基于单片机的水位控制器设计

分数：

评语：

专业综合实验报告

(Part Ⅰ)

题目：基于单片机的水位控制器设计

学生姓名：

学号：

指导教师：

二○一六年一月

目录

1 绪论 (1)

1.1 实验课题来源与背景 (1)

1.1.1 课题来源 (1)

1.1.2 课题背景 (1)

1.2 实验内容 (1)

1.3 实验目的和要求 (2)

1.3.1 实验目的 (2)

1.3.2 基本要求 (2)

1.4 实验所需相关知识 (2)

1.4.1 水箱水位自动控制系统 (2)

1.4.2 AT89C51单片机（控制器） (3)

2 系统设计流程 (4)

2.1 设计内容及要求 (4)

2.2 系统设计方案流程图 (4)

2.3 Proteus生成PCB具体操作流程 (5)

3 原理图设计 (5)

3.1 Proteus概述 (5)

3.2 电路原理图所用元器件介绍 (7)

3.2.1 水位检测传感器 (7)

3.2.2 复位电路的设计 (7)

3.2.3 光报警电路的设计 (8)

3.2.4 泵的简介及泵的相关参数 (8)

4 设计原理和电路图 (9)

4.1 设计原理 (9)

4.1.1水位控制原理 (9)

4.1.2 系统结构图 (10)

4.1.3 控制方案说明 (10)

4.1.4 元件清单 (11)

4.1.5 电路原理图 (11)

4.2 PCB 板图 (11)

5 实验总结 (11)

附录Ⅰ：实验电路原理图 (13)

附录Ⅱ：PCB图 (14)

附录三：三维视图 (15)

1 绪论

1.1 实验课题来源与背景

1.1.1 课题来源

在武汉大学动力与机械学院自动化系本科生的教学课程中，安排学生学习了《自动控制理论》、《智能化仪器仪表原理与应用》等课程，学生已初步掌握了单片机的基本原理以及水位控制的系统。在此基础上，为增强学生的自主动手操作与实际解决问题的能力，将学到的知识与实践相结合，故将学生专业综合实验课题定为“基于单片机的水位控制器设计”。

1.1.2 课题背景

在生产领域中，实现水位自动检测和控制是工业过程控制的一项关键技术，对于提高工业过程控制的自动化水平有着重要的意义。在生活领域中，供水方式过去一般是通过人工来实现控制，容易造成对水资源的浪费，所以现在人们越来越关注水资源的问题。

目前，水位控制系统是受到广泛应用的供水系统，水位控制可以有多种实现方法，如机械控制、逻辑电路控制、机电控制、传感器控制等，但传统的控制方式存在控制精度低、能耗大、不能实现连续控制和跟踪水位的特点，采用单片机对水位进行控制，不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点，而且可以大幅提高被控水位的技术指标，从而大大提高控制的效果，更加符合人们的预期。

1.2 实验内容

针对水箱水位自动控制系统，要求设计一个基于单片机的控制器，其完成过程需要以下步骤：

1、学习水箱水位自动控制系统的工作过程，了解控制器所需的功能及要求。

2、学习单片机的各部件的工作原理和工作过程。

3、学习Proteus 的使用方法。

4、参考AT89C51单片机开发板设计水位控制器，并利用 Proteus绘制电路

原理图和 PCB 板图。

1.3 实验目的和要求

1.3.1 实验目的

1、培养掌握、使用实用电子线路、计算机系统设计、仿真软件的能力。

2、提高读图、分析线路和正确绘制设计线路、系统的能力。

1.3.2 基本要求

1、了解原理图设计基础、了解设计环境设置、学习 Proteus 软件

的功能及使用方法。

2、掌握绘制原理图的各种工具、利用软件绘制原理图。

3、掌握编辑元器件的方法构造原理图元件库。

4、熟练掌握手工绘制电路版的方法。

5、掌握绘制编辑元件封装图的方法，自己构造印制板元件库。

6、了解电路板设计的一般规则、利用软件绘制原理图并自动生成印制板图。

1.4 实验所需相关知识

1.4.1 水箱水位自动控制系统

水箱水位自动控制系统如图 1.1。

图1.1 水箱水位自动控制系统

设定水位上、下限，到达或超过上限时，电动机停止转动，到达或低于下限时，电动机开始转动。

1.4.2 AT89C51单片机（控制器）

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS8位单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

单片机结构功能如下：

•8位CPU•4kbytes程序存储器(ROM) (52为8K)

•128bytes的数据存储器(RAM) （52有256bytes的RAM）

•32条I/O口线•111条指令，大部分为单字节指令

•21个专用寄存器

•2个可编程定时/计数器•5个中断源，2个优先级（52有6个）

•一个全双工串行通信口

•外部数据存储器寻址空间为64kB

•外部程序存储器寻址空间为64kB

•逻辑操作位寻址功能•双列直插40PinDIP封装

•单一+5V电源供电

CPU：由运算和控制逻辑组成，同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器；

RAM：用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据；

ROM：用以存放程序、一些原始数据和表格；

I/O口：四个8位并行I/O口，既可用作输入，也可用作输出

T/C：两个定时/记数器，既可以工作在定时模式，也可以工作在记数模式；