水箱自动上水控制器.doc

辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 单片机原理与接口技术单片机原理与接口技术 课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目： 水箱自动上水控制器水箱自动上水控制器 院院 （系）：（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 测控测控081081 学学 号：号： 080301003080301003 学生姓名：学生姓名： 庞长勇庞长勇 指导教师：指导教师： 起止时间：起止时间：2011.6.20-2011.7.32011.6.20-2011.7.3 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院 教研室：测控技术与仪器 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 学 号080301003学生姓名庞长勇专业班级测控081 设计题目水箱自动上水控制器水箱自动上水控制器 课程设计（论文）任务 设计任务设计任务 设计一个水箱自动上水控制器，具有以下功能： 1、水箱高度为 1m，以单片机为控制核心，控制水箱的自动上水； 2、当检测水位低于 0.1m 时自动启动上水功能，当水位达到 0.8m 时停止上水； 3、采用 220VAC 电磁阀作为阀门； 4、采用 4 位 LED 数码管显示； 设计要求：设计要求： 1、分析系统功能，尽可能降低成本，选择合适单片机、传感器等； 2、应用专业绘图软件绘制硬件电路图和软件流程图； 3、按规定格式，撰写、打印设计说明书一份，其中程序开发要有详细的软件设计 说明，详细阐述系统的工作过程，字数应在 4000 字以上。 技术参数技术参数 1、液位量程分为 01000 毫米； 2、检测精度 0.5% 工作计划 1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的控制要求。 （2 天，分散完成） 2、选择传感器、单片机等元器件型号。 （1 天，实验室完成） 3、绘制硬件电路图。 （1 天，实验室完成） 4、按系统的控制要求，编写软件程序。 （3 天，分散 2 天，实验室 1 天） 5、上机调试、修改程序、答辩。 （2 天，实验室完成） 6、撰写、打印设计说明书（1 天，分散完成） 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 指导教师签字： 总成绩： 年 月 日 本科生课程设计（论文） 目 录 第 1 章 绪论.1 1.1 概述 .1 1.2 单片机简介 .1 第 2 章 工作原理及框图.3 2.1 系统概述及原理图 .3 第 3 章 单片机水箱水位控制器硬件设计4 3.1 水箱给水设备原理 .4 3.2 传感器的选用5 3.3 电磁阀的选择6 3.4 时钟电路7 3.5 单片机复位系统 .7 3.6 单片机与数码管的连接 .8 3.7 单片机与 ADC0804 连接 .9 3.8 特点.10 第 4 章 软件流程图11 第 5 章 课程设计总结12 参考文献.13 附录 总体电路图.14 附录 软件程序15 本科生课程设计（论文） 1 第 1 章 绪论 1.1 概述 水箱水位控制系统是我国广泛应用的供水系统，传统的控制方式存在控制精 度低、能耗大的缺点，而自动控制的原理，一句用水量的变化自动调节协同的运 行参数，保持水压恒定以满足用水要求，从而提高了供水系统的质量。而且成本 低，安装方便，经过多次的实验证明，灵敏性好，是节约水源，方便家庭和单位 控制水塔水位的理想装置。该系统采用单片机实现了水塔水位的自动控制，设计 出一种成本低、高实用价值的水位控制器。它能自动完成上水停水的全部循环， 保证液面高度处于较理想的范围内，它结构简单，制造成本低，灵敏度高，节约 能源显著，适用于各种高层液体储存的理想设备。 不论社会经济如何飞速，水在人们正常生活和生产中起着重要的作用。一旦 断了水，轻则给人民生活带来极大的不便，重则可能造成严重的生产事故及损失， 从而对供水系统提出了更高的要求，满足及时、准确、安全充足的供水。如果仍 然使用人工方式，劳动强度大，工作效率低，安全性难以保障，由此必须进行自 动化控制系统的改造。从而实现提供足够的水量、平稳的水压、水塔水位的自动 控制有设计成本低、高实用价值的控制器。 单片机，一小块芯片上集成了一个微型计算机的各个组成部分，它的诞生使 众多自动化控制系统得以实现。单片机以它功能强大，设计简单，制造廉价，支 持指令集较多。所以应用到众多系统开发中。 因此，基于单片机的水箱水位控制器研究有着重要的意义。 1.2 单片机简介 单片微型计算机简称单片机 SCM(SingleChipMICroeomputer)，也称作微控制， 目前国外已普遍称之为微控制器 MCU(MicroController Unit)。MicroController，是 把微型计算机主要部分都集成在一个芯片上的单芯片微计算机。鉴于它完全作嵌 入式应用，故又称之为嵌入式微控制器(Embedded Microcontroller)。国内由于单 片机一词已约定俗成，仍沿用至今，但应将单片机的“机”理解成为微控制器而 不是微计算机。主要包括微处理器(CPU)、存储器(RAM，ROM)、输入/输出接口 (I/O)，定时/计数器等功能部件。单片机自 70 年代问世以来，作为微型计算机一 个很要的分支，应用广泛、发展迅速己经对人类社会产生了巨大影响。尤其是国 本科生课程设计（论文） 2 外 Intel 公司生产的 MCS-51 系列单片机，由于其具有集成度高、处理能力强、可 靠性高、系统结构简单、价格低廉等优点，在我国己经取得了广泛的应用，智能 仪器仪表、工业检测控制、机电一体化等方面取得了令人瞩目的成就。 单片机具有体积小、重量轻、功能强、功耗低、运行速度快、抗干扰能力强、 性价比高、可靠性高等特点，结构灵活，数据基本上都在单片机内部传送，易于 组成各种微机应用系统。