C51课程设计报告基于AT89C51单片机的水位控制系统设计.doc

1、 课 程 设 计 课程名称 嵌入式系统课程设计 题目名称 （黑体，三号） 专业班级 2013 级 电子信息科学与技术 （ 3）班 学生姓名 张磊、徐贤进、曹谦、王浩 学号 51202011026、 51202011012 51202011021、 51202011033 指导教师 吕俊龙 二 一 五 年 五 月三十一日 蚌埠学院计算机科学与技术系本科课程设计成绩评定表 项目 权重 分值 具体要求 得分 文献阅读与调查论证 0.20 100 能独立查阅文献和从事其它调研活动 ；有收集、加工各种信息的能力 设计质量 0.30 100 设计合理、功能齐备，程序运行正常，实验数据准确可靠；有较强的实际

2、动手能力 论文撰写质量 0.20 100 设计说明书完全符合规范化要求，用 A4 复印纸打印成文 学习态度 0.20 100 学习态度认真，科学作风严谨，严格按要求开展各项工作，按期完成任务 学术水平与创新 0.10 100 设计有创意，有一定的学术水平或实用价值 总分 评语： 存在问题 : 等级： 指导教师： 年 月 日 蚌埠学院计算机科学与技术系课程设计任务书 课 程 嵌入式系统课程设计 班 级 2013 电子信息 科学与技术 班 指导教师 吕俊龙 题 目 DSB18B20 数字温度计的设计 完成时间 2015年 5月 28日至 2015年 6月 21 日 主要内容 功能要求：数字是温度计

3、测温范围在 -55125 ，误差在 0.5 以内，采用 LED数码管直接显示。 主控芯片： AT89C2051 或 ARM9 传感器： DS18B20 显示电路： 4 位 LED 数码管 设计报告要求 1 封面 ：（ 格式附后 ） 2课程设计任务书 3课程设计报告： 系统总体方案 设计思路和主要步骤 各功能模块和流程图 设计代码 心得体会和参考资料 说明：学生完成课程设计后，提交课程设计报告及软件，要求文字通畅、字迹工整（也可用以打印），文字不 少于 5000 字，并装订成册。 上机时间安排 星期 周次 一 二 三 四 五 六 日 第 14周 -第 17 周 12 电子 信息 科学本 1，1-

4、2 节 12 电子信息 科学本1， 7-8 节 12 电子信息 科学本1， 1-2 节 12 电子信息 科学本1， 5 -6 节 指导时间地点 上机时间，多媒体技术实验室 重 行楼 411 版面要求 1 题目用黑体三号，段后距 18 磅（或 1 行），居中对齐； 2 标题用黑体四号，段前、段后距 6 磅（或 0.3 行）； 3 正文用小四号宋体，行距为 固定值 ,22 磅 ； 4 标题按“一”、“”、“ 1”、“”顺序编号。 分工协作说明 课题名称 学生姓名 学号 所做的工作 DS18B20数字温度计的的设计 最后总结调试。由所有组员共同完成 目 录 摘 要 . 1 一 引 言 . 4 二 设

5、计方法和原理 . 4 （一） 水塔水位的控制原理 . 4 （二） 总体设计方案 . 4 三 硬件设计 . 5 （一） 硬件设计方案 . 5 （二） 主芯片 AT89C51 . 5 （三） 光报警及显示电路 . 6 （四） 键盘连接电路 . 6 （五） 复位电路 . 6 （六） 晶振电路 . 7 四 软件设计 . 9 （四） 程序流程图及其分析 . 9 五 系统仿真及实际调试 . 9 （一） 元器件清单 . 9 （二） 系统调试及仿真 . 9 六 总 结 . 10 致 谢 . 11 附录一 源代码 . 13 1 摘 要 水箱水位控制系统研究背景： 在工农业生产中，常常需要控制液体水位。随着国家工

6、业的迅速发展，水位控制技术被广泛应用到石油、化工、医药、食品等各行各业中。低温液体（液氧、液氮、液氩、液化天然气及液体二氧化碳等）得到广泛的应用，作为贮存低温液体的容器要保证能承受其载荷； 在发电厂、炼钢厂中，保持正常的锅炉汽包水位、除氧器水位、汽轮机凝气器水位、高、低压加热器水位等，是设备安全运行的保证；在教学与科学研究中，也经常碰到需要进行水位控制的实验装置。 水箱水位控制系统研究意义 ： 大型水箱是很多公司生产过程中必不可少的部件，它的性能和工作质量的优良不仅仅对生产有着巨大的影响，而且也关系着生产的安全。在过去，大量的对水箱操作是由相应的人员进行操作的，这样的人工方式带来了很大的弊端，

