水塔水位自动控制电路设计-毕业设计说明书

四川信息职业技术学院 毕业设计说明书 设计(论文)题目:_ 水塔水位自动控制电路设计 专 业: 应用电子技术 班 级: 学 号: 姓 名: 指导教师: 二一三年十二月五日 四川信息职业技术学院毕业设计（论文）任务书四川信息职业技术学院毕业设计（论文）任务书 学生姓名学号班级专业 设计题目水塔水位自动控制电路设计 指导教师姓名职 称工作单位及所从事专业联系方式 备 注 设计内容： 1.当水位达到最低水位时自动上水。 2.当水位达到最高水位时自动上停止水。 3.通过一只中间继电器来接通大功率的交流接触器，控制水泵的运行。 4.完成 EWB 对电路进行仿真和制作实物 5.撰写设计报告。 5.撰写设计报告。 进度安排： 1.34 周：消化课题，收集相关资料，选择参考方案； 2.56 周：初步确定设计方案并熟悉部分器件的用途； 3.79 周：划分功能模块，设计单元电路； 4.1011 周：分析电路原理，基本完成设计过程，撰写设计说明书初稿； 5.1213 周：修改、完善设计电路，进行电路仿真； 6.1415 周：按毕业设计的各项要求整理设计说明书并修改、完善，检查定稿； 7.16 周：熟悉设计全过程，准备答辩。 主要参考文献、资料： 1高吉祥电子技术基础实验与课程设计北京：电子工业出版社，2002 年 2彭介华电子技术课程设计指导北京：高等教育出版社，1997 年 3 张毅坤、陈善久、裘雪红. 单片微型计算机原理机及应用. 1998 年第一版.西安：西 安电子科技大学出版社. 1998.8 4 谭浩强. C 程序设计. 第 2 版. 北京：清华大学出版社. 2005.6 5 田立，代方震. 51 单片机 C 语言程序设计快速入门. 北京：电子工业出版社.2007 审 批 意 见 教研室负责人： 年 月 日 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 I 目 录 摘 要 .1 绪 论 .2 第 1 章 方案论证与分析 .3 1.1 系统功能要求.3 1.2 整体方案.3 1.2.1 方案比较与论证.3 1.2.2 方案论证.5 第 2 章 硬件设计与分析.6 2.1 单片机最小系统.6 2.1.1 芯片介绍.6 2.1.2 单片机时钟电路设计.8 2.1.3 单片机复位电路设计.9 2.2 超声波测水位电路.10 2.3 指示电路.11 2.3.1 显示电路.11 2.4 报警电路.12 2.5 交流接触器工作原理.12 2.6 整机电路工作原理.13 第 3 章 软件设计.14 3.1 主程序流程图.14 3.2 中断流程图.14 第 4 章 系统仿真与调试.16 4.1 常用调试工具.16 4.1.1 Keil 软件.16 4.1.2 Proteus 软件.16 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 II 4.2 系统调试.17 第 5 章 实物制作与调试.18 5.1 PCB 板的制作.18 5.2 元件的装配.19 5.3 调试与性能检测.20 参考文献 .22 附录 1 整机电路原理图.23 附录 2 源程序.24 附录 3 元器件清单.27 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 1 页 共 27 页 摘 要 采用低功耗单片机为控制核心、辅以超声波水位状态采集模块、二极管指示模块、 电源供电模块、扬声器报警模块设计的自动水塔水位控制系统，通过一只中间继电器 来接通大功率的交流接触器，控制水泵的运行成功实现水塔水位控制功能，它具有电 路简单、功能齐全、制作成本低、性价比高等特点，是一种经济、实用的自动水塔水 位控制系统。硬件部分主要由单片机指示灯、继电器、蜂鸣器等基本外围电子电路组 成。它设计的优点是当水位达到一定的位置时报警器开始报警。因此在生活实践应用 中具有一定的价值。 关键字关键字 超声波检测；水位控制 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 2 页 共 27 页 绪 论 在我国尤其是人口高度密集的企业单位和学校，有 90%以上是采用传统的抽水方 法，用人工监控但是这种方法不仅浪费。人力资源且工作不方便而且，近几年来，随 着农村饮水工程的。启动和乡村集镇化建设的发展，深井取水成为解决饮用水的主要 方法 如果采用人工监控抽水，不但浪费人力资源，而且还容。