下载文档原格式
1引言随着社会的发展，科技的进步以及人们生活水平的逐步提高，各种方便与生活的自动控制系统开始进入了我们的生活，单片机作为微型计算机发展的一个重要分支，具有高可靠性、高性能价格比、低电压、低功耗等优势，以其为核心的自动控制系统赢得了广泛的应用。
该课程设计的题目是基于单片机的水塔水位控制，在此水塔水位控制系统中，检测信号来自插入水中的4个金属棒，以感知水位变化情况。
工作正常情况下，应保持水位在某一范围内，当水位变化发生故障的时候，及时关断电机电源，发出声、光报警信号。
其目的在于对单片机技术的应用，由单片机实现自动运行，使水塔内水位始终保持在一定范围，以保证连续正常地供水。
该课程设计给出以AT89C51单片机为核心器件的水塔水位检测控制系统仿真设计，实现水位的检测控制、处理和报警等功能，并在Proteus软件环境下模拟仿真。
实验结果表明，该系统具有良好的检测控制功能，可移植性和扩展性好。
1 整体方案设计1.1整机工作原理通过水的导电性，在水位到与未到的差别形成鲜明的高低电平并利用单片机强大的数据处理能力对收到的数据进行解码、判断，做出相应的显示处理、驱动继电器打开或关闭相应的电子阀门。
1设计要求与任务设计要求：⑴利用单片机及扬声器、水位传感器等器件设计；⑵将探测到的水位变化信号转换为电压信号，经调理电路整形处理为TTL电平送入单片机；⑶单片机对送入的信号进行数据处理，在LED上进行水位显示，超出水位警戒线时发出报警提示。
原始数据：水位传感器；51单片机；蜂鸣器。
主要任务：⑴根据技术要求和现有开发环境，分析设计题目；⑵设计系统实现的方案；⑶设计并绘制电路原理图；⑷画出功能模块的程序流程图；⑸使用C语言编写实现程序；⑹结合硬件调试、修改并完善程序；⑺编写项目报告。
1.1 课题背景及研究意义分析：在工农业生产中，常常需要测量液体液位。
随着国家工业的迅速发展，液位测量技术被广泛应用到石油、化工、医药、食品等各行各业中。
单片机课程设计水塔水位一、课程目标知识目标：1. 理解单片机的基本原理，掌握其编程和应用方法；2. 了解水塔水位监测的原理，掌握水位检测传感器的工作原理和使用方法；3. 学会使用单片机对水位数据进行采集、处理和显示。
技能目标：1. 能够运用C语言编写单片机程序，实现对水塔水位的实时监测；2. 能够设计并搭建水位检测系统，进行实际操作和调试；3. 能够分析水位数据，提出并实现相应的控制策略。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对单片机及嵌入式系统的学习兴趣，提高其探究问题的积极性；2. 增强学生的团队合作意识，培养其相互协作、共同解决问题的能力；3. 培养学生的创新意识，使其能够运用所学知识解决实际问题，提高社会责任感。
课程性质分析：本课程为单片机实践课程，以项目为导向，注重理论联系实际，提高学生的动手能力。
学生特点分析：学生具备一定的单片机基础知识，但实践经验不足，对实际应用中存在的问题充满好奇心。
教学要求：1. 结合实际案例，引导学生掌握单片机及水位检测系统的理论知识；2. 注重实践操作，让学生在实际操作中掌握技能；3. 强化团队协作，培养学生的沟通能力和解决问题的能力；4. 鼓励创新，激发学生的思维潜能。
二、教学内容1. 理论知识：- 单片机原理及编程基础：复习单片机的工作原理、内部结构，掌握C语言编程方法；- 水位检测传感器原理：学习水位传感器的工作原理、种类及其应用；- 数据采集与处理：学习单片机与传感器接口设计，数据采集、处理和显示方法。
2. 实践操作：- 水位检测系统的设计与搭建：根据项目需求，设计水位检测系统，选用合适的传感器和单片机；- 程序编写与调试：编写水位监测程序，实现数据采集、处理和显示，并进行调试；- 控制策略实现：根据水位数据，设计并实现相应的控制策略。
3. 教学大纲安排：- 第一周：复习单片机原理及编程基础，学习水位检测传感器原理；- 第二周：设计水位检测系统，进行程序编写与调试；- 第三周：完善系统功能，实现控制策略，进行实践操作。
水塔水位单片机课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解单片机的基本工作原理，掌握其编程方法。
2. 学习并掌握水位传感器的使用，了解其工作原理和特性。
3. 学习并掌握水塔水位监测系统的设计方法和实现过程。
技能目标：1. 能够运用单片机进行简单的程序编写，实现水塔水位的监测与控制。
2. 能够独立操作水位传感器，进行数据采集和处理。
3. 能够结合实际需求，设计出符合要求的水塔水位监测系统。
情感态度价值观目标：1. 培养学生动手实践、解决问题的能力，增强其对单片机及传感器技术的兴趣。
2. 培养学生团队协作精神，提高沟通与交流能力。
3. 增强学生的环保意识，使其认识到水资源监测的重要性。
课程性质：本课程为实践性课程，结合理论知识与实际操作，培养学生动手能力。
