基于单片机的水位水温控制系统要点.pdf
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1、学士学位论文(设计) Bachelor s Thesis 论文题目基于单片机的水位水温控制系统 作者姓名 学号 所在院系 学科专业名称电子信息科学与技术 导 师 及 职 称讲师 论文答辩时间 编号研究类型应用研究分类号 *学士学位论文(设计)诚信承诺书 中文题目:基于单片机的水位水温控制系统 外文题目:Water Temperature-Level Control System Based on SCM 学生姓名学 号 院系专业电子信息科学与技术班 级 学 生 承 诺 我承诺在毕业论文(设计)活动中遵守学校有关规定, 恪守学术规范, 本人毕业论文(设计)内容除特别注明和引用外,均为本人观点,不
2、存在 剽窃、抄袭他人学术成果,伪造、篡改实验数据的情况。如有违规行为, 我愿承担一切责任,接受学校的处理。 学生(签名): 2012年 5 月 10 日 指导教师承诺 我承诺在指导学生毕业论文 (设计)活动中遵守学校有关规定, 恪守 学术规范,经过本人核查, 该生毕业论文(设计)内容除特别注明和引用 外,均为该生本人观点,不存在剽窃、抄袭他人学术成果,伪造、篡改实 验数据的现象。 指导教师(签名): 2012年 5 月 10 日 目录 诚信承诺书 I 摘要 . 1 1前言 . 2 1.1 课题背景 2 1.2 课题研究意义 2 2系统设计方案讨论与选择. 2 2.1 系统总体方框图 2 2.2
3、 温度控制系统方案讨论 3 2.3 水位控制系统方案讨论 4 2.4 显示系统方案讨论 4 3系统的工作原理 . 4 4.系统硬件电路设计 5 4.1 单片机最小系统 . 5 4.2 水位检测系统电路设计 . 8 4.3 水温检测系统电路设计 11 4.4 显示系统电路设计. 13 4.5 报警系统设计 15 4.6 继电器驱动电路设计 . 15 5.系统软件设计 16 5.1 系统硬件开机自检程序设计 . 16 5.2 系统自动上水程序设计 17 5.3 系统按键程序设计 . 18 5.4 水温水位交替显示流程图设计 18 6系统的实物电路设计. 20 7致谢 . 22 参考文献 . 23
4、湖北师范学院学士学位论文评审表 1 基于单片机的水位水温控制系统 摘要:本文设计的控制系统由水位控制模块和水温控制模块组成。水位控制部分主要由水 位检测、按键调整、水位控制和显示等组成。水温控制部分主要由温度检测、按键 调整和显示等组成。本文设计的控制系统测量水位水温方便、直观,成本较低,较 好地解决了工程应用问题。 关键词 :单片机DS18B20 光电传感器红外对管 中图分类号 :TP27 Water Level and Temperature Control System Based on Microcontroller Abstract: The control system desig
5、ned in this paper consists of water level control module and water temperature control module. Water level control module is mainly composed of water level detection, button and display circuits. Water temperature control is mainly made up of temperature detection, button and display circuits. The c
6、ontrol system designed is convenient, intuitive and low cost to measure the water level and the water temperature, which is a better solution to the problem of engineering applications. Key words: singlechip; DS18B20; photoelectric sensors; Infrared tube 基于单片机的水位水温控制系统 1前言 1.1 课题背景 随着电子技术的发展,人们生活质量的
7、提高,在现代社会中,水位和温度控制不仅应 用在工厂生产方面,其作用也体现到了生活的各个方面。酒店厂房及家庭生活中都会见到 水位和温度控制的影子,水位和温度控制将更好的服务于社会目前,单片机控制器在从生 活工具到工业应用的各个领域,例如生活工具的电梯、工业生产中的现场控制仪表、数控 机床等。尤其是用单片机控制器改造落后的设备具有性价比高、提高设备的使用寿命、提 高设备的自动化程度的特点。 现代工业设计、工程建设及日常生活中常常需要用到水位和温度控制,早期水位和温 度控制主要应用于工厂中, 例如工厂中的大型锅炉 1 ,必须实时的掌握锅炉的水位和温度, 确保系统的正常运行。现行的水位和温度控制也已应
8、用于生活当中,如人们日常烧水用的 电热水器,当水位到一定限度或温度到达所需值时,它都会给出相应的提示以告诉人们。 1.2 课题研究意义 早期温度和水位的参数控制 【2】是通过模拟电路实现的, 这种方式不仅电路复杂, 成本 高,而且误差大, 系统的稳定性不好。 单片机及微型计算机技术 【3】的发展和应用有效地解 决了这些缺点,特别是传感器的发展,更好的提高了检测参数的精度。选择基于单片机的 水温水位控制系统,是因为它不仅在人们生活中具有显著的意义,更重要的是能系统地聚 温度和水位参数于一身,对于更好的掌握和认识单片机的应用和传感器的应用,系统地深 刻认识自动控制的实际应用,掌握复杂的多子系统地设
