电气工程及其自动化110102180246蒋超基于Proteus的水箱液位控制系统 2要点.docx
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电气工程及其自动化110102180246蒋超基于Proteus的水箱液位控制系统2要点
2015届本科毕业设计（论文）
基于Proteus的水箱液位控制系统的设计
TheDesignofControlSystemWaterLevelBasedonProteus
学院：
工学院
专业班级：
电气工程及其自动化1102班
姓名：
蒋超
学号：
110102180246
指导教师：
李美艳讲师
完成时间：
2015年3月16日
二〇一五年三月
论文题目：
基于Proteus的水箱液位控制系统的设计
专业：
电气工程及其自动化
学生：
蒋超签名：
指导教师：
李美艳签名：
摘要
基于目前的状态，本论文研究的主要内容是使用单片机技术，来控制水箱液位系统，使水箱液位在达到一定水位自动报警并能人工进行切换的功能,并且在高位和低位能够声光报警，提高安全性，在手动模式时，人工控制两台水泵的运行，并且在地位时强制开启水泵进水，在高位时强制关闭水泵进水，保证水箱的可靠运行。
因此，使用更为智能且精密的自动化系统来规范水箱液位控制，可以避免人为失误，降低事故几率，也能节约人力资源，降低企业成本，尤其是现如今的电子技术的普及，自动控制设备已经不再是奢侈品这样的系统的优点是其他系统无法比拟的，是现代工厂一个必备的条件。
关键词：
单片机；液位控制；声光报警；自动控制
Title:
TheDesignofControlSystemWaterLevelBasedonProteus
Major:
ElectricalEngineeringandAutomation
Name:
JiangChaoSignature:
Supervisor:
LiMeiYanSignature:
THEDESIGNOFCONTROLSYSTEMWATERLEVELBASEDONPROTEUS
Thepurposeofthisstudyistousesinglechiptechnology,theuseofthistechnologyistocontrolthewatertankliquidlevelsystem,thewaterlevelofthetankcanautomaticallyalarmandmanualswitchtoreachesacertainwaterlevelfunction.Alarmatthehighorlow,improvesecurity,wheninmanualmode,themanualcontrolofthetwopumpsrunning,andforcedopenthewaterpumpinletlow,highinthepumpintakewhenforcedtoclose,ensurethereliableoperationofwatertank.Therefore,theuseofmoretoregulatethewatertankliquidlevelcontrolforintelligentandprecisionautomationsystemcanavoidhumanerror,reducetheaccidentprobability,italsocansavehumanresources,reducethecostofenterprise,especiallynowadays,electronictechnologyautomaticcontrolequipmentisnomorealuxury,theadvantagesofthissystemisunmatchedbyothersystem,isanecessaryconditionofmodernfactories.
Keywords：
SingleChipMicroComputer;LevelControl;SoundandLightAlarm;AutomaticControl
前言
单片机技术在电子领域的运用越来越广泛，目前很多新型电子器件对控制信号要求很高，若不采用单片机或者可编程控制器则几乎无法使用，单片机技术的应用不仅可以简化电路设计，而且可以大大提高电路设计水平。
本次毕业设计是通过89C51单片机作为核心，通过光电隔离器和继电器作为外围电路来实现水箱液位精确控制，并伴随高限和低限的声光报警，软件采用汇编语言，来实现整个系统的快速反应。
1绪论
1.1研究意义