学生特点：具备一定的单片机知识基础，对传感器技术有一定了解，喜欢动手实践。
教学要求：注重理论与实践相结合，鼓励学生自主探究，关注学生在实践过程中的问题解决能力和创新能力。
通过课程学习，使学生能够将所学知识应用于实际问题的解决中，提高其综合素质。
二、教学内容1. 单片机基础：复习单片机的基本原理，重点掌握I/O口编程、中断处理、定时器等基本功能。
教材章节：《单片机原理与应用》第1-3章。
2. 水位传感器原理与使用：学习水位传感器的工作原理、特性及接线方式。
教材章节：《传感器与检测技术》第5章。
3. 水塔水位监测系统设计：a. 系统需求分析：明确监测系统的功能需求，如水位范围设定、报警等。
b. 硬件设计：选择合适的单片机、传感器、执行器等，完成系统硬件电路设计。
c. 软件设计：编写单片机程序，实现水位监测、数据处理和报警等功能。
教材章节：《单片机原理与应用》第4章、第6章，《传感器与检测技术》第6章。
4. 实践操作：分组进行水塔水位监测系统的搭建和调试，包括硬件连接、程序下载、功能测试等。
5. 课程总结：对所学内容进行总结，分析系统设计的优缺点，探讨改进措施。
基于单片机的水位控制系统设计目录1概述 (3)2设计的基本任务和要求 (5)2.1基本功能 (5)2.2塔水位控制原理 (5)2.3系统硬件总体方案 (6)3控制系统方案设计 (6)3.1系统硬件方案 (6)3.2核心芯片 AT89C51 单片机 (7)3.3系统软件总体方案 (8)4.Proteus 设计与仿真 (10)4.1 元器件清单 (10)4.2 基于单片机水位控制原理图5 (11)4.3 基于单片机的水位控制PCB 图 6 (11)4.4 水位检测的主程序 (12)4.5 实验仿真结果 (16)4.6 结语 (16)5 设计体会 (17)参考文献 (18)1概述液位控制系统是以液位为被控参数的控制系统，它在工业生产的各个领域都有广泛的应用。
在工业生产过程中，有很多地方需要对容器内的介质进行液位控制，使之高精度地保持在给定的数值，如在建材行业中，玻璃窑炉液位的稳定对窑炉的使用寿命和产品的质量起着至关重要的作用。
液位控制一般指对某一液位进行控制调节，使其达到所要求的控制精度。
液体的液位的自动控制,是近年来新开发的一项新技术,它是微型计算机软件、硬件、自动控制等几项技术紧密结合的产物 ,工程作业采用的是微机控制和原有的仪表控制,微机控制有以下明显优势 :1)直观而集中的显示各运行参数,能显示液位状态。
2)在运行中可以随时方便的修改各种各样的运行参数的控制值,并修改系统的控制参数 ,可以方便的改变液位的上限、下限。
3)具有水体控制过程的自动化处理以及监控软件良好的人机界面，操作人员在监控计算机上能根据控制效果及时修运行参数，这样能有效地减少工人的疲劳和失误，提高生产过程的实时性、安全性综合以上的种种优点可以预见采用计算机控制系统是行业的大势所趋。
单片机是在一块芯片上集成了一片微型计算机所需的CPU、存储器、输入、输出等部件。
单片机自问世以来 ,性能不断提高和完善 ,体积小、速度快、功耗低的特点使它的应用领域日益广泛。
单片机课程设计水塔一、课程目标知识目标：1. 学生能理解单片机的基本原理，掌握其编程方法。
2. 学生能了解水塔的工作原理，明确单片机在水塔控制中的应用。
3. 学生能掌握水塔液位检测、水泵控制等相关知识。
技能目标：1. 学生能运用所学知识设计并实现一个简易的水塔控制系统。
2. 学生能通过编程实现对水塔液位的实时监测和自动控制。
3. 学生能提高动手实践能力，培养团队协作和问题解决能力。
情感态度价值观目标：1. 学生培养对单片机及电子技术的兴趣，激发创新精神。
2. 学生认识到单片机在工程实际中的应用价值，增强社会责任感。
3. 学生通过课程学习，培养严谨、求实的科学态度。
课程性质：本课程为实践性较强的单片机应用课程，结合水塔控制项目，让学生在实际操作中掌握单片机技术。
学生特点：学生处于初中年级，具有一定的物理知识和逻辑思维能力，对新技术和新事物充满好奇心。
教学要求：注重理论与实践相结合，鼓励学生动手实践，培养解决实际问题的能力。
在教学过程中，关注学生的个体差异，激发学生的学习兴趣，提高其自主学习和团队协作能力。
通过课程目标的分解和实施，使学生在知识、技能和情感态度价值观方面取得具体的学习成果。
二、教学内容1. 单片机基础知识：介绍单片机的组成、工作原理、编程语言（C语言），使学生掌握单片机的基本概念和编程方法。
相关教材章节：第一章 单片机概述，第二章 单片机组成与工作原理，第三章 C语言编程基础。
2. 水塔控制原理：讲解水塔的基本工作原理，液位检测、水泵控制等知识点，使学生了解单片机在水塔控制中的应用。
相关教材章节：第四章 单片机应用实例，第五节 水塔控制系统。
3. 硬件设计：介绍水塔控制系统中所需硬件，如传感器、执行器、电源等，让学生学会如何选用合适的硬件并进行连接。
