1、湖南科技大學本科生課程設計 湖 南 科 技 大 學單 片 機 課 程 設 計 題 目 ：基于單片機的水位系統控制設計姓 名 : 劉福學 院 : 機電工程學院專 業 ：測控技術與儀器學 號 ：1003030321指導教師 ：付國紅成 績 _i 摘要 液位控制系統是以液位為被控參數的控制系統，它在工業生產的各個領域都有廣泛的應用。在工業生產過程中，有很多地方需要對容器內的介質進行液位控制，使之高精度地保持在給定的數值，如在建材行業中，玻璃窯爐液位的穩定對窯爐的使用壽命和產品的質量起著至關重要的作用。液位控制一般指對某一液位進行控制調節，使其達到所要求的控制精度。液體的液位的自動控制,是近年來新開發

2、的一項新技術,它是微型計算機軟件、硬件、自動控制等幾項技術緊密結合的產物,工程作業采用的是微機控制和原有的儀表控制,微機控制有以下明顯優勢: 1)直觀而集中的顯示各運行參數,能顯示液位狀態。 2)在運行中可以隨時方便的修改各種各樣的運行參數的控制值,并修改系統的控制參數,可以方便的改變液位的上限、下限。 3) 具有水體控制過程的自動化處理以及監控軟件良好的人機界面，操作人員在監控計算機上能根據控制效果及時修運行參數，這樣能有效地減少工人的疲勞和失誤，提高生產過程的實時性、安全性 綜合以上的種種優點可以預見采用計算機控制系統是行業的大勢所趨。單片機是在一塊芯片上集成了一片微型計算機所需的CPU、

3、存儲器、輸入、輸出等部件。單片機自問世以來,性能不斷提高和完善,體積小、速度快、功耗低的特點使它的應用領域日益廣泛。一般,工業控制系統的工作環境差,干擾強,利用單片機控制就能克服這些缺點,因此單片機在控制領域得到廣泛的應用,使用單片機控制液體液位是很好的選擇。 目前我國在單片機測控裝置研究、生產、應用中,取得了很大的成績,總結了很多經驗,但是各行業仍處于發展期,經調查,更多科研究所在這方面開展的工作更看重的是理論和算法,數年來這方面的研究的論文較多,著重生產實際的很少。在上海,新型的單片機測控裝置與系統研究的生產基礎較雄厚,在生產過程中需要新型的測控裝置與系統,因此在不斷的努力研究與開發。上海

4、的工程技術研究人員更著重的是生產實際研究,對理論、算法和成果的論文較少;深圳在研制新型的測控裝置與系統領域也比較有成就,盡管與其他國家比較尚有差距,但是,深圳的高校、研究院所的最大的特點就是實際,與生產實際應用項目無關的問題基本不去考慮,主要考慮選取什么材料,測控什么物理量,優點是什么,與機器設備的通訊接口等等。ii目錄1、設計的基本任務和要求41.1 基本功能41.2塔水位控制原理41.3 系統硬件總體方案52控制系統方案設計52.1系統硬件方案52.2 核心芯片AT89C51單片機62.3系統軟件總體方案73.Proteus設計與仿真83.1元器件清單83.2基于單片機水位控制原理圖593

5、.3基于單片機的水位控制PCB圖693.4水位檢測程序104.5 實驗仿真134.6 結語134 設計體會13參考文獻14 iii1設計的基本任務和要求1.1 基本功能 本設計是采用AT89C51單片機為核心芯片,及其相關硬件來實現的水體液位控制系統,在用液位傳感器測液位的同時, CPU循環檢測傳感器輸出狀態,報警安全提示,當水體液位低于用戶設定的值時,系統自動打開泵上水,當水位到達設定值時,系統自動關閉水泵或打開排水泵。1.2塔水位控制原理 單片機水塔水位控制原理如圖l所示，圖中的虛線表示允許水位變化的上、下限位置。在正常情況下水位應控制在虛線范圍之內。為此，在水塔內的不同高度處，安裝固定不