易发生干抽现象，而且 水塔的水用完了还不知道，有时则抽满溢出来，浪费水资源和能源为了提高效率，节 约资源，我们就如何实现智能抽水，采用单片机系统进行控制，给出了硬件电路和程 序思路。其中运用比较多的主要在大众生活方面，以单片机为控制中心的智能小系统。 在本设计中，我们采用了单片机控制多模块设计，便于检查和维修。该设计的基本原 理为以 51 单片机作为控制元，由软件系统和硬件系统两部分组成。 可靠性：系统应保证长期安全地运行。系统中的硬软件及信息资源应满足可靠性 设计要求。安全性：系统应具有必要的安全保护和保密措施。实用性：注重采用经济 而实用的技术，使系统建设的投入产出比最高，能产生良好的社会效益和经济效益。 易操作性：贯彻面向最终用户的原则，使用户操作简单直观，易于掌握。广泛性：现 在大多数企业以及农户为了节约成本都应用此种水塔控制，它的优越性被越来越多的 人们所接受、使用。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 3 页 共 27 页 第 1 章 方案论证与分析 1.1 系统功能要求 设计方案采用单片机作为核心部件，并配以时钟电路、复位电路、报警电路、通 过扩展外围设备及接口电路完成整个控制系统对电机的控制。成功实现水塔水位显示 功能，自动控制电机进行补水功能，从而达到设计要求。 1.2 整体方案 1.2.1 方案比较与论证 1基于数字电路实现的电路方案 本设计电路专门用于自来水塔水位的控制。当水位低于最低水位时，自动将供水 泵启动上水；当水位到达最高水位是，自动停住上水，不用人工控制。该电路的特点 是通过一只中间继电器来接通大功率的交流接触器，控制上水水泵电动机的启动。这 是由于 555 电路输出功率较小，不能驱动大功率的交流接触器它。 电路工作原理：电路中如图（1-1） ，NE555 组成 R-S 触发器，作为主控电路。 R1、R3 与 R4 组成输入端分压偏置电路，它将 R-S 触发器的 R 端与 S 端分别偏置在既 不大于 2V/3，也不小于 V/3 的中间状态。当水塔中的水位处于满水时，电源电极 A 通 过水电阻与 B、C 电极相连，使 R-S 触发器的 R、S 端均为高电平，R-S 触发器输出端 为低电平，继电器 K 通过吸合，通过常闭触点将交流接触 K2 的电源断开，上水水泵 处于停歇状态。 555 定时器 水位指示水塔水位控制 水塔供水驱动 图 1-1 数电设计电路原理图 在上水过程中，当水位上升使电极 A、B 接触后，通过水电阻与 R2 将电源电压加 至定时器的 2 脚，使 R-S 触发器的 S 端出现高电平，但这一高电平对电路不起触发作 用。电路保持原状态，上水过程继续。当水位进一步上升使电极 AC 连通后，电源电 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 4 页 共 27 页 压通过水电阻与 R1 加至 6 脚，是 R-S 触发器的 R 端出现高电平。这一高电平作为 R-S 触发器的复位电平，使电路复位，输出端输出低电平，继电器 K 通电吸合，通过常闭 触点 K1-1 将交流电接触器的电源断开，接触器断开水泵工作电源，上水停止。 2基于单片机电路实现的电路方案 本设计方案采用内部含 Flash 存储器的单片机作为核心部件，并配以时钟电路、复 位电路、显示电路、报警电路、超声波测距模块，通过扩展外围设备及接口电路完成 整个控制系统对电机的控制电机的控制有串行和并行两种方式，本系统采用串行控 制，驱动系统中通过单片机输出控制信号，实现电机不同的控制。基于单片机实现的 电路方案方框图如图 1-2 所示： 单 片 机 时钟电路 复位电路 超声波测距接触器电路 报警电路 数码管显示 图 1-2 单片机设计电路原理框图 各模块的功能如下： 时钟电路：单片机的时钟信号用来提供单片机内各种微操作的时间基准，时钟电 路用于产生单片机工作所需要的时钟信号。 复位电路：用于系统的正常初始化，当单片机系统在运行出错或操作错误使系统 处于死锁状态时，为摆脱困境，也需要复位以使其恢复正常工作状态。 超声波水位控制及显示电路：用于控制水位的上升，同时显示水位，当水位超过 警卫线时显示灯就会亮。 交流接触器电路：控制大功率水泵进行抽水工作。 报警电路：超过警卫线时，再加水就会实施报警，提醒人们无需再加水。 稳压滤波电源电路：主要是为给系统提供安全、稳定的电源电路。 