简易水塔水位控制电路水位控制.docx

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除摘要随着社会的发展和人民生活水平的提高，对水位控制提出了更高的要求，要满足及时、准确、安全保证充足供水。如果仍然沿用人工方式，劳动强度大，工作效率低，安全性难以保障。这次课程设计学校要求我们设计一个简易水塔水位控制电路，我觉得具有很大的现实意义。使用该系统时，可以手动选择一组上、下限的组合，低于下限两个电机同时运转；水位在上、下限之间，一个电机运转；高于上限，两个电机都停止运转。此外，该电路还具有电机运转指示功能，显示水泵的工作状态。同时水深可以通过数码管显示出来。电路设计方案如下：本方案以单片机做为控制器，通过压力传感器MPXV5050GP S2探测水深，并输出05V的线性电压。再经过一个电压跟随器S3提高电路的输入阻抗。再经过一个串行输出的AD转换器PCF8591进行AD转换，转换后的数据送单片机进行处理。单片机通过与片内设定的数据比较，判断并进行继电器的吸合、断开。从而控制水泵的运行。由于本课程设计所采用的单片机为51单片机，其外部中断只有两个，因此需要进行中断的扩充。扩充中断后可以通过四个按键控制水位范围即上下限的调整，最终的结果送数码管显示。还可以通过观察LED灯的亮灭判断电机的转停。整个电路采用直流电源供电。由于采用单片机及集成压力传感器，该设计有较高的精度，水深探测深度可达5米，精度可达0.02米。程序运用C语言编程，主要由于C语言编程简单可移植性强等。1.电路设计原理1.1水位监测电路和水位范围测量电路图1.1水位监测电路和水位范围测量电路此电路直接采用集成压力传感器MPXV5050检测水深，并经过一个电压跟随器以提高输入阻抗。压力传感器的电压由直流电源供给。其中MPXV5050系列压力传感器是一类被广泛应用的硅压力传感器，尤其适用于具有AD输入的微处理器，其输出电压为0.24.7V，故不需放大可直接送AD进行处理。AD转换器采用philips公司生产的八位串行AD转换器PCF8591。由于本设计外接数码管显示数值，故单片机的I/O口占用较多。故不能采用并行输出的AD转换器。PCF8591是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bit CMOS数据获取器件。PCF8591具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行IC总线接口。PCF8591的3个地址引脚A0, A1和A2可用于硬件地址编程，允许在同个IC总线上接入8个PCF8591器件，而无需额外的硬件。在PCF8591器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向IC总线以串行的方式进行传输。但本设计只采用一个输入通道。经AD转换后的数据直接送单片机执行。本系统可检测范围1.2 单片机最小运行系统电路 图1.2单片机最小系统单片机最小控制系统由复位电路、内部时钟产生电路、上拉电阻、电源组成。其中当单片机复位引脚加上大于两个机器周期（即24个时钟振荡周期）的高电平就可复位。本复位方式包含自动上电复位和手动复位。上电自动复位是通过外部复位电路给电容C充电加至RST引脚一个短的高电平信号，此信号随着Vcc对电容C的充电过程而逐渐回落，即RST引脚上的高电平持续时间取决于电容C的充电时间。手动复位是通过按键在复位引脚上加一段持续的高电平。而自激振荡电路通过晶振与电容产生，构成单片机内部时钟方式。单片机P0口在使用时需外加上拉电阻。1.3水泵控制电路如下图1.3水泵控制电路本电路采用继电器控制交流电机运作，通过控制两个电机的停转来控制水位。两电机的电路接线图完全相同。由于单片机不能直接驱动继电器，所以要运用三极管来驱动继电器，继电器的两端加有保护二极管，用以防止继电器产生很大的感应电流而烧坏三极管。同时还加有led灯，当继电器吸合时led灯点亮。在三极管的基极加有限流电阻以保护三极管工作在安全状态。1.4显示电路如下 本方案采用数码管显示。由于数码管价格低廉、容易使用，并且能够达到所需结果。