相关教材章节：第六章 硬件设计基础，第七节 传感器与执行器。
4. 软件编程：教授如何编写程序实现对水塔液位的实时监测和自动控制，提高学生的编程能力。
电子信息工程实验教学中心《综合课程设计》设计报告完成日期：2015/6/30目录摘要 (1)1 绪论 (2)1.1 项目研究背景及意义 (2)1.2 课题现状32 总体设计方案及论证 (3)2.1 总体方案设计 (3)3 硬件实现及单元电路设计 (4)3.1 设计原理 (4)3.2 设计方案 (5)3.3 传感器模块 (5)3.3.1 传感器的选择 (5)3.4 系统工作原理......................................................... 错误！未定义书签。
3.5 水位显示电路 (7)3.6 外部晶振时钟电路的设计 (7)3.7 时钟电路的设计 (8)3.8 自动报警电路 (8)3.9 中央处理器模块 (9)3.10 继电器控制模块 (9)3.11 水位检测系统仿真图 144 软件设计 (13)4.1 主程序工作流程图 (13)5 总结 (15)6 参考文献 (15)附录 (16)附件1：原理图 (16)附件2：仿真图 (16)附件3：元件清单 (17)附件4：程序........................................................................... 错误！未定义书签。
摘要随着社会的发展，科技的进步以及人们生活水平的逐步提高，各种方便与生活的自动控制系统开始进入了我们的生活，单片机作为微型计算机发展的一个重要分支，具有高可靠性、高性能价格比、低电压、低功耗等优势，以其为核心的自动控制系统赢得了广泛的应用。
该课程设计的题目是基于单片机的水塔水位控制，在此水塔水位控制系统中，检测信号来自插入水中的4个金属棒，以感知水位变化情况。
工作正常情况下，应保持水位在某一范围内，当水位变化发生故障的时候，及时关断电机电源，发出声、光报警信号。
其目的在于对单片机技术的应用，由单片机实现自动运行，使水塔内水位始终保持在一定范围，以保证连续正常地供水。
基于单片机的智能水塔水位控制系统设计＊袁新娣(赣南师范学院物理与电子信息学院,江西赣州 341000)摘 要:为了克服传统的浮子系统控制水塔水位的不足,本论文设计了一种实时无线水位智能监测系统,该系统以A T 89S 52单片机为核心,通过安装在水塔上的超声波传感器测量出水位后,单片机与设定的水位上下限进行比较决定是否接通或断开抽水机电路,同时该单片机通过无线发射器把数据发至中控室的单片机以显示水塔水位.论文从硬件设计与软件设计两方面进行了阐述.实践表明:该系统简单可靠,实用性较强.关键词:水位;单片机;超声波传感器;无线发射器中图分类号:T P 212.11 文献标识码:A 文章编号:1004-8332(2010)06-0052-031 系统概述目前,我国处理生活或工厂供水主要采用的是水塔形式,为了防止水塔水位过高而溢水,或水过少而出现用水时的等待现象,应当控制塔内水位始终保持在一定范围.目前,控制水塔水位常用的方法是由浮子检测水位,通过浮子杠杆原理接通或断开抽水机工作电路,这种系统精确度与可靠性都不高,而且很难实时查看水位高低,如果要调整控制水位的上下限也非常不方便.本论文设计了一种智能水位控制系统,首先通过传感器实时检测水塔水位,然后把水位数据传送到水塔处的单片机,单片机把数据与所设定的水位上下限作比较,如果水位低于下限,则启动抽水机抽水,保证水塔的水足够,如果水位达到了上限,则及时停止抽水,防止“溢塔”而浪费水,并且水位的上下限随时可以根据实际情况由拨码开关进行调整;同时该单片机控制无线发送器把水位数据发送到中央控制室的单片机处显示,实现实时监测目的.此系统可以对单个水塔水位进行控制,也可以扩展到对一定距离范围内的多个水塔进行控制.2 系统硬件设计2.1 系统框图图1 系统总体框图系统总体框图如图1所示.由图中可以看出,系统主要由水位检测及无线发送部分和水位数据无线接收两部分组成,控制的核心元件是单片机.图1中的(a )部分是安装在水塔处,(b )部分安装在中央控制室实现水位显示.其中(a )的超声波接收与超声波发送模块用于水位的测量,N R F 24L 01无线发送模块用于把水位数据实时发送到(b )中的N R F 24L 01无线接收器.数据的显示使用液晶显示器L C D 1602.在实际运用中,水位检测及无线发送部分可以扩展到125个,而水位数据无线接收部分只需一个,这就是多发一收,从而实现对一个区域内多个水塔的水量进行监测控制.2.2 系统主要模块硬件设计2.2.1 单片机控制器的介绍该系统中,单片机是控制的核心模块,分析处理传感器检测的数据,接收或发送数据等.