接触器电路 报警电路 数码管显示 超声波测距 复位电路 时钟电路 单片机 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 5 页 共 27 页 1.2.2 方案论证 以单片机为主体配以超声波测距模块，精确测出水位容量，且不会影响水质。电 路具有高可靠性、功能强、高速度、超强抗干扰、低功耗、便于操作等优点，高可靠 性、功能强、高速度。在系统中，应用超声波模块可以测出水位的高度和水即满的位 置，在单片机的控制下，让超声波功能最大化。一直是衡量单片机性能的重要指标， 也是单片机占领市场、赖以生存的必要条件，所以本次设计我们选用了以单片机为中 心的设计，此方案的灵活性明显要高于数字电路构成的系统，即本次设计选择基于单 片机电路实现的电路方案。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 6 页 共 27 页 第 2 章 硬件设计与分析 水塔自动供水系统由单片机最小系统、液位控制电路、水位指示电路、报警电路、 交流接触器电路和稳压电源等组成，水塔自动供水系统电路原理图见附录 1 所示。 2.1 单片机最小系统 电路最小系统由 AT89C51 单片机、时钟电路、复位电路组成，它是电路工作的最 基本的单元电路，任何单片机基于单片机的设计系统都离不开它。 2.1.1 芯片介绍 单片机包含中央处理器、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、定时/计 数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线 等三大总线。 中央处理器： 中央处理器（CPU）是整个单片机的控制核心部件，完成运算和控制功能。CPU 有运算器和控制器组成。它是 8 位数据宽度的处理器，能处理 8 位二进制数据或代码， CPU 负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能 等操作。 内部数据存储器（RAM）： 单片机内部共有 256 个 RAM 单元，其中有 128 个 8 位用户数据存储单元和 128 个 专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户 只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的 RAM 只有 128 个，可存放 读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。 内部程序存储器（ROM）： 单片机共有 4096 个 8 位掩膜 ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。 定时/计数器： 单片机有两个 16 位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程 序转向。 并行输入输出(I/O)口共有 4 组 8 位 I/O 口（P0、 P1、P2 或 P3），用于对外部数 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 7 页 共 27 页 据的传输。 全双工串行口： 单片机内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行 口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。 中断系统： 单片机具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行 中断，可满足不同的控制要求，并具有 2 级的优先级别选择。 时钟电路： 单片机内置最高频率达 12MHz 的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序， 但单片机需外置振荡电容。 单片机的引脚说明： 单片机采用 40Pin 封装的双列直接 DIP 结构，下图是它们的引脚配置，40 个引脚 中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4 组 8 位共 32 个 I/O 口，中 断口线与 P3 口线复用。其引脚排列如图 2-1。 