c51單片機(jī)水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、單片機(jī)水位控制設(shè)計(jì)目錄1 概述 22 設(shè)計(jì)的基本任務(wù)和要求 32.1 基本功能 32.2 塔水位控制原理 32.3 系統(tǒng)硬件總體方案 43 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 43.1系統(tǒng)硬件方案 43.2 核心芯片 AT89C51 單片機(jī) 53.3系統(tǒng)軟件總體方案 54.Proteus 設(shè)計(jì)與仿真 74.1元器件清單 74.2 基于單片機(jī)水位控制原理圖5 74.3 基于單片機(jī)的水位控制PCB 圖 6 84.4水位檢測(cè)的主程序 84.5 實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果 114.6 結(jié)語(yǔ) 115 設(shè)計(jì)體會(huì) 12參考文獻(xiàn) 121 概述液位控制系統(tǒng)是以液位為被控參數(shù)的控制系統(tǒng)， 它在工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域都 有廣泛的應(yīng)用。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中

2、， 有很多地方需要對(duì)容器內(nèi)的介質(zhì)進(jìn)行液位控 制，使之高精度地保持在給定的數(shù)值， 如在建材行業(yè)中， 玻璃窯爐液位的穩(wěn)定對(duì) 窯爐的使用壽命和產(chǎn)品的質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。 液位控制一般指對(duì)某一液位 進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，使其達(dá)到所要求的控制精度。液體的液位的自動(dòng)控制,是近年來(lái)新開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù) ,它是微型計(jì)算機(jī)軟件、硬件、自動(dòng)控制等幾項(xiàng)技術(shù)緊密結(jié) 合的產(chǎn)物 ,工程作業(yè)采用的是微機(jī)控制和原有的儀表控制 ,微機(jī)控制有以下明顯優(yōu) 勢(shì):1）直觀(guān)而集中的顯示各運(yùn)行參數(shù) ,能顯示液位狀態(tài)。2）在運(yùn)行中可以隨時(shí)方便的修改各種各樣的運(yùn)行參數(shù)的控制值,并修改系統(tǒng)的控制參數(shù) ,可以方便的改變液位的上限、下限。3）具有水體控制

3、過(guò)程的自動(dòng)化處理以及監(jiān)控軟件良好的人機(jī)界面，操作人 員在監(jiān)控計(jì)算機(jī)上能根據(jù)控制效果及時(shí)修運(yùn)行參數(shù)， 這樣能有效地減少工人的疲 勞和失誤，提高生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)性、安全性綜合以上的種種優(yōu)點(diǎn)可以預(yù)見(jiàn)采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是行業(yè)的大勢(shì)所趨。 單片 機(jī)是在一塊芯片上集成了一片微型計(jì)算機(jī)所需的CPU、存儲(chǔ)器、輸入、輸出等部件。單片機(jī)自問(wèn)世以來(lái) ,性能不斷提高和完善 ,體積小、速度快、功耗低的特點(diǎn) 使它的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛。 一般,工業(yè)控制系統(tǒng)的工作環(huán)境差 ,干擾強(qiáng) ,利用單片機(jī) 控制就能克服這些缺點(diǎn) ,因此單片機(jī)在控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用 ,使用單片機(jī)控制 液體液位是很好的選擇。目前我國(guó)在單片機(jī)測(cè)控裝置研究、生產(chǎn)、

4、應(yīng)用中 ,取得了很大的成績(jī) ,總結(jié)了 很多經(jīng)驗(yàn) ,但是各行業(yè)仍處于發(fā)展期 ,經(jīng)調(diào)查 ,更多科研究所在這方面開(kāi)展的工作 更看重的是理論和算法 ,數(shù)年來(lái)這方面的研究的論文較多 ,著重生產(chǎn)實(shí)際的很少。 在上海 ,新型的單片機(jī)測(cè)控裝置與系統(tǒng)研究的生產(chǎn)基礎(chǔ)較雄厚 ,在生產(chǎn)過(guò)程中需要 新型的測(cè)控裝置與系統(tǒng) ,因此在不斷的努力研究與開(kāi)發(fā)。上海的工程技術(shù)研究人 員更著重的是生產(chǎn)實(shí)際研究 ,對(duì)理論、算法和成果的論文較少 ;深圳在研制新型的 測(cè)控裝置與系統(tǒng)領(lǐng)域也比較有成就 ,盡管與其他國(guó)家比較尚有差距 ,但是 ,深圳的 高校、研究院所的最大的特點(diǎn)就是實(shí)際 ,與生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目無(wú)關(guān)的問(wèn)題基本不 去考慮 ,主要考慮選

