單位代碼 0 2 學 號 分 類 號 TH6 密 級 課 程 設 計 說 明 書 水箱水位控制系統(tǒng)設計 院 系 名 稱 機 械 工 程 學 院 專 業(yè) 名 稱 機 械 設 計 制 造 及 其 自 動 化 學 生 姓 名 指 導 教 師 2015 年 10 月 27 日 黃河科技學院課程設計任務書 機械工程 學院 機械 系 機械設計制造及其自動化 專業(yè) 12 級 1 班 學號 1200000000 姓名 指導教師 題目 水箱水位控制系統(tǒng)設計 課程 單片機應用技術(shù) 課程設計時間 2015 年 10 月 13 日 至 10 月 27 日 共 2 周 課程設計工作內(nèi)容與基本要求 設計要求 設計任務 工作計劃 所需相關(guān)資料 紙張不夠可加頁 1 設計要求 在高塔的內(nèi)部我們設計一個簡易的水位探測傳感器用來探測三個水位 即 低水位 正常水位 高水位 低水位時送給單片機一個高電平 驅(qū)動水泵加水 紅燈亮 正常范圍的水位時 水泵加水 綠燈亮 高水位時 水泵不加水 黃 燈亮 2 設計任務與要求 完成后需提交的文件和圖表等 1 系統(tǒng)硬件電路設計 根據(jù)該系統(tǒng)設計的功能要求選擇所用元器件 設計硬件電路 要求用 Proteus 繪制整個系統(tǒng)電路原理圖 2 軟件設計 根據(jù)該系統(tǒng)設計的功能要求進行軟件設計 要求用 VISIO 軟件繪制整個系 統(tǒng)及各部分的軟件流程圖 并根據(jù)流程圖編寫程序并匯編調(diào)試通過 列出軟件 清單 軟件清單要加以注釋 3 Proteus 仿真 用 Proteus 對系統(tǒng)軟硬件進行仿真調(diào)試通過 4 軟硬件實際調(diào)試 5 編寫設計說明書一份 內(nèi)容包括任務書 設計方案分析 硬件設計部分 要繪制整個系統(tǒng)電路原理圖 對各部分電路設計原理做出說明 軟件設計部分 要繪制整個系統(tǒng)及各部分的軟件流程圖 并列出軟件清單 軟件清單要求加注 釋 并在各功能塊前加程序功能注釋 調(diào)試結(jié)果整理分析及設計調(diào)試的心得體 會 3 工作計劃 進程安排 第 1 周基本完成軟 硬件的設計 分散在教學過程中完成 第二周 2 天 繪制所要求的圖紙 完成軟 硬件的調(diào)試 2 天完成設計說明書 1 5 天答辯或 驗收 評定成績 6 主要參考資料 單片機課程設計指導書 皮大能 北京理工大學出版社 2010 7 8051 單片機實踐與應用 吳金戎 清華大學出版社 2003 8 單片機技術(shù)基礎教程與實踐 夏路易 電子工業(yè)出版社 2008 1 MCS 51 單片機原理接口及應用 王質(zhì)樸 北京理工大學出版 2009 11 基于 Proteus 的單片機系統(tǒng)設計與仿真實例 蔣輝平 機械工業(yè)出版社 2009 7 系主任審批意見 審批人簽名 日 期 摘 要 我們可以采用單片機系統(tǒng)實現(xiàn)了水塔水位的自動控制 設計出一種低成本 高使用價值的水塔水位控制器 該系統(tǒng)具有水位檢測 低水位高水位報警以及 自動加水等功能 本設計過程中主要采用傳感技術(shù) 單片機技術(shù) 光報警技術(shù) 以及弱電控制強電技術(shù) 檢測系統(tǒng)采用銅針探測結(jié)構(gòu)簡單 制造成本低 靈敏 度高 并采用 AT89C2051 單片機系統(tǒng)控制整個電路的信號處理以及采用光電耦 合和繼電器來實現(xiàn)弱電控制強電從而實現(xiàn)加水系統(tǒng)的自動控制 該系統(tǒng)可以完成光報警 水位自動檢測 上水停水等工作 并能有效保證 液面高度始終處于較理想范圍 該系統(tǒng)制造成本低 結(jié)構(gòu)簡單 感應度高 綠 色環(huán)保 可用于各種液體的儲存 關(guān)鍵詞 單片機 自動檢測 自動控制 Abstract We can use micro controller system using cooling towers to achieve the