基于单片机的水塔水位控制系统设计及仿真.doc

佳木斯大学毕业论文基于单片机的水塔水位控制系统设计及仿真学 院 信息电子技术专 业 通信工程班 级 12级2班学 籍 号 姓 名 李方鹏指导教师 周经国佳 木 斯 大 学2023年6月10日摘 要 随着社会的进步，生产工艺和生产技术的发展，人们对液位检测提出了更高的规定。由于新型电子技术、微电子技术和微型计算机被广泛的应用，单片机控制系统以其控制精度高，性能稳定可靠，设立操作方便，造价低等诸多特点，被应用到液位系统的控制中来。 单片微机在许多过程控制设备和产品中都得到广泛的应用。由于其体积小，价格低，具有逻辑判断、定期计数、程序控制等多种功能，在各个领域、各个行业都得到了广泛应用。本文介绍了以LM型液位传感器，A/D转换芯片ADC0809，以及AT89C51单片机作为主控元件的液位检测系统的设计方法。通过软件和硬件的联合调试，实现了在一定范围内对水位的调节，动态显示出水位结果，实现报警，完全实现了任务书上的规定。关键词：液位检测；A/D转换；LM型液位传感器；超限报警Abstract As society advances, the development of production processes and production technologies,the detection of the level control system have a higher demand. New electronic technology of microelectronics technology and miniature computers is widely used. Single chip control system to set up operations with high control accuracy, reliable performance, convenient,low cost, is applied to the level contral.This article describes the LM-type liquid level sensor and A / D conversion chip ADC0809, and AT89C51 microcontroller as the main control component of the liquid level detection system design methods. This article respectively from the liquid level detection, A/D converter, Digital display, Limit alarm and several aspects of the hardware circuit have conduct a more detailed description. Then the A/D conversion process, Digital tube display program, Limit alarm procedures have a fairly detailed, and using a flow chart for further explanation.Through joint debugging of software and hardware, The basic realization of the regulation on the level within a certain range of liquid level regulation, Dynamically shows the level results, Achieve alarm, Entirely Achieve the requirements of the mission statement.Keywords: the liquid level detection, A/D converter, lm-type liquid level sensor, limit alarm 目 录摘要.iAbstract.ii第1章 绪论.11.1 液位检测系统的概况.11.2 国内外研究动态.11.3 本次毕业设计的意义.21.4 本次毕业设计的任务.2第2章 硬件电路设计.42.1 硬件电路工作原.42.2 硬件电路设计.42.2.1 系统总体设计框图.42.2.2 核心芯片的介绍.52.3 硬件电路各模块设.102.3.1 电源电路设计.102.3.2 单片机最小系统电路设计.102.3.3 显示电路设计.112.3.4 液位传感器的接口电路设计.132.3.5 AT89C51与ADC0809的接口电路设计.132.3.6 