基于单片机的水处理控制器设计【毕业论文】

水处理控制器的设计,作者： 甄彩虹 指导老师： 伍 星,目 录,The Design Of A Water purified Controller绪 论第一部分 系统设计说明一.水处理控制器介绍二.系统的设计思路第二部分 工程模块的建立一.CPU的选择二.键盘控制三.复位四.中断 五，程序简析 第三部分 毕业设计的收获参考文献：,绪论,单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）简称单片机，它是把微型计算机的各个功能部件：中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、定时/计数器及I/O接口电路等集成在一块芯片上，构成一个完整的微型计算机。 单片机以其卓越的性能，得到了广泛的应用，已深入到各个领域。单片机在控制领域中，具有如下特点：单片机具有体积小、控制功能强、成本低等特点，因而可方便地组装各种智能式控制设备和仪器，做到机、电、仪一体化。易扩展，很容易构成各种规模的应用系统，为应用系统的设计和生产带来极大的方便。可靠性好，适用温度范围宽，在各种恶劣的环境下都能可靠工作，这是其他机种无法比拟的。可以方便地实现多机和分布式控制，从而使整个控制系统的效率和可靠性大为提高随着社会对环保工作的要求不断提高，以及工业对节能高效低耗的不断追求，水处理的新工艺新设备不断涌现。随之，对控制系统的要求也不断提高，由以往的手动控制改为自动控制。单片机由于其自身的特点使其在水处理控制领域有了很大的发展。,随着社会对环保工作的要求不断提高，以及工业对节能高效低耗的不断追求，水处理的新工艺新设备不断涌现。随之，对控制系统的要求也不断提高，由以往的手动控制改为自动控制。单片机由于其自身的特点使其在水处理控制领域有了很大的发展。此次设计的控制系统主要用于锅炉用水的软化。众所周知，自然界中的水中含有大量的钙，镁离子，这些阳离子使得水硬度很高，很容易在加入的时候沉淀出来，形成结垢现象，结垢不仅会使锅炉的效率降低，同时当结垢达到一定厚度时还会造成安全隐患，发生爆炸。因此国家有规定锅炉的用水必须经过软化处理后方可使用。 所以，本次毕业设计的对象为锅炉水处理控制系统的控制器。设计中选取的C8051F221器件是完全集成的混合系统级MCU芯片，使用Cygnal的专利CIP-51TM位控制器内核。CIP-51与8051完全兼容，结构上采用流水线结构，与标准的8051结构相比指令执行速度有很大的提高，而且在微控制器的内部和外部有几项关键性的改进，提高了整体性能，更易于在最终应用中使用。在设计中用可读性强的C语言在相应环境下进行程序设计，调试并进行仿真测试以实现所需功能。,第二章 系统设计说明,一. 水处理控制器的介绍 1. 水处理的工艺流程此控制器的控制对象为四工位平面阀为：松床位，再生位，置换位和清洗位。工艺流程示意图如下：1#为进水阀 3#为再生阀,松床1#开3#关,置换1#开3#关,清洗1#开3#关,再生1#开3#开,电机转动换位,电机转动换位,电机转动换位,电机转动换位,2.工作原理 系统可以通过手动控制实现换位，在正常工作状态下是自动运行的，换位是由电机转动完成。原理图如下：,3.人机界面 为了便于生产过程中的操作设计出相应的人机界面，使各过程可以在可视状态下进行。单片机的CPU及扩展应用的7289使界面的按键，数码管和指示灯控制相应的工作状态，显示相应工作过程。其示意图如下，其中复位键按下显示初始状态，选位键与键结合可选工位，确定键确定相应设定，键用来移位。,4.系统实现功能 4.1 具有记忆、保护功能停电時可自动记忆当前状态；来电時自动烣复停电前原状态继续运行；2）无电情况下，芯片内部数据可保存10年。4.2 具有水位自动检测、控制和自动报警、保护、提示功能当水位超高時，6秒后水位高限红灯亮，自动停运，水位恢复正常后红灯灭、系统进入保护、工位循环停止，直至水位降到设定低位，恢复工位循环，水位降至低于低位超过30秒，低限红灯亮，水箱缺水，但工位循环继续进行，提醒运行人员前去检查处理；自动电机定位，若电机转动换位过程中，被卡大于90秒，无霍尔元件到位信号，则过载灯亮，蜂鸣器发出警报声，工位循环停，提醒运行人员前去检查处理；选位功能，可随意的进行人为工位选择；复位功能，可立即清除当前数据，返回初始状态；键盘防误功能；（一）开、关机及复位按电源开关键，控制器自动按前次停机时记忆工位及剩余时间开始工作。