基于单片机智能潜水泵保护器设计与研究

《基于单片机智能潜水泵保护器设计与研究》专业（系）班级学生姓名指导老师完成日期2013届毕业设计任务书课题名称：基于单片机的智能潜水泵保护器设计研究二、指导教师：刘红兵、李移伦三、设计内容与要求课题概述单相水冷式潜水泵，作为农村干旱季节的主要灌溉工具和家庭水塔的供水设备，已经日益普及。但是，由于抽水时水源不足，常常会因为井中缺水而导致水泵电机绕组烧坏，据统计80％左右的水冷式水泵电机绕组烧坏，都是这个原因造成。另外，为了提高灌溉与供水的自动化程度，我们经常要采用定位（水位）抽水，定时抽水等方式。以单片机控制的潜水泵智能保护控制器可以很好的解决以上问题，它的主要功能有：通过实时检测水泵电机是否处于水面下，来决定是否对水泵实施断电保护，这种保护方式快捷、准确；通过对水塔或灌溉区域的水位实时检测，可以实现定位抽水；通过预先设定抽水时间，可以实现定时抽水。设计内容与要求1)设计合理，运行可靠。2)能实时显示运行状态及时间。3)检测三个水位水池上水位器、水池下水位器、潜水泵水位器，用来检测水位保证水泵下常工作。定位抽水工作方式：4)当水池水位低于下水位，自动启泵，当达到上水位自动停泵。5)在抽水过程中，若水泵缺水，水泵应自动停机，延时一定时间后再自动启泵，延时时间可以由用户根据水源情况，自己设定和修改。定时抽水工作方式：6)系统能根据设定的抽水时间间隔和每次抽水时间，自动启停泵。7)在抽水过程中，若水泵缺水，水泵应自动停机，延时一定时间后再自动启泵，延时时间可以由用户根据水源情况，自己设定和修改。技术参数1)时间设定范围：1～999分钟，定时误差不超过2秒/天。2)电源:=1\*GB3①交流220V±10%(供电电源);3)工作条件：温度－20℃～50℃,相对湿度≤85%RH;四、设计参考书 《电工学》 魏国英 电子工业出版社 《模拟电子技术》第二版 戴士弘 电子工业出版社 《》 中南大学出版社五、设计说明书要求封面目录内容摘要(200~400字左右，中英文)引言正文（设计方案比较与选择，设计方案原理、计算、分析、论证，设计结果的说明及特点）结束语附录(参考文献、图纸、材料清单等)六、毕业设计进程安排 1、下发毕业设计任务书、布置毕业设计 2、查阅相关资料确定总体方案（2周） 3、硬件元器件选择，设计原理图（2周） 4、软件总体设计，绘制流程图（1周） 5、软件编码和调试（2周） 6、毕业论文书写、打印和装订（1周）七、毕业设计答辩及论文要求毕业设计答辩要求答辩前三天，每个学生应按时将毕业设计说明书或毕业论文、专题报告等必要资料交指导教师审阅，由指导教师写出审阅意见。学生答辩时对自述部分应写出书面提纲，内容包括课题的任务、目的和意义，所采用的原始资料或参考文献、设计的基本内容和主要方法、成果结论和评价。答辩小组质询课题的关键问题，质询与课题密切相关的基本理论、知识、设计与计算方法、实验方法、测试方法，鉴别学生独立工作能力、创新能力。毕业设计论文要求文字要求:说明书要求打印(除图纸外)，不能手写。文字通顺，语言流畅，排版合理，无错别字，不允许抄袭。图纸要求:按工程制图标准制图，图面整洁，布局合理，线条粗细均匀，圆弧连接光滑，尺寸标注规范，文字注释必须使用工程字书写。曲线图表要求：所有曲线、图表、线路图、程序框图、示意图等不准用徒手画，必须按国家规定的标准或工程要求绘制。目录摘要 IAbstract II第1章绪论 11.1课题研究背景 11.2课题研究内容 1第2章可编程控制器的概述 32.1PLC的定义 32.2PLC的组成 32.3可编程控制器的分类和发展 42.4可编程控制器的用途 42.5可编程控制器的工作过程 42.6可编程序控制器的功能 5第3章总体方案设计 73.1总体设计分析 73.2硬件设计 73.3软件设计 8第4章硬件电路的设计 94.1硬件电路元器件的选择 94.1.1PLC的选型 94.1.2电动机的选型 104.1.3接触器的选型 104.1.4热继电器的选型 114.1.5传感器的选型 114.1.6开关电器、熔断器的选型 124.2电气控制电路的设计 124.3操作面板的设计 12第5章软件控制设计 145.1系统流程图 145.2I/O分配表 155.3PLC接线图 165.4梯形图 16第6章程序调试 196.1调试过程 196.2调试结果 216.2.1主控制程序的仿真 216.2.2灌装、报警程序的仿真 216.2.3计数程序的仿真 23第7章结论 24参考文献 25致谢 26附件 27元件清单 27程序逻辑指令 27摘要在农业中,潜水泵被广泛应用。但是由于长期工作在水下，工作环境十分恶劣，电动机烧坏的事故时有发生。而大部分是水泵绕组烧坏，其主要原因是水泵缺水运行。针对这一常见的故障，特设计了一种用于潜水泵监测保护的控制器。本文介绍了智能潜水泵保护控制器的总体设计思路，并给出了详细的硬件电路图和软件流程。 关键词：单片机AT89C2051;潜水泵；保护控制器AbstractsubmersiblepumpiswidelyusedInagriculture.ButMotorburned-outaccidentsoccurfrequentlyforbadenvironmentandlong-termworkinginunderwater.Andthemainreasonforpumpwindingburnoutisshortageofwaterwhenthepumpisoperating.Inordertoslovethecommonfailure,anewcontrollerhasbeendesignedforsubmersiblepumpmonitoringprotection.Thispaperpresentstheoveralldesignideaofintelligentsubmersiblepumpprotectioncontroller,hardwarecircuitdiagramandsoftwareflowchart.keywords:AT89C2051singlechip,Submersiblepump,Protectioncontroller

