单片机课程设计-水位控制系统

1、生命赐给我们，我们必须奉献生命，才能获得生命。单片机原理及系统课程设计评语：考勤 10 分守纪 10 分过程 30 分设计报告 30 分答辩 20 分总成绩（ 100 ）分专 业： 电气工程及其自动化班 级： 电气姓 名： xxx学 号：指导教师： xxx兰州交通大学自动化与电气工程学院2014 年 1 月 13 日基于单片机的水位控制系统设计1 设计目的水位控制系统是以水位为被控参数的控制系统，它在工业生产的各个领域都 有广泛的应用。在工业生产过程中，有很多地方需要对容器内的介质进行水位控 制，使之高精度地保持在给定的数值，如在建材行业中，玻璃窑炉水位的稳定对 窑炉的使用寿命和产品的质量起着

2、至关重要的作用。水位控制一般指对某一水位 进行控制调节，使其达到所要求的控制精度。液体的水位的自动控制,是近年来新开发的一项新技术 ,它是微型计算机软件、硬件、自动控制等几项技术紧密结合的 产物 ,工程作业采用的是微机控制和原有的仪表控制 ,微机控制有以下明显优势 :（1）直观而集中的显示各运行参数 ,能显示水位状态。（2）在运行中可以随时方便的修改各种各样的运行参数的控制值 ,并修改系统 的控制参数 ,可以方便的改变水位的上限、下限。（3）具有水体控制过程的自动化处理以及监控软件良好的人机界面， 操作人员 在监控计算机上能根据控制效果及时修运行参数，这样能有效地减少工人的疲劳 和失误，提高生

3、产过程的实时性、安全性。综合以上的种种优点可以预见采用计算机控制系统是行业的大势所趋。单片 机是在一块芯片上集成了一片微型计算机所需的 CPU、存储器、输入、输出等部 件。单片机自问世以来 ,性能不断提高和完善 , 体积小、速度快、功耗低的特点使 它的应用领域日益广泛。一般 , 工业控制系统的工作环境差 ,干扰强, 利用单片机控 制就能克服这些缺点 , 因此单片机在控制领域得到广泛的应用 , 使用单片机控制液 体水位是很好的选择。2 设计任务和基本要求 设计一种基于单片机水位检测控制系统。该系统能实现水位检测、电机故障 检测、处理和报警等功能，实现超高、低警戒水位报警，超高警戒水位处理。介 绍

4、电路接口原理图，给出相应的软件设计流程图和汇编程序，并用Proteus软件仿真。实验结果表明，该系统具有良好的检测控制功能，可移植性和扩展性强。本设计为一个实际应用系统的水塔水位控制部分。在此水塔水位控制系统中， 检测信号来自插入水中的 3 个金属棒，以感知水位变化情况。 工作正常情况下， 应保持水位在某一范围内，当水位变化发生故障的时候，及时关断电机电源，发 出声、光报警信号。（1）完成单片机硬件的设计，包括： CPU、存储器（外扩 ROM 、RAM ）、输 入 /输出接口（外扩并行 I/O 口）以及总线连接部分（附控制电路原理图） 。（2）完成控制软件的设计（附控制软件清单） 。希望是本无

5、所谓有，无所谓无的。这正如地上的路；其实地上本没有路，走的人多了，也便成了路。生命赐给我们，我们必须奉献生命，才能获得生命。3 水位控制原理以水塔水位控制为例。单片机水塔水位控制原理图 1所示，图中的 A、B表示允许水位变化的上、 下限 位置。由于题目中所要求的金属导体在长时间置于水和空气中会被氧化，因此导 电性会下降，这样会影响系统的正常工作，所以本设计需要改动部分控制硬件， 上部两个导体分别用浮子开关代替，第三个不需要置于水中，而将它直接接地然 后串入电阻接入电路中。 在正常情况下， 水位应控制在上下限的范围之内。 为此， 在水塔内的不同高度处，安装固定不变的两个浮子开关 A 、B，利用杠