level of automation design a low cost and high practical value of the water tower water level controller The system has the water level detection low water high water level alarm and automatic functions such as adding water The design process mainly uses the sensor technology single chip technology optical technology and the weak control the strong police power technology Detection system using simple system for detection of copper needles resulting in the low and high sensitivity AT89C2051 SCM system control by using the circuit of signal processing and the use of optical coupling and weak control relays to achieve strong power to realize automatic control of water systems It can automatically detect the water level light alarm all the work without water cycle to ensure better surface height is always within the context of its structure simple low cost high sensitivity significant energy is used in various kind of ideal equipment for high level liquid storage Key words SCM Automatic monitoring Circuit Control 黃河科技學院單片機課程設計 第 0 頁 目錄 1 課程設計系統(tǒng)概述 2 1 1 系統(tǒng)原理 2 1 2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 2 1 3 控制方案說明 3 1 4 系統(tǒng)組成及原理 3 2 硬件設計 4 2 1 單片機最小系統(tǒng)電路設計 5 2 2 水位檢測傳感器的選用 6 2 3 穩(wěn)壓電路的設計 7 2 4 光報警電路的設計 8 2 5 繼電器控制水泵加水電路 9 3 軟件設計 9 3 1 系統(tǒng)總原理圖 10 3 2 系統(tǒng)總程序如下 11 4 總結(jié) 11 致謝 11 參考文獻 12 附錄 13 黃河科技學院單片機課程設計 第 1 頁 1 課程設計系統(tǒng)概述 1 1 系統(tǒng)原理 當水位處于低水位的時候 傳感器的低水位探測線沒被 5V 的電源導通進 入穩(wěn)壓電路經(jīng)過處理在穩(wěn)壓電路的輸出端有一個高電平 送入單片機的 P1 0 口 另一個穩(wěn)壓電路輸出的高電平進入單片機的 P1 1 口單片機經(jīng)過分析 在 P1 2 口輸出一低電平 驅(qū)動紅燈亮 P1 5 出來一個信號使光電耦合器 GDOUHE 導 通 這樣繼電器閉合 使水泵加水 當水位處于正常范圍內(nèi)時 水泵加水 在 P1 3 引腳出來一個低電平 使綠燈亮 當水位在高水位區(qū)時 傳感器的兩根探 測線均被導通 均被 5V 的電源導通 送入單片機 單片機經(jīng)過分析 在 P1 4 引腳出來一個低電平 使黃燈亮 在 P1 5 端出來一個低電平不能使光電耦合器 導通 這樣繼電器不能閉合 