基于单片机的水位控制器设计(共17页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上分数： 评语：专业综合实验报告(Part )题目：基于单片机的水位控制器设计学 生 姓 名：学 号：指 导 教 师：二一六年一月专心-专注-专业 1 绪论1.1 实验课题来源与背景1.1.1 课题来源在武汉大学动力与机械学院自动化系本科生的教学课程中，安排学生学习了自动控制理论、智能化仪器仪表原理与应用等课程，学生已初步掌握了单片机的基本原理以及水位控制的系统。在此基础上，为增强学生的自主动手操作与实际解决问题的能力，将学到的知识与实践相结合，故将学生专业综合实验课题定为“基于单片机的水位控制器设计”。1.1.2 课题背景在生产领域中，实现水位自动检测和控制是工业过程

2、控制的一项关键技术，对于提高工业过程控制的自动化水平有着重要的意义。在生活领域中，供水方式过去一般是通过人工来实现控制，容易造成对水资源的浪费，所以现在人们越来越关注水资源的问题。目前，水位控制系统是受到广泛应用的供水系统，水位控制可以有多种实现方法，如机械控制、逻辑电路控制、机电控制、传感器控制等，但传统的控制方式存在控制精度低、能耗大、不能实现连续控制和跟踪水位的特点，采用单片机对水位进行控制，不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点，而且可以大幅提高被控水位的技术指标，从而大大提高控制的效果，更加符合人们的预期。1.2 实验内容针对水箱水位自动控制系统，要求设计一个基于单片机的控制器，其完

3、成过程需要以下步骤：1、学习水箱水位自动控制系统的工作过程，了解控制器所需的功能及要求。2、学习单片机的各部件的工作原理和工作过程。3、学习Proteus 的使用方法。4、参考AT89C51单片机开发板设计水位控制器，并利用 Proteus绘制电路原理图和 PCB 板图。1.3 实验目的和要求1.3.1 实验目的1、培养掌握、使用实用电子线路、计算机系统设计、仿真软件的能力。2、提高读图、分析线路和正确绘制设计线路、系统的能力。1.3.2 基本要求1、了解原理图设计基础、了解设计环境设置、学习 Proteus 软件的功能及使用方法。2、掌握绘制原理图的各种工具、利用软件绘制原理图。3、掌握编辑

4、元器件的方法构造原理图元件库。4、熟练掌握手工绘制电路版的方法。5、掌握绘制编辑元件封装图的方法，自己构造印制板元件库。6、了解电路板设计的一般规则、利用软件绘制原理图并自动生成印制板图。1.4 实验所需相关知识1.4.1 水箱水位自动控制系统水箱水位自动控制系统如图 1.1。图1.1 水箱水位自动控制系统设定水位上、下限，到达或超过上限时，电动机停止转动，到达或低于下限时，电动机开始转动。1.4.2 AT89C51单片机（控制器）AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memor

5、y）的低电压、高性能CMOS8位单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100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，AT89C2051是它的一种精简版本。89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。单片机结构功能如下：8位CPU4kbytes程序存储器(ROM) (52为8K)128bytes的数据存储器(RAM) （52有256bytes的RAM）32条I/O口线111条指令，大部分为单字节指令21个专用寄

6、存器2个可编程定时/计数器5个中断源，2个优先级（52有6个）一个全双工串行通信口外部数据存储器寻址空间为64kB外部程序存储器寻址空间为64kB逻辑操作位寻址功能双列直插40PinDIP封装单一+5V电源供电CPU：由运算和控制逻辑组成，同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器；RAM：用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据；ROM：用以存放程序、一些原始数据和表格；I/O口：四个8位并行I/O口，既可用作输入，也可用作输出T/C：两个定时/记数器，既可以工作在定时模式，也可以工作在记数模式；五个中断源的中断控制系统；一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串

7、行I/O口，用于实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通信；片内振荡器和时钟产生电路，石英晶体和微调电容需要外接。最佳振荡频率为6M12M。2 系统设计流程2.1 设计内容及要求设计内容：根据题目要求的指标，通过查阅有关资料，确定系统设计方案，并设计其硬件电路，绘制电路原理图，并绘制 PCB 板。设计要求：在水箱内部设计一个简易的水位探测器用来探测三个水位，即：低水位、正常水位、高水位。低水位时送给单片机一个高电平，驱动水泵加水，红灯亮；正常水位时，水泵加水，绿灯亮；高水位时，驱动水泵停止工作，黄灯亮。用两个开关按钮的状态来表示水位的变化，即按钮的接通和断开状态分别用数字0、1表示，从而实现实

