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3.2单片机的选择9
3.2.1单片机选择9
3.2.2最小系统电路14
3.3传感器的选择18
3.4稳压电路的设计20
3.5光报警显示电路21
3.6继电器控制水泵加水电路23
3.6.1功率驱动电路中的光电隔离23
3.6.2光电耦合器简介24
3.6.3继电器简介24
3.6.4水泵的介绍25
3.7电源电路26
3.8看门狗电路27
第4章软件设计32
4.1程序流程图32
4.2源程序33
总结35
致谢36
参考文献37
附录1系统原理图39
附录2系统总程序40
第1章绪论
1.1研究背景
传统的供水系统大多采用水塔、高位水箱或者增压设备,用水泵高出实际用水高度的扬程来提升水位高度,以保证又足够的用水量。
但是控制精度低、能耗大。
随着科学技术的不断更新发展,自动控制技术在我国的日新月异,传统的继电器控制系统已经跟不上时代发展的要求,这就需要一种新型的控制方式取而代之。
单片机诞生于20世纪70年代末,是一种集成在电路芯片,是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。
单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
相当于一个微型的计算机,和计算机相比,单片机只缺少了I/O设备。
概括的讲:
一块芯片就成了一台计算机。
它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。
现代计算机技术的产业革命,将世界经济从资本经济带入到知识经济时代。
在电子世界领域,从20世纪中的无线电时代也进入到21世纪以计算机技术为中心的智能化现代电子系统时代。
现代电子系统的基本核心是嵌入式计算机系统(简称嵌入式系统),而单片机是最典型、最广泛、最普及的嵌入式系统。
目前单片机渗透到我们生活的各个领域,几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。
导弹的导航装置,飞机上各种仪表的控制,计算机的网络通讯与数据传输,工业自动化过程的实时控制和数据处理,广泛使用的各种智能IC卡,民用豪华轿车的安全保障系统,录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制,以及程控玩具、电子宠物
等等,这些都离不开单片机。
更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。
因此,单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。
单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域,大致可分如下几个范畴:
1.在智能仪器仪表上的应用
单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点,广泛应用于仪器仪表中,结合不同类型的传感器,可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。
采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化,且功能比起采用电子或数字电路更加强大。
例如精密的测量设备(功率计,示波器,各种分析仪)。
2.在工业控制中的应用
用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。
例如工厂流水线的智能化管理,电梯智能化控制、各种报警系统,与计算机联网构成二级控制系统等。
3.在家用电器中的应用
可以这样说,现在的家用电器基本上都采用了单片机控制,从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备,五花八门,无所不在。
4.在计算机网络和通信领域中的应用
现代的单片机普遍具备通信接口,可以很方便地与计算机进行数据通信,为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件,现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制,从手机,电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话,集群移动通信,无线电对讲机等。
5.单片机在医用设备领域中的应
单片机在医用设备中的用途亦相当广泛,例如医用呼吸机,各种分析仪,监护仪,超声诊断设备及病床呼叫系统等等。
6.在各种大型电器中的模块化应用
