智能取水系统设计.docx
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智能取水系统设计.docx
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智能取水系统设计
毕业设计(论文)
题目:
智能取水系统设计
学院:
XXXXX学院
专业班级:
自动化2010级1班
指导教师:
XXXXXX职称:
XXXX
学生姓名:
XXXXXX
学号:
XXXXXXXX
摘要
无论在城镇还是农村,水塔和水箱几乎是必不可少的。
据调查,现在的取水方式采用的是无水取水,水满停止的工作方式。
抽水系统人工进行控制。
即水塔无水,工作人员拉闸开电抽水机工作;水满,拉闸断电。
鉴于这些问题,必然要进行自动化改造,从而实现提供足够的水量、平稳的水压,水位显示及人机交互,智能取水将取代以往纯手工控制的方式,为人们提供更大的方便。
本次设计基于MCS-51单片机,七个模块构成的智能取水系统,通过软件模拟水塔的水位,人工按键将信号传给CPU,自动检测水完设备、水满设备,停电报警,水完/水满报警,溢出报警,抽水不工作报警,抽水不停报警。
尽可能选用实用功能,电路板尺寸尽可能小,易维护,功耗低,用电池供电,可以进入省电状态;外观漂亮、美观。
指示灯、开关要求操作方便,要求室内外及环境较恶劣情况下均可使用。
关键词:
单片机,智能,人机交互。
ABSTRACT
Inboththeurbanandruralareas,thewatertowerandwatertankisalmostindispensable.Accordingtothesurvey,thepresentwaterwayiswithoutwater,waterwatertheworkingsofafullstop.Pumpingsystemofartificialcontrol.Thewatertowerwater,staffcutsopentheelectricpumpwork;Thewaterisfull,aswitchpower.Inviewoftheseproblems,mustwanttoundertakeautomationtransformation,soastorealizesmoothprovideenoughwater,waterpressure,waterleveldisplayandhuman-computerinteraction,intelligentcontrolbymeansofwaterintakewillreplacethepreviouspuremanual,providegreaterconvenienceforpeople.
ThisdesignbasedonMCS-51singlechipmicrocomputer,intelligentwatersystemconsistingofsevenmodules,throughthesoftwaresimulationofthewatertowerwaterlevel,artificialbuttontotransmitsignaltoCPU,automaticdetectionofwaterequipment,waterfullequipment,powerfailurealarm,waterfull/nowateralarm,overflowalarm,pumpingworknotalarm,pumpingconstantlyreporttothepolice.Asfaraspossiblechoosepracticalfunction,circuitboardsizeassmallaspossible,easilymaintained,lowpowerconsumption,thisproductcanusethebatterypowerandentertheprovinceelectricitystate;italsohasabeautifulappearance.Itslampandswitchdemandsiseasytooperate,theproductcanbeusedinindoorandoutdoorandharshconditions.
KEYWORDS:
Singlechipmicrocomputer,smart,human-computerinteraction
第1章序言
1.1智能取水系统设计背景
在人们的生活中,水是赖以生存的生命之源。
在科技飞速发展的时代,人口密度增加,水资源越来越贫乏。