本系统采用的单片机是A t m e l 公司生产的A T 89S 52,该单片机是一种低功耗、高性能C M O S 8位微控制器,使用高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C 51产品指令和引脚完全兼容.A T 89S 52具有以下标准功能:8k 字节F l a s h ,2010年 赣南师范学院学报 №.6第六期 J o u r n a l o f G a n n a n N o r m a l U n i v e r s i t y D e c .2010＊收稿日期:2010-09-15 修回日期:2010-10-19 作者简介:袁新娣(1974-),女,江西瑞金人,赣南师范学院物理与电子信息学院讲师,主要从事电子信息方面教学与研究.DOI :10.13698/j .cn ki .cn36-1037/c .2010.06.026256字节R A M ,32位I /O 口线(P 0,P 1,P 2,P 3),看门狗定时器,2个数据指针,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路等,更详细的原理请参照参考文献[1].2.2.2 超声波收发器模块的设计本系统使用超声波收发器作为测量水塔水位的传感器.该器件能测量自身到水面之间的距离,由超声波发送电路和超声波接收电路组成,本模块的设计主要参照了参考文献[2]来进行的.超声波发射电路原理如图2所示,单片机的P 2.4端口发出40K H Z 的方波信号,然后信号分成两路送出,其中的一路经反向器74L S 4069后送到超声发射管T 的一个电极,另一路经两次反向后送到发射管T 的另一个电极,这样做目的是为了增强超声波发射强度和提高电路驱动能力.电阻R 1和R 2作为上拉电阻作用有两个:第一是提高反向器输出高电平的驱动能力;第二是增加超声波发射管T 的阻尼系数,缩短自由振荡的时间.超声波接收电路原理如图3所示,该部分主要由超声波接收探头R 及红外检波接收芯片C X 20106A 组成,因接收芯片C X 20106A 的载波频率为38K H Z ,而上述超声波发射电路发出的超声波频率为40K H Z ,两者较为接近,所以利用该芯片制作超声波接收电路.实验表明,无超声波信号时C X 20106A 输出高电平,有信号时输出一个脉冲信号,且具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力.图2 超声波发射电路 图3 超声波接收电路 图4 n R f 24l 01与A T 89S 52连接电路当系统工作时,由单片机P 2.4端口发出的40K H Z 的方波信号经过驱动电路使超声波发射器T 发出一定强度的超声波信号,当超声波信号遇到障碍物时就会被反射回来,反射回来的超声波信号被超声波接收器R 所接收,接收到的信号经过信号处理电路的处理送入到单片机的P 3.2端口,单片机根据发送与接收的时间差计算出传感器到水面的距离X ,再由安装时传感器到水塔底部的距离H (已知值),计算出当前水的剩余量h =H-X .2.2.3 N R F 24L 01无线发送器与无线接收模块设计发送器安装在水塔单片机处,接收器安装在中控室单片机处,发送器用来实时发送当前的水位数据,接收器实时接收发送器发来的水位信号,实现远程监测的目的.N R F 24L 01是无线数据传输单片射频收发芯片,工作于2.4～2.5G H z 、I S M 频段,芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块,输出功率和通信频道可通过程序进行配置,芯片能耗非常低[3].N R F 24L 01是一个独立的模块,通过S P I 接口和外部控制器件进行数据交换,如果外部控制器件没有S P I 接口可以用普通I /O 口模拟,本系统选用的A T 89S 52则带有可灵活配置的S P I 接口可以方便地和N R F 24L 01连接.单片机与N R F 24L 01的连接如图4所示,电源为3.3V .2.2.4 抽水机模块设计抽水机控制主要是通过用小电压去控制抽水机的工作电路,这里用单片机的P 1.5和P 1.6去控制双向可控硅的通断,从而控制抽水机电路的通断.电路图如图5所示.图5 抽水机控制电路抽水机控制电路中,既能用单片机去控制,也可通过手动去控制,这使得抽水机的控制更灵活,也可避免当单片机控制器出错时,抽水机失控的情况.当开关S W 2闭合时,单片机发出的通断信号可以被抽水机接收,实现在下限水位自动抽水与上限水位自动停止抽水,此时只要手动改变开关S W 1的状态就可将当前的抽水机工作状态切换为相反,所以既体现了手动控制也体现了自动控制.