計算機控制課程設計--水位自動控制裝置的設計

1、<p>　　課 程 設 計 說 明 書</p><p>　　課程設計名稱： 計算機控制技術 </p><p>　　題 目： 水位自動控制裝置的設計 </p><p>　　學 生 姓 名： </p><p>　　專 業(yè)：

2、 電氣工程與自動化 </p><p>　　學 號： </p><p>　　指 導 教 師： </p><p>　　日期：2013年12月18日</p><p><b>　　摘要：</b></p><

3、;p>　　隨著微電子技術的快速發(fā)展，單片機控制的智能型控制器件廣泛應用于電子產品中，為了達到對單片機控制器進一步層次學習和掌握，經過綜合分析系統(tǒng)選擇了由STC89C51單片機為處理單元，完成液位智能控制功能。液位自動控制是通過控制開關閥的開關來控制液位的高低，當傳感器檢測得到液位高度設定值，閥門關閉，防止液體溢出；當檢測液位低于設定值時，閥門打開，使液位上升，從而達到控制液位的目的。通過對系統(tǒng)設計的分析、方案論證和選擇、系統(tǒng)模塊設

4、計到最后系統(tǒng)的完善和調試，系統(tǒng)能按照要求能完成液位高度控制功能，運行情況穩(wěn)定。</p><p>　　關鍵詞：單片機，智能控制，開關閥，液位高度</p><p><b>　　Abstract:</b></p><p>　　With the rapid development of microelectronics technology and s

5、ingle-chip microcomputer control of intelligent control devices are widely used in electronic products, in order to achieve further level of single chip microcomputer controller to learn and master, after comprehensive a

6、nalysis system chosen by the STC89C51 microcontroller as the processing unit, complete the level of intelligent control function. Liquid level automatic control is through the control of switch valve switch to control<

7、;/p><p>　　Key words: single chip microcomputer, intelligent control, on-off valves, liquid level height</p><p><b>　　目錄：</b></p><p><b>　　前言：1</b></p><

8、;p>　　1.系統(tǒng)方案設計2</p><p>　　1.1 控制方式選擇2</p><p>　　1.2 微處理器型號選擇2</p><p>　　1.3 整體方案設計3</p><p><b>　　2.硬件設計4</b></p><p>　　2.1單片機最小系統(tǒng)4</p&g

9、t;<p><b>　　2.2 傳感器5</b></p><p>　　2.3 信號放大電路6</p><p>　　2.4 鍵盤電路7</p><p>　　2.5 液晶顯示電路8</p><p>　　2.6 A/D轉換電路及控制輸出9</p><p>　　2.7系統(tǒng)電源電路設

10、計12</p><p>　　3. 軟件設計14</p><p>　　3.1 軟件系統(tǒng)設計14</p><p>　　4. 系統(tǒng)設計總結15</p><p><b>　　參考文獻：16</b></p><p><b>　　附頁：17</b></p>&l

11、t;p>　　1.系統(tǒng)設計總圖17</p><p>　　2.系統(tǒng)核心程序18</p><p><b>　　前言：</b></p><p>　　系統(tǒng)基于STC12C5A60S2單片機為處理器，完成液位檢測、顯示和控制功能。通過電子式水位開關和搭配的水位控制器(SY-9411L-D)來控制，電子式水位開關原理是通過電子探頭對水位進行檢測

12、，再由水位檢測專用芯片對檢測到的信號進行處理,當被測液體到達動作點時，芯片輸出高或低電平信號，再配合水位控制器，從而實現液位高度控制。</p><p>　　這種控制器較注重水位探頭的功能，不只是拿普通的金屬棒作探頭，不需浮球和干簧管,外部無機械動作,耐污耐用,不怕漂浮物影響，該種水位控制器有較強的耐污能力和較強的防波浪功能，適宜長時間浸在水中,工作電壓是直流5-24V，很安全。通過浮球開關來控制水位。基本上有兩種