5、取什么材料 ,測(cè)控什么物理量 ,優(yōu)點(diǎn)是什么 ,與機(jī)器設(shè)備的通訊 接口等等。2 設(shè)計(jì)的基本任務(wù)和要求2.1 基本功能本設(shè)計(jì)是采用AT89C51單片機(jī)為核心芯片，及其相關(guān)硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)的水體液位 控制系統(tǒng),在用液位傳感器測(cè)液位的同時(shí),CPU循環(huán)檢測(cè)傳感器輸出狀態(tài)，并用3位 七段LED顯示示液位高度，檢測(cè)液位數(shù)據(jù)，實(shí)施報(bào)警安全提示，當(dāng)水體液位低于用 戶(hù)設(shè)定的值時(shí) ,系統(tǒng)自動(dòng)打開(kāi)泵上水 ,當(dāng)水位到達(dá)設(shè)定值時(shí) ,系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉水泵或 打開(kāi)排水泵。2.2 塔水位控制原理單片機(jī)水塔水位控制原理如圖 l 所示，圖中的虛線(xiàn)表示允許水位變化的上、 下限位置。在正常情況下水位應(yīng)控制在虛線(xiàn)范圍之內(nèi)。為此，在水塔內(nèi)的不同 高

6、度處，安裝固定不變的3根金屬棒A B CO用以反映水位變化的情況。其中， A棒在下限水位.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(guò)低，要保證有足夠大的流水量）。水塔由電機(jī)帶動(dòng)水泵供水。單片機(jī)控制電 機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，隨著供水，水位不斷上升.當(dāng)水位上升到上限水位時(shí)，由于水的導(dǎo)電作 用。使B、C棒均與+5 V連通。因此b、C兩端的電壓都為+5 V即為。I”狀態(tài)，此 時(shí)應(yīng)停止電機(jī)和水泵工作，不再向水塔注水；當(dāng)水位處于上、下限之間時(shí)。B棒和A棒導(dǎo)通.而C棒不能與A棒導(dǎo)通，b端為“ r狀態(tài)。C端為“O'狀態(tài)。此時(shí)電機(jī) 帶動(dòng)水泵給水塔注水，使水位上升，還是電機(jī)不工作，水位不斷下降，

7、都應(yīng)繼續(xù) 維持原有工作狀態(tài)；當(dāng)水位處于下限位置以下時(shí)，B、C棒均不能與A棒導(dǎo)通，b、C均為“0”狀態(tài)。此時(shí)應(yīng)啟動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)水泵給水塔注水。1水塔水位桂麗嫌理圖2.3系統(tǒng)硬件總體方案系統(tǒng)的原理是采用8個(gè)按鈕進(jìn)行水位檢測(cè)，在現(xiàn)場(chǎng)的3個(gè)不同的位置，由下 至上測(cè)量水體的液位值，。并把這四個(gè)液位狀態(tài)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器傳到單片機(jī)中，在 通過(guò)3位七段LED顯示器顯示出液位的三種狀態(tài)及報(bào)警安全提示。 用LED顯示 是因?yàn)樗哂酗@示清晰、亮度高、使用電壓低、光電轉(zhuǎn)換效能高、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)， 根據(jù)當(dāng)前的液位值和用戶(hù)設(shè)定的水位決定是否進(jìn)行開(kāi)、關(guān)水泵 ，需要是否開(kāi)啟和 關(guān)閉驅(qū)動(dòng)閥門(mén)的電動(dòng)機(jī)。3控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)

8、硬件方案系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)液位控制是利用把液位的狀態(tài)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，再通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器AT89C51把輸出狀態(tài)直接接到單片機(jī)的I/O接口，單片機(jī)經(jīng)過(guò)運(yùn)算控制， 輸出數(shù)字信號(hào)，輸出接口接LED進(jìn)行顯示,實(shí)現(xiàn)液位的報(bào)警和鍵盤(pán)的顯示與控制； 圖2即是液位控制系統(tǒng)：6圖2液位控制系統(tǒng)由上圖可觀(guān)察到傳感器通過(guò)對(duì)液面進(jìn)行測(cè)量,輸出模擬信號(hào)，再通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器把輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過(guò)AT89C51單片機(jī)的運(yùn)算控制，在通過(guò)LED進(jìn)行顯示,通過(guò)報(bào)警裝置進(jìn)行報(bào)警，報(bào)警顯示之后再通過(guò)對(duì)閥門(mén)的開(kāi)啟 實(shí)現(xiàn)對(duì)水體的液位進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，閥門(mén)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備是電動(dòng)機(jī)。3.2核心芯片AT89C51單片機(jī)AT89C51 是一種帶 4K

