单片机水位检测

单片机原理及系统课程设计报告目 录1 引言12 设计方案及原理12.1 设计原理12.2 设计方案23 硬件设计23.1 时钟电路和手动复位电路33.2 水位检测接口电路、故障报警电路33.3 存储器扩展接口电路44 软件设计44.1 程序流程图44.2 运行结果55 总结76 参考文献77 附录71引言随着社会的发展，科技的进步以及人们生活水平的逐步提高，各种方便与生活的自动控制系统开始进入了我们的生活，单片机作为微型计算机发展的一个重要分支，具有高可靠性、高性能价格比、低电压、低功耗等优势，以其为核心的自动控制系统赢得了广泛的应用。该课程设计的题目是基于单片机的水塔水位控制，在此水塔水位控制系统中，检测信号来自插入水中的3个金属棒，以感知水位变化情况。工作正常情况下，应保持水位在某一范围内，当水位变化发生故障的时候，及时关断电机电源，发出声、光报警信号。其目的在于对单片机技术的应用，由单片机实现自动运行，使水塔内水位始终保持在一定范围，以保证连续正常地供水。该课程设计给出以AT89C51单片机为核心器件的水塔水位检测控制系统仿真设计，实现水位的检测控制、处理和报警等功能，并在Proteus软件环境下模拟仿真。实验结果表明，该系统具有良好的检测控制功能，可移植性和扩展性好。2设计方案及原理2.1 设计原理单片机水塔水位控制原理如图1所示，图中虚线表示容许水位变化的上下线，在正常情况下，应保持水位在虚线范围之内。其中A棒处于下限水位，C棒处于上限水位，B棒在上下水位之间。A棒接+5V电源，B棒、C棒各通过一个电阻与地相连。 图1 水塔水位控制原理图水塔由电机带动水泵供水，单片机控制电机转动以达到对水位控制之目的。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+5V。因此，b，c两端均为1状态，这时应停止电机和水泵的工作，不再给水塔供水。 当水位处于上下限之间时，B棒与A棒导通。因C棒不能与A棒导通，b端为1状态，c端为0状态。这时，无论是电机已在带动水泵给水塔加水，水位在不断上升；或者是电机没有工作，用水使水位在不断下降。都应继续维持原有的作状态。 当水位降到下限时，B，C棒都不能与A棒导电，因此，b，c两端均为0状态。这时应启动电机，带动水泵工作，给水塔供水。 2.2 设计方案本设计为一个实际应用系统的水塔水位控制部分。在此水塔水位控制系统中，检测信号来自插入水中的3个金属棒，以感知水位变化情况。工作正常情况下，应保持水位在某一范围内，当水位变化发生故障的时候，及时关断电机电源，发出声、光报警信号。 水塔水位的硬件原理图如图2所示。图2 硬件原理图图2中的硬件和主要控制信号分析如下： 使用8031单片机。由于8031没有内部ROM，因此需外扩展ROM，作为程序存储器。本系统采用2732构成4KB的外扩展程序存储器。74LS373作为地址锁存器。 两个水位信号由P1.0和P1.1输入，这两个信号共有四种组合状态，如图710，其中10状态正常情况下是不可能发生的，但在设计中应该考虑到，并作为一种故障状态。 控制信号由P1.2输出，去控制电机，并串联一个发光二极管，用来显示电机的运转与否。 由P1.3输出报警信号，驱动一支发光二极管和一只蜂鸣器进行声光报警。3硬件设计水塔水位控制系统主要有CPU（AT89C51）、水位检测接口电路、报警接口电路、存储器扩展接口电路、复位电路、时钟振荡等部分组成。3.1 时钟电路和手动复位电路时钟电路和手动复位电路如图3所示。图3 时钟电路和外部手动复位电路 图3中，在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器，这就是单片机的时钟电路。晶体振荡频率高，则系统的时钟频率也高，单片机运行速度就快，同时对存储器的速度也高。复位电路的成功与否，关系到一个单片机系统能否正常运行，本设计采用按键电平复位方式，是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的。3.2 水位检测接口电路、故障报警电路水位检测接口电路、故障报警电路如图4所示。图4 水位检测接口电路、故障声光报警电路图4中，为了便于水位检测，在实际仿真过程中用一个两位的拨码开关模拟b、c端的状态，从而实现水位状态的四种组合，如图所示710。正电极接P1.0和P1.1口，每个负电极分别通过4.7K的电阻接地，将单片机的P1.0口接开关1，P1.1口接开关2。