【《基于STC12C5A60S2单片机的中小型水闸系统设计》8600字】

基于单片机的中小水电闸门控制设计与制作---基于STC12C5A60S2单片机的中小型水闸系统设计目录TOC\o"1-3"\h\u27182基于STC12C5A60S2单片机的中小型水闸系统设计 1214681绪论 2257161.1研究的背景 249131.2国内外研究状况 2187151.3本系统的研究内容 3301872系统总体设计 312812.1设计的具体要求 3214102.2总体框图设计 3324532.3系统方案的论证 4225812.3.1单片机的选择 470472.3.2水流量传感器选择 45432.3.3显示器模块选择 577772.3.4按键模块选择 5298063.1主控模块 6248323.1.1单片机介绍 6167803.1.2单片机最小系统 755833.2YF-S201水流量传感器 7156763.3步进电机驱动模块电路设计 821813.4蜂鸣器报警模块设计 859983.5液晶显示器（SMC1602A） 9143593.6按键电路设计 10201923.7总原理图 10157164系统程序的设计 12168104.1系统的工作流程图 12194754.2模数转换程序实现方案设计 1248894.3显示器程序流程设计 14182924.4按键消抖软件流程设计 1465435电路制作与调试 16295455.1电路制作 16236215.2电路调试 1718853结论 1910263参考文献 191绪论1.1研究的背景采用自动化装置，不但可以改善工作条件，而且可以降低工人的工作量。在水电站中，既能对水电站的生产过程进行运行、监控、控制，又能根据预定的计划和程序直接运行，不需人力，能使水电站运行的经济性、安全性、可靠性、稳定性、得到了提升，从而使水电站的工作效率和生产回报率得到明显的优化。水电站自动化技术主要以计算机监控系统为基础，可以实现水电站水位检测报告、单元启动和停止控制、运行管理；运行管理的全过程自动控制可以实现从工矿监控和负载分配到输电线路的运行：自动化设备可以实现对水力发电单元运行的自动控制。具体而言，能够自动实现水车发电单元的启动、停止和自动系统，对发电进行相位调制，对发电进行调整，对单元的启动、停止、并行、发电进行相位调制，对发电进行相位调制，根据预期程序自己完成。其次，能根据水电站的实际情况和系统需求，自动地确定出最优运行单位的数目。自动化技术也能实现单位间的负载经济分布，并能自动调节各单位的功率比率及无效功率。1.2国内外研究状况上个世纪初期，西方国家开始使用水电闸门控制系统。到1930年代末，机体与监控系统的一体化发展。上个世纪中期，远程控制技术被引入，能够对现场的闸门和机体的防护进行监控。但由于技术水平的限制，闸门的控制大多采用了继电器。随着半导体和晶体管技术的发展，栅控系统正朝着微型化和电子化方向发展。集成技术已在水力发电站中应用。由于远程感测信号技术的出现和数字技术的发展，遥控距离变得越来越远，并且可以在更宽的范围内进行控制。60年代末期，经过多年的研发和改进，电脑技术在工作可靠性、经济实用性、集成性等各方面都有了很大的进步，并且软件的结构也越来越完善。欧洲及美国的水电站已采用此项技术，对水闸进行闭环控制。20世纪70年代，随着电网自动化的发展，闸门控制系统也随之发展起来。80年代初期，计算机技术、数据通信技术、电子技术和自动控制技术得到了快速的发展；同时，在水力发电站的闸门自动控制系统中也占有核心地位。20世纪末，水电站的闸门自动监视系统利用计算机通信技术实现了数据的快速传输和互联网的远程监视，大大降低了水力发电站的运行成本。进入21世纪，水电站的闸门控制系统不仅完成了自动控制和自动生成结果，还实现了网络环境下的高速运行能力，根据水电站不同的闸门状况设计出独特的工作软件实现水电站的闸门控制系统的现代化。