纯水机控制电路Protues仿真Word格式.docx

1、 Keywords: microcontroller; sensor; water machine; Protues simulation目 录1 绪论 11.1 纯水机发展现状以及发展趋势 11.1.1 产品现状 11.1.2 产品发展 11.2设计的内容 22 设计思想和方案 32.1 设计思想 32.2 设计方案 33 硬件系统的设计 53.1 主要元器件介绍 53.1.1 AT89C52单片机 53.1.2 LED数码管 53.1.3 蜂鸣器 63.1.4 继电器 63.2 硬件电路的设计 73.2.1 AT89C52单片机最小系统 73.2.2 按键模块电路 83.2.3 蜂鸣器报警

2、电路 83.2.4 继电器驱动电路 93.2.5 传感器模拟电路 93.2.6 数码管显示电路 104 软件系统的设计 114.1 软件设计的描述 114.2 系统软件程序设计 114.2.1 系统的主程序设计 114.2.2 按键模块程序设计 124.2.3 传感器检测程序设计 124.2.4 数码管刷新程序设计 135 系统调试运行及结果分析 145.1 系统的使用说明 145.2 系统运行的结果 145.2.1 系统开机 145.2.2 净水功能 145.2.3 强冲洗功能 155.2.4 低压报警功能 165.3 系统的误差及改进分析 165.4 设计体会 17结束语 18参考文献 2

3、0致 谢 231 绪论纯水机现在逐渐已成为日常生活中的重要智能家居，随着社会的发展，人们生活消费水平逐步提高，对生活品质的追求也向着追求完美卓越的方向发展。为了保证生活的舒适程度，对于纯水机技术的技术研发一直从未停止过探寻。从最初简陋的纯水机开始，人类从一开始只是简单地物理纯水方式到利用水分子结构特点的高质量纯水一步一步稳步向前发展。当更大的市场需求刺激了这个行业，行业发生了更大的翻天覆地的的变化。而纯水机也开始普遍出现人们日常生活中，如商场、酒店，办公室等大型公共场所，纯水机的影踪随处可见。智能家居也慢慢进入到普通老百姓的生活中。1.1 纯水机发展现状以及发展趋势科学技术的快速发展也带来了各

4、种环境问题比如水污染、空气污染等，给人们的身心健康带来巨大的考验，人们现在喝一杯干净放心的饮用水都成了一种奢望。并且不只是国内饮用水水质状况堪忧。全世界都在面临着饮水难的问题，试想如果现在处于国名消费水平并不高的时期，那时就算纯水机性能再优良，对于解决饮水问题再有效，但因为消费水平的不一样导致购买力不足，产业也很难得到壮大，产品制造水平也不会发展的这么快，但是根据现在国民平均水平的收入来看，消费纯水机这类的产品还是一件很简单的事情。据有关部门统计，在我国有近四分之一的人口在饮用不良水资源，自然水与地下水严重污染的问题也日益严重，饮用水质不合格的的人数仍在指数式猛增，饮水安全成为人们无法忽视的头

5、号问题，但同时也为纯水机行业迅速崛起与迅速发展提供契机。1.1.1 产品现状 在最新的世界在组织报告中，全世界中近一半的国家的城市人口饮用水安全无法保障，所以世界各国都把改善饮用水的问题当时头等大事来解决。国家在专题报告会上统计的数据显示近几年纯水机销售额的年复合增长率已经达到42%，未来发展前景一片大好。而人们对水的追求也从简单的可以引用，达到对水的质量进行要求。1.1.2 产品发展上个世纪中旬,欧洲很多发达国家发生罕见的水污染事件,为解决水质污染给人民日常生活起居带来的影响,德国率先提出净水机的概念，当时因为条件的限制只是用简单的过滤膜，把水中肉眼可见的杂质进行物理处理。从此，到到一定净水

6、的功能，而净水技术便开始在各国开始推广，慢慢逐渐演变成现今的智能家居纯水机。纯水机设备设计和制造技术引进中国相比其他国家略晚，是在上个世纪末由一家德国企业与中国当地的一家公司进行合资合作。在90年代中国只能从其它先进国家学习纯水机设备的先进高新技术，并与很多制造技术先进的公司组成合资企业。而现在，中国已是一个技术和制造能力都具备的国家，从原来合资企业公司转变成独立的公司，在技术发展的前期，像日本这种技术先进高新但生产力不足，所以将纯水机产品和滤芯材料的生产和组装放在中国，如今中国已经成为最大的纯水机的出口国，就在几年时间就超过了日本成为全世界最好的纯水机出口国家。也慢慢地成为世界纯水机制造发展

