基于单片机水库水位报警系统

合肥师范学院2015届本科生毕业论文（设计）本科生毕业论文（设计）题目：基于单片机水库水位报警系统 学 院 电子信息工程学院 专 业 电气工程及其自动化 学 号 1108441069 姓 名 唐朦朦 指导教师 尹静 助教 摘 要随着世界与中国科技的日益发展进步，单片机技术和自动化早已经被广泛应用在工作、科学研究等重要领域内，目前也扩展普及到我们的日常生活的各个领域中，扮演着十分重要的角色，为人们的生产生活带来了许多方便。大到可用于水库、湖泊、池塘水位的检测，小的可以用于鱼缸、锅炉水位的检测。水库水位的检测也可以用自动化来实现（本设计要实现的操作）。目前我国的监测仪器已具有了一定的研究能力、开发力和生产力，但是我国的传感和检测仪器从技术、工艺、行业生产水平和专业化等方面来看，于发达国家相比还存在一定的差距，本设计从分析水库水位（用简易水杯模拟水库）报警器的原理和设计方法入手，主要基于单片机STC89C52的硬件电路和实现电机自动运行为基础，可以自动显示水库水位以及防护水位的过高所造成的危险。控制系统由模数转换系统的A/D转换部分、单片机控制部分、数码显示部分、和光电报警部分构成。该电路采用简单而灵敏的监测报警电路，操作简单方便，接通电源即可工作。该系统设计新颖、简易，灵敏度高，工作稳定，能够自动检测与显示当前水位、高低水位报警等功能。关键词： STC89C52单片机；模数转换器；数码显示管 Abstract With the development of science and technology progress, MCU technology and automation has been widely used in scientific research, work, and other important areas, plays a very important role. Deep into the various fields, for the production and living of people brought a lot of convenience. the monitoring instrument in our country have a certain research, development, and productivity, but won the testing instrument from technology and technology in our country, from the level of industry production specialization, and other aspects, domestic water level monitoring instrument are mainly float type water level gauge, pressure sensor level meter,This design from the analysis of reservoir water level alarm (tank was used to simulate reservoir), the principle and design method of main hardware circuit and the implementation based on micro control machine STC89C52 motor run automatically as the foundation. Control system consists of A/D conversion part of the modulus conversion system, single-chip microcomputer control, digital display part, and photoelectric alarm. The circuit is simple and sensitive monitoring alarm circuit, the operation is simple, it