绪论1.1选题背景随着国民经济的迅速增长，人们的生活水平日益提高，用水也慢慢成为人们较关注的一个话题，然而在人们用水的过程中，经常会出现潜水泵烧坏的情况，主要原因是在抽水过程中，由于水源来水不足，潜水泵干抽烧坏。另外，为了提高灌溉与供水的自动化程度，我们经常采用定位（水位）抽水，定时抽水等方式。组成的智能供水控制系统的方案，给出了系统硬件设计及软件实现方法，实现对水泵运行的智能控制。1.2立题的目地和意义AT89C2051单片机是常用于控制的芯片，在智能仪表、工业检测控制、机电一体化等方面取得了令人瞩目的成果。使用AT89C2051单片机能够实现全程的自动控制，而且AT89C51单片机易于学习、掌握，性价比高。在本课题中，它的主要功能是通过实时检测水泵电机是否处于水下面，来决定是否对水泵实施断相保护，这种保护方式快捷，准确；通过对水塔或灌溉区域的水位实时检测，可以实现定位抽水；通过预先设定抽水时间，可以实现定时抽水。这样就可以尽量的避免潜水泵出现故障。第二章概述2.1潜水泵的发展趋势及应用泵是伴随着工业发展而发展起来的。19世纪时，国外已有了比较完整的泵的型式和品种，并得到了广泛的应用。据统计，在1880年左右，一般用途的离心泵产量占整产量的90％以上，而动力装置用泵、化工泵、矿山用泵等特殊用途的泵，仅占整个泵产量的10％左右。到1960年，一般用途的泵只占45Y002Ea，而特殊用途的泵已占55％o2Ea。据目前发展趋势，特殊用途的泵，会比一般用途的泵所占比例还要提高。早在20世纪初，潜水污水泵由美国首先研制成功，用它来代替深井泵。随后，西欧各国也相继进行研制，并且不断加以改进，逐步完善。如德国的莱茵褐煤矿，使用各种潜水污水泵2500多台，容量最高的达1600kW、扬程410m。我国的潜水污水泵是20世纪60年代，发展起来的，其中作业面潜水电泵在南方早已用于农田的灌溉，且中小容量的潜水电泵已形成系列，并批量投入了生产。大容量高电压的潜水电泵、潜水电动机也相继面世，500～1200kw的大型潜水电泵均已在矿山投入运行。

，在我国潜水电泵有以下四大主要发展趋势：一是：由于发展大中型潜水电泵具有简化泵结构和节省泵站建设投资的有点，不仅可以降低成本，还可以缩短工期。因此，未来将会在市政、工矿、环保和工农业给排水等方面得到越来越广泛的应用。预估其需求量将会与日递增。二是：国内带有切割装置的泵、多级泵、抽送腐蚀性介质的潜水电泵等多功能多用途潜水电泵产品与国外相比还不够多。然而，多功能多用途潜水电泵需求量又很大，因此具有很大的发展前景。三是：潜水电泵的关键部分是开发高可靠性机械密封机械密封，而采用两道单端面机械密封，这样介质的压力可以作用到端面，泄漏方向为内流型，这些都是有利的，但结构稍复杂。因此，还应进一步在结构和材料方面进行研究，提高潜水电泵可靠性和寿命。四是：各种新材料新技术将会引用到潜水电泵上，扩大潜水泵的应用领域。而计算机辅助设计、辅助制造和辅助测试等新技术、新工艺的应用也势在必行。事实证明，新技术、新材料、新工艺的应用，不但解放劳动生产力，而且还可以保证产品质量稳定可靠。虽然我国的泵业发展已有了长足的进步，但还是存在诸多问题，主要是市场秩序混乱；产品结构不完整，低端市场产品供过大于求；企业技术水平相对较低，自主研发自主创新能力不强。这些问题在一定程度上阻碍了我国泵业市场的健康发展。随着越来越多的跨国泵生产企业进入中国，泵业市场竞争的国际化日益加深，国内泵业企业在技术、管理等方面将面临越来越大的挑战。从美国、德国等发达国家的泵行业发展过程来看，中国的泵业市场势必要经历一场由外资（合资）企业主导的整合。这一轮整合必将淘汰一部分缺乏技术能力和市场竞争力的中小型企业。这无疑有助于提高中国泵业市场的集中度，调整市场秩序。这也将使中国的泵业市场更具生机，并积极参与到全球泵业市场的竞争中。2.1.1工作原理2.1.2基本参数a.吸程（Hd）：水泵中心至水面的垂直高度b.扬程（Hs）：水泵中心至最高供水点垂直度c.全扬程（Ht）：吸程高度和扬程高度之和Ht=Hd+Hsd.流量（Q）：流量是泵在单位时间内输送出去的液体量。分为体积流量：单位，m3/h，L/min质量流量：单位，t/he.转速Ns（RPM）：Ns=120*F/NF：频率N：电机级数2.1.32.2单片机的发展趋势及应用单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管它的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。单片机也被称为微控制器（Microcontroller），是因为它最早被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。2.2.1单片机的发展趋势现在可以说单片机是百花齐放，百家争鸣的时期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位、16位到32位，数不胜数，应有尽有，有与主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地。纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有：1.低功耗CMOS化MCS-51系列的8031推出时的功耗高达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。如80C51就采用了HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺)和CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)。CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗比如象电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。2．微型单片化现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口、中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW(脉宽调制电路)、WDT(看门狗)、有些单片机将LCD（液晶）驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就更强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有特色的单片机芯片。现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中SMD(表面封装)越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。3．主流与多品种共存现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以80C51为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品、ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机。所以C8051为核心的单片机占据了半壁江山。而Microchip公司的PIC精简指令集(RISC)也有着强劲的发展势头，中国台湾的HOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增，以其价低质优的优势，占据一定的市场份额。此外还有MOTOROLA公司的产品和日本几大公司的专用单片机。在一定的时期内，这种情形将得以延续，而不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补、相辅相成、共同发展的道路。[3]2.2.2单片机的应用单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。（2）在工业控制中的应用用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。（3）在家用电器中的应用可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。（4）在计算机网络和领域中的应用现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。（5）单片机在医用设备领域中的应用单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。（6）在各种大型电器中的模块化应用某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。如音乐集成单片机，看似简单的功能，微缩在纯电子芯片中（有别于磁带机的原理），就需要复杂的类似于计算机的原理。如：音乐信号以数字的形式存于存储器中（类似于ROM），由微控制器读出，转化为模拟音乐电信号（类似于声卡）。[5]在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也方便于更换。（7）单片机在汽车设备领域中的应用单片机在汽车电子中的应用非常广泛，例如汽车中的发动机控制器，基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器，GPS导航系统，制动系统等等。[6]在单片机的控制系统中，为了实现系统的自动控制，需要把控制现场的各种状态信息输入到单片机，[18]由单片机按控制要求、对系统的各种状态进行处理，并输出相应的控制命令到执行机构，实现对机电系统的自动控制。本课题就是通过对AT89C2051单片机的设计方法和研制过程的研究，来实现对智能潜水泵运行的监控

主要芯片介绍3.1单片机89c2051根据课题要求，系统可以划分为电源部分、中央处理器（CPU）控制部分、执行部分。其中控制部分包括AT89C2051芯片及外围电路，执行部分包括步进电机驱动电路、蜂鸣器鸣叫电路、数码管动态显示电路、键盘扫描电路。3.1.1核心控制部件AT89C2051芯片性能