水箱水位控制系统在我们国家的工业生产中广泛运用，在现如今的信息化、智能化的工业控制领域，老旧的人工控制方式已经难以满足需求，它的能耗大、控制精度低的劣势严重制约着我们国家的工业产业转型，但是随着自动控制原理的发展，电子元器件的普及，技术人员的批量培养，一个用液位的变化来自动调整的水箱液位控制系统，通过运行参数的调节，使得有一个恒定的水压来保证工厂的使用要求，使得系统在工作有一个很好的安全保障。
并且改造成本低廉，安装便捷，通过根据软件Proteus的仿真证明了实验的可行性，灵敏度高，是节约人力物力的理想设备。
此设备的系统采用单片机来进行实现水箱自动液位控制，保证了系统的成本低廉且实用价值高。
它能自动完成上水停水的循环操作，并且保证液面高度处于理想水平，水压不会有太明显的变化，它的结构也很简单，可以在现有的水箱上面进行安装改造，兼容性强。
灵敏度高，节约资源成本显著，适用于各种大型储液装置。
在现如今的社会高速发展大环境下，水的供应在工厂企业的生产中占有很大的比重，这就需要一个廉价且能实现全自动运行的控制器来实现水量的充足、平稳供应。
单片机，其体积大小可以以厘米级的单位来计量但在这一块地方上集成了很多微型芯片，单片机的问世代表了这个时代的科技水平，为实现以前无法实现的功能提供个一个强有力的基础，对后来自动化设备起到了关键作用。
单片机也以其设计简单，价格便宜，功能强大，兼容性好这些优势，让许多系统开发所采用。
1.2研究内容
这类系统的主要特点就是不需要人的操作，自动输出操作指令，所以他需要对水箱液位中传感器输出的信号进行分析，以之前人工设定好的数据来比对从而发出对控制水泵的工作指令。
这套系统需要使用两台水泵来实现水位的动态控制，当系统需水大的时候，水位线过低，M1和M2两台水泵同时工作，来保证水位回到可控的平衡位置；当系统需要水小的时候，水位线到达正常时，M2水泵单独工作,M1水泵停机待命；当没有用水时，水位线到达上限时，M2水泵停机待命，整套设备处于待命状态。
并且在低水位有黄色指示灯警示并伴随蜂鸣器报警；在水位线到达正常时有绿色灯指示，无报警。
2水箱液位控制器的工作原理
2.1单片机概述
单片微型计算机（SingleChipMicroComputer）简称单片机，在外国随着科技的发展，传统的单片机已经在结构上发生了大的改变，体现最为突出的‘最能展现人们智慧的是嵌入式微控制器MCU（Micro-Control-ler）但在国内由于人们的习惯所以把这个新系统也称之为单片机，它是把微型计算机的中央处理器（CPU）和数据存储器（PAM）、程序存储器（ROM）、定时/计数器以及I/O接口集成在了一起的一种微型计算机。
伴随着科学技术的发展，目前的单片机主要突出了它的控制功能。
除了集成了定时/计数器外，有的单片机还集成了诸如数模转换（D/A）、模数转换（A/D）等功能部件（为了加强模拟信号的采集、处理）；有的单片机内部集成了PWM（脉冲宽度调制）,PCA（计数器捕获比较逻辑）、高速I/O口、WDT（看门狗定时器）等功能部件。
因为单片机的使用场合多数都是控制方面，所以单片机又被称之为微型控制器。
2.1.1单片机的发展概况
在计算机控制领域（如家电、汽车、工业控制等），对控制系统的要求都比较苛刻。
例如体积小、高智能、成本低、功耗小、抗干扰能力强和可靠性好。
不但传统的电气控制设备不能胜任，就连一般的应用型PC机也不能一一满足。
在此背景之下，有关于单片机的想法才逐渐成形。
单片机就是将计算机的基本部件做了高度集成和合理的简配后综合在了单一的芯片上，体积较小，能很好的满足对控制系统的体积要求。
在许多的控制场合不需要复杂的数学逻辑计算，因此单片机在生产工艺上进行了简化，降低了制造成本。
同时采用规模化生产来进一步降低成本，目前的市场行情就很好的证明了这一切。
而且在工艺上所有的电路都集成在一个芯片上，避免了因为线路连接错误导致的系统失效的可能性，提高了可靠性。
而且在设计上采取了很多措施来降低功耗，满足了控制系统的功耗需求，同时也采用了很多抗干扰措施，让单片机在各种复杂的干扰坏境下可以继续不受干扰的工作，并且在-50-100摄氏度范围内都能正常工作。
目前以Intel公司出的MCS-51系列最为普遍，但是后来Intel将工作重心转移到了PC业务，将内核使用权扎un让给了ATMEL等著名IC制造商，本次设计就是采用ATMEL的89C51系列8位单片机设计的控制器
2.1.289C51系列单片机
89C51是有着4K字节闪烁可编可删的高性能单片机、高性能CMOS8位微处理器，国内技术人员中的单片机。
由于将8位多功能CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，这让该型单片机成了一款高效的产品，并且ATMEL公司为这款单片机提供了更多的方案是得他在易用性和价格方面提出了更多的可能。