9、计起到了很强的锻炼作用。 2系统设计方案讨论与选择 2.1 系统总体方框图 为实现系统的水位水温控制,根据系统的设计功能要求,构造总体方框图如图2-1 所 示。 图 2-1 系统总体方框图 2.2 温度控制系统方案讨论 如果采用热电阻, 电路需接 A/D 转换电路,由单片机换算出实际温度, 电路结构复杂, 而且也精度不高。图2-2 是 DS18B20 4 的结构图,它只有三个引脚,一个数据引脚,另外 两个引脚分别是接电源脚和地脚。它的数据引脚可直接与单片机的1 位 I/O 相接,电路结 构简单,占用单片机的口线资源少,精度高,而且成本低,并且防水。并且数据线自带的 电源可以供电而不需要外部电源
10、,而如图2-2 所示的温度传感器外扩了很长的导线更方便 测量水位。所以 DS18B20 以其各方面优点作为温度传感器 5 进行温度采样应用于此水温水 位控制系统中很合适。 图 2-2DS18B20 温度传感器(防水) 2.3 水位控制系统方案讨论 此系统要进行水温水位控制, 在温度传感器采用 DS18B20 之后,对于水位的控制不假 思索的想到要运用水位传感器,经过几天的资料搜集,发现有的水位传感器是通过压力传 感器变换过来的,也有的是浮球式液位传感器,而且此传感器的适用温度范围和测试精度 也适合该设计系统,但此方案的缺点是价格非常昂贵,后来通过指导老师指导,她建议我 用光电传感器,经过查询资
11、料我最终选择了用红外对管来测量水位,红外线传感器测量时 不与被测物体直接接触,因而不存在摩擦,并且有灵敏度高,响应快等优点,非常适合用 于液位检测 1 。 2.4 显示系统方案讨论 为了能构造一个适合的人机界面,在诸多的显示器件中LCD1602 的液晶字符性显示 器非常适合运用于此控制系统当中的,它的功能特性也完全适用于此设计系统的功能要 求,也不会造成资源的浪费,所以就确定LCD1602 作为本此设计系统的显示器件。 3系统的工作原理 单片机的控制电路接正五伏的直流电压源,当电源接好后,就可以按下系统的总电源 开关,系统就开始运行。 首先系统进行硬件电路的开机自检,主要是检查 DS18B20
12、 工作是 否正常,显示器是否正常工作,报警系统是否正常,在此同时LCD1602 显示器同步显示 系统状态。在此过程中用户可以预置水位和水温,接下来开始检测容器中的水位,是否低 于下限水位,如果低于下限水位则开始自动上水至默认水位,然后进入水温水位显示的正 常状态。此时用户可通过三个独立式按键进行水位,水温的设置,按下K1 键系统进入菜 单式选择状态,显示器上光标闪烁引导用户进行选择操作,K2、K3 键用来增减水位或温 度设定值,设置完成后系统开始自动补偿水温或水位,完成任务后又进入水温水位交替显 示的正常状态,系统这时会自动检测容器中的水温水位,同时比较水温水位的下限,进行 及时的水温水位补偿
13、,完成后自动进入水温水位的交替显示状态。每一次系统的动作都配 合听觉和视觉感受,使整个系统实现了人性化设计,方便实用,通俗易懂。 4. 系统硬件电路设计 4.1 单片机最小系统 本设计采用 AT89C52 单片机作为主控制芯片。 AT89C52 是美国 ATMEL 公司生产的低 电压,高性能 CMOS 8 位单片机,片内含8k bytes 的可反复擦写的Flash 只读程序存储器 和 256 bytes 的随机存取器( RAM ),器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术 生产,与标准 MCS-51 指令系统及 8052产品引脚兼容,片内置通用 8 位中央处理器(CPU) 和 Fl
14、ash 6 存储单元,功能强大的AT89C52 单片机适用于许多较为复杂控制应用场合。 AT89C52单片机最小系统图如图4-1 所示。 图 4-1 单片机最小系统(单片机,时钟电路,复位电路,电源) 4.1.1 单片机 它由 CPU 、存储器(包括 RAM 和 ROM ) 、 I/O 接口、定时 / 计数器、中断控制功能 等均集成在一块芯片上, 片内各功能通过内部总线相互连接起来。图 4-2 为 AT89C52 的引 脚图 7 。 图 4-2 AT89C52 的引脚图 输入 / 输出引脚 P0、P1、P2、P3的功能介绍: 1)P0 口(P0.0-P0.7 ) :P0 口是一个 8 位漏极开
15、路型双向 I/O 端口。在访问片外存储器 时,它分时作低 8 位地址和 8 位双向数据总线用。在EPROM 编程时,由 P0 输入指令字 节,而在验证程序时,则输出指令字节。验证程序时,要求外接上拉电阻。 P0 能以吸收 电流的方式驱动 8 个 LSTTL 负载。在 Flash编程时,P0口接收指令字节, 而在程序校验时, 输出指令字节,校验时,要求外接上拉电阻。 2)P1 口(P1.0-P1.7(1-8 脚) ): P1 口是一上带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。 在 EPROM 编程和验证程序时,由它输入低 8 位地址。 P1 能驱动 4 个 LSTTL 负载。在 AT89C52
