1、单位代码 0 2 学 号 分 类 号 TH6 密 级 课 程 设 计 说 明 书 水箱水位控制系统设计 院 （ 系 ） 名 称 机 械 工 程 学 院 专 业 名 称 机 械 设 计 制 造 及 其 自 动 化 学 生 姓 名 指 导 教 师 2015 年 10 月 27 日 黄河科技学院课程设计任务书 机械工程 学院 机械 系 机械设计制造及其自动化 专业 12 级 1 班 学号 1200000000 姓名 指导教师 题目: 水箱水位控制系统设计 课程: 单片机应用技术 课程设计时间 2015 年 10 月 13 日 至 10 月 27 日 共 2 周 课程设计工作内容与基本要求(设计要求、
2、设计任务、工作计划、所需相关资料) （纸张不够可加页） 1. 设计要求 在高塔的内部我们设计一个简易的水位探测传感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；正常范围的水位时，水泵加水，绿灯亮；高水位时，水泵不加水，黄 灯亮。 2. 设计任务与要求（完成后需提交的文件和图表等） 1系统硬件电路设计 根据该系统设计的功能要求选择所用元器件，设计硬件电路。要求用 Proteus 绘制整个系统电路原理图。 2软件设计 根据该系统设计的功能要求进行软件设计，要求用 VISIO 软件绘制整个系 统及各部分的软件流程图。并根据流程图编写程序并汇编
3、调试通过。列出软件 清单，软件清单要加以注释。 3Proteus 仿真 用 Proteus 对系统软硬件进行仿真调试通过。 4软硬件实际调试 5编写设计说明书一份，内容包括任务书、设计方案分析、硬件设计部分 要绘制整个系统电路原理图，对各部分电路设计原理做出说明。软件设计部分 要绘制整个系统及各部分的软件流程图，并列出软件清单，软件清单要求加注 释，并在各功能块前加程序功能注释。调试结果整理分析及设计调试的心得体 会。 3工作计划（进程安排） 第 1 周基本完成软、硬件的设计（分散在教学过程中完成）。第二周 2 天 绘制所要求的图纸，完成软、硬件的调试；2 天完成设计说明书；1.5 天答辩或
4、验收，评定成绩。 6主要参考资料 单片机课程设计指导书 皮大能 北京理工大学出版社 2010.7 8051 单片机实践与应用 吴金戎 清华大学出版社 2003.8 单片机技术基础教程与实践夏路易 电子工业出版社 2008.1 MCS-51 单片机原理接口及应用 王质朴 北京理工大学出版 2009.11 基于 Proteus 的单片机系统设计与仿真实例 蒋辉平 机械工业出版社 2009.7 系主任审批意见： 审批人签名： 日 期： 摘 要 我们可以采用单片机系统实现了水塔水位的自动控制，设计出一种低成本、 高使用价值的水塔水位控制器。该系统具有水位检测，低水位高水位报警以及 自动加水等功能。本设
5、计过程中主要采用传感技术、单片机技术、光报警技术 以及弱电控制强电技术。检测系统采用铜针探测结构简单、制造成本低、灵敏 度高。并采用 AT89C2051 单片机系统控制整个电路的信号处理以及采用光电耦 合和继电器来实现弱电控制强电从而实现加水系统的自动控制。 该系统可以完成光报警，水位自动检测，上水停水等工作。并能有效保证 液面高度始终处于较理想范围，该系统制造成本低、结构简单、感应度高、绿 色环保。可用于各种液体的储存。 关键词:单片机，自动检测，自动控制 Abstract We can use micro-controller system using cooling towers to
6、achieve the level of automation, design a low cost and high practical value of the water tower water level controller. The system has the water level detection, low water high water level alarm and automatic functions such as adding water. The design process mainly uses the sensor technology, single
