【正文】 .......................................................... 30 致謝 ...................................................................................................................... 31 參考文獻(xiàn) .............................................................................................................. 32 附件一 .................................................................................................................. 33 武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 說明書 1 第一章 緒論 供水是一個關(guān)系國計(jì)民生的重要產(chǎn)業(yè) [1] 。而水位的自動控制和監(jiān)測和 水塔是在日常生活和工業(yè)應(yīng)用中經(jīng)常見到的蓄水裝置，通過對其水位的控制對外供水以滿足需要，其水位控制具有普遍性。 由于單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)與指令系統(tǒng)都是按工業(yè)控制要 求設(shè)計(jì)的 ,常用于工業(yè)的檢測和控制當(dāng)中 ,因而也稱為是微控制器或嵌入式控制器 ，它的出現(xiàn)使眾多自動化控制系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)。因此，本文對基于單片機(jī)的水塔水位控制器的研究有著重要的意義。在水塔中的水位到達(dá)水位下限時自動啟動電機(jī)，給水塔供水；在水塔水位達(dá)到正常水位的時候自動關(guān)閉電機(jī)，停止供水。 在當(dāng) 今 社會經(jīng)濟(jì)高速增長的同時，水在人們的生活、生產(chǎn)中起著重要的作用。因此，對供水系統(tǒng)的控制顯得十分重要。而自動控制則不需要工作人員的時刻監(jiān)控，水塔控制系統(tǒng)能自動地調(diào)節(jié)水塔中的水位以保持恒定，以滿足人們生活中用水 需求 [3]。它主要是建立自記水位計(jì)，實(shí)現(xiàn)水位自動采集、存儲、遠(yuǎn)傳。 隨著近代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和新材料新器件的開發(fā)，采用傳感器研制水位計(jì)近年來有較大發(fā)展。超聲波武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 說明書 2 式水位計(jì)是將換能器 向水面發(fā)射超聲波，測量超聲波傳播時間，計(jì)算出水位。固態(tài)壓力傳感器由于其靈敏度高、體積小、壽命長、且有抗腐蝕性而受到重視，但由于半導(dǎo)體傳感器受溫度影響大等原因，使其實(shí)用 性受到 限制。接觸式水位計(jì)使用機(jī)電的方法用探頭跟蹤井內(nèi)水面高低變化測量水位，已在少數(shù)領(lǐng)域使用，浮子式水位計(jì)，利用水球（或其它浮子） 作敏感器件，避免了溫度、濕 度等因素的影晌，性能穩(wěn)定，工作可靠，因而得到長期使用和發(fā)展。單片機(jī)的特點(diǎn)是體積小、集成度高、重量輕、抗干擾能力強(qiáng)，對環(huán)境要求不高，價格低廉，可靠性高，靈活性好，開發(fā)較為 容易 [6]。在我國，單片機(jī)已被廣泛地應(yīng)用在工業(yè)自動化控 制 [7]、自動檢測、智能儀 表 [8]、智能化家用電器、航空航天系統(tǒng)和和國防軍事、尖端武器等各個方面。特別是當(dāng)前用 CMOS 工藝制成的各種單片機(jī)，由于功耗低，使用的溫度范圍大，抗干擾能力強(qiáng)、能滿足一些特殊要求的應(yīng)用場合，更加擴(kuò)大了單片機(jī)的應(yīng)用范圍，也進(jìn)一步促使單片機(jī)性能的發(fā)展。雖然單片機(jī)的引入使控制系統(tǒng)大大 “ 軟化 ” ， 但與其它計(jì)算機(jī)應(yīng)用問題相比，單片機(jī)控制應(yīng)用中的硬件內(nèi)容仍然較多，所以說單片機(jī)控制應(yīng)用有軟硬件相結(jié)合的特點(diǎn)。