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1、基于单片机的水塔水位控制系统设计 基于单片机的水塔水位控制系统设计 社会在不断的发展和进步，人们的生活水平也在逐步提高和发展，我们的生活已经越来越离不开便捷的全自动控制系统，微型计算机发展是其中的一个不可或缺的重要分支，单芯机具有高可靠性，高性价比，低功耗，低电压等优点，以单片机为核心的全自动控制系统已经取得了广泛的应用前景和使用范围。 本篇论文是基于单片机的水塔水位检测系统设计。设计该系统主要是针对应用单片机的自动运行技术，使得水塔水位始终保持在一定范围内，从而确保连续正常的供水。本设计是以STC89C51单片机为核心的水塔水位检测系统，用以检测水位并对其进行控制、报警以及相应的处理功能，同
2、时在Proteus仿真软件环境中进行仿真测试。测试结果表明，设计的系统具有一定的检测和控制功能，并且能够应用于实际生产生活当中。 关键词：水位检测；单片机；报警； 1 绪论 (5) 1.1研究背景 (5) 1.2国内外研究现状 (5) 1.3研究目的与意义 (6) 2 系统总体设计 (7) 2.1设计要求 (7) 2.2系统设计方案 (7) 2.3系统工作原理 (8) 3 系统硬件设计 (8) 3.1硬件设计 (8) 3.2中央处理器模块 (12) 3.3继电器控制阀门模块 (13) 3.4水位检测系统的整体电路仿真图 (13) 4 系统软件设计 (14) 4.1软件功能概述 (14) 4.2
3、主程序设计 (14) 4.3LED显示子程序 (15) 5 联调与测试 (16) 5.1调试过程 (16) 5.2硬件调试 (16) 5.3软件调试 (16) 5.4功能实现 (16) 结论 (17) 附录A：系统原理图 (20) 附录B：系统PCB图 (21) 附录C：系统仿真图 (22) 附录D：系统源程序 (23) 1.1 研究背景 在现实生活生产当中，经常会遇到测量液体液位的问题。国家工业在迅速发展，液体液位测量技术也被广泛应用到化学化工、医学药物、食品安全、石油开采等各行各业中。液氧、液氮等低温液体现如今也得到了广泛的应用，因此，作为贮存相应低温液体的容器也要保证能承受其相应的载荷；
4、在冶炼工业中，锅炉汽包液位、除氧器液位、汽轮机凝气器液位、高、低压加热器液位等，保持在一定范围内是设备安全运行的基础保障；在实际科研与学习当中也经常会遇到需要进行液位测量与控制的实验装置。 本设计是基于STC89C51单片机为核心部件设计的水塔水位控制系统。主要是利用单片机的硬件设计和软件程序设计，包括电路测量部分、实时显示液位输出部分以及水位高低控制部分，同时也添加了蜂鸣器报警装置。本设计没有具体的数值设定，仅是理论上设计了某些电路部分，待实际应用检测后可进一步改进和推广。 该系统能够实现液位监测，液位显示，自动报警（包括低水位报警和高水位报警两种），液位控制功能。单片机使用技术、传感器技术
5、、C语言程序编写等技术是本设计主要用到的技术参考。同时本文也概述了相应液位控制系统的工作原理，另附C语言源程序和程序设计流程图，以及电路接口原理和电路图等。 1.2 国内外研究现状 就目前而言，生活生产中能够进行液位测量的相关装置种类繁多，但液位测量、数据显示、液位监控、报警及处理等功能同时具有的液位测量装置却少之又少。在某些工业生产控制系统中，单独的数据测量功能已不能满足现代工业生产的要求，对批量型数据进行记录，实时差错分析，后期处理控制、工艺流程改善、资源优化等一系列工作才是实际生产需要解决的问题。为了取得批量型数据，以及可靠的分析资料，常常需要持久、全方面的监控记录。针对于液位测量这一领
6、域，比如大规模水域、城市居民用水等方面，大批量、全方位的数据采集，以及记录和分析都具有重要意义。对某些液位的变化进行测定分析，在一定程度上可以使人们有效的对自然灾害预警以及提供可靠的数据支持，从而进一步改善我们的生存条件。 单片机其实就是一个缩小的计算机系统，它采用超大规模集成电路技术把能够处理数据的中央处理器CPU、存储器（RAM与ROM)、各种I/O端口以及中断系统、定时器、计时器等功能综合在一起的集成电路芯片。 单片机的指挥控制中心是其中央处理器CPU，执行命令和读取程序都是由其完成。指令与各个部分的关系往往比较复杂，如与外部电路、单片机核心电路、寄存器等各功能部件均有可能存在某种关系，
7、因此，CPU需要通过复杂的时序电路来完成不同的指令功能。 为了创造更好的设计条件，本设计采用软硬件结合的方式，因为软件的设计方法直接决定了硬件的要求。 本设计用到的单片机（STC89C51）具有功能齐全，技术先进，实用性强等特点，同时结构也相对简单。另外，单片机的一个重要“组成”部分就是C语言，为了在一定程度上提高开发效率，本设计对C语言的编写要求能够很好地掌握。 图 1 系统整体方案 1.3 研究目的与意义 无论是科技落后的远古时代，还是科技发达的今天，水在我们的生产和生活中都扮演着不可或缺的重要角色。一旦失去了水，不仅会给我们的生产生活带来一定的影响，更可能会造成严重的经济损害和人身安全。
