【正文】 單片機(jī)原理及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 1 1 引言 設(shè)計(jì)目的 在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，常常需要測(cè)量液體液位。隨著國(guó)家工業(yè)的迅速發(fā)展，液位測(cè)量技術(shù)被廣泛應(yīng)用到石油、化工、醫(yī)藥、食品等各行各業(yè)中。低溫液體（液氧、液氮、液氬、液化天然氣及液體二氧化碳等）得到廣泛的應(yīng)用，作為貯存低溫液體的容器要保證能承受其載荷；在發(fā)電廠、煉鋼廠中，保持正常的鍋爐汽包水位、除氧器水位、汽輪機(jī)凝氣器水位、高、低壓加熱器水位等，是設(shè)備安全運(yùn)行的保證，因此一個(gè)安全合適的水位系統(tǒng)是很必要的。 設(shè)計(jì)要求 利用單片機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)水位控制系統(tǒng)，要求用開(kāi)關(guān)來(lái)模擬水位的狀態(tài)，當(dāng)設(shè)定完水位 后，系統(tǒng)根據(jù)水位情況控制電磁閥的開(kāi)啟和關(guān)斷。具體要求如下： 設(shè)計(jì)單片機(jī)工作系統(tǒng)電路。 通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)置其預(yù)定水位，根據(jù)水位不同控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)。 利用 Proteus進(jìn)行仿真。 設(shè)計(jì)方法 本設(shè)計(jì)是采用 AT89C51單片機(jī)為核心芯片 ,及其相關(guān)硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)的水體液位控制系統(tǒng) ,采用八個(gè)鍵盤(pán)來(lái)模擬水位 , CPU循環(huán)檢鍵盤(pán)輸入狀態(tài) ,并用 3位七段 LED顯示示液位高度 ,檢測(cè)液位數(shù)據(jù) ,實(shí)施報(bào)警安全提示 ,當(dāng)水體液位低于用戶(hù)設(shè)定的值時(shí) ,系統(tǒng)自動(dòng)打開(kāi)泵上水 ,當(dāng)水位到達(dá)設(shè)定值時(shí) ,系統(tǒng)自動(dòng)打開(kāi)排水泵。 2 設(shè)計(jì)方法和原理 水塔水位的控制原理 單片機(jī)水塔水位控制原理如圖 l所示，圖中的虛線(xiàn)表示允許水位變化的上、下限位置。在正常情況下．水位應(yīng)控制在虛線(xiàn)范圍之內(nèi)。為此，在水塔內(nèi)的不同高度處，安裝固定不變的 3根金屬棒 A、 B、 C。用以反映水位變化的情況。其中， A棒在下限水位． B棒在上、下限水位之間， C棒在上限水位 (底端靠近水池底部．不能過(guò)低，要保證有足夠大的流水量 )。水塔由電機(jī)帶動(dòng)水泵供水。單片機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，隨著供水，水位不斷上升．當(dāng)水位上升到上限水位時(shí)，由于水的導(dǎo)電作用。使 B、 C棒均與+5 V連通。因此 B、 C兩端的電壓都為 +5 V，即為“ l”狀態(tài)，此時(shí)應(yīng)停止電機(jī)和水泵工作，不再向水塔注水；隨著水量的減少，當(dāng)水位處于上、下限之間時(shí)。 B棒和 A棒導(dǎo)通．而 C棒不能與 A棒導(dǎo)通， B端為“ 1”狀態(tài)。 C端為“ 0”狀態(tài)。此時(shí)電機(jī)帶動(dòng)水泵給水塔注水，使水位上升，或是電機(jī)不工作，水位不斷下降，都應(yīng)繼續(xù)維持原有工作狀態(tài)；當(dāng)水位處于下限位置以下時(shí)， B、 C棒均不能與 A棒導(dǎo)通， B、 C均為“ 0”狀態(tài)。此時(shí)應(yīng)啟動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)水泵給水塔注水，然后重復(fù)原來(lái)的過(guò)程，這就是單片機(jī)原理及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 2 簡(jiǎn)單的水位控制原理。 5 VABCR 1R 2 圖 1 水位控 制原理 總體設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)的原理是采用 8 個(gè) 按鈕進(jìn)行水位檢測(cè) ， 在現(xiàn)場(chǎng)的 3 個(gè)不同的位置，由下至上 測(cè)量水體的液位值 。并把這八個(gè)液位狀態(tài)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器傳到單片機(jī)中（在本系統(tǒng)中采用開(kāi)關(guān)的打開(kāi)與閉合來(lái)模擬） ,在通過(guò) 3 位七段 LED 顯示器顯示出液位的八種狀態(tài) 并通過(guò) LED 燈報(bào)警提示 。當(dāng)水位過(guò)低（在 3 水位）時(shí)燈就會(huì)變亮，當(dāng)水位較高（在 7 水位時(shí)）等也會(huì)變亮，用來(lái)讓用戶(hù)察覺(jué)。在水位過(guò)高和過(guò)低時(shí)電磁閥都會(huì)自動(dòng)的抽水或排水，其具體的抽水和排水位置可以設(shè)定，此系統(tǒng)中采用的是 7 水位和 3 水位。 3 硬件設(shè)計(jì) 硬件設(shè)計(jì)方案 系 統(tǒng)方案設(shè)計(jì)液位控制是利用把液位的利用來(lái)管進(jìn)行模擬，再通過(guò) AT89C51 把輸出狀態(tài)直接接到單片機(jī)的 I/O 接口，單片機(jī)經(jīng)過(guò)運(yùn)算控制，輸出數(shù)字信號(hào)，輸出接口接 LED 進(jìn)行顯示 ,實(shí)現(xiàn)液位的報(bào)警和鍵盤(pán)的顯示與控制。 