【正文】 Level Control System Based on SCM Abstract With the improvement of people39。 water level’s examination。在現(xiàn)代社會中，水位和溫度控制不僅應(yīng)用在工廠生產(chǎn)方面，其作用也體現(xiàn)到了生活的各個方面。尤其是用單片機(jī)控制器改造落后的設(shè)備具有性價比高、提高設(shè)備的使用壽命、提高設(shè)備的自動化程度的特點。 因此，水溫水位控制在改善人 們生活質(zhì)量中起到了非常重要的作用。 早期溫度和水位的參數(shù)控制時通過模擬電路實現(xiàn)的，這種方式不僅電路復(fù)雜，成本高，而且誤差大，系統(tǒng)的穩(wěn)定性不好，單片機(jī)及微型計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用有效地解決了這些缺點，特別是傳感器的發(fā)展，更好的提高了檢測參數(shù)的精度。 電熱水器發(fā)展現(xiàn)狀 經(jīng)過 20 多年的發(fā)展，整個熱水器行業(yè)已經(jīng)從最初的小而少發(fā)展到現(xiàn)在的大而多，產(chǎn)品類型也隨著技術(shù)不斷成熟，由最初的燃?xì)鉄崴鳘?dú)領(lǐng)風(fēng)騷發(fā)展到今天的燃?xì)馐?、電熱式、太陽能、空氣源熱泵等多種類型。目前，創(chuàng)新、安全、節(jié)能、張 勝 ： 基于單片機(jī)的電熱水器水溫水位控制系統(tǒng)設(shè)計 2 高效已成為熱水器行業(yè)間競爭的焦點及發(fā)展趨勢。目前， %的居民家庭表示要在未來 5年中購買或更換熱水器。據(jù)國務(wù)院發(fā)展研究中心市場經(jīng)濟(jì)研究所推出的“中國城市熱水器市場研究咨詢報告”顯示，未來三年，我國熱水器市場將繼續(xù)保持平穩(wěn)發(fā)展的態(tài)勢，年增長保持在 6%左右。因此燃?xì)鉄崴魇且环N人命關(guān)天的特殊產(chǎn)品，即使有百分之一的疏忽，帶給用戶的危險將是百分之百。該中心預(yù)計，在城市電網(wǎng)更大范圍改造和城市住房市場大規(guī)模啟動的帶動下，今后幾年我國電熱水器市場將呈現(xiàn)強(qiáng)勁增長勢頭。而市場上傳統(tǒng)的機(jī)械式電熱水器控制功能不完善，而且精度低、可靠性差，生活質(zhì)量的提高使得消費(fèi)者對電熱水器功能提出延伸至全新的概念層面。隨著現(xiàn)在各種安全技術(shù)在電熱水器設(shè)計中的普遍應(yīng)用，用電環(huán)境的日益規(guī)范，以及國家對電熱水器實行強(qiáng)制認(rèn)證，安全技術(shù)已經(jīng)成為衡量電熱水器的重要標(biāo)準(zhǔn)。 此外，隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，無線遠(yuǎn)程控制也將是新一代電熱 水器的發(fā)展北京交通大學(xué)海濱學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 方向，用戶可以通過任何一部雙音頻固定電話或手機(jī)遙控?zé)崴鞯拈_ /關(guān)、溫度設(shè)定等，并可查詢熱水器的工作狀態(tài)。在現(xiàn)如今眾多的控制手段中，要滿足低價格、高性能、尤其是智能化的要求，采用典型的嵌入式控制系統(tǒng) —— 單片機(jī)為核心的控制器應(yīng)為首選。以 80C51 單片機(jī)為核心配合傳感器、顯示器件、繼電器、電加熱器、報警器等外圍器件，采集熱水器儲水 箱中的水位、水溫信號，通過控制電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)、電加熱器加熱來控制儲水器的水位、溫度。采集熱水器儲水箱中水位和水溫信號，并完成水位和水溫的顯示，以及缺水報警系統(tǒng)。根據(jù)水位情況進(jìn)行手動和自動上水控制。水位至預(yù)置水位后繼電器關(guān)閉，停止上水；當(dāng)水溫低于設(shè)定最低溫度時，加熱繼電器工作，當(dāng)溫度加熱高于設(shè)定最高溫度的時候繼電器停止工作。 