水位控制毕业设计.doc

第一章 绪论1.1毕业设计的意义 在工业生产中, 对温度控制系统的要求, 主要是保证炉温按规定的温度工艺曲线变化, 超调小或者求不高。无超调, 稳定性好, 不振荡, 对系快速性要 求不高。 本文浅析了单片机电阻控温系统设计过程及实现方法。热电偶将炉温变换为模拟电压信号, 经低通滤波滤掉干扰信号后送放大器, 信号放大后送模/ 数转换器转换为数字量送单片机。同时, 热电偶的冷端温度也由IC 温度传感器变为电压信号, 经放大和转换后送单片机。通过检测锅炉温度的来实现自动控制外部设备的运行,如当传感器检测到水温过高时,转换成电压经过模/数转换送入单片机,通过比较程序输出信号控制光电耦合器的通短来控制继电器的输入电流通短,再通过继电器来控制外部设备如水泵的运行情况。温度过低时关闭输出,而关闭水泵的输入即减少了冷水吸收热量,当温度升高后又打开水泵,这样实现循环控制.而通过数码显示我们可以观看锅炉各个点的温度,来判断运行是否正常.同时通过各点的温度的纪录和出产品的纪录可以计算出该系统在某段时间是否起到了节能的作用.所以本设计对节能控制有着很大的意义.1.2 设计要求及单片机的定义及其特点 本设计的控制任务要求用单片机实现,数码管显示. 单片机是将RAM,ROM,定时器/计数器以及输入/输出(I/O)接口电路等计算机主要部件集成在一块芯片上,这样所组成的芯片级微型计算机称为单片微型计算机,简称单片微机或单片机.由于单片机的硬件结构与指令系统都是按工业控制要求设计的,常用于工业的检测和控制当中,因而也称为是微控制器或嵌入式控制器.单片机的特点:1.具有优异的性能价格比;2.集成度高,体积小,可靠性高;3.控制功能强;4.低电压,底功耗.1.3 软件设计要求及特点 在设计过程中我们采用了软件和硬件双结合的的设计方法，而软件的设计简化了硬件要求。在本设计中软件主要有五个方面的应用，它们分别为：数据采集，显示程序，键盘控制和水泵控制。数据采集主要完成温度的采集和数据的处理，显示则是把要显示的温度用七段数码显示出来，而键盘程序则是使其相应的键完成相应的工作和要求，水泵控制则是检测水泵的运行和水位。第二章 水位控制2.1.基本要求控制水箱的水位去趋近指定目标值，水位指定范围为105CM，控制精度0.4C实测水位用十进制数码显示。2.2.1.控制原理：虚线表示允许水位变化的上下限。水塔由电机带动水泵供水，单片机控制电机转动以达到对水位控制的目的。当水位上升，达到上限时，因水导电，B、C棒连通+5V。b、c均为“1”，应停止电机和水泵的工作，不再供水；当水位降到下限时，B、C棒都不能与A棒导电。 b、c均为“0”，应启动电机，带动水泵工作，给水塔供水；当水位处于上下限之间时，B与A棒导通。 b为“1”， c为“0”，无论怎样都应维持原有的工作状态。2.2.2、控制电路：上下限水位信号由P1.0和P1.1输入，这2个信号共有4种组合状态：输入输出操作C(P1.1)B(P1.0)P1.2(电机)P1.3(报警)0001电机运转011维持原状100故障报警1111电机停转0：电机工作1：电机停止控制信号由P1.2端输出，去控制电机。为了提高控制的可靠性，使用了光电耦合；由P1.3输出报警信号，驱动一支发光二极管进行光报警。2.2.2水塔水位控制电路设计水位自动控制电路 这里有一个水塔模型，如图（一）4261所示，水箱是用透明有机玻璃胶合而成（或用现成的透明塑料盒），箱内插入一块金属板（代表箱体的金属外壳），金属板上装有两根塑料包皮的硬导线，分别作为高、低液位的探针，图中的“1”、“2”、“3”三端分别与高、低液位探针和金属板相通，“4”、“5”是离心式水泵模型电动机的接线端。水塔水箱里的水位由继电器来控制，这只继电器的原理结构如图（一）4262所示，它的线圈有放大作用，将6、7两端放入水中而不直接接触，继电器线圈即可导通而使衔铁动作。继电器的衔铁可以控制两把闸刀，每刀都有常开、常闭触点各一对。请你设计连接好电路，使得水塔水位低于低液位探针时，抽水机工作；当水位上升到高液位探针时，抽水机停止工作；当水位下降时仍不工作，直到水位低于低液位探针时，重又工作。继电器线圈放大电路如图（一）4263，所示。2.3 数码管与LED显示模拟水位高度由15个双色发光二极管（LED）来完成，共分为4组。在某一特定时刻，每组LED与一个数码管一起被选通（4组LED对应4个数码管），两个8位的移位寄存器741S164级联，将单片机送出的2个字节串行数据转化为16位并行数据，分别送选通的LED和数码管。