單片機(jī)課程設(shè)計(jì)--居民樓水箱水位控制裝置設(shè)計(jì)

1、<p>　　單片機(jī)原理及接口技術(shù)課程設(shè)計(jì)（論文）</p><p>　　題目：居民樓水箱水位控制裝置設(shè)計(jì)</p><p>　　課程計(jì)設(shè)（論文）任務(wù)及評語</p><p>　　院（系）：電氣工程學(xué)院 教研室：自動化 </p><p>　　注：成績：平時20%

2、 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計(jì)算</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　單片機(jī)是控制系統(tǒng)中核心組成部分，無論在生活中還是工業(yè)生產(chǎn)中，自動化中扮演著相當(dāng)重要的角色。生活用水問題常常為大家所關(guān)注，家庭用水設(shè)備也或不可缺，如何能夠方便快捷的用水也是居民用水迫切渴望。為解決此問題，特進(jìn)行居民樓水箱水位的設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)選用AT89C

3、51單片機(jī)作控制器設(shè)計(jì)居民樓水箱水位檢測與控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能要求選擇4路液位傳感器，檢測水箱中4個不同高度的水位，最高水位、最低水位、控制上限、控制下限，根據(jù)水箱存水情況，進(jìn)行上水自動控制。設(shè)計(jì)液位測量通道，當(dāng)水位值低于下限時，進(jìn)行上水，同時綠色指示燈亮；反之，當(dāng)水位高于上限時，停止上水，綠色指示燈熄滅。當(dāng)水位達(dá)到最高水位或最低水位時，黃色指示燈亮同時峰鳴器報警。此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)既能夠?qū)崿F(xiàn)自動化控制居民用水的問題，同時也能夠快捷方便使用生活

4、用水，</p><p>　　關(guān)鍵詞：單片機(jī)；控制；水箱水位；</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　第二章 課程設(shè)計(jì)的方案2</p><p><b>　　2.1概述2</b&g

5、t;</p><p>　　2.2系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu)2</p><p>　　2.3 AT89C51單片機(jī)引腳說明3</p><p><b>　　2.4振蕩電路5</b></p><p><b>　　2.5復(fù)位電路5</b></p><p>　　2.6部分組成電路說明6&

6、lt;/p><p><b>　　1水位采集電路6</b></p><p>　　2 水泵電機(jī)控制電路6</p><p><b>　　3 報警電路7</b></p><p>　　第三章 硬件設(shè)計(jì)8</p><p>　　3.1 硬件組成8</p><p&g

7、t;　　3.2硬件系統(tǒng)工作說明9</p><p>　　第四章 軟件設(shè)計(jì)10</p><p>　　4.1設(shè)計(jì)思路10</p><p>　　4.2 程序設(shè)計(jì)11</p><p>　　第五章 課程設(shè)計(jì)總結(jié)13</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)14</b></p><

8、p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　目前家庭用水系統(tǒng)多以單片機(jī)為控制核心來控制供水系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的用水要求，本次設(shè)計(jì)采用AT8951單片機(jī)，也是一種常用的控制器。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處

9、理器，該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(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和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。同時AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。</p><p>　　第二章 課程設(shè)計(jì)的方案</p><p>

10、;<b>　　2.1概述</b></p><p>　　本次設(shè)計(jì)選用AT89C51單片機(jī)作控制器，選擇水位檢測電路、上水控制電路和信號指示電路一起構(gòu)成居民樓水箱水位檢測與控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能要求選擇4路液位傳感器，檢測水箱中4個不同高度的水位，最高水位、最低水位、控制上限、控制下限，根據(jù)水箱存水情況，進(jìn)行上水自動控制。設(shè)計(jì)液位測量通道，當(dāng)水位值低于下限時，進(jìn)行上水，同時綠色指示燈亮；反之，當(dāng)水位

11、高于上限時，停止上水，綠色指示燈熄滅。當(dāng)水位達(dá)到最高水位或最低水位時，黃色指示燈亮同時峰鳴器響。使用2位LED顯示器來顯示水位所處的位置。</p><p>　　2.2系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu)</p><p>　　本系統(tǒng)主要是以 ATMEL 公司生產(chǎn)的單片機(jī) AT89C51芯片為核心元件，加上一些外部元件，構(gòu)成了硬件電路。AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié) FLASH 可編程可擦 除 只 讀 存

