课程设计-单片机水塔水位控制[1]要点.pdf
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1、0 目录 第一章 系统整体设计说明 . 1 第二章 整体设计方案 . 2 第三章 设计系统方框图与工作原理. 3 3.1 工作原理: . 3 3.2 系统结构框图 : 4 第四章 硬件设计及说明 . 5 4.1 硬件设计说明 : 5 4.2 水位控制硬件设计: 5 4.3 故障及水质监测硬件设计: 6 4.4 水位显示硬件设计原理图: . 7 第五章 软件设计与说明(包括流程图). 8 5.1 软件设计: 8 5.2 软件设计流程图: 10 第六章 调试步骤、使用说明 . 11 第七章 设计总结 . 13 参考文献 . 错误!未定义书签。 附录 14 1 第一章系统整体设计说明 现代传感技术、
2、电子技术、计算机技术、自动控制技术、信 息处理技术和新工艺、新材料的发展为智能检测系统的发展带来 了前所未有的奇迹。在工业、国防、科研等许多应用领域,智能 检测系统正发挥着越来越大的作用。检测设备就像神经和感官, 源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信息,成为人们认 识自然、改造自然的有力工具。现代的广义智能检测系统应包括 一切以计算机(单片机、PC机、工控机、系统机)为信息处理核 心的检测设备。因此,智能检测系统包括了信息获取、信息传送、 信息处理和信息输出等多个硬、软件环节。从某种程度上来说, 智能检测系统的发展水平表现了一个国家的科技和设计水平。 本课题研究的内容是 “ 水塔水位控制
3、系统 ” 。 水位控制在日常生 活及工业领域中应用相当广泛,而以往水位的检测是由人工完成 的,值班人员全天候地对水位的变化进行监测,用有线电话及时 把水位变化情况报知主控室。然后主控室再开动电机进行给排水。 很显然上述重复性的工作无论从人员、时间和资金上都将造成很 大的浪费。同时也容易出差错。因此急需一种能自动检测水位, 并根据水位变化的情况自动调节的自动控制系统,我所设计的就 是这方面的课题。 水位检测可以有多种实现方法,如机械控制、逻辑电路控制、 机电控制等。本设计采用单片机进行主控制,在水水塔上安装一 个自动测水位装置。利用水的导电性连续地全天候地测量水位的 变化,把测量到的水位变化转换
4、成相应的电信号,主控台应用单 片微机对接收到的信号进行数据处理,完成相应的水位显示、控 制及故障报警及显示水位等功能。 2 第二章整体设计方案 本设计用 80C51 单片机为核心,由于单片机I/O 管脚能够使 用的只有 P0 口,而设计的要求是利用引脚输入信号并对信号进行 处理,并且要输出水位显示,故障报警,污水报警,启动停止水 泵等功能,这样一来我们只用单片机的P1引脚是远远不够的,(单 片机的 P1,P2和 P3的部分引脚不能用来信号的输入输出)因此我 利用 8255A 对其引脚进行扩展,通过 8255A 的 PC 口进行信号的 输入并利用 8255A 的 PA 口连接两个数码管来显示实际
5、水位, 当水 位在不同的位置时利用程序控制将在数码管上显示这段时间的水 位。并利用延时子程序来延时, 延时时间 1S,每间隔 1S系统将进 行一次水位检测, 当水位低于下限水位时将通过PC 口输入信号并 由 8255A 将信号送到单片机,通过单片机来控制水泵工作,同样 当水位上升到上限水位时将通过PC口输入信号并由 8255A将信号 送到单片机,通过单片机的P1.6 口来控制停止水泵工作,当处于 上下线之间是保持原有状态,并且此设计我还设计故障报警和水 质检测, 当检测到故障时通过PC 口输入信号并由 8255A 将信号送 到单片机,再由单片机的P1.5和 P1.7口输出信号到发光二极管, 通
6、过二极管和水质有问题时我通过发光二极管来显示,同时停止 系统工作。水位显示我设计的是动态的,因此在设设计时我要设 计一个延时子程序, 延时时间 2ms,通过延时子程序经过一段时间 间隔后,再调用显示子程序。通过这种反复调用来实现LED 显示 器的动态扫描。 3 第三章设计系统方框图与工作原理 3.1 工作原理: 我们可以设置水位的上下限,在正常情况下,应保持水位在 上下限之间。为此,在水塔内的不同高度安装3 根金属棒,以感 知水位变化情况。其中, A 棒处于下限水位, B 处于上限水位, G 浮球在上下水位之间,它可以在水面上浮动。 水塔由电机带动水泵供水,单片机控制电机转动,以达到水 位控制
