單片機(jī)水位控制系統(tǒng)

1引言隨著集成電路規(guī)模日益大型化、復(fù)雜化，各種復(fù)雜的液位控制系統(tǒng)已成為一個(gè)研究的熱點(diǎn)。單片機(jī)以其控制精度高，性能穩(wěn)定、可靠，設(shè)置操作方便，造價(jià)低等特點(diǎn)，應(yīng)用到液位系統(tǒng)控制之中，不但保證了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性，而且增強(qiáng)了人機(jī)交互的能力。單片機(jī)應(yīng)用發(fā)展迅速而廣泛。在過(guò)程控制中，單片機(jī)既可作為主計(jì)算機(jī)，又可作為分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的前端機(jī)，完成模擬量的采集和開(kāi)關(guān)量的輸入、處理和控制計(jì)算，然后輸出控制信號(hào)。單片機(jī)廣泛用于儀器儀表中，與不同類(lèi)型的傳感器相結(jié)合，實(shí)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(cè)量；在家用電器設(shè)備中，單片機(jī)已廣泛用于電視機(jī)、錄音機(jī)、電冰箱、電飯鍋、微波爐、洗衣、高級(jí)電子玩具、家用防盜報(bào)警等各種家電設(shè)備中。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信、醫(yī)用設(shè)備、工商、金融、科研、教育、國(guó)防、航空航天等領(lǐng)域都有著十分廣泛的應(yīng)用。項(xiàng)目應(yīng)用中液位的測(cè)量常用方法主要有超聲波、激光紅外測(cè)距、機(jī)械浮子、壓力傳感器測(cè)距等幾種。這些測(cè)量方式對(duì)一般液位的測(cè)量來(lái)說(shuō)各有各的優(yōu)點(diǎn)，可根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合和要求進(jìn)行選擇。2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及總框圖對(duì)于水位進(jìn)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(jiǎn)單的機(jī)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(shí)現(xiàn)如下：簡(jiǎn)（單1的＞機(jī)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(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本低廉。存在問(wèn)題是精度不高,不能進(jìn)行數(shù)值顯示,另外很容易引起誤動(dòng)作,且只能單獨(dú)控制,與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信較難實(shí)現(xiàn)。復(fù)（雜2控＞制器控制方式。這種控制方式是通過(guò)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(hào)的模擬信號(hào),經(jīng)過(guò)前置放大、多路切換、/變換成數(shù)字信號(hào)傳送到單片機(jī)經(jīng)單片機(jī)運(yùn)算和給定參量的比較進(jìn)行運(yùn)算得出調(diào)節(jié)參量。經(jīng)由/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(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速,以達(dá)到控制水位的目的。圖2-系1圖2-系1統(tǒng)總體框圖硬件設(shè)計(jì)方案1工作原理1工作原理基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的水位控制器是以 芯片為核心由鍵盤(pán)、數(shù)碼顯示、/轉(zhuǎn)換、傳感器電源和控制部分等組成。工作過(guò)程如下：當(dāng)水位發(fā)生變化時(shí),引起連接在水位底部軟管管內(nèi)的空氣氣壓變化,氣壓傳感器在接收到軟管內(nèi)的空氣氣壓信號(hào)后,即把變化量轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大電路放大后變成幅度為? 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送入/轉(zhuǎn)換器/轉(zhuǎn)換器把模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)量,由單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集,并進(jìn)行處理,根據(jù)設(shè)定要求控制輸出,同時(shí)數(shù)碼管顯示液位高度。通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)置液位高、低和限定值以及強(qiáng)制報(bào)警值。該系統(tǒng)控制器特點(diǎn)是直觀地顯示水位高度,可任意控制水位高度。2.2.2主控模塊設(shè)計(jì)方案單片機(jī)作為主控模塊，使得在對(duì)單片機(jī)選型上有了較大的空間。單片機(jī)在30多年的發(fā)展歷程中，形成了多公司、多系列、多型號(hào)“百家爭(zhēng)鳴”的局面。因而，選擇一個(gè)合適的單片機(jī)有時(shí)真的不太容易，要考慮的方面太多。大致總結(jié)出以下幾點(diǎn)：?jiǎn)纹瑱C(jī)的基本參數(shù)。例如速度、程序存儲(chǔ)器容量、 引腳數(shù)量等。單片機(jī)的增強(qiáng)功能。例如看門(mén)狗、雙指針、雙串口、實(shí)時(shí)時(shí)鐘）、 、擴(kuò)展、接口、接口、接口、接口。和 一次性可編程）。