1.3本系统的研究内容本设计是以STC12C5A60S2单片机为核心，采用SMC1602ALCD、YF-S201水流检测、蜂鸣器等辅助实现其功能。通过传感器的探测功能，实现了对水流的大小值的采集，并将所获得的参数值进行显示，一旦参数值超过设定的阈值，就会触发报警，从而实现相应的控制。根据单元的基本原理，构造出相应的电路模型，并将各个模块相结合，形成具有智能的自动检测和控制闸门开关的系统。2系统总体设计2.1设计的具体要求本系统设计采用水流量传感器对水流量大小数据进行测量，将模拟信号转换为数字信号，传入单片机模块，通过按键设定报警阈值大小，达到阈值时通过蜂鸣器进行报警；并根据选定的手动或者自动模式进行闸门的开关控制；从而实现其功能。它的设计要求有以下几点：1.完成获取水流值的功能；2.完成设置水流警报门限的功能；3.实现了参数的显示；4.提供警报；5.具有按钮调整的功能；2.2总体框图设计该方案采用单片机控制理论，结合传感检测和电机的控制技术，包括单片机、流量采集、参数显示、步进电机控制、按键控制、报警等模块。以单片机为微控制器，辅助各个模块的工作，以水流量传感器测量水量，以LCD显示屏显示数据，按钮设定报警值，当设定参数被触发时，蜂鸣器就会发出警报，超过报警值电机开启闸门。该系统的设计方框图是：电源电源步进电机单步进电机单片机液晶液晶显示器按键控制按键控制蜂鸣器蜂鸣器水流量传感器水流量传感器图2.1闸门系统设计框图2.3系统方案的论证2.3.1单片机的选择方案一：PIC16系列微处理器，是一种用于多用途CPU的外围控制芯片。本系统包含33条指令，双性模式的指令形态，512位为一个内存，共25个内存，但此单片机仅可执行一次。方案二：STM32系列，是一种半导体微处理器。属于32位单片机具有数字信号处理、高性能、低功耗、集成电路等特点；但操作繁琐，成本高。方案三：STC12C5A60S251系列微处理器。除了8051的所有功能外，还做了一些改进。运算速度约为常规运算速度的10倍，具有可擦写、修改的大容量程式内存，可在任意时刻对微处理器进行编程写入，40个端口包含32个可控制端口，具有模数转换功能，1280位RAM，对开发设备要求较低。通过对以上三种方案的比较，本文选取了51核心STC12C5A60S2作为主要控制器，使其更适合于本课题的模数转换。2.3.2水流量传感器选择方案一：使用YF-S201型水流传感器，具有结构紧凑、安装方便等特点。叶轮内嵌有不锈钢球，具有持久的耐磨性；密封圈采用上、下压结构，保证不漏水；霍尔部件均为进口产品，并以硅胶防水密封加固，防潮，永不老化；所有的原料都达到ROHS的检验标准；采用标准G1/2螺丝连接，更加简便和坚固。方案二：使用电磁水流式传感器，其特征是无活动元件，不突出液体，可靠性高，适合于酸碱，盐溶液，灰浆，树脂，矿浆，煤浆，纸浆，橡胶乳，合成纤维浆和感光乳胶等悬浮物，气化气体和黏性物质的流动。电磁流量计密封性能好，在自来水中及污水处理也能使用。但是它的安装环境比较复杂，而且造价高昂，必须进行定期的维修。综上，本系统采用YF-S201水流量传感器比电磁水流量传感器比较好，测量更加准确，实用性强且操作方便。2.3.3显示器模块选择方案一：LCD12864显示器，它是一种点阵式LCD，它的主要特点是：基于动态驱动的原理，它包括行驱动和列驱动两个部分，构成128x64全点阵LCD。本产品采用COB软包方式，以导电橡胶与压框将液晶显示板连接，使用寿命长，连接可靠。LCD12864显示的信息很多，所以其程序和电路都很复杂，而且成本也很高。方案二：采用SMC1602A液晶显示器，其带有字库，每字5*8点阵，字符区域16*2个，属于字符型液晶，显示字母和数字较为直观。并且系统编程简单，制作价格低。