7、比如水位的控制，时刻监控水箱的环境，夜间的监控等等，操作员稍有疏忽，或者简易的监则器件 损坏，将带来无法弥补的损失，更严重的会危机到生产人员的人身安全等。所以，对水箱控制，如果能够使用精密的而且完全会严格按照生产规定运行的自动化系统，可以最大限度的避免事故的几率，同时也能节省资源并能有效提高生产效率。 从水资源节约方面考虑，以往的人工控制在很多情况下，造成资源不必要的浪费，大部分原因是水箱内部水位没有及时的反馈信息到操作员，从而使控制上有一定的延迟，从而造成了水量过多或者没能及时补水而导致资源的浪费或生产出现异常。而对水箱水位的监控以及自动化的引入可以很好的改善补水过多和及时补水的情况，可以很

8、 好的节约资源有效的降低成本。 单片机，一小块芯片上集成了一个微型计算机的各个组成部分，它的诞生使众多自动化控制系统得以实现。 80C51 以它功能强大，设计简单，制造廉价，支持指令集较多。所以应用到众多嵌入式系统开发中。 因此，基于 80C51 单片机的水箱水位控制系统研究有着重要的意义。 水位控制一般指对某一水位进行控制调节，使其达到所要求的控制精度。液体的水位自动控制，是近年来新开发的一项新技术，它是微型计算机软件、硬件、自动控制等几项技术紧密结合的产物，工程作业采用的是微机控制和原有的仪表控制，危机控制有以下 明显优势： 1）直观而集中的显示运行参数，能显示水位状态。 2）在运行中可以

9、随时方便的修改各种各样的运行参数的控制值，并修改系统的控制参数，可以方便的改变水位的上限、下限。 2 3）具有水体控制过程的自动化处理以及监控软件良好的人机界面，操作人员在监控计算机上能根据控制效果及时修改运行参数，这样能有效地减少工人的疲劳和失误，提高生产过程的实时性、安全性。 综合以上的种种优点可以预见采用计算机控制系统是行业的大势所趋。单片机在一块芯片上集成了一片微型计算机所需的 CPU、存储器、输入、输出等部件。单片机自问 世以来，性能不断提高和完善，体积小、速度快、功耗低的特点使它的应用领域日益广泛。一般工业控制系统的工作环境差，干扰强，利用单片机控制就能克服这些缺点，因此单片机在控

10、制领域得到广泛的应用，使用单片机控制水箱水位是很好的选择。 水箱水位控制系统国内外研究现状 ： 目前，水箱控制系统已不仅仅局限于大型的电厂、煤炭、钢铁等大型企业领域，它以自身的自动化控制系统的安全优势，已经慢慢深入到一些民用水箱产品。但是目前阶段，它的成本还很高。比如把一台纯手工家用水箱设计成自动化控制的水箱，从硬件的设计和铺设 ，对于民用化产品实施的性价比较高。因此大规模的使用仍受到经济上的限制。但是，从长远来看，随着自动化技术的改进和硬件成本的降低，以及人们对资源浪费的重视。水箱控制系统仍然有大规模推广的前景。 我国仍然处于生产型发展中国家，所有几乎在能源相关的所有领域中，水箱是比不可少的

11、部件，即使是发达国家也不例外。它性能的优良与否关系直接关系到企业的生产安全和效益。随着我国嵌入式技术的发展，我国控制系统技术已经达到国际水平，但是在中小型企业以及民用产品，大量的水箱控制任然通过专职的人员进行控制。随着我国单片机开发技术的逐渐成 熟，以及单片机生产成本的下降，基于单片机的水箱控制系统应用到中小型以及民用产品有着交大的发展空间。而且越来越多的水箱生产厂商开始聘用单片机开发人员和电路设计人员，将控制系统成为水箱设计的一部分，以提高自身产品的安全性能和科技含量来提高产品在市场中的竞争力。 一些发达国家在单片机新型系统研究、制造和应用上，已经积累了很多的经验，奠定了基础，进入了国际市场

12、。我国在新型测控装置与系统研究、制造、应用和经验上，与其他发达国家相比还存在差距，但是我国研究人员已经克服很多困难，并在不断摸索中前进，有望在相关领域赶上甚至 超越发达国家的技术水平，这是发展趋势。 水箱水位控制系统研究发展方向： 纵观我们现在生活的各个领域，从导弹的导航装置，到飞机上各种仪表的控制，从计算机的网络通讯与数据传输，到工业自动化过程的实时控制和数据处理，以及3 我们生活中广泛使用的各种智能 IC 卡、电子宠物等，这些都离不开单片机。以前没有单片机时，这些东西也能做，但是只能使用复杂的模拟电路，然而这样做出来的产品不仅体积大，而且成本高，并且由于长期使用，元器件不断老化，控制的精度