更重要的意義是單片機(jī)的應(yīng)用改變了控制系統(tǒng)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和方法。這種以軟件結(jié)合硬件或取代硬件并能提高系統(tǒng)性能的控制技術(shù)稱為微控制技術(shù)。 PLC 即可編程序控制器，是一個以微處理器為核心的數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)裝置，專為在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用而設(shè)計(jì)，它采用執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時 /計(jì)數(shù)和算術(shù) 運(yùn)算等各類操作指令，并通過數(shù)字式或模擬式的輸入、輸出接口，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?；?PLC 的 水塔水位控制系統(tǒng)是以 PLC 為 核心 ，對水塔水位自動控制系統(tǒng)的功能進(jìn)行性進(jìn)行需求分析。主要實(shí)現(xiàn)方法是通過傳感器檢測水塔水位的實(shí)際水位，將水位具體信息傳至 PLC構(gòu)成的控制模塊，經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后，進(jìn)行數(shù)據(jù)比較，來控制抽水電機(jī)的動作，同時進(jìn)行數(shù)據(jù)還原，顯示水位具體信息，如果水位低于或高于某個設(shè)定值 時 ，就會發(fā)出危險報警的信號。 基于單片機(jī) 的水塔水位控制 系統(tǒng)最應(yīng) 解決的 是 液位傳感器 問題。 電阻式 傳感器 如圖 11 中虛線表示允許水位變化的上、下限。為此 ，在水塔內(nèi)的不同高度安裝 3 根金屬棒，以感知水位變化情況。 C 棒處于上限水位， B 棒在上、下水位之間。供水時，水位上升，當(dāng)達(dá)到上限時，由于水的導(dǎo)電作用， B、 C 棒連通 + 5V。當(dāng)水位降到下限時， B、 C 棒都不能與 A 棒導(dǎo)電，因此， b、 c 兩端均為 0 狀態(tài)． 這時應(yīng)啟動電動機(jī)，帶動水泵工作，給水塔供水。 即實(shí)現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換 。在設(shè)計(jì)中，可以通過采樣、保持電路對這一信號進(jìn)行處理，將模擬信號轉(zhuǎn)換為多個采樣點(diǎn)信號。通常，由于受檢測點(diǎn)物理體積的影響，水位檢測點(diǎn)的數(shù)目有限，從而影響了后續(xù)電路控制的精度。其原理是通過壓阻式壓力傳感器，武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 說明書 4 把與液位深度成正比的液體靜壓力準(zhǔn)確測量出來，并經(jīng)放大電路轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)電流 ( 或電壓 ) 信號輸出，建立起輸出電信號與液體深度的線性對應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對液體深的測量。 (2) 安裝方便，僅需將投入式液位變送器探頭投入液體中，引出信號線同二次儀表連接就可進(jìn)行液位測量。 超聲波 水位傳感器 能測量自身到水面之間的距離 ， 由超聲波發(fā)送電路和超聲波接收電路組成。 電阻 R1 和 R2 作為上拉電阻作用有兩個： 第一是提高反向器輸出高電平的驅(qū)動能力 ； 第二是增加超聲波發(fā)射管 T 的阻尼系數(shù)，縮短自由振蕩的時間。 當(dāng)系統(tǒng)工作時 ， 由單片機(jī) 的一個 端口發(fā)出的 40KHZ 的方 波信號經(jīng)過驅(qū)動電路使超聲波發(fā)射器 T 發(fā)出一定強(qiáng)度的超聲波信號 ， 當(dāng)超聲波信號遇到障礙物時就會被反射回來 ， 反射回來的超聲波信號被超聲波接收器 R 所接收 ， 接收到的信號經(jīng)過信號處理電路的處理送入到單片機(jī)的 另一個 端口 ， 單片機(jī)根據(jù)發(fā)送與接收的時間差計(jì)算出傳感器到水面的距離 X， 再由安裝時傳感器到水塔底部的距離 H(已知值 ),計(jì)算出當(dāng)前水的剩余量 h=HX。