基于单片机的水塔自动注水控制

湖南工业职业技术学院学生毕业设计- I -摘 要供水是一个关系国计民生的重要产业。传统的人工供水方式，劳动强度大，工作效率低，安全性难以保障，而水塔水位控制系统是我国住宅小区广泛应用的供水系统，为此很有必要对水塔水位进行自动控制。为了达到节能的目的，提高供水系统的质量，考虑采用单片机技术，设计出一套实用水位自动控制方案。本课题主要基于单片机的硬件电路设计，在硬件基础上合理配合软件，实现一种能够实现水位自动控制、具有自动保护、自动声光报警功能的控制系统，完成水塔水位控制系统的设计。该控制系统由单片机控制部分、时钟显示部分、数码显示部分、电机控制部分、报警部分等构成。再利用 Proteus 和 Keil 软件完成水塔水位控制系统硬件电路以及控制程序的设计，并进行了系统的调试和仿真。因为它具有电路简单、操作方便、性能良好、可靠性高等优点，因此该设计具有一定的实用性。关键字：供水；水塔水位；控制系统；单片机湖南工业职业技术学院学生毕业设计- II -目 录第一章 绪论 .1第二章 水塔水位控制硬件设计 .72.1 基本要求 .72.2 硬件设计 .7第三章 软件部分 .193.1 程序框图 .193.2 C 语言程序部分 .20第四章 软件仿真 .214.1 Protues 介绍 .214.2 Keil 介绍 .214.3 Protues 与 Keil C 的联合仿真 .214.4 Keil C 的调试步骤 .224.5 加文件到 Protues.244.6 仿真显示 .24总结 .30致谢 .31参考文献 .32附件一 .33湖南工业职业技术学院学生毕业设计- 1 -第一章 绪论供水是一个关系国计民生的重要产业 1 。水位控制在日常生活及工业领域（工厂、农村、学校等水量大的场所）中应用相当广泛。而水位的自动控制和监测和水塔是在日常生活和工业应用中经常见到的蓄水装置，通过对其水位的控制对外供水以满足需要，其水位控制具有普遍性。单 片 机 是 将 RAM， ROM,定 时 器 /计 数 器 以 及 输 入 /输 出 (I/O)接 口 电 路 等 计 算机 主 要 部 件 集 成 在 一 块 芯 片 上 ， 这 样 所 组 成 的 芯 片 级 微 型 计 算 机 称 为 单 片 微 型 计 算机 ， 简 称 单 片 微 机 或 单 片 机 。 由 于 单 片 机 的 硬 件 结 构 与 指 令 系 统 都 是 按 工 业 控 制 要求 设 计 的 ,常 用 于 工 业 的 检 测 和 控 制 当 中 ,因 而 也 称 为 是 微 控 制 器 或 嵌 入 式 控 制 器 ，它的出现使众多自动化控制系统得以实现。单片机不仅它功能强大、设计简单，而且制造很廉价，支持指令集较多 2。因此，本设计对基于单片机的水塔水位控制器的研究有着重要的意义。水塔供水的主要目的是使塔内水位应始终保持在一定范围，避免“空塔” 、 “溢塔”现象发生，因此要采用水位传感器测量水位变化。在水塔中的水位到达水位下限时自动启动电机，给水塔供水；在水塔水位达到正常水位的时候自动关闭电机，停止供水。并能在供水系统出现异常的时候能够发出警报，以及时排除故障，随时保证水塔的对外的正常供水作用。在当今社会经济高速增长的同时，水在人们的生活、生产中起着重要的作用。一旦出现缺水，轻则给人们生活带来极大的不便，重则出现造成严重的生产事故并造成不可挽救的经济损失。因此，对供水系统的控制显得十分重要。水塔是我国广泛应用的供水系统，传统的水塔水位控制方式存在很大的弊端，需要工作人员的时刻监控，不仅劳动强度大，而且工作效率低，最重要的是供水的安全性难以保障。而自动控制则不需要工作人员的时刻监控，水塔控制系统能自动地调节水塔中的水位以保持恒定，以满足人们生活中用水需求 3。20 世纪 80 年代以来，我国发展了以自记遥测为主的水位测量技术。它主要是建立自记水位计，实现水位自动采集、存储、远传。