单片机原理及系统课程设计报告11 引言引言1.1 设计目的设计目的在工农业生产中，常常需要测量液体液位。随着国家工业的迅速发展，液位测量技术被广泛应用到石油、化工、医药、食品等各行各业中。低温液体（液氧、液氮、液氩、液化天然气及液体二氧化碳等）得到广泛的应用，作为贮存低温液体的容器要保证能承受其载荷；在发电厂、炼钢厂中，保持正常的锅炉汽包水位、除氧器水位、汽轮机凝气器水位、高、低压加热器水位等，是设备安全运行的保证，因此一个安全合适的水位系统是很必要的。1.2 设计要求设计要求利用单片机设计一个水位控制系统，要求用开关来模拟水位的状态，当设定完水位后，系统根据水位情况控制电磁阀的开启和关断。具体要求如下：1、设计单片机工作系统电路。2、通过键盘设置其预定水位，根据水位不同控制电机的旋转。5、利用Proteus进行仿真。1.3 设计方法设计方法本设计是采用AT89C51单片机为核心芯片,及其相关硬件来实现的水体液位控制系统,采用八个键盘来模拟水位, CPU循环检键盘输入状态,并用3位七段LED显示示液位高度,检测液位数据,实施报警安全提示,当水体液位低于用户设定的值时,系统自动打开泵上水,当水位到达设定值时,系统自动打开排水泵。2 设计方法和原理设计方法和原理2.1 水塔水位的控制原理水塔水位的控制原理单片机水塔水位控制原理如图l所示，图中的虚线表示允许水位变化的上、下限位置。在正常情况下水位应控制在虚线范围之内。为此，在水塔内的不同高度处，安装固定不变的3根金属棒A、B、C。用以反映水位变化的情况。其中，A棒在下限水位B棒在上、下限水位之间，C棒在上限水位(底端靠近水池底部不能过低，要保证有足够大的流水量)。水塔由电机带动水泵供水。单片机控制电机转动，随着供水，水位不断上升当水位上升到上限水位时，由于水的导电作用。使B、C棒均与+5 V连通。因此B、C两端的电压都为+5 V，即为“l”状态，此时应停止电机和水泵工作，不再向水塔注水；随着水量的减少，当水位处于上、下限之间时。B棒和A棒导通而C棒不能与A棒导通，B端为“1”状态。C端为“0”状态。此时电机带动水泵给水塔注水，使水位上升，或是电机不工作，水位不断下降，都应继续维持原有工作状态；当水位处于下限位置以下时，B、C棒均不能与A棒导通，B、C均为“0”状态。此时应启动电机转动，带动水泵给水塔注水，然后重复原来单片机原理及系统课程设计报告2的过程，这就是简单的水位控制原理。5VABCR1R2图1 水位控制原理 2.2 总体设计方案总体设计方案系统的原理是采用 8 个按钮进行水位检测，在现场的 3 个不同的位置，由下至上测量水体的液位值。并把这八个液位状态通过模数转换器传到单片机中（在本系统中采用开关的打开与闭合来模拟）,在通过 3 位七段 LED 显示器显示出液位的八种状态并通过 LED 灯报警提示。当水位过低（在 3 水位）时灯就会变亮，当水位较高（在 7 水位时）等也会变亮，用来让用户察觉。在水位过高和过低时电磁阀都会自动的抽水或排水，其具体的抽水和排水位置可以设定，此系统中采用的是 7 水位和 3 水位。3 硬件设计硬件设计3.1 硬件设计方案硬件设计方案系统方案设计液位控制是利用把液位的利用来管进行模拟，再通过 AT89C51把输出状态直接接到单片机的 I/O 接口，单片机经过运算控制，输出数字信号，输出接口接 LED 进行显示,实现液位的报警和键盘的显示与控制。由下图可观察到水位由键盘控制输入以后，通过 AT89C51 单片机的运算控制，在通过 LED 进行显示,通过报警装置进行报警,报警显示之后再通过对阀门的开启实现对水体的液位进行调节控制,阀门的驱动设备是电动机。图 2 即是液位控制系统。单片机原理及系统课程设计报告3单片机AT89C51复位和晶振开关模拟水位数码管显示水位LED灯亮电机转动图 2 水位控制系统分析3.2 主芯片主芯片 AT89C51本系统采用 AT89C51 作为主要芯片， AT89C51 是一种带 4K 字节 FLASH存储器的低电压、高性能 CMOS 8 位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000 次。该器件采用 ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中， ATMEL 的AT89C51 是一种高效微控制器。 AT89C51 单片机为很多嵌入式系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。在本系统设计中采用 AT89C51 作为主要的芯片，它具有 P0、P1、P2、P3四个 I/O 口，每个口又有 8 个接口，32 个接口可以满足外接电路的需要，更方便的显示系统。本设计中采用了单片机 AT89C51 的 P0、P1、P3 口，分别完成了显示和控制以及报警功能的实现。下图为单片机 AT89C51 的引脚图。单片机原理及系统课程设计报告4XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U1AT89C51图 3 AT89C51 引脚图3.3 光报警及显示电路光报警及显示电路 图 4 所示为系统的光报警及显示电路，三段 LED 数码管于单片机的 P0-P7 口相连，同时排阻的把根线也连在单片机的 P0 口上，作为上拉电阻。