水泵不能加水 當三燈閃爍表示系統(tǒng)出現(xiàn)故障 1 2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 1 2 所示 電源電路 水塔模型 水箱 水泵加水 系統(tǒng) 顯示系統(tǒng) 水位檢測 傳感器 穩(wěn)壓電路 單片機 A T 8 9 C 2 0 5 1 圖 1 2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 黃河科技學院單片機課程設計 第 2 頁 采用單片機 AT89C2051 作為我們的控制芯片 主要工作過程是當高塔中的 水在低水位時 水位探測傳感器送給單片機一個高電平 然后單片機驅(qū)動水泵 加水和顯示系統(tǒng)使紅燈變亮 當水位在正常范圍內(nèi)時 水泵加水 綠燈亮 當 水位在高水位時 單片機不能驅(qū)動水泵加水 黃燈亮 1 3 控制方案說明 這個方案中使用了單片機處理 單片機技術(shù)是信息時代用于精密測量的一 種新技術(shù) 此系統(tǒng)使用過程中采用穩(wěn)壓電路能夠準確地把輸入的電平送給單片 機不會產(chǎn)生誤判的情況 由于 AT89C2051 單片機有四端口 20 引腳能夠非常 方便地設計顯示系統(tǒng) 1 4 系統(tǒng)組成及原理 本系統(tǒng)由電源電路 水位探測傳感電路 穩(wěn)壓電路 單片機系統(tǒng) 光報警 顯示電路 繼電器控制水泵加水電路 以及高塔模型組成 主電氣原理圖如圖 1 4 所示 圖 1 4 主電氣原理圖 工作原理 當水位處于低水位的時候 傳感器的低水位探測線沒被 5V 的 黃河科技學院單片機課程設計 第 3 頁 電源導通進入穩(wěn)壓電路經(jīng)過處理在穩(wěn)壓電路的輸出端有一個高電平 送入單片 機的 P1 0 口 另一個穩(wěn)壓電路輸出的高電平進入單片機的 P1 1 口單片機經(jīng)過 分析 在 P1 2 口輸出一低電平 驅(qū)動紅燈亮 P1 5 出來一個信號使光電耦合器 GDOUHE 導通 這樣繼電器閉合 使水泵加水 當水位處于正常范圍內(nèi)時 水 泵加水 在 P1 3 引腳出來一個低電平 使綠燈亮 當水位在高水位區(qū)時 傳感 器的兩根探測線均被導通 均被 5V 的電源導通 送入單片機 單片機經(jīng)過分 析 在 P1 4 引腳出來一個低電平 使黃燈亮 在 P1 5 端出來一個低電平不能 使光電耦合器導通 這樣繼電器不能閉合 水泵不能加水 當三燈閃爍表示系 統(tǒng)出現(xiàn)故障 黃河科技學院單片機課程設計 第 4 頁 2 硬件設計 2 1 單片機最小系統(tǒng)電路設計 AT89C2051 是 美 國 ATMEL 公 司 生 產(chǎn) 的 低 電 壓 高 性 能 CMOS 8 位 單 片 機 片 內(nèi) 含 2k bytes 的 可 反 復 擦 寫 的 只 讀 程 序 存 儲 器 PEROM 和 128bytes 的 隨 機 數(shù) 據(jù) 存 儲 器 RAM 器 件 采 用 ATMEL 公 司 的 高 密 度 非 易 失 性 存 儲 技 術(shù) 生 產(chǎn) 兼 容 標 準 MCS 51 指 令 系 統(tǒng) 片 內(nèi) 置 通 用 8 位 中 央 處 理 器 和 Flash 存 儲 單 元 功 能 強 大 at89c2051 單 片 機 可 為 您 提 供 許 多 高 性 價 比 的 應 用 場 合 本設計中單片機采用 AT89C2051 它是一種高性能低價格單片機 引腳 20 個 和指令系統(tǒng)與 8031 單片機完全兼容 片內(nèi)有 2 K 字節(jié)的閃速程序存 儲器 采用電擦除編程 可重復編程 1000 次 數(shù)據(jù)可保 10 年 除沒有 P0 口 P2 口外 具有 8031 所有功能結(jié)構(gòu) 即一片 AT89C2051 相當于 8031 373 2716 組成的最小系統(tǒng) 用它構(gòu)成的測量 控制系統(tǒng)具有電路簡單 可靠性好 