片单机课程设计水位自动控制大学论文.docx

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片单机课程设计水位自动控制大学论文

洛阳理工学院

单片机原理及应用

课程设计说明书

目录

第一章概述1

1.1设计背景1

1.2指标要求1

第二章总体方案设计与选择3

2.1硬件框图3

2.2单片机选型3

第三章硬件设计4

3.1最小系统设计4

3.1.1时钟电路4

3.1.2复位电路4

3.1.3电源电路5

3.2输入部分设计5

3.2.1信号采集5

3.2.2信号转换5

3.3输出控制电路部分设计7

3.4报警电路设计7

第四章软件设计7

4.1设计思想8

4.2程序流程图8

4.3程序设计9

第五章调试与仿真11

5.1Proteus硬件仿真11

总结12

参考文献13

附录14

第一章概述

1.1设计背景

随着我国经济水平和科学技术的快速发展，我国各个领域的现代化建设都取得优秀的成果：

尤其在中国的大城市中，现代化的进程已经赶上了发达国家。

然而，我国农村的现代化进程现在还存在着许多的缺点，很多科学成果不能得到广泛的推广和应用，就像人们日愈关注的水资源，在许多农村的供水系统中有很大的浪费，这主要是由于农村供水体系中简单的水塔结构所造成的，这种水塔存在着种种不足，比如：

无法实现自动供水，没有报警系统，经常造成水资源浪费，供水不及时等等。

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，因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、较低的设计成本、高实用价值的控制器。

就目前而言，多数工业、生活供水系统都采用水塔、层顶水箱等作为基本储水设备，由一级或二级水泵从地下、市政水管补水，改进供水装置就能实现供水自动化。

水塔很高，水位高低不便于观察，水少供水中断，水多则会溢出来，可用以下方法来解决这个问题，改进供水装置就能实现供水自动化。

水塔水位自动控制装置还应用于太阳能热水器供水系统，主要起太阳能热水器水位自动调节作用，并防止太阳能热水器缺水烧坏和满水位事故的发生。

该设计应用水压传感器来实现超高、低警戒水位处理，实现自动控制，而达到节能的目的，提高了供水系统的质量。

1.2指标要求

传统的水位检测通过设置检测点来完成对水位的检测。

通常，由于受检测点物理体积的影响，水位检测点的数目有限，从而影响了后续电路控制的精度。

本设计采用新型水位传感器，可以达到对水位高度的精确检测，以利于提高后续电路控制的精度。

其原理是通过水压传感器，把与液位深度成正比的液体静压力准确测量出来，并经放大电路转化成标准电流（或电压）信号输出，建立起输出电信号与液体深度的线性对应关系，实现对液体深度的测量。

同时整个系统应该具有以下特点:

（1）使用寿命长

控制电路应安装有外壳以及电磁屏蔽线路，由于水压传感器是直接投入水中，所以传感器外壳应采用不锈钢制作。

（2）安装方便

传感器探头不能过于复杂测量方式不能过于复杂，此控制系统仅需将投入式水压传感器探头投入液体中，引出信号线同仪表连接就可进行液位测量。

（3）温度稳定性好

系统的温度稳定性能要好，不能因为温度的剧烈变化而使得控制系统出现错误动作，此系统采用的投入式水压传感器本身在0～70℃内实现了温度补偿，在信号转换电路中加入了温度补偿电路，消除电路温漂对精度的影响，从而提高精度。

第二章总体方案设计与选择

2.1硬件框图

水位自动控制电路是通过水位传感器将水位高度转换为0～5V的直流电压，再经过A/D转换后，将转换所得的8位串行数字量送入单片机进行处理来达到对水位进行自动控制的目的。

通过对电压和水位的转换关系，最终利用单片机进行精确的控制，实现对水位高度的显示、主/备电机和报警装置的控制。

水位自动控制器由6个部分组成，即水位传感器、A/D转换、单片机、数码显示、电机控制、报警控制部分，其总框图如图1所示。

图2-1总设计框图

2.2单片机选型

尽管现在的单片机型号种类繁多，但是很多单片机是增强型的51内核单片机，然而水位自动控制器并没有涉及非常多的外设应用，只用普通的最基本的单片机就能满足要求，所以选择AT公司生产的89C51/89S51都行。