starts working just by turning on the power supply. The system design is novel, simple, high sensitivity, stable work, can automatically detect and display the current level, high and low water level alarm, and other functions.KEY WORD：MCU-89C52，A/D conversion ,Digital display tube 目 录摘要IAbstractII目录.III1 绪论11.1 课题研究的背景11.2 发展现状和趋势11.3 课题内容与意义22 水库水位报警系统的系统概述22.1 该系统的工作原理22.2系统结构图32.3控制方案说明42.4系统组成与原理42.5 本章小结43 硬件电路设计53.1设计背景53.2电路设计53.2.1 探测电路53.2.2电源开关的设计73.2.3时钟复位电路设计73.2.4光电报警电路83.2.5显示数码管与功能93.2.6继电器电路103.2.7蜂鸣器电路103.3 本章小结114 程序设计124.1 程序设计流程图124.2 水位判断函数134.3 显示函数134.4 本章小结145 系统仿真与硬件调试155.1 调试软件介绍155.1.1 程序编辑软件155.1.2 仿真软件155.2 调试与运行155.3 系统仿真165.4 硬件调试185.5 系统仿真与硬件调试结果分析21结论22参考文献23附录A 电路原理图1附录B PCB图1附录C 系统源程序1III1 绪论1.1 课题研究的背景我国地大物博，水资源丰富，但对于水利资源的利用层面仍然有很多的缺陷。水库是国家的重要资产，也于人们的生活息息相关，在水的管理方面具有着举足轻重的作用, 我国各地仍有水灾频频发生的现象，因此监测湖泊、江河与水库等的水位及这些区域的降雨量成为不可忽视的工作。这种监测不但可以为及时预防水灾、决策防汛提供可靠的数据和资料，同时还能够为防洪抢险救灾和保护人民生命财产安全发挥不可忽视的作用。水库水位监测以及报警系统是保证人们基本生活条件中不可或缺的部分，能够为用户提供充足的用水、保证日常生活、生产的需要。但是长期以来人们使用传统人工控制方式管理水库，这种管理方式存在着许多缺点，如：水资源的浪费、不能及时供水、影响生产效率等。随着应用技术的不断提高、计算机科学逐渐走向成熟，作为计算机应用的一部分，使用计算机对水资源进行管理有着老式手工管理所无法比拟的优点。例如：节约水资源、及时、可靠性强、效率高、成本低等，这些优点能够极大地提高管理的效率。目前，我国水资源已经紧缺，高效率节约用水已成为程序设计制作的焦点，既要求蓄水池的水位保持一定高度，还要防止溢水。老式远地观测深水池水位装置，如浮球弹簧管开关、水漂式上下水位控制开关、，只能控制一路水泵的控制器，这些均有接触不良且不易控制多级水位和远地观测水位等缺点，而且不同程度存在如下两个问题：一是通用性不够强，仅适用于某单位，若作他用则另需修改；二则是功能不够齐全，无法准确应用。1.2 发展现状和趋势早先，国内许多水文站监测水位和降雨量仍采用人工方法。该方法不但存在测量时人身安全问题，而且还存在数据测量难以准确、监测实时性不强以及不能及时反馈等问题，这些都会严重影响正常的工作效力。而正常的水位监测需要对水位进行自动显示、监测和报警。传统的水位检测系统一般是通过有线方式与监控中心取得接合，这种传输方式不但难以保护，而且在很大水平上限制了其在时空上的拓展性。近年来现场水位位监测技术在国际上一些发达国家已经开始发展，如美国、日本等国家相继研究出自动监测设备。而且发达国家均具有较为先进产品，并已走进国际市场，而目前我国关于水位监测技术的国情突出表现在：仪器设备昂贵、操作步骤复杂、质控程序繁琐等方面。我们应采取有效措施扬长补短，将国外的先进技术引入国内，消化吸收建立即适合我国国情又和国际接轨的监测方法。 1.3 课题内容与意义水况水位测量一直是水利部门的重要课题。为及时发现事故苗头，防患于未然，经济实用、可靠的水位监测系统在此将发挥重要的作用。