基于单片机的高位水箱自动给水装置课程设计

1.1 装置工作原理

单片机主要应用于测控领域，单片机具有软硬件结合、体积小，可以很容易嵌入到各种应用系统中的优点。在单片机应用系统中，这些测控功能的绝大部分都是由单片机的软件程序实现，其他电子线路则由片内的外围功能来代替。

本文介绍的采用C2051单片机制作的高可靠﹑大功率高位自动给水装置，具有缺相检测﹑超温检测﹑过流检测及相应的声光报警功能。图1为高位水箱自动给水装置的工作原理图。它将外围电路的参数变化转化数字信号作为输入信号，C2051通过内部程序的运行，对相关对参数进行综合处理，完成各种功能。电机采用星形-三角形启动方式，只要合理地选择电流互感器，此电路控制电机的功率可以达到数百千瓦。可以广泛应用于学校﹑酒店等高楼大厦高水位水箱的自动给水。

系统的主要功能：

(1)缺相自动报警功能：当缺相检测装置出现异常情况时，系统就会发出警报，直到缺相问题被解决。

(2)超温自动报警功能：当温度检测出现异常情况时，系统就会发出警报，直到超温问题被解决。

(3)星形-三角形启动保护功能：当电动机通电时时，电机采用星形-三角形启动方式，防止因电机启动时电流过大引起的损坏。

(4)自动抽水功能：当水量过少时，可以自动抽水。

(5)过流自动报警功能：当电流检测出现异常情况时，系统就会发出警报，直到电流问题被解决。

(6)水位异常自动报警功能：当水位异常出现异常情况时，系统就会发出警报，直到水位异常问题被解决。

1.2装置设计原理图

装置设计原理图如下图所示

                          图一 系统设计原理图

二、主要功能模块

2.1单片机控制模块

系统的控制器选用 ATC2051+单片机，ATC2051是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含2k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位处理器和Flash存储单元，ATC2051单片机在电子类产品中有广泛的应用。 

ATC2051提供以下标准功能：2K字节闪速存储器，128字节RAM，15根I/O口，两个16位定时器，一个五向量两级中断结构，一个全双工串行口，一个精密模拟比较器以及两种可选 的软件节电工作方式。空闲方停止CPU工作但允许RAM、定时器/计数器、串行工作口和中断系统继续工作。掉电方式保存RAM内容但振荡器停止工作并禁止有其它部件的工作到下一个硬件复位。

2.2水位检测模块

A﹑B﹑C是三个水位取样探头，当水位低于B探头时，C2051的P3.0脚将由高电位变为低电位。当水位达到C探头时，C2051的 P3.1脚将由低电位变为高电位，从而完成水位取样任务。

                             图二  水位检测模块

2.3温度检测模块

Rt1﹑Rt2﹑Rt3﹑U2A及其它外围组件共同组成超温取样电路，当电机的温度由于某种原因 升高而大于设定值时，比较器U2A就输出高电位到C2051的P3.2脚。热敏电阻Rt1﹑Rt2﹑Rt3绑轧在电机的三相绕组上，绑轧处和引出线要注意绝缘。调 试时，要根据电机的绝缘等级来设定报警温度值 ( 电机的绝缘等级有﹕A级绝缘105℃﹑E级绝缘120℃﹑B级绝缘130℃﹑F级绝缘155℃﹑H级绝 缘180℃ )。将三个热敏电阻放置在相应等级的温度环境下，细调电位器RP1，使比较器U2A刚好输出高电位。如果U2A始终输出高电位，则应减小R1 的电阻值，如果U2A始终输出低电位，则应加大R1的电阻值。

                        图三  温度检测模块

2.4过流检测模块

电流互感器L1﹑R8﹑R9﹑D2﹑U2B及其它外围组件共同组成过流取样 电路，当电机由于轴承损坏等其它原因引起电流超过设定值时，比较器U2B就输出一个高电位到C2051的P3.3脚。

过流取样电路中，电流互感器的比值要根据电机的功率大小来选择，其原则是要使U2B同相端的取样电压在1-3V之间，且流过电阻R8﹑R9的电流最好不要超过1安培。电阻R8﹑R9的功率要不小于实际功率的两倍， 以确保电流互感器不开路。也可以通过改变电流互感器初级匝数来调节输出参数。调试时，使电机工作于满负荷状态，测量U2B的同相端电压是否在1-3V之间，如果不在1-3V之间，则应将减小电阻R8﹑R9的阻值。细调电位器RP2。使得比较器U2B刚 好输出低电位。

                           图四  过流检测模块

2.5缺相检测模块

Ra﹑Rb﹑Rc﹑D3﹑D4﹑U3﹑U2C及其它外围组件共同组成缺相取样电路 ，Ra﹑Rb﹑Rc按星形接法接入A﹑B﹑C三相电路中，当三相电压平 衡时，其电压向量和为零，U3的二级管中无电流流过。当三相电压不平衡时，三相电压的向量和不为零，U3的二级管中就有电流流过，光敏三级管导通，电压跟 随器U2C就输出一个高电位到C2051的P3.4脚。

缺相取样电路中，RP3用来调节灵敏度。A相﹑B相﹑C相的取样应该接在电机的接线端子上。根据经验，造成缺相的原因主要是控制电器，如现场配电开关，接触器等，有时也会因为电机接线端子的松动而导致缺相。因此，对电机接线端子应该定期检查。

