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1、基于单片机的水位控制系统-毕业设计论文 1 编号 1151001132 毕业设计 （ 2022 届本科） 题 目： 基于单片机的水位控制系统的设计 学 院： 物理与机电工程学院 专 业： 电子信息科学与技术 作者姓名： 指导教师： 职称 讲 师 完成日期： 年 月 日 二一五年 六月 目录 河系学院本科生毕业论文（设计）诚信声明 (2) 河西学院本科生毕业论文（设计）开题报告 (3) 摘要 (6) ABSTRACT (6) 1. 绪论 (7) 1.1 研究背景 (7) 1.2研究现状 (7) 2.设计任务及要求分析 (8) 2.1 设计任务及要求 (8) 2.1.1 设计任务 (8) 2.1.
2、2 设计要求 (8) 2.1.3 要求分析 (8) 3. 系统方案论证与选择 (8) 3.1方案设计 (8) 3.2 系统整体方案 (10) 3.2 各单元电路方案论证 (10) 3.3 主要模块简介 (11) 3.3.1 核心芯片STC89C51单片机 (11) 3.3.2 1602液晶显示器 (14) 4. 硬件电路设计 (17) 4.1 单片机最小硬件系统电路 (18) 4.2水位显示电路 (18) 4.3 水位调整及其报警电路 (19) 4.4初值设置按键电路 (20) 5. 程序设计 (20) 5.1水位控制系统主程序设计流程图 (20) 5.2 水位控制系统主程序 (20) 6.
3、实物调试与测试 (21) 6.1实物图 (21) 6.2 测试结果分析 (21) 7. 结束语 (22) 参考文献 (23) 致谢 (24) 附录 (25) 河西学院本科生毕业论文（设计）题目审批表 (33) 河西学院物理与机电工程学院指导教师指导毕业论文情况登记表 (34) 河西学院毕业论文（设计）指导教师评审表 (35) 河西学院本科生毕业论文（设计）答辩记录表 (36) 河系学院本科生毕业论文（设计）诚信声明 本人郑重声明：所呈交的本科毕业论文（设计），是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体
4、已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 二O一五年五月二十五日 河西学院本科生毕业论文（设计）开题报告论文题目基于单片机的水位控制系统的设计 学生姓名所属学 院 物理与机 电工程学 院 专 业 电子信息 科学与技 术 年级11级 指导教师所在单 位 物理与机 电工程学 院 职 称 讲师 开题日 期 2022.11.17 选题的根据： 传统的水位控制系统虽结构简单,但功能单一,无法实现人机交互,且通用性差。如今随着电子技术的飞速发展,电子产品制造工艺成熟,批量生产降低了产品价格。人们开始意识
5、到采用单片机来实现水位控制。本设计拟采用超声波测距传感器来测量水位，测得数据经STC89C51单片机编程处理后动态显示在LCD液晶显示器上显示水位高度，并由单片机根据程序预设最低与最高水位值控制硬件电路来达到对水位的调节，水位初值能在独立按键上可调。系统中光报警直观表示水位当前状态；水泵由于停电或故障无法启动时能通过声音报警；继电器通断控制水泵来调节水位，保证液面高度始终处于较理想的范围内。 论文的主要内容、基本要求及其主要的研究方法： 主要内容：设计一个以单片机为基础，用超声波传感器测量水位并将水位高度实时显示在数码管上；用发光二极管直观显示水位当前状态；水位最高与最低值能在按键上调节的智能
6、水位控制系统。 设计要求： 1.控制容器的水位在某一值附近。当水位发生变化时利用单片机控制进水阀或水泵，使水位能迅速调整到预定值； 2.能通过键盘对水位控制的阈值进行设置； 3.能通过数码管、液晶显示器或PC机显示当前水位值及水位阈值等信息； 4.要求水位控制精度在5%以内。 研究方法：经指导老师的提示并查阅资料实现理论设计，在老师和同学的帮助下完成电路的理论设计、电路仿真，在万能板子上焊接得到最终设计的实物。 论文进度安排和采取的主要措施： 1.明确设计任务，搜集整理有关文献资料 2.完成开题报告 3.查阅资料，提出并论证方案 4.利用所学软件进行仿真 5.硬件电路的焊接，调试及撰写论文 6
7、.完善设计修改论文 7.完善论文 主要参考资料和文献： 1童诗白.模拟电子技术基础M.高等教育出版社,2022. 2陈杰,黄鸿.传感器与检测技术M.北京:高等教育出版社,2022. 3谭浩强.C程序设计M.清华大学出版社,2022. 4高吉祥.全国大学生电子设计竞赛培训系列教程M.电子工业出版社,2022. 5周澜景.基于PROTEUS的电路及单片机系统设计与仿真M.北京航空航天大学出版社,2022.5. 6何希才.传感器及其应用实例M.工业出版社,2022. 7康光华.电子技术基础模拟部分（第五版）M.北京:高等教育出版社,2022. 8潘新民,王燕芳.微型计算机控制技术M.电子工业出版社,
