计算机控制课程设计基于单片机的水塔水位控制

1、计算机控制技术课程设计课题：基于单片机的水塔水位控制 目录第1章背景与意义31.1.1背景 31.1.2目的与意义4第2章总体方案设计52.1 方案选择52.2 工作原理72.3 主控模块设计72.2.1单片机选择72.2.2电机控制模块82.2.3 A/D转换模块82.2.4 传感器电路92.2.5 时钟电路与复位电路102.2.6 按键设计102.2.7 显示与A/D转换处理122.2.8系统主程序流程图122.2.9系统主程序14第3章硬件设计163.1 硬件选型16第一章 背景与意义背景 现代传感技术、电子技术，计算机技术、自动控制技术、信息处理技术和新工艺、新材料的发展为智能检测系统

2、的发展带来了前所未有的奇迹。在工业、国防、科研等许多应用领域，智能检测系统正发挥着越来越大的作用。检测设备就像神经和感官，源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信息，成为人们认识自然、改造自然的有力工具。现代的广义智能检测系统应包括一切以计算机（单片机、PC机、工控机、系统机）为信息处理核心的检测设备。因此，智能检测系统包括了信息获取、信息传送、信息处理和信息输出等多个硬、软件环节。从某种程度上来说，智能检测系统的发展水平表现了一个国家的科技和设计水平。 我的本次课程设计研究的内容是“水塔水位控制系统”。水位控制在日常生活及工业领域中应用相当广泛，而以往水位的检测是由人工完成的，值班人员全天

3、候地对水位的变化进行监测，用有线电话及时把水位变化情况报知主控室。然后主控室再开动电机进行给排水。很显然上述重复性的工作无论从人员、时间和资金上都将造成很大的浪费。同时也容易出差错。因此急需一种能自动检测水位，并根据水位变化的情况自动调节的自动控制系统，我所设计的就是这方面的课题。 检测可以有多种实现方法，如机械控制、逻辑电路控制、机电控制等。本设计采用单片机进行主控制，在水水塔上安装一个自动测水位装置。利用气压传感器测量气压的变化连续地反眏水位的变化，把测量到的水位变化转换成相应的电信号，主控台应用单片微机对接收到的信号进行数据处理，完成相应的水位显示、控制及故障报警及显示水位等功能。 1.

4、1.2 目的与意义 1，通过这次课程设计，加深对计算机控制技术这门课程的理解。 2，掌握单片机的内部模块的应用，如片内外存储器、A/D转换器等。 3、了解和掌握单片机对单片机水塔水位控制的全过程、以及实际问题中硬件如何选型问题。为以后设计和实现单片器应用系统打下良好基础。4、通过简单课题的设计练习，了解必须提交的工程文件，也达到巩固、充实和综合运用所学知识解决实际问题的目的。 第2章 总体方案设计 2.1 方案选择 目前在用的水位控制方式主要有以下种： （1)简单的机械式控制方式。其常用形式有浮标式、电极式等,这种控制形式的优点是结构简单,成本低廉。存在问题是精度不高,不能进行数值显示,另外很

5、容易引起误动,且只能单独控制,与计算机进行通信较难实现。(2)复杂控制器控制方式。这种控制方式是通过安装在水泵出口管道上的压力传感器,把出口压力变成标准工业电信号的模拟信号,经过前置放大、多路切换、AD变换成数字信号传送到单片机,经单片机运算和给定参量的比较,进行PID运算,得出调节参量;经由DA变换给调压变频调速装置输入给定端,控制其输出电压变化,来调节电机转速,以达到控制水位的目的。本设计我选用利用单片机实现的复杂控制器水位控制系统，要求选择合适的水位传感器及电磁阀，当设定完水位后，系统根据水位情况控制电磁阀的开和关断。PC终端机（回显 数据处理 报警）系统总体方框图 AT89C51 A/

6、D转换器传感模块显示电路RS-232接口键盘控制电路 执行机构 2，2工作原理 基于单片机实现的水位控制器是以AT89C51芯片为核心,由键盘、数码显示、AD转换、传感器，电源和控制部分等组成。工作过程如下：当水位发生变化时,引起连接在水位底部软管管内的空气气压变化,气压传感器在接收到软管内的空气气压信号后,即把变化量转化成电压信号;该信号经过运算放大电路放大后变成幅度为05 V标准信号送入AD转换器。AD转换器把模拟信号变成数字信号量,由单片机进行实时数据采集,并进行处理,根据设定要求控制输出,同时数码管显示液位高度。通过键盘设置液位高、低和限定值以及强制报警值。该系统控制器特点是直观地显示

7、水位高度可任意控制水位高度。2.3主控模块设计 2.3.1单片机的选择 单片机采用由Atmel公司生产的双列40脚AT89C51芯片,如图22。其中P0口用于AD转换和显示；P1口连接一个35的键盘;P2口用于控制电磁阀和水泵动作;P3口用于上、下限指示灯,报警指示灯以及用于读写控制和中断等。 2.3.2电机控制模块 （用继电器作为电机控制的元件） 继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。 继电器主要产品技术参数： 1