综上，本设计系统主要以测量和控制为主，其需要显示的仅为字母和数字即可，控制较为方便，虽然LCD12864显示器功能比1602较为强大，可显示图像，功耗较低，体积小不占面积，但是本系统设计不需要过为复杂的显示和数据处理，不需要显示曲线，图像等，所以采用SMC1602A液晶显示器更为合理，显示数据更加方便，采用方案二。2.3.4按键模块选择方案一：感应式开关：6*6*4.5规格的按键，外形小巧，高度适中，按键灵活，能满足按键的需要，价格低廉，主要是向工作方向上的压力就能打开和关闭，十分方便。广泛应用于重要的电子设备和仪器。方案二：自动重启按钮开关，属于LA38-11BN型自动复位开关，其价格较高，用于医疗器械等先进的应急开关。内置常开式和常闭式触头，在按键按下电源开关后，常开触头就会被导通，常闭触头就会被断开。通过查找数据，比较了两种机型的按键控制，这一次的按键开关选择了感应开关，也就是所谓的独立按键来实现手动操作。

3系统硬件电路设计3.1主控模块3.1.1单片机介绍该系统采用了单片机STC12C5A60S2。此单片机模块是由51/52单片机改进而成的增强型主控芯片，它可以通过一个简单的串行模块与PC板相连。通用IO端口管脚40个，基本不需要额外增加跳线帽来扩展引脚，即可满足串口的供给，例如计时/计数、中断、串口通信等。在单片机两边的引脚上都装有一个电源引脚，当需要扩展引脚时，能保证电路不会杂乱无章。利用一般IO端口连接74HC138/245这样的设备，可以用来增加处理器的IO端口，也可以用A/D管脚连接更多的键。大容量的程序内存内置在微控制器的芯片中。内置1280字节的内存寄存器，内置MAX810的特殊复位电路，2个PWM波段。本系统提供的电源为3.3-5.5V，是一种低功率、高操作的控制器。此单片机模组内置R/C型振荡器引脚，便于时钟参考信号的输入。另外，还可以增加外置的晶体振子，作为时钟源。单片机的指令码与以前的5051代码完全兼容，不过性能的确是升级版的高标准主控。此单片机的模块引脚图形如下图所示。图3.1STC12C5A60S2引脚图STC12C5A60S2共40个引脚，其中的32个IO口引脚分别归属为P0,P1,P2,P3，共4组端口，每个端口都被细分为8个引脚。在这32个引脚中，P3.0和P3.1都是常用的，可以进行数据的传输和接收；P3.2﹑P3.3是外部的插头。在其他8个管脚中，RST是复位引脚，XTAL2和XTAL1是时钟信号管引脚。电源引脚是VSS和VCC。RST2是一个外部的rom选项端。3.1.2单片机最小系统(1)复位电路：该复位电路采用串联电阻器组成，其工作原理是将电阻器和电容器加到单片机的重置引脚RST上，从而实现电复位。应注意，为了获得复位的效果，必须连续超过两个机械循环的复位水平。PC以000H的形式被初始化，由单片机来完成。需要超过5毫秒的复位时间，并根据R18和C1的不同而确定。(2)振荡电路即晶振电路；晶振元件的功能是为整个系统提供基本的时钟信号。晶振一般都是用锁相环来实现需要的时钟频率和满足各种子系统的时钟信号需求。图3.3单片机的最小系统图3.2YF-S201水流量传感器本文所使用的流量传感器是基于霍尔效应的原理来实现的。霍尔效应是指沿与电流方向相垂直的方向施加磁场时，会在导线上形成电位差。流量传感器与磁霍尔效应传感器结合，每个转动一次，就会产生一次电脉冲。这种结构使得霍尔效应的感应器能够与水分隔离，并且保证了传感器的干燥。传感器有三条线，分别是红色，黄色，黑色。如下图所示。图3.3水流量传感器实物图红线用于提供5V至18V的电源电压，黄线用于输出(脉冲)，可由单片机端口P3.2读取；黑线连接到GND。。水流量传感器电路图如下所示，图3.4水流量传感器电路图3.3步进电机驱动模块电路设计该系统的步进电机（包括闸门）的旋转控制是由步进电机驱动提供动能的，此处采用ULN2003型步进电机驱动器。