自动给水系统设计

自动给水系统设计
摘要
单片机系统的开发应用给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命，自动化、智能化均离不开单片机的应用。

近年来模糊控制在许多控制应用中都取得了成功，模糊控制应用于控制系统设计不需要知道被控对象精确的数学模型，对于许多无法建立精确数学模型的复杂系统能获得较好的控制效果，同时又能简化系统的设计，因此，在水箱水位自动控制系统中，模糊控制就成为较好的选择。

本文主要论述了应用模糊控制理论控制水箱水位系统，首先详尽的介绍了模糊控制理论的相关知识，在此基础上提出了用模糊理论实现对水箱水位进行控制的方案，建立了简单的基于水箱水位的模糊控制器数学模型。

介绍了基于单片机的水位控制系统的设计及其相关内容。

系统属于典型的基于单片机的大惯性环节的PID闭环控制装置，通用性很强，在工业过程控制中有着广泛的应用。

控制系统中引入单片机，可以充分利用单片机在对采集数据加以分析并根据所得结果做出逻辑判断等方面的能力，编制出符合某种技术要求的控制程序、管理程序，实现对被控参数的控制与管理。

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，而且可以大幅度提高被控系统的技术指标，从而能够大大的提高产品的质量。

关键词：水位控制MCS-8051EPROM744874LS164
Abstract
The development and application of MCU (Micro Control Unit) have made a great change in many fields of modern industrial detect and control. Because of the small scale, low price and high efficiency of MCU, it is widely used in home appliances and industrial control. in the process of producing. Current, voltage, temperature and pressure are usually the parameter to be monitored.
The design of “The water level control system based on MCU of is introduced in this paper. As a typical design inlarge inertia control system, the design needs the knowledge of automation theories, analog and digital electronics. A digital PID controller is used in the system, which iscalled DDC(direct digital control)system. The DDC system can not only replace the analog system, but also can realize the more complicated rules of control through changing the program of software, not even changing a component in the electro circuit. It can improve reliability of the whole system.The water level which is controlledby the MCU is not only convenient, advantage but also raise technologyParameter of the system controlled,thus the quality of the product could raisegreatly.
Keywords: MCS-8051,EPROM7448,74LS164,water level control
目录
摘要 (I)
Abstract (II)
目录 (III)
前言 (1)
1 绪论 (3)
1.1 课题的提出及意义 (3)
1.2 单片机的概述及发展趋势 (3)
1.3 水箱水位控制系统组成及原理 (5)
1.3.1 水箱水位控制系统组成 (5)
1.3.2 水箱水位控制系统的原理 (5)
2 系统硬件的选择及其功能特性 (7)
2.1 MCS-51单片机的结构 (7)
2.2 MCS-51单片机的引脚及其功能 (8)
2.3 MCS-51单片机存储器配置 (10)
2.3.1 MCS-51内部数据存储器 (10)
2.3.2 对8051扩展的外部程序存储器 (12)
2.4 MCS-51单片机的时序 (14)
2.5 LED发光二极管 (15)
2.6水泵的介绍
3 硬件电路的设计 (18)
3.1 时钟电路 (18)
3.2 复位电路 (20)
3.3 水位采集电路设计 (21)
3.4 报警电路设计 (24)
3.5 控制电机电路 (24)
3.6 看门狗技术
3.7系统总电路 (27)
4 软件设计 (29)
4.1 概述 (29)
4.2 主程序设计框图 (29)
4.2.1 主程序流程图 (29)
4.2.2 源程序代码 (30)
总结 (32)
致谢 (33)
参考文献 (36)
前言
随着集成电路技术的发展，单片微型计算机的功能也不断增强，许多高性能的新型机种不断涌现出来。

单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件，在工业生产中成为必不可少的器件，尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大。

在水箱水位控制系统中，单片机更是起到了不可替代的核心作用。

在工业生产中如：锅炉、蒸汽机等，在日常生活中如:自动水位电热水器,都用到以单片机（小型），PLC（大型）作为主控芯片来实现自动控制水位的原理。

随着生产的发展，在工业中，上述设备对水位的控制要求越来越高，随着人们生活水平的提高，对日常用品的自动化也提出了更高的要求，单片机的不断更新换代，满足了上述的要求，达到自动控制的目的。

水位控制系统在各个领域上都有广泛应用，虽然其结构简单但由于控制过程具有多变量，大滞后，时变性等特点，且在控制过程中系统会受到各种不确定因素的影响，难于建立精确的数学模型。