同期，还发展了无人立尺观测技术，这种技术采用激光测距仪与经纬仪接口配套组成的一套设备，利用激光测距仪无须反射棱镜测定距离（测距精度：05m）的性能，配以经纬仪测角测定目标高程的一种测量方法。湖南工业职业技术学院学生毕业设计- 2 -随着近代科学技术的发展和新材料新器件的开发，采用传感器研制水位计近年来有较大发展。主要采用的传感器有超声波 4、光电、压力、接触式、浮于式等几种 5。超声波式水位计是将换能器向水面发射超声波，测量超声波传播时间，计算出水位。压力式水位计也是不需要水位测并，其基本原理是测量静水压力来实现水深的测量，已采用过波纹管和水银位移式压力传感器等方法。固态压力传感器由于其灵敏度高、体积小、寿命长、且有抗腐蚀性而受到重视，但由于半导体传感器受温度影响大等原因，使其实用性受到限制。近年来固态传感器温度自动补偿问题有了进展，固态压阻式水位计已经得到应用。接触式水位计使用机电的方法用探头跟踪井内水面高低变化测量水位，已在少数领域使用，浮子式水位计，利用水球（或其它浮子） 作敏感器件，避免了温度、湿度等因素的影晌，性能稳定，工作可靠，因而得到长期使用和发展。单片机自 20 世纪 70 年代问世以来，以极其高的性能价格比受到人们的重视和关注，所以应用很广，发展很快。单片机的特点是体积小、集成度高、重量轻、抗干扰能力强，对环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，开发较为容易 6。正因为单片机有如此多的优点，因此其应用领域之广，几乎到了无孔不入的地步。在我国，单片机已被广泛地应用在工业自动化控制 7、自动检测、智能仪表 8、智能化家用电器、航空航天系统和和国防军事、尖端武器等各个方面。单片机的潜力越来越被人们所重视。特别是当前用 CMOS 工艺制成的各种单片机，由于功耗低，使用的温度范围大，抗干扰能力强、能满足一些特殊要求的应用场合，更加扩大了单片机的应用范围，也进一步促使单片机性能的发展。因此，可以开发利用单片机系统以获得很高的经济效益。虽然单片机的引入使控制系统大大“软化” ，但与其它计算机应用问题相比，单片机控制应用中的硬件内容仍然较多，所以说单片机控制应用有软硬件相结合的特点。为此，在单片机的应用设计中需要软、硬件统筹考虑，设计者不但要熟练掌握汇编语言等编程技术，而且还要具备较扎实的单片机硬件方面的理论和实践知识。更重要的意义是单片机的应用改变了控制系统传统的设计思想和方法。以前采用硬件电路实现的大部分控制功能，正在用单片机通过软件方法来实现。这种以软件结合硬件或取代硬件并能提高系统性能的控制技术称为微控制技术。水塔水位最重要的就是对水塔水位进行精确的探测 9，水塔水位的控制系统主要是基于单片机的水塔水位控制系统和基于 PLC 的水塔水位控制系统。PLC 即可编程序控制器，是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等各类操作指令，湖南工业职业技术学院学生毕业设计- 3 -并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 的一般特点：抗干扰能力强，可靠性极高、编程简单方便、使用方便、维护方便、设计、施工、调试周期短、易于实现机电一体化 10，PLC 总的发展趋势是：高功能、高速度、高集成度、大容量、小体积、低成本、通信组网能力强。基于 PLC 的水塔水位控制系统是以 PLC 为核心，对水塔水位自动控制系统的功能进行性进行需求分析。可以实现对水塔水位的自动控制和监测 11。主要实现方法是通过传感器检测水塔水位的实际水位，将水位具体信息传至 PLC 构成的控制模块，经 A/D 转换后，进行数据比较，来控制抽水电机的动作，同时进行数据还原，显示水位具体信息，如果水位低于或高于某个设定值时，就会发出危险报警的信号。基于单片机的水塔水位控制系统以单片机为核心，通过单片机本身的功能模块和控制程序，来实现对水塔水位做出控制、显示和发出报警信号。基于单片机的水塔水位控制系统最应解决的是液位传感器问题。