报警电路设计.152.4 硬件电路总结.15第3章 软件设计.173.1 AT89C51的I/O口应用.173.1.1 P0口的信号输入.173.1.2 P1口的信号输入.173.1.3 P2口的信号输入.173.1.4 P3口的信号输入.183.2 软件模块设计.193.2.1 主程序的设计.193.2.2 A/D转换的设计.203.2.3 显示子程序的设计.213.2.4 报警子程序的设计.243.3 软件设计总结.25第4章 联机调试.264.1 仿真电路调试.264.2 硬件电路调试.274.3 硬件电路调试出现的问题及解决方法.284.4 软件程序调试.284.5 软件程序调试出现的问题及解决方法.294.6 联机调试总结.29第5章 结论.25致谢.26参考文献.27附录1.28附录2.30附录3.31附录4.32附录5.33第1章 绪论 随着人们生活水平和工业标准的提高，液位的检测越来越受到人们重视，检测的精度和实时性规定也越来越高，此外还规定系统能提供对液位的自动控制功能。此后液位的监测和控制系统的研究将是一个重要的课题。1.1 液位检测系统的概况在平常生产和生活中经常碰到液位的检测和控制问题。特别在许多工业生产系统中，需要对系统的液位或物料位进行检测和控制，特别是对具有腐蚀性的液体液位的测量，传统的电极法是采用差位分布电极，通过给电脉冲来检测液面，电极长期浸泡在液体中，极易被腐蚀、电解、失去灵敏性，因而对测试设备的抗腐蚀性规定较高。LM型液压传感器采用316L不锈钢膜片及PVC塑料螺纹头相结合，可测量水、其它液体及气体液位。LM型液压传感器采用拥有专利技术的低成本不锈钢传感器，其安装在PVC塑料过程接头内。监控工程实行方便、迅速、易做到实时控制，并且测量精度又能达成工业实用的规定，所以有广泛的应用前景。为了减少工人的劳动强度，改善工人的工作环境，节省财力、物力，避免资源的浪费，特别是对一些具有高温、高压、低温、低压、有辐射性、毒性、易挥发易爆等液体，就要对液位进行检测，并且液位的检测显得尤为重要。此后液位的监测和控制系统的研究将是一个重要的课题。1.2 国内外研究动态 在当今社会经济高速增长的同时，水在人们的生活、生产中起着重要的作用。一旦出现缺水，轻则给人们生活带来极大的不便，重则出现导致严重的生产事故并导致不可挽救的经济损失。液面检测和控制技术的规定也越来越严格。为了解决生产中的测量问题，一方面是新测量原理的采用，新的仪器仪表水平的发展，扩大了检测方法，而另一方面需要对电脑化和智能化方向发展。近年来，微电子技术的发展使得水塔液位检测技术已经彻底改变。新的应用程序级的检测原理和电子元件，这样可以更好地判断正变得越来越小型化，特别是小场液位开关光纤液位计的快速发展，没有移动部件，因此，精确的测量，可以控制。同时，液位检测和控制也正朝着智能化的方向发展，在衡量微解决技术水平的领域被广泛应用，实现故障诊断和报警等功能，提高了测量精度，可靠性，安全性，性别和多功能。在应用设计水平和定期应尽量达成液位检测系统的精确测量，以改善恶劣环境性下的精确和可靠地在恶劣的环境中。1.3 本次毕业设计的意义目前，市面上进行液位测量的仪表种类繁多，但是同时具有测量、监控、数据记录及解决的液位测量装置并不多。在某些工业控制系统中，数据的测量这一基本功能已不能满足现代工业的规定，往往需要对大批数据进行记录，对其进行后期解决分析，实现差错控制、工艺改善、资源优化等一系列工作。在液位测量这一领域中，如江河湖海、城市用水等方面，大量数据长时间，多网点的采集记录分析具有普遍的意义。液位的变化分析，有助于人们进一步对自然环境、天气变化甚至是灾害预警提供可靠的支持。单片机在许多过程控制设备和产品中都得到广泛的应用。由于其体积小，价格低，具有逻辑判断、定期计数、程序控制等多种功能，在各个领域、各个行业都得到了广泛应用。不仅有常用的8位机，并且4位单片机和16位单片机也得到了普及，随着过程控制精度规定的增长和运算速度的增快，单片机得到了进一步的应用。1.4 本次毕业设计的任务本文的重要任务是以单片机为主控制器，开发一个基于液位传感器的液位监控系统，可测量并显示液位高度。设定最高液位和最低液位，当液位高于最高液位或低于最低液位时发出报警信号，提醒工作人员液位信息。研究设计内容涉及：（1）液位检测的基本原理与方法；（2）液位检测系统的整体方案设计；（3）模数转换电路的设计；（4）显示电路设计；（5）系统软件流程设计；（6）电源电路的设计；（7）PCB布线及硬件抗干扰设计。设计完毕之后提供一个可以应用于一般工业的液位检测及显示系统的设计方案，测量范围和测量精度满足一般工业应用需要。通过毕业设计的整个过程，可以综合运用传感器、单片机、电子电路和程序设计等方面的知识，锻炼和提高科研的能力。