6、變的3根金屬棒A、B、C。用以反映水位變化的情況。其中，A棒在接地。B棒在上、下限水位之間，C棒在上限水位(底端靠近水池底部不能過低，要保證有足夠大的流水量)。水塔由電機帶動水泵供水。單片機控制電機轉動，隨著供水，水位不斷上升當水位上升到上限水位時，由于水的導電作用。使B、C棒均與地連通。因此b、C兩端的電壓都為0即為接地狀態，此時應停止電機和水泵工作，蜂鳴器報警，紅燈亮，不再向水塔注水；當水位處于上、下限之間時，此時電機帶動水泵給水塔注水，使水位上升，還是電機不工作，水位不斷下降，都應繼續維持原有工作狀態；當水位處于下限位置以下時，B、C棒均不能與A棒導通，b、c均為“0”狀態。此時應啟動電

7、機轉動，帶動水泵給水塔注水。1.3 系統硬件總體方案 系統的原理是采用2個按鈕模擬水位檢測，在現場的3個不同的位置，由下至上測量水體的液位值,。并把這兩個液位狀態通過模數轉換器傳到單片機中,在發光二極管顯示出液位的三種狀態及報警安全提示。壓低、光電轉換效能高、壽根據當前的液位值和用戶設定的水位決定是否進行開、關水泵,需要是否開啟和關閉驅動閥門的電動機。2控制系統方案設計2.1系統硬件方案 系統方案設計液位控制是利用把液位的狀態轉換成模擬信號,再通過模數轉換器AT89C51把輸出狀態直接接到單片機的I/O接口，單片機經過運算控制，輸出數字信號，輸出接口接發光二極管進行顯示,實現液位的報警和鍵盤的

8、顯示圖2液位控制系統 由上圖可觀察到傳感器通過對液面進行測量，輸出模擬信號，再通過模數轉換器把輸入的模擬信號轉換成數字信號，通過AT89C51單片機的運算控制，在通過發光二極管進行顯示,通過報警裝置進行報警,報警顯示之后再通過對閥門的開啟實現對水體的液位進行調節控制,閥門的驅動設備是電動機。2.2 核心芯片AT89C51單片機 AT89C51是一種帶4K字節FLASH存儲器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051是一種帶2K字節閃存可編程可擦除只讀存儲器

9、的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C單片機為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。外形及引腳排列如圖3所以。圖3 AT89C5引腳圖2.3三極管 圖4三極管的基本結構是兩個反向連結的PN結面，如圖1所示，可有PNP和NPN兩種組合。三個接出來的端點依序稱為發射極（emitter,E）、基極（base,B）和集電極（co

10、llector,C），名稱來源和它們在三極管操作時的功能有關。圖中也顯示出 NPN與PNP三極管的電路符號，發射極特別被標出，箭號所指的極為n型半導體， 和二極體的符號一致。工作原理晶體三極管（以下簡稱三極管）按材料分有兩種：鍺管和硅管。而每一種又有NPN和PNP兩種結構形式，但使用最多的是硅NPN和鍺PNP兩種三極管，（其中，N表示在高純度硅中加入磷，是指取代一些硅原子，在電壓刺激下產生自由電子導電，而p是加入硼取代硅，產生大量空穴利于導電）。兩者除了電源極性不同外，其工作原理都是相同的，下面僅介紹NPN硅管的電流放大原理。對于NPN管，它是由2塊N型半導體中間夾著一塊P型半導體所組成，發射

11、區與基區之間形成的PN結稱為發射結，而集電區與基區形成的PN結稱為集電結，三條引線分別稱為發射極e、基極b和集電極c。 三極管工作狀態NPN 型,當B與E之間電壓Vbe>0.5V時,如果三個管腳電壓關系是Vc>Vb>Ve,則會處於放大狀態;如果是Vb>Vc>Ve 則會處於飽和狀態(相當於開關);如果此時Ve>Vc則仍會處於截止狀態.PNP 型,當B和E之間電壓Veb>0.5V時,如果三個管腳電壓關系是Ve>Vb>Vc,則會處於放大狀態;如果是Ve>Vc>Vb則會處於飽和狀態(相當於開關);如果此時Vc>Ve則仍會處於截止狀