2.2水箱给水设备原理
水箱给水设备系统由两台水泵机组、水箱和三个液位传感器组成，其系统结构如图2.1：
图2.1水箱给水控制器结构图
其中M1、M2为给水泵机组，高位、中位、低位是液位传感器，当水位到达高位时，高位传感器就会从低电位变为高电位；当水位到达中位时，中位传感器就会从低电位变为高电位；同理水位到达低位也是一样的。
2.389C51单片机控制系统原理
2.3.189C51单片机控制部分结构说明
本系统采用的单片机引脚图具体控制如下：
P1口和P3口为输入输出检测信号和控制信号。
下面是芯片引脚图具体分配：
P1.0：
水位低位输入信号。
（低1，高0）
P1.1：
水位中位输入信号。
（低1，高0）
P1.2：
水位高位输入信号。
（低1，高0）
P1.3：
手动与自动转换输入信号。
（手动1，自动0）
P1.4：
M1开关状态输入信号。
（开0，关1）
P1.5：
M2开关状态输入信号。
（开0，关1）
P1.6：
M1开关状态输入信号。
（开1，关0）
P1.7：
M2开关状态输入信号。
（开1，关0）
P3.0：
高水位报警输出信号。
P3.1：
中水位报警输出信号。
P3.2：
低水位报警输出信号。
P3.3：
蜂鸣器报警输出信号。
P3.4：
手动启动M1输入信号，低电平有效动作。
P3.5：
手动启动M2输入信号，低电平有效动作。
P3.6：
手动停止M1输入信号，低电平有效动作。
P3.7：
手动停止M2输入信号，低电平有效动作。
2.3.1单片机水箱控制系统工作原理
当水箱液位没有到达低位时，启动M1、M2给水，水位上升到50%，此时低位液位传感器接收到信号，液位指示灯黄色报警，并伴随蜂鸣器鸣响。
当水箱液位继续增加到75%时，此时M1停止工作处于待命状态，M2单独给水。
当水箱液位上升达到90%时，M2停止工作处于待命状态。
经过实验验证，得到以下数据：
在只进不出的情况下
水位从50%--75%，两台水泵工作需要10min：
水位从75%--90%，一台水泵工作需要15min：
在平均出水的情况下
水位从50%--75%，两台水泵工作需要30min：
水位从75%--90%，一台水泵工作需要45min：
水箱液位一般情况下维持在50%--90%之间，以保证水压在允许范围内。
报警控制如下：
当液位到达90%甚至超过时，液位传感器发出信号，系统报警，红色指示灯点亮，蜂鸣器警示。
当水位到达75%甚至超过时，液位传感器发出信号，系统不报警，绿色指示灯点亮，蜂鸣器不动作。
当水位到达50%甚至超过时，液位传感器发出信号，系统报警，黄色指示灯点亮，蜂鸣器动作。
当水位低于50%时，液位传感器接收不到信号，视为水箱空位后初次进水，无警示。
手动/自动模式转换控制如下：
自动模式下，由单片机根据信号判断水位情况，根据不同液位，自动调整水泵、指示灯和蜂鸣器工作。
手动模式下，两台水泵的工作根据人工控制运行，但是指示灯依旧工作，且当水位到达90%时系统报警，强制切断两台水泵工作。
3单片机水箱液位控制系统硬件设计
3.1单片机水箱液位控制器系统硬件介绍
3.1.1数据采集及处理模块
单片机在整个系统中有举足轻重的位置，是系统的交换中心，本次设计采用的是ATMEL公司的89C51单片机，这类产品有着成本低，易用性高的优点，所以我选择这款单片机为实验设备。
尽管8位单片机的种类很多，但是无论从全国还是从世界范围来看，51系列都是最广泛、影响最深的，许多公司都推出了兼容系列单片机。
51单片机是行业中的一个标杆，并且在市场中占有很高的低位。
它的片内ROM空间为4KB，片内RAM空间为128B，寻址范围在64KB+64KB，定时/计数器为2×16位，并行I/O口为4×8个，串行I/O口为1个，中断源5个。
51系列单片机采用两种半导体工艺：
一种是HMOS工艺；另一种是CHMOS工艺。
单片机中标有C的就是指采用CHMOS工艺。
CHMOS有着HMOS的具有的所有的特点，唯一不同的的就是CHMOS功耗相比HMOS会低很多。
例如：
8051的功耗是630mW，而80C51的功耗只有120mW。
下面简单介绍其各个部分的功能。
程序存储器：
ROM，用来存储程序，89C51为4KROM。
当片内存储器的容量不够时，可以在外部扩展一个存储器来满足项目需求，片外最多可以扩展到64KB。
中断系统：
具有5个中断源，2个中断优先权。
定时器/计数器：
片内有2×16位的定时器/计数器，有4种工作模式可供选择。
实际项目的运用中，单片机往往要准确的定时，或者对外部的信息进行准确的计数，因而需要在单片机的内部设有定时/计数装置。
串行口：
