基于单片机液位控制的设计(共30页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上单片机原理与应用课程设计报告 题 目： 基于单片机的液位控制器设计 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

2、按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书

3、本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附

4、录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.

5、装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订3）其它指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格

6、2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）指导教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良

7、 中 及格 不及格二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）评阅教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日专心-专注-专业教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格3、学生答辩过程中的精

8、神状态 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格评定成绩： 优 良 中 及格 不及格教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）年 月 日教学系意见：系主任： （签名）年 月 日目录1 145555附录摘要该设计是由单片

9、机AT89C51控制的锅炉水位控制器，它主要有硬件和软件部分共同完成控制系统功能。其中硬件部分主要由水位检测电路、驱动电路、夜位指示电路以及压力自动控制模拟和手动控制等部分组成；软件部分主要由汇编语言所编写的程序组成。本系统可实现液位报警、控制和压力控制等功能，并对液位进行数字显示。电路主要实现功能是液位检测和报警，然后控制水泵的启停。液位控制主要的控制的对象是水泵，容器是锅炉，液位的检测可根据探测器探测得到。液位正常情况下控制在一定测量点距离段之间，当液位低于或高于正常水位段下限和上限是进行光报警，若液位在正常液位时，则解除报警。当液位低于液位下限时，水泵一直注水，而高于上限实则关闭水泵，并

10、且当液位处于不同探测电时，可显示相应数字来显示液位。压力检测主要由一个开关来模拟压力的高低，并用指示灯的亮灭来模拟风机的运行和停止，另设手动操作按钮，用以人为启动水泵和风机。关键词：单片机 控制 检测 报警ABSTRACT The design of boiler water level controller is controlled by single chip microcomputer AT89C51, it mainly are part of the complete control system hardware and software functions. The hardw

11、are part is mainly composed of water level indication circuit detection circuit, drive circuit, night and pressure parts such as simulation of automatic control and manual control; Software part is mainly composed of programs written in assembly language. This system can realize the function such as

12、 liquid level alarm, control and pressure control, and the liquid level digital display. Circuit functionality is largely liquid level detection and alarm, and then control the pump start-up. Liquid level control of main control object is the water pump, a container is boiler, liquid level detection

13、 can be obtained according to the detector. Liquid level control in a certain period of measurement point distance between normal, when the liquid level is less than or higher than the normal water level is lower limit and upper limit alarm light, if the liquid level in the normal level, cancel the

14、alarm. When the liquid level is less than level lower limit, the pump has been flooding, above the ceiling actually shut down pumps, and when the liquid level in different detecting electric, it can display the corresponding number to display liquid level. Pressure testing is mainly composed of a sw

15、itch to simulate the stress of high and low, and destroy the light of lights to simulate the operation of the fan and stop, the other a manual button, to start the pump and fan. Key words: single chip microcomputer control detection alarm 第一章 绪论 我国燃烧锅炉的现象很普遍而且数量众多，因此耗煤量巨大，十分浪费资源。并且大多数锅炉处于能耗大、浪费大、环境污

16、染严重的工作状态。 锅炉微机控制,是近年来新开发的一项新技术,它是微型计算机软件、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物,工业锅炉采用的是微机控制和原有的仪表控制,微机控制有以下明显优势: 1）可以直观地显示锅炉的运行参数，显示液位、压力等状态。 2）在运行中可以修改各种各样的运行参数的初始值以及系统的控制参数,还可以很方便的改变液位、压力。3）可以提高锅炉的热效率，节约能源，符合国家的节能减排政策，有利于我国经济的可持续发展。4）锅炉系统中包含鼓风机和水泵等大型电动机，采用微机控制更加节约电能，可以节约成本。 5）作为锅炉控制系统装置,其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行,减

17、少劳动人员的劳动强度。 综合以上的种种优点可以预见采用计算机控制系统是行业的大势所趋。单片机是在一块芯片上集成了一片微型计算机所需的cpu、存储器、输入、输出等部件。单片机自问世以来，性能不断提高和完善，体积小、速度快、功耗低的特点使它的应用领域非常广泛。 在现代社会中，随着工业的发展，居民生活区的集中热力供应量的需求量越来越大，蒸汽锅炉的容量不断高，对操作过程的要求也更加严格，锅炉的液位控制直接影响人们自身和设备的安全。液位过低可能使锅炉出现干烧现象，液位过高则又会使锅炉蒸汽压力过高发生危险。传统的液位控制自动化程度低，调节精度差等缺点，而且单靠人工操作已不能适应控制系统改造的必要性。 随着

