水位自動控制系統(tǒng)設計.doc
《水位自動控制系統(tǒng)設計.doc》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《水位自動控制系統(tǒng)設計.doc（27頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。
華南師范大學增城學院 課 程 論 文 題目：水位自動控制系統(tǒng)設計 課 程 名 稱 《微型機控制技術》 考 查 學 期 2013/2014 學年 第 2學期 考 查 方 式 課程論文 姓 名 學 號 專 業(yè) 應用電子 成 績 指 導 教 師 摘要 2 一、設計內容： 3 二、硬件電路設計 3 2.1 系統(tǒng)框圖設計 3 2.2 單片機最小系統(tǒng) 4 2.4 水位傳感器的電路 7 2.5 液晶1602顯示設計 8 2.6 鍵盤功能設計 11 2.7 電機驅動電路 11 2.8 報警電路設計 12 三、軟件程序設計 13 3.1 主程序流程圖 13 3.2 鍵盤控制流程圖 15 3.3 顯示流程圖 15 3.4 水位測量流程圖 16 3.5 PWM 電機驅動程序 17 3.6 水位報警程序 18 四、調試過程 18 五、心得體會 19 六、參考文獻 21 七、附錄 22 摘要 水塔是在日常生活和工業(yè)應用中經常見到的蓄水裝置，在我們的生活中起到了重要的作用，而水塔里面的水位控制是一個水塔發(fā)揮作用的關鍵?；趩纹瑱C的水塔水位控制系統(tǒng)使水塔水位自動保持在一定的位置，通過對其水位的控制對外供水，以滿足需要。該系統(tǒng)使用水位傳感器對水塔水位進行檢測并將檢測到的信號傳給單片機來進行處理，通過調整定時器的定時時間來增大或者縮小占空比，并編寫程序加以控制，從而實現(xiàn)電機的調速。最后，使用液晶屏顯示當前水位狀態(tài)以及電動機的轉速。該系統(tǒng)通過了報警模塊來實現(xiàn)了過低水位蜂鳴器鳴笛報警、過低警戒水位自動處理、正常水位蜂鳴器鳴笛報警以及正常水位處理。本系統(tǒng)適應在不同的用水場合下的用水速度需要，節(jié)省工作時間，提高了整體工作的效率，實現(xiàn)水塔水位的自動控制。 液位控制是工業(yè)控制中的一個重要問題，針對液位控制過程中存在大滯后、時變、非線性的特點，為適應復雜系統(tǒng)的控制要求，人們研制了種類繁多的先進的智能控制器，模糊PID控制器便是其中之一。模糊PID控制結合了PID控制算法和模糊控制方法的優(yōu)點，可以在線實現(xiàn)PID參數(shù)的調整，使控制系統(tǒng)的響應速度快，過渡過程時間大大縮短，超調量減少，振蕩次數(shù)少，具有較強的魯棒性和穩(wěn)定性，在模糊控制中扮演著十分重要的角色 關鍵詞：水位控制；單片機；模糊PID控制 一、設計內容： 這設計課程是為了確保水位在水塔的允許的范圍內浮動，采用了水位傳感器測量水位變化，從而控制電動機，保證水位正常。因此，這里給出以STC89C52單片機為核心器件的水塔水位檢測控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實現(xiàn)水塔水位檢測、LCD1602顯示當前水位功能以及蜂鳴器鳴笛報警，手動按鍵調整PWM電機調速功能，實現(xiàn)過低和正常警戒水位報警、過低和正常警戒水位處理的系統(tǒng)要求。 按下電源按鈕后，燈會閃爍幾下，然后是常亮狀態(tài)，蜂鳴器會響。電機不會轉的，此時系統(tǒng)在待機狀態(tài)，且為正常狀態(tài)。要先選擇好電機的抽水速度是哪個檔位，共有4個檔位。檔位越高，速度越快。在電機轉的時候，按下選擇檔位，電機立馬會停止的，這個是一個軟件安全冗余的設計理念。電機在水位模擬傳感器端口（低水位）按下后，說明水位太低，電機轉動，此時蜂鳴器會響一下，燈會閃爍幾下，以此表示報警，并且液晶也會顯示水位太低。當水位模擬傳感器端口（正常水位）按下后，說明水位已經到正常狀態(tài)，電機停轉，此時蜂鳴器也會響一下，燈一樣會閃爍，以此表示報警，且液晶屏也會顯示水位正常。