7、 chip technology, optical technology and the weak control the strong police power technology. Detection system using simple system for detection of copper needles, resulting in the low and high sensitivity.AT89C2051 SCM system control by using the circuit of signal processing and the use of optical
8、coupling and weak control relays to achieve strong power to realize automatic control of water systems. It can automatically detect the water level, light alarm, all the work without water cycle, to ensure better surface height is always within the context of its structure simple, low cost high sens
9、itivity, significant energy is used in various kind of ideal equipment for high-level liquid storage. Key words: SCM, Automatic monitoring, Circuit Control 黄河科技学院单片机课程设计 第 0 页 目录 1 课程设计系统概述.2 1.1 系统原理2 1.2 系统结构图2 1.3 控制方案说明. 3 1.4 系统组成及原理3 2 硬件设计.4 2.1 单片机最小系统电路设计5 2.2 水位检测传感器的选用6 2.3 稳压电路的设计7 2.4 光
10、报警电路的设计8 2.5 继电器控制水泵加水电路9 3 软件设计.9 3.1 系统总原理图.10 3.2 系统总程序如下.11 4 总结11 致谢11 参考文献12 附录13 黄河科技学院单片机课程设计 第 1 页 1 课程设计系统概述 1.1 系统原理 当水位处于低水位的时候，传感器的低水位探测线没被+5V 的电源导通进 入稳压电路经过处理在稳压电路的输出端有一个高电平，送入单片机的 P1.0 口， 另一个稳压电路输出的高电平进入单片机的 P1.1 口单片机经过分析，在 P1.2 口输出一低电平，驱动红灯亮，P1.5 出来一个信号使光电耦合器 GDOUHE 导 通，这样继电器闭合，使水泵加水
11、；当水位处于正常范围内时，水泵加水，在 P1.3 引脚出来一个低电平，使绿灯亮；当水位在高水位区时，传感器的两根探 测线均被导通，均被+5V 的电源导通，送入单片机，单片机经过分析，在 P1.4 引脚出来一个低电平，使黄灯亮，在 P1.5 端出来一个低电平不能使光电耦合器 导通，这样继电器不能闭合，水泵不能加水；当三灯闪烁表示系统出现故障。 1.2 系统结构图 系统结构图如图 1.2 所示： 电源电路 水塔模型 水箱 水泵加水 系统 显示系统 水位检测 传感器 稳压电路 单片机 A T 8 9 C 2 0 5 1 图 1.2 系统结构图 黄河科技学院单片机课程设计 第 2 页 采用单片机 AT
12、89C2051 作为我们的控制芯片，主要工作过程是当高塔中的 水在低水位时，水位探测传感器送给单片机一个高电平，然后单片机驱动水泵 加水和显示系统使红灯变亮；当水位在正常范围内时，水泵加水，绿灯亮；当 水位在高水位时，单片机不能驱动水泵加水，黄灯亮。 1.3 控制方案说明 这个方案中使用了单片机处理，单片机技术是信息时代用于精密测量的一 种新技术。此系统使用过程中采用稳压电路能够准确地把输入的电平送给单片 机不会产生误判的情况，由于 AT89C2051 单片机有四端口，20 引脚能够非常 方便地设计显示系统。 1.4 系统组成及原理 本系统由电源电路、水位探测传感电路、稳压电路、单片机系统、光
13、报警 显示电路、继电器控制水泵加水电路、以及高塔模型组成。主电气原理图如图 1.4 所示： 图 1.4 主电气原理图 工作原理：当水位处于低水位的时候，传感器的低水位探测线没被+5V 的 黄河科技学院单片机课程设计 第 3 页 电源导通进入稳压电路经过处理在稳压电路的输出端有一个高电平，送入单片 机的 P1.0 口，另一个稳压电路输出的高电平进入单片机的 P1.1 口单片机经过 分析，在 P1.2 口输出一低电平，驱动红灯亮， P1.5 出来一个信号使光电耦合器 GDOUHE 导通，这样继电器闭合，使水泵加水；当水位处于正常范围内时，水 泵加水，在 P1.3 引脚出来一个低电平，使绿灯亮；当水