水如何能最大限度的利用并方便的输送到千家万户成了人们关注的话题。
在中国的农村,没有自来水公司,人们的用水靠村里的水塔提供。
水塔是功能是储水、配水,它是特殊的高耸建筑,用来保持和调节水网中的水量和水压。
为了满足人们的用水需求,水塔正常使用中,必须保持其水量。
所以,对水位的检测非常重要,既要不断水,又要不溢出浪费,随时保持有水状态。
因此智能取水系统的自动控制和人工交互功能,既方便又节省人力,它必将取代现有的取水系统来服务人们。
1.2研究现状及进展情况
在科技发展相对比较落后的农村,每村都有水塔,抽水系统人工进行控制。
即水塔无水,工作人员拉闸开电抽水机工作;水满,拉闸断电。
这样就出现了一些弊端:
首先,不定时断水,给人们生活带来极大的不便;其次,抽水时,人工无法监视水位的高低,难以准确地控制抽水机,开停过早或过晚。
这样不仅减少电器设备的寿命,而且造成了水资源的极大浪费,重责可能造成生产事故。
鉴于这些问题,必然进行自动化改造,从而实现提供足够的水量、平稳的水压,达到节能的目的,提高了供水系统的质量。
我国调查人员对城市水塔水位的检测和控制进行了研究,目前的检测方式有很多,大致分为以下几种:
1、电容式液位仪。
这种方法是电容长度和水塔高度相等,测量精度高,成本也高,不适合农村水塔。
2、导电电极测量。
利用水的导电性,检测位于水塔内不同位置的多个电极,控制抽水机。
控制性能良好,但时间久远,电极氧化、腐蚀而导致控制失灵。
3、水位跟踪器。
通过电子开关控制可逆电机,两根测量探针自动跟踪水平变化,不仅能测出每个水位的变化值,而且能提供任意高度的水位信息。
反应灵敏,适合精度较高的工业控制。
这也不适合在农村推广,它的电路复杂,价格高。
4、超声波传感器检测。
系统以单片机为核心,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,把数据发至显示器显示水塔水位。
5、干簧管检测。
采用干簧管作传感器,永久磁铁在水的浮力作用下,上下浮动,改变干簧管的位置令其打开或闭合,当水位低于或者高于标准时,信息被传到CPU作相应的处理。
6、压力传感器。
隔离式传感器组件,利用单晶硅的压阻效应,单晶硅上扩散一个惠思登电桥,用先进的膜片和充硅油隔离封装。
被测介质压力作用在隔离膜片和密封硅油上,传递给硅膜片,两边的硅膜片产生形变,由于电阻的效应,电桥阻值发生变化,电桥失衡,产生电信号,达到压力转换为电信号的目的。
除上述之外,还有光纤传感器等检测水位,本次设计用软件模拟水位达到控制目的。
第2章系统设计方案的研究
2.1系统设计框图
图2-1智能取水系统设计框图
2.2用户需求
根据用户所需要的抽水系统功能,可分为以下点:
1、自动检测水位,无水自动抽水;
2、水塔水满,自动停止;
3、抽水过程中,实时显示水位;
4、通过设备显示(如二极管)电机工作状态或者该设备状态,能够对自身功能自检,显示设备在运行、停止、异常三个状态;
5、设备发生异常:
停电报警,水完/水满报警,溢出报警,抽水不工作报警,抽水不停报警;
6、可以人为进行设置:
有水继续抽水,抽水随时停止等;
7、价格低:
尽可能选用实用功能,器件选型货比三家,电路板尺寸尽可能小,产品外观尽可能便宜;
8、易维护、服务好,功耗低:
该设备要求电池供电,可以进入省电状态
外观漂亮、美观,外观要求长、宽、高要黄金分割比例,指示灯、开关要求操作方便,要求室内外及艰苦环境下均可使用。
2.3硬件设计思路
由用户需求,将用户所需要的产品功能用硬件电路逐一实现。
1、自动检测水位,无水自动抽水:
用传感器实检测无水,用弱电控制强电实现设备开始抽水;
2、水塔水满,自动停止:
用传感器检测水满,用弱电控制强电实现设备停止抽水(本次设计用软件模拟水塔水满。
);
3、抽水过程中,实时显示水位:
通过5个发光二极管显示0%、25%、50%、75%、100%五种水位;
4、显示设备在运行、停止、异常三个状态:
用不同颜色的发光二极管和组合闪烁显示三个状态;
5、设备发生异常:
用软件控制各种功能正常与异常的提示,通过声音报警;
6、可以人为进行设置:
通过按键的方式,可以进行人工交互,对各种功能进行初始设定和随机修改。
2.4软件设计思路
智能取水系统的软件流程,主要采用自顶向下的设计原则,按照产品功能或者产品的工作过程逐一分化模块,达到模块化软件设计思想。
通过流程图直接对任务作出描述。
一个系统,分为两个大模块,全局变量的定义(M1)和主程序(M2)。
在M1模块里,就包含单片机相关寄存器的定义和后面子程序用到的变量。
M2模块里,包含定义子函数(M2-1)和主函数(M2-2)。
以下是主函数流程图:
图2-2主程序流程图
