1、 計算機控制技術課程設計 課題：基于單片機的水塔水位控制 目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc214959279 第1章 背景與意義3 HYPERLINK l _Toc214959280 1.1.1背景 3 HYPERLINK l _Toc214959281 1.1.2 目的與意義4 HYPERLINK l _Toc214959284 第2章 總體方案設計5 HYPERLINK l _Toc214959285 2.1 方案選擇5 HYPERLINK l _Toc214959286 2.2 工作原理7 HYPERLINK l _Toc214959287 2.3

2、主控模塊設計7 HYPERLINK l _Toc214959288 2.2.1單片機選擇7 HYPERLINK l _Toc214959289 2.2.2電機控制模塊8 HYPERLINK l _Toc214959289 2.2.3 A/D轉換模塊8 HYPERLINK l _Toc214959289 2.2.4 傳感器電路9 HYPERLINK l _Toc214959289 2.2.5 時鐘電路與復位電路10 HYPERLINK l _Toc214959289 2.2.6 按鍵設計10 HYPERLINK l _Toc214959289 2.2.7 顯示與A/D轉換處理12 HYPERLI

3、NK l _Toc214959289 2.2.8系統主程序流程圖12 HYPERLINK l _Toc214959289 2.2.9系統主程序14 HYPERLINK l _Toc214959290 第3章 硬件設計1 PAGEREF _Toc214959290 h 6 HYPERLINK l _Toc214959291 3.1 硬件選型1 PAGEREF _Toc214959291 h 6 HYPERLINK l _Toc214959293 第一章 背景與意義背景 現代傳感技術、電子技術，計算機技術、自動控制技術、信息處理技術和新工藝、新材料的發展為智能檢測系統的發展帶來了前所未有的奇跡。在

4、工業、國防、科研等許多應用領域，智能檢測系統正發揮著越來越大的作用。檢測設備就像神經和感官，源源不斷地向人類提供宏觀與微觀世界的種種信息，成為人們認識自然、改造自然的有力工具。現代的廣義智能檢測系統應包括一切以計算機（單片機、PC機、工控機、系統機）為信息處理核心的檢測設備。因此，智能檢測系統包括了信息獲取、信息傳送、信息處理和信息輸出等多個硬、軟件環節。從某種程度上來說，智能檢測系統的發展水平表現了一個國家的科技和設計水平。 我的本次課程設計研究的內容是“水塔水位控制系統”。水位控制在日常生活及工業領域中應用相當廣泛，而以往水位的檢測是由人工完成的，值班人員全天候地對水位的變化進行監測，用有

5、線電話及時把水位變化情況報知主控室。然后主控室再開動電機進行給排水。很顯然上述重復性的工作無論從人員、時間和資金上都將造成很大的浪費。同時也容易出差錯。因此急需一種能自動檢測水位，并根據水位變化的情況自動調節的自動控制系統，我所設計的就是這方面的課題。 檢測可以有多種實現方法，如機械控制、邏輯電路控制、機電控制等。本設計采用單片機進行主控制，在水水塔上安裝一個自動測水位裝置。利用氣壓傳感器測量氣壓的變化連續地反眏水位的變化，把測量到的水位變化轉換成相應的電信號，主控臺應用單片微機對接收到的信號進行數據處理，完成相應的水位顯示、控制及故障報警及顯示水位等功能。 1.1.2 目的與意義 1，通過這

6、次課程設計，加深對計算機控制技術這門課程的理解。 2，掌握單片機的內部模塊的應用，如片內外存儲器、A/D轉換器等。 3、了解和掌握單片機對單片機水塔水位控制的全過程、以及實際問題中硬件如何選型問題。為以后設計和實現單片器應用系統打下良好基礎。4、通過簡單課題的設計練習，了解必須提交的工程文件，也達到鞏固、充實和綜合運用所學知識解決實際問題的目的。 第2章 總體方案設計 2.1 方案選擇 目前在用的水位控制方式主要有以下種： （1)簡單的機械式控制方式。其常用形式有浮標式、電極式等,這種控制形式的優點是結構簡單,成本低廉。存在問題是精度不高,不能進行數值顯示,另外很容易引起誤動,且只能單獨控制,