14、位在高水位区时，传感 器的两根探测线均被导通，均被+5V 的电源导通，送入单片机，单片机经过分 析，在 P1.4 引脚出来一个低电平，使黄灯亮，在 P1.5 端出来一个低电平不能 使光电耦合器导通，这样继电器不能闭合，水泵不能加水；当三灯闪烁表示系 统出现故障。 黄河科技学院单片机课程设计 第 4 页 2 硬件设计 2.1 单片机最小系统电路设计 AT89C2051 是 美 国 ATMEL 公 司 生 产 的 低 电 压 、 高 性 能 CMOS 8 位 单 片 机 ， 片 内 含 2k bytes 的 可 反 复 擦 写 的 只 读 程 序 存 储 器 （ PEROM） 和 128bytes
15、 的 随 机 数 据 存 储 器 （ RAM） ， 器 件 采 用 ATMEL 公 司 的 高 密 度 、 非 易 失 性 存 储 技 术 生 产 ， 兼 容 标 准 MCS-51 指 令 系 统 ， 片 内 置 通 用 8 位 中 央 处 理 器 和 Flash 存 储 单 元 ， 功 能 强 大 at89c2051 单 片 机 可 为 您 提 供 许 多 高 性 价 比 的 应 用 场 合 。 本设计中单片机采用 AT89C2051，它是一种高性能低价格单片机。引脚 （20 个）和指令系统与 8031 单片机完全兼容。片内有 2 K 字节的闪速程序存 储器（采用电擦除编程， 可重复编程 1
16、000 次，数据可保 10 年），除没有 P0 口、P2 口外，具有 8031 所有功能结构，即一片 AT89C2051 相当于 8031、373 、2716 组成的最小系统。用它构成的测量、控制系统具有电路简单、可靠性好、 体积小和成本低等优点。AT89C2051 的 P1 口为八位双向 I/ O 口， P1.2P1.7 有内部上拉电阻， P1.0 与 P1.1 无内部上拉电阻。P1.0 与 P1.1 具有 第二功能，分别作为片内精密比较器的同相、反相输入端。P1 口输出驱动器能 提供 20mA 的灌电流驱动能力，其锁存器写 1 时可作为输入口。AT89C2051 的 P3 口为七位双向 I
17、/ O 口， 有内部上拉电阻， P3 口输出驱动器能提供 20mA 灌电流驱动能力， 其锁存器写 1 时可作输入口。P316 作为输入线与片 内精密比较器输出端在片内相连， 故无引出线， 但可读该位的值。P310 P315 的第二功能与 8031 P3 口相应口线的第二功能完全相同。综上所述， P1 和 P3 口中的各口线可直接驱动发光二极管， 不用再配置发光二极管驱动电路， P1.0 与 P1.1 具有第二功能， 不用再配置比较器，从而简化了控制电路的结构。 最小系统电路图如图 2.1 所示： 2.2 水位检测传感器的选用 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处理的电信 黄
18、河科技学院课程设计 第 5 页 号的装置，在现代科技领域中，传感器得到了广泛应用，各种信息的采集离不 了 图 2.1 最小系统电路图 各种传感器，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 映。本设计当中我们采用的水位探测传感器简单易做，经济实惠。其外形轮廓 如图 2.2 所示： 图 2.2 水位探测传感器外观图 A 为接+5V 电源的线与水一直保持连通，B 线为低水位控制线，当水位到 达低水位的时候它不导通，水在正常范围内时，它导通。C 线为高水位控制线， 黄河科技学院课程设计 第 6 页 当它导通时，表示水已经为高水位。 本设计中采用了细铜线作为我们的传感器的材料。主要考虑了
19、（1）细铜线 的电阻率比较低，这样就可以避免由于电阻过大而使输出的电平过低，以致不 能很好地驱动单片机工作（2）传电性能比较好，传电速率比较快，也就是说灵 敏性非常好。（3）细铜线便宜易找。 本传感器的尺寸是 A 线是 30cm，B 线是 20cm，C 线是 15cm，铜线直径是 15mm。 2.3 稳压电路的设计 本电路的主要作用是使从传感器输出的电平能够稳定地输入单片机中，主 要由三极管的两极放大稳定电路组成，其工作过程是水位探测传感器把探测到 的电信号送给 R12，如果送入的是高电平则 R11、Q5 、D3 、Q4 导通把低于 1.4V 的低电平稳定地送给单片机。如果是低电平送给 R12