在不同时刻，系统对4组LED和数码管快速地循环扫描，就完成了面板显示的功能。2.3.1 相关芯片简介显示部分用到的芯片包括移位寄存器74LS164、数据缓冲器74LS244以及多路开关CD4051。下面就74LS164和74LS244作简单介绍。 （1）移位寄存器74LS164。74LS164引脚定义如图2.3所示，起真值表如表2.2所示，其功能是将外部输入的串行数据转化为8位的并行数据输出具有锁寸功能。A、B端为串行数据输入端，QA QH，CLK为外部时钟输入端，CLR为清零端。74LS164在高电平输出时，为并行数据输出端其输出最大电流为0.4mA；低电平输出时，其输出最大电流为8mA,不足以驱动数码管或发光二极管正常工作，所以在本设计中外加数据缓冲器以增大驱动能力。表2.2 74LS164真值表输入输出CLEARCLOCKA BQA QB QHLX X XL L LHL X XQA0 QB0 QH0H H HH QAn QGnH L XL QAn QGnH X LL QAn QGn注 QA0、 QB0、QH0为在稳态输入条件建立之前QA 、QB 和QH相应的电平；QAn 、QGn 为在最近的时钟转换前QA或QG的电平，表示移1位。（2）数据缓冲器74LS244。74LS244 缓冲器常用作三态缓冲或总线驱动，+5V供点，其高电平时输出最大电流可达15mA,低电平输出时最大电流可达24mA,足以驱动数码管和LED工作。74LS244共8个输入输出通道，通过门控端G1和G2来选择其通断，其功能原理及引脚如图2.4所示。 图2.4 74LS244内部结构及引脚图从图中可以看出，当引脚1G为低电平时，输入通道1A1A4与输出通道1Y11Y4连通；当引脚1G为高电平时则截止。同理引脚2G控制着输入通道2A12A4与输出通道2Y12Y4的通断。2.3.2显示部分工作原理首先介绍一下双色二极管的功能和用法。如图1.5所示，1个双色二极管有3个引脚，引脚1、2均为信号“+”端，引脚3为GND端（信号“”端）。引脚电平（TTL电平）与LED显示颜色如表1.6所示。引脚1引脚2二极管状态00熄灭01绿色10红色11混合色表1.5 双色二极管功能表图1.5 双色二极管外观图 数码管及LED显示电路如图1.6所示，RC5口作为串行数据的同步时钟端，与74LS164的数据输入端相连；RC3口作为串行数据的同步时钟端，与74LS164的同步时钟输出端均与SPI方式时端口一样；实际应用中，若不用SPI方式，而用第5章中提到的模拟数据串行口时，可以用任何普通I/O端口代替）。两片移位寄存器74LS164的并行数据输出端则分别与两片数据缓冲器74LS244的输入端相连，RD7口作为数据缓冲器74LS244的门控信号输出端，控制74LS244的通断。图1.6 数码管和LED显示电路每4个双色二极管和1个数码管一组，二极管的8个信号“+”端分别与第一片74LS244的8位数据输出端相连，数码管的8位数据输入端分别与第二片74LS244的8位数据输入端相连，每组二极管和数码管的GND端都与CD4051的1个输入通道相连，CD4051的输出端与系统的“地”相连。RE0RE1口作为地址译码输出端口，用于多路开关CD4051的4路通道选择，每一时刻只有一组共4个二极管和1个数码管被选通，其GND端同系统的“地”构成通路，其他的二极管与数码管则不能构成通路。每向74LS164传送完两个字节共16位数据，通过RD7口使能74LS244，将数据送到二极管和数码管的输入口，然后通过RE0RE1口打开一条通道，则被选通的数码管和二极管就会按照接收的数据进行相应的显示。不断地发送新数据并利用CD4051循环的扫描4个通道，则所有的二极管和数码管 就会持续的发光显示。 另外由一个双色二极管作为报警灯，RD5口与二极管的引脚1相连，RD4口与二极管的引脚2相连。2.4 信号采集近年来.微机测控系统.特别是单片机在工业自动化，生产过程控制，智能化仪器仪表等领域的应用越来越深入和广泛。 这使得传感器的应用更为显著,测温传感器就是将温度信息转换成易于传递和处理的电信号的传感器,测温传感器的选择及合理使用是微机测温系统中设计的关键。同理液位传感器是将液位信号转换成易于传递和处理的电信号。2.4.1 测温传感器测温传感器的分类:电阻式传感器,半导体温度传感器,晶体温度传感器,非接触型温度传感器,热电式传感器,光纤温度传感器,液压温度传感器和智能温度传感器。