而PWM速度調整就是檔位的選擇，必須在電機停止的狀態(tài)下去選擇電機輸出的速度。 二、硬件電路設計 2.1 系統(tǒng)框圖設計 系統(tǒng)的總體框圖主要由主控芯片基本電路、按鍵電路、電動機和蜂鳴器驅動電路、液晶顯示電路組成。除主控芯片電路外，其他的都是外圍功能性電路。蜂鳴器和電動機電路驅動原理基本相同，都為三極管驅動電路，按鍵電路為平常的獨立按鍵電路，液晶電路參考設計手冊既可。電路設計框圖如圖2.1所示： 圖2.1 水塔水位控制系統(tǒng)總框圖 2.2 單片機最小系統(tǒng) STC89C52是一款完全兼容8051內核指令的芯片，是宏晶科技公司的新一代增強性的8051單片機[9]。采用最新的加密技術解決了全球89系列單片機都被解密的困惑。并且管腳完全兼容，性能更好，驅動力更強，功耗更低，價格也比傳統(tǒng)的89系列低[10]。STC89C52的引腳說明圖如圖3-1 圖3-2 STC89C52的引腳圖說明 圖3-4 最小系統(tǒng)原理圖 此圖是單片機工作的最小系統(tǒng)原理圖，在這個電路中又可以分為復位電路和晶振電路，如圖3-4和圖3-5所示： 圖3-5復位電路 復位電路可以分為上電復位和手動按鍵復位兩種。在系統(tǒng)上電的一瞬間單片機上電復位，原理是利用電容兩端的電壓不能突變，在一上電的瞬間電容好比短路，所以加在第九腳RST的電平是高電平，雖然時間很短，但是足以讓單片機系統(tǒng)復位。 手動按鍵復位的原理是，在系統(tǒng)正常工作的過程中可以手動觸動按鍵使單片機復位。具體原理是，按下S1按鍵，因此5V電壓經過一個200歐姆的電阻分壓后加到系統(tǒng)的RST上，手動按鍵按下到抬起的過程足以使系統(tǒng)復位。 圖3-6晶振電路 對于單片機系統(tǒng)而言，晶振電路就好比是人的心臟一樣，是一個跳動的動力來源，18,19號引腳接的是11.0592M的晶振。 2.3蜂鳴器報警電路原理 圖3-7蜂鳴器報警功能電路 蜂鳴器報警功能電路使用的是三極管8550驅動，三極管8550是PNP三極管，射極接電源+5V,基極通過一個電阻連接到P1.0口，集電極接蜂鳴器，當P1.0為高電平時，三極管截止，蜂鳴器沒有不響，當P1.0為低電平時，三極管導通，蜂鳴器發(fā)出響聲。 2.4 水位傳感器的電路 按鍵是現(xiàn)階段電子設計中最常用、最實用的輸入設備。按鍵能夠成為最普遍的輸入設備，主要是其具備了以下幾個優(yōu)點：工作原理、硬件電路連接簡單、操作實用性強、價格便宜，程序編寫簡單。缺點：機械抖動比較嚴重、外型不夠美觀。 按鍵部分實現(xiàn)的主要原理是單片機讀取與按鍵相連接的I/O口狀態(tài)，來判定按鍵是否按下，達到系統(tǒng)參數(shù)設置的目的。鍵盤在單片機應用系統(tǒng)中的作用是實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入、命令輸入，是人工干預的主要手段。 獨立式按鍵就是按鍵相互獨立，每個按鍵單獨占用一根I/O口線，每根I/O口線的按鍵的工作狀態(tài)，不會影響其他I/O口線上的工作狀態(tài)。各按鍵開關均需要采用了上拉電阻，是為了保證在按鍵斷開時，各I/O有確定的高電平。當輸入口線內部已有上拉電阻，外電路的上拉電阻可省去。因此，通過檢測輸入線的電平狀態(tài)就可以很容易判斷是哪個按鍵被按下了。優(yōu)點：電路配置靈活，軟件結構簡單。缺點：每個按鍵需占用一根I/O口線，在按鍵數(shù)量較多時，I/O口浪費大，電路結構顯得復雜。因此，此鍵盤適用于按鍵較少或操作速度較高的場合。 矩陣式鍵盤適用于按鍵數(shù)量多的場合，它通常由行線和列線組成，按鍵位于行、列的交叉點上。單片機的鍵盤檢測通常有三種方式：查詢、中斷、定時掃描。查詢和中斷方式同普通的 I/O 傳送是一致的，定時掃描方式是利用單片機內部定時器產生定時中斷，在中斷服務程序中對鍵盤進行掃描獲得鍵值。 在本設計中采用的是 4 行*4 列鍵盤，其電路圖如圖3.12所示，列線由 P2.4-P2.7口控制，行線由 P2.0-P2.3口控制。