第2章 硬件电路设计2.1 硬件电路工作原理该系统以AT89C51作为核心控制部件，外加传感器，一片A/D转换芯片和数码管来完毕系统的预期任务，即液位的检测、显示和超限报警。传感器实现液位信号到电压信号的转换，再由8位A/D转换芯片ADC0809将模拟信号转换为数字信号，实现液位信息的输入，AT89C51从ADC0809读取液位信息后进行数据解决和超限判断，随后将解决过的数据输出到数码管显示，设立最高液位和最低液位，若液位超限则由单片机报警1。2.2 硬件电路设计2.2.1 系统总体设计框图 电源传感器A/D转换AT89C51报警LED驱动数码管图21 系统总体设计框图图2-1各部分功能：（1） 电源部分提供+5V电压供系统各部分使用。（2） LM传感器实现液位信息到电压信号的转换。（3）ADC0809将传感器输出的电压信号经A/D转换后送到单片机。（4）AT89C51为解决器，实现液位信息的接受、数据解决、和输出到数码管。（5）蜂鸣器部分在单片机检测到液位超限是由单片机驱动LED灯亮灭报警。（6）单片机对液位数据解决后输出，数码管显示。2.2.2 核心芯片的介绍（1）单片机AT89C51单片机应用系统的基本构成：EPROMRAMI/O扩展ROMRAMI/O图22 单片机应用系统的基本构成AT89C51重要参数：表21 AT89C51重要参数 型号存储器定期器I/O串行口中断速度（MH）其他特点E2PROMROMRAM89C514K1282321624低电压 AT89C51含 E2PROM电可编闪速存储器。有两级或三级程序存储器保密系统，防止E2PROM中的程序被非法复制。不用紫外线擦除，提高了编程效率。程序存储器E2PROM容量可达20K字节。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微解决器，俗称单片机。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，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2。 AT89C51重要特性：与MCS-51兼容，4K字节可编程闪烁存储器，寿命：1000写/擦循环，全静态工作：0HZ-24HZ，三级程序存储器锁定8位CPU；振荡频率1.2-12MHz;128个字节的片内数据存储器（片内RAM）;21个专用寄存器；4KB的片内程序存储器；8位并行I/O口P0,P1,P2,P3;一个全双工串行I/O口；2个16位定期器/计数器；5个中断源，分为2个优先级。 I/O口引脚：P0口，双向8位三态I/O口，此口为地址总线（低8位）及数据总线分时复用；P1口，8位准双向I/O口P2口，8位准双向I/O口，与地址总线（高8位）复用；P3口，8位准双向I/O口，双功能复用。（2）A/D转换器ADC0809ADC0809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模数转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。A/D转换芯片ADC0809为8路模拟信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道抵制锁存用译码电路，其转换时间为100s左右。ADC0809的内部结构：图23 ADC0809的内部逻辑结构图图2-3中多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。地址锁存与译码电路完毕对A、B、C 3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连， 图24 ADC0809的通道选择表 图25ADC0809引脚图ADC0809功能介绍：分辨率为8位；最大不可调误差小于1LSB；单一+5V供电，模拟输入范围05V；具有锁存控制的8路模拟开关；可锁存三态输出，输出与TTL兼容；功耗为15mw；不必进行零点和满度调整；转换速度取决芯片的始终频率，它的时钟为10kHZ1.2MHZ.当时钟为500KHZ，转换速度为100us。ADC0809的原理ADC0809是一款8位AD转换器，数据获取的关键部分是它的8位模/数转换器。这个部分重要由N位逐次逼近寄存器SAR,D/A转换器，比较器，置数选择电路组成。转换过程如下：选选置数电路置SAR的最高位为“1”，其余位为“0”，经D/A转换器转换成的模拟电压Uo与输入模拟电压Ui在电压比较器进行比较，若Ui大于等于Uo,则保存最高位“1”，若Ui小于Uo，则最高位为“0”。置次高位为“1”，低位全为“0”，按上述环节进行转换，比较，判断。反复此过程，直到拟定SAR的最低位的值取“1”，还是“0”为止。