13、自然也会达不到标准。在单片机产生后，我们就将控制这些东西变为智能化了 ，我们只需要在单片机外围接一点简单的接口电路，核心部分只是由人为的写入程序来完成。这样产品的体积变小了，成本也降低了，长期使用也不会担心精度达不到了。所以，它的魔力不仅是在现在，在将来将会有更多的 人来接受它、使用它。据统计，我国的单片机年容量已达 3 亿片，且每年以大约 20%的速度增长，但相对于世界市场我国的占有率还不到 1%。特别是沿海地区的玩具厂等生产产品多数用到单片机，并不断地辐射向内地。所以，学习单片机在我国是有着广阔前景的。 4 一 引 言 （一） 设计目的 在工农业生产中，常常需要测量液体液位 。随着国家工业

14、的迅速发展，液位测量技术被广泛应用到石油、化工、医药、食品等各行各业中。低温液体（液氧、液氮、液氩、液化天然气及液体二氧化碳等）得到广泛的应用，作为贮存低温液体的容器要保证能承受其载荷；在发电厂、炼钢厂中，保持正常的锅炉汽包水位、除氧器水位、汽轮机凝气器水位、高、低压加热器水位等，是设备安全运行的保证，因此一个安全合适的水位系统是很必要的。 （二） 设计要求 利用单片机设计一个水位控制系统，要求用开关来模拟水位的状态，当设定完水位后，系统根据水位情况控制电磁阀的开启和关断。具体要求如下： 1、设 计单片机工作系统电路。 2、通过键盘设置其预定水位，根据水位不同控制电机的旋转。 3、利用 Pro

15、teus 进行仿真。 （三） 设计方法 本设计是采用 AT89C51单片机为核心芯片 ,及其相关硬件来实现的水体液位控制系统 ,采用八个键盘来模拟水位 , CPU 循环检键盘输入状态 ,并用 3 位七段 LED 显示示液位高度 ,检测液位数据 ,实施报警安全提示 ,当水体液位低于用户设定的值时 ,系统自动打开泵上水 ,当水位到达设定值时 ,系统自动打开排水泵4 二 设计方法和原理 （一） 水塔水位的控制原理 单片机水塔水位控制原理如图 l所示，图中的虚 线表示允许水位变化的上、下限位置。在正常情况下水位应控制在虚线范围之内。为此，在水塔内的不同高度处，安装固定不变的 3根金属棒 A、 B、 C

16、。用以反映水位变化的情况。其中， A棒在下限水位 B棒在上、下限水位之间， C棒在上限水位 (底端靠近水池底部不能过低，要保证有足够大的流水量 )。水塔由电机带动水泵供水。单片机控制电机转动，随着供水，水位不断上升当水位上升到上限水位时，由于水的导电作用。使 B、 C棒均与+5 V连通。因此 B、 C两端的电压都为 +5 V，即为“ l”状态，此时应停止电机和水泵工作，不再向水塔注水；随着 水量的减少，当水位处于上、下限之间时。 B棒和 A棒导通而 C棒不能与 A棒导通， B端为“ 1”状态。 C端为“ 0”状态。此时电机带动水泵给水塔注水，使水位上升，或是电机不工作，水位不断下降，都应继续维

17、持原有工作状态；当水位处于下限位置以下时， B、 C棒均不能与 A棒导通， B、 C均为“ 0”状态。此时应启动电机转动，带动水泵给水塔注水，然后重复原来的过程，这就是简单的水位控制原理。 5 VABCR 1R 2图 1 水位控制原理 （二） 总体设计方案 系统的原理是采用 8 个 按钮进行水位检测 ， 在现场的 3 个不同的位置，由下至上 测量水体的液位值 。并把这八个液位状态通过模数转换器传到单片机中（在本系统中采用开关的打开与闭合来模拟） ,在通过 3 位七段 LED 显示器显示出液位的八种状态 并通过 LED 灯报警提示 。当水位过低（在 1 水位）时灯就会变亮，当水位较高（在 7 水位时）等也会变亮，用来让用户察觉。在水位过高和过低时电磁阀都会自动的抽水或排水，其具体的抽水和排水位置可以设定，此系统中采用的是 7 水位和 1 水位