AT89C2051是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含2kbytes的可反复擦写的只读Flash程序存储器和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元。功能强大AT89C2051单片机可为您提供许多高性价比的应用场合。它是一个功能强大的单片机，具有20个引脚，15个双向输入/输出（I/O）端口，其中P1是一个完整的8位双向I/O口，两个外中断口，两个16位可编程定时计数器,两个全双向串行通信口，一个模拟比较放大器。同时AT89C因为AT89C2051是一种功能强，灵活性高且价格合理的单片机，可方便地应用在各种控制领域。AT89C2051具有下列主要性能:4KB可改编程序Flash存储器(可经受1，000次的写入/擦除周期);全静态工作:OHz~24MHz;三级程序存储器保密;128B字节内部RAM;32条可编程I/O线;2个16位定时器/计数器;6个中断源;可编程串行通道;片内时钟振荡器等。AT89C2051是用静态逻辑来设计的，其工作频率可下降到OHz，并提供两种可用软件来选择的省电方式—空闲方式(IdleMode)和掉电方式(PowerDownMode)。在空闲方式中，CPU停止工作，而RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统都继续工作，在掉电方式中，片内振荡器停止工作，由于时钟被冻结，使一切功能都暂停，只保存片内RAM中的内容，直到下一次硬件复位为止。它有40个引脚，DPI封装的集成电路芯片。随着半导体工艺的成熟和生产的工业化，使它的价格越来越低，是经济型系统首选机型。AT89C2051具有丰富的I/O接口，内置定时计数器和中断系统。2.7-6.V的宽工作电压范围，时钟频率0-24MHz，可直接驱动LED，两级加密位，内置一个模拟比较放大器，可编程UARL通道。

AT89C51的带负载能力有限，我们还给p1口增加了上拉电阻（虽然p1口内部已经接有上拉电阻输出电流有20MA左右），增强它的带负载能力。3.1.2AT89CCHMOS制造工艺的AT89C2051单片机采用40引脚的双列直插封装（DIP方式），在单片机的40条引脚中有2条专用于主电源的引脚，2条外接晶体的引脚，4条控制与其它电源复用的引脚，32条输入/输出（I/O）引脚。下面按其引脚功能为四部分叙述这40条引脚功能。电源引脚VCC和VSS。单片机能够工作，需要电能，就少不了通过一个引脚给单片机提供电源。单片机使用的是+5V电源，在本系统中，有专门的辅助电源，产生+5V电压，从31脚VCC接入，一般要接+5V电源，加引脚（VSS）是一个接地引脚。系统引脚接晶体引脚XTAL1和XTAL2。XTAL1接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部振荡器时，对CHMOS单片机，此引脚作为驱动端。XTAL2接外部晶体的另一端。在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡器时，对CHMOS单片机，该引脚悬浮。控制或与其他电源复用引脚RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP。ST/VPD：当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。推荐在此引脚与VSS引脚接一个约5K的下拉电阻，与VCC引脚之间连接一个约10uf的电容，以保证可靠地复位。（4）VCC掉电期间，此引脚可接上备用电源，以保持内部RAM的数据不丢失。当VCC主电源下掉到低于规定的电平，而VPD在其规定的电压范围内，VPD就向内部RAM提供备用电源。（5）ALE/PROG：当访问外部存储器时，ALE（允许地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率周期性地出现正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。然而要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。ALE端可以驱动（吸收或输出电流）8个LS型的TTL输入电路。对于EPROM型的单片机，在EPROM编程期间，此引脚用于输入编程脉冲（PROG）。（6）RSEN：此脚的输出是外部程序存储器的读写选通信号。在从外部程序存储器取令（或常数）期间，每个机器周期两次PESN有效。但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现，PSEN同样可以驱动（吸收或输出）8个LS型的TTL输入。（7）EA/VPP：当EA端保持高电平时，访问内部程序存储器，但在PC（程序计数器）值超过0FFFH时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序，当EA保持低电平时，则只访问外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器，对于常用的80C51来说，无内部程序存储器，所以EA脚必须常接地，这样才能只选择外部程序存储器。对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚也用于施加21伏的编程电源（VPP）。输入/输出I/O引脚P0、P1、P2、P3共32根。a)P0口：是双向8位三态I/O口，外接存储器时，与地址总线的低8位及数据总线复用，能以吸收电流的方式驱动8个LSTTL负载。b)P1口：是8位准双向I/O口由于这种接口输出没有高阻状态，输入也不能琐存，故不是真正的I/O口。门口能驱动（吸收或输出电流）4个LSTTL负载，对8052、8032，P1.0引脚的第二功能为T2定时/计数器的外部输入，P1.1引脚的第二功能为T2EX捕捉、重装触发，即T2的外部控制端。