1、分数： 评语：专业综合实验报告(Part )题目：基于单片机的水位控制器设计学 生 姓 名：学 号：指 导 教 师：二一六年一月目 录1 绪论 .11.1 实验课题来源与背景 .11.1.1 课题来源 .11.1.2 课题背景 .11.2 实验内容 .11.3 实验目的和要求 .21.3.1 实验目的 .21.3.2 基本要求 .21.4 实验所需相关知识 .21.4.1 水箱水位自动控制系统 .21.4.2 AT89C51 单片机（控制器） .32 系统设计流程 .42.1 设计内容及要求 .42.2 系统设计方案流程图 .42.3 Proteus 生成 PCB 具体操作流程 .53 原理图
2、设计 .53.1 Proteus 概述 .53.2 电路原理图所用元器件介绍 .73.2.1 水位检测传感器 .73.2.2 复位电路的设计 .73.2.3 光报警电路的设计 .83.2.4 泵的简介及泵的相关参数 .84 设计原理和电路图 .94.1 设计原理 .94.1.1 水位控制原理 .94.1.2 系统结构图 .104.1.3 控制方案说明 .104.1.4 元件清单 .114.1.5 电路原理图 .114.2 PCB 板图 .115 实验总结 .11附录：实验电路原理图 .13附录：PCB 图 .14附录三：三维视图 .1501 绪论1.1 实验课题来源与背景1.1.1 课题来源在
3、武汉大学动力与机械学院自动化系本科生的教学课程中，安排学生学习了自动控制理论、智能化仪器仪表原理与应用等课程，学生已初步掌握了单片机的基本原理以及水位控制的系统。在此基础上，为增强学生的自主动手操作与实际解决问题的能力，将学到的知识与实践相结合，故将学生专业综合实验课题定为“基于单片机的水位控制器设计”。1.1.2 课题背景在生产领域中，实现水位自动检测和控制是工业过程控制的一项关键技术，对于提高工业过程控制的自动化水平有着重要的意义。在生活领域中，供水方式过去一般是通过人工来实现控制，容易造成对水资源的浪费，所以现在人们越来越关注水资源的问题。目前，水位控制系统是受到广泛应用的供水系统，水位
4、控制可以有多种实现方法，如机械控制、逻辑电路控制、机电控制、传感器控制等，但传统的控制方式存在控制精度低、能耗大、不能实现连续控制和跟踪水位的特点，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，而且可以大幅提高被控水位的技术指标，从而大大提高控制的效果，更加符合人们的预期。1.2 实验内容针对水箱水位自动控制系统，要求设计一个基于单片机的控制器，其完成过程需要以下步骤：1、学习水箱水位自动控制系统的工作过程，了解控制器所需的功能及要求。2、学习单片机的各部件的工作原理和工作过程。3、学习 Proteus 的使用方法。14、参考 AT89C51 单片机开发板设计水位控制器，并
5、利用 Proteus 绘制电路原理图和 PCB 板图。1.3 实验目的和要求1.3.1 实验目的1、培养掌握、使用实用电子线路、计算机系统设计、仿真软件的能力。2、提高读图、分析线路和正确绘制设计线路、系统的能力。1.3.2 基本要求1、了解原理图设计基础、了解设计环境设置、学习 Proteus 软件的功能及使用方法。2、掌握绘制原理图的各种工具、利用软件绘制原理图。3、掌握编辑元器件的方法构造原理图元件库。4、熟练掌握手工绘制电路版的方法。5、掌握绘制编辑元件封装图的方法，自己构造印制板元件库。6、了解电路板设计的一般规则、利用软件绘制原理图并自动生成印制板图。1.4 实验所需相关知识1.4
6、.1 水箱水位自动控制系统水箱水位自动控制系统如图 1.1。2图 1.1 水箱水位自动控制系统设定水位上、下限，到达或超过上限时，电动机停止转动，到达或低于下限时，电动机开始转动。1.4.2 AT89C51 单片机（控制器）AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能 CMOS8 位单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 100 次。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
7、将多功能 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，AT89C2051 是它的一种精简版本。89C 单片机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。单片机结构功能如下：8 位 CPU4kbytes 程序存储器(ROM) (52 为 8K)128bytes 的数据存储器(RAM) （52 有 256bytes 的 RAM）32 条 I/O 口线111 条指令，大部分为单字节指令21 个专用寄存器2 个可编程定时/计数器5 个中断源，2 个优先级（52 有 6 个）一个全双工串行通信口外部数据存储器寻址空间为 64kB外部程序存储器
8、寻址空间为 64kB逻辑操作位寻址功能双列直插 40PinDIP 封装单一+5V 电源供电CPU：由运算和控制逻辑组成，同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器；RAM：用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据；3ROM：用以存放程序、一些原始数据和表格；I/O 口：四个 8 位并行 I/O 口，既可用作输入，也可用作输出T/C：两个定时/记数器，既可以工作在定时模式，也可以工作在记数模式；五个中断源的中断控制系统；一个全双工 UART（通用异步接收发送器）的串行 I/O 口，用于实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通信；片内振荡器和时钟产生电路，石英晶体和微调电
