计算机控制课程设计--基于单片机的水塔水位控制

计算机控制技术课程设计

课题：基于单片机的水塔水位控制

目录

第1章背景与意义 (3)

1.1.1背景 (3)

1.1.2 目的与意义 (4)

第2章总体方案设计 (5)

2.1 方案选择 (5)

2.2 工作原理 (7)

2.3 主控模块设计 (7)

2.2.1单片机选择 (7)

2.2.2电机控制模块 (8)

2.2.3 A/D转换模块 (8)

2.2.4 传感器电路 (9)

2.2.5 时钟电路与复位电路 (10)

2.2.6 按键设计 (10)

2.2.7 显示与A/D转换处理 (12)

2.2.8系统主程序流程图 (12)

2.2.9系统主程序 (14)

第3章硬件设计 ...................................................... 1错误!未定义书签。

3.1 硬件选型 ....................................................... 1错误!未定义书签。

第一章背景与意义

1.1.1背景

现代传感技术、电子技术，计算机技术、自动控制技术、信息处理技术和新工艺、新材料的发展为智能检测系统的发展带来了前所未有的奇迹。在工业、国防、科研等许多应用领域，智能检测系统正发挥着越来越大的作用。检测设备就像神经和感官，源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信息，成为人们认识自然、改造自然的有力工具。现代的广义智能检测系统应包括一切以计算机（单片机、PC机、工控机、系统机）为信息处理核心的检测设备。因此，智能检测系统包括了信息获取、信息传送、信息处理和信息输出等多个硬、软件环节。从某种程度上来说，智能检测系统的发展水平表现了一个国家的科技和设计水平。

我的本次课程设计研究的内容是“水塔水位控制系统”。水位控制在日常生活及工业领域中应用相当广泛，而以往水位的检测是由人工完成的，值班人员全天候地对水位的变化进行监测，用有线电话及时把水位变化情况报知主控室。然后主控室再开动电机进行给排水。很显然上述重复性的工作无论从人员、时间和资金上都将造成很大的浪费。同时也容易出差错。因此急需一种能自动检测水

位，并根据水位变化的情况自动调节的自动控制系统，我所设计的就是这方面的课题。检测可以有多种实现方法，如机械控制、逻辑电路控制、机电控制等。本设计采用单片机进行主控制，在水水塔上安装一个自动测水位装置。利用气压传感器测量气压的变化连续地反眏水位的变化，把测量到的水位变化转换成相应的电信号，主控台应用单片微机对接收到的信号进行数据处理，完成相应的水位显示、控制及故障报警及显示水位等功能。1.1.2 目的与意义

1，通过这次课程设计，加深对计算机控制技术这门课程的理解。

2，掌握单片机的内部模块的应用，如片内外存储器、A/D转换器等。

3、了解和掌握单片机对单片机水塔水位控制的全过程、以及实际问题中硬件如何选型问题。为以后设计和实现单片器应用系统打下良好基础。

4、通过简单课题的设计练习，了解必须提交的工程文件，也达到巩固、充实和综合运用所学知识解决实际问题的目的。

第2章总体方案设计

2.1 方案选择

目前在用的水位控制方式主要有以下种：

（1)简单的机械式控制方式。其常用形式有浮标式、电极式等, 这种控制形式的优点是结构简单,成本低廉。存在问题是精度不高

,不能进行数值显示,另外很容易引起误动,且只能单独控制,与计算机进行通信较难实现。

(2)复杂控制器控制方式。这种控制方式是通过安装在水泵出口管道上的压力传感器,把出口压力变成标准工业电信号的模拟信号,经过前置放大、多路切换、A／D变换成数字信号传送到单片机

,经单片机运算和给定参量的比较,进行PID运算,得出调节参量;

经由D／A变换给调压／变频调速装置输入给定端,控制其输出电压变化,来调节电机转速,以达到控制水位的目的。

本设计我选用利用单片机实现的复杂控制器水位控制系统，要求选择合适的水位传感器及电磁阀，当设定完水位后，系统根据水位情况控制电磁阀的开和关断。

系统总体方框图

2，2工作原理

基于单片机实现的水位控制器是以AT89C51芯片为核心,由键盘、数码显示、A／D转换、传感器，电源和控制部分等组成。工作过程如下：当水位发生变化时,引起连接在水位底部软管管内的空气气压变化,气压传感器在接收到软管内的空气气压信号后,即把变化量转化成电压信号;该信号经过运算放大电路放大后变成幅度为0～5 V标准信号送入A／D转换器。A／D转换器把模拟信号变成数字信号量,由单片机进行实时数据采集,并进行处理,根据设定要求控制输出,同时数码管显示液位高度。通过键盘设置液位高、低和限定值以及强制报警值。该系统控制器特点是直观地显示水位高度可任意控制水位高度。

2.3主控模块设计

2.3.1单片机的选择单片机采用由Atmel公司生产的双列40脚AT89C51芯片,如图2—2。其中P0口用于A／D转换和显示；P1口连接一个3×5的键盘;P2口用于控制电磁阀和水泵动作;P3口用于上、下限指示灯,报警指示灯以及用于读写控制和中断等。