7、與計算機進行通信較難實現。(2)復雜控制器控制方式。這種控制方式是通過安裝在水泵出口管道上的壓力傳感器,把出口壓力變成標準工業電信號的模擬信號,經過前置放大、多路切換、AD變換成數字信號傳送到單片機,經單片機運算和給定參量的比較,進行PID運算,得出調節參量;經由DA變換給調壓變頻調速裝置輸入給定端,控制其輸出電壓變化,來調節電機轉速,以達到控制水位的目的。本設計我選用利用單片機實現的復雜控制器水位控制系統，要求選擇合適的水位傳感器及電磁閥，當設定完水位后，系統根據水位情況控制電磁閥的開和關斷。PC終端機（回顯 數據處理 報警）系統總體方框圖 AT89C51 A/D轉換器傳感模塊顯示電路RS-

8、232接口鍵盤控制電路 執行機構 2，2工作原理 基于單片機實現的水位控制器是以AT89C51芯片為核心,由鍵盤、數碼顯示、AD轉換、傳感器，電源和控制部分等組成。工作過程如下：當水位發生變化時,引起連接在水位底部軟管管內的空氣氣壓變化,氣壓傳感器在接收到軟管內的空氣氣壓信號后,即把變化量轉化成電壓信號;該信號經過運算放大電路放大后變成幅度為05 V標準信號送入AD轉換器。AD轉換器把模擬信號變成數字信號量,由單片機進行實時數據采集,并進行處理,根據設定要求控制輸出,同時數碼管顯示液位高度。通過鍵盤設置液位高、低和限定值以及強制報警值。該系統控制器特點是直觀地顯示水位高度可任意控制水位高度。2

9、.3主控模塊設計 2.3.1單片機的選擇 單片機采用由Atmel公司生產的雙列40腳AT89C51芯片,如圖22。其中P0口用于AD轉換和顯示；P1口連接一個35的鍵盤;P2口用于控制電磁閥和水泵動作;P3口用于上、下限指示燈,報警指示燈以及用于讀寫控制和中斷等。 2.3.2電機控制模塊 （用繼電器作為電機控制的元件） 繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統（又稱輸入回路）和被控制系統（又稱輸出回路），通常應用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關”。故在電路中起著自動調節、安全保護、轉換電路等作用。 繼電器主要產品技術參數： 1) 額定工作電壓。是指繼電器正

10、常工作時線圈所需要的電壓。根據繼電器的型號不同，可以是交流電壓，也可以是直流電壓。 2) 直流電阻。是指繼電器中線圈的直流電阻，可以通過萬能表測量。 3) 吸合電流。是指繼電器能夠產生吸合動作的最小電流。在正常使用時，給定的電流必須略大于吸合電流，這樣繼電器才能穩定地工作。而對于線圈所加的工作電壓，一般不要超過額定工作電壓的1.5倍，否則會產生較大的電流而把線圈燒毀。 4) 釋放電流。是指繼電器產生釋放動作的最大電流。當繼電器吸合狀態的電流減小到一定程度時，繼電器就會恢復到未通電的釋放狀態。這時的電流遠遠小于吸合電流。 5) 觸點切換電壓和電流。是指繼電器允許加載的電壓和電流。它決定了繼電器能

11、控制電壓和電流的大小，使用時不能超過此值，否則很容易損壞繼電器的觸點。根據以上的參數，結合設計的演示性，選用額定工作電壓120VAC/24VDC，工作電流3A，控制電壓5VDC的小型繼電器。 A/D轉換模塊 ADC0809是美國國家半導體公司生產的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D轉換器。其內部有一個8通道多路開關，它可以根據地址鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉換。是目前國內應用最廣泛的8位通用A/D芯片。1主要特性1）8路輸入通道，8位A/D轉換器，即分辨率為8位。2）具有轉換起停控制端。3）轉換時間為100s(時鐘為640kHz時)，130s（時鐘為500