虽然自适应、自校正控制理论可以对缺乏数学模型的被控对象进行识别，但这种递推法复杂，实时性差。

近年来模糊控制在许多控制应用中都取得了成功，模糊控制应用于控制系统设计不需要知道被控对象精确的数学模型，对于许多无法建立精确数学模型的复杂系统能获得较好的控制效果，同时又能简化系统的设计，因此，在水箱水位自动控制系统中，模糊控制就成为较好的选择。

本文主要论述了应用模糊控制理论控制水箱水位系统，首先详尽的介绍了模糊控制理论的相关知识，在此基础上提出了用模糊理论实现对水箱水位进行控制的方案，建立了简单的基于水箱水位的模糊控制器数学模型。

温度、压力，流量和液位是四种最常见的过程变量。

其中液位是一个非常重要的过程变量。

在机械控制系统尤为重要,液位控制不好就可能引起生产安全，产品质量和产量等一系列问题。

目前，在很多场合下，液位已成为非常关键的因素，许多物理特性的变化都直接反映在液位的
升降上，因此对液位的监测的意义越来越大。

单片机对水位的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。

此次毕业实习、毕业设计第一阶段的主要工作是，学习有关单片机水位控制系统的基本知识，了解单片机水位控制系统的相关技术，并在此基础上选择了使用8051单片机作为核心设计，并学习7448、74LS164模拟电子技术等方面的知识。

这是课题研究的基础性内容。

第二阶段是在指导教师的指导下，设计出具体的电路，并确定满足具体技术指标的软件，掌握电路中重要器件的使用方法，以及编写出水位检测程序，延时子程序。

通过教师的悉心指导和自己的努力，完成了毕业设计的各项任务，成功完成单片机水位控制系统的设计。

1 绪论
1.1课题的提出及意义
随着自动化技术的迅速发展和人们生活水平及需要的不断提高，越来越多的自动控制设备走入了大家的生活，对自动控制设备的设计技术要求也越来越高。

所以本次毕业设计选择水箱水位控制系统。

传统的自动水位控制系统采用电子线路完成设计，那样存在布线非常麻烦，而且由于线路多的原因，系统的稳定性较差。

近年来由于单片机的发展迅速，几乎所有的自动控制系统都可以通过单片机以及部分电子器件来设计。

而单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件，在工业生产中成为必不可少的器件，尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大。

因此课题采用单片机完成对水箱水位控制系统的控制中心的设计，这样系统的设计就原来人工控制、半自动控制转变为全自动控制，将由原来传统的纯硬件转变为硬件与软件的结合，减轻了原来的布线难度，而系统的稳定性会更好。

课题设定了水位的上限值，下限值，并对水位进行实时采集，并通过串行口传输到控制中心，以达到对水位进行控制的目的。

1.2单片机的概述及发展趋势
单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。

尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。

同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。

而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。

单片机也被称为微控制器(Microcontroller)，由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。

最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU 集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积
要求严格的控制设备当中。

单片机是70年代中期发展起来的一种大规模集成电路芯片，是CPU、RAM、ROM、I/O接口和中断系统集成于同一硅片的器件。

单片机用于控制有利于实现系统控制的最小化和单片化，简化一些专用接口电路，如编程计数器、锁相环（PLL）、模拟开关、A/D和D/A变换器、电压比较器等组成的专用控制处理功能的单板式微系统。

单片机是所有微处理机中性价比最高的一种，随着种类的不断全面，功能不断完善，其应用领域也迅速扩大。

单片机在智能仪表、实时控制、机电一体化、办公机械、家用电器等方面都有相当的应用领域。

当前，8位单片机主要用于工业控制，如温度、压力、流量、计量和机械加工的测量和控制场合；高效能的16位单片机（如MCS-96、MK-68200）可用在更复杂的计算机网络。

可以说，微机测控技术的应用已渗透到国民经济的各个部门，微机测控技术的应用是产品提高档次和推陈出新的有效途径。

纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有：1．低功耗CMOS化
MCS-51系列的8051推出时的功耗达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。

CMOS 虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS 则具备了高速和低功耗的特点，更适合于在要求低功耗像电池供电的应用场合。

所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。

2．微型单片化
常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW(脉宽调制电路)、WDT(看门狗)、有些单片机将LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。

甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。

3．主流与多品种共存
现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以MCS-51为核心的
单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHILIPS 公司的产品，ATMEL 公司的产品和中国台湾的WinBond 系列单片机。