6、杆原理， A 浮子控制开关 A，B浮子控制开关 B，受到浮力时开关打开， A 靠近水塔上部， B靠 近水池底部， A 、 B之间足够距离，要保证有足够大的流水量。水塔由电机带动水 泵供水，单片机控制电机转动，随着供水，水位不断上升，当水位上升到上限水 位时，由于水的浮力作用， 使浮子开关 A，B均断开。因此b、c两端的电压都为 +5 V 即为“1状”态此时应停止电机和水泵工作，不再向水塔注水；当水位处于上、下 限之间时， B开关断开和 A开关闭合， b端为1状态，c端为 0状态。此时电机保持原 来的运行状态，使水位上升或下降，当水位处于下限位置以下时， A， B开关都断 开，b、c均为 0状态

7、，此时应启动电机转动，带动水泵给水塔注水。当开关 A断开 B 闭合(这种状态在正常情况下不会出现， 因此必有一浮子出现故障停止电机运转， 报警器打开。图1所示水塔浮子的控制原理。图 1 控制原理图4 系统总体方案4.1 电路设计水塔水位控制系统主要由 CPU(80C31)、水位检测接口电路、报警接口电路、 存储器扩展接口电路、复位电路、时钟振荡等部分组成，图 2 为系统硬件电路。 希望是本无所谓有，无所谓无的。这正如地上的路；其实地上本没有路，走的人多了，也便 成了路。图 2 系统硬件电路4.2 水位检测接口电路为了便于实现水位检测功能，用一个两位的浮子开关 A，B 模拟 P1.1和 P1.0

8、 端的状态 （0、1），浮子开关另一端接地， 每个负电极分别通过 4.7 k 的电阻（R1，R2） 接+5V 电源。将单片机的 P1.0 端口接开关 B，P1.1端口接开关 A。假设被水淹没 的负电极都为高电平，此时开关置 1；露在水面的负电极都为低电平，开关此时置 为 0 。单片机通过负电极重复采集检测水位，当缺水时 （ 此时两个开关均置 0） ，电 机必须带动水泵抽水；若水位在正常范围内时，检测信号为高，低电平（此时开关B 置 1，开关 A 置 0） ；当水位过高时，检测信号为高电平 （此时开关 A 和 B 都置 1），单片机检测到 P1.0和 P1.1为高电平后，立即停机。4.3 报警接

9、口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 界水位时，报警信号直接从高、低警界水位电极获得。单片机 P1.3 端口为启动电 机命令输出端口， P1.3=0为低电平，经过非门和驱动器 7406 后与电机的另一端接 地导通，启动电机工作； P1.3=l 为高电平，反之，电机停止工作。电机故障报警由 单片机控制，电机故障报警信号由 P1.3 输人。当 P1.3 为高电平时蜂鸣器报警。水 位超过高警戒水位， 单片机控制系统使电机停止转动， 向水塔内供水工作也停止。4. 4 存储器扩展接口电路为了便于系统扩展，存放大容量应用程序，系统设计扩展一片程序存储器， 用于存放源程序

10、代码。 74LS373 用于锁存地址，单片机的 P0.0P0.7 通过复用方 式分别接锁存器 74LS373的 DOD7和存储器 2732的 D0D7 端，地址锁存信号 线 ALE 接锁存器的 OE 端，通过软件设置实现地址和数据信息的传输，锁存器的 输出端 Q0 Q7 与存储器地址线 A0A7 相连，剩余的 3 根地址线 A8 A11 接 P2.0P2.2单片机选通引脚接存储器 OE 端，因只扩展一片存储器，片选端 CE 接地。4.5 各设备的地址分配各元件所接端口以及对应地址如表 1 所示表 1 元件所接端口以及对应地址表序号123 4P1口P1.0P1.1P1.2P1.3元件开关 B开关

