毕业设计（论文）基于单片机的水箱水位控制系统的应用.doc

专科毕业设计（论文）设计题目： 基于AT89C51单片机水箱水位控制系统的应用 系 部： 电气工程系 专 业： 工业企业电气 班 级： 工企091301 姓 名： 学 号： 093905130127 指导教师： 职 称 ： 助教 2012年6月 南京摘要大型水箱是某些宾馆饭店、机关、公寓、科研教学楼及食品加工、医疗卫生、电子工业等对水质要求较高场所生产过程中必不可少的部件，它的性能和工作质量的优良不仅仅对生产有着巨大的影响，而且也关系着生产的安全。在过去，大量的对水箱操作是由相应的人员操作的，这样的人工方式带来了很大弊端。所以对水箱控制如果能够使用精密的而且完全会严格按照生产规定运行的自动化系统，可以最大限度的避免事故的几率，同时也能节省资源并能有效提高生产的效率。本单片机系统设计的目的是应用单片机控制技术，以AT89C51单片机为核心控制工厂的水箱的水位，并实现了报警和手动、自动切换功能。该系统操作方便、性能良好，比较符合工厂生厂用水系统控制的需要，该系统主要由两台给水水泵组，水箱和三只浮球及有关开关器组成。本毕业论文还详细的给出了相关的硬件框图和软件流程图，并编制了该汇编语言程序。 关键词 单片机 系统控制 水位AbstrctLarge water tanks are a certain hotels,apartments,office, scientific research teaching buildings and food processing,medical, electronic industry and other places with high requirement on water quality essential to the producetion process of part,its performace and the quality of work not only on production of the fine has enormous influence, but also the safety of production. In the past,many of the tanks are operated by the staff to operate,so that artificial means wbacks,such as the water level control ,water tanks at all times to monitor the environment, and so on the night of monitoring, the operator slightly negligence,or damage to the Summary of the monitoring device will bring irreparable damage will be even more serious crisis in production . The purpose of single-chip system design is the application of single-chip control technology, to AT89C51 as the core to control the water level in water tank factory, and the realization of the alarm and manual, automatic switching function. The system is easy to operate, good performance, more in line with Health Works plant needs water system control.also The system pupms water from the two groups, water tanks and three float switch devices and related components.This article also gives a detailed diagram of the related hardware and software flow chart, and the preparation of the assembly language program.Keywords MCU system control water level目 录 1 引言12 工作原理1 3 AT89C51单片机系统简介23.1 单片机概述23.2 AT89C51单片机说明24 硬件设计34.1 硬件结构34.2 单片机控制系统电路44.3 数据采集处理电路44.4 系统电路图的概述55 软件设计55.1 主程序设计55.2 数据处理66 单片机水箱控制系统程序设计8 6.1 程序概要设计8 6.2 系统程序原理8 结论11致谢12参考文献13 1 引言随着我国的国民经济与生活水平的发展，工厂对自动化的需求也日益增加，为减少污染、节约能源，单片机控制技术得到了广泛的应用。