此时，SAR内容就是相应的输入模拟电压转换后的数字量。（3）LM型液压传感器LM系列液压传感器采用316L不锈钢膜片及PVC塑料螺纹头相结合，可测量水、其它液体及气体液位。LM系列液压传感器采用拥有专利技术的低成本不锈钢传感器安装在PVC塑料过程接头内。该设计可使传感器具有多种外形，方便客户应用于需要高性能、小尺寸的压力和真空系统。传感器标准输出为0.54.5V，供电为5V。特点：螺纹接口式，-2085工作温度范围，0.1%非线性，3.0%总误差，固态结构应用： 灌溉系统，RV和船舶水位保持，蓄水和水循环系统，小型罐体液位，冷却器&蒸气冷凝设备类型： 表压量程： 01,2,5,15,30,50,150(psi)精确度： 5%(5Psi)输出： 0.54.5V电气连接： 电缆 工作温度： -3585供电电源： 5VDC 图27 LM系列液压传感器特点： 低成本，微量程（最佳量程1Psi15Psi），适于OEM客户批量应用。典型应用： 灌溉，RV和船用邮箱液位，水存储和水回收系统，小罐体液位，冷凝器，蒸发冷却塔 图28 LM传感器尺寸外形图 图29 LM传感器电气连接图2.3 硬件电路各模块设计2.3.1 电源电路设计 系统供电为市电AC220v，经变压器TR1降为交流6v，经整流桥堆BR1整流后得到脉动直流电压6v，再经三端稳压器LM7805得到VCC(+5v) ,图210 电源电路图2-10系统供电为市电AC220v，经变压器TR1降为交流6v，经整流桥堆BR1整流后得到脉动直流电压6v，再经三端稳压器LM7805得到VCC(+5v) ,其中电解电容C4、C6、起滤波作用，C5、C7是旁路电容，起克制干扰的作用3。2.3.2 单片机最小系统电路设计复位电路，就是 运用它把电路恢复到起始状态。就像计算器的清零按钮的作用同样，当你进行完了一个题目的计算后肯定是要清零的是吧！或者你输入错误，计算失误时都 要进行清零操作。以便回到原始状态，重新进行计算。和计算器清零按钮有所不同的是，复位电路启动的手段有所不同。一是在给电路通电时立即进行复位操作；二是在必要时可以由手动操作；三是根据程序或者电路运营的需要自动地进行。篡位电路都 是比较简朴的大都是只有电阻和电容组合就可以办到了。再复杂点就有三极管等等配合程序来进行了。RST：复位输入。在单片机工作期间，当此引脚上出现连接2个机器周期的高电平时可实现复位操作。复位电路除了具有上电复位功能外，还可通过复位键迫使RESET为高电平。当系统通电时，RESET引脚获得高电平，随着电容的充电，RESET引脚的高电平将逐渐下降。RESET的高电平只有保持足够的时间（2个机械周期），单片机才可以进行复位操作 。时钟电路采用12MHz的晶振，由于ADC0809的工作时钟最高允许值为12MHz,单片机ALE管脚2分频后为500KHz,可以作为ADC0809转换器的时钟信号CLK。XTAL1:反向放大振荡器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2:来自反向振荡器的输出。XTAL1脚是内部反相放大器的输入端，而XTAL2脚是该放大器的输出端。在晶体振荡中，晶体工作于基本响应模式，它作为一个感抗与外部电容形成并联谐振，使正反馈放大器维持震荡。所选电容为瓷片电容22PF，由于22PF对于工作于1MHZ以上的晶振都能获得良好的效果4。图211 单片机最小系统电路2.3.3 显示电路设计图212 显示电路本设计图2-12由P1口控制七段发光二极管亮或灭，使用共阴极8段数码管，由图2.9可知，要使七段显示器的某一段亮，则应当是与该段相连的段选寄存器即P1口的某位线输出为1。若使某段熄灭，则必须输出0。例如要显示数字4。则应使P1口的P1.7-P1.0输出为11100110B，若用一个字节表达该输出值，即字形代码为66H，依此类推，可以得到09一共10个十进制数的字形代码依次为3FH，06H，5BH，4FH，66H，6DH，7DH，07H，7FH，6FH。本设计由P2.0，P2.1，P2.2，P2.3做位选，以控制哪一位七段数码管显示，例如，规定第一位数码管显示，则应设立P2.0为“1”，P2.1，P2.2,P2.3为“0”。PNP型三极管9012起到增长驱动电流的目的。电阻R12R19控制通过数码管的电流，R20R23控制通过三极管9012的电流，R4R11为单片机P1口的上拉电阻5。图213 电位器RV1与ADC0809接口2.3.4 液位传感器的接口电路设计设计图2-13所选LM型液位传感器可以根据不同的液位产生不同的电压，电压值大小范围为0.54.5V，且可以便于远距离传输。由于芯片ADC0809的输入为05V的电压，仿真时需要将输入信号转换为电压信号，为此外接一电位器R=1k，把电压转换成05V电压。