圖 子系統(tǒng)工作原理 溫度控制系統(tǒng) 該子系統(tǒng)利用低功耗單線數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 實現(xiàn)溫度采樣，將采樣的溫度值通過單片機(jī)的 口送入單片機(jī)處理，然后實現(xiàn)水溫的控制 ,利用按鍵對水溫的值進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)溫度高于上限或者低于下限后蜂鳴器報警，使之保持溫度在一定范圍內(nèi)的穩(wěn)定。 水位控制系統(tǒng) 該子系統(tǒng)能進(jìn)行水位的控制，利用自制的 3根導(dǎo)線對水位的信息進(jìn)行采集，并通過單片機(jī)的 P2口送入給單片機(jī)處理加工 ，通過發(fā)光二極管顯示器顯示，共有 3個水位擋，沒水或者系統(tǒng)出錯后，蜂鳴器都報警，使系統(tǒng)的水位保持在一定的范圍內(nèi)。 實驗證明，純凈水幾乎是不導(dǎo)電的，但自然界存在的以及人們?nèi)粘Ｊ褂玫乃紩幸欢ǖ?Mg2+、 Ca2+等離子，它們的存在使水導(dǎo)電。 當(dāng)水位未達(dá)到 a 時，即 ha 時、這時傳感器的總阻值 R 為 3R，對應(yīng)，系統(tǒng)處于缺水狀態(tài)。 當(dāng) bhc 時，傳感器電阻阻值 R 為 R，對應(yīng)，系統(tǒng)處于 50%水位。 其中，環(huán)形振蕩器產(chǎn)生的方波周期 T（或 f）可通過單片機(jī)的兩個定時 /計數(shù)器（ T0、T1）來確定， T1 用來計數(shù)， T0 用來定時。 設(shè)計方案 系統(tǒng)設(shè)計方案的選擇 方案一： PIC16C72 單片機(jī)為控制器件的智能電熱水器 PIC16C72 是美國微芯(Microchip)公司推出的 8/11 位單片機(jī)，采用寬字節(jié)單周期指令，哈佛雙總線和 RISC 結(jié)構(gòu)，其數(shù)據(jù)吞吐量最高可達(dá) 6MIPS，這幾乎是其它大多數(shù) 8 位微控制器速度的 4倍 128 腳封裝的 PIC16C72 單片機(jī)內(nèi)集成了以下主要功能： 2KB 片內(nèi) ROM 程序存儲器， 128KB 數(shù)據(jù)存儲器； 22 位 I/O線； 5 路 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器， 2 個 8 位， 1 個 16 位多功能計數(shù)器 /定時器， 1個捕捉 /比較 /脈寬調(diào)制 (CCP)部件。對可能用到的 W寄存器和 STATUS 寄存器內(nèi)容進(jìn)行現(xiàn)場保護(hù) 1 然后在中斷服務(wù)程序中對馬達(dá)，繼電器進(jìn)行控制 1漏電檢測報警在中斷里給出，而每 50ms 進(jìn)入一次中斷，所以發(fā)生漏電時最多 50ms即可切斷電源 1入口→中斷保護(hù)→控制馬達(dá)→控制繼電器如果用直流對電機(jī)進(jìn)行控制，其轉(zhuǎn)速太快，過調(diào)量太大，容易引起震蕩。也可以按照如下方法計算，再增加 25%~30%的備用量，以便隨時增加用戶程序。另一種方法是估算法 ，只有開關(guān)量時，所需內(nèi)存總數(shù) =開關(guān)量（輸入 /輸出）總數(shù) *10；只有模擬量輸入時，所需內(nèi)存總數(shù) =模擬量路數(shù) *120。 系統(tǒng)控制框圖如下： 圖 這種設(shè)計方法，需要使用節(jié)點數(shù)來計算一些數(shù)據(jù)比較繁瑣。 PLC 電源 16 點輸入 16 點輸出 主機(jī) 自 自 溫 溫 消 手 手 自 動 動 度 度 音 動 動 動 / 總 開 開 按 加 上 總 手 開 關(guān) 關(guān) 鈕 熱 水 停 動 選 擇 排 供 報 除 水 水 警 塵 閥 閥 器 器 繼電器 除塵電機(jī) 北京交通大學(xué)海濱學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 方案三：單片機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、控制能力強(qiáng)、可靠性高、體積小、價格低等優(yōu)點，在許多行業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用 .通過三 極管的導(dǎo)通截止特性來判斷液位的位置，并且可以通過按鍵切換檢測壓力。而且僅顯示單元就占用了 12 個 I/O 口，同樣屬于資源浪費(fèi)。