其中,正常模式又包括键盘模块、水位模块、传感器模块、其它处理模块等。
异常模式包括维护模块,就是出现异常,直接进入出厂模式。
出厂模式单片机不工作,等待人工维护。
第3章硬件设计
本设计硬件分为七个模块,如下图示:
图3-1硬件模块
单片机的最小系统就是其工作的基本条件,由四部分组成。
1、要保单片机能够工作,电源必不可少;
2、单片机是数字电路,因此工作要有时钟电路;
3、保证单片机可靠工作,必须有复位电路;
4、在以上三个必要条件的基础上加上系统所需要的控制电路。
有了这几部分,单片机的核心部分就搭建成功了。
第一模块的电源和第二模块的晶振、复位以及CPU组成单片机的最小系统。
采用总线的方式,键盘输入、译码电路、扬声器、电机驱动、输出显示都挂载在总线上。
数据总线:
P0口作为数据总线,将CPU要控制的信息传送到各个外设的驱动芯片。
地址总线:
P2口作为高8位地址总线,P0口分时复用,作为低8位地址总线,赋给所有挂载在总线上的驱动芯片一个绝对地址。
控制总线:
由于没有外部程序存储器,所以EA接高电平访问单片机内部程序存储器,PSEN悬空。
在设计的时候,用P2口的低三位作为地址,低八位地址未定义,在实际的软件编程里,用的是一个地址空间,ALE是低八位地址锁存允许信号输出端,因此,ALE悬空。
第三模块键盘输入,用列扫描方式最终判断某个键按下,CPU进行相应的操作。
经过处理后,作用在扬声器和电机上,各种状态会显示在发光二极管和数码管上,声音警示通过扬声器表示出来。
第四模块是传感器输入,此次设计采用软件模拟水位,硬件上只接了温度传感器,若果用户需要,可以再数码管上显示温度。
第五模块是译码电路,外部驱动芯片的地址就是P2口通过译码芯片给它们一个绝对地址。
操作该地址,就能选通这些芯片。
第六模块是输出显示,包括发光二极管的显示和数码管的显示。
系统的原理图设计用软件Protel99SE完成。
3.1电源模块
单片机系统电源设计是单片机应用系统设计中的一项重要工作,电源的精度和可靠性等各项指标,直接影响系统的整体性能。
电源模块为该设计的第一模块。
要使AC220V变为给单片机供电的5V,必须通过降压、整流、滤波等使供电电源为标准的+5V。
电流经过保险管到降压变压器将AC220V降压到AC12V。
实际设计时,变压器将会在PCB板上省略,只留下连通初级线圈和次级线圈的
图3-2电源模块
两个插头。
如图1J3、1J4。
此时1J2连接的是外接电源AC12V。
整流桥将AC12V整流为DC12V。
开关1S2闭合,电源指示灯亮。
当流过Φ3的LED灯电压为1.1V~3V,电流为10MA时,发光二极管正常发亮。
(由于制造工艺的进步,发光二极管只要流过4~5MA的电流,它就足够亮。
)现在取VCC为12V,ULED为2V,由欧姆定律得出限流电阻为1K。
三端固定输出集成稳压器是一种串联调整式稳压器,78xx(79xx)系列。
它将调整、输出和反馈取样等电路集成在一起形成单一元件,只有输入、输出和公共接地3个引出端,通过外接少量元器件即可实现稳压,使用非常方便,故称为三端集成稳压器。
78L05将DC12V变为DC5V。
78L05是78Lxx系列单片集成电路稳压器的一种型号它有一系列固定的电压输出,输出的固定电压就是xx。
例如78L05输出5V,78L33输出3.3V。
如果提供足够的散热,它就可以输出多达0.1A的电流。
最大输入电压为30V。
内部有热过载保护、短路保护,无需外加部件就能独立工作。
工作安全可靠,适合制作通用型、标称输出的稳压电源。
其缺点是输出电压不能调整,不能直接输出非标称值电压,与一些精密稳压电源相比,其电压稳定度还不够高。
78L05是第一模块的第一个芯片,它的作用是将直流12V变成直流5V,给单片机供电。
由于某些芯片的工作电压为DC3.3V或其他,78xx(79xx)系列是固定电压输出型,还有一类三端集成稳压器是输出可调型,这时增加芯片LM1117,改变电源电压,提供其他电压。
LM1117是第一模块的第二个芯片,正电压输出的低压降三端线性稳压芯片,在0.8A输出电流下的压降为1.2V。
通过两个外接电阻,可以使输出电压从1.25V~13.8V之间,也可以输出五种固定电压:
1.8V、2.5V、2.85V、3.3V和5V。
芯片内部有热过载保护、短路保护。
它的电路内部有稳压管确保输出电压精度在±1%之内。
此次选取型号为LM1117-3.3,输入电压为4.75V~10V,输出电压是3.3V。
作用是将直流5V变成3.3V,作备用电源。
在PCB板子上,超过1cm,电流就会有杂波。
为了得到平滑、干净的电流,每个电源控制芯片输入和输出必须有滤波电容,将电容并在负载上,可滤去交流纹波。
