水位自动控制系统设计

华南师范大学增城学院课程论文题目：水位自动控制系统设计课程名称《微型机控制技术》考查学期2013/2014学年第2学期考查方式课程论文姓名学号专业应用电子成绩指导教师水位自动控制系统设计1摘要...............................................................................................................................2一、设计内容：...........................................................................................................3二、硬件电路设计.......................................................................................................32.1系统框图设计...............................................................................................32.2单片机最小系统...........................................................................................42.4水位传感器的电路.......................................................................................72.5液晶1602显示设计.....................................................................................82.6键盘功能设计.............................................................................................112.7电机驱动电路.............................................................................................112.8报警电路设计.............................................................................................12三、软件程序设计.....................................................................................................133.1主程序流程图.............................................................................................133.2键盘控制流程图.........................................................................................153.3显示流程图.................................................................................................153.4水位测量流程图.........................................................................................163.5PWM电机驱动程序.....................................................................................173.6水位报警程序.............................................................................................18四、调试过程.............................................................................................................18五、心得体会.............................................................................................................19六、参考文献.............................................................................................................21七、附录.....................................................................................................................22水位自动控制系统设计2摘要水塔是在日常生活和工业应用中经常见到的蓄水装置，在我们的生活中起到了重要的作用，而水塔里面的水位控制是一个水塔发挥作用的关键。基于单片机的水塔水位控制系统使水塔水位自动保持在一定的位置，通过对其水位的控制对外供水，以满足需要。