毕业设计（论文）单片机智能给水控制电路的设计.doc

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1、 摘要 本文利用微处理器来控制水泵转速，根据转速与水流压力关系特点，结合单片机技术设计了一种较为完善的智能控制的生产/生活供水系统，本文采用STC89C52单片机作为系统的微处理器，该控制器的硬件由数据采集、步进电机控制、水压传感器和电源等模块组成,利用单片机外接ADC转换器采集管道压力,同时控制ADC模块的输出,以改变水泵的运转速率,从而维持水压的动态稳定。水管中的压力传感器输出的模拟量通过AD转换成数字量输出到单片机，在这之前要将数据采集程序、单片机控制步进电机程序等输入到单片机内，单片机再通过输入的模拟量来调节步进电机的转速，从而改变水泵的频率，使水压达到动态稳定。若水压超出事先设定的范

2、围，此时红色二极管就会发光以示警告，若压力在正常范围内则绿色二极管发亮以示正常。该系统能够满足一个小区或一栋高楼居民对供水的需求,且具有高性能、高可靠性、低成本、低能耗等特点。关键词 恒压供水； 数据采集； 变频调速；单片机控制Abstract This paper using the micro processor to control water pump rotation speed, speed and the pressure relationship according to flow characteristic, the combination of single chip m

3、icrocomputer design a kind of more perfect intelligent control production/life water supply system, the paper STC89C52 microcontroller as the system of the microprocessor, this controller hardware the data acquisition, step motor control, water pressure sensor and power supply module, using single c

4、hip computer external ADC converter collection line pressure, and the control of ADC modules of the output, to change water pump operation rate, thus keeping the water pressure dynamic stability. Water pipes pressure sensor output analog quantity through the AD transform into digital output to the S

5、CM, and before that to the data collection procedures and single-chip microcomputer control procedure of the stepping motor input to the single chip inside, SCM again through the input analog quantities to adjust the speed of the stepping motor, which changes the frequency of the water pump, water p

6、ressure to a dynamic stability. If the water pressure is beyond the scope of the set in, right now the red diode shine to show warned, if the pressure in the normal range green diode as normal glistening projects. The system can meet the a community or a tower of water supply the needs of the inhabi

7、tants, and has a high performance, high reliability, low cost, low energy consumption, etc.Key words ：constant pressure water supply; data collection; variable frequency speed regulation; single-chip microcomputer control目录 摘要1Abstract21 绪论11.1 课题概述11.1.1课题的应用背景及意义11.1.2变频恒压供水系统的优势12 基于单片机的智能给水控制电路的

8、设计22.1 系统总体设计22.1.1 系统设计思路22.1.2 系统总体原理框图22.2 单片机的简介32.2.1单片机概述32.2.2 单片机主要特征32.2.3 工作模式及引脚说明42.3 AD0804转换器72.4 步进电机102.4.1步进电机概述102.4.2 步进电机原理112.4.3 步进电机主要特性：112.5 步进电机驱动器的设计122.5.1电机驱动器的简介122.5.2 ULN2003的原理及特性122.5.3 ULN2003的引脚说明132.6 压力传感器的设计142.6.1压力传感器的简介142.6.2压力传感器的原理142.7 时钟电路的设计152.8 复位电路1

9、62.8.1 单片机复位电路的类型162.9 模数转换电路的设计172.9.1 A/D转换的基本原理172.9.3 A/D转换器的主要技术指标182.10 单片机控制步进电机电路182.10.1 步进电机与单片机的接法说明182.10.2 步进电机的驱动方式192.11 电源电路192.11.1电源电路的分类192.11.2电源电路的设计203 系统的软件设计213.1系统软件流程图213.2 主程序设计224 总结 26参考文献27附录1 系统总电路图28附录3 实物图29致谢311 绪论1.1 课题概述1.1.1课题的应用背景及意义 随着社会经济的迅速发展，人们对供水质量和供水系统的可靠性

10、要求不断提高。衡量供水质量的重要标准之一是供水压力是否恒定，因为水压恒定于某些工业或特殊用户是非常重要的，如当发生火警时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，会造成更大的经济损失或人员伤亡.但是用户用水量是经常变动的，因此用水和供水之间的不平衡的现象时有发生，并且集中反映在供水的压力上:用水多而供水少，则供水压力低;用水少而供水多，则供水压力大。保持管网的水压恒定供水，可使供水和用水之间保持平衡，不但提高了供水的产量和质量，也确保了供水生产以及电机运行的安全可靠性。1.1.2变频恒压供水系统的优势 近年来，随着变频调速技术在供水系统中得到广泛的应用，这当然得益于变频调速技术的日益成熟，以及