8、2022.1. 9何立民.单片机高级教程M.北京航空航天大学出版,2022. 10楼然苗,李光飞.单片机课程设计指导M.北京航空航天大学出版社,2022. 11张毅刚,彭喜元,彭宇.单片机原理及应用.高等教育出版社,2022. 12王小建,胡长胜主编.单片机设计与应用.清华大学出版社,2022. 13卢胜利主编.智能仪器设计与实现.重庆大学出版社,2022. 14王兆安,黄俊主编.电力电子技术(第四版).机械工业出版社,2022. 15胡汉才编著.单片机原理及系统设计M. 清华大学出版社,2022. 指导教师意见： 签名： 年月日教 研 室意见负责人签名： 年月日 学 院 意 见 负责人签名：
9、 年月日 基于单片机的水位控制系统的设计 摘要 本文研究了一种基于单片机的水位控制系统的设计。该设计是利用超声波传感器 测量水位，测得数据经STC89C51单片机编程处理后动态显示在LCD液晶显示器上，并由单片机根据预设最低与最高水位值控制硬件电路对水位进行调节，水位初值能在独立按键上可调。本设计过程中主要采用了传感技术、单片机技术、光报警技术以及弱电控制强电的技术。它能自动完成水位检测、光报警、上水停水的全部工作循环，保证液面高度始终处于较理想的范围内。它结构简单，制造成本低，灵敏度高，节约 能源显著，是用于各种高层液体储存的理想设备。 关键词: 单片机；超声波传感器；LCD液晶显示器；自动
10、控制 ABSTRACT This paper studies a design of water level control system based on single chip microcomputer. The design uses ultrasonic sensor to measure water level, the measurement data is dealt with by STC89C51 controlled and displays on the liquid crystal display(LCD), and controls hardware circuit
11、 to adjust water level according to preset the lowest and the highest water level value, the initial value of water level can be adjusted with independent buttons. The main sensing technology, SCM technology, light alarm technology and weak control the strong power of the technology used in the desi
12、gn process. It can automatically detect the water level, light alarm, all the work cycle of the cut off the water or supply water , ensure the liquid surface height is always in the ideal range. The design has simple structure, low manufacturing cost, and high cost performance of water-saving and en
13、ergy-saving, suitable for all kinds of high-level liquid storage ideal equipment. Key words: single chip microcomputer ；Ultrasonic sensor；LCD；Automatic Control 1. 绪论 1.1 研究背景 水位自动控制技术越来越频繁地进入到自动控制系统设计者的视线。传统的水位控制系统虽结构简单,但功能单一,无法实现人机交互,且通用性差。如今随着电子技术的飞速发展,电子产品制造工艺成熟,批量生产降低了产品价格。人们开始意识到采用单片机来实现水位控制。其人
14、机交互性强, 功能强大, 控制精度高, 能够方便地与上位机通讯, 实现数据共享。且价格低廉, 通用性、实用性强, 能够在稍作改造后或直接用于诸如自来水厂的储水池、爆气池, 污水处理厂、化学工厂的各类液体池以及电厂一的锅炉气泡等需要水位自动控制的场合。 1.2研究现状 在许多工业生产系统中，需要对系统的液位或物料位进行监测，特别是对具有腐蚀性的液体液位的测量，传统的电极法是采用差位分布电极，通过给电脉冲来检测液面，电极长期浸泡在液体中，极易被腐蚀、电解、失去灵敏性，因而对测试设备的抗腐蚀性要求较高。超声波液位检测系统，利用了超声波传感技术的原理，采取一种非接触式的测量方法，能够实现对工业系统中液