7、最快的国家之一。根据估测， 近年来所售出的纯水机50%是使用在普通家庭。每年的销售额也大幅度上升，让我国快速成长为最快使用纯水机的国家。1.2设计的内容该设计研究的是纯水机控制电路系统，由于是以传感器电路、蜂鸣器电路、显示电路等为主要电路进行设计。设计中以传感器电路为基础，以单片机编程来控制系统中硬件设计配合软件设计，即把系统所需要的各个硬件模块的设计配合软件设计，把硬件模块和软件模块进行联调，得出结果。纯水机系统是基于51单片机为核心，由独立电源供电电路模块、数码管显示电路模块、按键电路模块、蜂鸣器报警电路模块、继电器驱动电路模块等模块组成。把所需的模块按照设计方案连接在一起，利用Prote

8、us仿真软件，仿真实际运行结果。2 设计思想和方案2.1 设计思想 为了实现纯水机系统的大众化，让节约水资源从监控、合理利用出发，根据所学的知识和自身能力对系统的进行设计。具有以下四点要求：（1） 系统操作简单、能耗低。（2） 系统具有相应的报警功能，提示用户运行中出现的错误。（3） 具有系统的软件更新升级能力。（4） 系统应实现难度低、成本低等。2.2 设计方案随着科技的发展，纯水机系统技术也有了飞速的发展，出现了以基于单片机控制纯水机系统和基于PLC控制的纯水机系统，两者都可实时直观的显示机器运行状态，具有可靠性高、人机交互界面、远程通信监控等优点，在运行中可以很方便的控制，因而逐步取代传

9、统的纯水机系统，成为当代最主要的纯水机系统。所以有以下两种设计方案： 方案一：利用PLC对纯水机进行控制。PLC纯水机系统具有可靠的运行性能、不受外界波动、能耗低等特点。其方案包含电源、报警、测量、输出、输入、按键、电机等模块。方案二：基于单片机的纯水机系统。硬件系统核心采用的是AT89C52单片机，系统包含电源、振荡、复位、下载、键盘（独立式按键）、显示（LED数码管）、模拟水位传感器、报警（蜂鸣器）、直流电机等模块。以及相对应的各个模块的软件系统。【5】系统框图如图1所示。图1 系统框图结合上面两种方案，比较PLC控制和单片机控制。PLC控制具有价格昂贵、操作复杂、维护不方便且不同品种的P

10、LC不能通用等，一般适用于大型系统。单片机控制具有体积小，高度集成，编程方便，功耗低，使用简单，价格低等特点，被大量应用于家用以及工农业生产中。通过分析对比，决定采用方案二对纯水机系统进行设计。 3 硬件系统的设计3.1 主要元器件介绍3.1.1 AT89C52单片机纯水机系统的设计采用AT89C52单片机作为系统的核心。AT89C52单片机是ATmel公司生产制造的，采用DIP封装，具有40个引脚，具有丰富的资源，有一个8位的高性能并行处理器和一个布尔处理器，内部数据存储器（RAM）为256字节，内部程序存储器大小达到8KB字节，并采用电可擦除写入的FlashROM方式，方便对程序的更新。具

11、有4个可进行8位输入输出接口，一共32位，都属于准双向口。【7】其引脚图如图2所示.图2 AT89C52引脚图3.1.2 LED数码管数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。数码管也称LED数码管，不同行业人士对数码管的称呼不一样，其实都是同样的产品。数码管按段数可分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元，也就是多一个小数点（DP）这个小数点可以更精确的表示数码管想要显示的内容；按能显示多少个（8）可分为1位、2位、3位、4位、5位、6位、7位等数码管。其引脚图如图3所示。图3 数码管3.1.3 蜂鸣器蜂鸣器作为系统设计报警发声部件，通过发出嘀嘀的声音