11、 A电动机报警地址90H91H92H93H4.6 软件设计4.6.1 设计思路描述当水塔水位处于上、下限之间时， P1.0=l，P1.1=0，此时无论电机是在带动水 泵给水塔供水使水位不断上升还是电机没有工作使水位不断下降，都应继续维持 原有工作状态；当水位低于下限时， P1.0=0，P1.1=0，此时启动电机转动，带动水 泵给水塔供水。4.6.2 设计程序流程图为实现表 2 的各个控制，要求程序选择 P1.0和 P1.1的高低电平，以及当出现 故障时控制 P1.3 为低电平报警同时关闭电机。程序流程图如图 3 所示：图 3 程序流程图 希望是本无所谓有，无所谓无的。这正如地上的路；其实地上本

12、没有路，走的人多了，也便 成了路。生命赐给我们，我们必须奉献生命，才能获得生命。4.6.3 主程序根据图 3的流程，首先将 P1口写 1，为检查 P1.0和P1.1状态做准备， 然后选 择 P1.0和 P1.1的高低电平，实现控制 P1.2和 P1.3的 7 高低电平的变化，在没有 改变开关的状态之前，为了保持各个端口的电平，需要调用延时程序，主程序以 及延时程序见附录一。5 结论控制系统有四种运行状态， 当水塔里的水面低于最低限时即低于浮子 B 时，A、 B 浮子开关均闭合，电机运转，向水塔注水；直到水面超过浮子B， B 开关打开，电机任然保持原来的运行的状态；随着水面上升，浮子开关 A 被

13、打开，此时水面 达到上限， 因此关闭电机， 停止向水塔里注水； 随着向外部供水， 水面逐渐下降， 浮子开关 A 闭合，但此时不需要再往水塔里注水，因此电机任然维持原来的停止 状态不变。而当不属于上述的任何闭合情况时，报警器打开。对四种不同状态的仿真见附录二。6 结语本系统就是充分利用了 80C31和 2732芯片的 I/O 引脚。系统采用 MSC-51系 列单片机 Intel80C31 和可编程并行 I/O 接口芯片 2732 为中心器件来设计水塔水位 控制系统，实现了能根据水位的高低通过 80C31 芯片的 P1口设置电动机的抽水和 报警工作功能；通过二极管的发光来报警以及两个开关来模拟水位

14、的控制，二极 管由驱动系统驱动发光。参考文献1 张毅坤 单片微型计算机原理及应用 M ，西安电子科技大学出版社， 19982 雷丽文 等 微机原理与接口技术 M ，电子工业出版社， 1997.23 王思明，张金敏 等 单片机原理及应用 M ，科学出版社， 2012.94 冯育长主编 单片机系统设计与实例分析 M ，西安电子科技大学出版社， 20075 谢维成，杨加国主编 单片机原理与应用及 C51 程序设计 M ，清华大学出版社， 2006附录实验程序如下：ORG0000HLOOP0100HAJMPORGLOOP:SETB93HORLP1,#03H；为检查水位状态做准备MOVA,P1JNBAC

15、C.0,ONE； P1.0=0则转移JBACC.1,TWO；P1.1=1 则转移BACK:ACALLDELAY；调用延时AJMPLOOPONE:JNBACC.1,THREE； P1.1=0则转移CLR93H；P1.30，启动报警装置SETB92H；P1.21,停止电机工作AJMPLOOPTHREE:CLR92H；启动电机AJMPBACKTWO:SETB92H；停止电机工作AJMPBACK延时子程序（延时10s）：DELAY:ORG8030HMOVR3,#19HLOOP3:MOVR1,#85HLOOP1:MOVR2,#0FAHLOOP2:DJNZR2,LOOP2DJNZR1,LOOP1DJNZR3,LOOP3RETEND附录二对四种不同状态的仿真如下图所示：(1) 当 A