以8051为核心的单片机占据了半壁江山，在一定的时期内，这种情形将得以延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补，相辅相成、共同发展的道路。

1.3水箱水位控制系统组成及原理
1.3.1水箱水位控制系统组成
单片机应用系统是以单片机为核心，配以输入、输出、显示、控制等外围电路和软件，能实现一种或多种功能的实用系统。

它除了有单片机芯片以外，还有许多的外围电路，如果再配一系列程序，便可以完成很多功能。

所以说，单片机应用系统是由硬件和软件组成的，硬件是应用系统的基础，软件则在硬件的基础上对其资源进行合理调配和使用，从而完成应用系统所要求的任务，二者相互依赖，缺一不可。

单片机应用系统的组成如图1.1所示。

单片机应用系统
+
图1.1 单片机应用系统的组成
由此可见，单片机应用系统的设计人员必须从硬件和软件两个角度来深入了解单片机，并能够将二者有机结合起来，才能形成具有特定功能的应用系统或整机产品。

1.3.2水箱水位控制系统的原理
该控制系统在水箱内的三个不同水位高度安装了三根金属棒，如图
1.2所示，其中A棒处于下限水位以下，C棒处于上限水位，B棒在下限水位处。

A棒接+5V电源，B、C棒各通过一个电阻接地。

水箱由电机带动水泵供水，单片机控制电机转动以达到控制水位的目的。

供水时，水位上升。

当达到上限时，由于水的导电作用，B、C棒连通了+5V。

因此b、c两端高电平（1状态），这时应使电机停止，不再给水箱供水。

当水位下降到下限时，B、C都不能与A棒导通，因此b、c两端状态为0。

这时应启动电机，给水箱供水。

当水位处于上下限之间时，B棒与A棒导通，b端为1状态。

而C棒不能与A棒导通，C端为0状态。

这时，无论电机是运转状态，还是停止状态，都应维持原状态不变。

作为一个整体的系统来说，仅仅有图1.1所示的框图是不够的，它只是系统的一部分。

整体的系统还应包括系统的工作软件，串口程序，对单片机的控制程序等要实现这部分内容，必须设计出相应的程序，本论文的后续章节所要论述的就是系统的硬件电路的设计。

图1.2 水箱水位控制原理图
2系统硬件的选择及其功能特性
2.1 MCS-51单片机的结构
当今时代，单片机使用最为广泛为MCS-51单片机。

即：8051单片机，其基本组成（参见图2.1）：中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线。

1．中央处理器（CPU）
中央处理器是单片机的核心，完成运算和控制功能。

中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。

2．内部数据存储器（内部RAM）
8051芯片中共有256个RAM单元，但其中后128单元被专用寄存器占用，能作为寄存器供用户使用的只是前128单元，用于存放可读写的数据，简称内部RAM。

图2.1 MCS-51单片机结构框图
3．外部程序存储器（外部ROM）
8051内部无程序存储器，必须外接程序存储器，课题中选用了7448用于存放程序、原始数据或表格。

4．定时/计数器
8051共有两个16位的定时/计数器，以实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对计算机进行控制。

5．并行I/O口
MCS-51共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2、P3），以实现外部数据的并行输入/输出。

在实训中我们已经使用了P1口，通过P1口连接8个发光二极管。

6．串行口
MCS-51单片机有一个全双工的串行口，以实现单片机和其它设备之间的串行数据传送。

该串行口功能较强，既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为同步移位器使用。

7．中断控制系统
MCS-51单片机的中断功能较强，以满足控制应用的需要。

8051共有5个中断源，即外中断两个，定时/计数中断两个，串行中断一个。

全部中断分为高级和低级共两个优先级别。

8．时钟电路
MCS-51芯片的内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容需外接。

时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。

系统允许的晶振频率一般为6MHz和12MHz。

从上述内容可以看出，MCS-51虽然是一个单片机芯片，但作为计算机应该具有的基本部件它都包括，因此，实际上它已是一个简单的微型计算机系统了。

2.2 MCS-51单片机的引脚及其功能
MCS-51是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片，引脚排列请参见图2.2
1．信号引脚介绍
MCS-51系列单片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直接DIP结构，右图是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中
断口线与P3口线复用。

输入输出(I/O)引脚
P0.0～P0.7：P0口8位双向口线。

P1.0～P1.7：P1口8位双向口线。

P2.0～P2.7：P2口8位双向口线。

P3.0～P3.7：P3口8位双向口线。

图2.2单片机的引脚
ALE：地址锁存控制信号。

在系统扩展时，ALE用于控制把P0口输出的低8位地址锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。

