時，自動轉去執(zhí)行外部程序存儲器的程序。當 EA 端保持低電平時，無論片內有無程序存儲器，均只訪問外部程序存儲器。對于片內含

15、有 EPROM 的單片機，在 EPROM 編程期間，該引腳用于接 21V 的編程電源Vpp。4.輸入/輸出（I/O）引腳 P0 口、P1 口、P2 口及 P3 口.P0口（39 腳22 腳）：P0.0P0.7統稱為 P0口。當不接外部存儲器與不擴展 I/O 接口時，它可作為準雙向 8 位輸入/輸出接口。當接有外部程序存儲器或擴展 I/O 口時，P0口為地址/數據分時復用口。它分時提供 8 位雙向數據總線。對于片內含有 EPROM 的單片機，當 EPROM 編程時，從 P0口輸入指令字節(jié)，而當檢驗程序時，則輸出指令字節(jié)。.P1口（1 腳8 腳）：P1.0P1.7統稱為 P1口，可作為準雙向 I/

16、O 接口使用。對于 MCS52 子系列單片機，P1.0和P1.1 還有第 2 功能：P1.0口用作定時器/計數器 2 的計數脈沖輸入端 T2；P1.1用作定時器/計數器 2 的外部控制端 T2EX。對于 EPROM 編程和進行程序校驗時，P0口接收輸入的低 8 位地址。.P2口（21 腳28 腳）：P2.0P2.7統稱為 P2口，一般可作為準雙向 I/O 接口。當接有外部程序存儲器或擴展 I/O 接口且尋址范圍超過 256 個字節(jié)時，P2口用于高 8 位地址總線送出高 8 位地址。對于 EPROM 編程和進行程序校驗時，P2口接收輸入的 8 位地址。.P3口（10 腳17 腳）：P3.0P3.

17、7統稱為 P3口。它為雙功能口，可以作為一般的準雙向 I/O 接口，也可以將每 1 位用于第 2 功能，而且 P3口的每一條引腳均可獨立定義為第 1 功能的輸入輸出或第 2 功能。P3口的第 2 功能見下表。 表 1.2 p3.0 口- p3.7 口的具體的功能本科生課程設計（論文）4綜上所述，MCS51 系列單片機的引腳作用可歸納為以下兩點：.單片機功能多，引腳數少，因而許多引腳具有第 2 功能；.單片機對外呈 3 總線形式，由 P2、P0口組成 16 位地址總線；由 P0口分時復用作為數據總線。圖 1.2 89C51 的引腳圖引腳第 2 功能P3.0RXD（串行口輸入端 0）P3.1TXD

18、（串行口輸出端）P3.2INT0（部中斷 0 請求輸入端，低電平有效）P3.3INT1（中斷 1 請求輸入端，低電平有效）P3.4T0（時器/計數器 0 計數脈沖端）P3.5T1（時器/計數器 1 數脈沖端）P3.6WR（部數據存儲器寫選通信號輸出端，低電平有效）P3.7RD（部數據存儲器讀選通信號輸出端，低電平有效）本科生課程設計（論文）5第 2 章 內部單元2.1 運算器i)算術邏輯部件 ALU：用以完成+、-、*、/ 的算術運算及布爾代數的邏輯運算，并通過運算結果影響程序狀態(tài)寄存器 PSW 的某些位，從而為判斷、轉移、十進制修正和出錯等提供依據。ii) 累加器 A：在算術邏輯運算中存放一

19、個操作數或結果，在與外部存儲器和 I/O。接口打交道時，進行數據傳送都要經過 A 來完成。iii) 寄存器 B：在 *、/ 運算中要使用寄存器 B 。乘法時，B 用來存放乘數以及積的高字節(jié)；除法時，B 用來存放除數及余數。不作乘除時，B 可作通用寄存器使用。iv) 程序狀態(tài)標志寄存器 PSW：用來存放當前指令執(zhí)行后操作結果的某些特征，以便為下一條指令的執(zhí)行提供依據?！綪SW】 (D0H) D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 Cy AC F0 RS1 RS0 OV PCy：進位標志。有進位或借位，則 Cy1,否則 Cy0 ；在布爾運算時，Cy（簡稱 C）作為布爾處理器。AC：輔助進位

