毕业设计（论文）-基于proteus的单片机水塔水位控制.doc

四川工业科技学院毕业作业 （设计）四川工业科技学院毕业作业（设计）作业题目 基于proteus的单片机水塔水位控制学生姓名 学 号 指导教师 专 业 机电一体化 年 级 2016级 学 院 交通学院 诚信承诺一、 本毕业作业（设计）是本人独立完成；二、 本毕业作业（设计）没有任何抄袭行为；三、 若有不实，一经查出，请取消本人毕业作业（设计）成绩。承诺人： 2016年8月30日摘 要水塔水位测量现在越来越重要，水塔水位的高低直接影响到老百姓的用水安全，对水位的监测显得非常重要，而现在的水塔设备一般都比较简单，整个系统都比较单调，而且如果现场没有人员在，很可能会发生危险。因而在翻阅了大量的书籍的前提下，我设计了一种水塔水位测量系统。本文以STC89C52单片机为核心，通过超声波测距模块，来实现对水位的测量，从而得到测量值，然后显示在1602液晶显示屏上面，最后通过按键来设定水位阀值，当超过阀值的时候就报警，使得工作人员能够及时的处理紧急情况。本本所设计的系统对以往的水位监测系统进行了改进，能够直观的看到水位的信息，看水塔水位是否处于危险情况下。从而可以对水位进行监控。而且整个系统的设计比较安全，可靠性高。关键词：STC89C52；1602液晶；水位测量；引言在社会经济快速发展的今天，水在整个社会的发展中越来越重要。如果缺少水资源，一方面会给人们的生活带来极大的困难，如果缺水严重的话，有可能会危害到人们的生命健康和社会的动荡。所以对水位监测系统的研究有着非常大的意义。对水位高低的监测关系到人们的用水安全。就现在社会的发展来看，很多系统都有自己的供水系统。像水塔等一些蓄水装置，如何对其中的水位进行监测和管控，一直是一个问题，也是我今天要研究的课题。在当代社会，各种智能装置都存在，而对于水塔水位的监测也向这个方向发展我国整个在水位检测这个领域的发展情况来说可以分为三个阶段:初级阶段、发展阶段和网络化阶段。从1980年开始，我国开始对水位的检测开始信息化，开始有系统的进行记录和测量。八十年代以后就是发展期。九十年代后期随着现代高科技的发展，我国的水位检测系统开始网络化，开始将信息进行汇总和分析。 在2001年，提出了我国水位监控系统的发展道路。我国的在这么多年的发展过程中取得了巨大的成就，但是从全局看我国的发展和西方国家比起来还是有很大的差距，很多地区的建设还不够合理和完善，水平还是比较低的，无论是信息采集还是传输手段都落后他人很多，而且也不满足现在对于水位检测系统的快速性和实时性。本文采用的是单片机编程法。当今人们开始倾向于方便快捷的检测系统，通过单片机编程法更加容易实现，而且非常容易操作，而且精度也是比较高，一般能够满足要求。因此通过单片机编程可以使得测量变的简单，灵活性也比较好。 水情水位的测量一直是几千年来国家关注的一个事情，可靠的水位监测系统可以让人们实时的得到水位情况，避免不必要的财产损失，由于不同的地方，对水位测量的要求不同，从而他们的测量方法和技术也不太一样，利用现代电子技术，尤其是单片机的发展，我们可以设计出更合理的测量系统。本文就是基于单片机的测量技术。此时及可以有效的改变传统的测量方法，采用新型的测量技术，能够更加准确的得到测量数据。目录摘 要3第一章 总体设计方案5第二章 硬件设计62.1单片机模块62.2单片机复位模块72.3单片机晶振模块82.4蜂鸣器部分92.5液晶显示器的选择及接口电路102.6 超声波探测模块102.7按键模块11第三章 仿真软件113.1仿真软件介绍113.2仿真结果13第四章 结论14参考文献15 第一章 总体设计方案本文的最重要的工作一共可以分为硬件搭建部分和软件编写调试部分这两个部分，其中硬件部分主要是对各个元器件以及模块之间的连接，其中包括1602显示模块，蜂鸣器模块【18】，程序下载烧录模块和控制之心能够的模块。我首先对这些各个模块的解释，然后按照原理图连接的形式将它们连接起来组成我们的相关的整体功能。电路结构主要分为下面几种电路结构，他们各自形成了自己的工作，然后结合在一起形成一个整体的功能，分别是核心控制电路、报警电路、显示电路、下载电路和按键电路等。在此设计中，我是通过STC89C52单片机来作为核心部件的，也就是我的控制核心芯片的，通过单片机将超声波模块的数据转化，通过1602来显示，从而直观的得到水位数据【15】。本设计如果完成后，可以用在水位测量装置上面，也可以大量生产，本设计成本低，可以节省社会资源，有利于社会资源的合理利用。对于系统的整体方框图如图2.1所示【19】。图2.1 系统方框图第二章 硬件设计2.1单片机模块 在我们对整个系统有了一个整体框架以后，我们首先对各个部件进行分析，首先是最小系统电路电路图如图3.1所示。