每个模块的每个芯片的输入电源,也要加一组滤波电容。
一般情况下,电解电容的作用是过滤掉电流中的低频信号,电容两端电压不能突变,因此可以使输出平滑;小电容滤高频信号,使输出电压纯净。
较小的电容并联对地,对高频信号提供了一个对地通路。
将一大一小两个电容并联,一般要求相差两个数量级以上,以获得更大的滤波频段。
(容值为100uF和104pF的电解电容和瓷片电容)。
3.2CPU、复位、晶振模块
图3-3CPU、复位、晶振模块
3.2.1复位电路
复位电路,就是利用它把电路恢复到起始状态,一是在给电路通电时马上进行复位操作;二是在必要时可以由手动操作。
单片机在启动时都需要复位,以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态,并从初态开始工作。
89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。
当系统处于正常工作状态时,且振荡器稳定后,如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期(24个振荡周期)以上,则CPU就可以响应并将系统复位。
单片机系统的复位方式有:
手动按钮复位和上电复位。
单片机为高电平复位,通过VCC5V、电容、电阻、按键组成复位电路。
通电瞬间,电容充电,相当于短路,电流到RST;电容充满电后,电源断开,下拉电阻将RST拉至低电平,CPU正常工作。
需要复位时,按键按下,将电容短路,RST为高电平达到了复位目的。
3.2.2晶振电路
晶体振荡器结合单片机内部电路产生单片机所需的固定时钟频率。
单片机晶振提供的频率越高,它的运行速率就越快。
单片机的一切指令执行都是建立在晶振提供的时钟频率。
XTAL1作为输入,XTAL2输出,晶振选用频率为12MHZ,电容一般在33pF以下,这里选用20pF。
3.2.3CPU
STC51系列单片机是美国STC公司最新推出的一种新一代超强抗干扰、高速、低功耗的8位单片机。
该器件的基本功能和指令代码与传统的51单片机完全兼容。
工作电压是3.8~5.5V,外形封装有40脚PDIP、44脚PLCC和PQFP等。
这里选用40脚PDIP封装。
一、基本组成:
1、中央处理器(CPU)
字长8位从00H~0FFH;
寻址空间为16位地址,最大为64KB,从00H~0FFFFH;
工作频率为0~40MHz。
2、存储器
①程序存储器:
0/4KB/8KB;
②数据存储器:
128B/256B。
③特殊功能寄存器(SFR):
51子系列有21个,52子系列有26个。
3、输入/输出接口
①并行口:
4个8位并行双向I/O接口电路:
P0、P1、P2、P3,共32个;
②串行口(UART):
1个串行全双工异步接口,可以多机通信。
4、定时/计数器:
51子系列有2个,52子系列有3个,都是16位,4种工作方式。
5、中断系统:
51子系列有5个,52子系列有6个中断源。
两个中断优先级。
6、时钟电路:
片内振荡器及时钟产生电路,需外接晶振。
7、布尔处理机:
有较强的位处理能力。
二、引脚
89C51系列有40条引脚。
简介如下:
1、电源线(2条)
VCC(20)电源线+5V
VSS(40)接地线GND
2、时钟引脚(2条)
XTAL1(19)、XTAL2(18)分别是片内振荡电路输入输出端。
3、端口线(8×4=32条)
4个8位并行I/O端口:
P0、P1、P2、P3。
P3口还有第二功能:
P3.0RXD串行数据接收口
P3.1TXD串行数据发送口
P3.2INT0外部中断0输入口
P3.3INT1外部中断1输入口
P3.4T0计数器0计数脉冲输入口
P3.5T1计数器1计数脉冲输入口
P3.6WR片外数据存储器写选通信号输出口
P3.7RD片外数据存储器读选通信号输出口
4、控制线(4条)
①RST/VPD(9)
Reset:
复位信号输入端,它是单片机正常工作的保证,高电平复位。
VPD:
VoltagePowerDown,备用电源
②EA/VPP(31)
ExternalAccessEnable:
片外程序存储器访问允许输入端。
当EA=0时,CPU访问片外程序存储器;当EA=1时,CPU访问片内程序存储器。
VPP:
VoltagePulseofProgramming,备用电源。
③编程电源ALE/PROG(30)
AddressLatchEnable:
地址锁存允许信号输出端。
单片机上电正常工作后,ALE引脚不断向外输出正脉冲信号,频率为振荡器频率fosc的1/6。