PSEN：外部程序存储器读选通信号。

在读外部ROM时，有效（低电平），以实现外部ROM单元的读操作。

EA：访问程序存储控制信号。

当信号为低电平时，对ROM的读操作限定在外部程序存储器；当信号为高电平时，对ROM的读操作是从内部程序存储器开始，并可延至外部程序存储器。

RST：复位信号。

当输入的复位信号延续两个机器周期以上的高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作。

VSS：地线，VCC：+5 V电源。

2．信号引脚的第二功脚
由于工艺及标准化等原因，芯片的引脚数目是有限制的。

但单片机为实现其功能所需要的信号数目却远远超过此数，因此就出现了需要与可能的矛盾，给一些信号引脚赋以双重功能。

除了第一功能，则根据需要再定义它的第二功能。

下面介绍一些信号引脚的第二功能。

(1) P3口线的第二功能
P3的8条口线都定义有第二功能，详见表2.1。

(2) EPROM 存储器程序固化所需要的信号。

有内部EPROM 的单片机芯片（例如8751），为写入程序需提供专门的编程脉冲和编程电源，这些信号也是由信号引脚以第二功能的形式提供的，即：
编程脉冲：30脚（ALE/PROG ——————）
编程电压（25V ）：31脚（EA ———/VPP ）
2.3MCS-51单片机存储器配置
2.3.1MCS-51内部数据存储器
MCS-51单片机的芯片内部有RAM 和ROM 两类存储器，即所谓的内部RAM 和内部ROM ，首先分析内部RAM 。

1．内部数据存储器低128个单元
8051的内部RAM 共有256个单元，通常把这256个单元按其功能划分为两部分：低128单元（单元地址00H ～7FH ）和高128单元（单元地址80H ～FFH ）。

表2.2所示为低128单元的配置图。

低128单元是单片机的真正RAM存储器，按其用途划分为寄存器区、位寻址区和用户RAM区三个区域。

(1) 寄存器区
8051共有4组寄存器，每组8个寄存单元（各为8），各组都以R0～R7作寄存单元编号，占据内部RAM的00H～1FH单元地址。

(2) 位寻址区
内部RAM的20H～2FH单元，既可作为一般RAM单元使用，对单元中每一位进行位操作，因此称之为位寻址区。

位寻址区共有16个RAM单元，计128位，地址为00H～7FH。

(3) 用户RAM区
在内部RAM低128单元中，通用寄存器占去32个单元，位寻址区占去16个单元，剩下80个单元，这就是供用户使用的RAM区，其单元地址为30H～7FH。

2．内部数据存储器高128单元
内部RAM的高128单元是供给专用寄存器使用的，其单元地址为80H～FFH。

因这些寄存器的功能已作专门规定，故称之为专用寄存器（Special Function Register），也可称为特殊功能寄存器。

(1) 专用寄存器（SFR）简介
8051共有21个专用寄存器，现把其中部分寄存器简单介绍如下：
1) 程序计数器（PC—Program Counter）。

PC是一个16位的计数器，自动加1功能，用来控制程序的执行顺序；PC没有地址，是不可寻址的，用户无法对它进行读写，但可以通过转移、调用、返回等指令改变其内容，以实现程序的转移。