再按电源开关键，控制器记忆当前状态，并停止工作。运行时，按住复位2秒不放，数码管显示RST，控制器各工位时间全置为出厂时设定的原始数据，从松床开始工作。（二）数码管显示和流程时间修改工位及流程代码表,三）工位时间修改流程时间修改时不用停止当前循环，可在任何运行状态或电机转动状态下进行，修改完成后按下确认键返回当前状态，在修改过程中，不会影响当前的运行状态。如果在修改状态下，15秒不触动任何键即返回当前状态。修改方法：1、定个位数字：按住 确认键2秒不放，左第1数码管显示流程代码，右边三位数码管显示该代码下的参数值，右边第1数码管“闪动”， 按“”键 ，每按一次，或按住不放，数字自0至9循环递增变化 ，松手即停，按到要设定的个位数字后松手； 2、定十位数字：按 “” 进位键，十位数字“闪动”，再按“”键，十位数字自0至9循环递增变化 ，按到要设定的十位数字后松手；3、定百位数字：方法同上； 4、进入下一个流程：再按确定键，左第1数码管显示下一个流程代码，再重复上面方法修改时间，直至6个流程时间修改完；5、进入运行状态：最后一个参数设置后，按确定键确认，这時左第1数码管显示原柱号，数码管停止闪动，进入原流程时间设定状态继续运行,6、参数设置无效：设置流程时间参数未全部完成，如果15秒内没有按下确定键，则程序自动返回运行状态显示，且本次参数设置无效,按原参数运行； 7、修改完后的流程时间不会立即见效，下一流程才按设定参数执行， 如果要使设定状态,立即进入运行，要按下面（三）选位方法，使它进入原柱号原工位，则控制器按新设置的参数运行。检查各流程时间方法: 按确定键 左第1数码管显示流程代码, 右边三个数码管显示该代码下的参数值，按一次确定键，进入下一流程，直到最后一流程参数，再按确定键，进入运行显示，如果15秒内后没有按下确定键 ，则自动返回运行显示。（四）选位操作1 、选位键作用：用手动方法使控制器显示工位与多路阀工位一致，或使它进入需要的工位排除电机卡住故障或电机转动换工位用；2 、选位操作按住选位键2秒不放，右边三个数码管中中间一个显示当前工位代码，左第1数码管显示柱号，即进入选位状态。按“”键，代码变到下一个，按下确定键，退出选位状态，就进入选定工位；3 、电机转位操作按选位键2秒不放，右边三个数码管中中间一个显示当前工位代码，按“”键，电机开始转动，直到霍尔发出到位信号，电机自动停止，按“”键代码变到下一个工位，按确定键，退出转位操作，返回运行状态；4、电机卡住故障处理电机卡住时，应先排除故障，再进行电机转位操作；5、同时进行选位和电机转位操作,在选位状态时，可同时进行选位和电机转位操作。当前在第一工位，要转换到第三工位，同时电机也要转位到第三工位，可进行如下的操作：按“”键，代码变为2，再按“”键，代码变为3；按下“”键，电机开始转动，直到霍尔发出到位信号，电机自动停止，再按一下“”键，电机开始转动，直到霍尔发出到位信号，电机自动停止，再按下确定键，退出转位操作，返回运行状态，控制器即第三工位开始运行。二.系统的设计思路1.设计方案 水处理控制器的功能框图如下所示,CPU,根据这个功能框图可以看出，单片机要完成的主要任务是通过I/O口实现键盘功能，通过I/O口和总线扩展实现显示功能，通过I/O口或A/D转换实现电机控制和水位检测功能。通过软件的中断设置和单片机外中断设置，来设置蜂鸣器和中断工作的优先级。2.设计步骤 (1).选择符合要求的器件 (2).充分了解个器件的功能和原理并掌握其实现电路（3）.设计电路（4）.程序设计,第二部分 工程模块的建立,一.选择 CPU 根据设计要求选择C8051F2XX系列器件型号为F221的单片机用CIP-51TM 微控制器内核。,1.总体结构,2.