四连数码管用PNP三极管来驱动，通过单片机的P0口控制段选，P2口的低四位控制位选，采用动态显示模式。图1.4显示电路1.5外中断电路图1.5中断电路S51单片机为用户提供两个外部中断请求输入端，实际的应用系统中，两个外部中断根本不够用，因此需要对外部中断源进行扩充。上面是其中的一种扩充方法。如上它们均为高电平请求有效，不管哪一个按键请求（假设只有一个按键按下），单片机都会中断，再根据判断P24、P25、P26、P27判断具体哪一个中断。由此便可以对水位上下限进行调整，使之达到用户预期的结果。图1.6电源电路1.6电源电路模块 电源模块有变压器、整流桥、电容、稳压器、二极管等组成。其中变压器用于将220V交流电转变为18V输出。后接全波整流桥变为单方向的全波脉动波形。整流桥后边接了两个集成稳压器LM7812和LM7805，用以分别输出12V和5V电压。在稳压器的两端都接有二极管、电容和电解电容。电容用来实现频率补偿，防止稳压器产生高频自激振荡和抑制电路引入的高频干扰。电解电容用以减少稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰。其中二极管为保护二极管，当输入端短路时，给电解电容一个放电回路，防止电解电容两端电压作用于调整管的be结击穿而损坏。2.元器件简绍2.1压力传感器MPXV50502.1.1MPXV5050系列压力传感器MPXV5050系列压力传感器是一类被广泛应用的硅压力传感器，尤其适用于具有A/D输入的微处理器或微控制器系统。MPXV5050系列压力传感器采用了先进的微机械工艺、薄膜金属化和双极处理技术，因此能够提供高精度的，与所施加压力成正比的高电压模拟输出信号。2.1.2主要特点1 差压型和表压型可选2 085C范围内最大误差为2.5%。3适合与微处理器或微控制器系统接口。4温度补偿范围：-40+125C5 输出电压：0.24.7V6检测范围：050kpa。3.1.3外形图和引脚表 图2.1 MPXV5050MPX5050GP RatingSymbolValueUnitMaximum Pressure (P1 P2)Pmax200kPaStorage TemperatureTstg40 to +125COperating TemperatureTA40 to +125CTable 1. Maximum Ratings(1)CharacteristicSymbolMinTypMaxUnitPressure Range(1)POP050kPaSupply Voltage(2)VS4.755.05.25VdcSupply CurrentIo7.010mAdcMinimum Pressure Offset(3) (0 to 85C) VS = 5.0 VoltsVoff0.0880.20.313VdcFull Scale Output(4) (0 to 85C) VS = 5.0 VoltsVFSO4.5874.74.813VdcFull Scale Span(5) (0 to 85C) VS = 5.0 VoltsVFSS4.5VdcAccuracy(6) (0 to 85C)2.5%VFSSSensitivityV/P90-mV/kPaResponse Time(7)tR1.0-msOutput Source Current at Full Scale OutputIo+0.1-mAdcWarm-Up Time(8)20-msOffset Stability(9) 0.5-%VFSS表2.1 MPX5050GP的参数表PIN 1: N/C PIN 2: Vs PIN 3: GND PIN 4: Vout PIN 5: N/C PIN 6: N/C PIN :7N/C PIN 8: N/CVout=Vs(P0.018+0.04)(压力误差温度系数0.018Vs )其中Vs=5.00.25V。2.2 AD转换器PCF85912.2.1 PCF8591简绍PCF8591是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bit CMOS数据获取器件。PCF8591具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行IC总线接口。