2) 累加器（ACC—Accumulator）。

累加器为8位寄存器，是最常用的专用寄存器，功能较多，地位重要。

它既可用于存放操作数，也可用来存放运算的中间结果。

3) B寄存器。

B寄存器是一个8位寄存器，主要用于乘除运算。

乘法运算时，B存乘数。

乘法操作后，乘积的高8位存于B中，除法运算时，B存除数。

除法操作后，余数存于B中。

4) 程序状态字（PSW—Program Status Word）。

程序状态字是一个8位寄存器，用于存放程序运行中的各种状态信息。

PSW各位定义如下：
表2.3 PSW的位地址定义
除PSW.1位保留未用外，其余各位的定义及使用如下：
CY（PSW.7）——进位标志位。

CY是PSW中最常用的标志位，其功能是存放算术运算的进位标志，进行加或减运算。

AC（PSW.6）——辅助进位标志位。

用户标志位：RS1和RS0（PSW.4，PSW.3）——寄存器组选择位。

它们被用于选择CPU当前使用的通用寄存器组共有4组。

单片机上电或复位后，RS1 RS0=00。

OV（PSW.2）—溢出标志位。

5)数据指针（DPTR）。

数据指针为16位寄存器。

编程时，DPTR 既可以按16位寄存器使用，也可以按两个8位寄存器分开使用。

6) 堆栈指针（SP—Stack Pointer）。

堆栈是一个特殊的存储区，用来暂存数据和地址，它是按“先进后出”的原则存取数据的。

(2) 专用寄存器中的字节寻址和位地址MCS-51系列单片机有21个可寻址的专用寄存器，其中有11个专用寄存器是可以位寻址的。

对此问题作如下说明：
1)21个可字节寻址的专用寄存器是不连续地分散在内部RAM高128单元之中，尽管还余有许多空闲地址，但用户并不能使用。

2) 程序计数器PC不占据RAM单元，它在物理上是独立的，因此是不可寻址的寄存器。

3) 对专用寄存器只能使用直接寻址方式，书写时既可使用寄存器符号，也可使用寄存器。

2.3.2对8051扩展的外部程序存储器
7448是一种4kx8位紫外线擦除电可编程只读存储器，数据存储器空间地址为0000H～0FFFH，片外最多可扩至64KB ROM/EPROM，其地址为1000H～FFFFH，可以从0000H开始编址。

2732管脚排列如图下所示。

图2.3 2732管脚排列
其中：
A0～A11——12位地址线，可寻址4k字节；
D0～D7——8位数据线；
CE——片选信号；
OE——输出允许信号；
V PP——编程电源；
V CC——电源（＋5V）；
GND——地。

需要说明的是：
1．计算机的工作是按照事先编制好的程序命令条条循序执行的，程序存储器就是用来存放这些已编好的程序和表格常数，它由只读存储器ROM或EPROM组成。

2．单片机使用程序计数器PC（Program Counter）作为程序存储器的地址指针，且PC总是指向将要执行的下一条指令所在的程序存储器单元地址。

3．实际应用时, 程序存储器的容量分别是：0000H单元是系统的起始地址，0003H、000BH、0013H、001BH和0023H对应5种中断源的中断服务入口地址。

程序存储器中的复位和中断源共6个固定的入口地址见表2.4。

2.4MCS-51单片机的时序
时序是用定时单位来说明的。

MCS-51的时序定时单位共有4个，从小到大依次是：节拍、状态、机器周期和指令周期。

下面分别加以说明。

1．节拍与状态
把振荡脉冲的周期定义为节拍（用P表示）。

振荡脉冲经过二分频后，就是单片机的时钟信号的周期，其定义为状态（用S表示）。

这样，一个状态就包含两个节拍，具前半周期对应的拍节叫节拍1(P1)，后半周期对应的节拍叫节拍2(P2)。

2．机器周期
MCS-51采用定时控制方式, 因此它有固定的机器周期。

规定一个机器周期的宽度为6个状态，并依次表示为S1～S6。

3．指令周期
指令周期是最大的时序定时单位，执行一条指令所需要的时间称为指令周期。

它一般由若干个机器周期组成。

单片机执行任何一条指令时都可以分为取指令阶段和执行指令阶段。

MCS-51的取指/执行时序：
(a)单字节单周期指令；(b)双字节单周期指令；(c)单字节双周期指令由图2.4可示，ALE引脚上出现的信号是周期性的，在每个机器周期内出现两次高电平。

第一次出现在S1P2和S2P1期间，第二次出现在S4P2和S5P1期间。

图2.4 MCS-51单片机的取指/执行时序
图2.4(a)，(b)所示分别给出了单字节单周期和双字节单周期指令的时序。

单周期指令的执行始于S1P2，这时操作码被锁存到指令寄存器内。

图2.4(c)给出了单字节双周期指令的时序，两个机器周期内进行4次读操作码操作，其为单字节指令，后三次读操作都是无效的。

2.5LED 发光二极管
发光二极管LE （light emitting diode ）是一块电致发光的半导体材料，其核心部分是由p 型半导体和n 型半导体组成的晶片，在p 型半导体和n 型半导体之间有一个过渡层，称为p-n 结。

当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED 阳极流向阴极时，半导体晶体就是发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。

鉴于LED 发光二极管用得较为普遍报价较低所以设计中选用它。

按发光管发光颜色分，可分成红色、橙色、绿色（又细分黄绿、标准绿和纯绿）、蓝光等。

由于用在报警电路，所以选择红色的。

(a)
(b)
(c)
读操作码读操作码(无效)
读操作码
读操作码(无效)读下一条指令
读下一条指令
读操作码读第二字节ALE。