对EPROM编程和程序验证时，它的接收低8位地址。c)P2口（21脚～28脚）：是8位准双向I/O口。在访问外部存储器时，它可以作为扩展电路高8位地址总线送出高8位地址，在对EPROM编程和程序验证期间，它的接收高8位地址。P2可以驱动（吸收或输出电流）4个LSTTL负载。d)P3口（10脚～17脚）：是8位准双向I/O口，在80c51中，这8个引脚还用于专门功能，是复用双功能口，P3能驱动（吸收或输出电流）4个LSTTL负载。作为第一功能用时，就作为普通的I/O口用，功能和操作方法与P1口相同。值得强调的是，P3口的每一条引脚都可以独立定义第一功能的输入输出或第二功能。（8）外接晶体振荡器的引脚单片机是一种时序电路，只有在提供脉冲信号的作用下，才能正常工作。因为不同用户对单片机的速度要求的不一样，因此在单片机的内部，并没有集成晶体振荡器，而由用户根据具体的控制情况和要求选择外接。但外接的晶体振荡器的振荡信号，还不足以驱动单片机内部的时钟电路，因此，在AT89C2051的内部，都设计一个高增益的放大器将外接的晶体振荡器产生的信号放大。在原理图的18和19引脚，X1和X2就分别是放大器的输出和输入端。单片机各端口的第二功能完全是自动的，不需要用指令来转换。如P3.6、P3.7分别是WR、RD信号，当单片机外接RAM或有外部I/O口时，它们被用作第二功能，它们就自动充当着传输“写”或“读”信号的作用，不能作为通用I/O口时，也就是说，只要CPU执行到MOVX指令，就会有相应的信号从P3.6或P3.7送出，不需要事先用指令说明.P3口的第二功能信号都是单片机的重要控制信号.因此在实际使用时，都是按需要选用其第二功能信号，剩下的才以第一功能的身份做数据I/O口使用.3.2三极管S90133.2.1背景在中国的抗战时期，一只三极管（电子管）胜比千军万马。八路军要搞到一只三极管比搞到军火、药品还难！因为有了它，才能有千里耳——电台。直到当今社会，大到宇宙飞船，小到家用电器都是基于三极管及其原理来工作的。三极管对世人来说，的确是一件最为重要又神秘的器件。本文将用通俗的手法，让你轻松简易的进入三极管世界。3.2.2三极管的分类三极管最大的分类为电子三极管和晶体三极管两类。1904年，英国物理学家弗莱明发明了世界上第一只电子管，世界从此进入了电子时代。如图，电子管的外形是只玻璃瓶（如图1）早期的电台、电视机、收音机、扩音机等电子产品都是用电子管制作的。近年来逐渐被晶体管和集成电路所取代，但目前在一些高保真音响器材中，仍然使用电子管作为音频功率放大器件。现在我们所接触到的一般都是晶体三极管（如图2）晶体三极管的分类很多：可按制作材料分为：锗管、硅管；可按功率大小分为：大功率、中功率、小功率；可按截止频率分为：高频、低频；还有按结构、封装、噪音等等进行分类。例我们常用的9012、9013、8050、8550都是属于低频、小功率、硅管；9018是属于高频、小功率、硅管；9014是属于低噪声、低频、小功率、硅管。3.2.3晶体二极管要了解三极管，首先要了解二极管。二极管的主要功能就是单向导电性，即在通常状态下电流只能从二极管的一端流向另一端，反向是截止的。如图3，将P型半导体和N型半导体连合，形成一个P-N结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当将P极接电源正极，N极接电源负极，即外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场互相抑消，PN结导通，引起了正向电流。当将P极接电源负极，N极接电源正极，即外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，PN结截止。二极管的正向也是要的一定的电压下才会导通的，这个电压称为正向导通电压或正向压降；二极管的反向在较大的电压下也会导通，这个电压称为二极管的反向击穿电压或耐压；二极管正向导通时，如电流加得太大，会被烧毁，故二极管有最大正向电流限制。以上三点是二极管的三个主要参数。如我们常用的整流二极管1N4007：正向压降是0.7伏，反向击穿电压是1000伏，最大正向电流1安。普通亮度的φ5发光二极管：正向压降是1.62伏，反向击穿电压是50伏，最大正向电流（正常工作电流）20毫安。对于同一个二极管来说，其正向压降和反向击穿电压都是固定且很稳定的（随通过电流的变化，变化很小），这就是其稳压特性。所以所有的二极管正向都是一个很好的稳压管，而专用稳压管都是利用反向击穿电压特性制成的。3.2.3晶体三极管的工作原理1．内部结构如图4，三极管可以看作是由两个二极管合成的，其内部有两个PN结。在通常状态，电流只能从P流向N。2．符号三极管在电路图中的符号如图5所示，三个引脚分别叫做：基极b（基本控制用）、集电极c（被控制）、发射极e（基极电流电子发射）。现代工艺制造的三极管，集电极c和发射极e一般不能反用。如果反用，会大大降低三极管的放大倍数。3.放大作用放大作用是三极管的灵魂，我们用NPN型三极管，来说明三极管的电流关系（电流放大作用）。按照PN结的特性，电流可以三极管的b极流向e极，也可以从b极流向c极。但不能从c极流向e极，也不能从e极流向c极。因为这时电流都会被一个反向的PN结所阻断。然而，当我们给b-e通一个电流（Ib）的同时，集电极c发射极e就能导通了，而且这时的c-e电流Ic可以比Ib大的多（几百倍）。这就是三极管的放大和开关作用（如图7），如同飞机机翼升力产生的原理相仿。静置时机翼没有向上的升力，当机翼相对空气向前运动时，机翼就产生了垂直的升力。