15、位或物料位的检测；而且超声波具有很好的指向性和束射特性，人耳听不见，一般不会对人体造成伤害检测工程方便、迅速、易做到实时控制，而且测量精度又能达到工业实用的要求，所以有广泛的工业应用前景。 并且目前，我国住宅小区楼房自来水供水系统主要采用高塔供水，既在楼顶或者另外建设的高塔上面建个蓄水池以保证用户水压的恒定。目前大多数的住宅小区都是采用人工加水的办法，即当水用完的时候，就人工开启水泵进行加水，十分不便。所以这一切问题的存在，都在呼唤一种简单经济的水位检测报警控制系统的诞生。 传统的控制方式存在控制精度低、能耗大的缺点,而自动控制原理, 依据用水量的变化自动调节系统的运行参数,保持水压恒定以满足
16、用水要求, 从而提高了供水系统的质量，而且成本低，安装方便，经过多次实验证明，灵敏性好，是节约水源，方便家庭和单位控制水位的理想装置。 2.设计任务及要求分析 2.1 设计任务及要求 2.1.1 设计任务 设计一个以单片机为基础，用超声波传感器测量水位并将水位高度实时显示在液晶显示器上；用发光二极管直观显示水位当前状态；水位最高与最低值能在按键上调节的智能水位控制系统。 2.1.2 设计要求 （1）控制容器的水位在某一值附近。当水位发生变化时利用单片机控制进水阀或水泵，使水位能迅速调整到预定值； （2）能通过键盘对水位控制的阈值进行设置； （3）能通过数码管、液晶显示器或PC机显示当前水位值及
17、水位阈值等信息；(4)要求水位控制精度在5%以内。 2.1.3 要求分析 根据该设计的任务及要求分析知该系统中测量水位这是一个重要部分，只有准确的测量出了水位才能用单片机控制其余硬件电路做出响应。要准确测量水位需选用合理的测距模块，经过分析和比较几种传感器的功能和原理，此次用超声波测距模块来解决这个问题。 3.系统方案论证与选择 3.1方案设计 方案一：本方案采用555电路进行控制，即当水位探测传感器探测到低水位时送一个低于1/3VCC的低电平给NE555芯片,555的输出即为高电平驱动水泵加水;当在正常的水位时候,送给NE555为1/3VCC-2/3VCC的电平,即保持前一个水泵不加水的状态
18、;当水位居于高水位时,给NE555电路一个高电平,这时NE555输出电平翻转为低电平,不能驱动水泵,水泵停止加水。 图3.1 方案一方框图 方案二：本方案采用单片机STC89C51作为我们的控制芯片,主要工作过程是当 水塔中的水在低水位时,水位探测传感器送给单片机一个高电平,同时单片机驱动水泵加水和显示系统使红灯变亮。 图3-2 方案二方框图 方案论证： 第一种方案设计使用起来比较方便也简单,不用编程等软件方面的设计，但是没有稳压电路,使输入NE555芯片的电平十分不稳定,容易发生误判水位引起混乱的情况,且NE555电路只有一个输出端,不能接显示系统,所以不能完成显示功能。另外，此方案不能精确
19、测量出液位高度，铜丝长时间沁在水中表面会发生氧化，长时间会是系统的误判率升高。 第二种方案中使用了单片机芯片和超声波传感器，单片机控制和超声波测距技术 555电路 电源电路 高塔 水箱 电源电路 STC89C51 单片机 超声波 传感器 显示部分 水泵 控制电路 供水系统 是信息时代用于精密测量的技术。此系统使用过程中采用稳压电路能够准确地把输入的电平送给单片机不会产生误判的情况,由于STC89C51单片机有四端口32引脚能够非常方便地设计显示系统。 综上,我们已经清楚地看到了两种方案的优劣,要能够很好地完成本次设计的各个指标和达到设计的目的,我们选择第二种方案作为我们的设计方案。 3.2 系
20、统整体方案 图3.1 液位控制系统 由上图可观察到此液位控制系统工作如下：传感器通过对液面进行测量，输出模拟信号，再通过STC89C51单片机的运算控制，在LED上进行显示,通过报警装置进行报警,报警显示之后再通过对阀门的开启实现对水体的液位进行调节控制,阀门的驱动设备是电动机。 3.2 各单元电路方案论证 (1)能使单片机工作的最小系统电路 最小系统由复位电路、外部晶振和单片机STC89C51组成 (2)显示电路 用LCD1602，指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块。 (3)调整控制电路 用三极管和电阻等元件构成的驱动电路接到家用电水泵上来调节水位。 (4)声音报警电路 在停电或者水泵由于故障而无法上水时，声音报警启动，以便及时做出处理。水位控制系统中传感器的选用论证 系统考虑的要求，在对器件的选择过程中，侧重于对传感器的选择。方案设计过程中主要对以下几种传感器做了比较。 方案一：压力传感器 目前的液位压力传感器大部分是投入式静压液位变送器，而投入式静压液位传感器只有参考大气压才能进行准确测量，然而连接电缆中的通气会受到环境的影响，造成气管内壁冷凝，结露。露水滴到电子器件和传感器上，会影响精度或者输出漂移。