当开关S W 2打开时,也就断开了自动控制功能,此状态主要用于当单片机控制异常时,断开自动控制信号,但此时手动53第6期 袁新娣 基于单片机的智能水塔水位控制系统设计控制功能还是存在的,只要改变开关S W 1的状态也可将抽水机状态切换为相反.2.2.5 测量范围设置模块及显示模块的设计这两个模块相对比较简单,测量范围设置也即水位控制的上下限设置,主要由拨码开关组成,通过单片机的P 1.0～P 1.3口去识别拨码开关各个位的输入状态,输入状态决定对应的测量范围,我们可以根据实际的水塔高度设置水位的上下限. 图6 系统软件主流程图水位的显示使用的是L C D 1602液晶模块,L C D 1602内部的字符发生存储器(C G R O M )已经存储了160个不同的点阵字符图形,这些字符有:阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等.每一个字符都有一个固定的代码,所以对该部分的编程也变得简单了.该系统的中控室单片机连接的L C D 1602与水塔处单片机连接的L C D 1602显示的内容同是水塔的水位,与单片机的连接也是相同的,即将单片机的P 0.0～P 0.7对应接到1602的7～14脚作为数据引脚,P 2.5～P 2.7对应接到1602的4～5脚作为控制引脚,电源用5伏.3 软件设计本系统软件采用C 语言进行开发,软件部分也主要分为两个部分,第一是水位检测并无线发送水位数据部分;第二是水位数据无线接收部分,主流程图如图6所示.超声波发生子函数是通过单片机的P 2.4端口发送8个超声波脉冲信号,同时把定时计数器T 0打开进行计时.水位检测主函数利用外中断0检测返回的超声波信号,一旦接收到返回的超声波信号(即I N T 0引脚呈现低电平),立即进入中断服务函数.进入中断后,首先关定时计数器T 0停止计时,将测距成功标志位赋1,并将信号传送的时间值转换为信号传输的距离值;然后再将此距离值转换为水的剩余量,并显示;最后根据剩余量值判断是抽水还是不抽水,如果水的剩余量大于等于90%,则停止抽水,如果水的剩余量小于等于10%,则开始抽水,如果水的剩余量在10%到90%之间,则抽水机保持当前状态.如果等待30M S 接收不到超声波信号,则不进入距离计算函数,但还会有显示,显示的是上一次测得的数据,但无论如何都会无线发送当前显示的数据.在无线接收程序中只要有数据发过来,就进行实时接收与显示.(程序略)4 结束语本系统的设计实现了对水塔水位的精确控制与检测,并且可以方便地根据实际情况调整测量范围,能有效地防止“空塔”和“溢塔”的现象.该系统设计简单,成本便宜,使用方便,稳定性较好,具有很好的实用意义.参考文献:[1] 孙育才,王荣兴,孙华芳.A T M E L 新型A T 89S 52系列单片机及其应用[M ].北京:清华大学出版社,2006.[2] 李永鉴,刘国安.简易超声波测距仪的制作[J ].福建电脑,2006(7):131-132.[3] 刘靖,陈在平,李其林.基于n R F 24L 01的无线数字传输系统[J ].天津理工大学学报,2007,23(3):38-40.D e s i g na b o u t Wa t e r T o w e r 's Wa t e r L e v e l C o n t r o l S y s t e mB a s e d o nS i n g l e -c h i pC o m p u t e rY U A NX i n -d i(S c h o o l o f P h y s i c s a n dE l e c t r o n i c a l I n f o r m a t i o n ,G a n n a n n o r m a l u n i v e r s i t y ,G a n z h o u 341000,C h i n a )A b s t r a c t :I no r d e r t o o v e r c o m e t h e s h o r t c o m i n g o f t h e t r a d i t i o n a l w a t e r t o w e r 's w a t e r l e v e l c o n t r o l s y s t e m,a n i n t e l l i g e n t a n d r e a l -t i m e w a t e r l e v e l c o n t r o l s y s t e mi s i n t r o d u c e d i n t h i s p a p e r .T h i s s y s t e m i s m a n a g e db y t w o s i n g l e -c h i p c o m p u t e r s A T 89S 52.A f t e r t h e u l t r a s o n i c s e n s o r m e a s u r e s t h e w a t e r l e v e l ,t h e A T 89S 52a n a l y z e s t h e d a t a a n