電路中共 16個按鍵，包括設置鍵、3 個溫度參數(shù)和時間設置鍵、1個增加鍵、1個減小鍵。系統(tǒng)在程序初始化時控制鍵盤行線的 P2.0-P2.3口輸出高電位，控制鍵盤列線的P2.4-P2.7口輸出低電位，在判斷電路是否有按鍵按下時，讀 P2.0-P2.7端口值，若端口值不是11110000，則說明電路中有按鍵按下。然后根據(jù)程序進行去抖動處理和計算鍵值。 圖2.4 矩陣式鍵盤電路圖 2.5 液晶1602顯示設計 液晶顯示器以其微功耗、體積小、顯示內容豐富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點，在袖珍式儀表和低功耗應用系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應用[12]。 字符型液晶模塊是一種用57點陣圖形來顯示字符的液晶顯示器，根據(jù)顯示的容量可以分為1行16個字、2行16個字、2行20個字等等。 字符型液晶顯示模塊是一類專用于顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶顯示模塊。之所以稱字符型液晶顯示模塊是因為其液晶顯示器件的電極圖形是由若干個58或511點陣塊組成的字符塊集。每一個字符塊是一個字符位，每一位都可以顯示一個字符，字符位之間空有一個點距的間隔起著字符間距和行距的作用，這是其一；其二是這類模塊使用的是專用于字符顯示控制與驅動的IC芯片[13]。這兩種因素確定了這類模塊的應用范圍僅局限于字符而顯示不了圖形，所以稱其為字符型液晶顯示模塊。 字符型液晶顯示驅動控制器廣泛應用于字符型液晶顯示模塊上。目前最常用的字符型液晶顯示驅動控制器是HD44780U，也出現(xiàn)使用HD667O1或HD66702等字符型液晶顯示驅動控制器單片控制的字符型液晶顯示模塊。液晶顯示驅動器為HD44100及其替代品。 字符型液晶顯示模塊在世界上是比較通用的，而且接口格式也是比較統(tǒng)一的，其主要原因可能是各制造商所采用的模塊控制器都是HD44780U及其兼容品，不管它的顯示屏的尺寸如何，它的操作指令及其形成的模塊接口信號定義都是兼容的。所以會使用一種字符型液晶顯示模塊，就會通曉所有的字符型液晶顯示模塊。 液晶1602有三條控制線，RS/數(shù)據(jù)命令端，RW/讀寫選擇端、EN/使能端，一個8位的數(shù)據(jù)端口。常用指令說明如表3-1： 表3-1常用指令說明 指令名稱 控制信號 控制代碼 D/I R/W D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 清屏 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 歸home位 0 0 0 0 0 0 0 0 1 * 輸入方式設置 0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S 顯示狀態(tài)設置 0 0 0 0 0 0 1 D C B 光標畫面滾動 0 0 0 0 0 1 S/C R/L * * 工作方式設置 0 0 0 0 1 DL N F * * CGRAM地址設置 0 0 0 1 A5 A4 A3 A2 A1 A0 DDRAM地址設置 0 0 1 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 讀BF和AC 0 1 BF AC6 AC5 AC4 AC3 AC2 AC1 AC0 寫數(shù)據(jù) 1 0 數(shù) 據(jù) 讀數(shù)據(jù) 1 1 數(shù) 據(jù) 圖3-10液晶1602顯示電路圖 液晶1602從左到右依次有16根引腳，每個引腳定義不同。有三根控制引線和八根信號線，必須注意的一點是3號引腳是背光電源指示端。背光電阻選擇的不同有不同的結果。我們這里選擇2.7k電阻做為背光電阻。 2.6 鍵盤功能設計 圖3-9按鍵功能電路 按鍵功能電路里面有兩種按鍵，一種按鍵是模仿水塔水位開關的功能按鈕，一種是電機PWM輸出的調整按鈕。