234567891RP1 RESPACK-8D1LED-RED 图 4 光报警及显示电路单片机原理及系统课程设计报告53.4 键盘连接电路键盘连接电路键盘连接电路如图 5 所示，八个键盘 k1-k8 分别与单片机的 p1 口的 p1-p7 相连，这八个键盘的按下与否用来模拟的是水位的高低，k1 键代表水位最低点，k8键代表的是水位最高点，当 k1 键按下时，指示灯亮，电机正转，开始加水，一直加水至水位 7（即 7 键按下时） ，电机开始停止转动，并反向转动抽水，水位开始降低，直至到达 3 水位，灯亮电机开始自动加水，加水水位可以由用户自己设定，本系统中采取的是 3 水位便开始加水，7 水位开始抽水。本系统采用的是独立式键盘结构，每个按键单独占用一根 I/O 口线，每个按键的工作不会影响其它 I/O 口线的状态。它软件是采用查询式结构，首先逐位查询每根 I/O 口线的输入状态，如某一根 I/O 口线输入为低电平，则可确认该 I/O 口线所对应的按键已按下，然后，再转向该键的功能处理程序。图 5 键盘连接电路3.5 复位电路复位电路系统的复位电路如图 6 所示。复位电路中上端于单片机的复位引脚相连，下面与与 EA 端相连，要使 CPU 只访问外部程序存储器（地址为 0000HFFFFH） ，则 EA 端必须保持低电平（接到GND 端） 。然而要注意的是，如果保密位 LB1 被编程，复位时在内部会锁存 EA 端的状态。当 EA 端保持高电平（接 Vcc 端）时，CPU 则执行内部程序存储器中的程序。其复位电路部分用来对系统进行复位操作，末端与单片机的复位相连，按下复位键，当振荡器运行时，在该引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。单片机原理及系统课程设计报告6R11kR2 1kC11uF图 6 复位电路3.6 晶振电路晶振电路晶体振荡电路的两个端口分别连接在单片机的 XTAL1 和 XTAL2 上。晶振电路的作用是为本系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。晶振电路通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。C210pC310pX1 CRYSTAL图 7 晶振电路4 4 软件设计软件设计4.14.1 程序流程图及其分析程序流程图及其分析水位检测是通过 7 个按钮进行水位检测的，当水位到检测位置其输出端口就向单片机输出低电平。由上至下的第一个位置为水位上限报警线，即当水位高于此位置时，开水阀控制系统就会自动报警，提醒工作人员注意，加水电磁阀有可能出故障；第二个位置是自动停止加水线，即当水位高于此位置时，控制系统会自动关闭加水电磁阀，停止加水；第三个位置是自动加水线，即当水位低于此位置时，控制系统会自动接通加水电磁阀，开始加水；第四个位置是水位下限报警线，即当水位低于此位置时，控制系统就会自动报警，提醒工作人员。本设计的一个较大的优点是可以设置多个水位，既用户可根据自己需要设定加水时的水位。单片机原理及系统课程设计报告7根据所分析的该系统的具体功能，可以画出该系统的流程图，流程图应该尽量力求简便，而且从中可以较容易的看出设计者的目的，充分的了解所需设计的系统的功能，从而根据流程图编写程序。开始水位过低水位低水位高水位很高结束灯亮电动机加水电动机停止加 水灯亮NYNYNYN图 8 水位控制流程图单片机原理及系统课程设计报告85 系统仿真及实际调试系统仿真及实际调试5.1 元器件清单元器件清单7SEG-COM-CAT- GRNLED 数码管AT89C1单片机BUTTON按钮CAP电容 G2RL-1A-CF-DC5继电器2N6609三极管 CAP-ELEC陶瓷电容CRYSTAL31 兆晶振 LED-RED发光二极管MOTOR电机 RES电阻RESPACK-8排阻 5.2 系统调试及仿真系统调试及仿真将所有的硬件按照上面所说的方法连接起来，将源程序在 keil c 中生成.hex 文件，放在在 proteus 中连接好的电路图中，运行，则可得到正确的结果。R11kXTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U1AT89C51+88.82 3 4 5 6 7 8 91RP1 RESPACK-8D1LED-REDR2 1kC11uFC210pC310pX1 CRYSTAL图 9 水位控制系统仿真图6 总结总结 设计过程中我遇到了很多的困难，因为知识是不连贯的，所以需要准备很多方单片机原理及系统课程设计报告9面的知识去融合，去联系。由于在学习的时候更注重的是书面上的东西，而本次课程设计更多的是锻炼了我的动手动脑能力，让我有机会把课上学习的知识转化为可以在实际生产生活中应用的技术。本次课程设计的系统主要介绍了水体的液位检测控制，介绍了 AT89C51 单片机和其它一些单片机在液位控制系统中的应用，介绍了它们的引脚和在系统中的电路图，利用 LED 来进行信号的输出显示,我设计的硬件系统的结构简化,系统精度高，具有良好的人机交互功能,并设有液位报警，有问题立即就能发现。通过自动调节控制液位并实现水体的液位报警。液位控制在设定值上正常运行不需要人工干预，操作人员劳动强度小。通过本次课程