9、 字節(jié) FLASH 存儲(chǔ)器(FPERoM Flash PrOgrammabIe and EraSabIe Read OnIy MemOry )的低電壓、高性能 CMOS 8位微處理器， 俗稱(chēng)單片機(jī)。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的 單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡(jiǎn)版本。AT89C單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種

10、靈活性高且價(jià)廉的方案。外形及引腳排列如圖3所以。詢(xún)K)OKiIP12Kl2P13I-JjF14< *;r JLJPMPOfiPJ7K7IkrrI肥：TI常倉(cāng)躍I；?MIVrFEJrrKCDFT.-IJETIcar1圖3 AT89C5引腳圖3.3系統(tǒng)軟件總體方案水位檢測(cè)是通過(guò)8個(gè)按鈕進(jìn)行水位檢測(cè)的，當(dāng)水位到檢測(cè)位置其輸出端口就向單片機(jī)輸出低電平。由上至下的第一個(gè)位置為水位上限報(bào)警線(xiàn)，即當(dāng)水位高于此位置時(shí)，開(kāi)水閥控制系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警，提醒工作人員注意，加水電磁閥有可能出故障；第二個(gè)位置是自動(dòng)停止加水線(xiàn)，即當(dāng)水位高于此位置時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì) 自動(dòng)關(guān)閉加水電磁閥，停止加水；第三個(gè)位置是自動(dòng)加水線(xiàn)，即

11、當(dāng)水位低于此位 置時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)接通加水電磁閥， 開(kāi)始加水；第四個(gè)位置是水位下限報(bào)警 線(xiàn)，即當(dāng)水位低于此位置時(shí)，控制系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警，提醒工作人員注意，加水 電磁閥可能出故障如圖4。L報(bào)警Y*j測(cè)J報(bào)警+NdsV水位過(guò)高÷>2r啟動(dòng)“備用”水耳T啟動(dòng)歪用泵電礁國(guó)3E啟動(dòng)“主用嗦啟功臥用親耳磁詞圖4水位控制流程圖4.Proteus設(shè)計(jì)與仿真4.1元器件清單7SEG-C0M-CAT-GRNLED數(shù)碼管AT89C1單片機(jī)BUTToN按鈕CAP電容CAP-ELEC陶瓷電容CRYSTAL12兆晶振LED-RED發(fā)光二極管MOTOR-DC電機(jī)RES電阻RESPACK-8排阻4.2基于單

12、片機(jī)水位控制原理圖 5圖5水位控制原理圖CIIIhF TE<>C2IC R VSrALRPlRESf 01«UI>)CTAL14 BLITIRIIXL 1 巧m2C3RSTPSEftAiJ<TBfli«EI11IKtFIJ1 R2IK卜:=|P2IWP2.1fllF22X1P2311 23H P2Si13 P2EHA1 K.TjK15WIWXD POJ/TXD PaiMhrra P3*iTP3iHP3ST1P3J5AIRn>9D01TB10_ 111 j39DDDI3SIDDI麗JCD-»3D DLsslOD3*5DD33SDDCAl

13、PD0 ra.iA P2IQ2P31D3 P.iADi PDD RDjRD« P0.TfD7LED-RlEDE1>1ISIlTi-?84.3基于單片機(jī)的水位控制PCB圖6M4R 5.圖6水位控制PCB圖4.4水位檢測(cè)的主程序本控制系統(tǒng)采用的是控制，由于模糊控制量的求取是采用查表法，因此軟件程 序較簡(jiǎn)單，整個(gè)軟件部分較多，現(xiàn)取最重要的水位檢測(cè)主程序。#in CludeVreg51.h>#defi ne UChar Un Sig ned Char#defi ne Uint Un Sig ned intSbit MoR=P27;Sbit MOT=P26;Sbit LED=P20

14、;code UChar tab=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;void delay (uint n) while(n-);void LED_SHOW()if(P1=0xfe)P0=tab8;LED=0;MOR=0;MOT=1;if(P1=0xfd)P0=tab7;LED=0;MOR=0;MOT=1;if(P1=0xfb)P0=tab6;LED=1;MOR=1;MOT=1;if(P1=0xf7)P0=tab5;LED=1;MOR=1;MOT=1; if(P1=0xfd) P0=tab4;LED=1;MOR=1;MOT=1; i

