基于单片机的水位控制器设计

分数：评语：专业综合实验报告(PartⅠ)题目：基于单片机的水位控制器设计学生姓名：学号：指导教师：二○一六年一月目录1绪论......................................................................11.1实验课题来源与背景......................................................11.1.1课题来源............................................................11.1.2课题背景............................................................11.2实验内容...............................................................11.3实验目的和要求.........................................................21.3.1实验目的............................................................21.3.2基本要求............................................................21.4实验所需相关知识.......................................................21.4.1水箱水位自动控制系统...............................................21.4.2AT89C51单片机（控制器）...........................................32系统设计流程..............................................................42.1设计内容及要求.........................................................42.2系统设计方案流程图.....................................................42.3Proteus生成PCB具体操作流程...........................................53原理图设计................................................................53.1Proteus概述...........................................................53.2电路原理图所用元器件介绍...............................................73.2.1水位检测传感器.....................................................73.2.2复位电路的设计.....................................................73.2.3光报警电路的设计...................................................83.2.4泵的简介及泵的相关参数.............................................84设计原理和电路图..........................................................94.1设计原理...............................................................94.1.1水位控制原理........................................................94.1.2系统结构图.........................................................104.1.3控制方案说明.......................................................104.1.4元件清单...........................................................114.1.5电路原理图.........................................................114.2PCB板图..............................................................115实验总结.................................................................11附录Ⅰ：实验电路原理图......................................................13附录Ⅱ：PCB图...............................................................14附录三：三维视图............................................................1511绪论1.1实验课题来源与背景1.1.1课题来源在武汉大学动力与机械学院自动化系本科生的教学课程中，安排学生学习了《自动控制理论》、《智能化仪器仪表原理与应用》等课程，学生已初步掌握了单片机的基本原理以及水位控制的系统。在此基础上，为增强学生的自主动手操作与实际解决问题的能力，将学到的知识与实践相结合，故将学生专业综合实验课题定为“基于单片机的水位控制器设计”。1.1.2课题背景在生产领域中，实现水位自动检测和控制是工业过程控制的一项关键技术，对于提高工业过程控制的自动化水平有着重要的意义。在生活领域中，供水方式过去一般是通过人工来实现控制，容易造成对水资源的浪费，所以现在人们越来越关注水资源的问题。目前，水位控制系统是受到广泛应用的供水系统，水位控制可以有多种实现方法，如机械控制、逻辑电路控制、机电控制、传感器控制等，但传统的控制方式存在控制精度低、能耗大、不能实现连续控制和跟踪水位的特点，采用单片机对水位进行控制，不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点，而且可以大幅提高被控水位的技术指标，从而大大提高控制的效果，更加符合人们的预期。1.2实验内容针对水箱水位自动控制系统，要求设计一个基于单片机的控制器，其完成过程需要以下步骤：1、学习水箱水位自动控制系统的工作过程，了解控制器所需的功能及要求。2、学习单片机的各部件的工作原理和工作过程。3、学习Proteus的使用方法。4、参考AT89C51单片机开发板设计水位控制器，并利用Proteus绘制电路2原理图和PCB板图。1.3实验目的和要求1.3.1实验目的1、培养掌握、使用实用电子线路、计算机系统设计、仿真软件的能力。2、提高读图、分析线路和正确绘制设计线路、系统的能力。1.3.2基本要求1、了解原理图设计基础、了解设计环境设置、学习Proteus软件的功能及使用方法。2、掌握绘制原理图的各种工具、利用软件绘制原理图。3、掌握编辑元器件的方法构造原理图元件库。4、熟练掌握手工绘制电路版的方法。5、掌握绘制编辑元件封装图的方法，自己构造印制板元件库。6、了解电路板设计的一般规则、利用软件绘制原理图并自动生成印制板图。1.4实验所需相关知识1.4.1水箱水位自动控制系统水箱水位自动控制系统如图1.1。图1.1水箱水位自动控制系统3设定水位上、下限，到达或超过上限时，电动机停止转动，到达或低于下限时，电动机开始转动。1.4.2AT89C51单片机（控制器）AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。单片机结构功能如下：•8位CPU•4kbytes程序存储器(ROM)(52为8K)•128bytes的数据存储器(RAM)（52有256bytes的RAM）•32条I/O口线•111条指令，大部分为单字节指令•21个专用寄存器•2个可编程定时/计数器•5个中断源，2个优先级（52有6个）•一个全双工串行通信口•外部数据存储器寻址空间为64kB•外部程序存储器寻址空间为64kB•逻辑操作位寻址功能•双列直插40PinDIP封装•单一+5V电源供电CPU：由运算和控制逻辑组成，同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器；RAM：用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据；ROM：用以存放程序、一些原始数据和表格；I/O口：四个8位并行I/O口，既可用作输入，也可用作输出T/C：两个定时/记数器，既可以工作在定时模式，也可以工作在记数模式；4五个中断源的中断控制系统；一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通信；片内振荡器和时钟产生电路，石英晶体和微调电容需要外接。最佳振荡频率为6M—12M。2系统设计流程2.1设计内容及要求设计内容：根据题目要求的指标，通过查阅有关资料，确定系统设计方案，并设计其硬件电路，绘制电路原理图，并绘制PCB板。设计要求：在水箱内部设计一个简易的水位探测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；正常水位时，水泵加水，绿灯亮；高水位时，驱动水泵停止工作，黄灯亮。用两个开关按钮的状态来表示水位的变化，即按钮的接通和断开状态分别用数字0、1表示，从而实现实际的仿真功能。2.2系统设计方案流程图1、原理图设计流程，如图2.1。图2.1原理图设计流程52、PCB设计流程图，如图2.2。图2.2PCB设计流程图2.3Proteus生成PCB具体操作流程1、绘制电路原理图，并仿真调试。2、加载网络表及元件封装。进入Proteus的ARES界面，通过工具导网络图表到ARES，系统会自动添加元件封装。3、规划电路板并设置相应参数。1）选择BoardEdge选项，在绘图工具栏，绘制方框按钮。2）进行元件布局，布线并调整。4、输出及制作PCB单击Output选项中的SetOutputArea选项，按住鼠标左键并拖动，选择要输出的版图，在打印布线层和布局层时，分别进行不同的设置。3原理图设计3.1Proteus概述Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到6单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。Proteus软件具有其它EDA工具软件（例