在工业生产里，很多都用到大水箱，水箱里的水位控制就是问题了，以前有专门的人看着，既浪费人力，又不能准确的判断水位高低。所以单片机控制水箱水位就在工厂得到广泛的应用。一般工业里用到的水箱，体积都比较大，所以对水位的控制需求就相应的大了，工厂里对水位的控制精度要求也高。单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。MCU（单片机）是目前国内外集成电路中量大面积广附加值高的产品，目前主流MCU虽仍为8位，但是16位、32位高档MCU增长很快。从MCU市场产品结构来看，未来5年高端产品将是当之无愧的明星产品。因此，我国国产通用MCU研发和生产，不但可以满足国内的巨大市场需求，也可改变我国的集成电路设计、生产、销售的封闭模式。 2 工作原理 冷水直接进入保湿水箱，保湿水箱和集热器进行热交换，这个工作原理是两个水箱不在一个平面，唯有这个原理才能解决这个问题，当保湿水箱水位降到所设置的水位下限时自动打开电磁阀进水，至上限停止。随着太阳能模块温度不断升高，当太阳能温度高于保温水箱温度的设置上限时自动启动热交换泵，这时，保温水箱的温度不断升高，当保温水箱温度到达60时恒温出水泵启动，把保温水箱的热水抽到恒温水箱里，直到保温水箱降到50时（出厂温差为10）或恒温水箱水位满停止。 这里也设计了恒水箱低于水压功能，无论保湿水箱温度到不到恒温启动温度，恒温出水泵都会把恒温水箱保持在电加热启动水位。当水箱水位低时，起动M1、M2给水，水位上升到90%，停M1。当水箱水位低低（小于50%）时，同时起动M1、M2，当水位上升到50%以上70%以下时，停M2，M1继续运行到水位上升到90%以上才停止工作。经过调试系统，测得以下数据：水位从50%-70%，两台泵运行需要约10分钟；水位从70%-90%，一台泵运行需要约15分钟。水箱的水位一般保持在70%-90%。报警控制如下：当水位高于90%的时候，由传感器经变送器发送信号，浮球LG闭合，系统水位高报警。当水位低于75%的时候，由传感器经变送器发送信号，浮球LD闭合，系统水位低报警。当水位低与50%的时候，由传感器经变送器发送信号，浮球LDD闭合，系统水位低低报警。手动/自动模式转换控制如下：全自动模式下，系统自动判断水位的状况，选择不同的工作状态。在手动的模式下，两台给水泵的运行控制可由人工操作。3 AT89C51单片机系统简介3.1 单片机概述（1）基本定义所谓单片机，就是把中央处理器CPU（Central Processing Unit）、存储器（Memory）、定时器、I/0（Input/Output）接口电路等一些计算机的主要功能部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。（2） 单片机的特点 小巧灵活，成本低，易于产品化，很高的性价比。 集成度高，有很高的可靠性，能在恶劣环境下工作。 控制功能强，特别是集成了功能接口电路，使用更方便有效。 低功耗，低电压，便于生产便携式产品。（3） 单片机的应用单片机的应用范围很广，比如智能仪器仪表、工业自动化、消费类电子产品、终端及外部设备控制、通讯、武器装备等。 3.2 AT89C51单片机说明 3.2.1 AT89C51简介AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器 。3.2.2特性概述AT89C51 提供以下标准功能：4k 字节Flash 闪速存储器，128字节内部RAM，32 个I/O 口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。4 水箱给水设备的系统构成4.1硬件结构水箱由两台给水泵机组、水箱和三只浮球开关组成，其系统结构如图1：图1 系统结构图其中M1、M2为给水泵机组，LG、LD、LDD分别为水位高、水位低、水位低低浮球开关，当水位高（大于90%）时，LG闭合，当水位低（小于75%）时，LD闭合，当水位低低（小于50%）时，LDD闭合。水箱的控制器由8051系统构成。为避免电机的起停和电源波动时对电路的影响，输入输出均采用光电隔离。输出通过继电器，控制水泵机组的起停和报警，其电路图2：图2 起停和报警4.2 单片机控制系统电路AT89C51单片机是51系列单片机的一个成员，是8051单片机的简化版。内部自带2K字节可编程FLASH存储器的低电压、高性能COMS八位微处理器，与IntelMCS-51系列单片机的指令和输出管脚相兼容。由于将多功能八位CPU和闪速存储器结合在单个芯片中，因此，AT89C2051构成的单片机系统是具有结构最简单、造价最低廉、效率最高的微控制系统，省去了外部的RAM、ROM和接口器件，减少了硬件开销，节省了成本，提高了系统的性价比。4.3 数据采集处理电路ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。本系统只用到INO和INl两路输入通道。ADC0809转换器的分辨率为8位，采用单一+5V供电，不需要进行零点和满度的调整。