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1、單片機(jī)原理及系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計報告 單片機(jī)原理及系統(tǒng)課程設(shè)計 評語： 考勤10分 守紀(jì)10分 過程30分 設(shè)計報告30分 答辯20分 總成績（100）分 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 班 級： 電氣 姓 名： xxx 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： xxx 蘭州交通大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院 2014 年 1月

2、13日 基于單片機(jī)的水位控制系統(tǒng)設(shè)計 1 設(shè)計目的 水位控制系統(tǒng)是以水位為被控參數(shù)的控制系統(tǒng)，它在工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，有很多地方需要對容器內(nèi)的介質(zhì)進(jìn)行水位控制，使之高精度地保持在給定的數(shù)值，如在建材行業(yè)中，玻璃窯爐水位的穩(wěn)定對窯爐的使用壽命和產(chǎn)品的質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。水位控制一般指對某一水位進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，使其達(dá)到所要求的控制精度。液體的水位的自動控制,是近年來新開發(fā)的一項新技術(shù),它是微型計算機(jī)軟件、硬件、自動控制等幾項技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物,工程作業(yè)采用的是微機(jī)控制和原有的儀表控制,微機(jī)控制有以下明顯優(yōu)勢: (1) 直觀而集中的顯示各運行參數(shù),能顯示水位

3、狀態(tài)。 (2) 在運行中可以隨時方便的修改各種各樣的運行參數(shù)的控制值,并修改系統(tǒng)的控制參數(shù),可以方便的改變水位的上限、下限。 (3) 具有水體控制過程的自動化處理以及監(jiān)控軟件良好的人機(jī)界面，操作人員在監(jiān)控計算機(jī)上能根據(jù)控制效果及時修運行參數(shù)，這樣能有效地減少工人的疲勞和失誤，提高生產(chǎn)過程的實時性、安全性。 綜合以上的種種優(yōu)點可以預(yù)見采用計算機(jī)控制系統(tǒng)是行業(yè)的大勢所趨。單片機(jī)是在一塊芯片上集成了一片微型計算機(jī)所需的CPU、存儲器、輸入、輸出等部件。單片機(jī)自問世以來,性能不斷提高和完善,體積小、速度快、功耗低的特點使它的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛。一般,工業(yè)控制系統(tǒng)的工作環(huán)境差,干擾強(qiáng),利用單片機(jī)控制

4、就能克服這些缺點,因此單片機(jī)在控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用,使用單片機(jī)控制液體水位是很好的選擇。 2 設(shè)計任務(wù)和基本要求 設(shè)計一種基于單片機(jī)水位檢測控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實現(xiàn)水位檢測、電機(jī)故障檢測、處理和報警等功能，實現(xiàn)超高、低警戒水位報警，超高警戒水位處理。介紹電路接口原理圖，給出相應(yīng)的軟件設(shè)計流程圖和匯編程序，并用Proteus軟件仿真。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有良好的檢測控制功能，可移植性和擴(kuò)展性強(qiáng)。 本設(shè)計為一個實際應(yīng)用系統(tǒng)的水塔水位控制部分。在此水塔水位控制系統(tǒng)中，檢測信號來自插入水中的3個金屬棒，以感知水位變化情況。 工作正常情況下，應(yīng)保持水位在某一范圍內(nèi)，當(dāng)水位變化發(fā)生故障的時候

5、，及時關(guān)斷電機(jī)電源，發(fā)出聲、光報警信號。 （1）完成單片機(jī)硬件的設(shè)計，包括：CPU、存儲器（外擴(kuò)ROM、RAM）、輸入/輸出接口（外擴(kuò)并行I/O口）以及總線連接部分（附控制電路原理圖）。 （2）完成控制軟件的設(shè)計（附控制軟件清單）。 3 水位控制原理 以水塔水位控制為例。 單片機(jī)水塔水位控制原理圖1所示，圖中的A、B表示允許水位變化的上、下限位置。由于題目中所要求的金屬導(dǎo)體在長時間置于水和空氣中會被氧化，因此導(dǎo)電性會下降，這樣會影響系統(tǒng)的正常工作，所以本設(shè)計需要改動部分控制硬件，上部兩個導(dǎo)體分別用浮子開關(guān)代替，第三個不需要置于水中，而將它直接接地然后串入電阻接入電路中。在正常情況下，

6、水位應(yīng)控制在上下限的范圍之內(nèi)。為此，在水塔內(nèi)的不同高度處，安裝固定不變的兩個浮子開關(guān)A、B，利用杠桿原理， A浮子控制開關(guān)A，B浮子控制開關(guān)B，受到浮力時開關(guān)打開，A靠近水塔上部，B靠近水池底部，A、B之間足夠距離，要保證有足夠大的流水量。水塔由電機(jī)帶動水泵供水，單片機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，隨著供水，水位不斷上升，當(dāng)水位上升到上限水位時，由于水的浮力作用，使浮子開關(guān)A，B均斷開。因此b、c兩端的電壓都為+5 V即為“1”狀態(tài)．此時應(yīng)停止電機(jī)和水泵工作，不再向水塔注水；當(dāng)水位處于上、下限之間時，B開關(guān)斷開和A開關(guān)閉合， b端為1狀態(tài)，c端為0狀態(tài)。此時電機(jī)保持原來的運行狀態(tài)，使水位上升或下降，當(dāng)水位處于