12、儲 器 （FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory 的低電壓、高性能 CMOS 8）位微處理器，與標(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 FLASH 存儲器組合在單個芯片中，所以 AT89C51 是一種高效的微控制器。</p><p>　　本系統(tǒng)主要由 AT89C51 單片機(jī)、LED 顯示電路、報警電路

13、、水位采集電路及電機(jī)控制電路等部分組成。系統(tǒng)框圖如 1 所示。</p><p>　　圖2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖</p><p>　　2.3 AT89C51單片機(jī)引腳說明</p><p>　　VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng) </p><p>　　P1口的管

14、腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時，

15、P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時，P2口

16、輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時接收高八位地址信號和控制信號。 P3口：P3</p><p>　　RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機(jī)器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率

17、的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外， PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次

18、有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。 EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也</p><p>　　AT89C51引腳圖如圖2.2</p><p>　　圖3.1AT89C51引腳圖</p&

19、gt;<p><b>　　2.4振蕩電路</b></p><p>　　時鐘可以由內(nèi)部方式產(chǎn)生或外部方式產(chǎn)生。采用內(nèi)部方式時，在C1和C2引腳上接石英晶體和微調(diào)電容可以構(gòu)成振蕩器， 振蕩頻率的選擇范圍為1．2—12MHZ在使用外部時鐘時，XTAL2用來輸入外部時鐘信號，而XTALI接地。</p><p><b>　　晶振電路如圖2.3</b

20、></p><p><b>　　圖2.3晶振電路</b></p><p><b>　　2.5復(fù)位電路</b></p><p>　　為確保微機(jī)系統(tǒng)中電路穩(wěn)定可靠工作，復(fù)位電路是必不可少的一部分，復(fù)位電路的第一功能是上電復(fù)位。一般微機(jī)電路正常工作需要供電電源為5V±5%，即4.75～5.25V。由于微機(jī)電路是時

21、序數(shù)字電路，它需要穩(wěn)定的時鐘信號，因此在電源上電時，只有當(dāng)VCC超過4.75V低于5.25V以及晶體振蕩器穩(wěn)定工作時，復(fù)位信號才被撤除，微機(jī)電路開始正常工作。</p><p>　　復(fù)位電路電路如圖2.4</p><p>　　圖2.4.上電復(fù)位圖 </p><p>　　2.6部分組成電路說明</p><p><b>　　1水位

22、采集電路</b></p><p>　　水位檢測電路主要由N555時基電路構(gòu)成，A，B兩處為水箱上限和下限警戒水位檢測點(diǎn)，NE555的輸出端3腳與單片機(jī)p1.0口連接，單片機(jī)通過p1.0口重復(fù)采集檢測水位。實(shí)際工作時，當(dāng)水位低于B點(diǎn)時NE555的2腳6腳電壓小于1/3VCC，3腳為高電平，p1.0口檢測信號為高。當(dāng)水位升至A點(diǎn)時，2腳6腳為高電平，3腳為低電平，p1.0口檢測信號為低。當(dāng)水位處于AB點(diǎn)之

23、間時，由于R1的作用使得2腳6腳電壓為1/3VCC至2/3之間，3腳保持原態(tài)。這樣，由水箱水位引起的變化能被單片機(jī)及時采集，實(shí)現(xiàn)水位自動控制。水位采集電路見圖2.2</p><p>　　圖2.2 水位采集電路</p><p>　　2 水泵電機(jī)控制電路</p><p>　　本系統(tǒng)采用交流電機(jī)控制水泵的啟停，主要通過一個常開觸點(diǎn)繼電器進(jìn)行控制。P1.7為電機(jī)啟動命令輸

24、出口，當(dāng)水位達(dá)到下限水位B點(diǎn)時，p1.0檢測信號為高，p1.7應(yīng)為高電平輸出，控制Q1導(dǎo)通，繼電器導(dǎo)通工作，K1閉合，電機(jī)工作，水泵向箱內(nèi)注水；同理，當(dāng)水位達(dá)到上限水位A點(diǎn)時，p1.0檢測信號為低，p1.7應(yīng)為低電平輸出，控制Q1截止，繼電器停止工作，K1斷開，電機(jī)停機(jī)，向水箱內(nèi)供水停止。水位介于AB點(diǎn)之間時，p1.0檢測信號保持，從而使繼電器維持原態(tài)，水位得以保持。電機(jī)控制電路見圖2.3</p><p>　　