可以用来进行串行通信，扩展并行I/O口，根据项目需要，可以与其它的单片机链接，构成单片机组，从而让单片机的使用更灵活机动，匹配各种复杂的控制系统，执行多样的任务。
特殊功能寄存器：
简称SFR，其在CPU中设有21个，对于中央处理器的各个部件进行管理、控制、监控。
单片机的时序控制：
时钟电路：
51系列单片机内设有震荡电路，由反向放大器构成，XTAL1和XTAL2分别作为震荡电路的输入部分和输出部分。
时序：
89C51单片机的执行器周期由S1-S6,6个状态组成，每一个状态又持续2个震荡周期，分别是P1、P2两个节拍。
因此，89C51单片机的一个机器周期由12个震荡周期组成。
如果采用12MHZ的晶体振荡器，那么每个机器周期为1us，每个状态周期为1/6us；在一般情况下，逻辑操作和算术发生在第N期间，内部寄存器到寄存器的传输则发生在P2期间。
对于单周期指令，当指令操作码读指令寄存器时，使从SIP2开始执行指令。
如果是双字节指令，则在同一机器周期的S4读第二个字节。
如果是单字节指令，那么在S1区间依然进行读指令，但所读取的代码被单片机忽略，单片机的计数器也不会工作+1.在计数器结束工作时完成指令操作。
多数Mcs—51指令的周期为1—2个机器周期。
对于双字节的单机器指令，通常在一个机器周期内从单片机存储器中读取两个字节，但MOVX指令是个例外，MOVX指令是单片机内部与外部交流的的单字节双机器周期指令，在执行MOVX代码的时候，外部数据读取时用了机器的2个周期。
下面是89C51单片机的震荡电路。
如图3-1：
图3.189C51单片机震荡电路
引脚及其功能说明：
89C51单片机的引脚图3.2如下：
图3.289C51引脚图
P0口：
（AD0-AD7）为一个8位漏级开路双向I/O口，每个管脚可以接收8TTL门电流。
当P1口的一个管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0口作为通用双向I/O口，用来输入或者输出数据，并且可以作为低8位地址输出和8位数据总线的输入输出。
P1口：
在单片机的内部提供有上拉电阻，可以作为通用双向I/O口来输入或者输出数据，其缓冲器可以接收输出4TTL门电流。
其管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部电路下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
P2口：
在机器的内部提供有上拉电阻，并且也可以作为通用双向I/O口来输入或者输出数据，并且在访问外部存储器或者外部接口芯片时，输出高8位地址，其缓冲器可接收输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存储时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出器特殊功能寄存器的内容。
P3口：
在单片机的内部提供有上拉电阻，也可以作为通用双向I/O口来输入或者输出数据，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高点平，并且用作输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL），这也是由于上拉电阻的缘故。
它也有第二功能见下表3-1
表3-1P3口功能表
引脚
信号名称
第二功能
P3.0
RXD
串行接收时，串行数据的输入口
P3.1
TXD
串行发送时，串行数据的输出口
P3.2
INT0
外部中断0的中断请求输入信号输入端
P3.3
INT1
外部中断1的中断请求输入信号输入端
P3.4
T0
定时器0作为外部计数时，外部计数脉冲输入端
P3.5
T1
定时器1作为外部计数时，外部计数脉冲输入端
P3.6
WR
访问外部数据存储器写信号输入端
P3.7
RD
访问外部数据存储器写信号输出端
RST：
复位输入。
作为振荡器的复位器件时，RST脚两个机器周期都要保持为高电平时间。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
其中，VCC：
供电电源。
GND：
接地。
3.1.2光电隔离、继电器简介
水箱的控制核心单元由89C51系统组成。
但是在工业环境中，复杂的电磁环境干扰着电路核心单元的输入输出，容易引起水泵的误操作，并且水泵的起停会引起电源的波动从而对控制电路造成影响，所以为避免以上问题，单片机的输入输出都采用光电隔离。
而在输出信号上面是弱电控制强电，所以避免干扰就要通过继电器隔离。