PCF8591的3个地址引脚A0, A1和A2可用于硬件地址编程，允许在同个IC总线上接入8个PCF8591器件，而无需额外的硬件。在PCF8591器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向IC总线以串行的方式进行传输。PCF8591的功能包括多路模拟输入、内置跟踪保持、8-bit模数转换和8-bit数模转换。PCF8591的最大转化速率由IC总线的最大速率决定。2.2.2 PCF8591 特性 单独供电 PCF8591的操作电压范围2.5V-6V 低待机电流 通过IC总线串行输入/输出 PCF8591通过3个硬件地址引脚寻址 PCF8591的采样率由IC总线速率决定 4个模拟输入可编程为单端型或差分输入 自动增量频道选择 PCF8591的模拟电压范围从VSS到VDD PCF8591内置跟踪保持电路 8-bit逐次逼近A/D转换器 通过1路模拟输出实现DAC增益 AIN0AIN3：模拟信号输入端。 A0A3：引脚地址端。 VDD、VSS：电源端。 （2.56V） SDA、SCL：I2C 总线的数据线、 时钟线。 OSC：外部时钟输入端，内部时钟输出端。 EXT：内部、外部时钟选择线，使 用内部时钟时 EXT 接地。 AGND：模拟信号地。 AOUT：D/A 转换输出端。 VREF：基准电源端。2.3电磁继电器的工作原理和特性 电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。这样吸合、，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；于接通 状态的静触点称为“常闭触点”。 图2.2 继电器2.4单片机2.4.1主要性能l 与MCS-51单片机产品兼容l 8K字节在系统可编程Flash存储器l 1000次擦写周期l 全静态操作：0Hz33Hzl 三级加密程序存储器l 32个可编程I/O口线l 三个16位定时器/计数器l 八个中断源l 全双工UART串行通道l 低功耗空闲和掉电模式l 掉电后中断可唤醒l 看门狗定时器l 双数据指针l 掉电标识符2.4.2功能特性描述AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。2.5二极管二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于p-n 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0。当外加的反向电压高到一定程度时，p-n结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。p-n结的反向击穿有齐纳击穿和雪崩击穿之分。 图2.3 二极管实物图2.6三极管 半导体三极管也称为晶体三极管，可以说它是电子电路中最重要的器件。它最主要的功能是电流放大和开关作用。三极管顾名思义具有三个电极。二极管是由一个PN结构成的，而三极管由两个PN结构成，共用的一个电极成为三极管的基极(用字母b表示)。其他的两个电极成为集电极(用字母c表示)和发射极(用字母e表示)。由于不同的组合方式，形成了一种是NPN型的三极管，另一种是PNP型的三极管。三极管的种类很多，并且不同型号各有不同的用途。三极管大都是塑料封装或金属封装，常见三极管的外观，有一个箭头的电极是发射极，箭头朝外的是NPN型三极管，而箭头朝内的是PNP型。实际上箭头所指的方向是电流的方向。 图2.4 NPN型三极管符号BJT的开关作用对应于触点开关的断开和闭合。 如图1.1(a)所示为一个共发射极晶体三极管开关电路。(a)电路(b)工作状态图解图2.5 BJT的开关工作状态 图3.4.2(a)中BJT为NPN型硅管。电阻Rb为基极电阻，电阻Rc为集电极电阻，晶体三极管T的基极b起控制的作用，通过它来控制开关开闭动作，集电极c及发射极e形成开关两个端点，由b极来控制其开闭，c.e两端的电压即为开关电路的输出电压vO。当输入电压vI为高电平时，晶体管导通，相当于开关闭合，所以集电极电压vc0，即输出低电平，而集电极电流iCVCC/RC。