最常用的是电阻式传感器、压阻式压力传感器、超声波水位传感器等。电阻式传感器如图 1-1 中虚线表示允许水位变化的上、下限。在正常情况下，应保持水位在虚线范围之内。为此，在水塔内的不同高度安装 3 根金属棒，以感知水位变化情况。其中，A 棒处于下限水位。C 棒处于上限水位，B 棒在上、下水位之间。A 棒接 + 5V 电源，B 棒、C 棒各通过一个电阻与地面相连。供水时，水位上升，当达到上限时，由于水的导电作用，B、C 棒连通 + 5V。因此，b，c 两端均为 1 状态，这时应停止电动机和水泵的工作，不再给水塔供水。当水位降到下限时，B、C 棒都不能与 A 棒导电，因此，b、c 两端均为 0 状态 这时应启动电动机，带动水泵工作，给水塔供水。当水位处于上、下限之间时，B 棒与 A 棒导通，因 C 棒不能与 A 棒导通，b 端为 1 状态，c 端为 0 状态。即实现 A/D 转换。通过对传感器的选择，可知由传感器输出的水位高度信号是 0 5 V 的直流电压。在设计中，可以通过采样、保持电路对这一信号进行处理，将模拟信号转换为多个采样点信号。湖南工业职业技术学院学生毕业设计- 4 -图 1-1 电阻式传感器传统的水位检测通过设检测点来完成对水位的检测。通常，由于受检测点物理体积的影响，水位检测点的数目有限，从而影响了后续电路控制的精度。新型水位传感器即选用北京英泰德科技有限责任公司生产的投入式液位变送器 MPM416W/426W，可以达到对水位高度的精确检测，以利于提高后续电路控制的精度。其原理是通过压阻式压力传感器，把与液位深度成正比的液体静压力准确测量出来，并经放大电路转化成标准电流( 或电压) 信号输出，建立起输出电信号与液体深度的线性对应关系，实现对液体深的测量。同时其具有以下特点：(1)使用寿命长，液位变送器膜片采用高技术激光调制电路，传感器外壳采用不锈钢制作。(2) 安装方便，仅需将投入式液位变送器探头投入液体中，引出信号线同二次仪表连接就可进行液位测量。(3) 温度稳定性好，投入式液位变送器本身在 070 内实现了温度补偿，在信号转换电路中加入了温度补偿电路，消除电路温漂对精度的影响，从而提高精度。超声波水位传感器能测量自身到水面之间的距离，由超声波发送电路和超声波接收电路组成。超声波发射电路原理如图 1-2 所示，单片机的一个端口发出 40KHZ 的方波信号，然后信号分成两路送出，其中的一路经反向器 74LS4069 后送到超声发射管 T的一个电极，另一路经两次反向后送到发射管 T 的另一个电极 ,这样做目的是为了增强超声波发射强度和提高电路驱动能力。电阻 R1 和 R2 作为上拉电阻作用有两个：第一是提高反向器输出高电平的驱动能力；第二是增加超声波发射管 T 的阻尼系数，缩短自由振荡的时间。超声波接收电路原理如图 1-3 所示，该部分主要由超声波接收探头R 及红外检波接收芯片 CX20106A 组成，因接收芯片 CX20106A 的载波频率为38KHZ，而上述超声波发射电路发出的超声波频率为 40KHZ，两者较为接近，所以利用该芯片制作超声波接收电路.实验表明，无超声波信号时 CX20106A 输出高电平，有信号时输出一个脉冲信号，且具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。当系统工作时，由单片机的一个端口发出的 40KHZ 的方波信号经过驱动电路使超声波发射器 T 发出一定强度的超声波信号，当超声波信号遇到障碍物时就会被反射回来，反射回来的超声波信号被超声波接收器 R 所接收，接收到的信号经过信号处理电路的处理送入到单片机的另一个端口，单片机根据发送与接收的时间差计算出传感器到水面的距离 X，再由安装时传感器到水塔底部的距离 H(已知值),计算出当前水的剩余量 h=H-X。湖南工业职业技术学院学生毕业设计- 5 -图 1-2 超声波发射电路图 1-3 超声波接收电路本设计基于电阻式传感器并以水塔水位为模型，鉴于单片机液位测量装置的测量准确、重复性能好、功耗低、使用寿命长等特点，所以该设计以单片机为基础的水塔水位控制系统。