学习使用三极管，就是学会如何用基极电流Ib来控制集电极电流Ic。使电路具有放大功能或自动控制功能或作为振荡器应用等等。4.工作状态要正确使用三极管，必须熟悉三极管的三个工作状态。在使用三极管时，必须明白自己要使三极管工作在什么状态才能达到预期的效果。我们知道，二极管正向是导通的，反向是截止（不导通）的，而二极管的正向导通和反向截止都是有条件的。其反向截止的条件是：所加的电压小于其反向击穿电压（电压高了，什么东西都会被击穿）。二极管的正向导通条件是两个：一是所加的电压大于二极管的导通门限电压；二是要加限流电阻。我们所用的9013、9012等三极管中的b极到e极（发射结），就是一个导通门限电压约0.6V的二极管。（1）．截止状态（Ib=0、Ic=0）：如图8，当电位器从最下端慢慢向上调节，B点的电位（和0V基准点间的电压）从0V变到约0.6V的过程中，基极电流Ib都为0。这时的集电极电流Ic自然也为0，C到E之间截止（无电流不导通），C点的电位等于A点的电位（6V）。（2）．放大状态（ΔIc=βΔIb）：当电位器继续向上调节，B点的电位继续变高，这时发射结开始导通，基极电流Ib产生，集电极电流Ic也出现，并且可以是Ib的上百倍。在这过程中，随着Ib变大，Ic将会上百倍的随之变大。C点的电位相应随之变低，A、C点之间的电压变大。（3）.饱和状态(Ic恒定=（6V-0.2V）/Rc)：基极电流Ib不断变大，C点的电位变低到三极管的饱和导通电压（约0.2V）时，C点的电位就不能再变低了。这时Ib不管怎么变大，Ic都不会再变了。3.2.4三极管的判断半导体三极管的管脚判别在安装半导体三极管之前，首先搞清楚三极管的管脚排列。一方面可以通过查手册获得，另一方面也可利用电子仪器进行测量，下面讲一下利用万用表判定三极管管脚的方法。首先判定PNP型和NPN型晶体管：用万用表的R×1k?（或R×100?）档，用黑表笔接三极管的任一管脚，用红表笔分别接其他两管脚。若表针指示的两阻值均很大，那么黑表笔所接的那个管脚是PNP型管的基极；如果万用表指示的两个阻值均很小，那么黑表笔所接的管脚是NPN型的基极；如果表针指示的阻值一个很大，一个很小，那么黑表笔所接的管脚不是基极。需要新换一个管脚重试，直到满足要求为止。进一步判定三极管集电极和发射极：首先假定一个管脚是集电极，另一个管脚是发射极；对NPN于型三极管，黑表笔接假定是集电极的管脚，红表笔接假定是发射极的管脚（对于PNP型管，万用表的红、黑表笔对调）；然后用大拇指将基极和假定集电极连接（注意两管脚不能短接），这时记录下万用表的测量值；最后反过来，把原先假定的管脚对调，重新记录下万用表的读数，两次测量值较小的黑表笔所接的管脚是集电极（对于PNP型管，则红表笔所接的是集电极）。3.2.5S底视图位置放置，使三个引脚构成等腰三角形的顶点上，从左到右依次为ebc；对于中小功率塑料三极管按图使其平面朝向自己，三个引脚朝下放置，则从左到右依次为ebc。贴片封装:贴片9013三极管9013是一种最常用的普通三极管。它是一种低电压,大电流,小信号的NPN型硅三极管特性·

集电极电流Ic：Max500mA·

集电极-基极电压Vcbo：40V·

工作温度：-55℃to+150℃和9012（PNP）相对

主要用途：开关应用射频放大．半导体三极管性能测试在三极管安装前首先要对其性能进行测试。条件允许可以使用晶体管图示仪，亦可以使用普通万用表对晶体管进行粗略测量。（1）估测穿透电流ICEO。用万用表R×1k?档，对于PNP型管，红表笔接集电极，黑表笔接发射极（对于NPN型管则相反），此时测得阻值在几十到几百千欧以上。若阻值很小，说明穿透电流大，已接近击穿，稳定性差；若阻值为零，表示管子已经击穿；若阻值无穷大，表示管子内部断路；若阻值不稳定或阻值逐渐下降，表示管子噪声大、不稳定，不宜采用。（2）估测电流放大系数β。用万用表的R×1k?（或R×100?）档。如果测PNP型管，则按图2.5.2示电路连接，图中的100k?电阻和开关S，也可以用潮湿的手指捏住集电极和基极代替。若是测NPN型管，则红、黑表笔对调。对比S断开和接通时测得的电阻值（或手指断开和捏住时的电阻值），两个读数相差越大，表示该晶体管的β值越高；如果相差很小或不动，则表示该管已失去放大作用。如果使用数字万用表，可直接将三极管插入测量管座中，三极管的β值可直接显示出来。3．使用S9013三极管应注意的事项（1）使用三极管时，不得有两项以上的参数同时达到极限值。（2）焊接时，应使用低熔点焊锡。管脚引线不应短于10mm，焊接动作要快，每根引脚焊接时间不应超过两秒。（3）三极管在焊入电路时，应先接通基极，再接入发射极，最后接入集电极。拆下时，应按相反次序，以免烧坏管子。在电路通电的情况下，不得断开基极引线，以免损坏管子。（4）使用三极管时，要固定好，以免因振动而发生短路或接触不良，并且不应靠近发热元件。（5）功率三极管应加装有足够大的散热器。总体设计方案第四章硬件电路设计下面分别介绍基于单片机智能潜水泵保护器设计的硬件电路原理、元件功能与选型及硬件结构设计。4.1系统硬件电路组成结构1输入模块：电接点信号采样通道由R/V转换器转为电压信号，经电压比较器与基准电压比较后变为高、低电平，光电隔离后送入主控制模块。2主控制模块包扩核心8C51与LED显示模块，LED由74LS164驱动，显示方式为静态显示方式。LED用共阳极接法。3输出模块：包括继电器组控制和报警输出。继电器组实现泵组的配套电机的软起动。4.2电路的设计4.2.1电源电路为了减小控制器的体积、重量和成本，将220伏交流电通过R5与C2组成的阻容降压电路，直接进行桥式整流，再经滤波和稳压，为系统提供5伏电源。