单片机课程设计 2.doc

辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 单片机原理及接口技术单片机原理及接口技术课程设计 论文 课程设计 论文 题目 题目 居民楼水箱水位控制装置设计 院 系 院 系 电气工程学院电气工程学院 专业班级 专业班级 自动化自动化104104 学学 号 号 100302118100302118 学生姓名 学生姓名 刘兴仓刘兴仓 指导教师 指导教师 签字 起止时间 起止时间 2012013 7 3 2013 7 123 7 3 2013 7 12 课程计设 论文 任务及评语课程计设 论文 任务及评语 院 系 电气工程学院 教研室 自动化 注 成绩 平时20 论文质量60 答辩20 以百分制计算 学 号 100302118 学生姓名刘兴仓专业班级自动化104 课程设计 论 文 题目 居民楼水箱水位控制装置设计 课程设计 论文 任务 课题完成的功能 设计任务及要求 技术参数课题完成的功能 设计任务及要求 技术参数 实现功能实现功能 以居民楼水箱控制为对象 设计一个居民楼水箱水位控制系统 选用 AT89C51 单片机作控制器 选择水位检测电路 上水控制电路和信号指示电路 一起构成居民楼水箱水位检测与控制系统 功能要求如下 1 选择 4 路液位传感器 检测水箱中 4 个不同高度的水位 最高水位 最低水位 控制上限 控制下限 根据水箱存水情况 进行上水自动控制 2 设计液位测量通道 当水位值低于下限时 进行上水 同时绿色指示灯亮 反之 当水位高于上限时 停止上水 绿色指示灯熄灭 3 当水位达到最高水位或最低水位时 黄色指示灯亮同时峰鸣器响 4 使用 2 位 LED 显示器来显示水位所处的位置 设计任务及要求设计任务及要求 1 分析系统功能 确定系统硬件组成 2 设计系统的硬件电路图 3 编写相应的软件 完成控制系统的控制要求 4 上机调试 完善程序 5 按学校规定格式 撰写 打印设计说明书一份 设计说明书应在 4000 字以上 技术参数技术参数 最高水位处于满水位的 80 位置 最低水位处于满水位的 10 位置 进度计划 1 布置任务 查阅收集资料 1 天 2 分析系统的控制功能 确定总体设计方案 1 天 3 系统硬件设计 3 天 4 按系统的控制要求 设计软件流程图及软件 2 天 5 上机调试 修改程序 1 天 6 撰写 打印设计说明书 1 天 7 答辩 1天 指导教师评语及成绩 平时 论文质量 答辩 总成绩 指导教师签字 年 月 日 摘 要 单片机是控制系统中核心组成部分 无论在生活中还是工业生产中 自动化中 扮演着相当重要的角色 生活用水问题常常为大家所关注 家庭用水设备也或不可 缺 如何能够方便快捷的用水也是居民用水迫切渴望 为解决此问题 特进行居民 楼水箱水位的设计 本次设计选用 AT89C51 单片机作控制器设计居民楼水箱水位检 测与控制系统 该系统能要求选择 4 路液位传感器 检测水箱中 4 个不同高度的水 位 最高水位 最低水位 控制上限 控制下限 根据水箱存水情况 进行上水自 动控制 设计液位测量通道 当水位值低于下限时 进行上水 同时绿色指示灯亮 反之 当水位高于上限时 停止上水 绿色指示灯熄灭 当水位达到最高水位或最 低水位时 黄色指示灯亮同时峰鸣器报警 此系统的设计既能够实现自动化控制居 民用水的问题 同时也能够快捷方便使用生活用水 关键词 单片机 控制 水箱水位 目 录 第一章 绪论 1 第二章 课程设计的方案 2 2 1 概述 2 2 2 系统组成总体结构 2 2 3 AT89C51 单片机引脚说明 3 2 4 振荡电路 5 2 5 复位电路 5 2 6 部分组成电路说明 6 1 水位采集电路 6 2 水泵电机控制电路 6 3 报警电路 7 第三章 硬件设计 8 3 1 硬件组成 8 3 2 硬件系统工作说明 9 第四章 软件设计 10 4 1 设计思路 10 4 2 程序设计 11 第五章 课程设计总结 13 参考文献 14 第一章 绪论 目前家庭用水系统多以单片机为控制核心来控制供水系统 来实现相应的用水 要求 本次设计采用 AT8951 单片机 也是一种常用的控制器 AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器 FPEROM Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory 的低电压 高性能 CMOS8 位微处理器 