13、方式：一種是浮球開關帶著一個大的金屬球，浸在水中時浮力大，可以控制兩個水位，比如水滿了，浮球因為浮力而上升，帶動球閥運動，使閥門關閉，停止進水，當水少了，浮球下降，閥門打開，又再進水，如此循環(huán)。這種方式較多應用在煮開水器和衛(wèi)生間的沖水器上。第二種是電纜式浮球開關，該裝置通過一彈性電線與水泵連接，可用于水塔、水池水位高低的自動控制和缺水保護，允許接的用電器是220V,10A左右，平衡錘或彈性電線的某一固定點到浮筒間的電線長度，決定水位的高

14、低。這種水位開關價格便宜，對于一些要求不太嚴格的場合適用，有一定耐污能力。但存在這樣的問題：浮球易受外界雜物影響其穩(wěn)定性，特別是纖維狀的雜物纏繞而有失誤，同一小水箱里不宜使用多個，否則會相纏繞。使用壽命相對短些，而且多數直接接到220V,存在一定的安全隱患，終有一天因為電線破損而漏電傷人。所以電纜式</p><p><b>　　1.系統(tǒng)方案設計</b></p><p>

15、;　　1.1 控制方式選擇</p><p>　　液位的控制方式有很多，較多的主要有2種，一種是簡單的機械式控制裝置，一種是復雜的控制器控制方式。兩種方案實現如下：</p><p>　　簡單的機械式控制方式：器常用形式有浮標式、電極式等，這種控制形式的有點是結構簡單，成本較低。存在問題是精度不高，不能進行數值顯示，另外很容易引起誤動作，且只能單獨控制，與計算機進行通信較難實現。</p&

16、gt;<p>　　復雜控制器控制方式：這種控制方式是通過安裝在水泵出口管道上的壓力傳感器，把出口壓力標準工業(yè)電信號的模擬限號，經過前置放大、多路切換、A/D變換成數字信號傳送到單片機，經過單片機運算和給定參數的比較，經過PID運算，得出調節(jié)參量；經由D/A變換給調壓/變頻調速裝置輸入給定端，控制其輸出電壓變化，來調節(jié)電極轉速，已達到控制液位的目的。</p><p>　　方案論證與比較：方案1整體設計

17、簡單，成本較低。但是控制方式單一，不具有遠程控制的發(fā)展?jié)摿?。方?可實現遠程控制，數字可視化顯示便于現場維護和檢測，但是系統(tǒng)設計較復雜，成本較高。綜合以上論述系統(tǒng)設計選擇方案2。</p><p>　　1.2 微處理器型號選擇</p><p>　　系統(tǒng)微處理器的選擇，主要考慮微處理器內存、外部資源是否能滿足系統(tǒng)設計基本要求及是否能為系統(tǒng)后期改善提供足夠空間。</p><

18、p>　?。?）方案1：采用芯片STC89C51單片機作為硬件核心，顯示模塊采用七位LED屏，可以實時顯示數字，顯示較穩(wěn)定和壽命長等優(yōu)點。</p><p>　　（2）方案2：采用芯片STC12C5A60S2單片機作為硬件核心，顯示模塊采用七位LED液晶顯示屏，可以顯示大量數字。</p><p>　　方案論證與比較：方案1，處理器使用的是STC89C52單片機，只有8K的Fash和128

19、Kb的RAM，當需要大量數據存儲時有很大限制。而在驅動只采用74HC573由于受到74HC573輸入管腳灌電流的影響，當在陰極單列全亮的情況下回影響到LED的亮度。由此來看方案1不適合設計要求。</p><p>　　方案2：采用處理器是STC12C5A60S2，該芯片是在51單片機基礎上發(fā)展產生的，功能更加強大。內有60K的Flash、1280SRAM，還有EEPPROM。其內存能夠滿足大量數據存儲和處理的要求符

20、合設計。其次，STC12C5A60S2豐富而強大的第二功能如AD轉換。</p><p>　　1.3 整體方案設計</p><p><b>　　圖1.1系統(tǒng)框圖</b></p><p>　　工作原理：基于單片機實現的液位控制器是以STC12C5A60S2為IC核心，有鍵盤、數碼顯示，A/D轉換、傳感器，電源和控制部分組成。工作過程為：水箱液位發(fā)

