单片机课程设计水位控制系统.docx

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单片机课程设计水位控制系统

单片机原理及系统课程设计

评语：

考勤10分

守纪10分

过程30分

设计报告30分

答辩20分

总成绩（100）分

专业：

电气工程及其自动化

班级：

电气

姓名：

xxx

学号：

指导教师：

xxx

兰州交通大学自动化与电气工程学院

2014年1月13日

基于单片机的水位控制系统设计

1设计目的

水位控制系统是以水位为被控参数的控制系统，它在工业生产的各个领域都有广泛的应用。

在工业生产过程中，有很多地方需要对容器内的介质进行水位控制，使之高精度地保持在给定的数值，如在建材行业中，玻璃窑炉水位的稳定对窑炉的使用寿命和产品的质量起着至关重要的作用。

水位控制一般指对某一水位进行控制调节，使其达到所要求的控制精度。

液体的水位的自动控制,是近年来新开发的一项新技术,它是微型计算机软件、硬件、自动控制等几项技术紧密结合的产物,工程作业采用的是微机控制和原有的仪表控制,微机控制有以下明显优势:

（1）直观而集中的显示各运行参数,能显示水位状态。

（2）在运行中可以随时方便的修改各种各样的运行参数的控制值,并修改系统的控制参数,可以方便的改变水位的上限、下限。

（3）具有水体控制过程的自动化处理以及监控软件良好的人机界面，操作人员在监控计算机上能根据控制效果及时修运行参数，这样能有效地减少工人的疲劳和失误，提高生产过程的实时性、安全性。

综合以上的种种优点可以预见采用计算机控制系统是行业的大势所趋。

单片机是在一块芯片上集成了一片微型计算机所需的CPU、存储器、输入、输出等部件。

单片机自问世以来,性能不断提高和完善,体积小、速度快、功耗低的特点使它的应用领域日益广泛。

一般,工业控制系统的工作环境差,干扰强,利用单片机控制就能克服这些缺点,因此单片机在控制领域得到广泛的应用,使用单片机控制液体水位是很好的选择。

2设计任务和基本要求

设计一种基于单片机水位检测控制系统。

该系统能实现水位检测、电机故障检测、处理和报警等功能，实现超高、低警戒水位报警，超高警戒水位处理。

介绍电路接口原理图，给出相应的软件设计流程图和汇编程序，并用Proteus软件仿真。

实验结果表明，该系统具有良好的检测控制功能，可移植性和扩展性强。

本设计为一个实际应用系统的水塔水位控制部分。

在此水塔水位控制系统中，检测信号来自插入水中的3个金属棒，以感知水位变化情况。

工作正常情况下，应保持水位在某一范围内，当水位变化发生故障的时候，及时关断电机电源，发出声、光报警信号。

（1）完成单片机硬件的设计，包括：

CPU、存储器（外扩ROM、RAM）、输入/输出接口（外扩并行I/O口）以及总线连接部分（附控制电路原理图）。

（2）完成控制软件的设计（附控制软件清单）。

3水位控制原理

以水塔水位控制为例。

单片机水塔水位控制原理图1所示，图中的A、B表示允许水位变化的上、下限位置。

由于题目中所要求的金属导体在长时间置于水和空气中会被氧化，因此导电性会下降，这样会影响系统的正常工作，所以本设计需要改动部分控制硬件，上部两个导体分别用浮子开关代替，第三个不需要置于水中，而将它直接接地然后串入电阻接入电路中。

在正常情况下，水位应控制在上下限的范围之内。

为此，在水塔内的不同高度处，安装固定不变的两个浮子开关A、B，利用杠杆原理，A浮子控制开关A，B浮子控制开关B，受到浮力时开关打开，A靠近水塔上部，B靠近水池底部，A、B之间足够距离，要保证有足够大的流水量。

水塔由电机带动水泵供水，单片机控制电机转动，随着供水，水位不断上升，当水位上升到上限水位时，由于水的浮力作用，使浮子开关A，B均断开。

因此b、c两端的电压都为+5V即为“1”状态．此时应停止电机和水泵工作，不再向水塔注水；当水位处于上、下限之间时，B开关断开和A开关闭合，b端为1状态，c端为0状态。

此时电机保持原来的运行状态，使水位上升或下降，当水位处于下限位置以下时，A，B开关都断开，b、c均为0状态，此时应启动电机转动，带动水泵给水塔注水。

当开关A断开B闭合（这种状态在正常情况下不会出现，因此必有一浮子出现故障停止电机运转，报警器打开。

图1所示水塔浮子的控制原理。

图1控制原理图

4系统总体方案

4.1电路设计

水塔水位控制系统主要由CPU（80C31）、水位检测接口电路、报警接口电路、存储器扩展接口电路、复位电路、时钟振荡等部分组成，图2为系统硬件电路。

图2系统硬件电路

4.2水位检测接口电路

为了便于实现水位检测功能，用一个两位的浮子开关A，B模拟P1.1和P1.0端的状态（0、1），浮子开关另一端接地，每个负电极分别通过4.7k的电阻（R1，R2）接+5V电源。

将单片机的P1.0端口接开关B，P1.1端口接开关A。

假设被水淹没的负电极都为高电平，此时开关置1；露在水面的负电极都为低电平，开关此时置为0。

单片机通过负电极重复采集检测水位，当缺水时（此时两个开关均置0），电机必须带动水泵抽水；若水位在正常范围内时，检测信号为高，低电平（此时开关B置1，开关A置0）；当水位过高时，检测信号为高电平（此时开关A和B都置1），单片机检测到P1.0和P1.1为高电平后，立即停机。