dd e t e r m i n e s t h e w o r k i n g s t a t e o f t h e p u m p b a s e d o nt h e s e t w a t e r l e v e l .A t t h e s a m e t i m e ,t h ed a t aa b o u t w a t e r l e v e l i s t r a n s m i t t e dt h r o u g h w i r e l e s s t r a n s m i t t e r t o a n o t h e r A T 89S 52a n dd i s -p l a y s i n t h e c o n t r o l r o o m .T h e h a r d w a r e a n ds o f t w a r e a b o u t t h e c o n t r o l s y s t e ma r e d e s c r i b e d i nt h e p a p e r .E x p e r i m e n t s h o w e d t h a t t h e s y s t e m i s s i m p l e a n dr e l i a b l e .K e yw o r d s :w a t e r l e v e l ,s i n g l e -c h i pc o m p u t e r ,u l t r a s o n i c s e n s o r s ,w i r e l e s s t r a n s m i t t e r 54赣南师范学院学报 2010年。
《单片机课程设计》设计报告设计题目:水塔水位控制系统姓名：学号：班级：指导老师：职称:设计时间：《单片机课程设计》考查评分表目录一、课程设计的目的………………………………………………二、课程设计用的仪器和器件……………………………………………三、课程设计的具体内容…………………………………………………1、总体报告…………………………………………………………………2、硬件设计…………………………………………………………………3、软件流程和程序…………………………………………………………4、调试结果…………………………………………………………………四、课程设计的体会和发生的问题……………………………………五、参考文献…………………………………………………………………六、附件………………………………………………………………………一、课程设计的目的计算机控制系统课程设计是《计算机控制系统》课程与实验结束后的一门综合性实践课.所选题目《水塔水位控制》紧密结合所学的主要内容，加深巩固所学知识,同时对所学内容进行扩展，有一定的深度和广度,能充分发挥学生的能动性和想象力.通过电路设计、安装、调试等一系列环节的实施，提高学生的计算机控制应用系统的设计能力。
二、课程设计用仪器和器件硬件：1、塑料桶一个(Φ25—30cm)2、塑料尺30cm 一个3、微型水泵一个4、塑料管2米5、光电耦合器4N25 一个6、12V微型继电器(TWTMP-53）一个7、电路板（6＊4cm)一块8、薄铜片2cm＊10cm *o。
5mm 一块9、直流稳压电源一台、PC机一台、XL1000/XL2000仿真仪一台。
10、其它：导线2米、二极管一个、PNP三极管一个、4。
7K电阻2个、300欧电阻2个，12针排针 1片.软件：keil软件三、课程设计的具体内容1、总体报告图1 水塔水位检测原理图水塔水位控制原理图见图（1），图中两条虚线表示正常工作情况下水位升降的上下限,在正常供水时,水位应控制在两条虚线代表的水位之间。
计算机控制技术课程设计课题：基于单片机的水塔水位控制目录第1章背景与意义 (3)1.1.1背景 (3)1.1.2 目的与意义 (4)第2章总体方案设计 (5)2.1 方案选择 (5)2.2 工作原理 (7)2.3 主控模块设计 (7)2.2.1单片机选择 (7)2.2.2电机控制模块 (8)2.2.3 A/D转换模块 (8)2.2.4 传感器电路 (9)2.2.5 时钟电路与复位电路 (10)2.2.6 按键设计 (10)2.2.7 显示与A/D转换处理 (12)2.2.8系统主程序流程图 (12)2.2.9系统主程序 (14)第3章硬件设计 ...................................................... 1错误!未定义书签。
3.1 硬件选型 ....................................................... 1错误!未定义书签。
第一章背景与意义1.1.1背景现代传感技术、电子技术，计算机技术、自动控制技术、信息处理技术和新工艺、新材料的发展为智能检测系统的发展带来了前所未有的奇迹。