9、容需要外接。最佳振荡频率为 6M12M。2 系统设计流程2.1 设计内容及要求设计内容：根据题目要求的指标，通过查阅有关资料，确定系统设计方案，并设计其硬件电路，绘制电路原理图，并绘制 PCB 板。设计要求：在水箱内部设计一个简易的水位探测器用来探测三个水位，即：低水位、正常水位、高水位。低水位时送给单片机一个高电平，驱动水泵加水，红灯亮；正常水位时，水泵加水，绿灯亮；高水位时，驱动水泵停止工作，黄灯亮。用两个开关按钮的状态来表示水位的变化，即按钮的接通和断开状态分别用数字 0、1 表示，从而实现实际的仿真功能。2.2 系统设计方案流程图1、原理图设计流程，如图 2.1。4图2.1 原理图设计
10、流程2、PCB设计流程图，如图2.2。图 2.2 PCB 设计流程图2.3 Proteus 生成 PCB 具体操作流程 1、绘制电路原理图，并仿真调试。2、加载网络表及元件封装。进入 Proteus 的 ARES 界面，通过工具导网络图表到 ARES，系统会自动添加元件封装。3、规划电路板并设置相应参数。1）选择 Board Edge 选项，在绘图工具栏，绘制方框按钮。2）进行元件布局，布线并调整。54、输出及制作 PCB单击 Output 选项中的 Set Output Area 选项，按住鼠标左键并拖动，选择要输出的版图，在打印布线层和布局层时，分别进行不同的设置。3 原理图设计3.1 P
11、roteus 概述Proteus 是世界上著名的 EDA 工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到 PCB 设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB 设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086 和 MSP430 等，2010 年又增加了 Cortex 和 DSP 系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持 IAR、Keil 和 MPLAB 等多种编译器。Proteus 软件具有其它
12、 EDA 工具软件（例：multisim）的功能。这些功能包括：1原理布图2PCB 自动或人工布线3SPICE 电路仿真另外，Proteus 具有一些独特的特点1互动的电路仿真用户可以实时采用诸如 RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI 器件，部分 IIC 器件。2仿真处理器及其外围电路可以仿真 51 系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus 建立了完备的电子设计开发环境。6Proteus 具有丰富的资源用于仿真1Pro
13、teus 可提供的仿真元器件资源：仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件，有 30 多个元件库。2Proteus 可提供的仿真仪表资源 ：示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI调试器、I2C 调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用。3除了现实存在的仪器外，Proteus 还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似，但功能更多。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。这些都尽可能减少了仪器对测量结果的影响。4Proteus 可提供的调试手段 Pro
14、teus 提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。3.2 电路原理图所用元器件介绍3.2.1 水位检测传感器传感器是一种能感受被测物体物理量并将其转化为便于传输或者处理的电信号的装置。在现代科技领域中，传感器得到了广泛的应用，各类信息的采集均可见到传感器的身影，传感器的基本功能在于能感受外界的各种“刺激”，并作出迅速反应。在实验中，我们采用的传感器较为简单，其外形轮廓如图 3.1：图 3.1 水位检测传感器实验仿真中，我们用按钮开关来作为传感器的原始状态即用按钮的状态来表7示传感器的传输的数据。3.2.2 复位电路的设计如图 3.2 所示，复位电路由两个电容串联后再晶振片并联组成：图 3.2 单片机复位电路图3.2.3 光报警电路的设计实验中，光报警电路的设计用不同颜色的发光二极管表示不同水位的情况，来作为报警信号。当红灯亮，其他两灯不亮，表示是低水位状态，此时需要启动水泵加水；当绿灯亮其他两灯不亮，表示在正常的水位线内，此时水泵不停止工作，继续向水箱加水；当黄灯亮，其他两灯不亮，表示高水位状态，水泵停止工作，不向水箱加水；若出现其他情况，则表示系统出现故障，三灯均不亮，马达不转动。光报警电路的设计路图如图 3.3 所示：图 3.3 光报警电路原理图