12、態.注:三極管放大狀態時,導通能力大小由基極電流Ib決定,因此三極管是電流控制型元件.2.4蜂鳴器 圖5 由于蜂鳴器的工作電流一般比較大，以致于單片機的I/O 口是無法直接驅動的*（但AVR可以驅動小功率蜂鳴器），所以要利用放大電路來驅動，一般使用三極管來放大電流就可以了。蜂鳴器驅動電路一般都包含以下幾個部分：一個三極管、一個蜂鳴器、一個續流二極管和一個電源濾波電容。圖6 水位控制流程圖3.Proteus設計與仿真3.1元器件清單 發光二級管AT89C1單片機BUTTON按鈕CAP電容CAP-ELEC陶瓷電容CRYSTAL12兆晶振LED-RED發光二極管MOTOR-DC電機3.2圖7水位控制

13、原理圖 ,3.3水位檢測的主程序（蜂鳴器可能一直有聲音或聲音太大，調節一下延時時間就可以了）N #include <reg51.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit red=P23;sbit green=P20;sbit sw1=P10;sbit sw2=P11;sbit BUZZER=P00;sbit DJ=P05;void delay(uchar z) uchar i,j; for(i=z;i>0;i-) for(j=100;j>0;j-);void beep() zBUZZER=0;d

14、elay(5);BUZZER=1;delay(5);void main(void) while(1) if(sw1=0&sw2=0)red=0;DJ=1;green=1;BUZZER=1;if(sw1=0&sw2!=0)green=0;DJ=1;red=1;BUZZER=1;if(sw1!=0&sw2=0)red=0;beep();green=1;DJ=1;if(sw1!=0&sw2!=0)green=0;DJ=0;BUZZER=1;red=1;3.4 實驗仿真結果根據所設計系統的軟件流程圖，編寫相應的程序在Pro-teus軟件環境下實際仿真。但由于該設計簡單，

15、故用單片機開發板實驗。實驗后結果圖片如下：P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7電機110001101010010100001系統故障_ 11 10 01 00 圖63.5 結語該系統設計是基于在單片機嵌入式系統而設計的，充分利用單片機強大控制功能和方便通信接口，該檢測控制系統在實驗室某實驗水冷卻系統得到成功實踐，實現水位檢測、電機故障檢測、處理和報警等功能，提高了實驗的自動控制能力。進一步優化系統軟硬件設計，可為實時實現遠端控制，因此，該系統在農村水塔，城市水源檢測控制等領域有著廣闊的應用前景。4 設計體會設計過程中我遇到了很多的困難，因為知識是不連貫的，所以需要準備很多方

16、面的知識去融合，去聯系。由于在學習的時候更注重的是書面上的東西，而本次課程設計更多的是鍛煉了我的動手動腦能力，讓我有機會把課上學習的知識轉化為可以在實際生產生活中應用的技術。本次課程設計的系統主要介紹了水體的液位檢測控制，介紹了AT89C51單片機和其它一些單片機在液位控制系統中的應用，介紹了它們的引腳和在系統中的電路圖，我設計的硬件系統的結構簡化,系統精度高，具有良好的人機交互功能,并設有液位報警，有問題立即就能發現。通過自動調節控制液位并實現水體的液位報警。液位控制在設定值上正常運行不需要人工干預，操作人員勞動強度小。通過本次課程設計，我了解到自己的知識應該充分利用在實踐上，在實踐中把書本

17、上的知識固化成自己的能力。在設計系統的時候也有很多的想法，但是有一些想法被否定了，最終完成設計的時候優先考慮了在課程上學習到的知識，并且和單片機、電子電路的知識結合起來。這次設計之后，我感覺到自己在自動化專業上的學習應該還有很長的路走，自動化是一個很有前途的行業，它涉及了生產生活的多個方面，對人們的影響可想而知，所以，學好自動化專業的知識不僅僅是對自己能力提升和自我價值的實現，更是一件很有意義，可以讓自己有所感觸，有所收獲的事業。在最后，我很感謝所有傳授我知識的老師，和關心幫助我的同學，也很榮幸自己可以和自動化結下不解之緣 參考文獻1 王文琦.工業鍋爐的檢測與控制技術 成都:四川科學技術出版社,1986.2 王驥程.化工過程控制工程 北京:化學工業出版社,1981.3 謝自美.電子線路設計、實驗與測試 .華中科技大學出版社，2003.4 楊國志,王立峰,楊東光,.實用電子制作實例 .福建科學技術出版社，2000.5 金偉正.單線數字溫度傳感器的原理及用 電子工業出版社，2000.6 王