20、標志位。F0：用戶標志位：用戶可用軟件對 F0 置位“1”或清“0”，以決定程序的流向。OV：溢出標志位：當運算結果溢出時，OV 為“1”，否則為“0”。D.1：未定義。P： 奇偶校驗位：當累加器 A 中的“1”的個數為奇數時，P 置“1”，否則 P 置“0”。RS1、RS0：工作寄存區(qū)選擇位： 【片內工作寄存器組】RS1、RS0 與片內工作寄存器組的對應關系 RS1 RS0 寄存器區(qū) 片內 RAM 地址 通用寄存器名稱 0 0 0 00H07H R0R7 0 1 1 08H0FH R0R7 1 0 2 10H17H R0R7 1 1 3 18H1FH R0R7本科生課程設計（論文）62.2

21、控制器1、指令寄存器 IR 和指令譯碼器。2、程序計數器：存放 CPU 執(zhí)行下一條指令的地址。是一個 16 位寄存器，可尋址 64KB。 3、堆棧指針 SP：用于子程序調用和中斷處理。 【機器復位后，SP#07H ，因此壓棧的第一個數據在 08H 單元中。 4、數據指針寄存器 DPTR：16 位的寄存器，也可以作為兩個 8 位寄存器DPH 和 DPL, DPTR 主要作外部數據指針，可對 64KB 外部 RAM 進行間接尋址。MCS-51 由包括 PC 在內的 22 個特殊功能寄存器，它們除有各自的名稱外，還有唯一的地址離散的分布在片內 RAM 中的 80HFFH 共 128 個存儲單元中。在

22、這128 個儲存單元構成的電 SFR 塊中，未被占用的單元不可使用！ 輸出型雙向 I/O 端口。作為輸 出型雙向 I/O 端口。作為輸出 P0 口：是一個8 位漏極開路端口時，每位能以吸收流的方式驅動 8 個 TTL 輸入，對端口寫 1時，又可作高阻抗輸入端用。 在訪外部程序或數據存儲器時，它是時分多路轉換的地址（低 8 位） 。 在穩(wěn)定的狀態(tài)條件下 Io 低被外部限制如下1、每個管腳的最大 IOL 15mA 注 85 規(guī)格2、每個 8 位口的最大 IOL 26 mA3、IOL 輸出最大總和 71mA4、如果 IOL 超過測試條件 VOL 可能會超過相應規(guī)格不能保證超過測試電流2.2.1 復位

23、電路 圖 2.1 上電復位圖 圖 2.2 手動復位圖89C51 單片機是在一塊芯片中集成了 CPU,RAM,ROM,定時器/計數器和多種本科生課程設計（論文）7功能的 I/O 線等一臺計算機所需要的基本功能部件。89C51 單片機內包含下列幾個部件：(一)一個 8 位 CPU；(二) 一個片內振蕩器及時鐘電路；(三) 4K 字節(jié)的 ROM 程序存儲器；(四) 128 字節(jié) RAM 數據存儲器；(五) 兩個 16 位定時器/計數器；(六) 可尋址 64K 外部數據存儲器和 64K 外部程序存儲器空間的控制電路；(七) 32 位可編程的 I/O 線（四個 8 位并行 I/O 端口） ；(八) 一個

24、可編程全雙工串行口；(九) 具有五個中斷源，兩個優(yōu)先級嵌套中斷結構；89C51 單片機框圖如下所示。各功能部件內部總線連接在一起。圖 2.3 89C51 的內部總線本科生課程設計（論文）8圖 2.4 89C51 的內部存儲器2.3 600 立方米水箱給水設備系統的構成600 立方米由兩臺給水泵機組、水箱和三只浮球開關組成，其系統結構如圖：圖 2.5 系統結構圖其中 M1、M2 為給水泵機組，LG、LD、LDD 分別為水位高、水位低、水位本科生課程設計（論文）9低低浮球開關，當水位高（大于 90 開度）時，LG 閉合，當水位低（小于 75 開度）時，LD 閉合，當水位低低（小于 50 開度）時，

25、LDD 閉合。 600 立方米水箱的控制器由 8051 系統構成。為避免電機的起停和電源波動時對電路的影響，輸入輸出均采用光電隔離。輸出通過繼電器，控制水泵機組的起停和報警，其電路圖如下：圖 2.6 控制電路圖給水泵電機主控回路圖如下：圖 2.7 主控回路圖2.3.1 本系統 8051 單片機控制部分結構本系統采用 8051 單片機，引腳具體控制如下：P1 口和 P3 口為輸入輸出檢測信號和控制信號。下面是 8051 芯片引腳具體分配：P1.0：水位低低輸入信號。 （低 0 高 1）P1.1：水位低輸入信號。 （低 0 高 1）P1.2：水位高輸入信號。 （低 0，高 1）本科生課程設計（論文

