单片机原理及系统课程设计
专 业： 自动控制 班 级： 控 091 姓 名： 边秋荣 学 号： 200903201 指导教师： 张雁鹏
评语： 平时（40） 修改（30） 报告（30） 总成绩
兰州交通大学自动化与电气工程学院
2012 年 7月 1日
单片机原理及系统课程设计报告
水塔水位控制
1 引言
随着社会的发展，科技的进步以及人们生活水平的逐步提高，各种方便与生活的自动控制系统开始进入了我们的生活，单片机作为微型计算机发展的一个重要分支，具有高可靠性、高性能价格比、低电压、低功耗等优势，以其为核心的自动控制系统赢得了广泛的应用。该课程设计给出以AT89C51单片机为核心器件的水塔水位检测控制系统仿真设计，实现水位的检测控制、处理和报警等功能，并在Proteus软件环境下实际仿真。实验结果表明，该系统具有良好的检测控制功能，可移植性和扩展性好。
2 设计方案及原理
2.1 设计原理
单片机水塔水位控制原理如图1所示，图中虚线表示容许水位变化的上下线，在正常情况下，应保持水位在虚线范围之内。其中A棒处于下限水位，C棒处于上限水位，B棒在上下水位之间。A棒接+5V电源，B棒和C棒各通过一个电阻与地相连。
水塔由电机带动水泵供水，单片机控制电机转动以达到对水位控制之目的。供水时，水位上升，当达到上限时，由于水的导电作用，B和C棒连通+5V。因此，b和c两端均为1状态，这时应停止电机和水泵的工作，不再给水塔供水。
当水位处于上下限之间时，B棒与A棒导通。因C棒不能与A棒导通，b端为1状态，c端为0状态。这时，无论是电机已在带动水泵给水塔加水，水位在不断上升；或者是电机没有工作，用水使水位在不断下降。都应继续维持原有的工作状态。
当水位降到下限时，B和C棒都不能与A棒导电，因此，b和c两端均为0 状态。这时应启动电机，带动水泵工作，给水塔供水。
图1 水塔水位控制原理图
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2.2 设计方案
本设计为一个实际应用系统的水塔水位控制部分。在此水塔水位控制系统中，检测信号来自插入水中的3个金属棒，以感知水位变化情况。工作正常情况下，应保持水位在某一范围内，当水位变化发生故障的时候，及时关断电机电源，发出声、光报警信号。
水塔水位的硬件原理图如图2所示：
图2 硬件原理图
1.使用8031单片机。由于8031没有内部ROM，因此需外扩展ROM，作为程序存储器。本系统采用2732构成4KB的外扩展程序存储器。74LS373作为地址锁存器。
2.两个水位信号由P1.0和P1.1输入，这两个信号共有四种组合状态，分别为00态、01态、10态和11态。如图3至图6所示.其中00态表示电机运转，01态表示维持原状，10状态正常情况下是不可能发生的，但在设计中应该考虑到，并作为一种故障状态，11态表示电机停转。
3.控制信号由P1.2输出，去控制电机，并串联一个发光二极管，用来显示电机的运转与否。
4.由P1.3输出报警信号，驱动一支发光二极管和一只喇叭进行声光报警。
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3 硬件设计
水塔水位控制系统主要有CPU（AT89C51）、水位检测接口电路、报警接口
电路、存储器扩展接口电路、复位电路、时钟振荡等部分组成。
3.1 时钟电路和手动复位电路如图3所示：
图3 时钟电路和外部手动复位电路
在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器，这就是单片机的时钟电路。晶体振荡频率高，则系统的时钟频率也高，单片机运行速度就快，同时对存储器的速度也高。复位电路的成功与否，关系到一个单片机系统能否正常运行，本设计采用按键电平复位方式，是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的。
3.2 水位检测接口电路、故障报警电路如图4所示：
图4 水位检测接口电路、故障声光报警电路
为了便于水位检测，在实际仿真过程中用一个两位的拨码开关模拟b、c端的状态，从而实现水位状态的四种组合，如图6至图9所示。正电极接P1.0和P1.1口，每个负电极分别通过4.7K的电阻接地，将单片机的P1.0口接开关1，P1.1口
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接开关2。单片机通过负电极重复采集检测水位，当缺水时（此时两个开关均置0），电机必须带动水泵抽水；若水位在正常范围内，检测信号为高电平，此时开关1置1，开关2置0；当水位过高时，检测信号为高电平，此时开关1和开关2都置1，单片机检测到P1.0和P1.1为高电平后，立即停机。
为了避免系统发生故障时，水位失去控制造成严重后果，在超出和低于警戒线水位时，报警电路产生光电报警。单片机P1.2为启动电机命令输出端口，通过反相器与电机相连，P1.2为低电平时电机运转，否则，电机停转；电机故障报警由单片机的P1.0和P1.1口控制，当P1.1为高电平，P1.0为低电平时，表示产生故障则P1.3为低电平，报警灯亮，同时喇叭响。出现故障时，电机也停止转动。
3.3 存储器扩展接口显示如图5所示：
图5 扩展4KB外部ROM电路图
为了便于系统扩展，存放大容量应用程序，系统设计扩展一片程序存储器2732，用于存放源程序代码，因只扩展一片存储器，片选端OE接地。74LS373用于地址锁存，地址锁存信号ALE接锁存器的LE端，通过软件设置实现地址和数据信息的传输。
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