考虑到上电瞬间电容C2将交流高压直接耦合，造成78L05过压击穿，本电路还使用了9.6伏稳压管VZ实施过压保护。具体电路见图。4.2.2无触点开关控制电路无触点开关控制电路主要用于控制水泵电机电源的通断，由于考虑尽量减少保护器的体积和重量，在电路设计时，没有采用传统的接触器，而是采用了无触点开关控制器件—双向可控硅。为了防止220伏交流电对单片机工作造成干扰，在双向可控硅的门极使用了光电耦合器MOC3020进行隔离。通过单片机的P3.7口提供低电平，则光电耦合器输入级有电流通过，双向可控硅门极得电。可控硅导通水泵得电工作，反之，可控硅截止水泵停止控制。在本电路中，D1用于工作指示。具体电路见图。4.2.3微处理器电路微处理电路时本系统的核心，它负责对三个水位检测点的实时检测，并对水泵的整个工作进行实时处理。采用价格相对低廉，体积相对较小的89C2051作为微处理器。C8和R9组成复位电路，为单片机提供上电复位脉冲，RP1是排阻，在这里用作限流电阻，防止过流而造成数码管损坏。S4、S5是控制器上的两个按键，在本电路中采用了一键复位技术，它们分别可以用来设置工作模式，定时抽水时间、缺水保护时间等参数。具体电路见图。4.2.4显示及水位检测电路显示电路主要用于显示系统设置的相关参数以及系统工作的实时参数（如倒计时时间），采用动态扫描显示。水位检测电路用于检测三个水位，其中S1是潜水泵水位器，S3是水塔上水位器，S2是水塔下水位器，三个水位器均采用干簧管式水位开关，和传统的水位探针相比，抗腐蚀能力很强。由于89C2051口线有限，本设计采用了一个非常巧妙的方式，实现了一线多用，分别将P3.2P3.3P3.4既做三位数码管位选择控制信号，又做水位检测之用，如当P3.2为低电平时P3.3P3.4为高电平，数码管DIGI显示有效，如果此时水泵露出水面，则S1断开，P3.5输入为高电平，表示需进行缺水保护，反之，若此时水源充足，则S1继续闭合，P3.5输入为低电平。为防止三个水位开关相互干扰，采用三个（D6D7D8)IN4148进行隔离。D2D3在这里作为时间显示的秒提示，D4D5用作参数设置的功能提示。4.2.6元件清单3位一体数码管1个led灯1个s9013三极管3个at89c20511个30pf贴片电容2个晶振12MHZ1个DIP20底座1个10uf电解电容1个1k电阻若干个按键3个万能板一块固态继电器一个导线若干第五章软件设计软件设计整个软件由两大部分组成，第一部分是控制器设置程序，第二部分是控制程序。开机后自动进入设置程序；第一步：数码管上显示E1（为模式设置）后，接着会自动显示N1，表示当前为模式一（定位工作模式）短按S5键改变模式，N2（模式二为定时工作模式）当选好后长按S4键进入下一参数设置。如为N1进入第三步，否则进入第三步。第二步：数码管上显示E2（为定时时间设置）后，短按S5键改变当前闪烁的数值（0—9），短按S4键改变当前位。时间设置好长按S4键进入下一步。第三步：数码管上显示E3(水泵缺水保护时间设置）后，短按S5键改变当前闪烁的数值（0—9），短按S4键改变当前位，时间设置好长按S4键进入下一步。设置结束后进入控制程序，定位工作模式控制控制流程如图，定时工作模式控制流程如图。系统流程图具体程序如下:#include<reg51.h>#include<intrins.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint//定义按键123sbitkey1=P3^3;sbitkey2=P3^4;sbitkey3=P3^5;//延时间限位//水泵开启和关闭sbitshuibeng=P1^0;ucharbz_shui=0;//延时时间后自动启泵uintyanshi_time=1;uintyanshi_time1=0;//抽水时间uintchoushui_time=2;uintchoushui_time1=0;//时间间隔uintjiange_time=2;uintjiange_time1=0;//模式4延时时间计时器标志ucharbz4=0; //切换间隔时间和抽水时间计数器标志ucharbz=3;#definechuli()if(bz_shui==1)shuibeng=1;\if(bz_shui==0)shuibeng=0;//加按键功能标记//bz_anjian=0jiemian=0A0正常模式运行//bz_anjian=1jiemian=1A1设置//延时时间后自动启泵//bz_anjian=2jiemian=2A2设置//时间间隔//bz_anjian=3jiemian=3A3设置//抽水时间//bz_anjian=4jiemian=4A4启动//bz_anjian=5jiemian=5A5启动ucharbz_anjian=0;ucharjiemian=0;//数码管显示编码ucharseg[]={0x02,0x9e,0x24,0x0c,0x98,0x48,0x40,0x1e,0x00,0x18,0xfe};//数码管显示标志AEucharsegbz[]={0x10,0x60};//数码管显示缓冲ucharseghc[]={0,0,0};uintjishu;uchara;void_delay_ms(uintx){uchari;while(x--){for(i=0;i<120;i++);}}void_delay_us(uintx){while(x--);}//模式切换A0A1A2A3A4A5voidxianshi0(){uchari;seghc[0]=seg[bz_anjian%10];seghc[1]=seg[10];seghc[2]=segbz[0]; for(i=0;i<3;i++){ P1=(seghc[i]|bz_shui); chuli();P3=(1<<i); _delay_ms(3); }}//模式切换A1延时时间设置voidxianshi1(){uchari;seghc[0]=seg[yanshi_time%10];seghc[1]=seg[yanshi_time%100/10];seghc[2]=seg[yanshi_time%1000/100]; for(i=0;i<3;i++){ P1=(seghc[i]|bz_shui);P3=(1<<i); _delay_ms(3); }}//模式切换A2时间间隔设置voidxianshi2(){uchari;seghc[0]=seg[choushui_time%10];seghc[1]=seg[choushui_time%100/10];seghc[2]=seg[choushui_time%1000/100]; 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_delay_ms(2); }}voidmain(){_delay_ms(4); _delay_ms(4);shuibeng=1;bz_shui=1;key1=1;key2=1;key3=1;TMOD=0x01;//2：定时器1《》1：定时器0；////定时器0方式1ET0=1;TH0=(65536-64000)/256;//定时器的初值到最大msTL0=(65536-64000)%256;TR0=1;//停止定时器0PX1=1;EA=1; //zong_delay_ms(10);while(1){ key1=1;key2=1;key3=1; //1号键盘if(key1==0) { _delay_ms(30); if(key1==0) { //当在界面0时进行模式功能切换 if(jiemian==0){bz_anjian=(bz_anjian+1)%6;} //当在界面12345时返回按键使能 if(jiemian==1){bz_anjian=0;jiemian=0;shuibeng=1;bz_shui=1;} if(jiemian==2){bz_anjian=0;jiemian=0;shuibeng=1;bz_shui=1;} if(jiemian==3){bz_anjian=0;jiemian=0;shuibeng=1;bz_shui=1;} if(jiemian==4){bz_anjian=0;jiemian=0;shuibeng=1;bz_shui=1;} if(jiemian==5){bz_anjian=0;jiemian=0;shuibeng=1;bz_shui=1;} } } while(key1==0);//2号键盘--界面0时为确认 if(jiemian==0) { if(key2==0) {_delay_ms(80);if(key2==0) if(bz_anjian==1){jiemian=1;bz_anjian=0;} if(bz_anjian==2){jiemian=2;bz_anjian=0;} if(bz_anjian==3){jiemian=3;bz_anjian=0;} if(bz_anjian==4){jiemian=4;bz_anjian=0;bz=3;bz4=0;} if(bz_anjian==5){jiemian=5;bz_anjian=0;bz=0;bz4=0;} } } //2号键盘界面为123则为设置参数 if(jiemian==1) {if(key2==0) {_delay_ms(80);if(key2==0)yanshi_time=yanshi_time+1;} } if(jiemian==2) {if(key2==0) {_delay_ms(80);if(key2==0)choushui_time=choushui_time+1;} } if(jiemian==3) {if(key2==0) {_delay_ms(80);if(key2==0)jiange_time=jiange_time+1;} } //3号按键界面为123则为设置参数if(jiemian==1) {if(key3==0) {_delay_ms(80);if(key3==0)yanshi_time=yanshi_time-1;} }if(jiemian==2) {if(key3==0) {_delay_ms(80);if(key3==0)choushui_time=choushui_time-1;} }if(jiemian==3) {if(key3==0) {_delay_ms(80);if(key3==0)jiange_time=jiange_time-1;} } //显示相应界面if(jiemian==0){xianshi0();}if(jiemian==1){xianshi1();}if(jiemian==2){xianshi2();}if(jiemian==3){xianshi3();}//定位抽水工//作方式：//当水池水位低于下水位，自动启泵，当达到上水位自动停泵。//在抽水过程中，若水泵缺水，水泵应自动停机，延时一定时间后再自动启泵，//延时时间可以由用户根据水源情况，自己设定和修改。if(jiemian==4){ //界面位45则2号按键为限位开关键if(key2==0){shuibeng=1;bz_shui=1;bz4=1;}//当达到上水位、自动停泵，水泵缺水时延时开始 //界面位45则3号按键为限位开关