8、际的仿真功能。2.2 系统设计方案流程图1、 原理图设计流程，如图 2.1。图2.1 原理图设计流程2、PCB设计流程图，如图2.2。图2.2 PCB 设计流程图2.3 Proteus生成PCB具体操作流程 1、 绘制电路原理图，并仿真调试。2、 加载网络表及元件封装。进入Proteus的ARES界面，通过工具导网络图表到ARES，系统会自动添加元件封装。3、 规划电路板并设置相应参数。1） 选择Board Edge选项，在绘图工具栏，绘制方框按钮。2） 进行元件布局，布线并调整。4、 输出及制作PCB单击Output选项中的Set Output Area选项，按住鼠标左键并拖动，选择要输出的

9、版图，在打印布线层和布局层时，分别进行不同的设置。3 原理图设计3.1 Proteus概述Proteus是世界上著名的EDA工具()，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种。Pro

10、teus软件具有其它EDA工具软件（例：multisim）的功能。这些功能包括：1原理布图2PCB自动或人工布线3SPICE电路仿真另外，Proteus具有一些独特的特点1互动的电路仿真用户可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。2仿真处理器及其外围电路可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。配合的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus建立了完备的电子设计开发环境。Proteus具有丰富的资源用于仿真1Proteus可提供的

11、仿真元器件资源：仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件，有30多个元件库。2Proteus可提供的仿真仪表资源 ：示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用。3除了现实存在的仪器外，Proteus还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似，但功能更多。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。这些都尽可能减少了仪器对测量结果的影响。4Proteus可提供的调试手段 Proteus提供了比较丰富的测试信

12、号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。3.2 电路原理图所用元器件介绍3.2.1 水位检测传感器传感器是一种能感受被测物体物理量并将其转化为便于传输或者处理的电信号的装置。在现代科技领域中，传感器得到了广泛的应用，各类信息的采集均可见到传感器的身影，传感器的基本功能在于能感受外界的各种“刺激”，并作出迅速反应。在实验中，我们采用的传感器较为简单，其外形轮廓如图3.1：图3.1 水位检测传感器实验仿真中，我们用按钮开关来作为传感器的原始状态即用按钮的状态来表示传感器的传输的数据。3.2.2 复位电路的设计如图3.2所示，复位电路由两个电容串联后再晶振片并联组成：图3.2 单片机复

13、位电路图3.2.3 光报警电路的设计实验中，光报警电路的设计用不同颜色的发光二极管表示不同水位的情况，来作为报警信号。当红灯亮，其他两灯不亮，表示是低水位状态，此时需要启动水泵加水；当绿灯亮其他两灯不亮，表示在正常的水位线内，此时水泵不停止工作，继续向水箱加水；当黄灯亮，其他两灯不亮，表示高水位状态，水泵停止工作，不向水箱加水；若出现其他情况，则表示系统出现故障，三灯均不亮，马达不转动。光报警电路的设计路图如图3.3所示：图3.3 光报警电路原理图电路中采用共阳极连接，只有当单片机给发光二极管为低电平时才能推动发光二极管点亮，其中R2、R3、R4为上拉电阻，起限压控流作用。3.2.4 泵的简介

14、及泵的相关参数泵，一种用以增加液体或气体的压力，使之输送流动的机械，是一种用来移动液体、气体或特殊流体介质的装置，即是对流体作功的机械。 主要有容积式泵：利用工作腔容积周期变化来输送液体；叶片泵：利用叶片和液体相互作用来输送液体。水泵具有不同的用途，不同的输送液体介质，不同的流量、扬程的范围，因此，它的结构形式当然也不一样，材料也不同，概括起来，大致可以分为：1 、城市供水 2 、污水系统 3 、土木、建筑系统 4 、农业水利系统 5 、电站系统6 、化工系统 7 、石油工业系统 8 、矿山冶金系统 9 、轻工业系统 10 、船舶系统。水泵的参数主要有：1、流量流量是泵在单位时间内输送出去的液