2.4.2 传感器的详细说明现在主要运用的电阻式传感器和智能温度传感器,所以这里做介绍:1.热电阻式传感器是利用导电物体的电阻率随温度而变化的效应制成的传感器, 它分为金属热电阻和半导体热电阻两大类. 常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻,铂热电阻的特点是物理化学性能稳定.尤其是耐氧化能力强,测量精度高.测温范围宽.有很好的重现性, 但价格较贵, 而铜热电阻价格便宜.测温范围小.通常用于测量精度不高的场合, 半导体热敏电阻具有电阻温度系数大.型小体轻,热惯性小,稳定可靠,价格便宜,结构简单等特点.半导体温度传感器按半导体电阻随温度变化的特点又分为负电阻温度系数热敏电阻,正电阻温度系数热敏电阻和临界温度电阻器.2.智能温度传感器由于在一个芯片上集成有温度传感器,处理器,存储器和A/D转换器等部件.因此,这类传感器具有判断和信息处理能力, 并可对测量值进行各种修正和误差补偿.同时还带有自诊断,自校准功能,可大大提高系统的可靠性.并能和计算机直接联机.根据此设计的要求可发现智能传感器的测量范围不够,而且价格较贵所以选择电阻式传感器.2.4.3 电阻式传感器其型号和规格如下:高精度微型铂热电阻温度传感器1：技术性能描述 产品性能符合IEC751-1995和JIS有关标准。 测量温度范围 -50450 分度号 Pt100 Pt1000 精度等级 A, B 外型设计符合用户各种安装需要 采用日本Pt100，Pt1000薄膜铂热电阻元件 探头保护管直径 5， 6 公称压力 1.6MPa 电缆直接出线，便于与其它电器设备连接。2：应用范围 该产品适用于电讯机房，电力机房电缆连接头过热保护等测温和控制领域 狭小空间工业设备测温和控制。特别是对温度测量精度要求比较高的科研领域和工业领域更适合.3：产品型号与规格 型 号 测温范围 分度号 安装孔 电缆长度 TSP-100 -40450 Pt100 1.5m 4：精度与等级 精 度 0时的阻值允许偏差 ( ) A +/- (0.15+0.002t) +/- 0.06 B +/- (0.3+0.005t) 0 +/- 0.122.4.4 模数转换A/D转换器件的选择主要取决与温度的控制精度，本设计中的A/D转换由集成电路ADC0809完成。A/D转换器分类及性能指标。A/D转换器是将模拟量转换成数字信息接口电路,按工作原理分为:逐位比较型,并行比较型,双积分型,电压频率型及计数比较型等ADC0809转换器的内部结构如下： 图10 ADC0809转换器的内部结构ADC0809是逐次逼近型8位转换芯片,具有8路模拟输入端口， ADC0809芯片采用多路模拟开关,允许8路模拟量分时输入,共享一个A/D转换器完成转换。模拟输入通道选择地址及转换结果均有锁存译码器。下图为引脚图： 图11 ADC0809转换器的引脚它的主要引脚及功能如下：INO-IN7: 8个模拟通道输入端D0-D7: 8位数字量转换结果输出端ADDA,ADDB,ADDC :模拟通道选择路地址ALE: 路地址锁存信号输入端START:启动转换信号输入端，加上正脉冲后，A/D开始转换EOC:转换结束输出信号，转换开始后EOC信号变低；转换结束时，EOC信号返回高电平 OE:输出允许控制端，高电平时打开三态输出锁存器，输出转换结果CLK:芯片工作时钟信号VREF(+)与VREF(-)：芯片工作参考电压输入端2）.ADC0809转换器的特点ADC0809 芯片性能特点: 是一个逐次逼近型的A/D 转换器,外部供给基准电压;单通道转。换时间116us；分辨率为8 位,带有三态输出锁存器,转换结束时,可由CPU 打开三态门,。读出8 位的转换结果;有8 个模拟量的输入端,可引入8 路待转换的模拟量。.ADC0809 的数据输出结构是内部有可控的三态缓冲器,所以它的数字量输出信号线。可以与系统的数据总线直接相连。内部的三态缓冲器由OE 控制,当OE 为高电平时,三态。缓冲器打开,将转换结果送出;当OE 为低电平时,三态缓冲器处于阻断状态,内部数据对。外部的数据总线没有影响。因此,在实际应用中,如果转换结束,要读取转换结果,则只要在OE 引脚上加一个正脉冲, .ADC0809 就会将转换结果送到数据总线上。