图 2-1 单片机引脚图 控制引脚介绍： 1ALE:系统扩展时，P0 口是八位数据线和低八位地址先复用引脚，ALE 用 于把 P0 口输出的低八位地址锁存起来，以实现低八位地址和数据的隔离。 2PSEN；低电平有效时，可实现对外部 ROM 单元的读操作。 3EA:当 EA 信号为低电平时，对 ROM 的读操作限制在外部程序存储器；而 单片机 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 8 页 共 27 页 挡 EA 为高电平时，对 ROM 的读操作是从内部程序存储器开始的，并可延至外部 程序存储器。 4RST:当输入的复位信号延续两个机器周期以上的高电平时即为有效，用以 完成单片机的复位初始化操作。 5XTAL 和 1XTAL2：外接晶振引线端。 并行 I/O 端口介绍： P0 端口P0.0-P0.7P0 是一个 8 位漏极开路型双向 I/O 端口，端口置 1（对端口 写 1）时作高阻抗输入端。作为输出口时能驱动 8 个 TTL。 P1 端口P1.0P1.7P1 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/0 端口。输出时 可驱动 4 个 TTL。端口置 1 时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。 对内部 Flash 程序存储器编程时，接收低 8 位地址信息。 P2 端口P2.0P2.7P2 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/0 端口。输出时 可驱动 4 个 TTL。端口置 1 时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。对内部 Flash 程序存储器编程时，接收高 8 位地址和控制信息。在访问外部程序和 16 位外部 数据存储器时，P2 口送出高 8 位地址。而在访问 8 位地址的外部数据存储器时其引脚 上的内容在此期间不会改变。 P3 端口P3.0P3.7P2 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/0 端口。输出时 可驱动 4 个 TTL。端口置 1 时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。 除此之外 P3 端口还用于一些专门功能，具体请看下表 2-1。 表 2-1 P3 引脚的第二功能说明 P3 引脚兼用功能 P3.0串行通讯输入（RXD） P3.1串行通讯输出（TXD） P3.2外部中断 0 申请（INT0） P3.3外部中断 1 申请（INT1） P3.4定时器/计数器 0 的外部输入（T0） P3.5定时器/计数器 1 的外部输入（T1） P3.6外部数据存储器写选通 WR P3.7外部数据存储器写选通 RD 2.1.2 单片机时钟电路设计 单片机是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 9 页 共 27 页 唯一的时钟信号控制下严格的按时序进行工作。时钟电路用于产生单片机的工作的 所修要的时钟信号。时钟可以由内部方式或外部 方式产生。89C52 内部方式时钟电路，是在 XTAL1 和 XTAL2 引脚上外接定时元件，就能构 成自激振荡电路。定时元件通常采用石英晶体和 电容组成的并联谐振电路。电容器 C1 和 C2 主要 起频率微调作用，电容值可选取为 30pF 左右或 40pF 左右。89C52 外部方式时钟电路是 XTAL1 接外部振荡器，XTAL2 悬空。对外部振荡信号无 特殊要求，只要保证脉冲宽度，一般采用频率低 于 12MHz 的方波信号。而此设计采用石英晶体内部时钟电路。如图 2-2 所示。 XTAL1 是片内振荡器的反相放大器输入端，XTAL2 则是输出端，使用外部振 荡器时，外部振荡信号应直接加到 XTAL1，而 XTAL2 悬空。内部方式时，时钟 发生器对振荡脉冲二分频，如晶振为 12MHz，时钟频率就为 6MHz。晶振的频率 可以在 1MHz-12MHz 内选择。电容取 30pF 左右。系统的时钟电路设计是采用的内 部方式，即利用芯片内部的振荡电路。AT89C52 单片机内部有一个用于构成振荡 器的高增益反相放大器。引脚 XTAL1 和 XTAL2 分别是此放大器的输入端和输出 端。这个放大器 与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。