这次采用的是四相五线步进电动机，利用步进电动机的控制原理，将单片机输出的脉冲信号转化成步进电动机的角位移，通过改变脉冲序列，实现步进电动机的旋转。图3.5步进电机驱动与步进电机的连接步进电机驱动与步进电机（转动轴）连接。顺时针旋转开启闸门，逆时针旋转关闭闸门；步进电机驱动的IN1、IN2、IN3和IN4分别与处理器的P1.4、P1.5、P1.6、P1.7引脚连接。单片机通过输出不同顺序的脉冲给IN1、IN2、IN3和IN4来实现电机的正向转动和反向转动。步进电机（转动轴）硬件电路原理图如下：图3.6步进电机硬件电路原理图3.4蜂鸣器报警模块设计该方案采用了蜂鸣器作为报警器，在达到设置门限时，通过蜂鸣器的声响来进行报警。以下是报警器的电路示意图：图3.7蜂鸣器报警电路将会选择有源蜂鸣器来发出警报，有源蜂鸣器共有两个引脚，其中长的是正极，短的是负极。由于触发蜂鸣器所需的电流比较大，所以需要一种用于实现电路设计的电流放大器，在这里，9012PNP三极管被用于放大电流。9012三极管的基极与P3.6管脚相连接，而发射极与5V相连接，集电极与蜂鸣器的正极相连接，并将其负极与接地相连接。STC12C5A60S2的输入电平为高电平，也就是3.3V以上，当警报条件达到时，程序控制代码把P36指派到0，此时P36的输出降低，并且降低9012的电压，此时9012的发射极和基极之间有一个压力差，三极管被打开，电流经过三极管，然后从蜂鸣器的正极输入，然后经过蜂鸣器，然后又从负极流到地面，当蜂鸣器打开，蜂鸣器就会响起。3.5液晶显示器（SMC1602A）本系统的显示模块能够显示手动模式还是自动模式﹑闸门的状态﹑设定的报警阈值大小及当前水流量的值；其内部电路如下图所示：图3.8SMC1602A内部引脚图上面的调整电阻的功能是调整LCD的背光源，正向旋转可以提高亮度，反向可以减少亮度，在实际调试中，可以实现正向旋转和倒转来获得我们所需要的亮度。SMC1602A有两套电源，一套用于调整液晶显示器的背光源，另一套用于控制液晶显示器的数据端口，其中RS,RW,E为控制管脚，在此，我们将分别与P0.7,P0.6,P0.5控制IO端口相连接，DB0至DB7为数据端口。3.6按键电路设计本系统共有按键5个按键Key1用于选择手动模式还是自动模式；key2用于控制闸门的开启；key3用于控制闸门的闭合；key4用于增大报警阈值；key用于减小报警阈值。按键开关是一种电子开关，它的作用是通过内部的金属弹片的压力来实现开关的闭合和断开；而当解除工作压力时，该开关的作用是断开的。每个按键都连接到处理器上，每个键都会占用处理器的一个引脚，所以，有几个键就会占用多少个IO接口。当处理器决定是否按下一个按键时，它的作用主要是控制IO端口的电平，IO端口的输出为低，则代表着按下了按键，此时就可以进行操作了。IO的输出是高的，表示按键没有按下，该按键的电路图原理如下。图3.9按键原理图3.7总原理图本系统由单片机处理器模块、水流量采集模块、参数显示模块、步进电机控制模块、按键控制模块以及报警模块组成；主控电路的设计是以STC12C5A60S2单片机为核心，通过对各个模块的整体规划设计来实现本系统的预期功能。利用按键模块来进行相应功能的调节，水流量的大小可以由液晶显示屏的数值大小进行反馈。由步进电机来控制闸门系统的状态顺时针旋转开启闸门，逆时针旋转关闭闸门；总原理如图下图所示。图3.10总原理图

