水箱单片机控制设计

电气工程系 毕业设计论文 题 目 水箱单片机控制设计 专业名称 学生姓名 指导教师 毕业时间 1 摘 要 . 1 第一章 绪论 . 4 箱控制系统的研究意义 . 4 箱控制系统发展现状 . 4 第二章 80片机水箱控制系统原理 . 6 箱给水设备系统原理 . 6 第三章 80片机水箱控制系统硬件设计 . 8 0片机水箱控制系统硬件简介 . 8 据采集及处理模块 . 8 电隔离简介 . 13 水泵电机主控回路介绍 . 14 0箱控制系统主控硬件部署方案 . 15 0片机实现系统功能说明 . 15 4片实现系统功能说明 . 15 片实现系统功能说明 . 17 第四章 80片机水箱控制系统程序设计 . 21 序概要设计 . 21 统程序原理 . 21 统主程序原理以及流程框图 . 21 动模式子程序原理以及流程框图 . 22 第五 章 总结与展望 . 26 致 谢 . 27 参考文献 . 28 1 摘 要 大型水箱是很多公司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进行操作的，这样的人工方式带来了很大的弊端，比如水位的控制，时刻监控水箱的环境，夜间的监控等等，操作员稍有疏忽，或者简易的监则器件损坏，将带来无法弥补的损失，更严重的会危机到生产人员的人身安全等。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 8051 单片机为核心控制水箱的水位，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，比较符合电厂生产用水系统控制的需要。 关键词 ： 单片机 水位 控制 报警 2 80a of to of of on of of In of by to so a of as at to so on of or to of be in as of of if of be in of of of of is of 051 as to in of 3 is to in to of 4 第一章 绪论 箱控制系统的研究意义 大型水箱是很多公司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进行操作的，这样的人工方式带来了很大的弊端，比如水位的控制，时刻监控水箱的环境，夜间的监控等等，操作员稍有疏忽，或者简易的监则器件损坏，将带来无法弥补的损失，更严重的会危机到生产人员的人身安全等。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。 从水资源节约方面考虑，以往的人工控制在很多情况下，造成资 源不必要的浪费，大部分原因是水箱内部水位没有及时的反馈信息到操作员，从而使控制上有一定的延迟，从而造成了水量过多或者没能及时补水而导致资源的浪费或生产出现异常。而对水箱水位的监控以及自动化的引入可以很好的改善补水过多和及时补水的情况，可以很好的节约资源有效的降低成本。 单片机，一小块芯片上集成了一个微型计算机的各个组成部分，它的诞生使众多自动化控制系统得以实现。 80它功能强大，设计简单，制造廉价，支持指令集较多。所以应用到众多嵌入式系统开发中。 因此，基于 80片机的水箱控制系统研究有着重要的 意义。 箱控制系统发展现状 目前，水箱控制系统已不仅仅局限于大型的电厂、煤炭、钢铁等大型企业领域，它以自身的自动化控制系统的安全优势，已经慢慢深入到一些民用水箱产品。但是目前阶段，它的成本还很高。比如把一台纯手工家用水箱设计成自动化控制的水箱，从硬件的设计和铺设，对于民用化产品实施的性价比较高。因此大规模的使用仍受到经济上的限制。 5 但是，从长远来看，随着自动化技术的改进和硬件成本的降低，以及人们对资源浪费的重视。水箱控制系统仍然有大规模推广的前景。 我国仍然处于生产型发展中国家，所有几乎在能源相关的 所有领域中，水箱是比不可少的部件，即使是发达国家也不例外。它性能的优良与否关系直接关系到企业的生产安全和效益。随着我国嵌入式技术的发展，我国控制系统技术已经达到国际水平，但是在中小型企业以及民用产品，大量的水箱控制任然通过专职的人员进行控制。随着我国单片机开发技术的逐渐成熟，以及单片机生产成本的下降，基于单片机的水箱控制系统应用到中小型以及民用产品有着交大的发展空间。而且越来越多的水箱生产厂商开始聘用单片机开发人员和电路设计人员，将控制系统成为水箱设计的一部分，以提高自身产品的安全性能和科技含量来提高产品在 市场中的竞争力。 