12、告知用户是否运行出错。蜂鸣器按形式可以分为电磁蜂鸣器和电压式蜂鸣器，通常在蜂鸣器的两端加入一定的电流通过电磁感应产生震动就可以使蜂鸣器发出声音。蜂鸣器的组成一般由振膜、电磁感应线圈组成，其结构简单，使用方便，适用于各种声音报警场合。但要注意蜂鸣器的正极不能接反。蜂鸣器的外观图如图4所示。图4 蜂鸣器3.1.4 继电器系统中继电器通过改变直流电源的开断来使得电机改变运行状态，系统中选择24V的直流继电器，额定电流则要2A以上。可选择欧姆龙MY2N-J，欧姆龙MY2N-J额定电流有5A，一共有8个引脚2组常开触点和2组常闭触点且转换带电源指示灯。继电器如图5所示。图5 继电器3.2 硬件电路的设计

13、3.2.1 AT89C52单片机最小系统 一块单片机只有把它接入相应的电源，相应的晶体振荡电路，再加入相应的复位电路然后下载相应的程序，通过这样组合的单片机才能正常的按照所写的程序要求来执行操作。因而对于系统的设计，首先要对单片机的最小系统要进行设计规划。（1）电源电路部分：水位监控系统的各个功能实现首先必须要对其引入稳定的供电电压+5V，能让各个模块具有驱动能力。为了能更方便获取所需的电源电压，采用专用的电源变压器将市电降压成所需要的24V交流电压，通过滤波、整流、稳压、滤波给系统提供稳定的直流电压+5V，详见设计图纸电源电路原理图。（2）单片机只有满足相应的时钟信号才能进行工作，时钟信号由

14、时钟电路产生，通过在AT89C52的XT1、XT2引脚上接入12MHz的石英晶振外加两个电容器（电容器根据经验一般取22PF）组成的电路为单片机提供时钟信号。时钟电路如图6所示。图6 时钟电路图（3）单片机的复位有上电复位和对其进行按键复位，当出现死机和运行错误的时候一般采用按键方式对单片机进行复位操作。因为硬件系统中采用的是AT单片机，需要在复位管脚RST上产生两个周期的高电平才能使单片机复位。单片机复位信号的产生采用了按键方式的电路设计。按复位键通过电容（一般采用104）对单片机产生复位信号。系统复位如图7所示。图7 复位电路3.2.2 按键模块电路键盘作为系统的输入设备，能对系统的功能进

15、行操作和设置，只需要1个独立式键盘就可以满足系统的功能的操作需求。键盘电路为共阴极设计，即有按键按下的时候，单片机通过扫描发现相应的端口有低电平即为按键的按下，通过消抖，做出相应的执行动作。由于独立式键盘的每个按键连接着单片机的不同端口，所以各个按键相互独立，不干扰。系统独立键盘电路如图8所示。图8 独立按键模块电路图3.2.3 蜂鸣器报警电路蜂鸣器作为水位最高水位和低压的声音报警器件，它发出的声音能让用户知道当前系统的状态。在系统中蜂鸣器的电路采用单片机的I/O口再加一个三极管（三极管根据经验一般采用PNP型）的方式来使蜂鸣器发出报警。其蜂鸣器连接方式如图9所示。图9 蜂鸣器报警电路图3.2

16、.4 继电器驱动电路 由于单片机的输出电流能力不强，无法直接驱动继电器动作，所以驱动方式和蜂鸣器的驱动方式类似，均采用三极管增大输出电流。这里选用的三极管为NPN型的。当单片机输出高电平时，三极管导通使得继电器也导通。电机开始运行。【16】其驱动电路图如图10所示。图10 继电器驱动电路图3.2.5 传感器模拟电路 在仿真软件中没有相应的传感器进行仿真，在系统中选择2个开关作为代替传感器的器件。当系统检测到开关动作时，相应的引脚电平会发生变化，从而使用单片机知道系统的状态并作出响应。其电路图如图11所示。图11 传感器模拟电路3.2.6 数码管显示电路 数码管显示在系统中起着人机交互的作用，在

17、系统工作在净水阶段，数码管的七段分别以秒速率点亮。当水满后，显示8字样。当强冲时则数码管以秒速率闪烁。低压报警时显示0字样并伴随闪烁。其电路图如图12所示。图12 数码管显示电路4 软件系统的设计4.1 软件设计的描述 对于纯水机系统的设计，其软件包含着系统的监控、数码管的显示、按键的扫描、传感器的检测、报警模块的驱动、继电器的驱动等程序。以及其他必须的基本程序模块。4.2 系统软件程序设计 程序设计抓住硬件系统的每一个模块进行分模块化设计，这样更加方便程序的检查和日后的系统升级等优化，下面将系统的模块化驱动程序进行介绍。4.2.1 系统的主程序设计 纯水机系统的主程序主要作用是在系统上电后对