引脚定义及功能 C8051F221是32引脚的方形封装方式集成电路芯片，引脚排列如图：,程序设计中的定义 在程序设计中要对应用的I/O口引脚进行初始化，本设计应用到的输入输出端口有P0，P 1,P2,P3的部分口，原程序代码下： /CPU与7289通讯用端口定义sbit key=P22; sbit cs=P23;sbit clk=P20;sbit dio=P21;/ 输出部分定义sbit Mt=P00;sbit bFM=P24;sbit ZSF=P17; /3#再生阀,底电平继电器吸合sbit JSF1=P16; /1#进水阀，底电平继电器吸合/显示灯的定义sbit CDXD=P25; /清洗灯/输入部分端口定义sbit MPosCur1=P02;sbit MPosCur=P02;sbit WaterLS=P03;sbit WaterHS=P04;sbit WaterHS1=P04;sbit WaterLS1=P03;,二. 键盘控制器（ZLG7289）1.ZLG7289的主要特性,2.引脚图及功能介绍,3.应用电路及简析硬件设计中的电路设计如下：,为了使电源更加稳定，一般要在Vcc 到GND 之间接入47470uF的电解电容。J1 是ZLG7289B 与微控制器的接口。晶振Y1 取416MHz，调节电容C3 和C4 通常取值在10pF 左右。复位信号是低电平有效，一般只需外接简单的RC 复位电路，也可以通过直接拉低RST 引脚的方法进行复位。数码管必须是共阴式的，不能直接使用共阳式的。DPY1 和DPY2 是4 位联体式数码管，共同组成完整的8 位。数码管在工作时要消耗较大的电流，R9R16 是限流电阻，典型值是270。64 只按键中，左下角是K0，右上角是K63。为了使键盘扫描得以正常进行，下拉电阻R1R8 和位选电阻R17R24 是必须的。它们之间还要遵从一定的比例关系，比值在5:1到50:1 之间，典型值是10:1。下拉电阻取值范围在10100K，位选电阻取值范围在110K。在多数应用当中可能用不到太多的按键，建议按列裁减键盘，则相应列的位选电阻可以省略。但是下拉电阻一个都不能省去，除非完全不使用键盘。4. SPI 串行接口信号ZLG7289B 与微控制器的接口采用3 线制SPI 串行总线，由CS、CLK 和DIO 这3 根信号线组成。CS 和CLK 是输入信号，由微控制器提供。DIO 信号是双向的，必须接到微控制器上具有双向功能的I/O 上。SPI 信号线的具体意义请参见下表：,（1） SPI 总线时序图,5 控制指令详解,ZLG7289B 的控制指令分为单字节纯指令和双字节带数据指令两大类。,1） 单字节纯指令,所有这些指令的长度都是1 个字节。执行这一类指令时，不需要附带任何其它数据。,(1) 复位（清除）指令,(2) 测试指令,(3) 左移指令,(4) 右移指令,（5) 循环左移指令,(6) 循环右移指令,2） 双字节带数据指令,所有这些指令的长度都是2 个字节。第1 字节是命令字，第2 字节是输入或输出的数据。,(1) 下载数据并且按方式0 进行译码,(2) 下载数据并且按方式1 进行译码,(3) 下载数据但不译码,(4) 闪烁控制,(5) 消隐控制,(6) 段点亮指令,(7) 段关闭指令,(8) 读键盘数据指令,三. 复位 1. 复位源 MCU的复位电路允许很容易地将控制器置于一个预定的缺省状态。在进入复位状态时，CIP-51程序停止执行，将外部端口引脚置于一个已知状态，将SFR初始化为缺省状态，禁止中断和定时器。有六个能使MCU进入复位状态的复位源：上电/掉电复位，外部/RST引脚，软件命令，比较器0，时钟丢失检测器及看门狗定时器。论文中就看门狗定时器为例作介绍。 2.看门狗定时器复位 MCU内部有一个使用系统时钟可编程看门狗定时器（WDT）。当看门狗定时器溢出时，WDT将强制CPU进入复位状态。为了防止复位，必须在溢出发生前重新触发WDT。如果系统出现了硬件/软件发生错误，使应用软件不能重新触发WDT，则WDT将溢出并发生复位，这可以防止系统失控。 WDT是一个21位的使用系统时钟的定时器。该定时器检测对其控制器写操作的时间间隔，如果这个时间间隔超过了编程的极限值，将产生一个WDT复位。可以根据需要用软件允许或禁止WDT，或根