单片机的电话报警器设计.docx
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单片机的电话报警器设计
1引言
1.1研究背景
在社会经济飞速发展的今天,水在人们生活和生产中起着越来越重要的作用。
一旦断水,轻则给人民生活带来极大的不便,重则可能造成重大的生产事故及损失。
因此,对水位的自动检测及控制的研究,有着极其重要的地位。
任何时候都能提供足够的水量,平稳的水压,合格的水质,是对供水系统的基本要求。
就目前而言,多数工业生活供水系统,都采用水塔,层顶水箱等基本储水设备,由一级二级水泵从地下市政水管补给,因此如何建立一个可靠安全又利于维护的给水系统是值得我们研究的课题。
现今社会,自动化装置无所不在,在控制技术需求的推动下,控制理论本身也取得了显著的进步。
水塔水位的监测和控制,再也不需要人工进行操作。
实践证明,自动化操作,具有不可替代的应用价值。
在工农业生产以及日常生活应用中,常常会需要对容器中的液位(水位)进行自动控制。
比如自动控制水箱、水池、水槽、锅炉等容器中的蓄水量,生活中抽水马桶的自动补水控制、自动电热水器、电开水机的自动进水控制等。
虽然各种水位控制的技术要求不同,精度不同,但基本的控制原理都可以归纳为一般的反馈控制方式,就是利用传感器对于信号的提供通过单片机对数码显示、电机控制、报警控制部分的控制。
本设计从分析水塔水位报警器的原理和设计方法入手,主要基于单片机的硬件电路和语言程序设计,实现一种能够实现水位自动控制、具有自动保护、自动声光报警功能的控制系统。
本控制系统由A/D转换部分、单片机控制部分、数码显示部分、电机驱动部分、电机控制部分等构成。
这是个简单而灵敏的监测报警电路,操作简单,接通电源即可工作。
因为大部分电路采用数字电路,所以本水位监测报警器还具有耗能低、准确性高的特点。
该系统设计新颖、简易,灵敏度高,工作稳定,能够自动检测与显示当前水位、高低水位报警等功能
水位自动控制电路是通过水位传感器将水位高度转换为0—10V的直流电压,再经过A/D转换后,将转换所得的8路并行数字量送入单片机进行处理来达到对水位进行自动控制的目的。
通过对电压和水位的转换关系,最终利用单片机进行精确的控制,实现对水位高度的显示、主/备电机和报警装置的控制。
主要的工作原理是通过水位传感器将水位信号转变成电信号,在通过A/D转换部分位传感器的电信号进行转换处理。
提供给单片机,利用单片机连接显示系统,电机系统和报警系统完成对水位的检测与控制。
此项设计有利工业和生活用水的控制。
1.2项目研究意义
单片机是计算机家族中既年轻却又十分重要的成员,虽然它的问世比第一代计算机整整晚了30年,在整体功能和价格水平等方面也远不如其它类型的计算机,但无论是尖端科技,如航空、航天、军事、通信、能源、交通IT,还是现代工业、农业、办公自动化和日用家电等诸多领域都离不开单片机,其使用率和普及率之高,远远的超过了其他类型的计算机。
课堂上我们虽然也学习了关于单片机的理论知识,但只有在实际的制作中才能让我们真正掌握单片机技术。
目前应用较广泛的单片机有51系列单片机、AVR单片机以及PIC单片机,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。
这种计算机是把智能赋予各种机械的单片机。
顾名思义,这种计算机的最小系统只用了一片集成电路,即可进行简单运算和控制。
它体积小,在整个装置中,起着有如人类头脑的作用。
单片机的诞生是计算机发展史上的一个新的里程碑,近年来,随着单片机档次的不断提高,功能的不断完善,其应用日趋成熟、应用领域日趋扩大,特别是工业测控、尖端武器和日用家电等领域更是因为有了单片机而升辉增色。
现在,这种单片机的使用领域已十分广泛,如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。
各种产品一旦用上了单片机,就能起到使产品升级换代的功效,常在产品名称前冠以形容词——“智能型”。
在很长一段时间里,通用型单片机通过三总线结构扩展外围器件成为单片机应用的主流结构。
随着低价位OTP(OneTimProgrammable)及各种类型片内程序存储器的发展,加之处围接口不断进入片内,推动了单片机“单片”应用结构的发展。