21、生變化時，引起連接在水箱底部的軟管關內的空氣氣壓變化，氣壓傳感器在接收到軟管內的空氣氣壓信號后，即把變化量轉化成電壓限號；該信號經過運算放大器放大后變成幅度為0～5V標準限號，送入A/D轉換器，A/D轉換器把模擬信號變成數字信號量，有單片機進行實時數據采集，并行處理，根據設定要求控制輸出，同時數碼管顯示液位高度數值。通過鍵盤設置液位高度、低和限定值以及強制報警值。該系統(tǒng)控制器特點是直觀地顯示水位高度，可任意控制水位高度。</p&g

22、t;<p><b>　　2.硬件設計</b></p><p>　　液位控制器的硬件主要包括有單片機、傳感器、鍵盤電路、數碼顯示電路、A/D轉換器和輸出控制電路等。</p><p>　　2.1單片機最小系統(tǒng)</p><p>　　單片機采用雙列40腳STC12C5A60S2芯片。其中，P2口用于A/D轉換，P0用于顯示數據輸出；P1口

23、連接一個4X4的鍵盤；P3口用于控制電磁和水泵動作；P3口用于上下限指示燈，報警指示燈以及用于讀寫控制和中斷等。圖2.1中是STC12C5A60S2芯片的引腳功能說明。</p><p>　　圖2.1 單片機最小系統(tǒng)</p><p>　　STC12C5A60S2單片機，為51系列增強型單片機系列。STC12C5A60S2 系列工作電壓： 5.5V ， 工作頻率范圍：0 - 35MHz，相當于

24、普通8051 的 0～420MHz，用戶應用程序空間60K ， 片上集成 1280 字節(jié) RAM，通用I/O 口（36/40/44 個），復位后為： 準雙向口/ 弱上拉（普通8051 傳統(tǒng)I/O 口），可設置成四種模式：準雙向口/ 弱上拉，推挽/ 強上拉，僅為輸入/ 高阻，開漏每個I/O 口驅動能力均可達到20mA，但整個芯片最大不要超過55mA，I S P（在系統(tǒng)可編程）/IAP （在應用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器可通過

25、串口（P3.0/P3.1）直接下載用戶程序，數秒即可完成一片，有EEPROM 功能(STC12C5A62S2/AD/PWM 無內部EEPROM) ，內部集成MAX810 專用復位電路（外部晶體12M 以下時，復位腳可直接1K 電阻到地）， 外部掉電檢測電路: 在P4.6 口有一個低壓門檻比較器，單片機為1.32V，誤差為+/-5%,3.3V 單片機為1.30V，誤差為+/-3%，時鐘源：外部高精度晶體</p><p&

26、gt;<b>　　2.2 傳感器</b></p><p>　　傳感器使用SY-9411L-D型變送器，它內部含有一個壓力傳感器和相應的放大電路。電壓傳感器是美國SM公司生產的555-2型OEM壓阻壓力傳感器，其有全溫度補償及標定（0~70），傳感器經過特殊加工處理，用兼顧的耐高溫塑料外殼封裝。其管腳分布如圖2.2所示。1腳為信號輸出（-）；2腳為信號輸出（-）；3腳為激勵電壓；4腳為地；5腳

27、為信號輸出（+）；6腳為信號輸出（+）。在水箱</p><p>　　圖2.2 SY-9411L-D變送器</p><p>　　底部安裝1根直徑為5mm的軟管，一端安裝在水箱底部；另一端與傳感器連接。水箱水位高度發(fā)生變化時，引起軟管內氣壓變化，然后傳感器把氣壓轉換成電壓信號，輸送到A/D轉換器。驅動控制電路如圖2.3。</p><p>　　圖2.3 驅動控制電路&l