本设计基于单片机的水库水位（用简易水杯模拟水库）监测器主要由硬件与软件两部分组成。硬件是基于AT89C52芯片为核心的水位监测，采用AT89C52单片机进行控制及数据处理。软件设计中采用模块化程序设计思想将软件主要分为数据处理模块和功能模块两大模块，设计出了能精确测量水库水位检测器。此系统具有易控制、工作可靠、测量精度高的优点，可实时监测水位。 本设计从分析水库水位报警器的原理和设计方法入手，主要基于单片机的硬件电路和实现电机自动运行为基础，可以自动防护水位的过高过低。控制系统由模数转换系统的A/D转换部分、单片机控制部分、数码显示部分、和光电报警部分构成。因为大部分电路采用数字电路，所以本水位监测报警器还具有耗能低、准确性高的特点。该系统设计新颖、简易，灵敏度高，工作稳定，能够自动检测与显示当前水位、高低水位报警等功能。2 水库水位报警系统的系统概述2.1 该系统的工作原理本水位监测报警器使用5V低压直流电源就可以对210厘米的水位进行监测，用LED显示和数码管显示水位，并可以对高于此范围内的水位发出报警. Y1，Y2，Y3，Y4，COM都安装好，COM是高电平，当水位在Y1位置，Y1通过水和COM接通得到高电平，驱动三极管导通，使P20拉低，单片机读取这个信号，驱动黄灯亮，同时驱动继电器使其闭合。当水位达到Y2位置，Y2通过水和COM接通得到高电平，驱动三极管导通，使P23拉低，单片机读取这个信号，驱动绿灯亮，同时保持继电器闭合，当水位达到Y3位置，Y3通过水和COM接通得到高电平，驱动三极管导通，使P26拉低，单片机读取这个信号，驱动绿灯亮，同时保持继电器闭合，当水位达到Y4位置，Y4通过水和COM接通得到高电平，驱动三极管导通，使P27拉低，单片机读取这个信号，驱动红灯亮，同时使电继电器断开，并驱动蜂鸣器。反过来，当水位降到Y3位置，Y3通过水和COM接通得到高电平，驱动三极管导通，使P26拉低，单片机读取这个信号，驱动绿灯亮，同时保持继电器断开，当水位降到Y2位置，Y2通过水和COM接通得到高电平，驱动三极管导通，使P23拉低，单片机读取这个信号，驱动绿灯亮，同时保持继电器断开， 当水位降到Y1位置，Y1通过水和COM接通得到高电平，驱动三极管导通，使P20拉低，单片机读取这个信号，驱动绿红亮，同时驱动继电器使其闭合。2.2系统结构图 采用单片机AT89C52作为本设计的控制芯片，主要工作过程是当水库中的水在低水位时，水位探测传感器送给单片机一个高电平，驱动三极管导通，单片机读取这个信号，驱动黄灯灯亮；手动加水，当水位在正常范围内时，单片机驱动绿灯灯亮；继续加水，当水位在高水位时,单片机驱动红灯灯亮。如图2-1为系统结构图。如图2-1为系统结构图2.3控制方案说明这个方案中使用了单片机处理，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STC89C52单片机有四端口，40引脚能够非常方便地设计显示系统。2.4系统组成与原理本系统由电源电路、水位探测电路（简易水杯模拟）、单片机系统、声光报警显示电路、继电器控制水泵加水电路，以及水库模型组成。主电气原理图如下：图 2.2 硬件系统的设计框图 2.5 本章小结本章主要阐明了水库水位报警系统系统的工作原理与工作流程。在介绍水库水位报警系统的工作原理时，文章重点描述了系统电路的组成结构和如何实现监测和报警控制。在介绍系统原理时说明了水位变化与单片机管脚接合的利用单片机的A/D转换实现水位监测的功能。3 硬件电路设计3.1设计背景 单片机最小系统电路设计 STC89C52是本设计所使用的单片机类型，他是具有低电压的8位单片机，该单片机含有40引脚，通过引脚与外界电路的接洽，利用已经设计完整的电路图可实现水库水位报警系统的目的。本设计中单片机采用STC89C52，它是一种高性能低价格单片机。引脚(40个)和指令系统与8051单片机完全兼容。用它构成的测量、控制系统具有电路简单、可靠性好、体积小和成本低等优点。P1 口输出驱动器能提供20mA 的灌电流驱动能力, 其锁存器写1 时可作为输入口。STC89C52的P3 口为七位双向I/ O 口, 有内部上拉电阻, P3 口输出驱动器能提供20mA 灌电流驱动能力, 其锁存器写1 时可作输入口。