在设计中，把电位器的1，3脚接+5V电压和地线，调节滑钮2可以很好的得到05V电压，因此可以用电位器模拟液位传感器。2.3.5 AT89C51与ADC0809的接口电路设计如图2-14 ADC0809与AT89C51相连接，ADC0809中的START与ALE相连通，ALE地址锁存允许信号，相应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。START转换启动信号。START上升沿时，复位ADC0809；START下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持 低电平。当ALE上升沿时，ALE锁存数据，A/D转换截止，当ALE下降沿时，START低电平，ALE低电平，不锁存，A/D转换开始。P2.4，P2.5，P2.6，P2.7分别控制CLK，START和ALE，EOC，OE信号，其控制A/D转换的开始和截止。CLK使用AT89C51内部时钟信号。ADDA，ADDB，ADDC相连通接地，信号输入为000，表达输入通道选择为IN0口。8位数据信号线2-12-8与单片机的P1.0P1.7相连，实现ADC0809与AT89C51的数据传输。Vref参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典型值为+5V(Vref(+)=+5V, Vref(-)=0V)。图214 AT89C51与ADC0809的接口电路2.3.6 报警电路设计 图215 报警电路图2-15电路的P3.0，P3.1作为高位和低位的报警控制线，通过设立高低液位报警线来实现报警功能。假如当前液位高于设立的高位报警线时，P3.0置低电平，高位报警灯亮。假如当前液位低于于设立的低位报警线时，P3.1置低电平，低位报警灯亮。假如当前液位低于设立的高位液位且高于低位液位时，高位报警灯和低位报警灯灭6。2.4 硬件电路总结在本章中重要讲述了硬件电路的结构，电路原理和部分芯片的功能，要想拟定与单片机相连的芯片，一方面要看你想拿它来做什么，假如是采集信号的话，还要看你采集的是那种信号，假如是音频信号，那么可以选择一些音频解码芯片，如AD1836；假如是采集视频信号，就要选择视频解码芯片，如ADV7171。总之要根据前端的信号类型选择相应的芯片，许多传感器的作用就是采集外部的各种信号。 芯片拟定好后，进行引脚相连重要看两大方面的：一是控制接口，即单片机通过此接口实现对芯片的寄存器设立，实现芯片的各种功能。常见的控制接口是串行控制接口，有的支持SPI，有的支持I2C；二是数据通信接口，即用于单片机和芯片之间的数据传输，把采集的数据通过这个接口发给单片机，这个接口有串行的也有并行。一般引脚连接在芯片手册中会有一个推荐电路，可以去参考根据电路组成情况提成六个电路模块，分别介绍了各个电路模块的工作原理和功能，掌握了更多的基本硬件电路设计原理如图2-16及其工作特点。图2-17PCB封装图，为做PCB板做准备。下面是电路的图片7。图216 电路原理图图217 PCB封装图第3章 软件设计3.1 AT89C51的I/O口应用AT89C51共有P0,P1,P2,P3，4个8位的并行双向I/O口。各个I/O口实现不同的功能，具体情况如下。3.1.1 P0口的信号输入在程序中将P0口做为段选口使用，显示十位数字的段选信号，下例为显示十位数字的指令：MOV DPTR,#TABLE ；取段码表首址。MOV A,LED_2 ；取显示的十位数字。MOVC A,A+DPTR ；取段码。MOV P0,A ；输出段码的显示。TABLE: DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H ;共阴极数码管表DB 6DH,7DH,07H,7FH,6FH3.1.2 P1口的信号输入在程序中将P0口作为输入口，用来读A/D转换值。设计中，规定选通通道0，并把转化后得到数字量存入内部RAM的35H单元中，下例为把转化后的数字量存入内部RAM中的指令：CLR P2.5， ；SRART置0，MOV A,P1 ；MOV R7,AMOV 35H,R73.1.3 P2口的信号输入P2.0,P2.1,P2.2,P2.3做数码管的位选信号用，要哪个数码管亮，则置相应位高电平，就可将其选中。例如规定显示第一个数码管，端口设立指令为：CLR P2.0CLR P2.1CLR P2.2CLR P2.3 P2.4,P2.5,P2.6,P2.7作为通用I/O口使用，与ADC0809连接。P2.4作为A/D转换的CLK信号，P2.5作为开始A/D转换的启动信号，P2.6作为查询A/D转换是否完毕的判断信号，P2.7作为输出A/D转换的数字量允许信号。下例为P2.4,P2.5,P2.6,P2.7作为通用I/O口使用的指令：CLOCK BIT