4系统程序的设计4.1系统的工作流程图开始当水流量通过传感器，传感器将模拟信号转化成数字信号并将该信号传送到指挥中心单片机里，单片机根据预先设定的阈值进行判断；如超过阈值步进机顺转打开阀门，蜂鸣器报警；未超过步进机不动，保持闭合状态。由于本系统设定低于阈值时将阀门持续保持闭合状态，因此要对水流量进行不间断测量，从而形成了一个闭合的工作流程。开始水流量水流量水流量传感器水流量传感器单片机单片机设定的阈值设定的阈值步进机不动步进机顺转步进机不动步进机顺转YN打开闸门，蜂鸣器报警保持闭合状态打开闸门，蜂鸣器报警保持闭合状态图4.1系统工作流程图4.2模数转换程序实现方案设计本设计采用STC12C5A60S2单片机，它可以通过本身的模数变换功能对电压进行测量，并通过一定的公式将电压值转化为特定的数值。在使用STC12C5A60S2采集电压时，需要使用两个重要的函数，即：电压值获得函数ADConvert()和把获取后的电压值排序滤波并取中间值的函数DigitalFiltering（）；了解这两种功能，就能很容易地将电压值转换成所需的特定数值。首先，10个瞬间电压值由ADConvert（）函数读出，并且将该电压值存储在ADCValue[计数]中，并使用排序将ADCValue[计数]中的数据按小至大进行排序。再由此电压值与设备的具体数值的曲线关系，求出数值大小具体的实现流程如下：开始开始Count<10?NCount<10?ADCValue[count]从小到大排列读取ADC寄存器中数据保存到temp中AD转换标志位=1Count++ADCValue[count]=temp返回ADCValue[5]利用关系式转换为数字量AD转换标志位=0NYADCValue[count]从小到大排列读取ADC寄存器中数据保存到temp中AD转换标志位=1Count++ADCValue[count]=temp返回ADCValue[5]利用关系式转换为数字量AD转换标志位=0Y图4.2模数转换流程图首先用ADConvert（）功能读出10次瞬间电压，定义计数，计数初值为0，计数小于10时，持续收集电压，计数超过10，退出ADConvert()，然后进入到排序过滤功能“数字过滤器”（）。如果计数少于10进入入ADConvert（）功能，获得10个电压。首先，判定AD变换标记位是否等于1，不是等待其值变为1，若为0，则将其标志赋值为0。然后，将电压值从处理器的寄存器读出，存储到变量temp，再将temp的值分配到ADCValue[计数]，然后将AD变换标记为1，计数加1，计数变为10，然后退出ADConvert（）功能，进入DigitalFiltering()，并将ADCValue[计数]中的数值按小至大进行排序，再返回中间值ADCValue[5]，然后使用模数转对应关系来计算模块输出的特定的数值。4.3显示器程序流程设计该方案要求使用SMC1602A字型LCD在编制SMC1602A的控制程序时，应先了解其读写的时序，再按时序图，写下读写的函数，设置坐标，再利用事先写好的功能，将待显示的特定内容显示在液晶显示屏上的坐标位置。下面是SMC1602A液晶显示器的软件处理过程：开始开始设置起始坐标设置起始坐标返回程序执行其他代码Str++写数据*Str=’/0’？等待液晶准备好返回程序执行其他代码Str++写数据*Str=’/0’？等待液晶准备好图4.3SMC1602A显示内容流程图当要求使用SMC1602ALCD屏幕来进行显示时，程序必须使用调用函数来实现。其具体的操作步骤如下：首先，将固定字符的初始位置坐标值设定好，即通过设定起始坐标值来设定起始坐标。第二个步骤：等液晶准备好要写入数据，若液晶已经准备好，则返回0，反之，则返回1，直至LCD返回0。第三步：在LCD屏幕上，将数据从开始的位置一个一个地显示出来，直至str中的数据是“结尾”/“0”，这时，数据的写入被终止，然后回到程序执行其他的代码。4.4按键消抖软件流程设计此系统采用多个按键进行控制，为保证按键的稳定，本文中需要一款防抖软件。按键是一种机械的开关，当你按下按钮的时候，就会因为按键的机械接触而出现电压波动。这会直接影响到按键的读出误差，从而导致按键误操作，从而影响到按键软件的执行，要确保按键的准确度，就需要对按键进行消抖处理。