在众多的通用型单片机里，以 Intel 公司的 MCS-51 系列 单片微型计算机最为著名。 本科生课程设计（论文） 3 第 2 章 工作原理及框图 2.1 系统概述及原理图 该系统由水位传感器、A/D 转换器、电磁阀、时钟脉冲电路、单片机系统共 同组成。水位传感器通过检测到的水位将检测到的模拟水位信号传送给 A/D 转换 器，A/D 转换器将其转换成数字量传送给单片机，单片机通过处理，将控制电磁 阀的开关，以实现上下水的控制。系统框图如图 2.1： 图 2.1 系统原理图 液位传感器 AT89S52 A/D 转换 电磁阀 晶振电路 复位电路 本科生课程设计（论文） 4 第 3 章 单片机水箱水位控制器硬件设计 3.1 水箱给水设备原理 1、当传感器检测到 水位处在高水位与底水位之间时， 不执行任何操作。 2、当传感器检测水位低于 0.1m 时，单片机发出指令，使电磁阀打开， 往水箱里注水，当达到 0.9m 时，发出中断申请，单片机停止工作，电磁阀关 断。 3、当传感器检测水位高于 0.9m 时，单片机发出指令，请求中断，电磁 阀关断，停止注水 。 根据以上的要求，该水位传感器报警器系统电路大致设计为下图 3.1： 0.9m 0.1m 图 3.1 水位传感器控制原理图 给水泵 M1 电磁阀 本科生课程设计（论文） 5 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:10-Jul-2011Sheet of File:C:UserslenovoDesktop传传传传传PREVIO117.DDBDrawn By: 5 4 2 312 U6A R1 125 R2 100K R3 200/3K R2 100 1 2 传传传 HQ3050 5/6V 12v IN 3.2 传感器的选用 根据该次毕业设计要求，将感受到的水位信号传送到单片机，单片机内的 计算机将实测的水位信号与设定信号进行比较，得出偏差，然后根据偏差的性 质，向给水电动阀发出 “开“关“的指令，保证容器达到设定水位。、 由题目要求，液位精度 0-1000 毫米，HQ3050 系列智能型电动浮筒液位 计即符合要求，故选之。 图 3.2 传感器电流信号转换成电压信号电路图 由选用的传感器为 HQ3050 系列，它是两线制输出端口，此电路是将传 感器传出来的电流信号转换成电压信号来驱动A/D 转换，故应加一个 I/V 转 换电路。此电路输入 电流为为 420mA， 当输入电流分别 s iVUR6/5 s i 为 4mA 和 20mA 时： 经计算=05V,可以驱动 A/D 转换。 o u 3.3 电磁阀的选择 直动式电磁阀： 2 3 1 3 2 1R R U Ri R R u R so 本科生课程设计（论文） 6 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:10-Jul-2011Sheet of File:C:UserslenovoDesktop传传传传传PREVIO117.DDBDrawn By: Q0 PNP +5v R0 1K PORT K RELAY-SPST 传传传 22 0V D 原理： 电磁阀通过三极管、继电器来控制开断，PORT 端接单片机 P1 口， 由于单片机复位后，P0-P3 口均为高电平，由 PORT 端接高电平，三极管发射极 无电流流过，故开关处于关断状态。所以只有当 PORT 端为低电平时，三极管发 射极有电流流过，继电器工作，实现控制电磁阀的开断。 特点：在真空、负压、零压时能正常工作，但通径一般不超过 25mm。电路 图见 3.3。 图 3.3 单片机 P1 口引脚控制电磁阀的开断 电磁阀选型首先应该依次遵循安全性，可靠性，适用性，经济性四大原则， 其次是根据六个方面的现场工况(即管道参数、流体参数、压力参数、电气参数、 动作方式、特殊要求进行选择)。 因此综上所述电磁阀可以选用价格低廉的直动式电磁阀。 本科生课程设计（论文） 7 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:4-Jul-2011 Sheet of File:C:UserslenovoDesktopBACKUP214.DDBDrawn By: R0 1K C0 22uF +5V RESET 传传 传传 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:10- Jul-2011Sheet of File:C:UserslenovoDesktop传传传传传PREVIO 117.DDBDr awn By: C1 33pF C1 33pF Y1 12MHz X1 X2 3.4 时钟电路 时钟电路:AT89S52 内部有时钟电路,但石英晶体和微调电容是需要外接的. 时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列.本次设计选用的晶振频率为 12MHz,电路图 见 3.4。 图 3.4 时钟脉冲电路 3.5 单片机复位系统 复位是单片机的初始操作，其主要作用是把 pc 初始化为 0000H，使单片机从 0000H 开始执行程序。除了进行系统的正常初始化外，当由于程序出错或操作失 误使程序处于死锁状态时，为摆脱困境，也需要按复位键从新启动。 