體積小和成本低等優(yōu)點 AT89C2051 的 P1 口為八位雙向 I O 口 P1 2 P1 7 有內(nèi)部上拉電阻 P1 0 與 P1 1 無內(nèi)部上拉電阻 P1 0 與 P1 1 具有 第二功能 分別作為片內(nèi)精密比較器的同相 反相輸入端 P1 口輸出驅(qū)動器能 提供 20mA 的灌電流驅(qū)動能力 其鎖存器寫 1 時可作為輸入口 AT89C2051 的 P3 口為七位雙向 I O 口 有內(nèi)部上拉電阻 P3 口輸出驅(qū)動器能提供 20mA 灌電流驅(qū)動能力 其鎖存器寫 1 時可作輸入口 P316 作為輸入線與片 內(nèi)精密比較器輸出端在片內(nèi)相連 故無引出線 但可讀該位的值 P310 P315 的第二功能與 8031 P3 口相應口線的第二功能完全相同 綜上所述 P1 和 P3 口中的各口線可直接驅(qū)動發(fā)光二極管 不用再配置發(fā)光二極管驅(qū)動電路 P1 0 與 P1 1 具有第二功能 不用再配置比較器 從而簡化了控制電路的結(jié)構(gòu) 最小系統(tǒng)電路圖如圖 2 1 所示 2 2 水位檢測傳感器的選用 傳感器是一種能感受被測物體物理量并將其轉(zhuǎn)化為便于傳輸或處理的電信 黃河科技學院課程設計 第 5 頁 號的裝置 在現(xiàn)代科技領(lǐng)域中 傳感器得到了廣泛應用 各種信息的采集離不 了 圖 2 1 最小系統(tǒng)電路圖 各種傳感器 傳感器的基本功能在于能感受外界的各種 刺激 并作出迅速反 映 本設計當中我們采用的水位探測傳感器簡單易做 經(jīng)濟實惠 其外形輪廓 如圖 2 2 所示 圖 2 2 水位探測傳感器外觀圖 A 為接 5V 電源的線與水一直保持連通 B 線為低水位控制線 當水位到 達低水位的時候它不導通 水在正常范圍內(nèi)時 它導通 C 線為高水位控制線 黃河科技學院課程設計 第 6 頁 當它導通時 表示水已經(jīng)為高水位 本設計中采用了細銅線作為我們的傳感器的材料 主要考慮了 1 細銅線 的電阻率比較低 這樣就可以避免由于電阻過大而使輸出的電平過低 以致不 能很好地驅(qū)動單片機工作 2 傳電性能比較好 傳電速率比較快 也就是說靈 敏性非常好 3 細銅線便宜易找 本傳感器的尺寸是 A 線是 30cm B 線是 20cm C 線是 15cm 銅線直徑是 15mm 2 3 穩(wěn)壓電路的設計 本電路的主要作用是使從傳感器輸出的電平能夠穩(wěn)定地輸入單片機中 主 要由三極管的兩極放大穩(wěn)定電路組成 其工作過程是水位探測傳感器把探測到 的電信號送給 R12 如果送入的是高電平則 R11 Q5 D3 Q4 導通把低于 1 4V 的低電平穩(wěn)定地送給單片機 如果是低電平送給 R12 則 R11 Q5 D3 Q4 均不能導通二是 R13 導通將把高于 1 4V 的高電平穩(wěn)定的送 給單片機 我查找了相關(guān)資料以及我們自己在設計過程當中免去此穩(wěn)定電路 發(fā)現(xiàn)有 時候也能實現(xiàn)我們的設計目的 但是也有很多時候發(fā)生水位誤判的情況 產(chǎn)生 不穩(wěn)定現(xiàn)象 所以我們認為此電路是不可缺少的 既然是控制系統(tǒng) 當然就要 控制精確 穩(wěn)壓電路原理圖如圖 2 3 所示 黃河科技學院課程設計 第 7 頁 圖 2 3 穩(wěn)壓電路原理圖 2 4 光報警電路的設計 1 發(fā)光二極管 LED 是用半導體材料制作的正向偏置的 PN 結(jié)二極管 其發(fā)光機理是當在 PN 結(jié)兩端注入正向電流時 注入的非平衡載流子 電子 空穴對 在擴散過程中復合發(fā)光 這種發(fā)射過程主要對應光的自發(fā)發(fā)射過程 按光輸出的位置不同 發(fā)光二極管可分為面發(fā)射型和邊發(fā)射型 發(fā)光二極管的 發(fā)光原理同樣可以用 PN 結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)來解釋 制作半導體發(fā)光二極管的材料 