其实，开始消除按键抖动，也可以通过硬件来消除，但根据以往的经验，软件消除这种方法更加精准。所以，本设计采用了按键消抖技术。开始按键是否按下？N按键是否按下？按键是否松手结束执行动作按键是否按下？延时抖动Y按键是否松手结束执行动作按键是否按下？延时抖动NY NY是否否图4.4按键消抖流程图是否否按键的软件消抖，因为按键的按下是通过控制引脚的高低电平获取来判断按键是否按下，这里则通过对按键低电平获取的状态进行判断，当这里通过一个脉冲信号对它的一个识别，这里使用延时时间再次判断低电平获取是否稳定。

5电路制作与调试5.1电路制作准备好预设、选择的元件及电烙铁，根据设计的实际图纸进行实际焊接；电焊的具体工序可分成五个工序，即五步工程法，为了保证焊接质量，必须进行严格的工艺控制。1.准备焊接：为焊接线和烙铁做好准备。这时尤其要注意的是，被烙铁的头要保持清洁，也就是能沾上锡膏（也就是所谓的吃锡）。2.加热焊料：在电烙铁与焊点接触时，应先将电烙铁对焊料的各个部位（如印刷电路板上的引线和衬垫）进行加热，然后再将烙铁的其中的一部分（较大的一部分）与高热容的焊接件接触，同时，烙铁的一侧或边缘与热容较小的焊接件接触，从而使焊接材料均匀地加热。3.熔融焊剂：将焊剂加热至足以使焊剂熔化的程度后，放入焊点，使其熔融，使其湿润。4.取掉焊料：在一定数量的焊料熔化后，将焊锡线移动。5.取出烙铁：在焊料完全浸透焊点后，将烙铁从烙铁上移开，注意将烙铁的方向大约45度。在焊接前：1、要仔细检查每个焊点（铜片）是否光滑、氧化等；2、焊接物件时，要注意焊点，避免导线焊接不良造成短路；3、焊锡要适当；4、焊料固化后不得移动。图5.1硬件设计实物图

5.2电路调试5.2.1硬件电路调试该方案采用常规的万用表，对单片机的短路进行检测，并采用欧姆档，对各个硬件电路进行测试，一旦发现单片机的正、负两个电极发生短路，则通过万用表的声音报警，发现单片机的引脚是不是焊好的；而在断开的情况下，如果万用表不响，那就是线路断了。焊接完毕后，将Keil软件编写成HEX文件，并经计算机下载接口下载至单片主机控制芯片。5.2.2功能调试（1）给实物供电，开启电源开关，电源指示灯亮起；显示屏参数显示正常，一切参数为初始状态（闸门闭合，阈值为0.1m³/s，手动模式）。初始状态没问题后，接下来测试各个功能。图5.2功能调试初始状态示意图（2）按键功能的测试：key1可以实现手动自动功能转换；key2可以实现控制闸门的开启；key3可以实现控制闸门的闭合；key4实现增大报警阈值；key5实现减小报警阈值。图5.3按键功能调试示意图（3）水流量数值读取功能的测试：通过显示屏右上角数值从0到0.23m³/s证明读取功能正常。图5.4水流量数值读取功能调试示意图（4）报警功能的测试：在水流量的数值达到设定阈值时蜂鸣器报警，闸门如在自动状态下闸门开启。图5.5报警功能调试示意图经过测试，本系统能够实现预期设定的目标。

结论本文采用单片机的微机自动控制和传感检测技术，研制了一种以单片机为核心的中小型水闸系统，并以51核心的STC12C5A60S2为控制器，实现了整个系统的控制及总体功能的实现。通过按键设定参数的警报值，在参数值异常时触发蜂鸣器警报，SMC1602A将有关参数信息进行显示，并通过流量传感器获取目前的水流参数，在水流量超过阈值时，采用步进电机进行启闭作用；采用Keil编程，通过编程实现C语言的各个硬件模块，并对其进行了实际的软硬件调试，最终能够顺利地完成它的各项功能。此方案在中小水闸上运用，既能有效地防治农业生产中的洪水，又能利用无线通信对水位信息和闸门的工作状况进行实时监测；将其用于小型水闸，能有效地提高灌溉的效率，并能显著地减少管理费用。该系统经过测试验证，虽然满足了对阈值的监控和可调，但是其功能还是有一些不足之处。如有泥沙淤积和浮游物会影响正常的启闭