CPU访问片外存储器时,该信号作为将P0口输出的低8位地址锁存到片外地址锁存器中的控制信号。
PROG:
Programming,,编程器、烧录器、写入器等编程脉冲输入端。
④PSEN(29):
ProgramStoreEnable,片外程序存储器读选通信号输出端。
三、存储器配置
MCS-51单片机存储器是哈佛结构,即程序存储器和数据存储器分开设计。
还有一种只有一个地址空间,程序和数据可以随意安排在这一地址范围内不同的空间。
它是普林斯顿结构。
在单片机内部,程序存储器和数据存储器存贮器是分开制造的。
通常,程序存储器的容量较大,数据存储器的容量较小,这是单片机用作控制的一大特点。
1、程序存储器(ROM)通常存储的是指令、常数,具有掉电不失的特点,片内有4KB,片外可扩展64KB;
2、数据存储器(RAM)通常存储的是数据,可用程序改写,片内有128B,片外可扩展64KB。
从物理上划分为4个存储空间:
片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据存储器、片外数据存储器。
逻辑上有3个存储空间:
片内外统一编址的程序存储器、片内数据存储器、片外数据存储器。
数据存储器分为片内和片外:
①片外数据存储器
最大64KB从0000H~0FFFFH,片外数据存储器与片外I/O设备统一编址,(如A/D、D/A、I/O芯片等)
②片内数据存储器(低128B)地址范围从00H~7FH。
通用数据区(30H~7FH)共80个字节,用于存放的用户数据或作堆栈区使用。
位寻址区(20H~2FH)16个字节,即可按字节寻址,又可按位寻址,共128位。
用于开关决策、逻辑电路仿真、实时控制等。
工作寄存器区(00H~1FH),32个字节,4个工作寄存器组,每组R0~R7八个工作寄存器,图3-1特殊功能寄存器
由RS1、RS0两位决定目前使用哪组工作寄存器。
用于方便快速保护现场。
③特殊功能寄存器(SFR)地址范围:
80H~0FFH,只可用直接寻址方式访问。
51子系列有21个,52子系列有26个。
它们离散分布,控制、管理各个功能模块(中断、定时器、串行口……)
3.3键盘输入模块
8*8键盘,挂在P0总线上,采用列扫描方式。
P0口既是读行的输入,又是写列的输出。
矩阵式键盘工作时:
行高电平(由上拉电阻将行拉至高电平),列低电平(由CPU通过P0总线设置),有键按下,该行拉低接P0被CPU检测,
图3-4键盘输入模块
确定此行。
然后逐列变低电平扫描,当该行再次被拉至低电平,确定此列。
从而确定按键的位置。
此次设计用了2*8个按键,达到人机交互。
在PCB制图时,为了产品美观,排列成4行4列。
每一行将每个按键的一端连接在一起构成行线,每一列将每个按键的另一端连接在一起构成列线。
一共有2行8列共10根线。
这10根线连接到单片机的P0口上,通过CPU在不同时刻处理行和列的状态就能检测16个键。
以此方法,最多可以实现8行8列按键。
键盘的读和写都是由CPU来完成的,CPU工作时,需要不停地读和写数据,74HC574八D锁存器可以锁存行和列的状态。
它是高速CMOS8D锁存器,可控三态输出,总线驱动15个LSTTL负载,低功耗,高抗扰性。
操作电压为2V~6V。
每个输出管脚最大输出二极管电流±25MA。
通过控制OE为低电平时输出允许,CP的上升沿触发输入数据从D到输出Q。
当CP为下降沿时,锁存此时的D端
数据,直到上升沿的到来。
真值表如下
H:
高电平L:
低电平X:
高电平或者低电平
↑:
上升沿Q0:
前一个状态Z:
高阻态
图3-574HC574真值表
行列式键盘扫描两个74HC574。
以CPU为对象,连接键盘的行的74HC574是“读”,通过控制OE和CP,按键行的状态读入574并锁存在Q端供CPU检测处理。
连接键盘的列的574是“写”,同样通过控制OE和CP,使CPU的状态写入574并锁存在Q端,供CPU进行键盘行的扫描检测。
3.4传感器模块
此次设计的水位传感器没有在产品上设计,只保留了扩展接口。
此次设计为了检测水箱的水位,用软件模拟水位发光LED和数码管显示。
图3-6温度传感器模块
温度传感器DS18B20为扩展模块。
独特的单总线接口方式,与CPU的P1.7连接,只需一根线就可实现双向通信。
从数据线上获得电源,电源范围从3V~5.5V,测量温度范围广,从-55℃~+125℃,在-10℃~+85℃,精度为0.5℃,最高12位分辨率。
转换为12位数字输出最大只需要75ms,具有先问报警功能。
18B20有三种形态的存储器资源:
一是64位
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