20、 则 R11、 Q5、D3、Q4 均不能导通二是 R13 导通将把高于 1.4V 的高电平稳定的送 给单片机。 我查找了相关资料以及我们自己在设计过程当中免去此稳定电路，发现有 时候也能实现我们的设计目的，但是也有很多时候发生水位误判的情况，产生 不稳定现象，所以我们认为此电路是不可缺少的。既然是控制系统，当然就要 控制精确。稳压电路原理图如图 2.3 所示： 黄河科技学院课程设计 第 7 页 图 2.3 稳压电路原理图 2.4 光报警电路的设计 （1）发光二极管（LED ）是用半导体材料制作的正向偏置的 PN 结二极管。 其发光机理是当在 PN 结两端注入正向电流时，注入的非平衡载流子（电子
21、 空穴对）在扩散过程中复合发光，这种发射过程主要对应光的自发发射过程。 按光输出的位置不同，发光二极管可分为面发射型和边发射型。发光二极管的 发光原理同样可以用 PN 结的能带结构来解释。制作半导体发光二极管的材料 是重掺杂的，热平衡状态下的 N 区有很多迁移率很高的电子， P 区有较多的迁 移率较低的空穴。由于 PN 结阻挡层的限制，在常态下，二者不能发生自然复 合。，而当给 PN 结加以正向电压时，沟区导带中的电子则可逃过 PN 结的势垒 进入到 P 区一侧。于是在 PN 结附近稍偏于 P 区一边的地方，处于高能态的电 子与空穴相遇时，便产生发光复合。这种发光复合所发出的光属于自发辐射，
22、辐射光的波长决定于材料的禁带宽度 Eg。 本电路采用不同颜色的发光二极管来表示不同的水位情况。即红灯亮，他 两灯不亮表示是低水位状态，此时需要启动水泵加水；绿灯亮，其他两灯不亮 表示在正常的水位线内；黄灯发亮，其他两灯不亮为高水位状态，水泵停止加 黄河科技学院课程设计 第 8 页 水，三灯闪烁表示系统出现故障。光报警电路原理图如图 2.4 所示： 图 2.4 光报警电路的原理图 此电路采用的是共阳极的，所以只有当单片机给发光二极管为低电平时才 能推动发光二极管点亮。其中 R14、R15、R16 为上拉电阻起限压控流作用。 2.5 继电器控制水泵加水电路 该电路由继电器 RL1 和闭合开关、光电
23、耦合器、水泵 R13、 R22、 R11、R12 以及 D2、Q6 等组成。当水位在低水位时单片机给 P1.1 送一个高电平导通光电耦合器然后光电耦合器驱动 Q6 导致继电器闭合从而让 220V 的交流电接通使水泵加水。继电器控制水泵加水电路原理图如图 2.5 所示： 黄河科技学院课程设计 第 9 页 图 2.5 继电器控制水泵加水电路的原理图 其中光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电光电转换器件。它 由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内， 彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端， 在本设计当中发光源为发光二极管，受光器为光敏三极管
24、。在本设计当中我们 采用光电耦合器组成开关电路的作用，能够很好地将单片机信号稳定地送给继 电器驱动继电器闭合。 继电器是具有隔离功能的自动开关元件，在我们设计当中主要来做自动控 制作用，我们采用+5V 的直流电来控制 220V 的交流电，以达到控制水泵的作 用，因为是在这里是以一种弱电来控制强电所以安装和使用的过程当中我们一 定要注意用电安全注意事项。 电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈 两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁 就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动 触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断
25、电后，电磁的吸力也随之消失，衔 铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触 点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于 继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断 开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点” 黄河科技学院课程设计 第 10 页 。 黄河科技学院课程设计 第 11 页 3 软件设计 3.1 系统总流程图 系统总流程图如图 3.1 所示： ( P 1 ) = # 0 0 H ? P 1 . 1 = 0 P 1 . 2 = 0 P 1 . 3 = 1 P 1 . 4 = 1 水泵