28、t;/p><p>　　2.3 信號放大電路</p><p>　　INA168是TI公司的一款高精度運算放大器。INA168和電流監(jiān)測高側，單極，電流并聯監(jiān)視器。寬輸入共模電壓范圍，低靜態(tài)電流，和小的SOT - 23包裝使在各種應用中的用途。輸入共模和電源電壓獨立的，可以從2.7V至36V的范圍INA168和2.7V 60V的電流監(jiān)測。二者模型得出的只有25µ靜態(tài)電流，也允許連接電源的

29、兩側具有最小誤差的分流電流測量。該裝置將一個輸入電壓的一個電流輸出。這個電流被轉換回與外部負載電阻設置電壓增益從1到100。雖然設計測量電流并聯電路，邀請創(chuàng)造性在測量中的應用和水平轉移。其管腳分布如圖2.4所示。</p><p>　　圖2.4 INA168管腳分布圖</p><p>　　系統(tǒng)中將SY-9411L-D傳感器采集得到的電信號，經過INA168高精度運算放大器放大處理。放大處理后

30、的信號送到由ADC0809構成的A/D轉換電路，使迷你信號轉換成數字信號，并將得到的數字信號傳送給STC12C5A60S2單片機進行相應處理。電路如圖2.5。</p><p>　　圖2.5信號放大電路</p><p><b>　　2.4 鍵盤電路</b></p><p>　　P1口作為鍵盤接口，連接一個4X4鍵盤。結構上采用行列方式，可定義鍵盤

31、布局。結構如圖2.6所示。</p><p>　　圖2.6 矩陣鍵盤電路</p><p>　　2.5 液晶顯示電路</p><p>　　液晶顯示采用數碼管動態(tài)顯示，范圍從0~999（單位可自定），選擇的數碼管是7段共陰極連接，型號是LDS18820.在這里使用了74HC573鎖存器，它是一個8位并行輸出，具有輸出所存功能的CMOS器件，在單片機系統(tǒng)中經常使用，可以作地

32、址數據總線擴展的鎖存器，也可以作為普通的LED燈驅動器件，由于單獨使用74HC573完成數碼管的驅動顯示，因此74HC573在這里只用作擴展的緩沖，圖2.7是顯示電路的原理圖。</p><p><b>　　圖2.7 顯示電路</b></p><p>　　74HC573原理說明：</p><p>　　74HC573的八個鎖存器都是透明的D 型鎖存

33、器，當使能（G）為高時，Q 輸出將隨數據（D）輸入而變。當使能為低時，輸出將鎖存在已建立的數據電平上。輸出控制不影響鎖存器的內部工作，即老數據可以保持，甚至當輸出被關閉時， 新的數據也可以置入。這種電路可以驅動大電容或低阻抗負載，可以直接與系統(tǒng)總線接口并驅動總線，而不需要外接口。特別適用于緩沖寄存器，I/O 通道，雙向總線驅動器和工作寄存器。74HC573管腳分布如圖9。</p><p>　　圖2.8

34、74HC573</p><p>　　74HC573輸入、輸出真值表如下表2.1：</p><p>　　表2.1 74HC573 真值表</p><p>　　2.6 A/D轉換電路及控制輸出</p><p>　　A/D轉換電路在系統(tǒng)設計中起主導作用，用它將傳感器輸出的模擬電壓信號轉換成單片機能處理的數字量。該控制器采用CMOS工藝制造的逐次逼近

35、式8位A/D轉換器芯片ADC0809。在使用時可選擇中斷、查詢和延時等3種方式編制A/D轉換程序。圖2.9是A/D轉換部分原理圖，在接線時先經過運算放大器和分壓電路把傳感器輸出的電流信號轉換成電壓信號，然后輸入到A/D轉換器。</p><p>　　控制輸出主要有上下限狀態(tài)顯示、超限報警。另外在設計過程中預留了串口，供進一步開發(fā)使用。</p><p>　　圖2.9 A/D轉換電路</p

36、><p>　　ADC0809是帶有8位A/D轉換器、8路多路開關以及微處理機兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉換器，可以和單片機直接接口。</p><p>　?。?）ADC0809的內部邏輯結構</p><p>　　由下圖2.10可知，ADC0809由一個8路模擬開關、一個地址鎖存與譯碼器、一個A/D轉換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關可選通8個模