P316作为输入线与片内精密比较器输出端在片内相连, 故无引出线, 但可读该位的值。P310 P315的第二功能与8031 P3 口相应口线的第二功能完全相同。综上所述, P1 和P3 口中的各口线可直接驱动发光二极管, 不用再配置发光二极管驱动电路,P1.0与P1.1具有第二功能, 不用再配置比较器, 从而简化了控制电路的结构。3.2电路设计3.2.1 探测电路 图 3-1 水库液位探测 图3-1是水库液位探测原理图（用水箱模拟水库），图中虚线表示允许水位变化的上下限。其中A为下线，D为上线。在正常情况下，应保证水位在虚线范围之内。在水库边沿的不同高度安装了5根金属 棒，以感知水位变化情况。其中，A棒处于下限水位，B、C棒处于上限正常水位，D棒处于水位上线。最左方金属棒接+5V电源，A、B、C、D棒各通过一个电阻与地相连。电路原理图如图3-2所示。图3-2 水库液位探测电气原理图 3.2.2电源开关的设计 本开关采用简单的单个触电开关，触点接触时使电流形成回路，触点不接触时电流开路 ，在开关电路中还加入了二极管和光电二极管，二触点接触时电路导通，光电二极管发亮，二触点不接触时电路开路，光电二极管变暗。电气原理图如图3-3所示。图3-3 电源开关电气原理图 3.2.3时钟复位电路设计 电源、时钟信号以及复位电路是单片机工作的基本条件，缺一不可。单片机的时钟信号用来提供单片机内各种微操作的时间基准，时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号。单片机的时钟信号由12MHZ的晶体振荡器产生，振荡脉冲信号经过内部时钟发生器进行二分频之后，成为单片机的时钟信号，时钟信号是维持单片机能够正常工作的基本保障，在内部是以脉冲的形式来提供单片机工作。电气原理图如图3-4所示。图3-4时钟电路原理图 时钟振荡电路常采用石英晶体振荡器。晶体振荡器在时钟振荡电路延时一段时间后起振，石英晶体的频率决定了它的振荡频率。振荡同时会在引脚产生正弦波时钟信号。 3.2.4光电报警电路 本设计的报警电路总共有由3只发光二极管组成，在这其中D4发光二极管的作用是：当灯泡亮时表明现在的水位是高水位状态（即水位大于等于10cm）；D5的作用是：当灯亮时表明水位处于正常状态（即小于10cm，大于等于2cm）；D6的作用是：当灯亮时表明水位处于低水位的状态(即小于2cm)。此电路采用的是共阴极的，所以只有当单片机给发光二极管为高电平时才能推动发光二极管点亮，其中R1为上拉电阻起限压控流作用。其电路图如下图3-5所示。图3-5 光电报警电路原理图。 3.2.5显示数码管与功能 1.显示电路概述 水库水位报警系统中显示模块和硬件有紧密的关联。常用的方法分为静态显示和动态显示两种。静态显示优点是编程简单，占用CPU时间较少，显示的亮度，温度等容易调节，显示稳定。缺点是占用单片机I/O口端口线较多。而动态显示的优点是占用单片机I/O口端口线较少，缺点是显示亮度不够稳定，受外部影响因素较多，编程较复杂，占用CPU时间较多。由于水库水位报警系统中其他功能需要占用较少的端口线，所以通常会采用静态显示方法。 2.显示电路整体设计 显示电路如图3-4 所示：图3-6 显示电路原理图 3.2.6继电器电路 本设计所使用的继电器为液位继电器，液位继电器的的作用是根据液位的高低变化来控制电路中蜂鸣器的作用，在本设计中，当被测水位处于低电位状态或者正常水位时，液位继电器都处于断开状态，蜂鸣器电路断开，不能发出警报声，当水位处于高电位状态时，液位继电器触点闭合，蜂鸣器电路闭合，蜂鸣器发出警报以达到报警的目的。电气原理图如图3-3所示。图3-7 继电器电路原理图3.2.7蜂鸣器电路 蜂鸣器是直流电压驱动的，不需要利用交流信号进行驱动，只需对驱动口输出驱动电平并通过三极管放大驱动电流就能使蜂鸣器发出声音。单片机驱动他激蜂鸣器的方式有两种：一种是PWM 输出口直接驱动，另一种是利用I/O 定时翻转电平产生驱动波形对蜂鸣器进行驱动。蜂鸣器采用直流电压供电，其能发出单调的或者某个固定频率的声音，电气原理图如图3-3所示。图 3-8 蜂鸣器电路原理图完整的电路图见附录A3.3 本章小结 本章主要阐明了基于STC89C52单片机的水库水位报警系统的硬件模块设计步骤，以及具体的设计方案。