26、）10P1.3：手動與自動轉換輸入信號。 （手動 1，自動 0）P1.4：M1 起動 KM1 控制輸出信號。 （手動 1，自動 0）P1.5：M2 起動 KM1 控制輸出信號。 （手動 1，自動 0）P1.6：M1 開關狀態(tài)輸入信號。 （開 0，關 1）P1.7：M2 開關狀態(tài)輸入信號。 （開 0，關 1）P3.0：水位低低報警輸出信號。P3.1：水位低報警輸出信號。P3.2：水位高報警輸出信號。P3.4：手動起動 M1 輸入信號，低電平有效動作。P3.5：手動起動 M2 輸入信號，低電平有效動作。P3.6：手動停 M1 輸入信號，低電平有效動作。P3.7：手動停 M2 輸入信號，低電平有效動

27、作。2.3.2 本系統的工作原理當水箱水位低時，起動 M1、M2 給水，水位上升到 90%，停 M1。當水箱水位低低（小于 50%）時，同時起動 M1、M2，當水位上升到 50%以上 70%以下時，停M2，M1 繼續(xù)運行到水位上升到 90%以上才停止工作。經過調試系統，測得以下數據：水位從 50%-70%，兩臺泵運行需要約 10 分鐘；水位從 70%-90%，一臺泵運行需要約 15 分鐘。水箱的水位一般保持在 70%-90%。報警控制如下：當水位高與 90 開度的時候，由傳感器經變送器發(fā)送信號，LG 閉合，系統水位高報警。當水位低于 75 開度的時候，由傳感器經變送器發(fā)送信號，LD 閉合，系統

28、水位低報警。當水位低與 50 開度的時候，由傳感器經變送器發(fā)送信號，LDD 閉合，系統水位低低報警。手動/自動模式轉換控制如下：全自動模式下，系統自動判斷水位的狀況，選擇不同的工作狀態(tài)。在手動的模式下，兩臺給水泵的運行控制可由人工自己操作。本科生課程設計（論文）11第 3 章 主程序框圖3.1 主程序框圖圖 3.1 主程序框圖3.2 自動模式子程序圖 3.2 自動模式子程序圖本科生課程設計（論文）123.3 手動模式子程序圖 3.3 手動模式子程序圖本科生課程設計（論文）13第 4 章 本系統程序清單#include #define uchar unsigned char#define uin

29、t unsigned int/自動控制程序void autoplay(void) if(P1_0P1_1)=1) /低低水位處理數碼顯示“L”2 個 led 都亮 P1_6=0;P1_7=0;P1_4=0;P1_5=0;P0=0 xc7; if(P1_1P1_2)=1) /低水位處理數碼顯示“L”1 個 led 亮 TR0=0;P1_6=0;P1_7=1;P1_4=0;P1_5=1; P0=0 xc7; if(P1_2=0) /高水位處理數碼顯示“H”2 個 led 閃爍 P1_6=1;P1_7=1;P1_4=1;P1_5=1; P0=0 x89;本科生課程設計（論文）14 TR0=1; if

30、(P1_0&P1_1&P1_2) /其它情況處理數碼顯示“” TR0=0; P1_6=1;P1_7=1;P1_4=1;P1_5=1;P0=0 xff; /手動控制程序void play(void)P1_4=1;P1_5=1; if(P1_0P1_1)=1) /低低水位處理數碼顯示“L”2 個 led 都亮 P1_6=0;P1_7=0;P0=0 xc7; if(P1_1P1_2)=1); /低水位處理數碼顯示“L”1 個 led 亮 TR0=0;P1_6=0;P1_7=1; P0=0 xc7; 本科生課程設計（論文）15 if(P1_2=0) /高水位處理數碼顯示“H”2 個 l

31、ed 閃爍 P1_6=1;P1_7=1; P0=0 x89; TR0=1; if(P1_0&P1_1&P1_2) /其它狀態(tài)處理數碼顯示“” TR0=0; P1_6=1;P1_7=1;P0=0 xff; /LED 燈閃爍程序void t0(void) interrupt 1 using 1 P1_6=P1_7; P1_7=P1_6;/主程序 void main(void) P1=0 xff; /初始化 P3=0 xff;TCON=0 x02;TH0=(256-50)/256;TL0=(256-50)%256;TR0=0;EA=1;本科生課程設計（論文）16ET0=1; while(1) if(P1_3=1) autoplay(); else play(); 本科生課程設計（論文）17第 5 章 模擬仿真圖圖 5.1 模擬仿真圖本科生課程設計（論文）18