37、擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用A/D轉換器進行轉換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉換完的數字量，當OE端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉換完的數據。</p><p>　　圖2.10 ADC0809內部電路結構</p><p>　　（2）ADC0809引腳結構 </p><p>　　ADC0809各腳功能如下：</p><p>　　

38、D7-D0：8位數字量輸出引腳。</p><p>　　IN0-IN7：8位模擬量輸入引腳。</p><p>　　VCC：+5V工作電壓。</p><p><b>　　GND：地。</b></p><p>　　REF（+）：參考電壓正端。</p><p>　　REF（-）：參考電壓負端。</p

39、><p>　　START：A/D轉換啟動信號輸入端。</p><p>　　ALE：地址鎖存允許信號輸入端。</p><p>　?。ㄒ陨蟽煞N信號用于啟動A/D轉換）.</p><p>　　EOC：轉換結束信號輸出引腳，開始轉換時為低電平，當轉換結束時為高電平。</p><p>　　OE：輸出允許控制端，用以打開三態(tài)數據輸出鎖

40、存器。</p><p>　　CLK：時鐘信號輸入端（一般為500KHz）。</p><p>　　ADC0809對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是0－5V，若信號太小，必須進行放大；輸入的模擬量在轉換過程中應該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。 </p><p>　　地址輸入和控制線：4條 </p><p>　　

41、ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當ALE線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將A，B，C三條地址線的地址信號進行鎖存，經譯碼后被選中的通道的模擬量進入轉換器進行轉換。A，B和C為地址輸入線，用于選通IN0－IN7上的一路模擬量輸入。通道選擇表如表2所示。</p><p>　　表2.2 ADC0809 通道選擇真值表</p><p>　　2.7系統(tǒng)電源電路設計</p><

42、;p>　　電源：（由7812可調電源和7805構成的+5V穩(wěn)壓電源）由電源變壓器，整流電路，濾波和穩(wěn)壓電路等部分組成。變壓器將220v的電壓變?yōu)樾枰碾妷褐岛笸ㄟ^整流電路將交流電壓變成脈動的直流電壓。此脈動的直流電壓還有較大的紋波，再通過較大電容，利用電容的充放電達到濾波效果，從而得到比較平滑的直流電壓，最后在經過集成的穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓使輸出能得到很穩(wěn)定的電壓。系統(tǒng)設計如圖2.11。</p><p>　　圖2.

43、11 系統(tǒng)電源電路</p><p>　　LM7805電源芯片為三端穩(wěn)壓集成IC。電子產品中，常見的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的lm78 ×× 系列和負電壓輸出的lm79××系列。顧名思義，三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。它的樣子象是普通的三極管，TO- 220 的標準封裝，也有l(wèi)m9013樣子的TO-92封裝。用lm78/

44、lm79系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內部還有過流、過熱及調整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。該系列集成穩(wěn)壓IC型號中的lm78或lm79后面的數字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如lm7806表示輸出電壓為正6V，lm7909表示輸出電壓為負9V。</p><p>　　在實際應用中，應在三端集成穩(wěn)壓電路上安裝足夠大的散熱器（當然小功率 </p><p

45、>　　的條件下不用）。當穩(wěn)壓管溫度過高時，穩(wěn)壓性能將變差，甚至損壞。 當制作中需要一個能輸出1.5A以上電流的穩(wěn)壓電源，通常采用幾塊三端穩(wěn)壓電路并聯起來，使其最大輸出電流為N個1.5A，但應用時需注意：并聯使用的集成穩(wěn)壓電路應采用同一廠家、同一批號的產品，以保證參數的一致。另外在輸出電流上留有一定的余量，以避免個別集成穩(wěn)壓電路失效時導致其他電路的連鎖燒毀。</p><p><b>　　3. 軟件設

46、計</b></p><p>　　3.1 軟件系統(tǒng)設計</p><p>　　圖3.1軟件設計流程圖</p><p><b>　　4. 系統(tǒng)設計總結</b></p><p>　　水位自動控制系統(tǒng)設計，系統(tǒng)通過傳感器將非電信號量轉換成電信號，經過處理將有效信號送到單片機處理，根據系統(tǒng)設定液位要求可實現對液位的自動控