25、圖2.3 電機(jī)控制電路</p><p><b>　　3 報警電路</b></p><p>　　為了避免系統(tǒng)發(fā)生故障時，水位失去控制造成嚴(yán)重后果，在超出，低于警戒水位時，報警信號從高低水位電極AB兩點(diǎn)獲得并由p1.1，p1.2口輸入。當(dāng)達(dá)到上限水位時，AB兩點(diǎn)淹沒通過水與5v電源相連，p1.1=1，p1.3=1蜂鳴器報警。同時控制電機(jī)停止或啟動。</p>

26、<p><b>　　第三章 硬件設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　3.1 硬件組成</b></p><p>　　硬件系統(tǒng)由居民樓常用水箱、液位傳感器、繼電器以及AT89C51單片機(jī)及各部分相關(guān)器件。AT89C51為核心控制器件。</p><p>　　AT89C51單片機(jī)是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀

27、存儲器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(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。</p><p>　　AT89C51單片機(jī)見圖3.1</p><p>　　圖3.1 AT89C51 單片機(jī)</p>&l

28、t;p>　　液位傳感器PT500-601采用進(jìn)口擴(kuò)散硅感壓芯片及PT100溫度傳感器，可液位及溫度同時采集；選進(jìn)的貼片工藝，具有零點(diǎn)、滿量程補(bǔ)償，溫度補(bǔ)償；高精度和高穩(wěn)定性放大集成電路；全封焊結(jié)構(gòu)、抗沖擊、耐疲勞、可靠性高；通信采用RS485 通信協(xié)議，半雙工工作方式，最高通訊速率57600BPS ；結(jié)構(gòu)小，外徑最小可達(dá)26mm；介質(zhì)溫度可達(dá)350度，連接方式螺紋、法蘭、快速接口、毛細(xì)管等；采用簡單的ASCII 碼命令格式，方便使

29、用。最高采樣速度10 次/秒；液位傳感器見圖3.2</p><p>　　圖3.2 PT500-601液位傳感器</p><p>　　3.2硬件系統(tǒng)工作說明</p><p>　　時鐘信號由 AT89C51 的 18 腳和 19 腳輸入，復(fù)位信號由 9 腳輸入；采集的水位信號由 P1.1、P1.0 輸入至單片機(jī) AT89C51 處理；在水箱的不同高度，安裝三根帶有PT5

30、00-601液位傳感器金屬棒， A棒接的是 +5 V 電源， B棒、C 棒分別代表水位的上下限；P1.7 口控制繼電器的吸合與斷開， P1.2 口控制報警器的工作。</p><p>　　圖 3.5 是系統(tǒng)整體原理圖。</p><p>　　圖3.5系統(tǒng)整體原理圖</p><p><b>　　第四章 軟件設(shè)計(jì)</b></p><

31、;p><b>　　4.1設(shè)計(jì)思路</b></p><p>　　單片機(jī) AT89C51 通過檢測到的水位信號 ，根據(jù)系統(tǒng)的不同要求編寫相應(yīng)的單片機(jī)工作程序進(jìn)行處理。得出結(jié)果判斷是否要啟動或停止電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)以達(dá)到對水位的控制，同時驅(qū)動顯示電路來顯示當(dāng)前水位所處的狀態(tài)。首先，電路采用接觸式水位拾取信號，在水箱的不同位置安裝三根金屬棒（內(nèi)置液位傳感器）來感知水位的變化，直接利用金屬棒采集水位信號

32、。然后由單片機(jī) AT89C51對測得的水位信號進(jìn)行判斷，根據(jù)判斷結(jié)果，單片機(jī)輸出相應(yīng)的控制信號控制繼電器的動作，進(jìn)而控制電當(dāng)水箱的水位，并采用不同色彩的發(fā)光二極管顯示相應(yīng)的水位。，當(dāng)水位值低于下限時，進(jìn)行上水，同時綠色指示燈亮；反之，當(dāng)水位高于上限時，停止上水，綠色指示燈熄滅。當(dāng)水位達(dá)到最高水位或最低水位時，黃色指示燈亮同時峰鳴器響。水箱水位檢測控制程序框圖如圖4.1</p><p><b>　　。&l

33、t;/b></p><p>　　圖4.1 水箱水位檢測控制程序框圖</p><p>　　在超出，低于警戒水位時，報警信號從高低水位電極AB兩點(diǎn)獲得并由p1.1，p1.2口輸入。當(dāng)達(dá)到上限水位時，AB兩點(diǎn)淹沒通過水與5v電源相連，p1.1=1，p1.3=1蜂鳴器報警。同時控制電機(jī)停止或啟動。系統(tǒng)報警程序流程圖見圖4.2</p><p>　　圖4.2 系統(tǒng)報警