16、中, P1. 0 还相当于专用功能端 T2 ,即定时器的计数触发输入端; P1. 1 还相当 于专用功能端 T2EX ,即定时器 T2 的外部控制端。 Flash 编程和程序校验期间, P1接收低 8 位地址。 3)P2 口(P2.0-P2.7(21-28 脚) ) :P2 也是一上带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口, P2口的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4 个 TTL 逻辑门电路。对端口写“ 1” ,通过 内部的上拉电阻把端口拉到高电平。在访问外部存储器时,由它输出高 8 位地址。在 对 EPROM 编程和程序验证时,由它输入高 8 位地址。 P驱动 4 个 LSTTL 负载。在
17、访问 外部程序存储器或16 位地址的外部数据存储器(例如执行MOVX DPTR 指令)时, P2 口送出高 8 位地址数据。在访问 8 位地址的外部数据存储器(例如执行MOVX RI 指令) 时,P2 口线上的内容(也即特殊功能寄存器SFR 区中 R2 寄存器的内容),在整个访问期 间不改变。 Flash编程或校验时, P2亦接收高位地址和其它控制信号。 4)P3口(P3.0-P3.7 (10-17 脚) ) :P3口是一组带有内部上拉电阻的8 位双向 I/O 口。 P3 口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4 个 TTL 逻辑门电路。对 P3 口写入 “1”时, 它们被内部上拉电阻拉高并可作
18、为输入端口。此时,被外部拉低的P3 口将用上拉电阻输 出电流( IIL ) 。 P3口除了作为一般的I/O 口线外, P3 口还接收一些用于Flash闪速存储器 和程序校验的控制信号,重要的用途是的第二功能,如表4-1。 表 4-1 AT89C52的 P3 口特殊功能 口管脚备选功能 P3.0 RXD(串行输入口) P3.1 TXD (串行输出口) P3.2 /INT0(外部中断 0) P3.3 /INT1(外部中断 1) P3.4 T0(定时 /计数器 0 外部输入) P3.5 T1(定时 /计数器 1 外部输入) P3.6 /WR(外部数据存储器写选通) P3.7 /RD(外部数据存储器读
19、选通) 4.1.2 时钟电路 时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号,单片机本身就是一个复杂的同步时 序电路,为了保证同步工作方式的实现,电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进 行工作。 在 MCS-51 芯片内部有一个高增益反相放大器,其输入端为芯片引脚 1 XTAL ,输出端 为引脚 2 XTAL ,在芯片的外部跨接晶体振荡器和微调电容,形成反馈电路,就构成了一个 稳定的自激振荡器。此电路采用 12MHz 的石英晶体,时钟电路如图4-3 所示。 图 4-3 时钟电路 4.1.3 复位电路 复位是单片机的初始化操作。除了进入系统的正常初始化之外,当由于程序运行出错 或操作错误是系统处
20、于死锁状态时,为摆脱困境,也需要按复位键以重新启动。 RST 引脚是单片机复位信号的输入端,复位信号是高电平有效, 其有效时间应持续24 个振荡周期(即2 个机器周期)以上,若使用频率为12MHz 的晶振,则复位信号持续时 间应超过 4s 才能完成复位操作。 复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式。上 电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。按键电平复位是通过使复位端经电 阻与 Vcc 电源接通而实现的。 在本设计中采用了上电自动复位方式,其复位电路如下图4-4 所示。 图 4-4 复位电路 4.1.4 电源 单片机工作时需要供5v 的直流电压,考虑到下载程序到硬件电路上时可以通
21、过接口 供电,如是设计了如图4-5 电源所示。 图 4-5 电源电路 4.2 水位检测系统电路设计 4.2.1 水位传感器红外对管介绍 人们习惯把红外线发射管和红外线接收管称为红外对管 5 。 其内部结构如图4-6 所示, 图中左边的四个白色的是红外发射管,管芯中央凹陷,类似聚光罩的形状,图中右边是红 外接收管,管芯中央的平台上有红外感光电极。红外对管的两引脚1 长 1 短,长引脚是正 极,和普通发光管相同。 图 4-6 红外对管 接收电路的红外接收管是一种光敏二极管,使用时要给红外接收二极管加反向偏压, 它才能正常工作而获得高的灵敏度。红外接收二极管一般有圆形和方形两种。由于红外发 光二极管
22、的发射功率较小,红外接收二极管收到的信号较弱,所以接收端就要增加高增益 放大电路。 4.2.2水位检测电路图 图 4-7 四对红外对管测量水位电路图 图 4-7 中的 LM324 为四运放集成电路 8 ,采用 14 脚双列直插塑料封装,内部有四个 运算放大器,有相位补偿电路。电路功耗很小,lm324 工作电压范围宽,可用正电源3 30V,或正负双电源 15V 15V 工作。在水位检测系统中我们有四对红外对管要和单 片机相连,但由于红外对管的电阻会随着光强变化而产生变化,送给单片机高低电平信号 就可能不受控制,于是我们在红外对管的输出端连接一个比较器,将其输出电压控制在一 定范围内,然后由比较器
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