在工业、国防、科研等许多应用领域，智能检测系统正发挥着越来越大的作用。
检测设备就像神经和感官，源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信息，成为人们认识自然、改造自然的有力工具。
现代的广义智能检测系统应包括一切以计算机（单片机、PC机、工控机、系统机）为信息处理核心的检测设备。
因此，智能检测系统包括了信息获取、信息传送、信息处理和信息输出等多个硬、软件环节。
从某种程度上来说，智能检测系统的发展水平表现了一个国家的科技和设计水平。
我的本次课程设计研究的内容是“水塔水位控制系统”。
水位控制在日常生活及工业领域中应用相当广泛，而以往水位的检测是由人工完成的，值班人员全天候地对水位的变化进行监测，用有线电话及时把水位变化情况报知主控室。
然后主控室再开动电机进行给排水。
很显然上述重复性的工作无论从人员、时间和资金上都将造成很大的浪费。
同时也容易出差错。
因此急需一种能自动检测水位，并根据水位变化的情况自动调节的自动控制系统，我所设计的就是这方面的课题。
检测可以有多种实现方法，如机械控制、逻辑电路控制、机电控制等。
本设计采用单片机进行主控制，在水水塔上安装一个自动测水位装置。
利用气压传感器测量气压的变化连续地反眏水位的变化，把测量到的水位变化转换成相应的电信号，主控台应用单片微机对接收到的信号进行数据处理，完成相应的水位显示、控制及故障报警及显示水位等功能。
1.1.2 目的与意义1，通过这次课程设计，加深对计算机控制技术这门课程的理解。
2，掌握单片机的内部模块的应用，如片内外存储器、A/D转换器等。
3、了解和掌握单片机对单片机水塔水位控制的全过程、以及实际问题中硬件如何选型问题。
为以后设计和实现单片器应用系统打下良好基础。
4、通过简单课题的设计练习，了解必须提交的工程文件，也达到巩固、充实和综合运用所学知识解决实际问题的目的。
第2章总体方案设计2.1 方案选择目前在用的水位控制方式主要有以下种：（1)简单的机械式控制方式。
其常用形式有浮标式、电极式等, 这种控制形式的优点是结构简单,成本低廉。
存在问题是精度不高,不能进行数值显示,另外很容易引起误动,且只能单独控制,与计算机进行通信较难实现。
(2)复杂控制器控制方式。
这种控制方式是通过安装在水泵出口管道上的压力传感器,把出口压力变成标准工业电信号的模拟信号,经过前置放大、多路切换、A／D变换成数字信号传送到单片机,经单片机运算和给定参量的比较,进行PID运算,得出调节参量;经由D／A变换给调压／变频调速装置输入给定端,控制其输出电压变化,来调节电机转速,以达到控制水位的目的。
本设计我选用利用单片机实现的复杂控制器水位控制系统，要求选择合适的水位传感器及电磁阀，当设定完水位后，系统根据水位情况控制电磁阀的开和关断。
系统总体方框图2，2工作原理基于单片机实现的水位控制器是以AT89C51芯片为核心,由键盘、数码显示、A／D转换、传感器，电源和控制部分等组成。
工作过程如下：当水位发生变化时,引起连接在水位底部软管管内的空气气压变化,气压传感器在接收到软管内的空气气压信号后,即把变化量转化成电压信号;该信号经过运算放大电路放大后变成幅度为0～5 V标准信号送入A／D转换器。
A／D转换器把模拟信号变成数字信号量,由单片机进行实时数据采集,并进行处理,根据设定要求控制输出,同时数码管显示液位高度。
通过键盘设置液位高、低和限定值以及强制报警值。
该系统控制器特点是直观地显示水位高度可任意控制水位高度。
2.3主控模块设计2.3.1单片机的选择单片机采用由Atmel公司生产的双列40脚AT89C51芯片,如图2—2。
其中P0口用于A／D转换和显示；P1口连接一个3×5的键盘;P2口用于控制电磁阀和水泵动作;P3口用于上、下限指示灯,报警指示灯以及用于读写控制和中断等。
2.3.2电机控制模块（用继电器作为电机控制的元件）继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。
故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。
继电器主要产品技术参数：1) 额定工作电压。
是指继电器正常工作时线圈所需要的电压。
根据继电器的型号不同，可以是交流电压，也可以是直流电压。
2) 直流电阻。
是指继电器中线圈的直流电阻，可以通过万能表测量。
3) 吸合电流。
是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。
在正常使用时，给定的电流必须略大于吸合电流，这样继电器才能稳定地工作。
而对于线圈所加的工作电压，一般不要超过额定工作电压的1.5 倍，否则会产生较大的电流而把线圈烧毁。
4) 释放电流。
是指继电器产生释放动作的最大电流。
当继电器吸合状态的电流减小到一定程度时，继电器就会恢复到未通电的释放状态。