A/D转换器需要外部控制启动转换信号才能进行转换，ADC0809采用脉冲启动转换，只需要再A/D转换器的启动控制转换的输入引脚(START)上，加入正弦脉冲信号，A/D转换器便开始进行转换，转换开始后，信号输出端(EOC）变为低电平；转换结束时，EOC返回高电平，以通知主机读取转换结果的数字量。4.4本系统采用8051单片机控制结构 本系统采用8051单片机，如下图3系统电路图分析，引脚具体控制如下：P1口和P3口为输入输出检测信号和控制信号。下面是8051芯片引脚具体分配：P1.0：水位低低输入信号。（低0 高1）P1.1：水位低输入信号。（低0 高1）P1.2：水位高输入信号。（高1，低0）P1.3：手动与自动转换输入信号。（手动1，自动0）P1.4：M1起动KM1控制输出信号。（手动1，自动0）P1.5：M2起动KM1控制输出信号。（手动1，自动0）P1.6：M1开关状态输入信号。（开0，关1）P1.7：M2开关状态输入信号。（开0，关1）P3.0：水位低低报警输出信号。P3.1：水位低报警输出信号。P3.2：水位高报警输出信号。P3.4：手动起动M1输入信号，低电频有效动作。P3.5：手动起动M2输入信号，低电频有效动作。P3.6：手动停M1输入信号，低电频有效动作。P3.7：手动停M2输入信号，低电频有效动作。 图3系统电路示意图5 软件设计系统软件程序设计主要包括:主程序设计，采样子程序设计，数据处理程序，显示子程序，串口通信程序等。5.1 主程序设计 启动初始化读取A/D转换结果数值显示数值小于设定的值调用控制模块设定时间未到？调用时间显示模块 否 是 否 是 图4 主程序设计流程图5.2 数据处理5.2.1 数字滤波技术在进行数据采集时，输入信号容易受到随机干扰，因此A/D转换器送入单片机中的数据存在误差，称为随机误差。为了克服随机干扰引起的误差，硬件上可采用滤波技术；软件上采用数字滤波法来抑制有效信号中的干扰成分，消除误差。常用的数字滤波法包括:限幅滤波法、中位值滤波法、算术平均滤波法、去极值平均滤波法、移动平均滤波法、加权平均滤波法、低通滤波法、复合滤波法等。 图5 数字滤波程序流程图 5.2.2 数字显示的标度变换在微机化测控系统中，经A/D转换器接口送入微机的数据，是对被测量进行测量得到的原始数据。这些原始数据送入微机后通常要先进行一定的处理，然后才能输出作为显示器的显示数据。在该系统中，湿度传感器和A/D相连，A/D转换器和单片机相连，其中不包括任何非线性的数字化测量通道，因此被测量的值N与A/D转换结果D，存在如图6所示线性关系。 图6 N与A/D的线性关系 6单片机水箱控制系统程序设计61 程序概要设计 本系统程序开发，使用的语言是汇编语言。程序实现党水位处于LH(高)LD（低）或LDD（低低）时，报警信号输出，判断泵水方式（自动或手动）。当水位到达规定容量时，停止泵水。在次程序中，低电平为有效（即0为有效），高电平为无效（即1为无效）。62 系统程序原理主程序要实现的是对数据的初始化，并且判断用户是使用自动模式还是动模式，根据用户的具体需求：若用户选择自动模式，则程序调用自动化子程序；6.2.1 自动模式子程序 图7 自动模式子框图若用户选择手动模式，则程序调用手动化子程序。6.2.2 手动模式子程序： 图8 手动模式框图主程序原理框图如下图9 图9 主程序框图 结论本课题所研究的基于单片机水箱水位控制系统的设计实现了水箱开关的控制自动化，方便了工人在生产中对水箱的实际操作。通过研究，可得出以下结论：该系统操作方便、性能良好，比较符合工厂生厂用水系统控制的需要。单片机的应用范围很广，比如智能仪器仪表、工业自动化、消费类电子产品、终端及外部设备控制、通讯、武器装备等。单片机是一种广泛应用于工业现场的新型控制器，具有结构简单，抗干扰性强，编程方便等特点，本课题采用单片机自动控制技术取代了手动控制系统，实现了对AT89C51的自动控制，从而提高了工厂的工作效率、工作稳定性和可靠性，而且，还大大降低了工人的劳动强度，改善了产品的加工质量，降低了设备故障率，提高了生产率致谢大学三年的学习即将结束，在大学最后一次作业中，我很荣幸能得到马建峰老师的指导和帮助，在论文的设计中，忠诚感谢老师给了我精要的指导和珍贵的建议。老师不仅给了我许多指导和建议，还耐心的指导我的论文写作。感谢老师严格的治学态度和孜孜不倦的教导。还要感谢同学对我的帮助。本毕业论文是马建峰老师的精心指导下完成的。在整个课题的设计、编写过程中，马建峰老师给予了细致的指导和帮助，使我能够点面结合，设计过程环环相扣。在此，谨对他再致以衷心的感谢。 感谢我的父母，没有你们，就没有我的今天，你们的支持与鼓励，永远是支撑我前进的最大动力。 感谢身边所有的朋友与同学，谢谢你们三年来的关照与宽容，与你们一起走过的缤纷时代，将会是我一生最珍贵的回忆。参考文献1林立,张俊亮,刘得军.单片机原理及应用M.电子工业出版社1998年2陶希平.模拟电子技术第二版 M.化学工业出版社1987年3刘勇.数字电路M.机械工业出版社2001年4陈忠.电子制作M.电子制作杂志社2003年5杨志忠.数字电子技术M.高等教育出版社.2002年6胡宴如.模拟电子技术M.高等教育出版社.1994年7王秀珍，姜林.电子技术基础M.中国电力出版社1996年 8韩伟.数字电子技术及其应用M.国防工业出版社1999年