第三章硬件设计

3.1最小系统设计

单片机最小系统应包括时钟电路、电源电路以及复位电路才能满足单片机系统正常工作的最小要求。

3.1.1时钟电路

89C51/S51系列单片机与其他微机一样，从FlashROM中取指令和执行指令过程中的各种微操作，都是按着节拍有序地工作的。

就像一个交响乐团演奏一首乐曲一样，按着指挥棒的节拍进行。

89C51/S51单片机片内有一个节拍发生器，即片内的震荡脉冲电路。

89C51/S51芯片内部都有一个高增益反向放大器，用于构成振荡器。

反向放大器的输入端XTAL1，N输出端XTAL2，两端跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳定的自激振荡期。

电容器C1和C2通常取30pF左右，可稳定频率并对振荡频率有微调作用。

晶体振荡器的脉冲频率范围为fOSC=0～24MHz

图3-1

3.1.2复位电路

89C51/S51系列单片机与其他微处理器一样，在启动时都需要复位，使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。

89C51/S51系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。

当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期（24个振荡周期）则CPU就可以响应并将系统复位。

复位是单片机的初始化操作。

其主要的功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。

除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也须按复位键重新启动。

图3-2复位电路

3.1.3电源电路

单片机系统要想稳定的工作，就要给单片机系统提供一个稳定的电压，因为89C51/S51系列单片机的供电电源为5V，所以用7805稳压芯片给单片机提供稳定电压。

图3-3电源电路

3.2输入部分设计

3.2.1信号采集

水位自动控制电路是通过水位传感器将水位高度转换为0～5V的直流电压，该水位传感器的输入信号为水的压力，输出信号为电压，输入输出之间成线性关系。

3.2.2信号转换

由于单片机只能处理数字信号，而水位传感器输出的信号为模拟信号，所以需要用A/D转换芯片将模拟信号转换为数字信号，水位自动控制电路中采用ADC0832芯片进行信号转换。

ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。

由于它体积小，兼容性，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。

特点：

输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；

5V电源供电时输入电压在0~5V之间；

工作频率为250KHZ，转换时间为32μS；

一般功耗仅为15mW；

8P、14P—DIP（双列直插）、PICC多种封装；

商用级芯片温宽为0°Cto+70°C，工业级芯片温宽为−40°Cto+85°C；芯片接口说明：

CS片选使能，低电平芯片使能。

CH0模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。

CH1模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。

GND芯片参考0电位（地）。

DI数据信号输入，选择通道控制。

DO数据信号输出，转换数据输出。

CLK芯片时钟输入

控制原理：

正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。

但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用。

当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK和DO/DI的电平可任意。

当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。

此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。

在第1个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示起始信号。

在第2、3个脉冲下沉之前DI端应输入2位数据用于选择通道功能，其功能详见官方资料。

当CH0、CH1此2位数据为“1”、“0”时，只对CH0进行单通道转换。

当2位数据为“1”、“1”时，只对CH1进行单通道转换。

当2位数据为“0”、“0”时，将CH0作为正输入端IN+，CH1作为负输入端IN-进行输入。

当2位数据为“0”、“1”时，将CH0作为负输入端IN-，CH1作为正输入端IN+进行输入。

到第3个脉冲的下沉之后DI端的输入电平就失去输入作用，此后DO/DI端则开始利用数据输出DO进行转换数据的读取。

从第4个脉冲下沉开始由DO端输出转换数据最高位DATA7，随后每一个脉冲下沉DO端输出下一位数据。

直到第11个脉冲时发出最低位数据DATA0，一个字节的数据输出完成。

也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第11个字节的下沉输出DATA0。

随后输出8位数据，到第19个脉冲时数据输出完成，也标志着一次A/D转换的结束。

最后将CS置高电平禁用芯片，直接将转换后的数据进行处理就可以了。

作为单通道模拟信号输入时ADC0832的输入电压是0~5V且8位分辨率时的电压精度为19.53mV。

如果作为由IN+与IN-输入的输入时，可是将电压值设定在某一个较大范围之内，从而提高转换的宽度。

但值得注意的是，在进行IN+与IN-的输入时，如果IN-的电压大于IN+的电压则转换后的数据结果始终为00H。

图3-4信号转换电路

3.3输出控制电路部分设计

因为单片机最终要控制的是水泵，而水泵的工作电压为220V，单片机不能直接控制，所以需要用一个继电器，使弱电控制强电，水位自动控制器的输出端为P1.4端口，但单片机的输出电流能力最大为15mA,不能直接驱动继电器，所以中间要加一个NPN型三极管，增加单片机的驱动能力。