47、制。使用7段LED數碼管實時顯示液位高度，系統(tǒng)方案設計和選擇符合設計要求。</p><p>　　通過對水位子自動控制系統(tǒng)的設計，自學能力大大提高。由一開始的到最終設計，我所需要的知識除了來自課堂，更多的是課外通過查閱書籍、網上收集資料以及借鑒往屆同學的學習成果，這讓不僅我在知識上有所收獲，更重要的是通過本次課程設計將自己在收集資料、整理資料和知識整合方面的能力得到了鍛煉。</p><p>

48、　　過程中，在制作過程中遇到很多硬件和軟件等各方面的問題，遇到問題后自己能夠通過向同學討論、相互學習的方式去解決，相信這都會對我自身 成長有極大的幫助。 </p><p><b>　　參考文獻：</b></p><p>　　《單片機原理與C51編程》 西安交通大學出版社 宋彩剩 孫友倉 昊宏岐 編著.</p><p>　　《C語言程序設

49、計》 清華大學出版社 向 艷 主編</p><p>　　《自動控制原理》 電子工業(yè)出版社 胥布工 主編</p><p>　　《傳感器與自動檢測技術》 機械工業(yè)出版社 張玉蓮 主編</p><p>　　“基于AT89C51單片機的水位自動控制器” 黃金林 趙玉翠 江蘇技術師范學院 電氣信息工程學院</p><p><

50、;b>　　附頁：</b></p><p><b>　　1.系統(tǒng)設計總圖</b></p><p><b>　　2.系統(tǒng)核心程序</b></p><p>　　#include<STC12C5A60S2.h></p><p>　　#define uint unsigned i

51、nt</p><p>　　#define uchar unsigned char</p><p>　　sbit en=P3^4;</p><p>　　sbit rs=P3^5;</p><p>　　sbit SCLK=P2^4;</p><p>　　uchar code table1[]={0x30,0x31,0x32

52、,0x33,0x34,0x35,0x36,0x37,0x38,0x39,0x2e,0x56,0x41};</p><p>　　void display(float data0,float data1) //顯示液位高度</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　uchar i;</b><

53、;/p><p>　　uint DATA0,DATA1; </p><p>　　DATA0=(uint)(data0*2.03);</p><p>　　DATA1=(uint)(((data1-2701.5)/0.123)*1.96)+63;</p><p>　　table2[0]=DATA0/1000;</p><p>　

54、　table2[1]=10;</p><p>　　table2[2]=(DATA0%1000)/100;</p><p>　　table2[3]=(DATA0%100)/10;</p><p>　　table2[4]=DATA0%10;</p><p>　　table2[5]=11;</p><p>　　table5[

55、0]=DATA1/1000;</p><p>　　table5[1]=10;</p><p>　　table5[2]=(DATA1%1000)/100;</p><p>　　table5[3]=(DATA1%100)/10;</p><p>　　table5[4]=DATA1%10;</p><p>　　table5[

56、5]=12;</p><p>　　void main()</p><p><b>　　{</b></p><p>　　uint R=0x80;</p><p><b>　　uint X;</b></p><p>　　P1M0=0x11;//設置管腳工作方式</p&g

57、t;<p>　　P1M1=0x15;</p><p><b>　　init();</b></p><p>　　ADC_Power_On();</p><p><b>　　while(1)</b></p><p><b>　　{ </b></p>

58、<p>　　A0=ADC(4);</p><p>　　delay(10);</p><p>　　B0=ADC(2);</p><p>　　X=Dprocessing(A0,B0);</p><p><b>　　if(X==1)</b></p><p><b>　　{</b

59、></p><p><b>　　R=R-2;</b></p><p><b>　　if(R==0)</b></p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　R=0x04;</b></p><p><b

60、>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　if(X==2)</b></p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　R=R+2;</b></p><p&g

61、t;<b>　　if(R>255)</b></p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　R=0x10;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p&