详细分析了水库水位报警系统电路运行原理。在系统设计时，通过向单片机录入程序的方式，结合报警系统的时钟频率电路、复位电路、显示电路以及水位探测电路来实现对温度的控制，设计出符合要求的水位报警系统。4 程序设计 一个应用系统，要完成各项功能，首先必须有较完善的硬件作保证。同时还必须得到相应设计合理的软件的支持，尤其是微机应用高速发展的今天，许多由硬件完成的工作，都可通过软件编程而代替。我们可以充分利用其内部丰富的硬件资源和软件资源，采用C语言进行软件编程。这个系统程序由主控程序、延时子程序组成。其中主控程序是核心。由它控制着整个系统程序的运行和跳转。4.1 程序设计流程图主程序主要完成硬件初始化，子程序调用等功能。其中程序开发的流程示意图，如图4-1所示。图4-1 程序设计流程图4.2 水位判断函数 当水位处于低水位是传感器检测到送入ADC0808，经过处理后生成数字信号送到AT89C52。这时flag的值等于1，这时送出一个高电平来驱动D1黄灯工作；当水位处于正常水位时，这时flag的值等于2、3，这时送出一个高电平来驱动D1绿灯工作；当水位处于高水位时，这时flag的值等于4，P2.6这时送出一个高电平来驱动D1红灯工作，并且伴有警报声。图4-2 水位判断中断子函数流程图4.3 显示函数显示屏的主要功能是直观显示当前水位的高度，以便我们能过及时了解当前系统的工作状态。其主要用到的接口是P0和部分P2，首先对接收口进行赋值然后分位显示各个数值。其中断子函数程序如图4-3所示：图4-3 显示中断子函数流程图根据这些流程图编写出的最终源程序见附录C4.4 本章小结本章主要阐明了水库（简易模拟水杯）水位报警系统的软件设计流程，通过将软件程序录入单片机内部的方式来实现对水库（简易模拟水杯）水位的报警系统。在程序的编写过程中，需要通过与电路原理图以及仿真程序不断的调试已达到正确应用的过程，这个过程非常繁琐，需要同学与老师的帮助与指导以达到预期的目的。5 系统仿真与硬件调试5.1 调试软件介绍 软件的仿真是为了为后面的实物制作做下铺垫，是为了我们能更清楚的了结所做设计的性能与成功性。5.1.1 程序编辑软件 在本设计中我使用了在我们教学过程中所使用的KEIL软件进行编程，根据设计的需要，在查阅资料和咨询老师的情况下用C语言编写能够实现水库水位报警系统的程序，加入KEIL 的文件库工程，实现正确的软件编写。软件编辑的过程中可能会产生或多或少的错误，要不断的调试以及纠错，实现最终的0错误。5.1.2 仿真软件 Proteus是本设计用来实现电路分析实物的仿真软件，它可用于仿真实验电路，并支持含有单片机的电路运行，其中包含的元件库丰富，使用简单方便，在仿真软件Proteus中可及时发现电路的错误以及需要改进的地方并及时改进，这样的做法大大减少了操作实物电路过程中所产生的错误几率，大大增加了设计的效率，有利于节约资源和成本。 该软件的特点如下： 1. 能够满足我们提出的用来实现单片机软件仿真系统的各种要求，具有不可多得的优势与便利。2. 它具有模拟电路仿真、单片机、数字电路仿真及其外围电路组成的系统的仿真、RS一232动态仿真、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。5.2 调试与运行1. 首先启动KEIL C51软件的集成开发环境 2. 建立工程文件。首先单片机应用系统软件包含多个源程序文件，KEIL C51使用实现建立好的工程，将这些参数设置和所需的所有文件都加在一个工程中。之前，需要建立一个工程文件，并为这个工程选择CPU，确定编译，汇编，连接的参数，指定调试的方式。3. 建立和添加源文件。使用菜单或者单击工具栏的新建文件按钮，出现文本便捷窗口，在该窗口中输入新编制的源程序并保存该文件。首先编写程序，然后仿真直到0错误，0警告，最后生成hex文件以备后用。5.3 系统仿真点全速运行按键，分别可以得到水位在不同状态的仿真结果： 1. 当处于低水位状态时，经过检测，这时经过ADC0808的转换送到单片机89C52，经过单片机的转换与处理，送出信号驱动黄灯等亮并且蜂鸣器无响声。其图入下图5-1所示：图5-1 低水位仿真结果 2. 