12、kHz時）4）單個5V電源供電5）模擬輸入電壓范圍05V，不需零點和滿刻度校準。6）工作溫度范圍為-4085攝氏度7）低功耗，約15mW。ADC0809由單片機控制驅動，對傳感器進行定式循環采集，然后單片機將各測量參數傳至PC機，進行后臺數據處理。 傳感器電路系統選用B2119壓阻式壓力傳感器，壓阻式壓力傳感器是利用單晶硅的壓阻效應制成的器件。這種傳感器精度高、工作可靠，容易實現數字化，比應變式壓力傳感器體積小而輸出信號大。它是目前壓力測試中使用最多的一種傳感器。壓阻式壓力傳感器使用集成電路工藝技術，在硅片上制造出四個等值的薄膜電阻，并組成電橋電路，當不受到壓力作用時，電橋處于平衡狀態，無電壓

13、輸出；當受到壓力作用時，電橋失去平衡，電橋輸出電壓。電橋輸出的電壓與壓力成正比例。其工作原理圖如所示。 2.3.5 時鐘電路與復位電路 要使單片機按照設計要求正常工作，完整單片機最基本的工作要求，考慮到系統無需精確地定時功能，且為了方便串口通信波特率的計算，采用11.0592MHz的晶振提供系統時鐘。并附加復位電路，組成單片機最小系統。2.3.6 按鍵設計鍵盤在單片機應用系統中是一個很關鍵的部件，它能實現向單片機系統輸入數據、發送命令等功能，是人工干預單片機的主要手段。考慮到本設計實際需要的按鍵較少，故采用獨立式鍵盤接口電路。在程序查詢方式下，通過I/O端口讀入按鍵狀態，當有按鍵按下時，相應的

14、I/O端口變為低電平，而未被按下的按鍵在上拉電阻作用下為高電平，這樣通過讀I/O口的狀態判斷是否有按鍵按下。 2.3.7 顯示與A/D轉換的數據處理 系統中，顯示輸出的要求為壓縮BCD碼，而A/D轉換輸入的數據8位16進制碼，因此在實現顯示之前需要編碼的轉換。對8位A/D轉換器而言，其十六進制、相對滿偏電壓比率、相對電壓幅值的關系對應如表十六進制二進制滿刻度比率相對電壓幅值Vref=2.5V高四位低四位高四位電壓低四位電壓F11111516152564.8000.320E11101416142564.48000.280D11011316132564.1600.260C1100121612256

15、3.8400.240B10111116112563.5200.220A10101016102563.2000.2009100191692562.8800.1808100081682562.5600.1607011171672562.2400.1406011061662561.9200.1205010151652561.6000.1004010041642561.2800.0803001131632560.9600.0602001021622560.6400.0401000111612560.3200.0200000001602560.0000.0002.3.8系統主程序流程圖 系統主程序的功能

16、主要是完成對單片機的初始化，設置警戒液位的上下限，實時顯示液位值以及鍵盤掃描等工作。主程序流程圖如圖所示。 主程序流程圖 2.3.9 主程序主程序：ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0060H MAIN: MOV P1, #FFH ； P1 P3口初始置1 MOV P3，#FFH JNB P1.3 ，AVT ；若手動在自動位置，跳到自動模式程序AJMP MEN ；否則轉到手動模式子程序END AUT：NOP（空命令）JNB P1.2 , LG ； 水位高LG JB P1.1 LD ；水位沒低LD CLR P3.1 ；水位低報警JB P1.0, LDD ；水位未低低LDD CLR P3.0 ；水位低低報警JNB 3.1 P1.6, Y1 ；M1已啟動Y1 CLR P1.4 ；否則啟動M1 Y1:JNB P1.7 ,Y2 ；M2已啟動Y2 CLR P1.5 ；否則啟動M2 Y2:ACALL DELAY ；延時1分鐘AJMP AUT ；返回自動模式LD