特别是I2C、SPI等串行总线的引入,可以使单片机的引脚设计得更少,单片机系统结构更加简化及规范化,通过本次设计,使我们加深了串行总线的工作原理和使用方法。
通过该课题的研究,还让我温习了数模电知识,了解了多种芯片的运用,加强了我们使用Protel软件绘制电气原理图和印制版图的能力,收集资料、消化资料和综合资料的能力,及综合利用专业及基础知识,解决实际工程技术问题的能力。
本课题研究设计了一种基于单片机技术的自动控制系统。
该自动控制系统通过采用AT89C2051单片机为工作处理器核心,外接压力传感器,能够通过对水压的大校测定来得到水位的高度,并将其转化为相应的电信号输出,通过对水位的精确测量来控制水位。
该自动控制系统的最大特点就是使用户能够操作简单、易懂、灵活;且安装方便、智能性高、误报率低,同时它的信号经过单片机系统处理后方便和PC机通信,便于多用户统一管理。
随着现代人们安全意识的增强以及科学技术的快速发展,相信这种自动控制系统必将在更广阔的领域得到更深层次的应用。
[2]
1.3发展方向
从消费者的角度来看,智能化自动化的仪器市场的需求已经逐渐明朗:
就是以实用为核心,力求实用、易用、人性化,自动化。
虽然科技飞速发展,信息技术日新月异,但是如何将这些技术引入智能划产品之中,如何打造出真正实用的智能划产品,这才是最值得关注的问题。
如智能划产业界所体现的两大技术趋势正是发展方向:
1、领先的自动控制技术;2、不依靠PC的独立形态。
致力于智能划产品的应用接轨,很多问题并不在于技术水平的高低,而在于怎样去做到实用、易用、人性化,只有更加贴近实用、易用和人性化的智能划概念,才能真正提高人们的生活品质,才能真正体现智能划的价值,这也是现代科技价值的核心所在。
可以肯定,智能划将在未来的电子产业占据非常重要的地位,本课题即是从中获得启发而确定,以实用、易用、人性化为设计标准。
而我们所设计的这种简易的水位自动检测及控制系统,非常符合现代人的日常生活所需。
所以,我们相信,我们的设计,很贴近我们的日常生活,位广大人民所需要,有着十分广大的发展前景。
2设计的任务、要求和研究设想
课题拟设计一款基于单片机而制作的智能型水位自动检测及控制系统。
要求利用51单片机完成水位自动检测及控制系统设计,当水位自动检测及控制系统进入工作状态后,CPU不断检查触发开关的状态,当水位达到最低点时,警报器发出低水位警报一段时间,红灯闪烁,电机自动开始抽水。
当加水到最高水位时黄色灯闪烁,报警器报警,电机停止工作。
当水位在正常水位内,绿灯亮电机和报警器都不工作。
具体设计需要达到的要求和实现的功能如下:
(1)可实现自动报警。
(2)可实现自动加水和自动停止加水。
(3)可通过水位变化,实现向外界报警。
本设计包括硬件和软件设计两个部分。
硬件部分包括采样处理部分、单片机控制部分、数码显示部分、电机驱动部分、电机控制部分等构成。
处理器采用51系列单片机AT89C2051。
整个系统是在系统软件控制下工作的。
水位传感器获得水位高度后,经过转换送入单片机进行处理达到对水位自动控制的目的。
通过对电压和水位的转换关系,最终利用单片机进行精确控制,实现对水位高度的现实、电机和报警装置的控制。
3系统设计
3.1方案比较
3.1.1传感器选择方案
传统的水位检测通过设检测点来完成对水位的检测。
通常,由于受检测点物理体积的影响,水位检测点的数目有限,从而影响了后续电路控制的精度。
本设计,采用新型水位传感器,可以达到对水位高度的精确检测,以利于提高后续电路控制的精度。
3.1.2A/D转换方案
通过对传感器的选择,可知由传感器输出的水位高度信号是0~10V的直流电压。
在设计中,可以通过采样、保持电路对这一信号进行处理,将模拟信号转换为多个采样点信号。
但这种处理方法由于受电路规模和采样精度的影响,不可能对水位信号作出精确的处理,近而也无法对电机、水位高度显示和报警作出精确的控制。
因此,本设计中采用集成芯片ADC0809对0~10V的直流电压进行处理。
可以达到:
①电路简洁、明了。
②高转换精度。
③高控制精确。
3.1.3单片机复位方案
RST/VPD:
复位/备用电源线,可以使单片机处于复位(即初始化)工作状态。
通常,单片机的复位有自动上电复位和人工按钮复位两种,图2.2.3给出了它们的电路。
考虑到,水塔与居民生活密切相关,当因特殊原因导致单片机掉电,需单片机立即自动复位(如:
夜间短时间停电,导致本系统停止工作),故本设计采用上电复位方式。