18、科学技术的不断进步，被控对象越来越复杂，人们对控制精度的要求越来越高。随着单片机技术和自动控制技术的发展，利用单片机及外围芯片实现锅炉液位控制已经成为一种趋势，单片机体积小，安装方便，功能齐全，性价比好，应用前景广，本系统即是基于AT89C51单片机设计的，简单易行并且有着较高的实用价值和优越性。第二章 系统总体设计2.1设计思路：电路主要实现功能是液位检测和报警，然后控制水泵的启停。液位控制主要的控制的对象是水泵，容器是锅炉，液位的检测可根据探测器探测得到。液位正常情况下控制在一定测量点距离段之间，当液位低于或高于正常水位段下限和上限是进行光报警，若液位在正常液位时，则解除报警。当液位低于液

19、位下限时，水泵一直注水，而高于上限实则关闭水泵，并且当液位处于不同探测电时，可显示相应数字来显示液位。压力检测主要由一个开关来模拟压力的高低，并用指示灯的亮灭来模拟风机的运行和停止，另设手动操作按钮，用以人为启动水泵和风机。（1） 当液位低至给定的下限液位时，启动水泵对锅炉进行加水，同时光报警器和声报警器都报警。（2）当液位高至给定上限的液位时，停止水泵对锅炉进行加水，同时报警灯亮起。（3）当液位高于上上限水位时，停止水泵加水，报警灯亮起并且声报警器蜂鸣器开始鸣叫。2.2系统框图系统框图如图2.1所示：图1.1 系统框图2.3设计原理分析 S1、S2、S3、S4为四个开关，用来传递液位变化的情

20、况，其中S4表示下限液位，S2表示上限液位，S3表示处于正常液位，S1表示上限液位，在这里四个开关表示的是四个光电液位传感器，如下图1.2开关模拟电路。图1.2 开关模拟电路 光电液位传感器是利用光在两种不同介质界面发生反射折射原理而开发的新型接触式点液位测控装置。它具有结构简单，定位精度高;没有机械部件，不需调试;灵敏度高及耐腐蚀;耗电少;体积小等诸多优点而受到市场的逐渐认可，广泛应用液位控制系统中。1、由于液位的输出只与光电探头是否接触液面有关，与介质的其它特性，如温度、压力、密度、电等参数无关，所以光电液位传感器检测准确、重复精度高;响应速度快，液面控制非常精确，并且不需调校，就可以直接

21、安装使用。2、由于光电液位传感器探头体积相对小巧，可分开安装在狭小空间中适合特殊罐体或容器中使用。另外还可以在一个测量体上安装多个光电探头制成多点液位传感器、变控器。3、由于对传感器内部的所有元器件进行了树脂浇封处理,传感器内部没有任何机械活动部件,因此光电液位传感器可靠性高、寿命长、免维护。 液位的情况则可以通过数码管显示出来，当液位为下限时，数码管显示为1，当液位为上限时数码管显示为3，当液位为正常液位时数码管显示为2，当液位为上上限水位时，数码管显示为4，从而根据不同的关系来控制输出电路其具体逻辑关系如下表1.3所示。表1.1 工作原理表P1.0P1.1P1.2P1.3光报警（P1.5）

22、声报警（P1.7）数码管显示（P2）上上限0111报警报警4上限0011报警不报警3正常0001不报警不报警2下限0000报警报警1通过数码管显示的数值，人们可以清楚地知道锅炉的液位状况，方便工作人员时刻监控锅炉的运行情况，再加上声报警和光报警装置的配合，则会使工作更加得心应手，从而避免事故的发生，保证人们的生命财产安全。2.4 电路工作原理 当通电后系统开始工作，调整开关模拟电路，当数码管显示为1时，表示水位到达水位下限，此时光报警并且声报警；当数码管显示为2时，表示水位正常；当数码管显示为3时，表示水位到达水位上限，此时光报警声不报警；当数码管显示为4时，表示水位到达水位上上限，此时光报警

23、并且声报警。第三章 系统硬件设计 31驱动电路设计 驱动电路用开关来模拟实现，当开关S5按下时电动机开始工作，即水泵开始抽水，表示水泵在工作；当开关没有被按下时，电动机则会根据液位的变化选择工作或者不工作，即水泵抽水还是不抽水，如下图3.1所示。图3.1 模拟驱动电路32报警电路设计本系统用到两个报警电路。光报警电路通过89C51输出端口的报警信号驱动一只红色的发光二极管进行光报警它使用低电平驱动。当锅炉内液位不正常时，即液面过低或过高，发光二极管LED就会亮起，工作人员通过该发光二极管是否点亮，就可以知道锅炉内的液位状况，既而知道是否需要对锅炉进行人工加水，从而保证锅炉的正常运行，避免财产损