而且，既然是熱水器的自動控制裝置，那么必不可少的就是溫度的檢測，而其他方案中卻忽略了這點，造成了最大的殘缺?？梢圆捎每删幊绦蚩刂破?PLC，各種單片機(jī)來實現(xiàn)。除此之外單片機(jī)的外圍電路也非常的簡單 ,系統(tǒng)緊湊 ,對于這種小規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng) ,單片機(jī)具備了最佳的價格和最簡單的電路。 單片機(jī)的選擇 方案一：采 用 AT89C2051 芯片，它具有體積小、功耗小。但 IO口數(shù)和存儲空間相對較少，所以此芯片不利于系統(tǒng)的工作和系統(tǒng)功能的擴(kuò)展。 方案三：采用 80C51 芯片，它具有 AT89C2051 和 AT89C51 芯片的所有功能，且 IO 口數(shù)非常多，比 AT89C2051 和 AT89C51 多，價錢雖然比 AT89C2051 和 AT89C51 昂貴，但存儲空間非常大，可以到達(dá) 8K。 各部件控制系統(tǒng)方案 溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計方案討論 如果采用熱電阻，電路需接 A/D 轉(zhuǎn)換電路，由單片機(jī)換算出實際溫度，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且也精度不高， DS18B20 可直接與單片機(jī)的 1位 I/O 相接，電路結(jié)構(gòu)簡單，占用單片機(jī)的口線資源少，精度高，而且成本低， DS18B20 以其各方面優(yōu)點作為溫度傳感器進(jìn)行溫度采樣應(yīng)用于此水溫水位控制系統(tǒng)中實在是當(dāng)仁不讓。 數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)的設(shè)計方案討論 為了能構(gòu)造一個適合的人機(jī)界面，在諸多的顯示器件中數(shù)碼管的液晶字符性顯示器非常適合運(yùn)用于此控制系統(tǒng)當(dāng)中的，它的功能特性也完全適 用于此設(shè)計系統(tǒng)的功能要求，也不會造成資源的浪費(fèi)，所以就確定數(shù)碼管作為本此設(shè)計系統(tǒng)的顯示器件。 北京交通大學(xué)海濱學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 系統(tǒng)總體設(shè)計 本課題是基于 80C51 單片機(jī)的智能電熱水器的控制器的設(shè)計，要達(dá)到的控制要求有：（ 1）用 4位數(shù)碼管顯示水溫， 4位數(shù)碼管顯示預(yù)設(shè)溫度。 2℃。（ 4）電源開啟后，根據(jù)上次設(shè)定的溫度（ 220V 總電源不能關(guān)閉）自動進(jìn)入工作狀態(tài)。溫度 +鍵：每按一次該鍵，預(yù)設(shè)溫度加 1℃，長按該鍵（時間超過 1 秒以上），預(yù)設(shè)溫度快速增加，當(dāng)預(yù)設(shè)溫度加到 38℃時，按該鍵不起作用。（ 5）設(shè)置 5個面板指示燈。加水指示燈（繼電器旁的綠），加熱指示燈（繼電器旁的紅）：加熱元件工作時，該指示燈被點亮。（ 6）報警設(shè)置。低溫報警：當(dāng)檢測溫度低于 0℃時，自動報警。漏電報警：當(dāng)熱水器發(fā)生漏電情況時，自動報警。 本系統(tǒng)需要完成的控制系統(tǒng)技術(shù)性能大致總結(jié)如下： （ 1） 使用電源 220V AC,功耗小于 5W。 （ 3） 水位分檔顯示，分三檔：低，中，高。 （ 5） 缺水報警：出現(xiàn)缺水狀態(tài)時，蜂鳴報警，缺水指示燈亮。 為了使設(shè)計具有高可靠性，與實際運(yùn)用的緊密結(jié)合性，從經(jīng)濟(jì)、實用的角度出發(fā)，我們對熱水器自動控制系統(tǒng)進(jìn)行精心的設(shè)計，在設(shè)計過程中，我們綜合多方面的知識進(jìn)行分析。 （ 2） 晶振采用 12MHZ。 