某些专用单片机设计用于实现特定功能,从而在各种电路中进行模块化应用,而不要求使用人员了解其内部结构。
如音乐集成单片机,看似简单的功能,微缩在纯电子芯片中(有别于磁带机的原理),就需要复杂的类似于计算机的原理。
如:
音乐信号以数字的形式存于存储器中(类似于ROM),由微控制器读出,转化为模拟音乐电信号(类似于声卡)。
在大型电路中,这种模块化应用极大地缩小了体积,简化了电路,降低了损坏、错误率,也方便于更换。
在大型电路中,这种模块化应用极大地缩小了体积,简化了电路,降低了损坏、错误率,也方便于更换
7.单片机在汽车设备领域中的应用
单片机在汽车电子中的应用非常广泛,例如汽车中的发动机控制器,基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器,GPS导航系统,ABS防抱死系统,制动系统等等
此外,单片机在工商,金融,科研、教育,国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。
1.2研究的目的及意义
目前,我国住宅小区楼房自来水供水系统主要采用高塔供水,既在楼顶或者另外建设的高塔上面建个蓄水池以保证用户水压的恒定。
在我们的指导老师的启发之下,我们对住宅供水情况进行了调查,根据调查在城市兴建的许多的房子现在都要实现自来水供水,所以在许多的家庭的楼顶都砌了一个高塔用来存储用水,然后对整个房子的用水进行供给。
调查的过程当中我们发现,目前大多数的住宅小区都是采用人工加水的办法,即当水用完的时候,就人工开启水泵进行加水,十分不便。
引起了老百姓的抱怨----水用完只前,不知道水已经很少,待用完后才知晓,如果是急需水的情况下,那就十分麻烦要等加水后才有水用;
加水的过程当中,还需要人时刻检查水位情况,以防止水量超过最高水位线;
所以这一切问题的存在,都在呼唤一种简单经济的高塔
水位检测报警控制系统的诞生。
另外,现在许多的锅炉系统、防洪系统也需要对水位进行控制,以能够方便地控制水位,对不同的水位进行报警,所以如果研制了一种很好的水位控制装置便能够很好地造福人民。
传统的控制方式存在控制精度低、能耗大的缺点,而运用单片机的自动控制原理,利用水的导电性连续地全天候地测量水位的变化,依据用水位的变化自动调节系统的运行参数,保持水压恒定以满足用水要求,从而提高了供水系统的质量。
而且成本低,安装方便,经过多次实验证明,灵敏性好,是节约水源,方便家庭和单位控制水塔水位的理想的自动化装置。
远古时代,人们逐水而居。
水在人们正常生活和生产中始终如一的起着至关重要、无可取代的作用。
如若没有了水,轻则给人们的生活带来极大地不变,重则可能造成重大的生产事故及损失。
因此满足及时、准确、安全、充足的供水成为人们对供水系统提出了新的要求。
如若依旧采用传统的方式,不但劳动强度大,工作效率低下,而且安全性难以保障。
由此运用单片机对控制系统进行改造,进而实现安全、充足、自动化的供水,具有很高的实际应用价值,对人们的日常生产生活具有重大意义。
1.3国内外发展现状
从半导体集成技术及微电子设计技术的发展,可以预见到未来单片机技术的发展趋势。
1、主流机型发展趋势
在未来较长一段时期内,8位单片机仍是主流机型,许多厂家还会不断改进与完善8位机,使8位机不断保持其活力;
在满足高速数字处理方面,32位机会发挥重要作用;
16位机空间有可能被8位机、32位机挤占。
2、全盘CMOS化趋势。
3、RISC体系结构的大发展。
4、大力发展专用型单片机。
5、OTPROM、FlashROM成为主流供应状态。
6、ISP及基于ISP的开发环境。
7、单片机中的软件嵌入。
8、实现全面功耗管理。
9、推行串行扩展总线。
10、ASMIC技术的启动与发展。
单片机以其卓越的性能,得到了广泛的应用,已深入到各个领域。
单片机应用在检测、控制领域中,具有如下特点。
1、小巧灵活、成本低、易于产品化。
它能方便地组装成各种智能式测、控设备及各种智能仪器仪表。
2、可靠性好,适应温度范围宽。
单片机芯片本身是按工业测控环境要求设计的,能适应各种恶劣的环境,这是其它机种无法比拟的。
3、易扩展,很容易构成各种规模的应用系统,控制功能强。
单片机的逻辑控制功能很强,指令系统有各种控制功能用指令。
4、可以很方便地实现多机和分布式控制。
我国开始使用单片机是在1982年,目前国内外主要使用的单片机主要有8051内核的单片机,如Inter公司的8051系列、Atmel公司的89系列、PHILIPS公司、TI公司、ST公司及华邦公司的单片机系列等。
还有一些其他内核的单片机。
近年来单片机在我国已经得到了广泛的应用,并且在各行各业的生产过程的自动过程中担任着重要角色。
通过单片机对程序设计,提高液位系统的控制水平,具有很高的应用价值,并且已经在国内外企业及居民生活中得到广泛应用。