该系统使用水位传感器对水塔水位进行检测并将检测到的信号传给单片机来进行处理，通过调整定时器的定时时间来增大或者缩小占空比，并编写程序加以控制，从而实现电机的调速。最后，使用液晶屏显示当前水位状态以及电动机的转速。该系统通过了报警模块来实现了过低水位蜂鸣器鸣笛报警、过低警戒水位自动处理、正常水位蜂鸣器鸣笛报警以及正常水位处理。本系统适应在不同的用水场合下的用水速度需要，节省工作时间，提高了整体工作的效率，实现水塔水位的自动控制。液位控制是工业控制中的一个重要问题，针对液位控制过程中存在大滞后、时变、非线性的特点，为适应复杂系统的控制要求，人们研制了种类繁多的先进的智能控制器，模糊PID控制器便是其中之一。模糊PID控制结合了PID控制算法和模糊控制方法的优点，可以在线实现PID参数的调整，使控制系统的响应速度快，过渡过程时间大大缩短，超调量减少，振荡次数少，具有较强的鲁棒性和稳定性，在模糊控制中扮演着十分重要的角色关键词：水位控制；单片机；模糊PID控制水位自动控制系统设计3一、设计内容：这设计课程是为了确保水位在水塔的允许的范围内浮动，采用了水位传感器测量水位变化，从而控制电动机，保证水位正常。因此，这里给出以STC89C52单片机为核心器件的水塔水位检测控制系统，该系统能实现水塔水位检测、LCD1602显示当前水位功能以及蜂鸣器鸣笛报警，手动按键调整PWM电机调速功能，实现过低和正常警戒水位报警、过低和正常警戒水位处理的系统要求。按下电源按钮后，灯会闪烁几下，然后是常亮状态，蜂鸣器会响。电机不会转的，此时系统在待机状态，且为正常状态。要先选择好电机的抽水速度是哪个档位，共有4个档位。档位越高，速度越快。在电机转的时候，按下选择档位，电机立马会停止的，这个是一个软件安全冗余的设计理念。电机在水位模拟传感器端口（低水位）按下后，说明水位太低，电机转动，此时蜂鸣器会响一下，灯会闪烁几下，以此表示报警，并且液晶也会显示水位太低。当水位模拟传感器端口（正常水位）按下后，说明水位已经到正常状态，电机停转，此时蜂鸣器也会响一下，灯一样会闪烁，以此表示报警，且液晶屏也会显示水位正常。而PWM速度调整就是档位的选择，必须在电机停止的状态下去选择电机输出的速度。二、硬件电路设计2.1系统框图设计系统的总体框图主要由主控芯片基本电路、按键电路、电动机和蜂鸣器驱动电路、液晶显示电路组成。除主控芯片电路外，其他的都是外围功能性电路。蜂鸣器和电动机电路驱动原理基本相同，都为三极管驱动电路，按键电路为平常的独立按键电路，液晶电路参考设计手册既可。电路设计框图如图2.1所示：水位自动控制系统设计4图2.1水塔水位控制系统总框图2.2单片机最小系统STC89C52是一款完全兼容8051内核指令的芯片，是宏晶科技公司的新一代增强性的8051单片机[9]。采用最新的加密技术解决了全球89系列单片机都被解密的困惑。并且管脚完全兼容，性能更好，驱动力更强，功耗更低，价格也比传统的89系列低[10]。STC89C52的引脚说明图如图3-1水位自动控制系统设计5图3-2STC89C52的引脚图说明图3-4最小系统原理图此图是单片机工作的最小系统原理图，在这个电路中又可以分为复位电路和晶振电路，如图3-4和图3-5所示：图3-5复位电路水位自动控制系统设计6复位电路可以分为上电复位和手动按键复位两种。在系统上电的一瞬间单片机上电复位，原理是利用电容两端的电压不能突变，在一上电的瞬间电容好比短路，所以加在第九脚RST的电平是高电平，虽然时间很短，但是足以让单片机系统复位。手动按键复位的原理是，在系统正常工作的过程中可以手动触动按键使单片机复位。具体原理是，按下S1按键，因此5V电压经过一个200欧姆的电阻分压后加到系统的RST上，手动按键按下到抬起的过程足以使系统复位。图3-6晶振电路对于单片机系统而言，晶振电路就好比是人的心脏一样，是一个跳动的动力来源，18,19号引脚接的是11.0592M的晶振。2.3蜂鸣器报警电路原理水位自动控制系统设计7图3-7蜂鸣器报警功能电路蜂鸣器报警功能电路使用的是三极管8550驱动，三极管8550是PNP三极管，射极接电源+5V,基极通过一个电阻连接到P1.0口，集电极接蜂鸣器，当P1.0为高电平时，三极管截止，蜂鸣器没有不响，当P1.0为低电平时，三极管导通，蜂鸣器发出响声。2.4水位传感器的电路按键是现阶段电子设计中最常用、最实用的输入设备。按键能够成为最普遍的输入设备，主要是其具备了以下几个优点：工作原理、硬件电路连接简单、操作实用性强、价格便宜，程序编写简单。缺点：机械抖动比较严重、外型不够美观。按键部分实现的主要原理是单片机读取与按键相连接的I/O口状态，来判定按键是否按下，达到系统参数设置的目的。键盘在单片机应用系统中的作用是实现数据输入、命令输入，是人工干预的主要手段。独立式按键就是按键相互独立，每个按键单独占用一根I/O口线，每根I/O口线的按键的工作状态，不会影响其他I/O口线上的工作状态。各按键开关均需要采用了上拉电阻，是为了保证在按键断开时，各I/O有确定的高电平。当输入口线内部已有上拉电阻，外电路的上拉电阻可省去。因此，通过检测输入线的电平状态就可以很容易判断是哪个按键被按下了。优点：电路配置灵活，软件结构简单。缺点：每个按键需占用一根I/O口线，在按键数量较多时，I/O口浪费大，电路结构显得复杂。因此，此键盘适用于按键较少或操作速度较高的场合。矩阵式键盘适用于按键数量多的场合，它通常由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上。单片机的键盘检测通常有三种方式：查询、中断、定时扫描。查询和中断方式同普通的I/O传送是一致的，定时扫描方式是利用单片机内部定时器产生定时中断，在中断服务程序中对键盘进行扫描获得键值。在本设计中采用的是4行*4列键盘，其电路图如图3.12所示，列线由水位自动控制系统设计8P2.4-P2.7口控制，行线由P2.0-P2.3口控制。电路中共16个按键，包括设置键、3个温度参数和时间设置键