外接晶体谐振器 以及电容 C1 和 C2 构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的 值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、 起振的快速性和温度的稳定性。因此，此系统电路的晶体振荡器的值为 12MHz， 电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值约为 30pF。 2.1.3 单片机复位电路设计 复位是使单片机或系统中的其他部件处于某种确定的初始状态。单片机的工作就 是从复位开始的，当在单片机的 RST 引脚引入高电平并保持 2 个机器周期时，单片机 内部就执复位操作（若该引脚持续保持高电平，单片机就处于循环复位状态） 。 实际应用中，复位操作有两种基本的形式：一种是上电复位，另一种是按键复位。 由于本次设计采用的是按键复位，所以这里只介绍按键复位，如图 2-1-3 所示。按键复 图 2-2 时钟电路 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 10 页 共 27 页 位要求按下按键后，单片机实现复位操作。常用的按键复位如图所示。按下按键瞬间 RST 引脚获得高电平，随着电容 C1的充电，RST 引脚的高电平将逐渐下降。 RST 引脚的高电平只要能保持足够的时间（2 个机器周期） ，单片机就可以进行复 位操作。该电路典型的电阻和电容参数为：晶振为 12MHz 时，C1为 10uF，R1为 8.2k，晶振为 6MHz 时，C1为 22uF，R1为 1k。 单片机的复位操作使单片机进入初始化状态。 初始化后，程序计数器 PC=0000H 所以程序从 0000H 地址单元开始执行。单片机启动后，片内 RAM 为随机值，运行中的复位操作不改变片内 RAM 的内容。 特殊功能寄存器复位后状态使确定的。P0P3 为 FFH，SP 为 07H，SBUF 不定， IP、IE 和 PCON 的有效值为 0，其余的特殊功能寄存器的 状态均为 00H。 2.2 超声波测水位电路 超声波测水位的作用：一种是为了液体储藏量的管理，一种是为了液位的安全或 自动化控制。有时需要精确的液位数据，有时只需液位升降的信息，超声波模块一共 五个引脚，左边第一个引脚是 VCC，第二个引脚是控制端，第三个引脚是接收端，第四 个引脚是信号输出端，第五个引脚是 GND。如图 2-4 所示。 超声波测水位的基本工作原理如图 2-5 所示。单片机发出的脉冲信号经过整形后， 传到超声波换能器(中心频率为 40 kHz)，通过超声波发射头将电能转换为机械能发射 出去。脉冲信号采用高频低功耗非周期窄脉冲信号，因为其具有频率高，波长短，绕 射现象小，方向性好，发射器体积小等优点。根据检测水位的要求进行升降调节，实 图 2-3 按键复位电路 图 2-4 超声波测距模 块 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 11 页 共 27 页 际是一个测距的检测电路。当超声波检测到水位小于最短距离时，此时水位处于 L，就 可以通过单片机控制水泵停止工作；当超声波检测到水位大于最短距离时，此时水位 处于 A 点或者 B 点，就可以控制水泵开始工作。同时通过显示器，可对供水系统进行 控制。 超声波的测距公式： 声速（V）*时间（T/2）=距离（S） 2.3 指示电路 指示部分可由液晶显示屏、发光二极管等组成，考虑到成本和适用等问题，在此 我们选用发光二极管作为本次设计地显示器件，发光二极管具有工作电流低、发光响 应快、体积小、耐振动、耐冲击、驱动电路简单，适用于和集成电路配合等优点。当 P2.7 输出为高电平时，此时二极管 D11 亮，指示水塔水位处于 A；当 P2.6 为高电平时， 二极管 D10 亮，指示水塔水位处于 B；当 P2.7 和 P2.6 都为高电平时，二极管 D11 和 D10 同时亮，预示水塔水位处于 L 已将溢满不能再加水。如图 2-6 所示。 2.3.1 显示电路 本系统使用数码显示管显示水位的实际高度。一共12个引脚，4个位选，8个段选。 从上面一排左边第一引脚开始，按顺时针顺序依次往下遍历所有引脚。