3.1.4单片机起振方案
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器,石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
也可以采用外部时钟源驱动器件。
考虑到设计、使用的方便,本设计中采用片内时钟驱动。
即XTAL1和XTAL2只需外接晶振(配上相应的电容),便可以给单片机提供相应的时钟频率。
3.1.5驱动显示方案
本设计中需将水塔水位高度在数码管中进行显示,有两种方案选择:
①利用MAX7219进行驱动:
MAX7219是一种高集成化的串行输入/输出的共阴极LED显示驱动器。
每片可驱动8位7段加小数点的共阴极数码管,可以数片级联,而与微处理器的连接只需3根线。
MAX7219内部设有扫描电路,除了更新显示数据时从单片机接收数据外,平时独立工作,极大地节省了MCU有限的运行时间和程序资源。
②利用74LS48驱动数码管:
与单片机连接较为复杂,需占用单片机8个端口。
且在与数码管连接时需附加上拉电阻,用以完成数码管的驱动。
考虑到本设计中,需显示的位数较少(两位),若利用MAX7219驱动数码管,将造成资源浪费,且MAX7219芯片价格较高,采用后大大提高成本支出。
同时,随着MAX7219的使用(对MAX7219的编程)将提高源程序的复杂度,对编译、调试和单片机运行效率都将造成影响。
故设计中采用74LS7448驱动数码管显示。
3.1.6电机驱动方案
利用单片机驱动交流接触器,进而驱动电动机的运转。
其中,在单片机的输出端到交流接触器间需接驱动模块。
该驱动模块,可以由分离元件组成放大电路来实现对交流接触器的驱动,也可以单使用一块芯片实现。
本设计中,采用一块芯片实现对交流接触器的控制。
以达到使电路简洁,调试方便,易于维修的目的。
3.1.7电机选择方案
电动机有支流、交流之分。
异步电动机属于交流电机的一种;另一种交流电机是同步电机。
异步电机由于结构简单,维护方便,价格便宜,所以应用最为广泛。
本设计中,采用交流电机,为了克服沿程阻力损失和高度差所产生的静压力,供水水泵的扬程应根据实际情况有所变化。
3.2方案论证
3.2.1总体思路
①水位高度的检测:
利用水位传感器完成。
②传感器输出信号处理:
传感器输出信号,有直流电压和直流电流之分。
设计中需将这一信号进行处理,以便单片机能够接收和处理。
③单片机控制:
单片机将由前级输入的检测信号进行分析和处理,从而产生相应的控制信号。
④数码显示、电机驱动和报警电路根据单片机产生的控制信号,作出相应的动作。
⑤电机控制电路根据电机驱动电路的状态作出相应的动作。
3.2.2设计方案
水位自动控制电路是通过水位传感器将水位高度转换为0—10V的直流电压,再经过A/D转换后,将转换所得的8路并行数字量送入单片机进行处理来达到对水位进行自动控制的目的。
通过对电压和水位的转换关系,最终利用单片机进行精确的控制,实现对水位高度的显示、主/备电机和报警装置的控制。
水位自动控制器由6个部分组成,即水位传感器、A/D转换、单片机、数码显示、电机控制、报警控制部分,其总框图如图3.2.2所示。
图3.2.2-设计总框图
4硬件设计
4.1单元模块设计
4.1.1A/D转换设计
AT89C51与ADC接口时必须弄清并处理好三个问题:
①要给START线送一个100ns宽的启动脉冲。
②获取EOC线上的状态信息,因为它是A/D转换结束的标志。
③要给“三态输出锁存器”分配一个端口地址,也就是给OE线上送一个地址译码器输出信号。
AT89C51和ADC接口通常采用查询和中断两种方式。
采用查询法传送数据时AT89C51应对EOC线查询它的状态:
若查询到EOC变为高电平,则给OE线送一个高电平,以便从D0—D7线上提取A/D转换后的数字量。
采用中断方式传送数据时,EOC线作为CPU的中断请求线。
CPU响应中断后,应在中断服务程序中使OE线变为高电平,以提取A/D转换后的数字量。
ADC0809内部有一个8位“三态输出锁存器”可以锁存A/D转换后的数字量,故它本身即可看作一种输入设备,也可认为是并行I/O接口芯片。
因此,ADC0809可以直接和AT89C51接口,当然也可以像8255这样的接口芯片连接。
在本设计中采用ADC0809和AT89C51直接连接,如图4.1.1所示,START和ALE互连可使ADC0809在接收模拟量路数地址时启动工作。