11、显著的节能效果和可靠稳定的控制方式，。智能给水控制系统对水泵电机实行无级调速，根据用水量及水压变化通过微机检测、运算，自动改变水泵转速保持水压恒定以满足用水要求，是目前最合理的节能供水系统。与传统的水塔、高位水箱、气压罐等供水方式比较，不论是投资、运行的经济性、还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有优势： (1) 节能高效。与传统供水方式相比变频恒压供水能节能30%-60%。 (2) 投入少，占地面积小，效率高。 (3) 自动化程度高，灵活可靠。配置灵活，功能齐全。(4) 合理运行，因为一天内的平均转速下降，轴上的平均磨损和扭矩减少，水泵的寿命将大为提高。 (5) 杜绝了很多传染疾病

12、，因为智能给水控制系统直接从水源供水，减少了原有供水方式的二次污染。 (6) 省时省力，操作便捷。2 基于单片机的智能给水控制电路的设计2.1 系统总体设计2.1.1 系统设计思路 本文采用STC89C52单片机作为系统的微处理器，该控制器的硬件由数据采集、步进电机控制、水压传感器和电源等模块组成,利用单片机外接ADC转换器采集管道压力,同时控制ADC模块的输出,以改变水泵的运转速率,从而维持水压的动态稳定。水管中的压力传感器输出的模拟量通过AD转换成数字量输出到单片机，在这之前要将数据采集程序、单片机控制步进电机程序等输入到单片机内，单片机再通过输入的模拟量来调节步进电机的转速，从而改变水泵

13、的频率，使水压达到动态稳定。若水压超出事先设定的范围，此时红色二极管就会发光以示警告，若压力在正常范围内则绿色二极管发亮以示正常。2.1.2 系统总体原理框图 系统大体可分为以下几个模块，分别是压力传感器采集管道压力，模数转换电路，转换数据以数字量输入单片机，单片机控制步进电机，步进电机调整水泵转速等模块，这几大模块共同构成了系统总体框架，如图2-1所示。 图2-1 系统原理框图2.2 单片机的简介2.2.1单片机概述 单片机诞生于20世纪70年代，象Fairchild公司研制的F8单片微型计算机。所谓单片机是利用大规模集成电路技术把中央处理单元和数据存储器(RAM)、程序存储器(ROM)及其

14、他I/O通信口集成在一块芯片上，构成一个最小的计算机系统，而现代的单片机则加上了中断单元，定时单元及A/D转换等更复杂、更完善的电路，使得单片机的功能越来越强大，应用更广泛。它是一种集成电路芯片。它采用超大规模技术将具有数据处理能力的微处理器(CPU)、存储器（含程序存储器ROM和数据存储器RAM）、输入、输出接口电路(I/O接口)集成在同一块芯片上，构成一个即小巧又很完善的计算机硬件系统，在单片机程序的控制下能准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。所以说，一片单片机芯片就具有了组成计算机的全部功能。12.2.2 单片机主要特征 STC89C52RC单片机是宏晶科技推出的新一代高速/

15、低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。其主要特征有：1. 增强型8051单片机，指令代码完全兼容传统8051.12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。2. 工作电压：3.8V2.0V（3V单片机）/5.5V3.3V（5V单片机）用户应用程序空间为8K字节3. 工作频率范围：040MHz，相当于普通8051的080MHz.。4. 片上集成512字节RAM。5. ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片，无需专用编程器，无需

16、专用仿真器。6. 通用I/O口（32个），复位后为：P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为I/O口用时，需加上拉电阻，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻。7. 具有看门狗功能8. 工作温度范围：-40+85（工业级）/075（商业级）9. 具有EEPROM功能10. 共3个16位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T211. 通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART12. 外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down模式可由外部中断低电平触发中断方式控制2.2.3 工作模式及引脚说明STC89C52RC单片机的工作模式：空闲模式