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 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 同时 AT89C51 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 第二章 课程设计的方案 2 1 概述 本次设计选用 AT89C51 单片机作控制器 选择水位检测电路 上水控制电路和 信号指示电路一起构成居民楼水箱水位检测与控制系统 该系统能要求选择 4 路液 位传感器 检测水箱中 4 个不同高度的水位 最高水位 最低水位 控制上限 控 制下限 根据水箱存水情况 进行上水自动控制 设计液位测量通道 当水位值低 于下限时 进行上水 同时绿色指示灯亮 反之 当水位高于上限时 停止上水 绿色指示灯熄灭 当水位达到最高水位或最低水位时 黄色指示灯亮同时峰鸣器响 使用 2 位 LED 显示器来显示水位所处的位置 2 2 系统组成总体结构 本系统主要是以 ATMEL 公司生产的单片机 AT89C51 芯片为核心元件 加上一些 外部元件 构成了硬件电路 AT89C51 是一种带 4K 字节 FLASH 可编程可擦 除 只 读 存 储 器 FPEROM Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory 的 低电压 高性能 CMOS 8 位微处理器 与标准的 MCS 51 指令集和输出管脚相兼 容 由于将多功能 8 位 CPU 和 FLASH 存储器组合在单个芯片中 所以 AT89C51 是一种高效的微控制器 本系统主要由 AT89C51 单片机 LED 显示电路 报警电路 水位采集电路及电 机控制电路等部分组成 系统框图如 1 所示 图 2 1 系统设计框图 水位 采集 电路 单片机 AT89C51 电机控制电路 LED 显示电路 报警电路 2 3 AT89C51 单片机引脚说明 VCC 供电电压 GND 接地 P0 口 P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I O 口 每脚可吸收 8TTL 门电流 当 P1 口的管脚第一次写 1 时 被定义为高阻输入 P0 能够用于外部程序数据存储 器 它可以被定义为数据 地址的第八位 在 FIASH 编程时 P0 口作为原码输入口 当 FIASH 进行校验时 P0 输出原码 此时 P0 外部必须被拉高 P1 口 P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流 P1 口管脚写入 1 后 被内部上拉为高 可用作输入 P1 口被外部下 拉为低电平时 将输出电流 这是由于内部上拉的缘故 在 FLASH 编程和校验时 P1 口作为第八位地址接收 P2 口 P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 口缓冲器可接收 输 出 4 个 TTL 门电流 当 P2 口被写 1 时 其管脚被内部上拉电阻拉高 且作为输 入 并因此作为输入时 P2 口的管脚被外部拉低 将输出电流 这是由于内部上拉 的缘故 P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时 P2 口输出地址的高八位 在给出地址 1 时 它利用内部上拉优势 当对外部八位地 址数据存储器进行读写时 P2 口输出其特殊功能寄存器的内容 P2 口在 FLASH 编程 和校验时接收高八位地址信号和控制信号 P3 口 P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I O 口 可接收输出 4 个 TTL 门 电流 当 P3 口写入 1 后 它们被内部上拉为高电平 并用作输入 作为输入 由于外部下拉为低电平 P3 口将输出电流 ILL 这是由于上拉的缘故 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口 如下表 2 1 所示 表 2 1 P3 口的第二功能 口管脚引脚名 备选功能 P3 0RXD 串行输入口 P3 1TXD 串行输出口 P3 2INT0 外部中断 0 P3 3INT1 外部中断 1 P3 4 T0 记时器 0 外部输入 P3 5 T1 记时器 1 外部输入 P3 6 WR 外部数据存储器写选通 P3 7 RD 外部数据存储器读选通 RST 