6 第二章 80片机水箱控制系统原理 箱给水设备系统原理 水箱给水设备系统由两台给水泵机组、水箱和三只浮球开关组成，其系统结构如图 2 图 2箱给水系统结构 其中 给水泵机组， 别为水位高、水位低、水位低低浮球开关，当水位高（大于 90 开度）时， 合，当水位低（小于 75开度）时， 合，当水位低低（小于 50 开度）时， 合。 0片机控制系统原理 0片机控制部分结构说 明 本系统采用 8051 单片机，引脚具体控制 1如下： 和 为输入输出检则信号和控制信号。 下面是 8051 芯片引脚具体分配： 位低低输入信号。（低 0，高 1） 位低输入信号。（低 0，高 1） 位高输入信号。（高 1，低 0） 动与自动转换输入信号。（手动 1，自动 0） 7 动 制输出信号。（手动 1，自动 0） 动 制输出信号。（手动 1，自动 0） 关状态输入信号。（开 0，关 1） 关状态输入信号。（开 0，关 1） 位低低报警输出信号。 位低报警输出信号。 位高报警输出信号。 动起动 入信号，低电频有效动作。 动起动 入信号，低电频有效动作。 动停 入信号，低电频有效动作。 动停 入信号，低电频有效动作。 0片机水箱控制系统工作原理 当水 箱水位低时，起动 水，水位上升到 90%，停 当水箱水位低低（小于 50%）时，同时起动 当水位上升到 50%以上 70%以下时，停 续运行到水位上升到 90%以上才停止工作。 经过数据统计 2，得到以下数据： 水位从 50%两台泵运行需要约 10 分钟； 水位从 70%一台泵运行需要约 15 分钟。 水箱的水位一般保持在 70% 报警控制如下： 当水位高与 90 开度的时候，由传感器经变送器发送信号， 合，系统水 位高报警。 当水位低于 75 开度的时候，由传感器经变送器发送信号， 合，系统水位低报警。 当水位低与 50 开度的时候，由传感器经变送器发送信号， 合，系统水位低低报警。 手动 /自动模式转换控制如下： 8 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。 手动的模式下，两台给水泵的运行控制可由人工自己操作。 第三章 80片机水箱控制系统硬件设计 0片机水箱控制系统硬件简介 据采集及处理模块 单片机是则量系统数据交换的中心，该系统采用的是 80片机 7，全静态工作时振荡器频率为 0 12 目前， 8051 单片机在工业检则控制领域中得到了广泛的应用，因此我们可以在许多单片机应用领域中，配接各种外部设备，完成工业自动化的实现。 89司生产的一种单片机，在一小块芯片上集成了一个微型计算机的各个组成部分。每一个单片机包括：一个 8 位的微型处理器 个 256K 的片内数据存储器 内程序存储器 个 8 位并行的 I/O 接口 个定时器 /记数器；五个中断源的中断控制系统；一个全双工 串行 I/O 口；片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接。最高允许振荡频率是 12上各个部分通过内部总线相连接。下面简单介绍下其各个部分的功能。 中央处理器 单片微型计算机的指挥、执行中心，由它读人用户程序，并逐条执行指令，它是由 8 位算术逻辑运算部件 (简称 定时控制部件，若干寄存器 A、 B、 5P 以及 16 位程序计数器 (数据指针寄存器 (主要部件组成。算术逻辑单元的硬件结构与典型微型机相似。它具有对 8 位信息进行 +、 -、 x、 / 四则运算 和逻辑与、或、异或、取反、清“ 0”等运算，并具有判跳、转移、数据传送等功能，此外还提供存放中间结果及常用数据寄存器。控制器部件是由指令寄存器、程序计数器 时与控制电路等组成的。指令寄存器中存放指令代码。枷执行指令时，从程序存储器中取来经译码器译码后，根据不同指令由定时与控制电路发出相应的控制信号，送到存储器、运算器或 IO 接口电路，完成指令功能。程序计数器 程序计数器 来存放下一条将 9 要执行的指令，共 16 位可对以 K 字节的程序存储器直接寻址 c 指令执行结束后， 数器自动增加，指向下一条要执行 的指令地址。 数据存储器， 内为 128B,片外最多可外扩 64据存储器来存储单片机运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等。片内的 128B 的 高速 形式集成在单片机内，可以加快单片机运行的速度，而且这种结构的 可以降低功耗。 程序存储器， 来存储程序， 80 4果片内只读存储器的容量不够，则需要用扩展片只读存储器，片外最多可以扩展到 64 中断系统，具有 5 个中断源， 2 级中断优先权。 定时器 /计数器，片内有 2 个 16 位的定时器 /计数器，具有 4 种工作方式。