1：左边第1个 数码管的位选择端；2：a；3：f；4：左边数起第2个数码管的位选择端；5：左边数起 图 2-5 超声波测水位工作原理图 图 2-6 指示电路 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 12 页 共 27 页 第3个数码管的位选择端；6：b；7：左边数起第4个数码管的位选择端； 8：g；9：c；10：小数点dp；11：d；12：e。如图2-7所示 2.4 报警电路 报警电路实现的功能是：当水塔即将溢满时，指示灯亮扬声器开始发声报警，提 示人们不能再加水了，防止水资源白白浪费。 工作原理是：当用户按下按键 D 时，P2.0 将电流送至二极管 D5 和三极管 Q1，二 极管变亮扬声器开始报警。当用户按下断开 D 时，此时二极管 D5 变灭并且扬声器停 止工作。如图 2-8 所示。 2.5 交流接触器工作原理 交流接触器主要有四部分组成：电磁系统,包括吸引线圈、动铁芯和静铁芯；触头 系统,包括三组主触头和一至两组常开、常闭辅助触头,它和动铁芯是连在一起互相联 动的；灭弧装置，一般容量较大的交流接触器都设有灭弧装置，以便迅速切断电弧， 图 2-8 报警电路 图 2-7 显示电路 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 13 页 共 27 页 免于烧坏主触头；绝缘外壳及附件,各种弹簧、传动机构、短路环、接线柱等。 当线圈通电时，静铁芯产生电磁吸力，将动铁芯吸合，由于触头系统是与动铁芯 联动的，因此动铁芯带动三条动触片同时运行，触点闭合，从而接通电源。当线圈断 电时，吸力消失，动铁芯联动部分依靠弹簧的反作用力而分离，使主触头断开，切断 电源。如图 2-9 所示。 2.6 整机电路工作原理 为了节约水资源我们设计了基于单片机的水塔自动供水系统，更加快速的来控制 水位的升降，在生活中起到了非常重要的作用。 整个水塔供水系统原理是：开启电源，水塔的水位不断上升，当水位位于 B 时指 示灯 D10 亮， ；当水位位于 A 时指示灯 D11 亮；当水位位于 L 时指示灯 D11 和 D10 同 时亮，并且电动机开始减速直至停止，预示着水塔水位即将溢满；当水位位于 L 时此 时指示灯 D11 和 D10 同时亮报警扬声器报警。当水位低于 L 时报警器停止报警，指示 灯灭；当水位低于 A 时指示灯 D11 灭，电动机开始工作为水塔供水；当水位低于 B 时 电动机正常工作为水塔供水。 图 2-9 交流接触器原理图 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 14 页 共 27 页 第 3 章 软件设计 程序是使单片机系统按预定的操作方式运行，它是单片机系统程序的框架。系统 上电后，对系统进行初始化。初始化程序主要完成对单片机内专用寄存器的设定，单 片机工作方式及各端口的工作状态的规定。同时控制电机的运行达到升水的目的。系 统功能是由软硬件共同实现的，由于软件的可伸缩性，终实现的系统功能可强可弱， 差别可能很大。因此，软件是本系统的灵魂。软件采用模块化设计方法，不仅易于编 程和调试，也可减小软件故障率和提高软件的可靠性。 3.1 主程序流程图 主程序的功能是检测水塔的水位，提示、显示水塔的水位，以防水溢出来了，造 成不必要的浪费。如图 3-1 所示主程序的流程图。 开始 IO口、定时器 初始化 While(1) 超声波采集子程序 超声波数据 处理子程序 3.2 中断流程图 图 3-1 主程序流程图 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 15 页 共 27 页 在实时控制中，现场的各种参数、信息的变化是随机的。这些外界变量可根据要 求随时向 CPU 发出中断申请，请求 CPU 及时处理，如中断条件满足，CPU 马上就会 响应，转去执行相应的处理程序，从而实现实时控制。如图 3-2 所示中断流程图。 定时器1中断 定时器重新赋初值 扫描按键 Flag-l=1 ？ 是 调用6秒延时函数 S30 ? 是 声光报警并 控制上水 启动一次超 声波采集 否 否 图 3-2 定时器中断流程图 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 16 页 共 27 页 第 4 章 系统仿真与调试 调试是一个必不可少的环节，它将会验证你的成果，是否实现了所要完成的功能。 系统调试仿真时首先要在使用 Keil 编译器，把所写的程序进行编译，同时在仿真器里 设置生成“HEX”文件，编译无错误时还要进行 Proteus 仿真，查看功能是否能够实现。 