START启动信号由AT89C51WR-和译码器输出端F0H经或门M2产生。
4.1.2起振电路设计
石英晶振起振后,应能在XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波,以使AT89C51片内的OSC电路按石英晶振相同频率自激振荡。
通常,OSC的输出时钟频率FOSC为0.5~16MHz,典型值为12MHz或11.0592MHz。
电容C1和C2可以帮助起振,典型值为30pf,调节它们可以达到微调FOSC的目的。
本设计中,晶振采用12MHz,CI和C2取30pf。
其连接电路如图4.1起振电路所示。
4.1.3数码显示设计
用7448可以直接驱动共阴极的半导体数码管,由图3.3.3—7448输出端可以看到,当输出管截止、输出为高电平时,流过发光二极管的电流是由Vcc经2k欧上拉电阻提供的。
当Vcc=5V时,这个电流只有2mA左右。
如果数码管需要的电流大于这个数值时,则应在2k欧的上拉电阻上在并联适当的电阻。
用7448驱动半导体数码管的连接方式如图3.3.3—数码显示所示。
4.1.4电机驱动设计
电感线圈是一种感性负载,当流过线圈的电流发生变化时线圈会发生很大的反电动势,这个反电动势有可能损坏驱动器中的输出晶体管。
因此,为了防止驱动器损坏,线圈两端必须加箝位二极管。
图3.3.4为采用SN75467驱动交流继电器的电路图。
当AT89C51在P2.0上输出低电平时,SN75467相应的输出晶体管导通,继电器线圈中有电流流过,继电器吸合;当AT89C51在P2.0上输出高电平时,驱动器相应输出晶体管截止,继电器线圈中无电流流过,继电器不吸合,触电常开。
在图3.3.4中,二极管用于箝位线圈两端可能出现的反电动势。
4.1.5电机控制
①三相电动机单向启动控制:
图3.3.5.1为三相电动机单向启动控制图。
图中左侧是主电路图,右侧是辅助电路图。
主电路构成:
三相交流电源开关QS->熔断器FU1->交流接触器主触头KM->热继电器发热元件FR->电动机M。
控制电路的构成:
停止按SB1->启动按钮SB2->接触器线圈KM->热继电器动断触头FR构成回路。
从该电路图可以知道。
⑴启动、停止按钮控制电动机启动或停止。
⑵热熔器作为短路保护。
⑶热继电器作为过载保护。
②三相电动机单向控制(工作原理):
异步电动机接入电网的瞬间,启动电流大约是额定电流的4~7倍。
过大的启动电流会造成电网电压的变化过大;对于启动时间较长的电机,过大的启动电流对电机会造成损害。
所以除了小型异步电动机外,大多数异步电动机采用压降启动方式,以减小启动电流。
常见的降压启动方式有Y/△降压启动、沿边三角形降压启动、自耦变压器降压启动等。
本设计采用自耦变压器降压启动,其工作原理如图3.3.5.2所示:
4.1.6报警电路
报警电路,如图3.2.7所示。
当AT89C51的P2.0管脚有高电平输出时,SPEAKER发出报警声。
4.2系统整机分析
整机电路图见附录二。
本设计是通过水位传感器(见附录一)对水位高度(0~10m)进行采样、量化后,输出0~10V的直流电压。
再经过信号处理电路将这一直流模拟量转换为8位的并行数字量,并送入单片机进行处理。
在单片机中将输入的8位数字量进行量化数为100的量化处理,并根据这一量化将水位高度控制转化为对状态00~99的控制,其中状态00对应0.0m、状态01对应0.1m、…状态99对应9.9m。
根据这一对应关系,设置四个水位控制点,分别为:
10、20、60、80。
①:
当状态在00~10时:
主、备电机工作,报警电路工作(一高一低)。
②:
当状态在10~20时:
主、备电机工作,报警电路停止工作。
③:
当状态在20~60时:
主电机工作、备电机停止工作,报警电路停止工作。
④:
当状态在60~80时:
主电机工作、备电机停止工作,报警电路停止工作。
⑤:
当状态在80~99时:
主、备电机停止工作,报警电路工作(常高)。
⑥:
根据状态00~99的不同,分别将00~99输出到数码显示部分。
根据上述状态,即可分别对数码显示、SPEAKER和电动机(主、备)实现单片机的自动化控制。
5PCB制板
5.1PCB板图的绘制
在PCB的设计中,其实在正式布线前还有几个步骤:
(1)系统规格
(2)系统功能区块图