在单片机的应用中，往往需要精确的定时，或对外部事件进行计数，因而需在单片机内部设置定时器 /计数器部件。 串行口， 1 个全双工的串行口，具有 4 中工作方式。可用来进行串行通信，扩展并行 I/O 口，甚至与多个单片机相连构成多机系统，从而使单片机的功能更强且应用更广。 特殊功能寄存器， 有 21 个，用于 片内各功能部件进行管理、控制、监视。 单片机的时序功能： 时钟电路 80内设有一个由反向放大器所构成的振荡电路， 别为振荡电路的输入端和输出端。 时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。采用内部方式时，在 脚上接石英晶体和微调电容可以构成振荡器， 振荡频率的选择范围为 1 212使用外部时钟时， 来输入外部时钟信号，而 地。 时序： 80片机的一个执器周期由 6 个状态 (成，每个状态又持续 2个接荡周期，分为 个节拍。这样，一个机器周期由 12 个振荡周期组成。 若采用 12晶体振荡器，则每个机器周期为 1个状态周期为 16一数情况下，算术和逻辑操作发生在 N 期间，而内部寄存 器到寄存器的 10 传输发生在 间。 对于单周期指令，当指令操作码读人指令寄存器时，使从 开始执行指令。如果是双字节指令，则在同一机器周期的 人第二字节。若为单字节指令，则在 51 期间仍进行读，但所读入的字节操作码被忽略，且程序计数据也不加 1。在加结束时完成指令操作。 多数 51 指令周期为 1 2 个机器周期，只有乘法和除法指令需要两个以上机器周期的指令，它们需 4 个机器周期。 对于双字节单机器指令，通常是在一个机器周期内从程序存储器中读人两个字节，但 令例外， 令是访问外部数据存 储器的单字节双机器周期指令，在执行 令期间，外部数据存储器被访问且被选通时跳过两次取指操作。下面是 80片机的振荡电路 6图如图 3 图 30荡电路原理图 引脚及其功能说明： 80片机的 40 个引脚 7中有 2 个专用于主电源引脚， 2 个外接晶振的引脚， 4 个控制或与其它电源复用的引脚，以及 32 条输入输出 I/O 引脚。 下面按引脚功能分为 4 个部分叙述个引脚的功能： 电源引脚 11 40 脚）：接 +5V 电源正端； 20 脚）： 接 +5V 电源正端； 外接晶振引脚 19 脚）：接外部石英晶体的一端。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成采用外部时钟时，对于 片机，该引脚接地；对于 片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。 18 脚）：接外部晶体的另一端。在单片机内部，接至片内振荡器的反相放大器的输出端。当采用外部时钟时，对于 片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。对于 片，该引脚悬空不接。 控制信号或与其它电源复用引脚有： 、 种形式 （ 1） 9 脚）： 为 以该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，就可实现复位操作，使单片机复位到初始状态。 当 低到低电平规定值或掉电时，该引脚可接上备用电源 +5V）为内部 电，以保证 的数据不丢失。 （ 2） P （ 30 脚）：当访问外部存储器时， 许地址锁存信号）以每机器周期两次的信号输出，用于锁存 出现在 （ 3） 9 脚 ):片外程序存储器读选通输出端 ,低电平有效。当从外部程序存储器读取指令或常数期间，每个机器周期 次有效，以通过数据总线口读回指令或常数。当访问外部数据存储器期间， 号将不出现。 （ 4） 31 脚）： 访问外部程序储器控制信号，低电平有效。 当 保持高电平时，单片机访问片内程序存储器 452 子系列为8若超出该范围时，自动转去执行外部程序存储器的程序。 当 保持低电平 时，无论片内有无程序存储器，均只访问外部程序存储器。对于片内含有 单片机，在 程期间，该引脚用于接 21V 的编程电源 输入 /输出（ I/O）引脚 、 、 及 ： 12 (1)39 脚 22 脚）： 0口。当不接外部存储器与不扩展 I/O 接口时，它可作为准双向 8 位输入 /输出接口。当接有外部程序存储器或扩展 I/O 口时， 数据分时复用口。它分时提供 8 位双向数据总线。 对于片内含有 单片机，当 程时，从 而当检验程序时，则输出指令字节。 (2)1 脚 8 脚）： 1口，可作为准双向 I/O 接口使用。