第2章总体方案论证
2.1设计思路
随着时代的发展、社会的进步,人类物质生活水平的不断提高,现在许多家庭都要求能够进行家庭用水自动供水,基于调查我们决定设计一款简单实用,经济的高塔水位控制系统。
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。
2.2系统方案论证
方案一:
本方案采用555电路进行控制,即当水位探测传感器探测到低水位时送一个低于1/3VCC的低电平给NE555芯片,555的输出即为高电平驱动水泵加水;
当在正常的水位时候,送给NE555为1/3VCC----2/3VCC的电平,即保持前一个水泵不加水的状态;
当水位居于高水位时,给NE555电路一个高电平,这时NE555输出电平翻转为低电平,不能驱动水泵,水泵停止加水。
如图2-1所示:
图2-1方案一方框图
方案二:
本方案采用单片机AT89C2051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。
如图2-2所示:
图2-2方案二方框图
2.3方案论证
第一种方案设计使用起来比较方便也简单,不用编程等软件方面的设计,但是没有稳压电路,使输入NE555芯片的电平十分不稳定,容易发生误判水位引起混乱的情况,且NE555电路只有一个输出端,不能接显示系统,所以不能完成显示功能。
第二种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,并且单片机引脚较多能够非常方便地设计显示系统。
综上,我们已经清楚地看到了两种方案的优劣,要能够很好地完成本次设计的各个指标和达到设计的目的,我们选择第二种方案作为我们的设计方案。
第3章各单元电路设计
3.1系统工作原理
本系统由单片机系统、水位探测传感电路、电源电路、稳压电路、光报警显示电路、继电器控制水泵加水电路、以及高塔模型组成。
系统框图2-2所示。
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;
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。
3.2单片机的选择
3.2.1单片机选择
1.方案一:
我们选用AT89C2051作为我们的控制芯片。
(1)AT89C2051(以下简称2051)是一种低功耗、高性能的8位CMOS微控制器芯片,片内带2KB的快闪可编程及可擦除只读存储器(FPEROM)。
它与MCS-51指令系统兼容,片内FPEROM允许对程序存储器在线重新编程,也可用常规的EPROM编程器编程。
ATMEL的205l将具有多种功能的8位CPU与FPEROM结合在同一芯片上,为很多嵌入式控制应
用提供了高度灵活且价格适宜的方案。
2051还增加了在零频下工作的静态逻辑方式及两种软件可选的省电
模式。
其中,在闲置模式下,CPU停止工作,但RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统仍然在工作。
在掉电模式下,只保存RAM的内容,振荡器停振,关闭芯片的所有其他功能,直到下一次硬件复位为止。
AT89C205的引脚图和封装图分别入3-1和3-2所示:
图3-1AT89C2051引脚图图3-2AT89C2051封装图
(2)AT89C2051主要性能
1)与MCS-5l产品兼容。
2)2KB的在线可重复编程快闪存储器,寿命可达1000次写/擦除周期。
3)宽工作电压范围:
2.7V~6V。
4)全静态工作方式:
0Hz~24MHz。
5)两级程序存储器加密。
6)128×
8位SRAM。
7)15条可编程I/O线。
8)2个16位定时器/计数器。
9)5个中断源。
10)可编程串行通道。
11)可直接驱动LED。
12)有片内精密模拟比较器,具备低功耗的闲置与掉电模式。
(3)内部结构及引脚
2051的内部结构如图3-3所示,引脚分布如图3-1所示。
引脚功能说明如下:
Vcc——供电电源。
GND——电路地。
P1口——为双向8位I/O端口。
P1.2~P1.7引脚有内部上拉电阻,P1.0和P1.1需要外部上拉电阻。
P1.0和P1.l还作为模拟比较的正输入端和负输入端,与片内精密模拟比较器相连。
P1口输出缓冲器能吸收20mA灌入电流并可直接驱动LED显示器。
当向端口P1写入电平“1”时,可作为输入引脚。
因为P1.2~P1.7有内部上拉的作用,此时若有外电路作为输入,引脚会向外灌电流(IIL)。
P1口在快闪编程与校验功能中还承担数据代码接收任务。
P3口——P3口只有7位P3.0~P3.5和P3.7(其中P3.7引脚具有内部上拉电路)。
P3.6为内部比较器输出,无外部引脚。
2051无RD和WR控制信号,P3.7为一般I/O线。
