基于單片機的水塔水位控制系統設計學士學位論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 圖 時鐘電路 時鐘芯片各引腳功能如下： Vcc1：主電源； Vcc2：備份電源。當 Vcc2Vcc1+ 時，由 Vcc2 向 DS1302 供電，當 Vcc2 Vcc1 時，由 Vcc1 向 DS1302 供電。 SCLK：串行時鐘，輸入，控制數據的輸入與輸出； I/O：三線接口時的雙向數據線； RST 為復位 引腳 ，在讀、寫數據期間，必須為高， X1 X2 為 32867Hz 晶振管腳，為芯片提供 時鐘脈沖 。 沈陽理工大學學士學位論文 7 顯示模塊電路及方案的選擇 方案 1： 用數碼管進行顯示。數碼管由于顯示速度快，使用簡單，顯示效果簡潔明了而得到了廣泛應用。 方案 2： 用 LCD 液晶進行顯示。 LCD 由于其顯示清晰，顯示內容豐富、清晰，顯示信息量大，使用方便，顯示快速而得到了廣泛的應用。單對于此系統我們不需要顯示豐富的內容，而且 LCD 液晶價格貴，因此我們放棄了此方案。 綜上所述我們選擇方案 1。 電源方案的選擇 方案 1： 采用 5V 蓄電池為系統供電。蓄電池具有較強的電流驅動能力以及穩定的電壓輸出性能。但是蓄電池的體積過于龐大，在小型電動車上使用極為不方便。因此我們放棄了此方案。 方案 2： 采用 3 節 V 干電池共 做電源，經過實驗驗證系統工作時，單片機、傳感器的工作電壓穩定能夠滿足系統的要求，但不環保。 方案 3： 采用 USB 接口給系統供電，不僅可以滿足方案二的要求，并且用起來方便，環保。 綜上所述采用方案 3。 水塔水位控制電路原理 基于單片機水塔水位控制原理如圖 所示，虛線表示的水位變化的上限和下限位置。在正常情況下，水位應在虛線范圍內進行控制。因此，在該塔的不同高度，安裝固定金屬棒 A、 B、 C 用以反映水位變化情況。其中， A 棒在下限水位， B 棒在上、下限水位之間， C 棒在上限水位。水塔由電機帶動水泵供水，單片機控制電機轉動，隨著供水，沈陽理工大學學士學位論文 8 水位不斷上升，當水位上升到上限水位時，由于水的導電作用，使 B、 C 棒均與 +5V 電源連通。因此 b、 c 兩端的電壓都為 +5V，即為“ 1”狀態。此時應停止電機和水泵工作，不再向水塔注水；當水位處于上、下限之間時， B 棒 和 A 棒導通，而 C 棒不能與 A 棒導通， b 端為“ 1”狀態， c 端為“ 0”狀態。此時電機帶動水泵給水塔注水，使水位上升，還是電機不工作，水位不斷下降，都應繼續維持原有工作狀態；當水位處于下限位置以下時， B、 C 棒均不能與 A 棒導通， b、 c 均為“ 0”狀態，此時應啟動電機轉動，帶動水泵給水塔注水。 圖 水塔水位控制原理 系統功能電路 沈陽理工大學學士學位論文 9 最小工作系統原理 圖 最小系統原理圖 此圖是單片機工作的最小系統原理圖，在這個電路中又可以分為復位電路和晶振電路，如圖 和圖 所示： 沈陽理工大學學士學位論文 10 圖 復位電路 復位電路可以分為上電復位和手動按鍵復位兩種。在系統上電的一瞬間單片機上電復位，原理是利用電容兩端的電壓不能突變，在一上電的瞬間電容好比短路，所以加在第九腳 RST 的電平是高電平，雖然時間很短，但是足以讓單片機系統復位。 手動按鍵復位的原理是，在系統正常工作的過程中可以手動觸動按鍵使單片機復位。具體原理是，按下 S1 按鍵，因此 5V 電壓經過一個 200 歐姆的電阻分壓后加到系統的 RST 上，手動按鍵按下到抬起的過程足以使系統復位。 圖 晶振電路 沈陽理工大學學士學位論文 11 對于單片機系統而言，晶振電路就好比是人的心臟一樣，是一個跳動的動力來源， 18,19號引腳接的是 的晶振。 蜂鳴器報警電路原理 圖 蜂鳴器報警功能電路 蜂鳴器報警功能電路使用的是三極管 8550 驅動，三極管 8550 是 PNP 三極管，射極接電源 +5V,基極通過一個電阻連接到 口，集電極接蜂鳴器，當 為高電平時，三極管截止，蜂鳴器沒有不響，當 為低電平時，三極管導通，蜂鳴器發出響聲。 