26、抽水 ， 红灯亮 P 1 . 1 = 1 P 1 . 4 = 0 P 1 . 3 = 1 P 1 . 2 = 1 水泵 停止 抽水 ， 黄 灯亮 P 1 . 1 = 1 P 1 . 2 、 P 1 . 3 、 P 1 . 4 同时变为 0 或 1 水泵停止抽水 ， 灯 闪烁 P 1 . 1 = 0 P 1 . 3 = 0 P 1 . 2 = 1 P 1 . 4 = 1 水泵抽水 ， 绿 灯亮 ( P 1 ) = # 0 3 H ? ( P 1 ) = # 0 2 H ? ( P 1 ) = # 0 1 H ? 延时 0 . 5 秒 初始化 开始 Y Y Y Y N N N 重新扫描 重 新 扫
27、 描 图 3.1 系统总流程图 3.2 系统总程序 系统总程序如下： 黄河科技学院课程设计 第 12 页 ORG 0000H LJMP START START: SETB P2.0 SETB P2.1 RESTART: MOV A,P2 ANL A,#00000011B CJNE A,#00H,LOOP1 ;在低水位之下，开启电动机，亮红灯 SETB P2.4 SETB P2.3 CLR P2.2 LJMP RESTART LOOP1: CJNE A,#01H,LOOP2 ；当超过低水位，并且未达到高水位时， ; 保持电动机转动，亮绿灯 SETB P2.4 SETB P2.2 CLR P2.3
28、 LJMP RESTART LOOP2: CJNE A,#02H,LOOP3 ; 系统故障（达到高水位，却没达到低水 ;位）红，黄，绿灯均闪烁 CLR P2.4 CLR P2.3 CLR P2.2 SETB P2.4 SETB P2.3 SETB P2.2 LJMP RESTART LOOP3: CJNE A,#03H,RESTART ;当达到高水位时，停止电动机，亮黄 ;灯 SETB P2.3 黄河科技学院课程设计 第 13 页 SETB P2.2 CLR P2.4 LJMP RESTART RET END 黄河科技学院课程设计 第 14 页 4 总结 做了这次单片机课程设计，我有了很多体会
29、和感想。单片机设计十分有意 义而且很重要。我们在课堂上掌握的仅仅是专业课的理论知识，课程设计能让 我们去锻炼我们的实践能力，把我们所学的专业基础课理论知识运用到实践中 去，单片机课程设计就为我们提供了良好的学习和实践平台。 通过这次单片机课程设计，让我对单片机更加喜爱，也对单片机有了更深 的了解和认识，我们在课堂上掌握的仅仅是专业课的理论知识，课程设计能让 我们去锻炼我们的能力，不仅仅是单片机课程设计，对于今后的学习生活也具 有很大的启发和帮助。 由于自身缺少在实践设计的经验，所以在这次的设计中我自身也发现了很 多不足的方面，从论文的本身的方面的结构到具体设计中硬件设计知识和经验 的不足使得设
30、计和论文存在的很多的问题，但是我的导师牛月兰老师的细心指 导下，经过前后多次的修改和完善，最终完成了课程设计的任务。单片机控制 技术领域是一个有着非常潜力和前景的专业技术，我相信通过这次课程设计， 不仅加深和掌握了这一专业技术，而且也提高了自己的专业能力和综合素质， 为我的大学生涯画下一个完整的句号。 黄河科技学院课程设计 第 15 页 致 谢 感谢牛月兰导师的细心指导，同学们的意见和建议，感谢在论文方面的帮 助，祝愿我们越走越远！由于自身缺少在实践设计的经验，所以在这次的设计 中我自身也发现了很多不足的方面，从论文的本身的方面的结构到具体设计中 硬件设计知识和经验的不足使得设计和论文存在的很
31、多的问题，但是我的导师 牛月兰老师的细心指导下，经过前后多次的修改和完善，最终完成了课程设计 的任务。再次感谢帮助过我的人。 黄河科技学院课程设计 第 16 页 参考文献 1 胡汉才，单片机原理及其接口技术（M)，清华大学出版社， 1996. 2 张毅刚，单片机原理与应用（M）.北京高等教育出版社，2004. 3 陈有卿，谢刚 .新颖电子模块应用手册(M).机械工业出版社，2003. 4 姚勇，李忠勤 .水箱水位的模拟控制装置(J).煤炭技术，2004. 5 陈粤初.单片机应用系统设计与实践(M).北京航空航天大学出版社，1991. 黄河科技学院课程设计 第 17 页 附 录 总电路原理图所示：