其他各个单元部分的电路在这章会一一介绍，通过对各个模块的介绍从而得到整个设计整体思路。 图3.1单片机最小系统STC89C52是基于51核心芯片的一种功耗较低，在性能上算比较高的单片机，它最初是由ATMEL公司生产出来进行销售的。芯片中含有可编程的储存芯片，而且它在生产过程中采用了不容易丢失储存信息的技术，保证了系统的运行完整性，而且52和51单片机的引脚定义是一致的，是没有任何差异的，除了内部的定时器以外。而且近年来随着技术的提高，使得它的成本也是变得越来越低， STC89C52的处理数据位为8 位，它是属于微处理器的范畴，其实现功能的定义与分布和C51单片机的是非常相近的。STC89C52器件有较高的灵活性和集成性高，在水位测量过程中也是非常安全可靠的6。2.2单片机复位模块单片机整个应用系统在它执行相应的程序的过程中，它的正常情况下是可以进入系统正常的初始化过程中的，并且一直运行在人类让他执行的操作过程中的，但是任何系统都不可能是一直正常运行的，整个控制系统也是一样的。在系统运行过程中也有可能遇到不正常的时候，有时候就会使的系统不能正常的初始化，所以为了解决单片机的这样的情况在有些时候会发生，我们就需要通过按复位键来重新启动该系统，让它重新开始从初始状态开始。所以，在水位测量系统中也是不可缺少的一部分，我们需要通过它来对系统进行维护和重新启动15。我所设计的这个设计是通过我自己设计的外部电路来完成单片机的复位功能的，实现手动的复位，在设计复位电路的时候，我们平常的设计一般是使RST引脚保持高电平，这样以来才能保证应用系统能够安全可靠地重新被运行复位重启，这样我们的整个系统才能稳定有效地运行。如图3.2示为本次设计所用到的复位电路的原理图截图16。 图3.2 复位电路图我在本次设计中采用的是手动复位的方式。当系统在运行过程中出现错误无法自己恢复的时候，我们可以按下复位按键，系统便实现复位功能，重新启动。2.3单片机晶振模块单片机在正常稳定工作过程中，时钟电路是一个相当重要的部分。为他提供相应的时钟。任何单片机在工作中都需要时钟给它动力，不然整个系统都不会工作。本次设计的水位系统就是在时钟的系统下进行运作的，这样我们的设计才能准确的保证能够安全的运行13。晶振实物图如图3.3所示。 图3.3 晶振实物图实际连接过程中，我们只需要在单片机的XTAL1和XTAL2这两个管脚上面连接一个晶体振荡器，由它来产生脉冲信号，就能处理各种信号了14。图3.4所示为就是时钟的电路图截图，在电路设计过程中我们选取了两个电容c1和c2，它的作用是稳定频率和快速起振【7】。我们在实际操作运行过程中晶振的频率通常有很多种，6MHz和12MHz，而在我本次设计过程中我选用的是12MHz的晶振来进行单片机工作的。 图3.4 时钟电路图2.4蜂鸣器部分本次设计所用到的蜂鸣器模块是一种压电式蜂鸣器的一种常见的模块，我们在使用这种蜂鸣器的过程时，我们应注意它的正负极，引脚较长的一端为正，另一端为负，必须在设计和焊接的时候清楚的区分开来，不能所编乱猜，不能接反，不然会出现蜂鸣器不响，严重的话可能会烧坏蜂鸣器。 图3.5 声音报警电路图 如图3.5为声音电路模块，在整个设计过程中，其中三极管在电路中的驱动作用是我们在设计过程中所不能忽视的，因为单片机的管脚电流的输出能力是非常有限的，所以我们是不能让他发出声音的。在整个系统工作过程中，我们通过三极管从而将电流放大，从而使得能够得到不错的驱动电流，蜂鸣器会通过集电极的电流，这样的电流是被放大的电流，通过这样的电流蜂鸣器才能够发出声音；当我们给它低电平的时候，三极管就不导通，这样我们的蜂鸣器就不会发出声音了。2.5液晶显示器的选择及接口电路我们本次设计采用LCD1602液晶屏为系统显示水位的显示器。液晶显示器的作用原理是当供电电源提供的电流的时候，从而液晶显示器能够显示相应的水位情况，让人们可以一眼就看出相应的情况。在本次实验设计过程中，我所使用的液晶显示器为LCD1602，体积小，功耗低，是一个可以显示相应符号的液晶显示屏幕,其引脚原理如图3.6。 图3.6 液晶显示屏原理图2.6 超声波探测模块HC-SR04超声波测量水位模块是一种高度集成的测量模块，当此模块开始运行的时候，测量水位距离超声波装置的距离，从而我根据发射超声波到接收的时间差，我就可以计算出超声波发射点与睡眠的的实际距离。由于该模块无需接触到水面，而且它的测量精度也是非常高的，一般来说可以精确到 3mm。而且测量的距离为=(高电平时间*声速(340M/S)/2。超声波是一种频率非常高的声波，而且对于水位的测量使用超声波非常的方便精度也是非常够的。当我们的单片机开始运行工作的的时候，我们超声波模块就会发出相应的超声波，根据电频信号从而发出去，而我们通过返回信号，我们就可以得到整个时间。