当输入电压vI为低电平时，由图可见，晶体管截止，相当于开关断开，所以得集电极电流iC0，而集电极电压vcVCC，即输出为高电平。这就是晶体三极管的理想稳态开关特性。 晶体三极管的实际开关特性决定于管子的工作状态。晶体三极管输出特性三个工作区，即截止区、放大区、饱和区,如图3.4.2(b)所示。 如果要使晶体三极管工作于开关的接通状态，就应该使之工作于饱和区；要使晶体三极管工作于开关的断开状态，就应该使之工作于截止区，发射极电流iE=0，这时晶体三极管处于截止状态，相当于开关断开。集电结加有反向电压，集电极电流iC=ICBO，而基极电流iB=-ICBO。说明三极管截止时，iB并不是为0，而等于-ICBO。基极开路时，外加电源电压VCC使集电结反向偏置，发射结正向偏置晶体三极管基极电流iB=0时，晶体管并未进入截止状态，这时iE=iC =ICEO还是较大的。 晶体管进入截止状态，晶体管基极与发射极之间加反向电压，这时只存在集电极反向饱和电流ICBO，iB =-ICBO，iE=0，为临界截止状态。进一步加大基极电压的绝对值，当大于VBO时，发射结处于反向偏置而截止，流过发射结的电流为反向饱和电流IEBO，这时晶体管进入截止状态iB = -(ICBO+ IEBO)，iC= ICBO。 发射结外加正向电压不断升高，集电极电流不断增加。同时基极电流也增加，随着基极电流iB 的增加基极电位vB升高，而随着集电极电流iC的增加，集电极电位vC却下降。当基极电流iB增大到一定值时，将出现vBE =vCE的情况。这时集电结为零偏，晶体管出现临界饱和。如果进一步增大iB ，iB增大，使得集电结由零偏变为正向偏置，集电结位垒降低，集电区电子也将注入基区，从而使集电极电流iC随基极电流iB的增大而增大的速度减小。这时在基区存储大量多余电子-空穴对，当iB继续增大时，iC基本维持不变，即iB失去对iC的控制作用，或者说这时晶体管的放大能力大大减弱了。这时称晶体管工作于饱和状态。一般地说，在饱和状态时饱和压降VBE(sat)近似等于0.7V，VCE(sat)近似等于0.3V。由图3.4.2 (a)可看出，集电极电流iC的增加受外电路的限制。由电路可得出iC的最大值为ICM= VCC/ RC。晶体管进入饱和状态，基极电流增大，集电极电流变化很小，iC=ICS=(VCC-VBE(sat)/RC晶体管临界饱和时的基极电流IBS=ICS/=(VCC-VBE(sat)/RC 。心得体会虽然这次课程设计内容繁多，过程繁琐但我的收获却更加丰富。各种系统的适用条件，各种设备的选用标准，各种元件的安装方式，我们都是随着设计的不断深入而不断熟悉并学会应用的。还我们了解专业知识的同时也对本专业的发展前景充满信心，无论给水系统还是排水系统，都采用了一些新的技术和设备，他们有着很多的优越性，但同时也存在一定的不足，这些不足在一定程度上限制了我们的创造力。比如设计在节约水能源上就有很大的不足，在这个能源紧缺节能被高度重视的社会中，这无疑是很让我们感到遗憾的，可这些不足正是我们去更好的研究更好的创造的最大动力，只有发现问题面对问题才有可能解决问题，不足和遗憾不会给打击只会更好的鞭策我们前行，今后我们会多关注新技术新设备新工艺的出现，并争取尽快的掌握这些先进的知识。 电子课程设计是我们学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次比较完整的水塔水位的自动控制系统设计，我们摆脱了单纯的理论知识学习状态，和实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，解决实际工程问题的能力，同时也提高了我们查阅文献资料，设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我们很多方面的能力得到了锻炼，经验得到了丰富，分析能力，效仿能力，抗压能力及耐力也得到了不同程度的提升。这是我们希望看到也是进行课程设计的目的所在。参考文献1瞿丹晨, 曹柏荣 . 基于单片机的无线水位测量控制系统期刊论文-中文核心期刊微计算机信息.2 包敬海， 侯昭武， 吴国辉. 基于AT89S52单片机设计智能锅炉控制系统【期刊论文】中国科技信息.3 蔡黎. 一种基于