复位输入 当振荡器复位器件时 要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时 间 ALE PROG 当访问外部存储器时 地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地 位字节 在 FLASH 编程期间 此引脚用于输入编程脉冲 在平时 ALE 端以不变的 频率周期输出正脉冲信号 此频率为振荡器频率的 1 6 因此它可用作对外部输出 的脉冲或用于定时目的 然而要注意的是 每当用作外部数据存储器时 将跳过一 个 ALE 脉冲 如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0 该引脚被略微拉高 如果 微处理器在外部执行状态 ALE 禁止 置位无效 此时 ALE 只有在执行 MOVX MOVC 指令是 ALE 才起作用 另外 PSEN 外 部程序存储器的选通信号 在由外部程序存储器取指期间 每个机器周期两次 PSEN 有效 但在访问外部数据存储器时 这两次有效的 PSEN 信号将不出现 EA VPP 当 EA 保持低电平时 则在此期间外部程序存储器 0000H FFFFH 不管是否有内部程序存储器 注意加密方式 1 时 EA 将内部锁定为 RESET 当 EA 端保持高电平时 此间内部程序存储器 在 FLASH 编程期间 此引脚也用于施加 12V 编程电源 VPP XTAL1 反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入 XTAL2 来自反向振荡器的输出 AT89C51 引脚图如图 2 2 图 3 1AT89C51 引脚图 2 4 振荡电路 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 C1 和 C2 引脚 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 2 12MHZ 在 使用外部时钟时 XTAL2 用来输入外部时钟信号 而 XTALI 接地 晶振电路如图 2 3 图 2 3 晶振电路 2 5 复位电路 为确保微机系统中电路稳定可靠工作 复位电路是必不可少的一部分 复位电 路的第一功能是上电复位 一般微机电路正常工作需要供电电源为 5V 5 即 4 75 5 25V 由于微机电路是时序数字电路 它需要稳定的时钟信号 因此在电源 上电时 只有当 VCC 超过 4 75V 低于 5 25V 以及晶体振荡器稳定工作时 复位信号 才被撤除 微机电路开始正常工作 复位电路电路如图 2 4 图 2 4 上电复位图 2 6 部分组成电路说明 1 1 水位采集电路水位采集电路 水位检测电路主要由 N555 时基电路构成 A B 两处为水箱上限和下限警戒水 位检测点 NE555 的输出端 3 脚与单片机 p1 0 口连接 单片机通过 p1 0 口重复采 集检测水位 实际工作时 当水位低于 B 点时 NE555 的 2 脚 6 脚电压小于 1 3VCC 3 脚为高电平 p1 0 口检测信号为高 当水位升至 A 点时 2 脚 6 脚为高 电平 3 脚为低电平 p1 0 口检测信号为低 当水位处于 AB 点之间时 由于 R1 的 作用使得 2 脚 6 脚电压为 1 3VCC 至 2 3 之间 3 脚保持原态 这样 由水箱水位引 起的变化能被单片机及时采集 实现水位自动控制 水位采集电路见图 2 2 图 2 2 水位采集电路 2 2 水泵电机控制电路水泵电机控制电路 本系统采用交流电机控制水泵的启停 主要通过一个常开触点继电器进行控制 P1 7 为电机启动命令输出口 当水位达到下限水位 B 点时 p1 0 检测信号为高 p1 7 应为高电平输出 控制 Q1 导通 继电器导通工作 K1 闭合 电机工作 水泵向箱 内注水 同理 当水位达到上限水位 A 点时 p1 0 检测信号为低 p1 7 应为低电平 输出 控制 Q1 截止 继电器停止工作 K1 断开 电机停机 向水箱内供水停止 水位介于 AB 点之间时 p1 0 检测信号保持 从而使继电器维持原态 水位得以保 持 电机控制电路见图 2 3 图 2 3 电机控制电路 3 3 报警电路报警电路 为了避免系统发生故障时 水位失去控制造成严重后果 在超出 低于警戒水位时 报警信号从高低水位电极 AB 两点获得并由 p1 1 p1 2 口输入 当达到上限水位时 AB 两点淹没通过水与 5v 电源相连 p1 