7、之目的。供水时,水位上升,当达到上限时,由于水的导 电作用, G 棒连通 +5V。因此, A、B 两端均为 1 状态,这时应停 止电机和水泵的工作,不再給水塔供水。 当水位降到下限时, A、B 棒都不能与 G 棒导电,因此 A、B 两端均为 0 状态。这时,应启动电机,带动水泵工作,給水塔供 水。 当水位处于上下限之间时,G 棒与 A 棒导通,因此 B 棒不能与 G 棒导通,A 端为 1 状态,B 端为 0 状态。这时,无论是电机已在带 动水泵給水塔供水,水位在不断上升,或者是电机没有工作,用 水使水位在不断下降,都应继续维持原有的工作状态。 为了满足本次课程设计的要求,我们还要显示上下限水位
8、之 间的几个数值,其电路的接法和A 棒和 B 棒一样,都是接一个电 阻然后接地,然后将端口接到单片机上,通过单片机与显示器连 接,以显示不同的水位值。由于本次课程设计不需要动态显示所 以只需要一个显示器即可。 4 3.2 系统结构框图 : 该方案以单片机为核心,配以一定的外围电路和软件,以实 现水塔水位控制的功能。它由硬件部分和软件部分组成。系统设 计方案的硬件电路设计框图如下图1 所示。 单片机 8255A 启动水泵 故障报警 污水报警 信号输入 水位显示 图 3.1 5 第四章硬件设计及说明 4.1 硬件设计说明 : 此设计也可以用PROTEUS 来进行仿真,我们可以在此软件中仿真 有点繁
9、琐,我的硬件仿真是在试验台上进行的,但基本接线与下 图 2 一样,由于试验台上没有水泵,我就用发光二极管来代替水 泵,通过二极管是否发光来显示出水泵是否工作。用80C51 设计 一个单片机最小控制系统。 其中 PC0接水位上限传感器; PC1接水 位下限传感器;PC4输出后接光电耦合器, 用来检测水的质量,P1.6 输出后通过继电器控制水泵工作;P1.5 输出后接LED ,当出现故 障是 LED发亮; P1.7 输出后接 LED ,当水出现浑浊时LED发亮。 4.2 水位控制硬件设计: 用导电片、导线等设计一个水塔水位传感器。其中A电极置 于水位 2m 处经 4.7K 下拉电阻接 8255A的
10、 PC1口, B 电极置于 水位 12m处经 4.7K 下拉电阻接 8255A的 PC0口,C电极置于水位 4m处经 4.7K 下拉电阻接 8255A的 PC2口,D电极置水位 6m处经 4.7K 下拉电阻接 8255A的 PC4口,E电极置于水位 8m处经 4.7K 下拉电阻接 8255A的 PC5口并将它们全部接地。再设计一个导电 浮球 G并在浮球上接 +5V电压。 设计一个单片机至水泵的控制电路。 要求单片机与水泵之间要用光电耦合器和继电器控制,计算出 LED 限流电阻,接好继电器的续流二极管。硬件仿真图如下: 6 图 4.1 4.3 故障及水质监测硬件设计: 利用光电传感器测出水的浑浊
11、度并转换成电压与标准水质所 得电压做与比较,通过PC3口接入单片机。利用发光二极管来显 示。硬件仿真图如下: 7 图 4.2 4.4 水位显示硬件设计原理图: 利用单片机与 8255A连接,将显示水位信号通过8255A的 PA 口送到数码管进行显示。而我们通过单片机的P1.0 和 P1.1 来控 制两个 LED管硬件仿真图如下: 8 图 4.3 第五章软件设计与说明(包括流程图) 5.1 软件设计: 一个应用系统,要完成各项功能,首先必须有较完善的硬件 作保证。同时还必须得到相应设计合理的软件的支持,尤其是单 片机应用高速发展的今天,许多由硬件完成的工作,都可通过软 9 件编程而代替。 甚至有
12、些必须采用很复杂的硬件电路才能完成的 工作,用软件编程有时会变得很简单, 如数字滤波,信号处理等。 因此充分利用其内部丰富的硬件资源和软件资源,采用 MCS51 汇编语言和结构化程序设计方法进行软件编程。这个系统程序由 主控程序、延时子程序, 显示子程序组成。 其中主控程序是核心。 由它控制着整个系统程序的运行和跳转。流程图如图5 所示。包 括系统初始化,数据处理,故障报警等。 软件设计的具体步骤如下: 当水位低于 A 时,由于极棒 A 和 G、B 和 G 之间被空气 绝缘,PC1和 PC0得到低电平,全置0,单片机控制电路使P3.0 置零,继电器吸合,启动水泵向水塔灌水; 当水位高于 A 低
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