P3口输出缓冲器能吸收20mA灌入电流,当向端口P3写入电平“1”时,可用作输入端口。
因为内部上拉作用当P3口有外部低电平做输入时,引脚向外产生灌电流(IIL)。
P3口也提供2051的第二功能,如表2-2所示。
P3在快闪编程与校验功能中还可接收某些控制信号。
表3-1P3口提供的第二功能
P3口线
第二功能
P3.0
RXD(串口输入)
P3.1
TXD(串口输出)
P3.2
INT0(外部中断0)
P3.3
INT1(外部中断1)
P3.4
T0(外部定时输入0)
P3.5
T1(外部定时输入1)
RST——复位输入端。
振荡器工作时,该引脚上两个机器周期的高电平可复位2051。
每个机器周期为12个振荡周期(或称时钟周期)。
XTAL1——振荡器反相放大器内部工作时钟电路输入端。
XTAL2——振荡器反相放大器的输出端。
AT89C2051的内部结构图如图3-3所示:
图3-3AT89C2051的内部结构图
2.方案二:
选用8031作为我们的控制芯片。
(1)8031是INTER公司MCS-51系列单片机中最基本的产品,它采用INTER公司可靠地CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机,属于标准MCS-51的
HCMOS产品。
它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特
征,标准MCS-51单片机的体系结构和指令系统。
8031内置中央处理器单元、128字节内部存数据储器RAM、32个双向输入/输出(I/O)口、2个16位定时/计数器和5个两级中断机构,一个全双工串行通信口,片内时钟振荡电路,是一个集成度很高的微型计算机芯片,但8031片内并无程序存储器,需外接ROM。
8031单片机的引脚图如图3-4所示:
图3-48031引脚图
3.比较以上两种方案,均可以满足设计要求,并且都是以单片机为核心的系统。
方案一采用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2K字节的闪速程序存储器(采用电擦除编程,可重复编程1000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,P1.2~P1.7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/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。
P3.6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。
P3.0~P3.5的第二功能与8031P3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。
所以,本设计及制作采用了方案一的设计思想。
3.2.2最小系统电路
1.单片机时钟电路通常有两种形式:
内部振荡方式、外部振荡方式。
(1)内部振荡方式:
MCS-51单片机内有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器,引脚XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入端和输出端。
把放大器与作为反馈元件的晶体振荡器或陶瓷谐振器连接,就构成了内部自激震荡器并产生振荡时钟脉冲。
(2)外部振荡方式:
外部振荡方式就是把外部已有的时钟信号引入单片机内。
本设计所采用的是内部振荡方式,晶振选择为12MHz,电容C1,C2大小选择为33PF,其接线图如图3-4所示:
图3-4时钟电路
2.基本复位电路
复位电路的基本功能是:
系统上电时提供复位信号,直至系统电源稳定后,撤销复位信号。
为可靠起见,电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号,以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。
复位电路的连接方式有三种:
一、上电复位——单片机接通电源时产生复位信号,完成单片机的启动,确定单片机的起始工作状态。
如图3-5所示。
二、手动复位——手动按键产生复位信号,完成单片机启动,确定单片机的初始状态。
通常在单片机工作出现混乱或者‘死机’时,使用手动复位可实现单片机的‘重启’。
如图3-6所示。
三、复合复位电路——将上电复位电路和手动复位电路结合到一起构成,通常使用的都是这种混合复位电路。
如图3-7所示。
本设计采用混合复位电路。
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