在实际中，水塔水位自动控制电路是通过水位传感器对水位进行采样，将采样信号的水位高度转换为 05 V 的直流电压，再经过 A/D 转换 12后，将转换所得的 8 路并行数字量送入单片机进行处理来来驱动电机的启停等。从而达到对水位进行自动控制的目的。通过对电压和水位的转换关系，最终利用单片机进行精确的控制，实现对水位高度的显示、主/备电机和报警装置等的控制。但是鉴于基于单片机的水塔水位控制系统在 Protues 上进行仿真，而 Protues 上没有水塔水位的模型。因此，可以用按钮来代替水塔的液位传感器。在 设 计 过 程 中 采 用 了 软 件 和 硬 件 双 结 合 的 的 设 计 方 法 ， 而 软 件 的 设 计 简 化 了 硬 件要 求 。 在 本 设 计 中 软 件 主 要 有 五 个 方 面 的 应 用 ， 它 们 分 别 为 ： 声 光 报 警 程 序 、 时 钟显 示 程 序 、 水 位 显 示 程 序 、 键 盘 控 制 和 电 机 控 制 程 序 等 。 该设计第二章介绍了“基于水塔水位控制系统的设计与仿真”的硬件设计，其中包括单片机的介绍、89C51 的功能及引脚介绍、CD4511 的功能及引脚介绍、LED 数码显示、电机驱动与现实、水湖南工业职业技术学院学生毕业设计- 6 -位监测电路等部分组成；第三章主要介绍软件部分，其中包括程序框图和 C 语言程序两部分组成；第四章则是仿真部分，其中包括 Keil、 Protues 的介绍，以及 Keil 的调试部分和加文件到 Protues 中等几部分组成。湖南工业职业技术学院学生毕业设计- 7 -第二章 水塔水位控制硬件设计2.1 基本要求由于需要基于单片机的水塔水位控制系统进行仿真，而 Protues 中没有水塔水位的模型，因此可以用按钮来控制电动机的转动，并用 LED 数码管来显示水塔水位的高度。当水位过高或过低时，都会发出报警声和指示灯显示。与此同时，还可以用 LED数码管来及时显示当前时间。2.2 硬件设计2.2.2 单片机的介绍自从 1971 年微型计算机问世以来，随着大规模集成电路技术的进一步发展，导致微型计算机向两个方向发展：一是高速度、高性能、大容量的高档微型计算机及其系列化，向大、中型计算机的挑战；另一个是稳定可靠、小而廉、能适应各种控制领域需要的单片机。单片机是把中央处理单元、随机存储器、只读存储器、定时/计数器以及 I/O 接口电路等主要部件集成在一块半导体芯片上的微型计算机。虽然单片机只是一个芯片，但从组成和功能上看，它已具有了微型计算机系统的含义，从某种意义上说，一块单片机芯片就是一台微型计算机。自从 1975 年美国德克萨斯公司推出世界第一个 4 位单片机 TMS1000 型以来，单片机技术不断发展，目前已成为微型计算机技术的一个独特分支，广泛应用于工业控制、仪器仪表智能化和家用电子产品等各个控制领域。在进行系统设计时，在单片机应用系统中，无论其技术要求、应用领域还是其规模大小是否相同，一般应遵循以下基本原则 13:（1）高可靠性单片机应用系统一个非常重要的特点就是高可靠性。在生活和生产工作中，单片机系统一般是实现系统的自动控制。一旦系统发生故障，轻则带来不便，重则会造成停止工作甚至是人员伤亡。大部分单片机系统是用在工业和民用的实时控制中的，而这些控制都是在不停地工作，有很高的可靠性是控制系统最一般的要求，从而使控制系统有较长的平均无故障时间。因此，在设计单片机应用系统中，高可靠性在每一环节都必须作为设计原则。湖南工业职业技术学院学生毕业设计- 8 -（2）高性价比在具有高可靠性的同时，在设计单片机应用系统时，控制系统的性价比也是必须考虑。在保证功能实现和高可靠性的条件下，不必强求 CPU 及元器件的高档次，能使用 8 位机就不用 16 位机，能使用中档就不用高档机，能使用 89C51 就不用 89C52; 能用