17、：典型功耗2mA掉电模式：典型功耗输入值，则寻找位该假设位0） 第四次寻找结果：11010000 （若假设值输入值，则寻找位假设位1） 第五次寻找结果：11010000 （若假设值输入值，则寻找位该假设位0） 第六次寻找结果：11010100 （若假设值输入值，则寻找位假设位1） 第七次寻找结果：11010110 （若假设值输入值，则寻找位假设位1） 第八次寻找结果：11010110 （若假设值输入值，则寻找位该假设位0） 这样使用二分法的寻找方式，8位的A/D转换器只要8次寻找，12位的A/D转换器只要12次寻找，就能完成转换的动作，其中的输入值代表图1的模拟输入电压Vin。分辨率与内部转换

18、频率的计算 对8位ADC0804而言，它的分辨率是1/256，假设输入信号Vin范围为05V，则它最小输出电压是5V/2560.01953V，这说明ADC0804所能转换的最小电压值。 表2-6列出的是812位A/D转换器的分辨率和最小电压转换值。 表2-6 A/D转换器的分辨率和最小电压值位数目分辨率最小电压转换值81/2560.01953V101/10240.00488V121/40960.00122V至于内部的转换频率FCK，是由图2-7的CLKR（19脚）、CLK IN（4脚）所连接的R（10千欧）、C(150PF)来决定。 图2-7ADC0804与STC89C52单片机的连接图 频率

19、计算方式是：FCK1/(1.1RC) 若以图2-7的R10K、C150PF为例，则内部的转换频率是FCK1/（1.110 K150PF）606KHz 更换不同的R、C值，会有不同的转换频率，而且频率愈高代表速度愈快。但是需要注意R、C的组合，务必使频率范围是在100KHz1460KHz之间。3.ADC0804的控制方法 要求ADC0804进行模拟/数字的转换，其实可以直接由下面的时序图及图3-2信号的流向来配合了解。 图2-8 ADC0804控制信号时序图 以图2-7、图2-8信号流向而言，控制ADC0804动作的信号应该只有CS、WR、RD。其中INTR由高电位转为低电位后，代表ADC080

20、4完成这次的模拟/数字转换，而DB0DB7代表是转换后的数字信息。图2-8的动作大概可分成4个步骤区间S0、S1、S2、S3，每个步骤区间的动作方式如下： 步骤S0：CS0、WR0、RD1（由CPLD发出信号要求ADC0804开始进行模拟/数字信号的转换）。步骤S1：CS1、WR1、RD1（ADC0804进行转换动作，转换完毕后INTR将高电位降至低电位，而转换时间100us）。步骤S2：CS0、WR1、RD0（由CPLD发出信号以读取ADC0804的转换资料）。步骤S3：CS1、WR1、RD1（由CPLD读取DB0DB7上的数字转换资料）。由上述步骤说明，可以归纳出所要设计的CPLD动作功能

21、有：负责在每个步骤送出所需的CS、WR、RD控制信号。在步骤S1时，监控INTR信号是否由低电位变高电位，如此以便了解ADC0804的转换动作结束与否。在步骤S3，读取转换的数字资料DB0DB7。2.4 步进电机2.4.1步进电机概述 步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电方式，用多相时序控制电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的。虽然步进电机已被广泛应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机那样在常规下使用。它必须由功率驱动电路、双环形脉冲信号等组成控制系统才能使用。所以用好步进电机并不容易，它涉及到机械、电机、电子及

22、计算机等许多专业知识。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键设备之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着计算机技术和微电子的发展，步进电机的需求量与日益增加，在各个领域都有应用。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。就是：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角）。您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的加速度和速度，从而达到调速的目的。 2.4.2 步进电机原理 通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子

23、的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。2.4.3 步进电机主要特性： 步进电机必须连接驱动才能够运转， 驱动信号必须为脉冲信号，在没有脉冲的情况下， 步进电机静止，1步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。2 改变脉冲的顺序， 可以方便的改变转动的方向。3步进电机的步进角度为7.5 度，一圈360 度，需要48个脉冲完成。4如果

24、加入适当的脉冲信号，就会以一定的角度（称为步角）转动。转动的速度和脉冲的频率成正比。 因此，目前打印机，绘图仪，机器人等设备都是用步进电机作为动力核心的。步进电机如图2-9所示，五线四相步进电机，用ULN2003芯片驱动。 图2-9 5V步进电机2.5 步进电机驱动器的设计2.5.1电机驱动器的简介 在自动化密集的的场合会有很多被控元件如继电器，风机，电磁阀，空调等元件及设备，这些设备通常由CPU所集中控制，由于控制系统不能直接驱动被控元件，这需要由功率电路来扩展输出电流以满足被控元件的电流，电压。ULN2XXXX高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品就属于这类可控大功率器件，由于这类器件功能强、