封裝： 雙列直插） 有對(duì)應(yīng)插座）還是貼片。工作溫度范圍，工業(yè)級(jí)還是商業(yè)機(jī)。6＞功耗。7＞工作電壓范圍。例如設(shè)計(jì)電視機(jī)遙控器，2節(jié)干電池供電,至少應(yīng)該能在 電壓范圍內(nèi)工作。8＞供貨渠道暢通。9＞價(jià)格。燒錄器價(jià)格，能否 在線系統(tǒng)編程）。11仿＞真器。12單＞片機(jī)匯編語(yǔ)言支持。13資＞料盡量豐富。14抗＞干擾性能好。15和＞其他外設(shè)芯片放在一起的綜合考慮。單片機(jī)采用由 公司生產(chǎn)的雙列腳芯片如圖一所示。其中口用于/轉(zhuǎn)換和顯示?？谶B接一個(gè)X的鍵盤(pán)?？谟糜诳刂齐姶砰y和水泵動(dòng)作。雙口3用于上、下限指示燈,報(bào)警指示燈以及用于讀寫(xiě)控制和中斷PDIP/CerdipP1.D匚P1.1匚P1.2P1.D匚P1.1匚P1.2匚P1.3匚P1.4匚P1.5匚P1.6匚P1.7匚RST匚：RXD)P3.D匚：TXD)P3.1匚(rNTD)P3.2匚(TNTI)P3.3匚,一二1P3一［圖W.5匚RI-選用繼電器作為電ziPD.D(ADO)=1PD.1(AD1)P0.2(AD2iPD.3(AD3i□PD.4(AD4)ZIPD.5(AD5iGPD.B(AD61=1PD.7(AD7)的VPPALEi1PROGP2.7：A15)9腳圖51A'3P2.5：A13)P2.4：A12)日?qǐng)@口伍內(nèi)P2.2(AID)有控制系統(tǒng)又稱(chēng)輸入回路)和被控制系統(tǒng)＜又稱(chēng)輸出回路），通常應(yīng)用于自動(dòng)控制電路中，它實(shí)際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動(dòng)開(kāi)關(guān)”。故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。繼電器主要產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)：1＞額定工作電壓。是指繼電器正常工作時(shí)線圈所需要的電壓。根據(jù)繼電器的型號(hào)不同，可以是交流電壓，也可以是直流電壓。2＞直流電阻。是指繼電器中線圈的直流電阻，可以通過(guò)萬(wàn)能表測(cè)量。3＞吸合電流。是指繼電器能夠產(chǎn)生吸合動(dòng)作的最小電流。在正常使用時(shí)，給定的電流必須略大于吸合電流，這樣繼電器才能穩(wěn)定地工作。而對(duì)于線圈所加的工作電壓，一般不要超過(guò)額定工作電壓的1.倍5，否則會(huì)產(chǎn)生較大的電流而把線圈燒毀。4＞釋放電流。是指繼電器產(chǎn)生釋放動(dòng)作的最大電流。當(dāng)繼電器吸合狀態(tài)的電流減小到一定程度時(shí)，繼電器就會(huì)恢復(fù)到未通電的釋放狀態(tài)。這時(shí)的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于吸合電流。5＞觸點(diǎn)切換電壓和電流。是指繼電器允許加載的電壓和電流。它決定了繼電器能控制電壓和電流的大小，使用時(shí)不能超過(guò)此值，否則很容易損壞繼電器的觸點(diǎn)。根據(jù)以上的參數(shù)，結(jié)合設(shè)計(jì)的演示性，選用額定工作電壓 ,工作電流，控制電壓 的小型繼電器。2.2.4A/D□□□□□□□□是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的工藝通道，位逐次逼近式轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個(gè)通道多路開(kāi)關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，只選通路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的位通用芯片。1、主要特性1路輸入通道，位 轉(zhuǎn)換器，即分辨率為位。＜2）具有轉(zhuǎn)換起停控制端。3轉(zhuǎn)換時(shí)間為 |J時(shí)鐘為 時(shí), |J時(shí)鐘為 時(shí)）4單個(gè)+ 電源供電