光电隔离器在工作时，把输入信号加入到输入端，使发光二极管发光，光敏三级管在接收到光信号后导通，从而达到电-光-电的三次转换。
而继电器隔离是用电信号控制继电器的电磁线圈，当输出高电位时，电磁线圈通电，吸合开关，常闭触电断开，常开触电闭合。
输入通过光电隔离器，来保护单片机的输入端正常工作，其电路图如图3-3：
图3.3光电隔离器
其中2，3口作为其输入，6，7口作为其输出。
输出通过继电器，控制水泵机组的起停，其电路图如同3-4：
图3.4继电器控制电路
其中，此图开关闭合状态为常闭，当线圈通电时，开光将变换成另一状态。
3.1.3给水泵电机控制回路介绍
给水泵电机控制回路，如图3.5：
图3.5给水泵电机控制回路
3.2水箱液位控制系统仿真平台Proteus介绍
Proteus软件是英国LabCenterElectronics公司出版的EDA工具软件。
它能仿真单片机和它的外围器件还可以进行EDA工具软件的仿真功能。
它是目前比较好的单片机及其外围器件仿真的软件工具。
虽然在国内起步较晚，但是已经收到单片机爱好者的推崇，并且在互联网上有众多从事单片机教学视频，适合初学者入门。
它能从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路的协同仿真，并且一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。
是目前唯一的将电路仿真、PCB软件设计和虚拟模拟仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持80C51、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等。
其功能特点是：
原理布图
PCB自动或人工布线
SPICE电路仿真
革命性的特点：
1.互动的电路仿真
用户甚至可以实时采用诸如RAM、ROM、键盘、马达、LED、LCD、AD/DA、部分SPI器件、部分IIC器件。
2.仿真处理器及其外围电路
可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。
配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus建立了完备的电子设计开发环境。
4.拥有丰富的器件库
超过27000种元器件，可方便地创建新元器件。
5.智能的器件搜索
通过模糊搜索可以快速定位所需要的器件。
6.智能化的连线功能
自动连线功能使连接导线简单快捷，大大缩短绘图时间。
7.支持总线结构
使用总线器件和总线布线使电路设计简单清晰。
8.可支持高精度质量图纸
通过个性化设置，可以生成印刷品质的BMP图纸，可以方便地让WORD、POWERPOINT等多种文档使用。
其功能模块的特点：
1.完善的电路仿真功能
ProSPICE混合仿真：
基于工业标准SPICE3F5，实现数字/模拟电路的混合仿真。
2.超过27000个仿真器件：
可以在软件内部进行自行设计仿真器件，元件库也在不断更新，供开发者参考。
3.多样的激励源：
包括直流、正弦、脉冲、分段线性脉冲、音频、指数信号、单频FM、数字时钟和码流，还支持文件形式的信号输入。
4.生动的仿真显示：
用色点显示引脚的数字电平，导线以不同颜色表示其对地电压大小，结合动态器件（如电机、显示器件、按钮）的使用可以使仿真更加直观、生动。
5.高级图形仿真功能（ASF）：
根据图标的分析可以精确了解电路的多项指标，其中包含噪声、频率特性、传输特性、失真、傅立叶频谱分析仪、工作点、瞬态特性等，同时还能进行一致分析。
4水箱液位控制系统软件设计
4.1程序设计概要
本次水箱液位控制系统的程序开发，采用的语言是汇编语言。
程序实现液位在高位、中位、低位的声光提示，判断水泵的工作方式（手动或自动）。
当水位达到规定容量时，停止对水箱供水。
此设计中，低电平有效（0为有效），高电平有效（1为有效）。
4.2程序设计原理
4.2.1系统主程序原理及其流程图
主程序的作用是对单片机的初始化，并且判断用户是采用手动模式还是自动模式，并根据用户的需求选择要执行的步骤：
如果采用手动模式，则程序跳转到手动模式程序代码。
如果采用自动模式，则程序跳转到自动模式程序代码。
主程序原理流程图如下图4.1
图4.1主程序流程框图
系统的主程序：
ORG0000H
MAIN:
MOVP1,#0ffH：
P1口初始化
MOVP3,#0ffH：
P1口初始化
JNBP1.3,AUT：
P1.3为0，跳转到自动模式
JN
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