                          图五  缺相检测模块

2.6报警模块

P1.4﹑P1.5﹑P1.6﹑P1.7﹑P3.5﹑P3.7分别连接缺相﹑超温﹑过流﹑抽水水满﹑水位异常发光二级管，作为相应的灯光指示，P1.3通过光耦连接报警电铃。

                           图六  报警模块

2.7电动机抽水模块

P1.0通过光耦合器和双向可控硅连接主电源接触器KM1线圈 ，P1.1通过光耦和双向可控硅连接星形启动接触器KM2线圈，P1.2通过光耦和双向可控硅连接三角形运行接触器KM3线圈，与双向可控硅并联的电阻和 电容对可控硅起保护作用。

                           图七  电动机抽水模块

三、装置工作原理图 

                         图八  装置工作原理图

四、系统软件设计

4.1软件工作过程

接通电源后，C2051首先检测是否缺相，如果缺相，则LED1亮且报警，否则检测是否缺水，如果缺水，则启动电机抽水，抽水3分钟后再次对水位进行 检测( 注意，第二次检测水位的时间要根据水池的大小来确定 )，如果检测结果依然缺水( 如电机空转等情况 )，则停止抽水，LED6亮且报警。否则否 则程序返回开始处，有条不紊地检测是否缺相，是否水满﹑是否超温﹑是否过流等。

4.2 系统软件程序流程图

系统的软件设计采用汇编语言编写，系统程序流程图如图三所示。系统首先对单片机初始化，单片机不断监测有没有信息传入，当检测到有信息来时，则对相应的信息作出相应的反应，等待处理完后继续检测。

                      图九  系统软件程序流程图

4.3 汇编语言程序及其注释

ORG  0000H       

AJMP START       

ORG  0030H 

START: MOV P1,#0FFH

       MOV P3,#0FFH

MAIN:  JB  P3.4,A4     ; 是否缺相，若缺相，则转A4处。         

JNB P3.0,A0     ; 是否缺水，若缺水，则转A0处。         

JB  P3.1,A1     ; 是否水满，若水满，则转A1处。         

JB  P3.2,A2     ; 是否超温, 若超温，则转A2处。          

JB  P3.3,A3     ; 是否过流，若过流，则转A3处。        

AJMP MAIN

       NOP             ; PC出错处理

LJMP  START

A0:    ACALL  DELAY100MS

       JB     P3.0,MAIN

MOV    P1,#E3H      ; 星形启动，抽水指示灯亮        

ACALL  DELAY8s      ; 延时8秒        

MOV    P1,#E5H      ; 三角形启动        

ACALL  DELAY3m      ; 三角形启动后再延时3分钟             

JNB    P3.0,A5      ; 抽水3分钟后若P3.0依然为低电位，则水位异常。        

AJMP MAIN

A1:    ACALL   DELAY100MS

JNB  P3.1,MAIN

MOV  P1,#0FFH   ; 停止抽水，抽水指示灯灭。        

CPL  P3.5       ; 水满知指示灯亮。        

AJMP MAIN

A2:    ACALL DELAY100MS

JNB  P3.2,MAIN

MOV  P1,#0BEH   ; 停止抽水，超温指示灯亮，报警         

SJMP  $         ; 等待处理 

A3:    ACALL  DELAY100MS

JNB   P3.3,MAIN

MOV  P1,#0DEH   ; 停止抽水，过流指示灯亮，报警       

SJMP  $         ; 等待处理 

A4:    ACALL  DELAY100MS    ;防止误取样

       JNB   P3.4,MAIN

MOV P1,#7EH     ; 停止抽水，缺相指示灯亮，报警 

SJMP  $         ; 等待处理A5:    

MOV P1,#FEH     ; 停止抽水，报警        

CPL  P3.7       ; 水位异常指示灯亮        

SJMP  $         ; 等待处理 

DELAY100ms: MOV  R7,#248         

D1:    MOV  R6,#200         

D2:    DJNZ  R6,D2               

DJNZ  R7,D1               

RETDELAY8s:  MOV  R0,#80               

ACALL  DELAY100ms               

DJNZ  R0,DELAY8S               

RETDELAY3M:  MOV  R1,#23               

ACALLDELAY8S               

DJNZ  R1,DELAY3M               

RET               

END

五、总结

本设计方案借助于单片机的控制功能，实现了C2051通过内部程序的运行，对相关对参数进行综合处理，完成缺相﹑过流﹑超温报警及星形---三角形启动﹑保护﹑抽水等功能。各功能模块与控制电路集成在同一线路板上，这样既节约了成本，又提高了整个系统稳定性，可以广泛应用于学校﹑酒店等高楼大厦高水位水箱的自动给水。并具有实现简单、成本低、适用范围广、安全可靠等优点，具有广泛的应用前景。

    这次课程设计让我学会使用protel软件，并且对单片机控制有了更深的认识，加深了对课本知识的进一步理解。开始着手做课程设计的时候，觉得毫无头绪，不知从何下手，但是后来通过上网查资料、阅读资料和与同学讨论，让我掌握了课程设计的大体流程和所用知识。开始不了解的知识最后都得到了解决，在寻找答案的过程中，我学到了很多平时上课学习中缺少的东西，也使我深深认识到认真学习的重要性，平时看似很小的知识点在关键时刻却有着重要的作用。

六、参考文献

[1]  张毅刚.单片机原理及接口技术[M].人民邮电出版社,2011 

[2]  陈粤初，等。单片机应用系统设计与实践[M].北京航空航天大学出版社,1991 

[3]   http://www.willar.com/article_view.asp?id=278