5模擬輸入電壓范圍?+v不需零點(diǎn)和滿(mǎn)刻度校準(zhǔn)。6工作溫度范圍為?+攝氏度7低功耗，約。2、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部引腳的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部引腳分別如下兩圖所示。內(nèi)部各部分的作用和工作原理在內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖中已一目了然，在此就不再贅述，下面僅對(duì)各引腳定義分述如下：)?一一路模擬輸入，通過(guò)根地址譯碼線 、 、來(lái)07 ABC選通一路。) 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)輸出端，為三態(tài)可控輸出，故可直接和微70處理器數(shù)據(jù)線連接。位排列順序是為最高位，為最低位。703 、 、 一一模擬通道選擇地址信號(hào)， 為低位， 為高TOC\o"1-5"\h\zABC A C位。地址信號(hào)與選中通道對(duì)應(yīng)關(guān)系如表11.所3示。) + 一一正、負(fù)參考電壓輸入端，用于提供片內(nèi) 電阻網(wǎng)絡(luò)RR的基準(zhǔn)電壓。在單極性輸入時(shí)， ， ；雙極性輸入時(shí)， +RR R分別接正、負(fù)極性的參考電壓。R)一一地址鎖存允許信號(hào)，高電平有效。當(dāng)此信號(hào)有效時(shí)，、、三位地址信號(hào)被鎖存，譯碼選通對(duì)應(yīng)模擬通道。在使用時(shí)，該信號(hào)常和 信號(hào)連在一起，以便同時(shí)鎖存通道地址和啟動(dòng) 轉(zhuǎn)換。6一一轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)，正脈沖有效。加于該端的脈沖的上升沿使逐次逼近寄存止，重新從頭開(kāi)始轉(zhuǎn)換器清零，下降沿開(kāi)始轉(zhuǎn)換。如正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)又接到新的啟動(dòng)脈沖，則原來(lái)的轉(zhuǎn)換進(jìn)程被中。-IN：一叫—ADDaaddb-ADD-IN：一叫—ADDaaddb-ADD—ALE—?D7(MSB)一口6-AD.一以-Do(LSB)一Vr㈠一%2AADDbADD、 A—■—000001010011100101110111選中通道叫叫叫IN31凡叫IN6坦7外部引腳圖)——轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，高電平有效。該信號(hào)在 轉(zhuǎn)換過(guò)程中為低電平，其余時(shí)間為高電平。該信號(hào)可作為被 查詢(xún)的狀態(tài)信號(hào)，也可作為對(duì)的中斷請(qǐng)求信號(hào)。在需要對(duì)某個(gè)模擬量不斷采樣、轉(zhuǎn)換的情況下，也可作為啟動(dòng)信號(hào)反饋接到 端，但在剛加電時(shí)需由外電路第一次啟動(dòng)。8 ——輸出允許信號(hào)，高電平有效。當(dāng)微處理器送出該信號(hào)時(shí)，的輸出三態(tài)門(mén)被打開(kāi)，使轉(zhuǎn)換結(jié)果通過(guò)數(shù)據(jù)總線被讀走。在中斷工作方式下，該信號(hào)往往是 發(fā)出的中斷請(qǐng)求響應(yīng)信號(hào)。3硬件電路設(shè)計(jì)傳感器電路系統(tǒng)選用 壓阻式壓力傳感器，壓阻式壓力傳感器是利用單晶硅的壓阻效應(yīng)制成的器件。這種傳感器精度高、工作可靠，容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，比應(yīng)變式壓力傳感器體積小而輸出信號(hào)大。它是目前壓力測(cè)試中使用最多的一種傳感器。壓阻式壓力傳感器使用集成電路工藝技術(shù)，在硅片上制造出四個(gè)等值的薄膜電阻，并組成電橋電路，當(dāng)不受到壓力作用時(shí)，電橋處于平衡狀態(tài)，無(wú)電壓輸出；當(dāng)受到壓力作用時(shí)，電橋失去平衡，電橋輸出電壓。電橋輸出的電壓與壓力成正比例。其工作原理圖如3—1所示圖3—1壓阻式壓力傳感器原理圖時(shí)鐘電路與復(fù)位電路要使單片機(jī)按照設(shè)計(jì)要求正常工作，完整單片機(jī)最基本的工作要求，考慮

到系統(tǒng)無(wú)需精確地定時(shí)功能，且為了方便串口通信波特率的計(jì)算，采用的晶振提供系統(tǒng)時(shí)鐘。并附加復(fù)位電路，組成單片機(jī)最小系統(tǒng)。A口D采集轉(zhuǎn)換電路本系統(tǒng)芯片所選用的是，該大規(guī)模集成電路芯片是一種由單一電源供電，采用逐次逼近轉(zhuǎn)換原理，能夠?qū)β芬惠斎肽M電壓進(jìn)行分時(shí)轉(zhuǎn)換的八位并行通用型可編程模數(shù)轉(zhuǎn)換器。 由單片機(jī)控制驅(qū)動(dòng)，對(duì)傳感器進(jìn)行定式循環(huán)采集，然后單片機(jī)將各測(cè)量參數(shù)傳至機(jī)，進(jìn)行后臺(tái)數(shù)據(jù)處理。電路連接如圖3-。3圖3—3A/D轉(zhuǎn)換電路圖按鍵設(shè)計(jì)鍵盤(pán)在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中是一個(gè)很關(guān)鍵的部件，它能實(shí)現(xiàn)向單片機(jī)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(jī)的主要手段?？紤]到本設(shè)計(jì)實(shí)際