34、程序流程圖 </p><p><b>　　4.2 程序設(shè)計(jì)</b></p><p>　　按照系統(tǒng)要求編寫源程序如下：</p><p>　　ORL P2，#0FH ；初始化</p><p>　　SETB P1.7 ；

35、關(guān)閉水泵</p><p>　　SETB P1.2 ；關(guān)閉報警器</p><p>　　ANL P1，#03H ；為檢查水位狀態(tài)做準(zhǔn)備</p><p>　　MOV A，P1 ；P1 口讀</p><p>　　JNB ACC.0，L

36、OOP1 ；當(dāng) P1.0=0 則轉(zhuǎn)</p><p>　　JB ACC.1，LOOP2 ；當(dāng) P1.1=1 則轉(zhuǎn)水滿狀態(tài)下的程序</p><p>　　SETB P1.7 ；使 P1.7=1，使停止電機(jī)工作</p><p>　　SETB P1.2

37、 ；關(guān)閉報警器</p><p>　　CLR P2.3 ；“水滿”LED </p><p>　　SETB P1.2 ；關(guān)閉報警器</p><p>　　CLR P2.2 ；“適中”LED 亮</p><p>　　CLR

38、 P1.7 ；P1.7=0，使啟動電機(jī)工作</p><p>　　SETB P1.2 ；關(guān)閉報警器</p><p>　　CLR P2.1 ；“欠水”LED 亮</p><p>　　SETB P1.7 ；P1.

39、7=1，使停止電機(jī)工作</p><p>　　CLR P1.2 ；報警器響</p><p>　　CLR P2.1 ；“欠水”LED 亮</p><p>　　CLR P2.0 ；“故障”LED 亮</p><p>　　AC

40、ALL DELAY ；調(diào)用 3s 延時子程序</p><p>　　SETB P1.2 ；關(guān)閉報警器</p><p>　　LOOP4： AJMP LOOP4 ；電動機(jī)停轉(zhuǎn)后程序進(jìn)入等待狀態(tài)</p><p>　　第五章 課程設(shè)計(jì)總結(jié)</p><p>

41、;　　基于本次單片機(jī)課程設(shè)計(jì)，學(xué)到很多東西，在掌握基礎(chǔ)知識的同時也鍛煉了自身克服困難的意志品質(zhì)。開始設(shè)計(jì)的時候如老虎吃天無從下手，但經(jīng)過老師的指導(dǎo)和網(wǎng)上搜集資料，漸漸的掌握了設(shè)計(jì)技巧。從認(rèn)識單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)到它的工作原理，再到一步一步設(shè)計(jì)方案，驗(yàn)證方案，過程雖然艱辛，但當(dāng)設(shè)計(jì)完成的時候，感覺付出的一切都是值得的，因?yàn)槲矣终莆樟艘徊糠种R。</p><p>　　當(dāng)然，在設(shè)計(jì)方案時遇到一些問題，比如弱電與強(qiáng)電之間的問

42、題，單片機(jī)輸出來的是5V電壓，起控制作用，而要起動電機(jī)的運(yùn)行需要大電壓220V 或380V，我思考了很久，最后找到了繼電器，它解決了我的難題。</p><p>　　在整個設(shè)計(jì)過程中遇到不少問題，在老師和同學(xué)們的幫助下終于完成了本次設(shè)計(jì)。同時也鍛煉了自己創(chuàng)新能力和解決問題的能力，受益匪淺。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p&

43、gt;　　[1] 康華光主編. 電子技術(shù)基礎(chǔ) 模擬部分[M](第四版). 北京: 高等教育出版社.1999.</p><p>　　[2] 高吉祥. 模擬電子線路設(shè)計(jì)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社．2007.</p><p>　　[3] 胡乾斌, 李光斌等. 單片微型計(jì)算機(jī)原理與應(yīng)用[M](第二版). 武漢：華中科技大學(xué)出版社, 2005.</p><p>　　[4]

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45、gt;　　[7] 王毓銀. 數(shù)字電路邏輯設(shè)計(jì)[J]. 高等教育出版社, 2006 年.</p><p>　　[8] 康華光主編. 電子技術(shù)基礎(chǔ) 數(shù)字部分[M](第四版). 北京: 高等教育出版社.1999. </p><p>　　[9] 姚艷南, 薛鈞義等主編. 微型計(jì)算原理[M](第四版) .西安電子科技大學(xué)出版社.2006.</p><p>　　[10] 陳明