8、因此，良好的供水系统是我们生产生活的重要组成部分，也正因如此，供水的安全问题，供给水量多少的问题是整个供水系统的最基本要求，但要如何建立一个这样的供水系统？这是一个很值得我们研究的课题。 自动检测控制系统的迅猛发展源自于现代各项技术的进步，尤其是本文涉及到的传感技术，信息处理技术以及计算机技术等。它在现代工业，生产生活，科研领域等都发挥了重大作用。随着社会生产力的提高，人们生活水平的改善，我们对液位的检测精度也要求越来越高。微型计算机具有稳定性能好，性价比高，操作简单等优点，使其拥有越来越广泛的用途，并且随着单片机的推广与普及，微机控制系统也赢得了属于自己的领域。 本设计为了更好的了解单片机的
9、组成部分和控制原理，最终实现设计出“基于单片机的水塔水位控制”的目的。实验结果表明，单片机控制的水位系统不仅稳定可靠，而且硬件电路简单，软件功能完善，单片机的性能得到了充分的发挥。 2 系统总体设计 2.1 设计要求 设计要求：利用STC89C51单片机及蜂鸣器、继电器、水位传感器等器件进行试验设计；将检测到的水塔液位变化信号转换为电压信号，经调理电路整形处理后输入单片机；单片机对输入的信号（TTL电平）进行相应的数据处理，在LED数码管上显示当前水位，当出现低水位和高水位时发出报警提示，同时信号灯亮。 原始数据：水位传感器；STC89C51单片机；指示灯；蜂鸣器。 2.2 系统设计方案 水塔
10、水位控制原理如图1所示，图中虚线表示水位正常变化范围，正常情况下，水位应保持在虚线之内。系统中A处于低水位临界处，C处于高水位临界处，B处于正常水位之间。A接电源，B、C通过一个电阻后与地相接。 本设计水塔由人为供水，以达到对水位增减调节的目的。接通电源，开始无水时，水位处于低水位下限，相应指示灯亮，蜂鸣器报警，此时属于低水位报警。缓慢供水时，水位上升，当水位进入正常范围时，相应指示灯亮，报警结束。继续缓慢供水，当水位达到上限时，由于水的导电作用，B、C接通电源。相应指示灯亮，蜂鸣器报警，此时属于满水位报警，可以停止供水。 在此设计系统中，检测信号由水塔中的液位传感器检测，该传感器共可以检测4
11、个水位，在相应的水位会传递出相应的信号给单片机，进而使单片机控制相应的指示灯亮和蜂鸣器报警，下文会详细介绍该传感器的选择和工作原理。 图2 水塔水位控制原理图 2.3 系统工作原理 当水塔里的水位在低水位及以下的时候，传感器检测信号并传给稳压电路，通过稳压转再换成相应的低电平。当单片机收到该低电平时，相应指示灯亮，蜂鸣器报警，表示水塔里已经没有水了或者是已经处于低水位状态了，需要人为开始给水塔加水。当水位缓慢上升到正常水位范围时，相应指示灯亮，蜂鸣器报警结束。当继续加水，水位达到高水位时，传感器再次传送给单片机一个低电平，相应指示灯亮，蜂鸣器报警，应该停止加水。 同样，当水位从高水位到低水位下
12、降时，单片机会再次根据传感器输入的相应的信号，来控制不同的指示灯亮或者灭，蜂鸣器报警或是正常。 3系统硬件设计 3.1 硬件设计 3.1.1水塔水位的硬件原理图如图3-1所示 原理图共分11个模块，其中电路模块有7个模块，下文将逐一介绍，其余均为相应元件模块。 图 3-1 水位原理图 3.1.2传感器的选择。 本设计能够成功的关键之一就是液位传感器的选择,因为传感器的准确性直接决定了水塔水位控制的精度.假如传感器选择不得当,可能会造成数码管显示值混乱，要么反应的不是水塔内部真实液位值，要么就会引起报警混乱，导致加水或放水不得当。 用于水塔液位检测的传感器有多种选择,如超声波传感器、电容传感器、
13、红外传感器、以及直接利用水的导电性感应水位高低，根据电路是否接通来判断水位是否达到了相应的水位。 其中，超声波传感器能够不受被测水位的深度和水体导电性影响，但检测精度不高，并且价格也相对较高，所以市场竞争力不强，不能够被广泛的应用于实际生产生活当中，另外，超声波传感器与单片机的接口电路相对复杂，需要进行相应的模/数转，才能够正常使用。 若使用电容式传感器，则检测功能容易实现，但要求水位的变化不能太快，检测距离也有一定限制，因此也不适合本设计选用。 若使用红外传感器，则需要利用液面和容器的反射构成一定的薄膜干涉，当水塔内部有水时，由于水塔水位液面反射光的干涉，从而使红外线传感器能够接收相应的信号
14、，进而能够检测到水位高低。然而，红外线传感器不仅安装繁琐复杂，并且价格也比较高。 最后就是直接利用水的导电性,根据电路是否接通来判断水塔水位是否达到了相应的液面位置。这种方式不仅安装操作简单，高度灵活，而且价格低廉。其结构如下示意图3-2： 图 3-2 水位传感器示意图 3.1.3系统稳压电路 稳压电路的主要作用是使液位传感器输入的信号能够稳定的输入到STC89C51单片机中，是整个电路能够稳定运行的基础。 电路如图3-3所示 图3-3 稳压电路图 3.1.4水位显示电路 水位显示电路是利用LED 数码管显示当前水位，LED 数码管具有价格低，显示亮度高，驱动方式简单等特点，是常用的显示器件，它的组成包括7个发光二极管和一个小数点，字形如同一个“8”字，它们不仅可以共阴极也可以共阳极，并且具有大致相同的使用方法，二极管需要显示的数字由解码电路得到的数码来决定。本设计将选择一个共阳极数码管作为液位显示器，因为单片机在复位以后，它的引脚会出现高电平，所以，复位后数码管一般情况下可能会不显示数字。如下所示示意图： 图 3-4-1 数码管模型 图 3-4-2 共阳数码管接 法