7、下限位置以下時，A，B開關(guān)都斷開，b、c均為0狀態(tài)，此時應(yīng)啟動電機(jī)轉(zhuǎn)動，帶動水泵給水塔注水。當(dāng)開關(guān)A斷開B閉合（這種狀態(tài)在正常情況下不會出現(xiàn)，因此必有一浮子出現(xiàn)故障停止電機(jī)運轉(zhuǎn)，報警器打開。 圖1所示水塔浮子的控制原理。 圖1 控制原理圖 4 系統(tǒng)總體方案 4.1電路設(shè)計 水塔水位控制系統(tǒng)主要由CPU(80C31)、水位檢測接口電路、報警接口電路、存儲器擴(kuò)展接口電路、復(fù)位電路、時鐘振蕩等部分組成，圖2為系統(tǒng)硬件電路。 圖2 系統(tǒng)硬件電路 4.2 水位檢測接口電路 為了便于實現(xiàn)水位檢測功能，用一個兩位的浮子開關(guān)A，B模擬P1.1和P1.0端的狀態(tài)(0、1)，浮子開關(guān)另

8、一端接地，每個負(fù)電極分別通過4.7 k的電阻(R1，R2)接+5V電源。將單片機(jī)的P1.0端口接開關(guān)B，P1.1端口接開關(guān)A。假設(shè)被水淹沒的負(fù)電極都為高電平，此時開關(guān)置1；露在水面的負(fù)電極都為低電平，開關(guān)此時置為0。單片機(jī)通過負(fù)電極重復(fù)采集檢測水位，當(dāng)缺水時(此時兩個開關(guān)均置0)，電機(jī)必須帶動水泵抽水；若水位在正常范圍內(nèi)時，檢測信號為高，低電平(此時開關(guān)B置1，開關(guān)A置0)；當(dāng)水位過高時，檢測信號為高電平(此時開關(guān)A和B都置1)，單片機(jī)檢測到P1.0和P1.1為高電平后，立即停機(jī)。 4.3 報警接口電路 為了避免系統(tǒng)發(fā)生故障時，水位失去控制造成嚴(yán)重后果，在超出、低于警戒界水位時，報警信號直

9、接從高、低警界水位電極獲得。單片機(jī)P1.3端口為啟動電機(jī)命令輸出端口，P1.3=0為低電平，經(jīng)過非門和驅(qū)動器7406后與電機(jī)的另一端接地導(dǎo)通，啟動電機(jī)工作；P1.3=l為高電平，反之，電機(jī)停止工作。電機(jī)故障報警由單片機(jī)控制，電機(jī)故障報警信號由P1.3輸人。當(dāng)P1.3為高電平時蜂鳴器報警。水位超過高警戒水位，單片機(jī)控制系統(tǒng)使電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，向水塔內(nèi)供水工作也停止。 4. 4存儲器擴(kuò)展接口電路 為了便于系統(tǒng)擴(kuò)展，存放大容量應(yīng)用程序，系統(tǒng)設(shè)計擴(kuò)展一片程序存儲器，用于存放源程序代碼。74LS373用于鎖存地址，單片機(jī)的P0.0～P0.7通過復(fù)用方式分別接鎖存器74LS373的DO～D7和存儲器273

10、2的D0～D7端，地址鎖存信號線ALE接鎖存器的OE端，通過軟件設(shè)置實現(xiàn)地址和數(shù)據(jù)信息的傳輸，鎖存器的輸出端Q0～Q7與存儲器地址線A0～A7相連，剩余的3根地址線A8～A11接P2.0～P2.2．單片機(jī)選通引腳接存儲器OE端，因只擴(kuò)展一片存儲器，片選端CE接地。 4.5 各設(shè)備的地址分配 各元件所接端口以及對應(yīng)地址如表1 所示 表1 元件所接端口以及對應(yīng)地址表 序號 1 2 3 4 P1口 P1.0 P1.1

11、 P1.2 P1.3 元件 開關(guān)B 開關(guān)A 電動機(jī) 報警 地址 90H 91H 92H 93H 4.6 軟件設(shè)計 4.6.1設(shè)計思路描述 當(dāng)水塔水位處于上、下限之間時，P1.0=l，P1.1=0，此時無論電機(jī)是在帶動水泵給水塔供水使水位不斷上升還是電機(jī)沒有工作使水位不斷下降，都應(yīng)繼續(xù)維持原有工作狀態(tài)；當(dāng)水位低于下限時，P1.0