1 1 p1 3 1 蜂鸣器报警 同时控制电机停 止或启动 第三章 硬件设计 3 1 硬件组成 硬件系统由居民楼常用水箱 液位传感器 继电器以及 AT89C51 单片机及各部 分相关器件 AT89C51 为核心控制器件 AT89C51 单片机是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器 FPEROM Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory 的低电压 高性能 CMOS8 位微处理器 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 AT89C51 单片机见图 3 1 图 3 1 AT89C51 单片机 液位传感器 PT500 601 采用进口扩散硅感压芯片及 PT100 温度传感器 可液位 及温度同时采集 选进的贴片工艺 具有零点 满量程补偿 温度补偿 高精度和 高稳定性放大集成电路 全封焊结构 抗冲击 耐疲劳 可靠性高 通信采用 RS485 通信协议 半双工工作方式 最高通讯速率 57600BPS 结构小 外径最小 可达 26mm 介质温度可达 350 度 连接方式螺纹 法兰 快速接口 毛细管等 采 用简单的 ASCII 码命令格式 方便使用 最高采样速度 10 次 秒 液位传感器见图 3 2 图 3 2 PT500 601 液位传感器 3 2 硬件系统工作说明 时钟信号由 AT89C51 的 18 脚和 19 脚输入 复位信号由 9 脚输入 采集的 水位信号由 P1 1 P1 0 输入至单片机 AT89C51 处理 在水箱的不同高度 安装三 根带有 PT500 601 液位传感器金属棒 A 棒接的是 5 V 电源 B 棒 C 棒分别代 表水位的上下限 P1 7 口控制继电器的吸合与断开 P1 2 口控制报警器的工作 图 3 5 是系统整体原理图 图 3 5 系统整体原理图 第四章 软件设计 4 1 设计思路 单片机 AT89C51 通过检测到的水位信号 根据系统的不同要求编写相应的单片 机工作程序进行处理 得出结果判断是否要启动或停止电机的运转以达到对水位的 控制 同时驱动显示电路来显示当前水位所处的状态 首先 电路采用接触式水位 拾取信号 在水箱的不同位置安装三根金属棒 内置液位传感器 来感知水位的变 化 直接利用金属棒采集水位信号 然后由单片机 AT89C51 对测得的水位信号进行 判断 根据判断结果 单片机输出相应的控制信号控制继电器的动作 进而控制电 当水箱的水位 并采用不同色彩的发光二极管显示相应的水位 当水位值低于下限 时 进行上水 同时绿色指示灯亮 反之 当水位高于上限时 停止上水 绿色指 示灯熄灭 当水位达到最高水位或最低水位时 黄色指示灯亮同时峰鸣器响 水箱 水位检测控制程序框图如图 4 1 图 4 1 水箱水位检测控制程序框图 开始 准备检测液位状态 P1 0 0 P1 7 1 启动 适中 LED 亮 CLE P2 2 P1 7 0 3s 延时程序 在超出 低于警戒水位时 报警信号从高低水位电极 AB 两点获得并由 p1 1 p1 2 口输入 当达到上限水位时 AB 两点淹没通过水与 5v 电源相连 p1 1 1 p1 3 1 蜂鸣器报警 同时控制电机停止或启动 系统报警程序流程图见图 4 2 图 4 2 系统报警程序流程图 4 2 程序设计 按照系统要求编写源程序如下 ORL P2 0FH 初始化 SETB P1 7 关闭水泵 SETB P1 2 关闭报警器 ANL P1 03H 为检查水位状态做准备 MOV A P1 P1 口读 JNB ACC 0 LOOP1 当 P1 0 0 则转 JB ACC 1 LOOP2 当 P1 1 1 则转水满状态下的程序 SETB P1 7 使 P1 7 1 使停止电机工作 P1 1 1 检测状态位 开始 P1 3 1 报警 P1 2 1 SETB P1 2 关闭报警器 CLR P2 3 水满 LED SETB P1 2 关闭报警器 CLR P2 2 适中 LED 亮 CLR P1 7 P1 7 0 使启动电机工作 SETB P1 2 关闭报警器 CLR P2 1 欠水 LED 亮 SETB P1 7 P1 7 1 使停止电机工作 CLR P1 2 报警器响 CLR P2 1 欠水 LED 亮 CLR P2 0 故障 LED 亮 ACALL DELAY 调用 3s 延时子程序 SETB P1 2 关闭报警器 LOOP4 AJMP LO