需要的按鍵較少，故采用獨(dú)立式鍵盤(pán)接口電路。在程序查詢(xún)方式下，通過(guò)端口讀入按鍵狀態(tài)，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，相應(yīng)的端口變?yōu)榈碗娖?，而未被按下的按鍵在上拉電阻作用下為高電平，這樣通過(guò)讀口的狀態(tài)判斷是否有按鍵按4軟件程序設(shè)計(jì)按鍵在上拉電阻作用下為高電平，這樣通過(guò)讀口的狀態(tài)判斷是否有按鍵按4軟件程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)主程序流程圖系統(tǒng)主程序的功能主要是完成對(duì)單片機(jī)的初始化，設(shè)置警戒液位的上下限，實(shí)時(shí)顯示液位值以及鍵盤(pán)掃描等工作。主程序流程圖如4圖-所1示。

圖4—1主程序流程圖顯示與A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，顯示輸出的要求為壓縮碼，而轉(zhuǎn)換輸入的數(shù)據(jù)是位進(jìn)制碼，因此在實(shí)現(xiàn)顯示之前需要編碼的轉(zhuǎn)換。對(duì)位轉(zhuǎn)換器而言，其十六進(jìn)制、相對(duì)滿(mǎn)偏電壓比率、相對(duì)電壓幅值的關(guān)系對(duì)應(yīng)如4表-：2十六進(jìn)制二進(jìn)制滿(mǎn)刻度比率相對(duì)電壓幅值Vref=2.5V高四位低四位高四位電壓低四位電壓F111115/1615/2564.8000.320E111014/1614/2564.4800.280D110113/1613/2564.1600.260C110012/1612/2563.8400.240B101111/1611/2563.5200.220A101010/1610/2563.2000.200910019/169/2562.8800.180

010008/168/2562.5600.160701117/167/2562.2400.140601106/166/2561.9200.120501015/165/2561.6000.100401004/164/2561.2800.080300113/163/2560.9600.060200102/162/2560.6400.040100011/161/2560.3200.020000000/160/2560.0000.000表 轉(zhuǎn)換幅值數(shù)據(jù)關(guān)系對(duì)照表顯示轉(zhuǎn)換部分程序簡(jiǎn)略如下：系統(tǒng)主程序口初始化置若手動(dòng)在自動(dòng)位置，跳到自動(dòng)模式程序MEN； 否則轉(zhuǎn)到手動(dòng)模式子程序空命令)L 水位高一.1，L；D 水位沒(méi)低---LD3.1 ； 水位低報(bào)警P1.0,；LDD水位未低低---LDD3.0 ； 水位低低報(bào)警； E啟動(dòng)一.4 ； 否則啟動(dòng)M1； E啟動(dòng)1.5 ； 否則啟動(dòng)M2LL； DELAY延時(shí)1分鐘；AUT 返回自動(dòng)模式P 單獨(dú)運(yùn)行〈水位V)LG:CLR。P3.2 水位高報(bào)警M 返回主程序5總結(jié)在即將畢業(yè)之際，作為一名電氣的大四學(xué)生，通過(guò)做這次課程設(shè)計(jì)是很有意義的，而且也是必要的。在做這次課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我感觸最深的當(dāng)屬查閱大量的設(shè)計(jì)資料了。為了讓自己的設(shè)計(jì)更加完善，查閱這方面的實(shí)際資料是十分必要的，也是必不可少的。其次，在這次課程設(shè)計(jì)中，我們運(yùn)用了以前學(xué)過(guò)的專(zhuān)業(yè)課知識(shí)，如：仿真、匯編語(yǔ)言、模擬和數(shù)字電路知識(shí)等。雖然過(guò)去我從未獨(dú)立應(yīng)用過(guò)他們，但在學(xué)習(xí)的過(guò)程中帶著問(wèn)題去學(xué)我發(fā)現(xiàn)效率很高，這是我做這次課程設(shè)計(jì)的又一收獲。最后，要做好一個(gè)課程設(shè)計(jì)，就必須做到：在設(shè)計(jì)程序之前，對(duì)所用單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有一個(gè)系統(tǒng)的了解，知道該單片機(jī)有哪些資源；要有一個(gè)清晰的思路和一個(gè)完整的軟件流程圖；在設(shè)計(jì)程序時(shí)，不能妄想一次將整個(gè)程序設(shè)計(jì)好，反復(fù)修改、不斷改