在本系统中，.ADC0809 在电路中的连接如下图所示，在模拟量之前加入滤波电路是为了使采集数据更加准确，对于模拟输入通道，还需要采用一些消除干扰的措施，这点在应用时需注意.。第三章软件设计3.1 整体设计3.3.1主程序流程图3.4.1主程序：ORG 0000HLJMP MAINORG 0003HLJMP INTAORG 0013HLJMP INTBORG 0030H 初始化；MAIN:MOV SP,#60H MOV A,#00H 清零 MOV 30H,A MOV 31H,A MOV 32H,A MOV 33H,A MOV 34H,A MOV 35H,A MOV 36H,A MOV 37H,A MOV 38H,A MOV 39H,A MOV 40H,A MOV 41H,A MOV 42H,A MOV 43H,A MOV 44H,A 单元清0处理； MOV 36H,#01H 进烟温度高八位； MOV 37H,#09H 进烟温度低八位 ； MOV 38H,#250 进烟温度下限值； MOV 39H,#100 水温上限值； MOV 40H,#70 水温下限值； CLR RS0 CLR RS1 选择工作寄存器组R0；LP3: LJMP LP1 LJMP LP2 LJMP LP3 跳入子程序和中断程序； SJMP$ END3.4.2 数据采集程序：LP1:MOV DPTR,#0EFF0H MOV R1 ,31H MOV R7,#04H 设置通道数；LOOP:MOVX DPTR,A 启动A/D转换器； MOV R6,#20H DJNZ R6,$ 延时等待； DLAY:JB P3.3,DLAY 查寻EOC，EOC=1则等待转换结束； MOVX A,DPTR读取转换结果； MOV R1,A转存在片内RAM当中； INC DPTR指向下一通道； INC R1修改数据指针； DJNZ R7,LOOP判断是否采集完毕； MOV A,31H数据转换； MOV B,#05H MOVL AB MOV 31H,A MOV 30H,BMOV R0,32HMOV R2,#03HLOOP1:MOV B,#05H MOV B,#05H MOV A,R0 MUL AB MOV R0,A INC R0 DJNZ R4,LOOP1 CLR C数据比较； MOV A,36HCJNZ A,30H,LOOP2 LOOP2:JB C,LOO3进烟温度上下限比较； MOV A,37H SUBB A,31H JB C,LOOP3 MOV A,30H JNE LOOP4 MOV A,31H SUBB A,38H JB C,LOOP3 LOOP4:MOV A,39H水温上下限值比较； SUBB A,34H JB C,LOOP3 MOV A,34H SUBB A,40H JB C,LOOP3 LJMP LOOP5 LOOP3:MOV P2报警； LOOP5:RET 返回；3.4.3 显示程序： LP2：MOV A,35H 数据BCD转换MOV B,#100DIV ABMOV 41H,AMOV A,BMOV B,#10DIV ABMOV 42H,AMOV 43H,BMOV 44H,30HMOV 44H,36HMOV A,45H JZ LOP1 判断高位上否有值，否转MOV A,43HADD A,#06HMOV B,#10DIV ABMOV 43H,BADD A,42HADD A,#05HMOV B,#10DIV AB MOV 42H,BADD A,41HADD A,#02HLOP1:ORL 41H,#10H ORL 42H,#20H ORL 43H,#40H MOV R0,40H MOV R1,#03H LOP2:MOV A,R0 显示数据 MOV P1,A MOV R3,#02HAGAIN:MOV R4,#0F8HDELAY:DJNZ R4,DELAY DJNZ R3,AGAINRET 返回3.4.4键盘程序：INTA:PUSH ACC 保护现场PUSH PSWPUSH DPHPUSH DPL JB P2.0,L0 判断流览键是否按下 MOV 35H,32H 中间温度显示 LJMP LP2 调用显示子程序L1:JB P2.0,L0 MOV 35H,33H 出烟温度显示LJMP LP2L2:JB P2.0,L1 MOV 35H,34H 产品水温度显示LJMP LP2 JB P2.0,L2LJMP L16 L0:JB P2.1,L16 判断设定键是否按下L6:JB P2.2,L4CLR C MOV A,37H 进烟上下限设定 ADD 36