4.3报警接口电路

为了避免系统发生故障时，水位失去控制造成严重后果，在超出、低于警戒界水位时，报警信号直接从高、低警界水位电极获得。

单片机P1.3端口为启动电机命令输出端口，P1.3=0为低电平，经过非门和驱动器7406后与电机的另一端接地导通，启动电机工作；P1.3=l为高电平，反之，电机停止工作。

电机故障报警由单片机控制，电机故障报警信号由P1.3输人。

当P1.3为高电平时蜂鸣器报警。

水位超过高警戒水位，单片机控制系统使电机停止转动，向水塔内供水工作也停止。

4.4存储器扩展接口电路

为了便于系统扩展，存放大容量应用程序，系统设计扩展一片程序存储器，用于存放源程序代码。

74LS373用于锁存地址，单片机的P0.0～P0.7通过复用方式分别接锁存器74LS373的DO～D7和存储器2732的D0～D7端，地址锁存信号线ALE接锁存器的OE端，通过软件设置实现地址和数据信息的传输，锁存器的输出端Q0～Q7与存储器地址线A0～A7相连，剩余的3根地址线A8～A11接P2.0～P2.2．单片机选通引脚接存储器OE端，因只扩展一片存储器，片选端CE接地。

4.5各设备的地址分配

各元件所接端口以及对应地址如表1所示

表1元件所接端口以及对应地址表

序号1234

P1口P1.0P1.1P1.2P1.3

元件开关B开关A电动机报警

地址90H91H92H93H

4.6软件设计

4.6.1设计思路描述

当水塔水位处于上、下限之间时，P1.0=l，P1.1=0，此时无论电机是在带动水泵给水塔供水使水位不断上升还是电机没有工作使水位不断下降，都应继续维持原有工作状态；当水位低于下限时，P1.0=0，P1.1=0，此时启动电机转动，带动水泵给水塔供水。

4.6.2设计程序流程图

为实现表2的各个控制，要求程序选择P1.0和P1.1的高低电平，以及当出现故障时控制P1.3为低电平报警同时关闭电机。

程序流程图如图3所示：

图3程序流程图

4.6.3主程序

根据图3的流程，首先将P1口写1，为检查P1.0和P1.1状态做准备，然后选择P1.0和P1.1的高低电平，实现控制P1.2和P1.3的7高低电平的变化，在没有改变开关的状态之前，为了保持各个端口的电平，需要调用延时程序，主程序以及延时程序见附录一。

5结论

控制系统有四种运行状态，当水塔里的水面低于最低限时即低于浮子B时，A、B浮子开关均闭合，电机运转，向水塔注水；直到水面超过浮子B，B开关打开，电机任然保持原来的运行的状态；随着水面上升，浮子开关A被打开，此时水面达到上限，因此关闭电机，停止向水塔里注水；随着向外部供水，水面逐渐下降，浮子开关A闭合，但此时不需要再往水塔里注水，因此电机任然维持原来的停止状态不变。

而当不属于上述的任何闭合情况时，报警器打开。

对四种不同状态的仿真见附录二。

6结语

本系统就是充分利用了80C31和2732芯片的I/O引脚。

系统采用MSC-51系列单片机Intel80C31和可编程并行I/O接口芯片2732为中心器件来设计水塔水位控制系统，实现了能根据水位的高低通过80C31芯片的P1口设置电动机的抽水和报警工作功能；通过二极管的发光来报警以及两个开关来模拟水位的控制，二极管由驱动系统驱动发光。

参考文献

[1]张毅坤单片微型计算机原理及应用[M]，西安电子科技大学出版社，1998

[2]雷丽文等微机原理与接口技术[M]，电子工业出版社，1997.2

[3]王思明，张金敏等单片机原理及应用[M]，科学出版社，2012.9

[4]冯育长主编单片机系统设计与实例分析[M]，西安电子科技大学出版社，2007

[5]谢维成，杨加国主编单片机原理与应用及C51程序设计[M]，清华大学出版社，2006

附录一

实验程序如下：

ORG0000H

AJMPLOOP

ORG0100H

LOOP:

SETB93H

ORLP1,#03H；为检查水位状态做准备

MOVA,P1

JNBACC.0,ONE；P1.0=0则转移

JBACC.1,TWO；P1.1=1则转移

BACK:

ACALLDELAY；调用延时

AJMPLOOP

ONE:

JNBACC.1,THREE；P1.1=0则转移

CLR93H；P1.3←0，启动报警装置

SETB92H；P1.2←1,停止电机工作

AJMPLOOP

THREE:

CLR92H；启动电机

AJMPBACK

TWO:

SETB92H；停止电机工作

AJMPBACK

延时子程序（延时10s）：

DELAY:

ORG8030H

MOVR3,#19H

LOOP3:

MOVR1,#85H

LOOP1:

MOVR2,#0FAH

LOOP2:

DJNZR2,LOOP2

DJNZR1,LOOP1

DJNZR3,LOOP3

RET

END

附录二

对四种不同状态的仿真如下图所示：

（1）当A，B两开关都闭合，即水位未到达开关B时，电机运转。

如图4所示：

图4仿真电路1

（2）当A开关闭合，B开关断开，即水位适中，电机维持原状。

如图5所示：

图5仿真电路2

（3）当两开关都断开即水位超过了上线时，电机停转。

如图6所示：

图6仿真电路3

（4）当A断开B闭合即浮子开关出现故障，电机停转且系统报警。

如图7所示：

图7仿真电路4