图3-5输出控制电路

3.4报警电路设计

为了方便用户了解太阳能热水器里面的水位如何，是否没水了或者水满了，所以设置一个水位指示灯，当水位低于或等于最低水位点时红灯亮，此时水位自动控制电路控制水泵开，加水，在加水过程中红灯一直亮，直到把水将要加满此时红绿灯一起亮，当水加满，水泵停止，红绿灯一起熄灭。

图3-6报警电路

第四章软件设计

4.1设计思想

水位自动控制电路是通过水位传感器将水位高度转换为0～5V的直流电压，再经过A/D转换后，将转换所得的8位串行数字量送入单片机进行处理来达到对水位进行自动控制的目的。

通过对电压和水位的转换关系，最终利用单片机进行精确的控制，实现对水位高度的控制和水泵的控制。

4.2程序流程图

图4-1程序流程图

程序一开始，首先对水位信号进行采样，采样所得的模拟信号送入ADC0832模数转换芯片中进行模数转换，之后把数字信号传送给单片机，若所得水位信号大于最低水位信号，则关闭水泵，报警信号灯也不亮，若所得信号小于或等于最低水位信号则打开水泵给太阳能热水器加水，与此同时红色报警信号灯亮，之后再一次进行信号采样A/D转换，单片机判断此时水位信号是否小于最高水位信号，若否即水加满，则关闭水泵停止加水此时红灯亮起，若是，则水没加满，继续加水

4.3程序设计

程序设计的平台采用的是keil软件，KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。

Keil提供了包括C编译器、宏汇编、链接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（μVision）将这些部分组合在一起。

运行Keil软件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。

如果你使用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选，即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会使工作事半功倍。

程序：

ORG0000H

CLRP1.4

LJMPMAIN

ORG1000H

CADB:

CLRP1.0;CS=0

MOVA,#03H;启动位和配置位为011，即ch0=1,ch1=0（启动位为1）

MOVR7,#03H

LOOPB1:

CLRP1.1;CLK=0

RRCA

MOVP1.2,C;DI=1

NOP

SETBP1.1;CLK=1

DJNZR7,LOOPB1;110=DI,启动A/D转换

CLRP1.1;通道稳定脉冲（第4个时钟脉冲）以后开始输出数据

NOP

SETBP1.1;CLK=1

MOVR7,#08H;读8位数据

LOOPB2:

CLRP1.1;CLK=0

MOVC,P1.3;读入1位数据

RLCA

SETBP1.1;CLK=1

DJNZR7,LOOPB2;产生8个时钟脉冲，从D0（P1.0）读入8位数据存于A中

SETBP1.0;CS=1

RET

ORG0040H

MAIN:

LCALLCADB

CJNEA,#34H,LOOPB3;ADC采样上下限是从#00H~#7EH

KAI:

SETBP1.4

CLRP1.5;水位低于最低点，红灯亮

LCALLCADB

CJNEA,#78H,LOOPB4

CLRP1.6;水位到达最高点，红灯灭，绿灯亮

LJMPKAI

LOOPB3:

JCKAI

GUAN:

CLRP1.4

SETBP1.5;水位不高不低，不报警

SETBP1.6

LJMPMAIN

LOOPB4:

JCKAI

LJMPMAIN

END

第五章调试与仿真

5.1Proteus硬件仿真

Proteus软件是英国LabCenterElectronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。