2.3.2电机控制模块（用继电器作为电机控制的元件）

继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

继电器主要产品技术参数：

1) 额定工作电压。是指继电器正常工作时线圈所需要的电压。根据继电器的型号不同，可以是交流电压，也可以是直流电压。

2) 直流电阻。是指继电器中线圈的直流电阻，可以通过万能表测量。

3) 吸合电流。是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。在正常使用时，给定的电流必须略大于吸合电流，这样继电器才能稳定地工作。而对于线圈所加的工作电压，一般不要超过额定工作电压的1.5 倍，否则会产生较大的电流而把线圈烧毁。

4) 释放电流。是指继电器产生释放动作的最大电流。当继电器吸合状态的电流减小到一定程度时，继电器就会恢复到未通电的释放状态。这时的电流远远小于吸合电流。

5) 触点切换电压和电流。是指继电器允许加载的电压和电流。它决定了继电器能控制电压和电流的大小，使用时不能超过此值，

否则很容易损坏继电器的触点。根据以上的参数，结合设计的演示性，选用额定工作电压120VAC/24VDC，工作电流3A，控制电压5VDC的小型继电器。

2.3.3A/D转换模块

ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。1

主要特性

1）8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。

2）具有转换起停控制端。

3）转换时间为100μs(时钟为640kHz时)，130μs（时钟为500kHz 时）

4）单个＋5V电源供电

5）模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准。

6）工作温度范围为-40～＋85摄氏度

7）低功耗，约15mW。ADC0809

由单片机控制驱动，对传感器进行定式循环采集，然后单片机将各测量参数传至PC机，进行后台数据处理。

2.3.4传感器电路系统选用B2119压阻式压力传感器，压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应制成的器件。这种传感器精度高、工作可靠，容易实现数字化，比应变式压力传感器体积小而输出信号大。它是目前压力测试中使用最多的一种传感器。压阻式压力传感器使用集成电路工艺技术，在硅片上制造出四个等值的薄膜电阻，并组成电桥电路，当不受到压力作用时，电桥处于平衡状态，

无电压输出；当受到压力作用时，电桥失去平衡，电桥输出电压。电桥输出的电压与压力成正比例。其工作原理图如所示。

2.3.5 时钟电路与复位电路

要使单片机按照设计要求正常工作，完整单片机最基本的工作要求，考虑到系统无需精确地定时功能，且为了方便串口通信波特率的计算，采用11.0592MHz的晶振提供系统时钟。并附加复位电路，组成单片机最小系统。

2.3.6 按键设计

键盘在单片机应用系统中是一个很关键的部件，它能实现向单片机系统输入数据、发送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。考虑到本设计实际需要的按键较少，故采用独立式键盘接口电路。在程序查询方式下，通过I/O端口读入按键状态，当有按键按下时，相应的I/O端口变为低电平，而未被按下的按键在上拉电阻作用下为高电平，这样通过读I/O口的状态判断是否有按键按下。

2.3.7 显示与A/D转换的数据处理

系统中，显示输出的要求为压缩BCD码，而A/D转换输入的数据8位16进制码，因此在实现显示之前需要编码的转换。对8位A/D 转换器而言，其十六进制、相对满偏电压比率、相对电压幅值的关系对应如表

2.3.8系统主程序流程图

系统主程序的功能主要是完成对单片机的初始化，设置警戒液位的上下限，实时显示液位值以及键盘扫描等工作。主程序流程图如图

所示。

主程序流程图

2.3.9 主程序

主程序：

ORG 0000H

AJMP MAIN

ORG 0060H

MAIN: MOV P1, #FFH ； P1 P3口初始置1

MOV P3，#FFH

JNB P1.3 ，AVT ；若手动在自动位置，跳到自动模式程序AJMP MEN ；否则转到手动模式子程序

END

AUT：NOP（空命令）

JNB P1.2 , LG ；水位高—LG

JB P1.1 LD ；水位没低---LD

CLR P3.1 ；水位低报警

JB P1.0, LDD ；水位未低低---LDD

CLR P3.0 ；水位低低报警

JNB 3.1 P1.6, Y1 ；M1已启动—Y1

CLR P1.4 ；否则启动M1

Y1:JNB P1.7 ,Y2 ；M2已启动---Y2

CLR P1.5 ；否则启动M2

Y2:ACALL DELAY ；延时1分钟

AJMP AUT ；返回自动模式

LDD: JNB P1.6 ,Y3 ；单独运行M1（LDD〈水位〈LD）CLR P1.4

Y3: JB P1.7 Y2

SETB P1.5

AJMP Y2

LG:CLR P3.2 ；水位高报警

LD: AJMP MAIN ；返回主程序

第 3 章硬件设计

3. 1 硬件选型

单片机：Atmel公司双列40脚AT89C51芯片

继电器：选用额定工作电压120VAC\24VDC，工作电流3A，控制电压5VDC的小型继电器。

A/D转器：ADC0809

压力传感器：B2119压阻式压力传感器

晶振频率：11.0592MHZ

键盘：独立式键盘