24、失，如下图3.2所示。图3.2 光报警电路声报警电路它是用一个晶体三极管驱动P1.7接晶体基极输入端当P1.7输出高电平1时晶体管导通压电蜂鸣器两端获得约+5V的电压而鸣叫;当P1.7输出低电平0时三极管截止蜂鸣器停止发声，如下图3.3声报警电路图。图3.3 声报警电路33液位指示电路设计 LED显示器是一种由发光二极管显示字段的显示器件，也可称为数码管。单片机系统中通常使用8段LED数码显示器，8段LED显示器由8个发光二极管组成。其中7个长条形的发光二极管排列成“日”字形，另一个圆点形的发光二极管在显示器的右下角作为显示小数点用，通过不同的组合可用来显示各种数字，包括AF在内的部分英文字母

25、和小数点“ ”等字样。 LED显示器有两种不同的形式：一种是8个发光二极管的阳极都连在一起构成公共阳极，使用时公共阳极接+5V,每个发光二极管的阳极通过电阻与输入端相连。当阴极端输入低电平时，段发光二极管就导通点亮，而输入高电平时不点亮。称为共阳极LED显示器；另一种是8个发光二极管的阴极都连在一起构成公共阴极，使用时公共阴极接地，每个发光二极管的阴极通过电阻与输入端相连。当阳极端输入高电平时，段发光二极管就导通点亮，而输入低电平时不点亮。称为共阴极LED显示器。 LED数码管显示器的显示段码： 为了显示字符，要为LED显示器提供显示段码（或称字形代码），组成一个“8”字形字符的7段，再加上1

26、个小数点位，共计8段，因此提供给LED显示器的显示段码为1个字节。各段码位的对应关系如下表3.1所示： 表3.1 段码位关系表段码位 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0显示段dp g f e d c b a 共阳结构的LED显示器各笔划段名和安排位置：当二极管导通时，相应的笔划段发亮，由发亮的笔划段组合从而显示各种字符。8个笔划段dpgfedcba对应于1B（8位）的D7、D6、D5、D4、D3、D2、D1、D0，于是用8位二进制码就可以表示欲显示字符的字形代码，如下表3.2所示。 表3.2 共阳极常用字形表 如下图3.4所示，是使用输出端口的信号来驱动共阳极数码管显示，根据信号的

27、不同，即光电式液位传感器所反馈回来的信号，也就是锅炉内液面的高度，数码管将显示不同的数字：1，2，3，4，从而表示锅炉的液位状态是否正常。通过数码管显示的数字，工作人员就可以轻松地知道锅炉的运行状态，减轻工作人员的负担，进而提高工作效率。图3.4 数码管显示电路图3.4压力自动控制模拟和手动操作控制电路设计 如图3.5可用开关S7模拟高低压，而风机开关S6代替手动操作部分设置一控制按钮图,D4代表压力报警。当按下开关S7时，表示锅炉内压力过高，此时LED4会点亮，进行压力报警，如图3.6所示。从而引起工作人员的注意，及时检查故障并排除，从而保证锅炉的正常运行。按下开关S6时，则代表风机开始工作

28、，为锅炉的燃烧提供保障。图3。5 压力模拟电路图3.6 压力报警电路3.5 晶振电路电路中的晶振即石英晶体震荡器。由于石英晶体震荡器具有非常好的频率稳定性和抗外界干扰的能力，所以，石英晶体震荡器是用来产生基准频率的。通过基准频率来控制电路中的频率的准确性。同时，它还可以产生振荡电流，向单片机发出时钟信号。下图是单片机的晶振电路。片内电路与片外器件就构成一个时钟产生电路，CPU的所有操作均在时钟脉冲同步下进行。片内振荡器的振荡频率非常接近晶振频率，一般多在1.2MHz24MHz之间选取。C1、C2是反馈电容，其值在20pF100pF之间选取，典型值为30pF。本电路选用的电容为30pF，晶振频率

29、为12MHz。振荡周期； 机器周期 指令周期。XTAL1接外部晶体的一个引脚，XTAL2接外晶体的另一端。在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡器时，对HMOS单片机，该引脚接外部振。在石英晶体的两个管脚加交变电场时，它将会产生一定频率的机械变形，而这种机械振动又会产生交变电场，上述物理现象称为压电效应。一般情况下，无论是机械振动的振幅，还是交变电场的振幅都非常小。但是，当交变电场的频率为某一特定值时，振幅骤然增大，产生共振，称之为压电振荡。这一特定频率就是石英晶体的固有频率，也称谐振频率。石英晶振起振后要能在XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波，以便使89C51片内

30、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0.5MHz-16MHz，典型值为12MHz或者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，如图3.7所示。图3.7 晶振电路3.6复位电路复位电路的主要功能是使单片机进行初始化，在初始化的过程中需要在复位引脚上加大于2个机器周期的高电平。复位后的单片机地址初始化为0000H，然后继续从0000H单元开始执行程序。在复位电路中提供复位信号，等到系统电源稳定后，再撤销复位信号。但是为了在复位按键稳定的前提下，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防在按键过