是重摻雜的 熱平衡狀態(tài)下的 N 區(qū)有很多遷移率很高的電子 P 區(qū)有較多的遷 移率較低的空穴 由于 PN 結(jié)阻擋層的限制 在常態(tài)下 二者不能發(fā)生自然復 合 而當給 PN 結(jié)加以正向電壓時 溝區(qū)導帶中的電子則可逃過 PN 結(jié)的勢壘 進入到 P 區(qū)一側(cè) 于是在 PN 結(jié)附近稍偏于 P 區(qū)一邊的地方 處于高能態(tài)的電 子與空穴相遇時 便產(chǎn)生發(fā)光復合 這種發(fā)光復合所發(fā)出的光屬于自發(fā)輻射 輻射光的波長決定于材料的禁帶寬度 Eg 本電路采用不同顏色的發(fā)光二極管來表示不同的水位情況 即紅燈亮 他 兩燈不亮表示是低水位狀態(tài) 此時需要啟動水泵加水 綠燈亮 其他兩燈不亮 表示在正常的水位線內(nèi) 黃燈發(fā)亮 其他兩燈不亮為高水位狀態(tài) 水泵停止加 黃河科技學院課程設計 第 8 頁 水 三燈閃爍表示系統(tǒng)出現(xiàn)故障 光報警電路原理圖如圖 2 4 所示 圖 2 4 光報警電路的原理圖 此電路采用的是共陽極的 所以只有當單片機給發(fā)光二極管為低電平時才 能推動發(fā)光二極管點亮 其中 R14 R15 R16 為上拉電阻起限壓控流作用 2 5 繼電器控制水泵加水電路 該電路由繼電器 RL1 和閉合開關(guān) 光電耦合器 水泵 R13 R22 R11 R12 以及 D2 Q6 等組成 當水位在低水位時單片機給 P1 1 送一個高電平導通光電耦合器然后光電耦合器驅(qū)動 Q6 導致繼電器閉合從而讓 220V 的交流電接通使水泵加水 繼電器控制水泵加水電路原理圖如圖 2 5 所示 黃河科技學院課程設計 第 9 頁 圖 2 5 繼電器控制水泵加水電路的原理圖 其中光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號的一種電 光 電轉(zhuǎn)換器件 它 由發(fā)光源和受光器兩部分組成 把發(fā)光源和受光器組裝在同一密閉的殼體內(nèi) 彼此間用透明絕緣體隔離 發(fā)光源的引腳為輸入端 受光器的引腳為輸出端 在本設計當中發(fā)光源為發(fā)光二極管 受光器為光敏三極管 在本設計當中我們 采用光電耦合器組成開關(guān)電路的作用 能夠很好地將單片機信號穩(wěn)定地送給繼 電器驅(qū)動繼電器閉合 繼電器是具有隔離功能的自動開關(guān)元件 在我們設計當中主要來做自動控 制作用 我們采用 5V 的直流電來控制 220V 的交流電 以達到控制水泵的作 用 因為是在這里是以一種弱電來控制強電所以安裝和使用的過程當中我們一 定要注意用電安全注意事項 電磁式繼電器一般由鐵芯 線圈 銜鐵 觸點簧片等組成的 只要在線圈 兩端加上一定的電壓 線圈中就會流過一定的電流 從而產(chǎn)生電磁效應 銜鐵 就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯 從而帶動銜鐵的動 觸點與靜觸點 常開觸點 吸合 當線圈斷電后 電磁的吸力也隨之消失 銜 鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置 使動觸點與原來的靜觸點 常閉觸 點 吸合 這樣吸合 釋放 從而達到了在電路中的導通 切斷的目的 對于 繼電器的 常開 常閉 觸點 可以這樣來區(qū)分 繼電器線圈未通電時處于斷 開狀態(tài)的靜觸點 稱為 常開觸點 處于接通狀態(tài)的靜觸點稱為 常閉觸點 黃河科技學院課程設計 第 10 頁 黃河科技學院課程設計 第 11 頁 3 軟件設計 3 1 系統(tǒng)總流程圖 系統(tǒng)總流程圖如圖 3 1 所示 P 1 0 0 H P 1 1 0 P 1 2 0 P 1 3 1 P 1 4 1 水泵抽水 紅燈亮 P 1 1 1 P 1 4 0 P 1 3 1 P 1 2 1 水泵 停止 抽水 黃 燈亮 P 1 1 1 P 1 2 P 1 3 P 1 4 同時變?yōu)?0 或 