由下圖可觀察到水位由鍵盤(pán)控制輸入以后，通過(guò) AT89C51 單片機(jī)的運(yùn)算控制，在通過(guò) LED 進(jìn)行顯示 ,通過(guò)報(bào)警裝置進(jìn)行報(bào)警 ,報(bào)警顯示之后再通過(guò)對(duì)閥門(mén)的開(kāi)啟實(shí)現(xiàn)對(duì)水體的液位進(jìn)行調(diào)節(jié)控制 ,閥門(mén)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備是電動(dòng)機(jī)。 圖 2 即是液位控制系統(tǒng)。 單片機(jī)原理及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 3 單 片 機(jī) A T 8 9 C 5 1復(fù) 位 和 晶 振開(kāi) 關(guān) 模 擬 水 位數(shù) 碼 管 顯 示 水 位L E D 燈 亮電 機(jī) 轉(zhuǎn) 動(dòng) 圖 2 水位控制系統(tǒng)分 析 主芯片 AT89C51 本系統(tǒng)采 用 AT89C51 作為主要芯片， AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié) FLASH存儲(chǔ)器的低電壓、高性能 CMOS 8 位微處理器，俗稱(chēng)單片機(jī)。 單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除 1000 次。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。 由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中， ATMEL 的AT89C51 是一種高效微控制器。 AT89C51 單片機(jī)為很多嵌入式系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。 在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用 AT89C51 作為主要的芯片，它具有 P0、 P P P3四個(gè) I/O 口，每個(gè)口又有 8 個(gè)接口， 32 個(gè)接口可以滿(mǎn)足外接電路的需要，更方便的顯示系統(tǒng)。 本設(shè)計(jì)中采用了單片機(jī) AT89C51 的 P0、 P P3 口，分別完成了顯示和控制以及報(bào)警功能的實(shí)現(xiàn)。 下圖為單片機(jī) AT89C51 的引腳圖。 單片機(jī)原理及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 4 X T A L 218X T A L 119A L E30EA31P S E N29RS T9P 0 .0 /A D 039P 0 .1 /A D 138P 0 .2 /A D 237P 0 .3 /A D 336P 0 .4 /A D 435P 0 .5 /A D 534P 0 .6 /A D 633P 0 .7 /A D 732P 1 . 01P 1 . 12P 1 . 23P 1 . 34P 1 . 45P 1 . 56P 1 . 67P 1 . 78P 3 .0 /R X D10P 3 .1 /T X D11P 3 .2 /I NT 012P 3 .3 /I NT 113P 3 .4 /T 014P 3 .7 / R D17P 3 . 6 / W R16P 3 .5 /T 115P 2 .7 /A 1 528P 2 .0 / A 821P 2 .1 / A 922P 2 .2 /A 1 023P 2 .3 /A 1 124P 2 .4 /A 1 225P 2 .5 /A 1 326P 2 .6 /A 1 427U1A T 8 9 C5 1 圖 3 AT89C51 引腳圖 光報(bào)警及顯示電路 圖 4 所示為系統(tǒng)的光報(bào)警及顯示電路，三段 LED 數(shù)碼管于單片機(jī)的 P0P7 口相連，同時(shí)排阻的把根線(xiàn)也連在單片機(jī)的 P0 口上，作為上拉電阻。 2 3 4 5 6 7 8 91R P 1RE S P A C K 8D1L E D R E D 圖 4 光報(bào)警及顯示電路 單片機(jī)原理及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 5 鍵盤(pán)連接電路 鍵盤(pán)連接電路如圖 5 所示，八個(gè)鍵盤(pán) k1k8 分別與單片機(jī)的 p1 口的 p1p7 相連，這八個(gè)鍵盤(pán)的按下與否用來(lái)模擬的是水位的高低， k1 鍵代表水位最低點(diǎn)， k8 鍵代表的是水位最高點(diǎn)，當(dāng) k1 鍵按下時(shí)，指示燈亮，電機(jī)正轉(zhuǎn)，開(kāi)始加水，一直加水至水位 7（即 7 鍵按下時(shí)），電機(jī)開(kāi)始停止轉(zhuǎn)動(dòng)，并反向轉(zhuǎn)動(dòng)抽水，水位開(kāi)始降低，直至到達(dá) 3 水位，燈亮電機(jī)開(kāi)始自動(dòng)加水，加水水位可以由用戶(hù)自己設(shè)定，本系統(tǒng)中采取的是 3 水位便開(kāi)始加水， 7 水位開(kāi)始抽水。 本系統(tǒng)采用的是獨(dú)立式鍵盤(pán)結(jié)構(gòu)，每個(gè)按鍵單獨(dú)占用一根 I/O 口線(xiàn)，每個(gè)按鍵的 工作不會(huì)影響其它 I/O 口線(xiàn)的狀態(tài)。它軟件是采用查詢(xún)式結(jié)構(gòu)，首先逐位查詢(xún)每根 I/O 口線(xiàn)的輸入狀態(tài)，如某一根 I/O 口線(xiàn)輸入為低電平，則可確認(rèn)該 I/O 口線(xiàn)所對(duì)應(yīng)