本科生课程设计（论文） 8 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:10-Jul-2011Sheet of File:C:UserslenovoDesktop传传传传传PREVIO117.DDBDrawn By: a bf c g d e DPY1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp DS1 a bf c g d e DPY1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp DS2 a bf c g d e DPY1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp DS3 a bf c g d e DPY1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp DS4 R RR R A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9A10A11A12 图 3.5 单片机复位系统 3.6 单片机与数码管的连接 由 ADC0804 输出的数字信号送给 AT89S52 单片机的 P0 口，经 CPU 分析与预 设的水位做比较，单片机将信号送给 LED 数码显示管，显示当前水位； LED 数码显示管采用动态显示，见图 3.6，4 位 LED 数码显示电路只需要两个 4 位 I/O 口。其中一个控制段选码，另一个控制位选。由于所有位的段选码皆有 一个 I/O 口控制，因此，在每个瞬间，4 位 LED 可能显示相同的字符。要想每位 显示不同的字符，必须采用扫描显示方式，即在每一瞬间只使某一位显示相应字 符。在此瞬间，段选码由控制 I/O 口输出相应字符电平，位选 I/O 口输出位选码 以保证该位显示相应字符。如此轮流，使每位显示该位应显示字符，并延时一段 时间，以造成视觉暂留效果。 图 3.5 单片机与数码管硬件连接 本科生课程设计（论文） 9 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:10-Jul-2011Sheet of File:C:UserslenovoDesktop传传传传传PREVIO117.DDBDrawn By: VCC 10K 150pF CS 19 RD 20 WR 21 INTR 22 DB0 25 DB1 26 DB2 27 DB3 28 DB4 29 DB5 30 DB6 31 DB7 32 AHND 33 DGND 34 VCC 36 CLRK 37 CLK IN 38 VIN+ 39 VIN- 40 VREF/2 41 U2 ADC0804 B0 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 A8 RD WR INT0 IN 3.7 单片机与 ADC0804 连接 3.8 特点 自动上水阀的特点在于：1、全方位克服了各种缺点，仅需人工开一次水阀 就完成了上水的全部操作。2、其结构简单，不易出故障，室内室外均可安装， 维修方便，困扰自动上水阀推广的水垢问题迎刃而解。3、而且可以在不损坏装 修的情况下为老用户进行安装。4、其制造成本比其它自动上水阀低得多，但却 达到了最方便实用的效果-水满自动关水。总之，这种自动上水阀能达到低成本 节水而且使用方便的目的。 本科生课程设计（论文） 10 第 4 章 软件流程图 图 4.1 软件流程图 初始化上下水位线 维持原有状态 处于非工作状态 高低水位之间 停止工作 高水位线上 低水位线下 传感器发出信号促 使单片机工作 到达高水位 判断水位 开始 结束 本科生课程设计（论文） 11 第 5 章 课程设计总结 本系统是以单片机 AT89S52 芯片为核心部件，根据 要求通过 AT89S52 芯片实现对水箱自动上水的控制 。 该设计是将水位传感器反馈的模拟信号传送给单片机，又单片机只识别数 字信号，所以 通过电流电压转换电路 将传感器输出的电流信号转换成电压 信号，才可以驱动 A/D 工作，因此才可以将信号送入单片机芯片中去。单片 机将通过传感器输出的信号识别当前的水位状况，根据传感器传出的信号决定 电磁阀的关断，进而实现自动上水的功能。 本科生课程设计（论文） 12 参考文献 1 梅丽凤，王艳秋，任国臣等.单片机原理及接口技术.第 3 版.北京：清华大学出 版社,2010（3） 2 张国雄，赵美蓉，崔天祥等.测控电路.第 3 版.北京：机械工业出版社,2008 3 宋文绪，杨帆.传感器与检测技术.第 2 版.北京：高等教育出版社，2009 4 王义方.微型计算机原理及应用.机械工业出版社，1997 5 王治刚.单片机应用技术与实训.清华大学出版社，2004 6 马家辰.MCS-51 单片机原理及接口技术.哈尔滨工业大学出版社，2007 本科生课程设计（论文） 13 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:10-Jul-2011Sheet of File:C:UserslenovoDesktop传传传传传PREVIO117.DDBDrawn By: 5 4 2 312 U6A R1 125 R2 100K R3 200/3K R2 100 EA/VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE/P 30 TXD 11 RXD 10 AT89S52 U1 C1 33pF C1 33pF Y1 12MHz PORT a bf c g d e DPY1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp DS1 a bf c g d e DPY1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp DS2 a bf c g d e DPY1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp DS3 a bf c g d e DPY1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp DS4 R RR R R0 1K C0 22uF +5V RESET RESET 传传 传传 Q0 PNP +5v R0 1K PORT 1 2 传传传 HQ3050 K RELAY-SPST 传传传 220V 5/6V 12v D A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9A1