原理是通過一個10k的電阻接到+5v電源線上，當按鍵沒有按下時，按鍵沒有導通，所以沒有電流，但對于連到引腳上的那一端來講是高電平。當按鍵按下時，因為電路導通，有電流流過，和單片機引腳接觸的那一端接地，所以是低電平。因此能檢測到信號的變化，交給程序處理后做出相關的動作。 2.7 電機驅動電路 圖3-8電機驅動電路 電機驅動電路和蜂鳴器的電路基本相同，同樣使用8550三極管驅動，三極管的基極接P1.1，當P1.1為高電平時，電機不轉動，當P1.1為低電平時，電機轉動。 2.8 報警電路設計 圖3-7蜂鳴器報警功能電路 蜂鳴器報警功能電路使用的是三極管8550驅動，三極管8550是PNP三極管，射極接電源+5V,基極通過一個電阻連接到P1.0口，集電極接蜂鳴器，當P1.0為高電平時，三極管截止，蜂鳴器沒有不響，當P1.0為低電平時，三極管導通，蜂鳴器發(fā)出響聲。 三、軟件程序設計 3.1 主程序流程圖 當系統(tǒng)按下電源開關，且確定有電源存在時候，系統(tǒng)進入初始化狀態(tài)，燈會閃爍、蜂鳴器響一聲、液晶初始化,初始化完以后，進入PWM按鍵調速選擇，如有按鍵按下，進入PWM按鍵調整子程序，若沒有，進入主程序等待狀態(tài)，檢測水塔水位的液位狀態(tài)，當模擬液位低水位按鍵按下后，電機以顯示速度啟動，模擬抽水過程，此時蜂鳴器報警，燈閃爍，且液晶會顯示水位過低狀態(tài)。當模擬水位正常按鍵正常按鍵按下后，電機停止轉動，蜂鳴器報警、液晶顯示當前正常狀態(tài)，然后程序進入循環(huán)，繼續(xù)檢測模擬水位狀態(tài)按鍵。具體流程圖的如圖4-2所示 圖4-2程序總體流程圖 3.2 鍵盤控制流程圖 由于使用的按鍵較少，所以本文采用了獨立式鍵盤，即每個按鍵單獨占用一根口線。在程序查詢方式下，通過I/O端口讀入按鍵狀態(tài)，當有按鍵按下時，相應的端口變?yōu)榈碗娖?，這樣通過讀入I/O口狀態(tài)判斷是否有按鍵按下。查詢式鍵盤的程序流程圖如下： 圖4-1 鍵盤程序流程圖 3.3 顯示流程圖 共陰極數(shù)碼管是用高電平（“1”）點亮的，要求驅動功率較大。程序流程圖如圖3.4 所示。 圖 3.4 顯示子程序流程圖 3.4 水位測量流程圖 本設計采用單片機主控芯片控制繼電器外圍電路，用于驅動電機的啟動與關停。其程序流程圖如圖4-3所示。 啟動A/D轉換 讀取液位數(shù)據(jù) 開始 實際液位≥高警戒液位 且電機已啟動 關閉電機 記錄數(shù)據(jù) 實際液位≤低警戒液位 且電機關閉 返回 啟動電機 記錄數(shù)據(jù) 是 否 是 否 圖4-2 液位檢測流程圖 3.5 PWM 電機驅動程序 在進入PWM按鍵子程序后，首先要做的事是先檢測是否確定有按鍵按下，這個過程延時15ms，在確認有按鍵按下后，判斷是哪一個按鍵按下，如果是速度加按鍵按下，電機不管在什么狀態(tài)，都是首先停止，然后是調整PWM調制時間，液晶屏顯示速度增加，按下減按鍵，也是先停止電機，調整PWM調制時間，液晶屏顯示速度減少。具體流程圖如圖4-1所示。 PWM調速按鍵調整子程序 檢測是否有按鍵按下 Y N 延時15ms，確定有按鍵按下 N 檢測哪一個按鍵按下 先停止電機，PWM速度增加 液晶屏顯示速度值增加 先停止電機，PWM速度減少 液晶屏顯示速度值減少 減按鍵 加按鍵 圖4-1 PWM按鍵調整子程序流程圖 3.6 水位報警程序 報警子程序主要實現(xiàn)在溫度超限的情況下，進行聲光報警，并切斷電源。程序流程圖如下圖3.6。 圖3.6 報警子程序流程圖 四、調試過程 本系統(tǒng)的調試主要分為硬件調試、軟件調試等兩大部分。經過初步的分析設計后，在制作硬件電路的同時，調試也在穿插進行。這樣有利于問題的分析和解決，不會造成問題的積累，而且不會因為一個小問題而進行整體電路的檢查，從而可以節(jié)約大量的調試時間。軟件編程中，首先編寫單元模塊的程序，并且在硬件上調試成功問題，即可以做系統(tǒng)整體程序的調試。聯(lián)機調試是最重要的一部分，同時也是本設計成功的關鍵。 