18、系统所有的模块进行初始化操作。然后进行检测各个传感器的状态，对数码管进行显示驱动等。 其流程图如图13所示。图13 主流程图4.2.2 按键模块程序设计纯水机系统采用了独立式键盘，采用扫描的方式进行按键扫描。由于只有一个按键所以程序设计相对简单很多。在判断按键按下采用最简单的延时进行消抖，对于键盘模块的程序设计有按键扫描程序组成。键盘模块相对应的程序操作如图14所示。图14 按键程序流程图4.2.3 传感器检测程序设计 系统中有2个模拟传感器，一个是低压传感器、一个是检测水位传感器。当传感器工作时，没有检测到相应的状态为低电平。检测到水位已满或者电压过低时是高电平，系统就会执行响应。 其程序流

19、程图如图15所示。图15 传感器模拟流程图4.2.4 数码管刷新程序设计纯水机系统选用一位共阳极数码管，驱动方式即给每个段位送入低电平即可点亮某一段，高电平则灭。同时保证数码管不闪烁，刷新率要在60Hz以上。保证不晃眼。其程序流程图如图16所示。图16 数码管刷新流程图5 系统调试运行及结果分析5.1 系统的使用说明 首先将编译好的程序加载到仿真软件中，开始运行，通过按键和，操作模拟传感器，观察各个模块的响应情况，从而得到结论。 系统上电后，开机显示F字样，随后系统开始运行。W-IN电机开始运行，BRUSH电机不动作。数码管以秒速率依次点亮。当纯水机检测到水位已满时，W-IN电机停止运行，即停

20、止制作净水。数码管显示8字样。当按下强冲按钮时，W-IN电机和BRUSH电机同时运行，数码管显示F字样，并带有闪烁，每两个小时后自动冲洗，强冲状态40秒后，自动停止。回到之前的状态。系统当检测到电压过低时，两个电机都不运行，数码管显示0字样，并伴随蜂鸣器报警声。即系统不停的检测两个传感器的状态并执行相应的动作。5.2 系统运行的结果5.2.1 系统开机 系统上电后，显示F的字样。之后系统进入正常运行状态，电机启动等系统开始净化水操作。系统开机的界面如图17所示。图17 系统开机界面5.2.2 净水功能 系统在净水功能下，数码管以秒速率依次点亮数码管的各个段位。其界面如图18所示。同时W-IN电

21、机运行。当检测到水位已满时，系统停止净水，数码管显示8。提示用户净水完成，水位已满。其界面如图19所示。图18 净水状态图19 水位已满5.2.3 强冲洗功能 在系统正常运行的状态下，按下强冲洗按键系统则进入强制冲洗状态，此时数码管显示F，并伴随秒速率闪烁，此时W-IN电机和BRUSH电机同时运行进入强冲状态。运行40秒过后，系统自动退出强制冲洗状态，返回到之前的状态。 强冲洗运行图如图20所示。图20 强冲洗功能5.2.4 低压报警功能 当系统运行中，检测到电源电压过低时，数码管显示0字样，蜂鸣器发出声音报警。提示用户电压过低，不足以支撑系统的运行。W-IN电机和BRUSH电机停止工作。当电源电压恢复正常后，系统重新启动，恢复正常运行。其状态如图21所示。图21 低压状态图5.3 系统的误差及改进分析 纯水机的系统的硬件设计和软件设计均不算复杂，在实际设计中相对于仿真要考虑很多，比如：功耗、性能、稳定等等。 纯水机系统目前没有设计待机休眠模式，而单片机在系统中的功耗又不能忽视，所以在单片机的选型上可以选择低功耗、低电压的单片机进行设计。系统的显示器件是LED数码管，该器件的耗电流能较强，在实际设计中该器件的需要大约20mA的电流才能正常显示。在整个5V的系统中功耗较高的器件。在实际的设计中可以选择低功耗的LCD显示器或者OLED显示器。