这时的电流远远小于吸合电流。
5) 触点切换电压和电流。
是指继电器允许加载的电压和电流。
它决定了继电器能控制电压和电流的大小，使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器的触点。
根据以上的参数，结合设计的演示性，选用额定工作电压120VAC/24VDC，工作电流3A，控制电压5VDC的小型继电器。
2.3.3A/D转换模块ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D转换器。
其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。
是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。
1主要特性1）8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。
2）具有转换起停控制端。
3）转换时间为100μs(时钟为640kHz时)，130μs（时钟为500kHz 时）4）单个＋5V电源供电5）模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准。
6）工作温度范围为-40～＋85摄氏度7）低功耗，约15mW。
ADC0809由单片机控制驱动，对传感器进行定式循环采集，然后单片机将各测量参数传至PC机，进行后台数据处理。
2.3.4传感器电路系统选用B2119压阻式压力传感器，压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应制成的器件。
这种传感器精度高、工作可靠，容易实现数字化，比应变式压力传感器体积小而输出信号大。
它是目前压力测试中使用最多的一种传感器。
压阻式压力传感器使用集成电路工艺技术，在硅片上制造出四个等值的薄膜电阻，并组成电桥电路，当不受到压力作用时，电桥处于平衡状态，无电压输出；当受到压力作用时，电桥失去平衡，电桥输出电压。
电桥输出的电压与压力成正比例。
其工作原理图如所示。
2.3.5 时钟电路与复位电路要使单片机按照设计要求正常工作，完整单片机最基本的工作要求，考虑到系统无需精确地定时功能，且为了方便串口通信波特率的计算，采用11.0592MHz的晶振提供系统时钟。
并附加复位电路，组成单片机最小系统。
2.3.6 按键设计键盘在单片机应用系统中是一个很关键的部件，它能实现向单片机系统输入数据、发送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。
考虑到本设计实际需要的按键较少，故采用独立式键盘接口电路。
在程序查询方式下，通过I/O端口读入按键状态，当有按键按下时，相应的I/O端口变为低电平，而未被按下的按键在上拉电阻作用下为高电平，这样通过读I/O口的状态判断是否有按键按下。
2.3.7 显示与A/D转换的数据处理系统中，显示输出的要求为压缩BCD码，而A/D转换输入的数据8位16进制码，因此在实现显示之前需要编码的转换。
对8位A/D 转换器而言，其十六进制、相对满偏电压比率、相对电压幅值的关系对应如表2.3.8系统主程序流程图系统主程序的功能主要是完成对单片机的初始化，设置警戒液位的上下限，实时显示液位值以及键盘扫描等工作。
主程序流程图如图所示。
主程序流程图2.3.9 主程序主程序：ORG 0000HAJMP MAINORG 0060HMAIN: MOV P1, #FFH ； P1 P3口初始置1MOV P3，#FFHJNB P1.3 ，AVT ；若手动在自动位置，跳到自动模式程序AJMP MEN ；否则转到手动模式子程序ENDAUT：NOP（空命令）JNB P1.2 , LG ；水位高—LGJB P1.1 LD ；水位没低---LDCLR P3.1 ；水位低报警JB P1.0, LDD ；水位未低低---LDDCLR P3.0 ；水位低低报警JNB 3.1 P1.6, Y1 ；M1已启动—Y1CLR P1.4 ；否则启动M1Y1:JNB P1.7 ,Y2 ；M2已启动---Y2CLR P1.5 ；否则启动M2Y2:ACALL DELAY ；延时1分钟AJMP AUT ；返回自动模式LDD: JNB P1.6 ,Y3 ；单独运行M1（LDD〈水位〈LD）CLR P1.4Y3: JB P1.7 Y2SETB P1.5AJMP Y2LG:CLR P3.2 ；水位高报警LD: AJMP MAIN ；返回主程序第 3 章硬件设计3. 1 硬件选型单片机：Atmel公司双列40脚AT89C51芯片继电器：选用额定工作电压120VAC\24VDC，工作电流3A，控制电压5VDC的小型继电器。
A/D转器：ADC0809压力传感器：B2119压阻式压力传感器晶振频率：11.0592MHZ键盘：独立式键盘。