1 水泵停止抽水 燈 閃爍 P 1 1 0 P 1 3 0 P 1 2 1 P 1 4 1 水泵抽水 綠 燈亮 P 1 0 3 H P 1 0 2 H P 1 0 1 H 延時 0 5 秒 初始化 開始 Y Y Y Y N N N 重新掃描 重 新 掃 描 圖 3 1 系統(tǒng)總流程圖 3 2 系統(tǒng)總程序 系統(tǒng)總程序如下 黃河科技學院課程設計 第 12 頁 ORG 0000H LJMP START START SETB P2 0 SETB P2 1 RESTART MOV A P2 ANL A 00000011B CJNE A 00H LOOP1 在低水位之下 開啟電動機 亮紅燈 SETB P2 4 SETB P2 3 CLR P2 2 LJMP RESTART LOOP1 CJNE A 01H LOOP2 當超過低水位 并且未達到高水位時 保持電動機轉(zhuǎn)動 亮綠燈 SETB P2 4 SETB P2 2 CLR P2 3 LJMP RESTART LOOP2 CJNE A 02H LOOP3 系統(tǒng)故障 達到高水位 卻沒達到低水 位 紅 黃 綠燈均閃爍 CLR P2 4 CLR P2 3 CLR P2 2 SETB P2 4 SETB P2 3 SETB P2 2 LJMP RESTART LOOP3 CJNE A 03H RESTART 當達到高水位時 停止電動機 亮黃 燈 SETB P2 3 黃河科技學院課程設計 第 13 頁 SETB P2 2 CLR P2 4 LJMP RESTART RET END 黃河科技學院課程設計 第 14 頁 4 總結(jié) 做了這次單片機課程設計 我有了很多體會和感想 單片機設計十分有意 義而且很重要 我們在課堂上掌握的僅僅是專業(yè)課的理論知識 課程設計能讓 我們?nèi)ュ憻捨覀兊膶嵺`能力 把我們所學的專業(yè)基礎課理論知識運用到實踐中 去 單片機課程設計就為我們提供了良好的學習和實踐平臺 通過這次單片機課程設計 讓我對單片機更加喜愛 也對單片機有了更深 的了解和認識 我們在課堂上掌握的僅僅是專業(yè)課的理論知識 課程設計能讓 我們?nèi)ュ憻捨覀兊哪芰?不僅僅是單片機課程設計 對于今后的學習生活也具 有很大的啟發(fā)和幫助 由于自身缺少在實踐設計的經(jīng)驗 所以在這次的設計中我自身也發(fā)現(xiàn)了很 多不足的方面 從論文的本身的方面的結(jié)構(gòu)到具體設計中硬件設計知識和經(jīng)驗 的不足使得設計和論文存在的很多的問題 但是我的導師牛月蘭老師的細心指 導下 經(jīng)過前后多次的修改和完善 最終完成了課程設計的任務 單片機控制 技術(shù)領(lǐng)域是一個有著非常潛力和前景的專業(yè)技術(shù) 我相信通過這次課程設計 不僅加深和掌握了這一專業(yè)技術(shù) 而且也提高了自己的專業(yè)能力和綜合素質(zhì) 為我的大學生涯畫下一個完整的句號 黃河科技學院課程設計 第 15 頁 致 謝 感謝牛月蘭導師的細心指導 同學們的意見和建議 感謝在論文方面的幫 助 祝愿我們越走越遠 由于自身缺少在實踐設計的經(jīng)驗 所以在這次的設計 中我自身也發(fā)現(xiàn)了很多不足的方面 從論文的本身的方面的結(jié)構(gòu)到具體設計中 硬件設計知識和經(jīng)驗的不足使得設計和論文存在的很多的問題 但是我的導師 牛月蘭老師的細心指導下 經(jīng)過前后多次的修改和完善 最終完成了課程設計 的任務 再次感謝幫助過我的人 黃河科技學院課程設計 第 16 頁 參考文獻 1 胡漢才 單片機原理及其接口技術(shù) M 清華大學出版社 1996 2 張毅剛 單片機原理與應用 M 北京高等教育出版社 2004 3 陳有卿 謝剛 新穎電子模塊應用手冊 M 機械工業(yè)出版社 2003 4 姚勇 李忠勤 水箱水位的模擬控制裝置 J 煤炭技術(shù) 2004 5 陳粵初 單片機應用系統(tǒng)設計與實踐 M 北京航空航天大學出版社 1991 黃河科技學院課程設計 第 17 頁 附 錄 總電路原理圖所示