对于 52 子系列单片机， 有第 2 功能： 计数器 2 的计数脉冲输入端 计数器 2 的外部控制端 于程和进行程序校验时， 位地址。 (3)21 脚 28 脚）： 2口，一般可作为准双向 I/O 接口。当接有外部程序存储器或扩展 I/O 接口且寻址范围超过 256 个字节时 ， 位地址总线送出高 8 位地址。对于 程和进行程序校验时， 位地址。 (4)10 脚 17 脚）： 3口。它为双功能口，可以作为一般的准双向 I/O 接口，也可以将每 1 位用于第 2 功能，而且 功能的输入输出或第 2 功能。 功能见下表 3 1片机 脚含义 引脚 第 2 功能 行口输入端 0） 行口输出端） 中断 0 请求输入端，低电平有效） 中断 1 请求输入端，低电平有效） 0（时器 /计数器 0 计数脉冲端） 1（时器 /计数器 1 数脉冲端） R（部数据存储器写选通信号输出端，低电平有效） D（部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效） 13 综上所述， 51 系列单片机的引脚作用可归纳为以下两点： (1)脚数少，因而许多引脚具有第 2 功能； (2) 总线形式，由 组成 16 位地址总线；由 分时复用作为数据总线。 80构图如图 3： 图 380构图 电隔离简介 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 8。 光电隔离是 半导体管敏感器件和发光二极管组成的一种新器件 ， 它主要功能是实现电信号的传送 。 输入与输出绝缘隔离 ， 信号单向传输 ， 无反馈影响 。 抗干扰性强 ， 响应速度快 。 工作时 ， 把输入信号加到输入端 ， 使发光管发光 ， 光敏 器件在磁光辐射下输出光电流 ， 从而实现电光点的两次转换 。 继电器隔离是用电信号控制继电器的机械触电来实现隔离控制。 输出通过继电器，控制水泵机组的起停和报警，其电路图如图 3 14 图 3统控制电路原理图 水泵电机主控回路介绍 给水泵电机主控回路 9图 3下： 图 3泵电机控制电路原理图 15 0箱控制系统主控硬件部署方案 该系统硬件主要由 80个 74。其原理图如下图 3图 30箱控制系统主控原理 0片机实现系统功能说明 80数据采集及处理模块核心，它主要完成系统对水位高低信号是否满足指标的信息采集，对采集到的水位信号通过系统程序进行对信号的判断等处理，根据采集信号的不同，驱动相应信号对应功能的引脚来实现对水箱水位的控制。 4片实现系统功能说明 741是一种带输出三态门的 8D 锁存器，其结构如图 3示。 16 图 374构示意图 引脚功能介绍： 7 为 8 个输入端； 7 为 8 个输出端； G 为数据锁存控制端； 当 G 为“ 1”时，锁存器输出端同输入端；当 G 由“ 1”变“ 0”时，数据输入锁存器中。 输出允许端； 当 “ 0”时，三态门打开； 当 “ 1”时，三态门关闭，输出呈高阻状态。 在该基于 80用 74，具体引脚连接如下： 其与 80接方法如下 80 742)3) 3)4) 4)7) 5)8) 6)13) 17 7)14) 8)17) 9)18) 30)11) / )、 0)接地 0)接 +5V 注：括号内位引脚编号 实际连接请参考图 3示。 其中输入端 7 接至单片机的 ，输出端提供的是低 8 位地址， G 端接至单片机的地址锁存允许信号 出允许端 地，表示输出三态门一直打开。 片实现系统功能说明 1芯片是 8K*8 字节的紫外线擦出、可编程只读存储器，单一 +5作电流为 75持为 35出时间最大为 250装为 28 引脚的双列直插式封装。如图 3示： 图 3 2764 结构图 18 各引脚含义为： 13 根地址线，可寻址 8K 字节； 数据输出线； 片选线； 数据输出通线； 编程脉冲输入端； 编程电影院； 住电源。 正常工作 (只读 )时， 5V， /5V。 编程时， 25V（高压 ） ,/加入宽度为 50负脉冲。 在本系统中， 片实现的是可编程 I/O 接口电路的扩展功能 ,具体引脚连接如下： 2764 与 80脚连线如下： 80 2764 2)11) 3)12) 4)13) 5)15) 6)16) 7)17) 8)18) 9)19) 1)25) 2)24) 3)1) 4)3) 5)2) 19 /9)E(22) /(20)接地 +5V 74 2764 引脚连接如下： 74 2764 ) 10) ) 9) ) 8) ) 7) 2) 6) 5) 5) 4) 4) 9) 3) 注：括号内位引脚编号 实际电路连接图如图 320 图 3于 80片机的水箱控制系统电路图 21 第四章 80片机水箱控制系统程序设计 序概要设计 本系统程序开发，使用的语言给汇编语言。