在實(shí)際 中， 水塔水位自動控制電路是通過水位傳感器對 水位進(jìn)行采樣 ，將 采樣信號 的水位高度轉(zhuǎn)換為 0～ 5 V 的直流電壓，再經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換 [12]后，將轉(zhuǎn)換所得的 8 路并行數(shù)字量送入單片機(jī)進(jìn)行處理來來 驅(qū)動電機(jī)的啟停 等 。通過對電壓和水位的轉(zhuǎn)換關(guān)系，最終利用單片機(jī)進(jìn)行精確的控制，實(shí)現(xiàn)對水位高度的顯示、主 /備電機(jī)和報警裝置等的控制。 因 此 ，可以用按鈕來代替水塔的液位傳感器。在本設(shè)計(jì)中軟件主要有五個方面的應(yīng)用，它們分別為： 聲光報警 程序、 時鐘顯示程序、水位 顯示程序 、 鍵盤控制和 電機(jī) 控制 程序 等 。 武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 說明書 7 第二章 水塔 水位 控制硬件設(shè)計(jì) 基本 要求 由于 需要 基于 單片機(jī)的水塔水位控制系統(tǒng) 進(jìn)行 仿真，而 Protues 中 沒有水塔水位的模型，因此可以用按鈕 來 控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)動，并用 LED 數(shù)碼管 來顯示水塔水位的高度。 與此同時， 還可以用 LED 數(shù)碼管 來及時顯示當(dāng)前時間。 它由 CD4511 驅(qū)動 的 LED 數(shù)碼管電路 、由 DS1302 驅(qū)動 數(shù)字時鐘顯示電路、電機(jī)驅(qū)動電路、 復(fù)位 電路、晶振電路、報警電路、指示電路等部分組成。 單片機(jī)是把中央處理單元、隨機(jī)存儲器、只讀存儲器、定時 /計(jì)數(shù)器以及 I/O 接口電路等主要部件集成在一塊半導(dǎo)體芯片上的微型計(jì)算機(jī)。 自從 1975 年美國德克薩斯公司推出世界第一個 4 位單片機(jī) TMS— 1000 型以來，單片機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，目前已成為微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的一個獨(dú)特分支，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、儀器儀表智能化和家用電子產(chǎn)品等各個控制領(lǐng)域。在生活和生產(chǎn)工作中 ， 單片機(jī)系統(tǒng)一般是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng) 的自動控制 。大部分單片機(jī)系統(tǒng)是用在工業(yè)和民用的實(shí)時控制中的，而這些控制都是在不停地工作，有很高的可靠性是控制系統(tǒng)最一般的要求，從而使 控制 系統(tǒng)有較長的平均無故障時間。 （ 2）高性價 比 在具有高可靠性的同時，在設(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)時，控制系統(tǒng)的性價比也是必須考慮。 能用軟件實(shí)現(xiàn)的功能就不要用硬件來做，盡量減少元器件的數(shù)量，以提高性價比。 設(shè)計(jì)時也要注意系統(tǒng)的維修方便，要使系統(tǒng)一旦發(fā)生了故障，維修人員能夠及時查出 原因，并能迅速排除故障。 89C51 芯片功能 及引腳介紹 89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除 只讀存儲器 （ FPEROM— Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能 CMOS8 位 微處理器 ，俗稱 單片機(jī) 。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。 89C51 單片機(jī)為很多 嵌入式控制系統(tǒng) 提供了一種靈活性高且價廉的方案。兩個 16 位 定時器 /計(jì)數(shù)器 、5 個 中斷源 、 可 編程 串行通道 等 。 1） . 電源 ： ⑴ VCC 芯片電源，接 +5V； ⑵ GND 接地端； 2） . 時鐘 ： XTAL XTAL2 晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端。 ① ALE 功能： 用來鎖存 P0 口送出的 低 8 位地址 。 ⑵ PSEN： 外 ROM 讀選通信號 。 武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 說明書 12 ⑷ EA/Vpp： 內(nèi)外 ROM 選擇 /片內(nèi) EPROM 編程電源。 ② Vpp 功能：片內(nèi)有 EPROM 的芯片，在 EPROM 編程期間，施加編程電源 Vpp。 CD4511 芯片功能 及引腳介紹 CD4511 是一片 CMOS BCD— 鎖存 /7 段譯碼 /驅(qū)動器， 具有 BCD 轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅(qū)動功能的 CMOS 電路能提供較大的拉電流 ， 可直接驅(qū)動共陰 LED 數(shù)碼管 。 LT 為燈測試端，加高電平時，顯示器正常顯示，加低電平時，顯示器一直顯示數(shù)碼 “8” ，各筆段都被點(diǎn)亮，以檢查顯示器是否有故障。另外 CD4511 有拒絕偽碼的特點(diǎn)，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)越過十進(jìn)制數(shù) 9(1001)時，顯示字形也自行消隱。 QA~QG 是 7段輸出，可驅(qū)動共陰 LED 數(shù)碼管 。所謂共陰 LED 數(shù)碼管是指 7 段 LED 的陰極是連在一起的，在應(yīng)用中應(yīng)接地。 DS1302 芯片功能 及引腳介紹 DS1302 是 美國 DALLAS 公司推出的一種高性能、低功耗、帶 RAM 的實(shí)時時鐘電路，它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進(jìn)行計(jì)時，具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓為 ～。 DS1302 內(nèi)部有一個 318 的用于臨時性存放數(shù)據(jù)的 RAM 寄存器 。 圖 24 DS1302 引腳圖 引腳 功能 （如圖 24 所示 ）： Vcc1： 主電 源 Vcc2： 后備電源 X X2： 振蕩源 RST： 復(fù)位 /片選線 武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 說明書 14 I/O： 串行數(shù)據(jù)輸入輸出端 (雙向 ) SCLK： 時鐘輸入端 電路 連接 （ 如圖 25 所示 ）： 圖 25 DS1302 芯片 的 電路連接 LED 數(shù)碼管顯示 LED 數(shù)碼管（ LED Segment Displays）由多個 發(fā)光二極管 封裝在一起組成 “ 8” 字型的器件，引線已在內(nèi)部連接完成，只需引出它們的各個筆劃，公共電極 （ 數(shù)碼管實(shí)際上是由七個發(fā)光管組成 8 字形構(gòu)成的， 加上 小數(shù)點(diǎn)就是 8 個 ） 。 LED 數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動電路來驅(qū)動數(shù)碼管的各個段碼，從而顯示出我們要的數(shù)字，因此根據(jù) LED 數(shù)碼管的驅(qū)動方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類。 LED 數(shù)碼管的形狀以及共陰極共陽極電路如 圖 26 所示 : 圖 26 LED 數(shù)碼管共 陽 極 和 共 陰 極電路 對水塔 水位顯示， 本設(shè)計(jì) 是通過 CD4511 來 驅(qū)動共陰極 數(shù)碼管， 將 CD4511 的 A、 B、C、 D 端分別和 89C51 的 P3 口的低 4 位 相連 ， A 是最低位 D 是最高位。 通過 A、 B、 C、 D 的 BCD 碼來驅(qū)動數(shù)碼管的顯示， 如 圖 27 所示： 武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 說明書 16 圖 27 CD4511 驅(qū)動 的數(shù)碼管 對 數(shù)字 時鐘 的顯示， 本設(shè)計(jì) 是通過 DS1302 來驅(qū)動 八個數(shù)碼管， 將 數(shù)碼管的 “ a， b，c， d， e， f， g， dp” 分別 和 89C51 的 P0 口 相連 ， 再 將數(shù)碼管的 “ 1， 2， 3， 4， 5， 6， 7，8” 端口 分別和 89C51 的 P2 口 相連， 當(dāng) 系統(tǒng)一運(yùn)行時， DS1302 能