31、程中引起的抖动而影响复位，如图3.8所示。第四章 系统软件设计4.1 软件设计说明 软件组要有主程序和液位控制程序两部分组成，通过数码管显示检测到的状态，不同的状态执行不同的功能，从而达到控制液位的目的。4.2程序流程图 系统开始后进行初始化，然后系统去检测并开始接受检测信号，如果信号没有越过我们设定的报警限，那么系统会显示检测到的液面值，并判断现在所处于哪一种状态，去执行每种状态所对应的功能并继续检测， 如下图4.1所示。 图4.1 主程序流程图4.3液位控制程序流程图如果信号越过报警限则开始报警，若锅炉液面低于下限，此时数码管显示的数字为1，则电动机马上开始工作，即水泵开始向锅炉加水；若锅

32、炉液面高于上限，此时数码管显示的数字为3，则电动机马上停止工作，不再像锅炉加水；如果电动机继续工作，导致锅炉内液面继续上升，此时数码管显示的数字为4，并且声报警和光报警都启动，关闭电动机，即停止向锅炉加水，随后锅炉液面显示正常,数码管显示的数字将变为2，系统进行正常运作状态，如此循环下去，并时刻检测信号，如下图4.2所示。图4.2 液位控制程序流程图第五章 设计的效果点击开始 数码管显示为0点击开关S4 数码管显示为1（水位下限 此时光报警并且声报警）点击开关S3 数码管显示为2此时水位正常 不发警报点击开关S2 数码管显示为3水位到达水位上限 此时光报警声不报警点击开关S1 数码管显示为4水

33、位到达上上限 此时光报警并且声报警点击S5 恢复到正常状态点击6 D3灯亮 风力机开始正常工作点击S7 炉内压力过高 LED4亮 压力报警点击S8 给两个Tp的高电平 电路复位第六章 结论 本系统主要介绍了锅炉的液位检测控制，还介绍了对压力的检测控制，介绍了89C51单片机在锅炉控制系统中的应用，介绍了它的引脚和在系统中的电路图，本设计还采用了多种传感器来对液位和压力的信号采集，利用数码管来进行信号的输出显示,本系统的硬件系统的结构简化,系统精度高，具有良好的人机交互功能,并设有光报警和声报警，有问题立即就能发现，能使问题或故障得到及时的处理与解决。 通过自动调节控制液位并实现锅炉内温度和水位

34、的报警，液位控制在设定值上正常运行不需要人工干预，操作人员劳动强度小。 采用单片机设计出的工业锅炉控制器,能够针对水位的不同状态和不同外界条件进行控制,水位运行稳定、控制品质良好、控制效果明显改善;系统结构简单，同时大大提高了控制系统的抗干扰能力,保证了工业锅炉的稳定运行。控制装置具有成本低、抗干扰能力强、控制性能好等优点,且系统硬、软件维护简单方便,尤其适用于工业控制现场,具有良好的应用前景。 本系统所采用的传感器性能稳定,测量准确,大大简化现场安装,具有较高的性价比,有较大的工程应用价值,并且利用计算机单片机技术对锅炉生产过程进行自动控制有着重要的意义。其次，锅炉控制过程的自动化处理以及监

35、控软件良好的人机界面，操作人员在监控计算机上能根据控制效果及时修运行参数，这样能有效地减少工作人员的疲劳和失误，提高生产过程的实时性、安全性。 综述，本系统硬件电路简单，系统稳定性强，性能很可靠；软件编写也很方便，能对液位的初始值进行修改；能够很好地做到对液面的控制，调试与维修也很容易、方便，因此本系统就有较高的实用价值。附录源程序：ORG 0000HLJMP MAIN ORG 0030HMAIN:MOV P1,#0FFH MOV P1,#7FH MOV P2,#0C0H MOV P3,#07HLOOP1:JNB P1.0,LOOP2 JNB P1.1,LOOP3 JNB P1.2,LOOP4

36、 JNB P1.3,LOOP5 JNB P3.0,FOUR JNB P3.1,ONE JNB P3.2,LOOP4 LJMP LOOP1LOOP2:CLR P1.5;/4 CLR P1.4 SETB P1.7 MOV P2,#99H LJMP LOOP1LOOP3:CLR P1.5 ;/3 CLR P1.4 CLR P1.7 MOV P2,#0B0H LJMP LOOP1 LOOP4:SETB P1.5;/2 CLR P1.4 CLR P1.7 MOV P2,#0A4H LJMP LOOP1LOOP5:CLR P1.5;/1 CLR P1.4 SETB P1.7 MOV P2,#0F9H LJMP LOOP1FOUR: CLR P3.0 LJMP LOOP1ONE: CLR P1.6 LJMP LOOP1 END