下面就将仿真将会用到的软件进行简单的介绍，并对仿真过程予以简介。 4.1 常用调试工具 4.1.1 Keil 软件 Keil 软件是集成调试环境，集成了编缉器、编译器、调试器，支持软件模拟，支 持项目管理功能强大的观察窗口，支持所有的数据类型。树状结构显示，一目了然， 支持 ASM（汇编） 、C 语言，多语言多模块源程序混合调试，在线直接修改、编译、 调试源程序，错误指令定位。功能很强大。用于对程序的调试和编辑。Keil 软件调试 情况如图 4-1 所示。 图 4-1 Keil 软件界面 4.1.2 Proteus 软件 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 17 页 共 27 页 系统仿真还用到了 Proteus 软件，可通过仿真可以完全显示出所设计系统的功能， 对于程序的调试等有很大的帮助。首先要新建一个文档是 DNS 型的找出需要的器件， 可以使用搜索功能。接着把各个器件放到合适的位置都要放到框内。然后根据自己的 设计要求连线。把所有的元件都连接好，做出完整的电路图仿真如图 4-2 所示。 4.2 系统调试 单片机应用系统的调试包括硬件和软件两部分，但是他们并不能完全分开。一般 的方法是排除明显的硬件故障，再进行综合调试，排除可能的软/硬件故障。 软件程序的调试一般可以将重点放在分模块调试上，统调是最后一环。软件调试 可以采取离线调试和在线调试两种方式。前者不需要硬件仿真器，可借助于软件仿真 器即可；后者一般需要仿真系统的支持。本次课题，Keil 软件来调试程序，通过各个 模块程序的单步或跟踪调试，最后统调程序。 系统的调试开始是把 Keil 编译生成的无错误后缀名为HEX 的文件加载到单片机 中，方法是双击单片机弹出一个对话框，在 program file 后选择要添加文件，文件要求 必须是 HEX 文件。然后可以点击运行观察现象，不断的改进调试，软件仿真能达到预 期的效果。 图 4-2 系统仿真 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 18 页 共 27 页 第 5 章 实物制作与调试 采用 Altium Designer 6.8 原理图制作软件进行电路原理图和 PCB 的设计，以 强大的设计输入功能为特点，在 FPGA 和板级设计中，同时支持原理图输入和 HDL 硬件描述输入模式；同时支持基于 VHDL 的设计仿真，混合信号电路仿真、布局前/ 后信号完整性分析。Altium Designer 的布局布线采用完全规则驱动模式，并且在 PCB 布线中采用了无网格的 SitusTM 拓扑逻辑自动布线功能。布线速度快，布通率 高；将完整的 CAM 输出功能的编辑结合在一起，极大的加快了用户的设计速度。 Altium Designer 软件界面如图 5-1 所示。 5.1 PCB 板的制作 PCB 板的制作一般包括印制底图图样描绘、底图掩膜层制作和蚀刻加工等三个环 节。首先根据方案，采用电子设计自动化软件中的 Altium Designer 6.8 进行印制电路板 底图图样的设计。在软件环境下绘制好底图后，可用喷墨式或激光打印机将 PCB 板的 设计图样打印出来，然后进行制作。PCB 板的制作一般分制作印制电路板、清洗与打 孔和检修三个环节。如图 5-2 所示。 图 5-1 Altium Designer 界面图 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 19 页 共 27 页 1制作印制电路板：利用所打印的 PCB 板图样、热转印纸和恒温电熨斗完成制 作。而热转印法制板的不足之处是：由于热转印纸局部缺陷等原因，会出现墨粉在热 转印纸上局部附着不均匀等现象，对附着层太薄的地方，使抗腐蚀能力下降，影响 PCB 板的质量。 2清除防护层：对于腐蚀好的印制电路板，选用细砂纸将防护层打磨掉，并进行 清洗。 3打孔：对清洗好的印制电路板，需要在焊盘和固定位置钻孔后，才能进行安装。 4检修：对制作好的 PCB 板，要进行严格检查，判断印制线间是否有短路、断 裂、脱落和起层问题。 5.2 元件的装配 元件安装前，要做好准备各项工作，清理与检测好元件，再按电子工艺要求进行 元件焊接、剪引脚、清洗和检查等。且安装元件要遵循先小后大，先轻后重，先内后 外的原则采用手工烙铁锡焊。其元件装配实物如图 5-3 所示。 