單 片 機(jī) 復(fù)位電路 按鍵電路 報警電路 時鐘振蕩 加水裝置 溫度傳感器 水位傳感器 LED 顯示 蜂鳴器報警 北京交通大學(xué)海濱學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 各單元電路設(shè)計 控制單元設(shè)計 80C51 芯片有 40 個引腳， 4k bytes flash 片內(nèi)程序存儲器， 128 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（ ram）， 32 個外部雙向輸入 /輸出（ i/o）口， 5 個中斷優(yōu)先級 2層中斷嵌套中斷， 2個 16 位可編程定時計數(shù)器 ,2 個全雙工串行通信口，看門狗 （ wdt）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。該器件采用 Atmel 公司的高密度非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，其指令與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 80C51 指令集兼容。通過把通用的 8位 CPU 與可在線下載的 Flash 集成在一個芯片上， 80C51 便成為一個高效的微型計算機(jī)。其結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示?？臻e模式下， cpu 暫停工作，而 ram 定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而 保存 ram的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。 主要功能特性： 4k可反復(fù)擦寫 (1000 次） isp flash rom 工作電壓 時鐘頻率 033mhz 128x8bit 內(nèi)部 ram 低功耗空閑和省電模式 3級加密位 軟件設(shè)置空閑和省電功能 雙數(shù)據(jù)寄存器指針 引腳功能介紹 按照功能， 80C51 的引腳可分為主電源、外接晶體振蕩或振蕩器、多功能 I/O 口、控制和復(fù)位等。每根線可以單獨(dú)用作輸入或輸出。在作為輸出口時，每根引腳可以帶動 8個 TTL輸入負(fù)載。當(dāng)對外部程序或數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時， P0 可用作多路復(fù)用的低字節(jié)地址 /數(shù)據(jù)總線，在該模式，P0 口擁有內(nèi)部上拉電阻。 ② P1 端口，該口是帶有內(nèi)部上拉 電阻的 8位雙向 I/O端口， P1 口的輸出緩沖器可驅(qū)動（吸收或輸出電流方式） 4 個 TTL 輸入。 P1 口作輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流。 另外， 與 可以配置成定時 /計數(shù)器 2的外部計數(shù)輸入端（ ）與定時/計數(shù)器 2的觸發(fā)輸入端（ ），如表 所示。對端口寫 “1” 時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，此時可用作輸入口。 在訪問外部程序存儲器或 16 位的外部數(shù)據(jù)存儲器時， P2口送出高 8 位地址，在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時， P2口引腳上的內(nèi)容（就是專用寄存器（ SFR）區(qū)中 P2 寄存器的內(nèi)容），在整個訪問期間不會改變。 ④ P3端口，該口是帶有內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O 端口， P3 口的輸出緩沖器可驅(qū)動（吸收或輸出電流方式） 4 個 TTL 輸入。 P3 口作輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外 部信號拉低的引腳會輸出一個電流。在對 Flash 編程和程序校驗期間， P3 口還接收一些控制信號。在振蕩器運(yùn)行時，在此腳上出現(xiàn)兩個機(jī)器周期的高電平將使其單片機(jī)復(fù)位。在 SFR AUXR（地址 8EH）寄存器中的 DISRTO 位可以用于屏蔽這種功能。 。在對 Flash 存儲器編程時，這條引腳用于輸入編程脈沖 PROG。但是，在對外部數(shù)據(jù)存儲器每次存取中，會跳過一個 ALE 脈沖。在單片機(jī)處于外部執(zhí)行方式時，對 ALE 屏蔽位置 “1” 并不起作用。它用于讀外部程序存儲器。在對外部數(shù)據(jù)存儲器的每次存取中， PSEN 的 2次激活會被跳過。為了確保單片機(jī)從地址為 0000H～ FFFFH 的外部程序