在经过超声波模块的两级运算放大器后，P32的引脚就会由高电平改为低电平。单片机在接受到这个信号的时候就会触发中断信号，从而它就得到相应的时间，这样进行整个过程中的水位高度数据处理【7】。在我这个设计过程中，超声波探测器的四个引脚一个是用来供电，一个是用来接地的，然后一个是发出超声波的信号接口，另一个是接受到返回信号触发的高电平信号，这样我们就得到了相应的数据，整个过程通过终端来实现，它如图3.7所示： 图3.7超声波接口电路2.7按键模块一共设置三个按键，按键1被按下的时候，就进入设置模式，通过剩下的两个按键来设置水位阀值，一个是减一个是加，通过设置得到最终的设定阀值，并将它显示在1602上面。按键原理图如图所示。低电平有效。如图3.8所示。这样我们就可以通过按键来设定自己所需要的阀值，可以根据不同的情况作出相应的调整。 图3.8 按键电路第三章 仿真软件3.1仿真软件介绍仿真软件就是专门用于仿真原理图的一种软件。其目标是改善问题、改正原理图中许多不足的地方。描述功能与结果是否相同。对模型实验的精准度不断检查。仿真软件可以模拟现实环境，检查电路是否错误，能够先模拟检查电路的好坏，再进行生产，减少不必要的浪费。不同的用户通过仿真软件能采用他们自己适合的使用习惯。用户可以很方便地与计算机进行互动,完成建模或着仿真实验。一般仿真软件有三款：protel、proteus、altium designer。他们的功能基本相似。不过一般protel和altium designer是用于原理图的绘制和PCB的制作。而proteus是较常用于小型实验图的模拟仿真的。对于本文的定位所采用的方法，本实验研究使用的是proteus。它具有原理布图，PCB布线和人工布线，并可以进行仿真的功能，仿真的结果也是比较可靠的，通常软件仿真能成功，实物基本也能实现该功能，当然如果实物出现虚焊的状况，那肯定是不可以的，因而在实际过程中应当注意焊接问题，尽量避免出现虚焊的情况。本实验所有的原理图都是用proteus来绘制的，在此软件中进行仿真的，仿真软件如图4-1所示，仿真界面如图4-2所示。图4.2 proteus软件界面 图4.1 proteus软件3.2仿真结果本文采用proteus来进行仿真的，程序可以参考附录,因为上文已经提到温度对超声波的精度有一定影响，所以在仿真的时候加入了一个测温环节，以便于可以实时知道测量距离的时候温度的变化情况，可以对自己的测量结果的精准度有一个比较直观的了解，也可以对自己的测量数据进行估算，使得测量的结果更加准确，减小它的误差，在模拟仿真时候遇到了许多问题，通过和老师的讨论进行了解决，比如对于电路图的设计，以及实现方式，电路的功能设置，电路图的连接等等，最后都得到了有效的解决。最后终于把仿真图做了出来，通过本软件仿真的实验结果如图4-3所示，通过仿真过程让我了解到了很多，许多事看上去非常简单，但是做起来却会有很多问题的发生。我们在面对事物的过程中，不能轻易的一下子带过去，很多问题看似简单，其实有很大的知识等你去挖掘。在仿真过程中遇到的那些问题，通过老师和学长的帮助才明白其中的道理。每一个错误都有很大的利用价值，可以使我们的知识得到一个飞快的提升。最终才能在显示屏上显示我所需要的内容。仿真软件的应用使得我们在做实际物品的时候，减少了资源的浪费，节约了成本，也可以让老师对你的论文有一个比较直观的了解，在仿真过程中让我受益匪浅。当然在实验过程中也遇到了一些比较特殊的情况，我将对我实验过程中的一些非正常现象做一点解释。 图4.3 仿真结果第四章 结论本次设计过程受益匪浅，从初始的迷惘，到后来的解惑、充实自我，我了解了学习的过程是如何令人愉悦。本次水位监测的设计始终，从硬件的规划设计到软件的编程和写入，我通过了不断翻阅相关资料、上网浏览基本原理、询问老师和同学们的问题，这些种种逐渐使我掌握了相关知识点，然后一笔笔写下，终于在程序调试成功的一刹那，令我欣喜万分。这个课题让我有所感悟，不真正去做，我们永远不知道我们能做的很多。在遇见短信模块程序调试遇到难题时，我沉下心，仔细检查端口设定、参数设定，上网上咨询相关问题，终于解决。在硬件连接出现差错，我清醒自我，有条不紊的按着步骤一步步的连接，终于成功亮起。因此我相信天道酬勤，只有肯细心、用心去完成，一切都将会有个完美的答案。整个设计从开始到结束花掉了大半年的时间，从自己查资料，学习代码编程，到最终完成这个设计，确实让我学到了不少的东西，使得我对单片机这个行业有了更深的认识，当然，我也是提高了动手能力，使得自己掌握了一些硬件知识和软件编程知识，为我的大学生活画上了一个完美的句号。我相信在现代社会的不断发展中，现代化的设备中，我们会越