它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。

它是目前比较好的仿真单片机及外围器件的工具。

虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。

Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。

是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。

在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。

电路仿真图：

图5-1电路仿真图

总结

为期一周的课程设计结束了，让我们真的收获很多，在这次实习中我学到并复习了很多单片机的知识。

通过本次课程设计，我对Proteus软件画电路图即KeilC软件的编程有了进一步的掌握和应用。

随着科学技术的迅猛发展，单片机被广泛应用于人们的生活的各个领域，社会需要大量掌握单片机技术的人才，单片机的使用方法应该是我们熟练掌握的内容，水塔水位控制系统在太阳能热水器，油田，铁路等部门有着广泛的应用。

通过这次课程设计，理论加上实践，我掌握了89C51单片机的基本工作原理和基本编程方法，熟悉了A/D转换器的功能和使用方法。

在此过程中我还熟悉了单片机的软硬件开发环境。

此次课程设计之后，我对于单片机的了解更多了，能把一个个分离的知识块联系成整体，然后对其进行分析和比较。

在解决实际问题时的束手无策更使我感到自己所学知识的有限！

查阅相关书籍和参考文献是本次设计完成不可缺少的一步。

，也让我深刻的认识到“学以致用”的重要性。

解决实际问题需要的不仅仅是理论知识，而且要求较强的理论联系实际的能力，完成本设计要求理清水塔水位控制的全过程。

才会对软件实现带来方便。

画出流程图可以帮助检查程序的错误以及对编程进行指导作用。

画出外部接线图也使我对一些绘图软件更加熟悉。

纵观整个设计过程，我所能独自完成的甚少，这也反映了所学知识的有限。

不能完全地将理论与实践相结合！

参考文献

【1】李朝青，刘艳玲编著.单片机原理与接口技术.北京:

北京航空航天大学出版社,2013.7

【2】王淑珍，王丽萍主编.单片机原理与应用.北京:

北京科学出版社，2013

【3】董晓红.单片机原理及接口技术.西安:

西安电子科技大学，2004

附录

元器件清单：

BillOfMaterials

=================

Design:

G:

\单片机设计\shuiweikongzhi.DSN

Doc.no.:

Revision:

Author:

Created:

16/06/20

Modified:

16/06/24

QTYPART-REFSVALUECODE

---------------------

Resistors

---------

3R1,R5,R61k

1R2200

1R33.3k

Capacitors

----------

2C1,C230p

1C422uF

IntegratedCircuits

-------------------

1U1AT89C51

1U3ADC0832

Transistors

-----------

1Q19014

Diodes

------

1D11N4148

1D3LED-RED

1D4LED-GREEN

Miscellaneous

-------------

1RL15v

1RV11k

1X1CRYSTAL

原理图：

程序清单：

ORG0000H

CLRP1.4

LJMPMAIN

ORG1000H

CADB:

CLRP1.0;CS=0

MOVA,#03H;启动位和配置位为011，即ch0=1,ch1=0（启动位为1）

MOVR7,#03H

LOOPB1:

CLRP1.1;CLK=0

RRCA

MOVP1.2,C;DI=1

NOP

SETBP1.1;CLK=1

DJNZR7,LOOPB1;110=DI,启动A/D转换

CLRP1.1;通道稳定脉冲（第4个时钟脉冲）以后开始输出数据

NOP

SETBP1.1;CLK=1

MOVR7,#08H;读8位数据

LOOPB2:

CLRP1.1;CLK=0

MOVC,P1.3;读入1位数据

RLCA

SETBP1.1;CLK=1

DJNZR7,LOOPB2;产生8个时钟脉冲，从D0（P1.0）读入8位数据存于A中

SETBP1.0;CS=1

RET

ORG0040H

MAIN:

LCALLCADB

CJNEA,#34H,LOOPB3;ADC采样上下限是从#00H~#7EH

KAI:

SETBP1.4

CLRP1.5;水位低于最低点，红灯亮

LCALLCADB

CJNEA,#78H,LOOPB4

CLRP1.6;水位到达最高点，红灯灭，绿灯亮

LJMPKAI

LOOPB3:

JCKAI

GUAN:

CLRP1.4

SETBP1.5;水位不高不低，不报警

SETBP1.6

LJMPMAIN

LOOPB4:

JCKAI

LJMPMAIN

END