上電后觀察電路工作性能，如不能正常工作，按原理圖分模塊進行電路檢測，是否有虛焊或漏焊現(xiàn)象；如焊接正常，在按信號傳遞的方向逐級檢測，找出出問題的一級，并向該級的上級進行檢測，直到將故障排除。對于虛焊和漏焊的情況最好的辦法是先找到一個比較大的電路回路，如果用的是指針式萬用表，打到歐姆檔1X10歐姆檔就可以測，如果是指針擺到最右端，說明我們的線路連接是正常的！如果用的是數(shù)字萬用表，我們可以調整到短路檔位，接上要測的點直接就可以測，如果有蜂鳴響說明線路連接正常。 在元件沒有在萬能板上進行焊接的時候我們是不能直接拿過來就進行使用的，必須經過檢測，像LED燈可以用萬用表測試一下看其是否會發(fā)光，測試三級管的好壞，器件的檢測工作都要在焊接之前做好。 用萬用表接到按鍵的信號輸入端口，如果按鍵按下信號肯定會有變化，并且會在萬用表上直接測試讀出，這樣直接通過硬件測量按鍵是否能打到預期的效果。 寫一個功能小程序，來具體單個的功能硬件電路是否有問題，如果有問題再具體看是硬件的問題還是軟件的問題，若沒有問題，則可以進行下一個功能電路的測試。 五、心得體會 作為一名電氣的大四學生，在即將畢業(yè)之際，通過做這次課程設計是很有意義的，而且也是必要的。在做這次課程設計的過程中，我感觸最深的當屬查閱大量的設計資料了。為了讓自己的設計更加完善，查閱這方面的實際資料是十分必要的，也是必不可少的。 其次，在這次課程設計中，我們運用了以前學過的專業(yè)課知識，如：proteus仿真、匯編語言、模擬和數(shù)字電路知識等。雖然過去我從未獨立應用過他們，但在學習的過程中帶著問題去學我發(fā)現(xiàn)效率很高，這是我做這次課程設計的又一收獲。 最后，要做好一個課程設計，就必須做到：在設計程序之前，對所用單片機的內部結構有一個系統(tǒng)的了解，知道該單片機有哪些資源；要有一個清晰的思路和一個完整的軟件流程圖；在設計程序時，不能妄想一次將整個程序設計好，反復修改、不斷改進是程序設計的必經之路；要養(yǎng)成注釋程序的好習慣，這樣為資料的保留和交流提供了方便；在設計中遇到的問題要記錄，以免下次遇到同樣的問題。 在這次的課程設計中，我真正的意識到，在以后的學習中，要理論聯(lián)系實際，把我們所學的理論知識用到實際當中，學習單片機更是如此，程序只有在經常寫與讀的過程中才能提高，這就是這次課程設計的最大收獲。 六、參考文獻 [1] 呂小紅,周鳳星,馬亮.基于單片機的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設計[C].武漢：武漢科技大學,2008 [2] 馬云峰，郭文川.微機原理與接口技術[M].北京：高等教育出版社，2001 [3] 張開生.MCS-51單片機溫度控制系統(tǒng)的設計[J].微計算機信息,2005 [4] 胡壽松.自動控制原理（第五版）[M].北京：北京科學出版社,2007 [5] 張俊謨.單片機中級教程［M］。北京：北京航空航天大學出版社，2006； [6] 劉君華.智能傳感器系統(tǒng)[M]。國防工業(yè)出版社，1998； [7] 侯國章.測試與傳感技術[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社,2000 [8] 夏大勇,周曉輝,趙增,陳博峰,虎恩典.MCS- 52單片機溫度控制系統(tǒng)[J]. 北京航空航天大學出版社,2007 七、附錄 #include
- 配套講稿：
如PPT文件的首頁顯示word圖標，表示該PPT已包含配套word講稿。雙擊word圖標可打開word文檔。
- 特殊限制：
部分文檔作品中含有的國旗、國徽等圖片，僅作為作品整體效果示例展示，禁止商用。設計者僅對作品中獨創(chuàng)性部分享有著作權。
- 關 鍵 詞：
- 水位 自動控制系統(tǒng) 設計
裝配圖網所有資源均是用戶自行上傳分享，僅供網友學習交流，未經上傳用戶書面授權，請勿作他用。
相關資源
更多
正為您匹配相似的精品文檔
相關搜索
鏈接地址：http://www.3dchina-expo.com/p-6695700.html