程序实 现当水位处于 )、 )或 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 )。 统程序原理 统主程序原理以及流程框图 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手动模式，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； 若用户选择手动模式，则程序调用手动子程 序。 主程序原理框图如下图 4 4主程序原理框图 开始 初始化 自动？ 转自动 转手动 22 动模式子程序原理以及流程框图 自动模式子程序运行的前置条件是，系统开始运行，并且用户选择使用自动化控制模式。 自动模式子程序首先判断水位是否高 水位高于指标，则运行“水位高报警”程序，并返回主程序。若水位不高，则判断水位是否低 水位低，则试运行“水位低报警”程序。然后判断水位是否低低 若水位没有达到 指标，则试 判断“ 否开启”，若没有开启，则开启 “ 启”则判断“ 否开启”，若“ 启”，则程序运行“停止序；若“ 有开启”，则试程序运行“延迟 1 分钟”， 一分钟后程序“返回主程序”。 若水位达到水位 指标，则运行“水位低低报警”，然后程序判断“ 若“ 开启”则运行“ 启”程序；若“ 启”则程序判断“ 否开启”，若“ 开启”则运行“ 启”程序，若“ 启”，则运行“延迟一分钟”，一分钟后程序“返回主程序”。 自动模式子程序原理框图如图 4 23 图 4自动模式子程序原理框图 24 动 模式子程序原理框图以及流程框图 手动模式子程序运行的前置条件是，系统开始运行，并且用户选择使用自手动控制模式。 手动模式子程序中判断语句的条件是依据用户的具体操作。 手动模式子程序首先判断“水位是否 ，若水位 到指标，则程序返回主程序；若水位 达到指标，则程序运行“判断有无键合”： 若“判断没有键合”则子程序进行循环； 若“判断键合”，则程序判断“ 否键合”。 若用户操作“ 合”，则程序运行“判断 否开启”： 若“ 启 ” 则子程序进行循环； 若“判断 开启”，则程序运行“开启 若用户操作“ 键合”，则程序判断“ 否键合”： 若用户操作“ 合”，则程序运行“判断 否开启”； 若“ 启 ” 则子程序进行循环； 若“判断 开启”，则程序运行“开启 若程序判断用户均未进行“ 合”，则程序要判断“是否停止 合”：若用户操作“ 止键合”，则程序判断“ 否停止”； 若“ 止”，则子程序循环； 若“ 有停止”，则程序 运行“停止 若用户不操作“ 止键合”，则程序判断“是否停止 合”： 若用户操作“ 止键合”，则程序判断“ 否停止”，若“ 止”，则子程序循环； 若“ 有停止”，则程序运行“停止 手动模式子程序原理框图如图 4 25 图 4手动模式子程序原理框图 26 第五章 总结与展望 纵观我们现在生活的各个领域，从导弹的导航装置，到飞机上各种仪表的控制，从计算机的网络通讯与数据传输，到工业自动化过程的实时控制和数据处理，以及我 们生活中广泛使用的各种智能 、电子宠物等，这些都离不开单片机。以前没有单片机时，这些东西也能做，但是只能使用复杂的模拟电路，然而这样做出来的产品不仅体积大，而且成本高，并且由于长期使用，元器件不断老化，控制的精度自然也会达不到标准。在单片机产生后，我们就将控制这些东西变为智能化了，我们只需要在单片机外围接一点简单的接口电路，核心部分只是由人为的写入程序来完成。这样产品的体积变小了，成本也降低了 ， 长期使用也不会担心精度达不到了。所以，它的魔力不仅是在现在，在将来将会有更多的 人来接受它 、 使用它。据统计 ， 我 国的单片机年容量已达 3 亿片，且每年以大约 20%的速度增长，但相对于世界市场我国的占有率还不到 1%。特别是沿海地区的玩具厂等生产产品多数用到单片机，并不断地辐射向内地。所以 ， 学习单片机在我国是有着广阔前景的。 而在本次的毕业论是基于单片机的水箱控制系统，主要核心就是 80片机。通过这次设计，我综合运用大学四年所学知识去分析和解决问题，我深刻的了解和掌握了单片机的控制原理和设计方法。不仅加深和回顾了但单片机等专业知识而且积累到单片机控制技术在实际中的经验。 由于自身缺少在实践设计的经验，所以在这次的设计中 我自身也发现了很多不足的方面，从论文的本身的方面的结构到具体设计中硬件设计知识和经验的不足使得设计和论文存在的很多的问题，但是我的导师程老师的细心指导下，经过前后多次的修改和完善，最终完成了毕业设计的任务。 单片机控制技术领域是一个有着非常潜力和前景的专业技术