8、) 额定工作电压。是指继电器正常工作时线圈所需要的电压。根据继电器的型号不同，可以是交流电压，也可以是直流电压。 2) 直流电阻。是指继电器中线圈的直流电阻，可以通过万能表测量。 3) 吸合电流。是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。在正常使用时，给定的电流必须略大于吸合电流，这样继电器才能稳定地工作。而对于线圈所加的工作电压，一般不要超过额定工作电压的1.5倍，否则会产生较大的电流而把线圈烧毁。 4) 释放电流。是指继电器产生释放动作的最大电流。当继电器吸合状态的电流减小到一定程度时，继电器就会恢复到未通电的释放状态。这时的电流远远小于吸合电流。 5) 触点切换电压和电流。是指继电器允许加载

9、的电压和电流。它决定了继电器能控制电压和电流的大小，使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器的触点。根据以上的参数，结合设计的演示性，选用额定工作电压120VAC/24VDC，工作电流3A，控制电压5VDC的小型继电器。A/D转换模块 ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。1主要特性1）8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。2）具有转换起停控制端。3）转换时间为100s(时钟为640kHz

10、时)，130s（时钟为500kHz时）4）单个5V电源供电5）模拟输入电压范围05V，不需零点和满刻度校准。6）工作温度范围为-4085摄氏度7）低功耗，约15mW。ADC0809由单片机控制驱动，对传感器进行定式循环采集，然后单片机将各测量参数传至PC机，进行后台数据处理。传感器电路系统选用B2119压阻式压力传感器，压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应制成的器件。这种传感器精度高、工作可靠，容易实现数字化，比应变式压力传感器体积小而输出信号大。它是目前压力测试中使用最多的一种传感器。压阻式压力传感器使用集成电路工艺技术，在硅片上制造出四个等值的薄膜电阻，并组成电桥电路，当不受到压力作用时

11、，电桥处于平衡状态，无电压输出；当受到压力作用时，电桥失去平衡，电桥输出电压。电桥输出的电压与压力成正比例。其工作原理图如所示。 2.3.5 时钟电路与复位电路 要使单片机按照设计要求正常工作，完整单片机最基本的工作要求，考虑到系统无需精确地定时功能，且为了方便串口通信波特率的计算，采用11.0592MHz的晶振提供系统时钟。并附加复位电路，组成单片机最小系统。2.3.6 按键设计键盘在单片机应用系统中是一个很关键的部件，它能实现向单片机系统输入数据、发送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。考虑到本设计实际需要的按键较少，故采用独立式键盘接口电路。在程序查询方式下，通过I/O端口读入按键状

12、态，当有按键按下时，相应的I/O端口变为低电平，而未被按下的按键在上拉电阻作用下为高电平，这样通过读I/O口的状态判断是否有按键按下。 2.3.7 显示与A/D转换的数据处理 系统中，显示输出的要求为压缩BCD码，而A/D转换输入的数据8位16进制码，因此在实现显示之前需要编码的转换。对8位A/D转换器而言，其十六进制、相对满偏电压比率、相对电压幅值的关系对应如表十六进制二进制满刻度比率相对电压幅值Vref=2.5V高四位低四位高四位电压低四位电压F11111516152564.8000.320E11101416142564.48000.280D11011316132564.1600.260C

13、11001216122563.8400.240B10111116112563.5200.220A10101016102563.2000.2009100191692562.8800.1808100081682562.5600.1607011171672562.2400.1406011061662561.9200.1205010151652561.6000.1004010041642561.2800.0803001131632560.9600.0602001021622560.6400.0401000111612560.3200.0200000001602560.0000.0002.3.8系统主程

14、序流程图 系统主程序的功能主要是完成对单片机的初始化，设置警戒液位的上下限，实时显示液位值以及键盘扫描等工作。主程序流程图如图所示。 主程序流程图 2.3.9 主程序主程序：ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0060H MAIN: MOV P1, #FFH ； P1 P3口初始置1 MOV P3，#FFH JNB P1.3 ，AVT ；若手动在自动位置，跳到自动模式程序AJMP MEN ；否则转到手动模式子程序END AUT：NOP（空命令）JNB P1.2 , LG ； 水位高LG JB P1.1 LD ；水位没低-LD CLR P3.1 ；水位低报警JB P1.0, LDD ；水位未低低-LDD CLR P3.0 ；水位低低报警JNB 3.1 P1.6, Y1 ；M1已启动Y1 CLR P1.4 ；否则启动M1 Y1:JNB P1.7 ,Y2 ；M2已启动-Y2 CLR P1.5 ；否则启动M2 Y2:ACALL DELAY ；延时1分钟AJMP AUT ；返回自动模式LDD: JNB P1.6 ,Y3 ；单独运行M1（LDD水