具体操作过程如下： 1准备工作：元件安装前的准备工作主要包括工具、仪表和材料等。如通常用的 工具、仪表和材料主要有：电烙铁、镊子、剪刀、万用表、焊料、助焊剂、导线等。 图 5-2 PCB 制作图 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 20 页 共 27 页 2清理与检测好元件：对将要安装的全部元件，可先对引脚进行浸锡处理，在按 照元件明细表中的逐一查对，简易测试其好坏。 3元件焊接：对某个元件进行焊接前，先需要根据元件的大小，确定元件是卧装 还是立装。并对引脚按照电子装配工艺要求进行成形处理，然后再实施焊接。 4剪引脚：元件安装完成后，剪除引脚过长的部分。值得注意的是：不要在垂直 引脚的方向上用力，以免将印制线路扯掉。 5清洗与检查：引脚剪完后，可用工业酒精，对残留有助焊剂的焊盘进行清洗。 然后按照电路原理图，检查有无装错之处。也可以用万用表检测，判断是否有错。 5.3 调试与性能检测 元件安装完成后，要使电路处理最佳工作状态，需要对单元电路和整个电路进行 调试。调试与测试方案的选择应根据现有的仪器仪表条件来确定，但最基本的调试与 测试都要采用专用设备进行调试与测试。调试工作分调试前的准备和调试操作两步完 成。电路调试的基本原则是：先静态，后动态，先局部，后整体。对于动态技术指标 调试，要从末级开始，逐级向前级反复进行，直到调准为止。如实物图 5-4 所示。 图 5-4 实物图 图 5-3 元件装配实物图 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 21 页 共 27 页 结 论 利用单片机为控制核心，指示灯、数码管显示屏、贴片电阻等元件所组成的水塔 水位控制。以节约水资源为目的，能够很好的应用在实际生活当中，帮助我们解决水 资源短缺水价位高等难题，并对系统机械结构进行了优化设计，整体性好，人性化强、 可靠性高。因此，该系统在农村水塔，城市水源检测控制等领域有着广阔的应用前景。 下面我对整个毕业设计的过程做一下简单的总结。 首先，进行选题。选题是毕业设计的开端，选择恰当的、感兴趣的题目，对于整 个毕业设计是否能够顺利进行关系极大。 其次，就是找资料了。查找资料是做毕业设计的前期准备工作。到图书馆查找资 料或在网上下载资料，总之，不管通过哪种方式查的资料都是有利用价值的。 第三，软件的学习。根据已有论文资料中提到的软件用途，有针对性的学。包括 毕业设计前期读文献资料，要与毕业设计紧密联系起来，最好是边做边读，有针对性 的读。 最后，实物的制作也是设计中重要的一个环节。首先必须熟悉每个元器件在电路 中的作用，其次分析电路的运行过程选择合适的元器件，最后用导线焊接在电路板上， 不仅不能漏焊也不可以虚焊，否则实物就算焊接完也不能运行。 总之，知识必须通过应用才能实现其价值！在整个毕业设计过程中使我懂得了许 多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后 的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了 在创造过程中探索的艰难和成功的喜悦。虽然这个设计还不是很完善，但是在设计过 程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 22 页 共 27 页 参考文献 1 樊明龙单片机原理与应用化学工业出版社，2005 2 彭介华电子技术课程设计指导北京：高等教育出版社，1997 年 3 高吉祥电子技术基础实验与课程设计北京：电子工业出版社，2002 年 4 裘雪红单片微型计算机原理机及应用西安：西安电子科技大学出版社， 1998.8 5 吴金戌8051 单片机实践与应用清华大学出版社，2003 6 谭浩强C 程序设计第 2 版北京：清华大学出版社，2005.6 7 田立代方震51 单片机 C 语言程序设计快速入门北京：电子工业出版社， 2007 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 23 页 共 27 页 附录 1 整机电路原理图 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 24 页 共 27 页 附录 2 源程序 #include /器件配置文件 #include #include unsigned int