基于单片机智能潜水泵保护器设计与研究.docx
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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
一、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
1、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。
2、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。
3、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:
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
1、封面
2、目录
3、内容摘要（200~400字左右，中英文）
4、引言
5、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）
6、结束语
7、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
1、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。
2、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。
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
Abstract
submersiblepumpiswidelyusedInagriculture.ButMotorburned-outaccidentsoccurfrequentlyforbadenvironmentandlong-termworkinginunderwater.Andthemainreasonforpumpwindingburnoutisshortageofwaterwhenthepumpisoperating.Inordertoslovethecommonfailure,anewcontrollerhasbeendesignedforsubmersiblepumpmonitoringprotection.Thispaperpresentstheoveralldesignideaofintelligentsubmersiblepumpprotectioncontroller,hardwarecircuitdiagramandsoftwareflowchart.
keywords:
AT89C2051singlechip,Submersiblepump,Protectioncontroller
第1章绪论
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+Hs
d.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/h
e.转速Ns（RPM）：
Ns=120*F/N
F：
频率
N：
电机级数
2.1.3
2.2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
第3章
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AT89C2051的时钟频率可以为零，即具备可用软件设置的睡眠省电功能，系统的唤醒方式有RAM、定时/计数器、串行口和外中断口，系统唤醒后即进入继续工作状态。
省电模式中，片内RAM将被冻结，时钟停止振荡，所有功能停止工作，直至系统被硬件复位方可继续运行。
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。
3.1.2AT89C2051单片机的引脚描述
CHMOS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。
（1）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
（2）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。
（3）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
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