15、体量（体积或质量）。体积流量用Q表示，单位是：m3/s，m3/h，l/s等。质量流量用Qm表示，单位是：t/h，kg/s等。2、扬程扬程是水泵所抽送的单位重量液体从泵进口处（泵进口）到泵出口处（泵出口法兰）能量的增值。也就是一牛顿液体通过泵获得的有效能量。其单位是Nm/N=m，即泵抽送液体的液柱高度，习惯简称为米。3、转速转速是泵轴单位时间的转数，用符号n表示，单位是r/min。4、又叫净正吸头，是表示汽蚀性能的主要参数。汽蚀余量国内曾用h表示。5、功率和效率水泵的功率通常是指输入功率，即原动机传支泵轴上的功率，故又称为轴功率，用P表示；泵的有效功率又称输出功率，用Pe表示。它是单位时间内从泵

16、中输送出去的液体在泵中获得的有效能量。4 设计原理和电路图4.1 设计原理4.1.1水位控制原理当水位处于低水位时，传感器的低水位探测线淹没，被+5V电压源导通，取得一个高电平信号，此信号被送入单片机的P1.0口，另一个传感器没有被电源导通，所以在P1.1口依然输入低电平，通过单片机的分析，在P1.2口输出一低电平，驱动红灯亮，P1.5输出一个信号马达导通，从而是马达转动，水泵加水。当水位处于正常范围内时，水泵加水，在P1.3引脚输出一个低电平，使绿灯亮，马达不停止工作，继续加水。当水位在高水位区时，传感器的两根探测线均被淹没，均被+5V电源导通，送入单片机，经单片机分析，在P1.4引脚出来一

17、个低电平，使黄灯亮，在P1.5引脚出来一个输出一个低电平，不能是马达导通，马达不转动，水泵不能加水。出现其他情况，则表示系统出现故障，三灯均不亮，马达不转动。4.1.2 系统结构图系统结构图如图4.1：图4.1 水位控制系统结构图采用单片机AT89C51作为控制芯片，主要过程是当高塔中的水在低水位时，水位探测传感器送给单片机一个高电平，然后单片机驱动水泵加水，并且是红灯变亮；当水位在正常水位时，水泵加水且绿灯亮；当水位在高水位时，单片机不能驱动水泵加水，黄灯亮。当出现其他情况时，表示系统出现故障。在实验中，直接用单片机驱动小马达来代替实际电路中配合单片机驱动继电器线圈控制实际水泵工作。4.1.

18、3 控制方案说明单片机技术是信息时代用于紧密测量的一种新技术，系统使用过程中采用稳压电路，能够准确地把输入电平送入单片机而不会产生误判的情况，由于单片机AT89C51有四个端口，20引脚，能够非常方便地设计显示系统。4.1.4 元件清单实验所用元件清单如表4.1表4.1 实验所用元件清单4.1.5 电路原理图本控制系统的电路原理图总览见附录。4.2 PCB 板图将电路原理图通过Protues生成 PCB 并导出三维视图。PCB图总览见附录。三维视图见附录。5 实验总结由于这学期在准备研究生入学考试，做实验的时间有点仓促，很多细节有做的不到位的地方。但是通过此次为期三周的实验，我基本上完成了实验

19、。在实验最开始的时候我打算用Altium Designer来完成PCB的封装，但由于之前没用过这款软件，实验准备的时间又有点紧凑，最终选择了曾经学过，有一定基础的Protues来完成实验原理图的绘制及PCB的封装。在准备实验的过程中，我查阅的相关资料，遇到不太理解的地方与同学进行的讨论，最终独立完成了实验及实验报告的撰写。在这次实验中我了解到了 PCB 电路板的设计流程，并且掌握用Protues进行 PCB设计的一般方法。通过不断动手操作实验，我锻炼了理论与实践相结合的能力。虽然在设计过程中，遇到不少难题，但是每个问题我都虚心请教同学，积极查阅相关资料，在讨论中解决了遇到的每一个难题。通过这次实验，我进一步认识到科技软件对我们学习和实践的帮助，通过仿真不断地进行调试，可以使我们减少很多实际中可能会犯的错误。作为一名自动化专业的学生，要养成缜密的思维习惯和学科思维，要主动学习，积极进行实践，将课本上的知识与实际相结合，从而获得更真实的感悟。最后，感谢张世荣老师、张荣老师和陈正老师在实验前期给予的耐心指导和帮助!附录：实验电路原理图附录：PCB图附录三：三维视图