单片机通过负电极重复采集检测水位，当缺水时（此时两个开关均置0），电机必须带动水泵抽水；若水位在正常范围内，检测信号为高电平，此时开关1置1，开关2置0；当水位过高时，检测信号为高电平，此时开关1和开关2都置1，单片机检测到P1.0和P1.1为高电平后，立即停机。为了避免系统发生故障时，水位失去控制造成严重后果，在超出和低于警戒线水位时，报警电路产生光电报警。单片机P1.2为启动电机命令输出端口，通过反相器与电机相连，P1.2为低电平时电机运转，否则，电机停转；电机故障报警由单片机的P1.0和P1.1口控制，当P1.1为高电平，P1.0为低电平时，表示产生故障，则P1.3为低电平，报警灯亮，同时蜂鸣器响。出现故障时，电机也停止转动。3.3 存储器扩展接口电路存储器扩展接口电路如图5所示。图5 扩展4KB外部ROM电路图图5中，为了便于系统扩展，存放大容量应用程序，系统设计扩展一片程序存储器2732，用于存放源程序代码，因只扩展一片存储器，片选端OE接地。74LS373用于地址锁存，地址锁存信号ALE接锁存器的LE端，通过软件设置实现地址和数据信息的传输。4 软件设计4.1 程序流程图程序流程图如图6所示。图6中，由于水位状态有四种组合，而水位一直在变化，所以一种水位状态在持续一定时间后要再次判断新的水位，在本设计中，设延时时间为10S，程序的流程用到了循环结构。图6 水塔水位控制程序流程图4.2 运行结果根据硬件原理图，在Proteus环境下做出水塔水位控制的仿真图，并在Proteus和Keilc的联合调试下，进行模拟仿真，仿真结果如图710所示。图7 电机运转其中，P1.1和P1.0均为低电平，即水位处于00态，P1.2也为低电平，电机运行的指示灯亮；P1.3为高电平，报警指示灯不亮，蜂鸣器不响。 图8 维持原状其中，P1.1为低电平，P1.0为高电平，即水位处于01态，P1.2为低电平，电机运行的指示灯亮；P1.3为高电平，报警指示灯不亮，蜂鸣器不响。图9 电机停转其中，P1.1和P1.0为高电平，即水位处于11态，P1.2也为高电平，电机运行的指示灯不亮；P1.3为高电平，报警指示灯不亮，蜂鸣器不响。图10 故障声光报警其中，P1.1为高电平，P1.0为低电平，即水位处于10态，P1.2为高电平，电机运行的指示灯不亮；P1.3为低电平，报警指示灯亮，蜂鸣器响。5 总结 通过这次课程设计，实现了基于单片机的水塔水位控制系统的设计和模拟仿真，完成了此课程设计的全部要求，即硬软件设计，口接线、存储器扩展、设计报告等。在课程设计过程中，遇到了好多问题，例如，虽然说上学期认真地学习了单片机课程，熟悉了Proteus和Keilc的使用，但由于很长时间的不用，变得有些生疏，通过跟老师和同学请教自己不懂的技巧，再加上这次做课程设计对Proteus和Keilc的进一步使用，使我对上述两种软件更加熟悉，用起来更得心应手，在此，感谢老师和同学们的帮助。另外，此课程设计用到了好多单片机的知识，遇到一些不懂的问题，通过查资料和跟老师和同学讨论，都一一解决了。通过这次课程设计，使我更加坚信“千里之行,始于足下”这句话，刚开始拿到题目，觉得很难，只要你勇于思考，勇于探索，最终顺利地完成了此题课程设计，使我的动手实践能力也得到很大的提高。6参考文献1 李华,王思明,张金敏.单片机原理及应用M.兰州:兰州大学出版社,2001.2 张金敏,董海棠,高博.单片机原理与应用系统设计M.成都:西南交通大学出版社,2010.3 杜树春.基于Proteus和Keilc51的单片机设计与仿真M.北京:电子工业出版社,2012.7 附录基于单片机的水塔水位控制系统程序如下，用汇编语言编写，实现单片机的自动运行控制。/主程序/ ORG 0000H LOOP：ORL P1,#03H AJMP LOOP ORG 0100H ；为检查水位状态做准备 MOV A,P1 JNB ACC.0,ONE ；p1.0=0则转移 JB ACC.1,TWO ；p1.1=1则转移 BACK：LCALL DELAY ；延时AJMP LOOP ONE：JNB ACC.1,THREE ；p1.1=0转移 CLR 93H ；p1.3=0,启动报警装置 SETB 92H ；p1.2=1,停止电机工作 FOUR：SJMP FOURTHREE：CLR 92H ；启动电机 AJMP BACK TWO：SETB 92H ； 停止电机 AJMP BACK /延时子程序D10（延时10秒）/ ORG 8030H ；延 时10秒DELAY：MOV R3,#19H LOOP3: MOV R1,#85HLOOP1：MOV R2,#0FAHLOOP2：DJNZ R2,LOOP2 DJNZ R1,LOOP1 DJNZ R3,LOOP3 RET END8