25、应用范围语广。因此，许多公司都生产高压大电流达林顿晶体管阵列产品，从而形成了各种系列产品，本设计中所采用的ULN2003驱动器就是此类产品中的一种。2.5.2 ULN2003的原理及特性 原理：LN2003也是一个7路反向器电路，即当输入端为高电平时ULN2003输出端为低电平，当输入端为低电平时ULN2003输出端为高电平，继电器得电吸合。如图2-10所示。 封装外形图 ULN2003内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，可用来驱动继电器。它是双列16脚封装,NPN晶体管矩阵,最大驱动电压=50V,电流=500mA,输入电压=5V,适用于TTL COMS,由达林顿管组成驱动电路。 ULN是

26、集成达林顿管IC,内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管,它的输出端允许通过电流为200mA，饱和压降VCE 约1V左右，耐压BVCEO 约为36V。用户输出口的外接负载可根据以上参数估算。采用集电极开路输出，输出电流大，故可直接驱动继电器或固体继电器，也可直接驱动低压灯泡。通常单片机驱动ULN2003时，上拉2K的电阻较为合适，同时，COM引脚应该悬空或接电源。ULN2003是一个非门电路，包含7个单元，单独每个单元驱动电流最大可达350mA，9脚可以悬空。ULN2003 的每一对达林顿都串联一个2.7K 的基极电阻,在5V 的工作电压下它能与TTL 和CMOS 电路直接相连，可以直接处理原

27、先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。 特性：ULN2003 工作电压高，工作电流大，温度范围宽、带负载能力强等特点,适应于各类要求高速大功率驱动的系统。 图2-10 ULN2003逻辑图 2.5.3 ULN2003的引脚说明ULN2003引脚如图2-11所示。引脚1：CPU脉冲输入端，端口对应一个信号输出端。 引脚2：CPU脉冲输入端。 引脚3：CPU脉冲输入端。 引脚4：CPU脉冲输入端。 引脚5：CPU脉冲输入端。 引脚6：CPU脉冲输入端。 引脚7：CPU脉冲输入端。 引脚8：接地。 引脚9：该脚是内部7个续流二极管负极的公共端，各二极管的正极分别接各达林顿管的集电极。用于感性负载时，该脚

28、接负载电源正极，实现续流作用。如果该脚接地,实际上就是达林顿管的集电极对地接通。 引脚10：脉冲信号输出端，对应7脚信号输入端。 引脚11：脉冲信号输出端，对应6脚信号输入端。 引脚12：脉冲信号输出端，对应5脚信号输入端。 引脚13：脉冲信号输出端，对应4脚信号输入端。 引脚14：脉冲信号输出端，对应3脚信号输入端。 引脚15：脉冲信号输出端，对应2脚信号输入端。 引脚16：脉冲信号输出端，对应1脚信号输入端。 图2-11 ULN2003芯片引脚图2.6 压力传感器的设计2.6.1压力传感器的简介 水压压力传感器是工业实践中最为常用的一种压力传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及、智能建

29、筑、生产自控、水利水电、航空航天、铁路交通、军工、石化、船舶、机床、油井、电力、管道送风、锅炉负压等众多行业。其工作原理风压传感器的压力直接作用在传感器的膜片上，使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这个压力的标准信号。2.6.2压力传感器的原理 力学传感器有很多种类，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。应变片压力传感器原理： 电阻应变片是压阻式应变传感器的主要组

30、成部分之一，一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。电阻应变片应用最多的有两种，分别是金属电阻应变片和半导体应变片。金属电阻应变片又分为金属箔状应变片和丝状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，随着基体受力发生应力变化，电阻应变片也跟着发生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。一般这种应变片都组成应变电桥，受力时产生的阻值变化通常很小，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D 转换和CPU ）显示或执行机构。电阻应变片的工作原理是，金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻

31、值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示：式中：金属导体的电阻率( cm2/m)S 导体的截面积(cm2 )L 导体的长度(m) 而本设计中则采用的是应变片压力传感器中的一种，金属电阻应变片，即水压传感器，如图2-12所示，它的特性如下所示： 工作电压：4.2v6.2v；压力范围：0-1000mm水柱，0-0.1Kg/cm2；电压输出：0.23v-4.9v；线性度0.2%；接线方式：每个接线柱下皆有标示，G-接地，I-接+5V另与O-之间加载2.2K上拉电阻即可通过0-输出，传感器本身不能放到水里。使用时用管子把水引到传感器中间的小孔里即可；也可在容器底部这个发货前我都会

32、测试接上电源用万用表测量输出和+5v之间的电压（红笔接+5v黑笔接O输出）用嘴吹压力检测口 电压会从0-4.7v变化证明是好的；也就是说应用可以直接检测负压变化。 图2-12 水压传感器2.7 时钟电路的设计 时钟电路用于产生STC89C52单片机工作时所必需的控制信号。STC89C52单片机的内部电路正是在时钟信号的控制下，严格地按时序执行指令进行工作。在执行指令时，CPU首先到程序存储器中取出需要执行的指令操作码，然后译码，并由时序电路产生一系列控制信号完成指令所规定的操作。CPU发出的时序信号有两类，一类用于对片内各个功能的控制；另一类用于对片外存储器或I/O口的控制，这部分时序对于分析

33、、设计硬件接口电路至关重要，如图2-13所示。 图2-13 时钟电路2.8 复位电路2.8.1 单片机复位电路的类型 目前为止，单片机复位电路主要有四种类型：(1) 微分型复位电路；(2) 积分型复位电路；(3) 比较器型复位电路；(4) 看门狗型复位电路。 2.8.2 复位电路的设计 单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期(24个振荡周期)以上，则CPU就可以响应并将系统复位。单片机系统的

34、复位方式有：手动按钮复位和上电复位。本设计中所采用的复位方式就是上电复位，下面将详细讲述上电复位。 STC89C52的上电复位电路如图2-14所示，只要在RST复位输入引脚上接一电容至Vcc端，下接一个电阻到地即可。对于CMOS型单片机，由于在RST端内部有一个下拉电阻，故可将外部电阻去掉，而将外接电容减至1?F。上电复位的工作过程是在加电时，复位电路通过电容加给RST端一个短暂的高电平信号，此高电平信号随着VCC对电容的充电过程而逐渐回落，即RST端的高电平持续时间取决于电容的充电时间。为了保证系统能够可靠地复位，RST端的高电平信号必须维持足够长的时间。上电时，VCC的上升时间约为10ms

35、，而振荡器的起振时间取决于振荡频率，如晶振频率为10MHz，起振时间为1ms；晶振频率为1MHz，起振时间则为10ms。在图2-14的复位电路中，当VCC掉电时，必然会使RST端电压迅速下降到0V以下，但是，由于内部电路的限制作用，这个负电压将不会对器件产生损害。另外，在复位期间，端口引脚处于随机状态，复位后，系统将端口置为全“l”态。如果系统在上电时得不到有效的复位，则程序计数器PC将得不到一个合适的初值，因此，CPU可能会从一个未被定义的位置开始执行程序。 图2-14 上电复位电路 2.9 模数转换电路的设计2.9.1 A/D转换的基本原理 A/D转换，就是用数字量来表示模拟量。在A/D转

36、换器中，由于输入的模拟信号在时间上是连续量，而输出的数字信号是离散量，所以进行转换时必须在一系列选定的瞬间对输入的模拟信号采样，然后再把这些采样值转换为输出的数字量。因此，一般的A/D转换过程是通过采样、保持、量化和编码这四个步骤完成的。1采样定理 为了正确无误地用采样信号vS表示模拟信号vI，必须有足够高的采样频率，根据香农（Shannon）定理，为了保证能从采样信号中恢复被采样信号（模拟信号vI）应满足： ， 式中fS为采样频率，fimax为输入vI的最高频率分量的频率。 2量化和编码 我们知道，数字信号不仅在时间上是离散的，而且在数值上的变化也不是连续的。在用数字量表示采样电压时，也必须把它化成某个最小数量单位的整倍数，这个转化过程就叫做量化。 所规定的最小数量单位叫做量化单位，用表示。显然，数字信号最低有效位(LSB)中的1表示的数量大小，就等于。把量化的数值用二进制代码表示，称为编码。这个二进制代码就是A/D转换的输出结果，如图2-15所示。