当处于正常水位状态时，经过检测再经过ADC0808的转换送到AT89C52，经过单片机的转换和处理，送出信号驱动绿灯亮并且无响声。其图如下图所示： 图5-2 正常水位仿真结果 3. 当处于高水位状态时，经过再经过ADC0808的转换送到AT89C52，经过单片机转换与处理，送出信号驱动红灯亮和蜂鸣器发出断续的高音的响声。其图入下图5-5所示：图5-3 高水位仿真结果5.4 硬件调试 根据系统原理图与PCB所设计的实物需要经过实际的操作验证是否满足设计的正常需求，本设计的调试结果如下所示。当手动加水到低水位时，数码LED显示灯显示数字为1，此时表示低水位，并且黄灯灯亮。如图5-4所示。继续加水到正常水位是，数码LED显示灯显示数字为12,3此时表示正常水位，并且绿灯灯亮。如图5-5、5-6所示。再次加水到高水位时，数码LED显示灯显示数字为4.此时表示高水位，并且红灯灯亮，并且伴有蜂鸣器的声音出现。如图5-7所示。图5-4图5-5图5-6图5-75.5 系统仿真与硬件调试结果分析在PROTEUS环境,运行水库水位控制系统,不难发现，当水位处于低水位区时,扬声器不发声且黄灯灯亮,人为手动开始加水,随着水位的不断上升当水位到达高位时,扬声器发出断续的高音且红灯灯亮。随着用户使用,水位不断下降,当达到低水位时，黄灯灯亮。（本设计可以实现但是实际操作中未实现） 综上所述，本设计达到了预期的设计目标，实现了水位自动控制。结 论通过本次毕业设计水库水位水位控制系统的设计，使我从中学到许多知识。在做毕业设计的这段时间里，通过上网、在校图书馆查找资料，整理资料，我认真努力的完成了毕业设计。在本系统中出现的优缺点归纳为以下几点：1本系统具有及时、可靠性强、效率高、寿命长、成本低等优点。2出现故障时，本系统维护简单。3本系统中的显示部分只是为维护或工作人员设计。在本次的设计过程中，从当初选题时的迷茫、不知所措，到后来逐渐的从点滴做起、慢慢学习、慢慢咨询的过程中我学到了不少知识和宝贵的经验，以前看起来的单门学科的知识，到了现在都能够基本的运用并结合起来，在本设计中所运用的知识不仅都是平时所学习的内容，也是在日常生活中我们所需要的，这次的设计并不是一次普通的设计，而是大学四年来所学知识的综合，是第一次知识的运用，但也可能是最后一次的运用，大学马上就要毕业了，在这次毕业设计的过程中，我仍然有许多的困惑和不动的地方，在知识储备的过程中有很多不足的地方，当我会努力的改进，不断的学习争取进步，争取能够准确合理的应用自己所学的知识。在此次设计的过程中，也感谢尹静老师和王老师的指导，感谢同学们的帮助，希望大家在以后的工作和学习中会越来越好。 参 考 文 献1 王静霞.单片机应用技术.电子工业出版社，20092 何立民.单片机高等教程.北京航空航天大学出版社，2000 3 雄建云.Protel99se EDA技术及应用.北京机械工业出版社，20074 华永平.陈松编著.电子线路课程设计.东南大学出版社，20015 林春方.电子线路学习指导与实训.北京电子工业出版社，20046 李珍主编.单片机原理与应用实例.西安电子科技大学出版社，20087 张存礼.韩爱娟主编.电子技术综合实训.北京师范大学出版社，20008 郑应光.模拟电子线路（一）.东南大学出版社.，2005年3月9 李秀忠.单片机应用技术.人民邮电出版社，2007年1月10 金茂中.C语言程序设计高级教程.北京航空航天大学出版社2002年3月24附录A 电路原理图2附录B PCB图2附录C：系统源程序2#include#defineucharunsigned char#defineuintunsigned int#define key_state_00 /宏定义按键初始状态#define key_state_11/宏定义按键按下状态#define key_state_22/宏定义按键计时状态1#define key_state_33/宏定义按键计时状态2（也是释放状态）#define KEY_TIME_MAX100/宏定义按键计时器最大计数值，#define KEY_TIME_MIN50/宏定义按键计时器连发开始时间，10MS中断时为0.5S,修改此值可改变连发的开始计数时间#define NOKE