15、f(P1=0xef) LED=1;MOR=1;MOT=1; if(P1=0xdf) P0=tab2;LED=0;MOR=1;MOT=0;if(P1=0xbf) P0=tab1;LED=0;MOR=1;MOT=0;if(P1=0x7f)P0=tab0;LED=0;MOR=1;MOT=0;void main()while(1)LED_SHOW();4.5 實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果根據(jù)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件流程圖，編寫(xiě)相應(yīng)的程序在 Pro-teus 軟件環(huán)境下實(shí)際仿 真，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能成功實(shí)現(xiàn)了水位檢測(cè)、電機(jī)故障檢測(cè)、處理和報(bào)警 等功能，具有良好的檢測(cè)控制功能，可移植性和擴(kuò)展性強(qiáng)。通過(guò)制作PCB板子，該系統(tǒng)已

16、成功運(yùn)用于某實(shí)驗(yàn)水冷卻系統(tǒng)。4.6 結(jié)語(yǔ)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)是基于在單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的， 充分利用單片機(jī)強(qiáng)大控制功能 和方便通信接口， 該檢測(cè)控制系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室某實(shí)驗(yàn)水冷卻系統(tǒng)得到成功實(shí)踐， 實(shí) 現(xiàn)水位檢測(cè)、電機(jī)故障檢測(cè)、處理和報(bào)警等功能，提高了實(shí)驗(yàn)的自動(dòng)控制能力。 進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)， 可為實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端控制， 因此，該系統(tǒng)在農(nóng)村水塔， 城市水源檢測(cè)控制等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。5 設(shè)計(jì)體會(huì)設(shè)計(jì)過(guò)程中我遇到了很多的困難， 因?yàn)橹R(shí)是不連貫的， 所以需要準(zhǔn)備很多 方面的知識(shí)去融合， 去聯(lián)系。 由于在學(xué)習(xí)的時(shí)候更注重的是書(shū)面上的東西， 而本 次課程設(shè)計(jì)更多的是鍛煉了我的動(dòng)手動(dòng)腦能力， 讓我有機(jī)會(huì)把

17、課上學(xué)習(xí)的知識(shí)轉(zhuǎn) 化為可以在實(shí)際生產(chǎn)生活中應(yīng)用的技術(shù)。本次課程設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要介紹了水體的液位檢測(cè)控制，介紹了 AT89C51 單 片機(jī)和其它一些單片機(jī)在液位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用， 介紹了它們的引腳和在系統(tǒng)中 的電路圖，利用 LED 來(lái)進(jìn)行信號(hào)的輸出顯示 ,我設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化 ,系統(tǒng) 精度高，具有良好的人機(jī)交互功能 ,并設(shè)有液位報(bào)警，有問(wèn)題立即就能發(fā)現(xiàn)。通 過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)控制液位并實(shí)現(xiàn)水體的液位報(bào)警。 液位控制在設(shè)定值上正常運(yùn)行不需 要人工干預(yù)，操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度小。通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)， 我了解到自己的知識(shí)應(yīng)該充分利用在實(shí)踐上， 在實(shí)踐中 把書(shū)本上的知識(shí)固化成自己的能力。 在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的時(shí)候也有很多的

18、想法， 但是有 一些想法被否定了， 最終完成設(shè)計(jì)的時(shí)候優(yōu)先考慮了在課程上學(xué)習(xí)到的知識(shí)， 并 且和單片機(jī)、 電子電路的知識(shí)結(jié)合起來(lái)。 這次設(shè)計(jì)之后， 我感覺(jué)到自己在自動(dòng)化 專(zhuān)業(yè)上的學(xué)習(xí)應(yīng)該還有很長(zhǎng)的路走， 自動(dòng)化是一個(gè)很有前途的行業(yè)， 它涉及了生 產(chǎn)生活的多個(gè)方面， 對(duì)人們的影響可想而知， 所以， 學(xué)好自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的知識(shí)不僅 僅是對(duì)自己能力提升和自我價(jià)值的實(shí)現(xiàn)， 更是一件很有意義， 可以讓自己有所感 觸，有所收獲的事業(yè)。在最后，我很感謝所有傳授我知識(shí)的老師， 和關(guān)心幫助我的同學(xué)， 也很 榮幸自己可以和自動(dòng)化結(jié)下不解之緣 參考文獻(xiàn)1 王文琦 .工業(yè)鍋爐的檢測(cè)與控制技術(shù)成都 :四川科學(xué)技術(shù)出版社 ,1986.2 王驥程 .化工過(guò)程控制工程北京:化學(xué)工業(yè)出版社 ,1981.3 謝自美 .電子線(xiàn)路設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)與測(cè)試.華中科技大學(xué)出版社， 2003.4 楊國(guó)志,王立峰,楊東光, .實(shí)用電子制作實(shí)例 .福建科學(xué)技術(shù)出版社， 2000.5 金偉正 .單線(xiàn)數(shù)字溫度傳感器的原理及用 電子工業(yè)出版社， 2000.6 王永平，