電機驅動電路原理 圖 電機驅動原理圖 沈陽理工大學學士學位論文 12 電機驅動電路和蜂鳴器的電路基本相同，同樣使用 8550 三極管驅動，三極管的基極接 ，當 為高電平時，電機不轉動，當 為低電平時，電機轉動。 按鍵功能電路原理 圖 按鍵功能電路 按鍵功能電路里面有兩種按鍵，一種按鍵是模仿水塔水位開關的功能按鈕，一種是電機 PWM 輸出的調整按鈕。原理是通過一個 10k 的電阻接到 +5v 電源線上，當按鍵沒有按下時，按鍵沒有導通，所以沒有電流，但對于連到引腳上的那一端來講是高電平。當按鍵按下時，因為電路導通，有電流流過，和單片機引腳接觸的那一端接地，所以是低電平。因此能檢測到信號的變化，交給程序處理后做出相關的動作。 沈陽理工大學學士學位論文 13 4 系統軟件設計 系統主要軟件設計原理 當水位處于低水位的時候，低水傳感器檢測到低水位時，會產生一個低電平，送入單片機的 ， 單片機經過分析，在 P1口輸出一組信號，驅動數碼管顯示當前水位， ， 電平驅動紅色 LED，指示當前水泵有在進行抽水工作， 當水位處于正常范圍內時，水泵加水，紅色 LED 亮 ； 當水位在高水位區時，高水位傳感器檢測到高水位時，會產生一個低電平，送入單片機的 ，單片機經過分析，在 P1口輸出一組信號，驅動數碼管顯示當前水位， ，使三極管截止，從而使水泵停止工作， 口輸出高平，紅色 LED 滅。 當需要手動加水時，按下手動加水鍵，水泵啟動進行加水，紅色 LED 亮，當水位處于各水位狀態時（高水位除外）數碼管顯示各水位，水泵抽水， LED 亮，當水位處于高水位時，高水低傳感器檢測到高水位時，經單片機分析，水泵停止抽水， LED 滅。在手動抽水或自動抽水的過程中，如需要停止加水 時，按下停止加水鍵，水泵停止加水。 表 41 水位檢測信號與輸出控制操作關系 編程語言介紹 C 語言簡介 早期的 C 語言主要是用于 UNIX 系統。由于 C 語言的強大功能，并逐漸為人們知道P22 P23 P24 P25 P26 P27 P21 P20 輸出控制動作 顯示 0 1 1 1 1 1 1 1 水泵抽水 1 1 0 1 1 1 1 1 1 保持上一狀態 2 1 1 0 1 1 1 1 1 保持上一狀態 3 1 1 1 0 1 1 1 1 保持上一狀態 4 1 1 1 1 0 1 1 1 保持上一狀態 5 1 1 1 1 1 0 1 1 水泵停止抽水 6 * * * * * * 0 1 水泵抽水 顯示當前水位 * * * * * * 1 0 水泵停止抽水 顯示當前水位 沈陽理工大學學士學位論文 14 的優點，由八十年代， C 開始進入其它操作系統，并很快在各類大，中，小和微型計算機已廣泛使用。成為了目前最優秀的編程語言之一。 C 語言是一種結構化語言，易于組織程序的方式，而且很容易調試和維護。 C 語言的性能和處理能力很強，它不僅富含操作者和數據類型，很容易實現各種復雜的數據結構。它也可以直接訪問所述存儲器的物理地址，進行位 (bit)一級的操作。由于 C 語言實現了對硬件的編程操作， C 語言集高級語言和低級語言的功能于一身。它可以在系統軟件的開發中使用，并且它也適合于應用軟件的開發。另外，在 C 語言具有效率高，可攜帶等特點 。因此它是廣泛移植到各類計算機，并且它形成多種 C 語言 C 語言對操作系統和系統使用程序以及需要對硬件進行操作的場合，用 C 語言明顯優于其它高級語言，許多大型應用軟件都是用 C 語言編寫的。 C 語言具有繪圖能力強，可移植性，并具備很強的數據處理能力，因此適于編寫系統軟件，三維，二維圖形和動畫它是數值計算的高級語言。 C 語言的特點 （ 1）簡潔、靈活方便 :C 語言只有 32 個關鍵字 ,9 種控制語句，程序書寫自由，主要表現為小寫字母。它結合了高級語言的基本結構和語句與低級語言的實用性。 C 語言可以和匯編語言一樣 對位、字節和地址進行操作 , 而這三個是計算機最基本的工作單元。 （ 2）豐富的運算符 :C 語言的運算符包含的范圍很廣泛，共有種 34 個運算符。 C 語言把括號、賦值、強制類型轉換等都作為運算符處理。從而使 C 的運算類型豐富話和多樣化，靈活使用各種運算符可以實現在其它高級語言中難以實現的運算。 （ 3）數據結構極其豐富 :C 的數據類型有：整型、實型、字符型、數組類型、指針類型等。能用來實現各種復雜的數據類型的運算。并引入了指針的概念 ,使程序的效率大大提高。另外 C 語言具有強大的圖形處理功能 , 支持多種顯示器和驅動器。 （ 4） C 是結構式語言 :結構式語言的顯著特點是代碼及數據的分隔化 ,即程序的各個部分除了必要的信息交流外彼此獨立。這種結構化方式可使程序層次清晰 , 便于使用、維護以及調試。 C 語言是以函數形式提供給用戶的 ,這些函數可方便的調用 ,并具有多種循環、條件語句控制程序流向 ,從而使程序完全結構化。 （ 5） C 語法限制不太嚴格、程序設計自由度大 :一般的高級語言語法檢查比較嚴，能夠檢查出幾乎所有的語法錯誤。而 C 語言允許程序編寫者有較大的自由度。 （ 6） C 語言程序生成代碼質量高，程序執行效率高 :一般只比匯編程序生成的目標 代碼效率低 10 へ 20%。 沈陽理工大學學士學位論文 15 （ 7） C 語言適用范圍大，可移植性好 :C 語言有一個突出的優點就是適合于多種操作系統。 C 語言源程序的結構特點 （ 1）一個 C 語言源程序可以由一個或多個源文件組成。 （ 2）每個源文件可由一個或多個函數組成。 （ 3）一個源程序不論由多少個文件組成，都有一個且只能有一個 main 函數，即主函數。 （ 4）源程序中可以有預處理命令 (include 命令僅為其中的一種 )，預處理命令通常應放在源文件或源程序的最前面。 （ 5）每一個說明，每一個語句都必須以分號結尾。但預處理命令，函數頭和 花括號“ }”之后不能加分號。 (6)標識符，關鍵字之間必須至少加一個空格以示間隔。若已有明顯的間隔符，也可不再加空格來間隔。 系統程序的設計 系統程序設計步驟 程序設計就是用計算機所能接受的語言把所需解決問題的步驟逐一描述出來，也就是編制計算機的程序，在設計應用系統時，軟件的編制是重要環節。軟件的質量直接影響整個系統功能的實現。應用程序的設計因系統而異，但程序設計總是有共同特點及其規律的。在編寫程序時，采取如下幾個步驟： （ 1）清楚的分析問題和解決問題，將軟件分成數個獨立的部分。根據函數的關系和時間順序，設計合理的軟件結構。 （ 2）制定合理的程序框圖，這不僅僅是程序設計的一個重要組成部分，而且是決定成功與否的很關鍵部分。 （ 3）合理準確的分配系統資源，包括定時器，計數器，中斷、堆棧等。分配好單元之后，再將程序框圖畫成詳細的操作流程圖。 （ 4）由編寫出的程序的流程圖和指令系統編寫程序。 （ 5）程序的調試。通過編譯軟件編輯出源程序，然后用編譯程序匯編后生成目標代碼。如果源程序有語法錯誤，需修改源文件后繼續編譯，直到無語法錯誤為止 ，然后利用目標代碼通過仿真器進行程序調試，排除設計和編程中的錯誤直到成功。 （ 6）程序優化。使各功能程序模塊化，子程序化，縮短程序長度，加快運算速度，縮沈陽理工大學學士學位論文 16 短程序執行時間。 程序流程圖 圖 水塔水位控制系統流程圖 程序源代碼 程序源代碼使用 C 語言編寫，使用 C 語言編寫程序效率高，調用方便。詳細源代碼見附錄 C。 沈陽理工大學學士學位論文 17 5 實驗仿真及結果 根據所設計系統的軟件流程圖，編寫相應的程序在 Proteus 軟件環境下實際仿真，實驗結果表明，該系統能成功實現了水位檢測、電機故障檢測、處理和報警等功能，具有良好的檢測控制功能，可移植性和擴展性強。通過制作 PCB 板子，該系統已成功運用于某實驗水冷卻系統。 Proteus 仿真軟件介紹 Proteus 是目前最好的模擬單片機外圍器件的工具。可以仿真 51， 52 系列、 AVR， PIC等常用的 MCU 及其外圍電路（如 LCD， RAM， ROM，鍵盤，馬達， LED， AD/DA，部分 SPI 器件，部分 IIC 器件， ...）其實 proteus 與 multisim 比較類似，只不過它可以仿真 MCU。當然，軟件仿真精度有限，而且不可能所有的器件都找得到相應的仿真模型，用開發板和仿真器當然是最好選擇，用 51,52 不管用匯編或是 C 編程必須要用 keil。 Proteus 與其他仿真軟件的