(3)将系统分割成几个PCB
(4)决定使用封装方法和各PCB的大小
(5)绘出所有PCB的电路图
(6)初步设计的仿真运作
(7)PCB上的布局、布线
(8)布线厚电路测试
(9)建立制作档案
PCB的设计流程分8个步骤:
(1)PCB设计准备
(2)网表输入
(3)规则设置
(4)元器件布局
(5)布线
(6)检查
(7)复查
(8)设计输出
5.2元件安装焊接及系统调试
5.2.1元件安装
元件安装的基本要求:
(1)保证导通与绝缘的电气特性。
(2)保证机械强度。
5.2.2焊接注意的基本事项
焊接是电子产品装配中的一个重要步骤,每一个焊接点的质量都关系着整个电子产品的质量,它要求每一个焊接点都有一定的机械强度和良好的电气性能,所以它是保证产品质量的关键环节。
要完成一个良好的焊点主要取决与以下几点:
(1)被焊的金属材料应具有良好的可焊性:
铜的导电性能良好且易于焊接所以通常用铜制作元器件的引脚、导线及印制电路板上的焊点。
(2)被焊的金属表面要保持清洁:
在被焊的金属表面上一旦生成氧化物或有污垢,就会严重阻碍焊点的形成。
(3)使用合适的助焊剂:
助焊剂是一种带略酸性的易熔物质,它在焊接过程中起清除被焊的金属表面上的氧化物和污垢的作用。
(4)焊接过程要有一定的时间和温度焊接时间一般不要超过3秒,时间过长则易损坏被焊元件,但时间过短,则容易形成虚焊和假焊。
焊点的质量检查标准可以从焊点外观和焊点的机械强度与电气性能等方面进行检查,主要看焊点的光亮度、被焊接用锡量的多少、焊点的形状有无毛刺、气泡,焊点有无虚焊,有无两个焊点桥连等。
结论
单片机在目前的发展形势下,表现出几大趋势:
①可靠性及应用越来越水平高和互联网连接已是一种明显的走向。
②所集成的部件越来越多;NS(美国国家半导体)公司的单片机已把语音、图象部件也集成到单片机中,也就是说,单片机的意义只是在于单片集成电路,而不在于其功能了;如果从功能上讲它可以讲是万用机。
原因是其内部已集成上各种应用电路。
③功耗越来越低和模拟电路结合越来越多。
随着半导体工艺技术的发展及系统设计水平的提高,单片机还会不断产生新的变化和进步,最终人们可能发现:
单片机与微机系统之间的距离越来越小,甚至难以辨认。
此次设计自己在理论上、仿真上都很成功,但是在实际的调试过程中显示部分却出现了问题。
原因是芯片的封装与设计时的不同,结果引起显示部分个芯片管脚的电位混乱,再处理这些问题时自己显的不冷静,出现很多没必要的错误,因设计过程中耗费了大量时间,所以没有足够的时间调试和改进,这让自己懂得了,做任何学问都要一丝不苟,对出现的任何问题和偏差都不能轻视,要通过正确的途径区解决,做事情的时候要有耐心和毅力,不要一遇到困难就打退堂鼓,只要坚持下去就能找到解决问题的思路和办法,在工作中要学会与人合作,认真听取别人的意见,这样做事也会事半功倍。
当然整个实验过程中自己也收获颇多,对电路的设计有一大致的了解并能自己动手完成一些简单的电路设计、制板及调试的过程,极大地提高了自己的动手能力,也让自己懂的了实践才是检验真理的唯一标准,当然也是检验学习成果的标准。
在经过一段时间的学习之后,我们需要了解自己的所学应该如何应用在实践中,因为任何知识都源于实践,归于实践,所以要将所学的知识在实践中来检验。
“不积跬步无以至千里”,这次毕业论文能够最终顺利完成,归功于各位任课老师四年间的认真负责,使我能够很好的掌握专业知识,并在毕业论文中得以体现。
也正是你们长期不懈的支持和帮助才使得我的毕业论文最终顺利完成。
最后,向淮阴工学院与电子与电气工程学院的全体老师们再次表示衷心感谢:
谢谢你们,谢谢你们四年的辛勤栽培!
致谢
在论文完成之际,首先感谢我的指导老师叶老师。
叶老师在毕业设计上给予了耐心、细致的指点和帮助,不辞辛劳悉心指导我的论文工作,从选题到论文完成,都凝聚着教授的辛劳和汗水。
叶老师严谨的治学态度,务实的工作作风,以及高度的责任心,深深地影响着我,激励着我。
在此,谨向恩师表示我深深的敬意和诚挚的谢意。
同时,衷心的感谢班主任孙莉老师给予我很大的帮助。
并感谢我的搭档王旭同学在资料的查阅和问题的讨论中给予我极大的帮助。
最后感谢系里的领导及老师大学四年对我的教导的支持。
向所有关心、支持和帮助过我的朋友们表示最诚挚的谢意。
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