12、=0，P1.1=0，此時啟動電機(jī)轉(zhuǎn)動，帶動水泵給水塔供水。 4.6.2 設(shè)計程序流程圖 為實現(xiàn)表2的各個控制，要求程序選擇P1.0和P1.1的高低電平，以及當(dāng)出現(xiàn)故障時控制P1.3為低電平報警同時關(guān)閉電機(jī)。 程序流程圖如圖3所示： 圖3 程序流程圖 4.6.3 主程序 根據(jù)圖3的流程，首先將P1口寫1，為檢查P1.0和P1.1狀態(tài)做準(zhǔn)備，然后選擇P1.0和P1.1的高低電平，實現(xiàn)控制P1.2和P1.3的7高低電平的變化，在沒有改變開關(guān)的狀態(tài)之前，為了保持各個端口的電平，需要調(diào)用延時程序，主程序以及延時程序見附錄一。 5 結(jié)論 控制系統(tǒng)有四種運行狀態(tài)

13、，當(dāng)水塔里的水面低于最低限時即低于浮子B時，A、B浮子開關(guān)均閉合，電機(jī)運轉(zhuǎn)，向水塔注水；直到水面超過浮子B，B開關(guān)打開，電機(jī)任然保持原來的運行的狀態(tài)；隨著水面上升，浮子開關(guān)A被打開，此時水面達(dá)到上限，因此關(guān)閉電機(jī)，停止向水塔里注水；隨著向外部供水，水面逐漸下降，浮子開關(guān)A閉合，但此時不需要再往水塔里注水，因此電機(jī)任然維持原來的停止?fàn)顟B(tài)不變。而當(dāng)不屬于上述的任何閉合情況時，報警器打開。 對四種不同狀態(tài)的仿真見附錄二。 6 結(jié)語 本系統(tǒng)就是充分利用了80C31和2732芯片的I/O引腳。系統(tǒng)采用MSC-51系列單片機(jī)Intel80C31和可編程并行I/O接口芯片2732為中心器件來設(shè)計

14、水塔水位控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了能根據(jù)水位的高低通過80C31芯片的P1口設(shè)置電動機(jī)的抽水和報警工作功能；通過二極管的發(fā)光來報警以及兩個開關(guān)來模擬水位的控制，二極管由驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動發(fā)光。 參考文獻(xiàn) [1] 張毅坤 單片微型計算機(jī)原理及應(yīng)用[M]，西安電子科技大學(xué)出版社，1998 [2] 雷麗文 等 微機(jī)原理與接口技術(shù)[M]，電子工業(yè)出版社，1997.2 [3] 王思明，張金敏 等 單片機(jī)原理及應(yīng)用[M]，科學(xué)出版社，2012.9 [4] 馮育長主編 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計與實例分析[M]，西安電子科技大學(xué)出版社，2007 [5] 謝維成，楊加國主編 單片機(jī)原理與應(yīng)用及C51程序設(shè)計[M

15、]，清華大學(xué)出版社，2006 附錄一 實驗程序如下： ORG 0000H AJMP LOOP ORG 0100H LOOP: SETB 93H ORL P1,#03H ；為檢查水位狀態(tài)做準(zhǔn)備 MOV A,P1 JNB ACC.0,ONE ；P1.0=0則轉(zhuǎn)移 JB ACC.1,TWO ；P1.1=1則轉(zhuǎn)移 BACK: ACALL DELAY ；調(diào)用延時 AJMP LOOP ON

16、E: JNB ACC.1,THREE ；P1.1=0則轉(zhuǎn)移 CLR 93H ；P1.3←0，啟動報警裝置 SETB 92H ；P1.2←1,停止電機(jī)工作 AJMP LOOP THREE: CLR 92H ；啟動電機(jī) AJMP BACK TWO: SETB 92H ；停止電機(jī)工作 AJMP BACK 延時子程序（延時10s）： DELAY: ORG

17、 8030H MOV R3,#19H LOOP3: MOV R1,#85H LOOP1: MOV R2,#0FAH LOOP2: DJNZ R2,LOOP2 DJNZ R1,LOOP1 DJNZ R3,LOOP3 RET END 附錄二 對四種不同狀態(tài)的仿真如下圖所示： (1)當(dāng)A，B兩開關(guān)都閉合，即水位未到達(dá)開關(guān)B時，電機(jī)運轉(zhuǎn)。 如圖4所示： 圖4 仿真電路1 (2)當(dāng)A開關(guān)閉合，B開關(guān)斷開，即水位適中，電機(jī)維持原狀。 如圖5所示： 圖5仿真電路2 (3)當(dāng)兩開關(guān)都斷開即水位超過了上線時，電機(jī)停轉(zhuǎn)。 如圖6所示： 圖6仿真電路3 (4)當(dāng)A斷開B閉合即浮子開關(guān)出現(xiàn)故障，電機(jī)停轉(zhuǎn)且系統(tǒng)報警。 如圖7所示： 圖7仿真電路4 8