电子类毕业论文---水位报警器.doc

湖南都市职业学院hunan urban professional college毕业论文（设计）水位报警器学生姓名：学 号：年级专业：2o07级应用电子专业指导老师：湖南.长沙提交日期：2010年6月水位报警器摘要本仪器是一款全手工自主设计的主动报警控制器，其功能集测量、报警、控制于一体，整个操作过程无需人工手工控制，已实现全自动化的水位控制，可广泛使用于各工厂，学校，宾馆的各高层屋顶，城市或农村中各类水塔，水池供水，排水。制作水位报警器的过程是一个综合各科知识并运用于操作实践的过程，是一个自主学习和锻炼的过程。有助于提升我们的学习能力与动手实践能力。在课题制作中我查阅大量的相关资料，这在最大程度上提高了我的自学能力和探索能力。在制作的过程中虽然非常辛苦，但我已经能够最大程度的把我在学校课堂上学到的知识融合到自主创新上，这也是我在这次设计制作中最大的收获。总之，毕业设计综合了我三年在校学习的学习成果，理论联系实践，可以锻炼我们走向社会、走向岗位的实践能力，也为社会尽自己的一份绵薄之力。报警控制器电路在设计中要求当水位报警器接通电源时，主电路有相应的电源指示灯点亮，指示电源正常。当水箱缺水，电路能自动启动电泵自动抽水；当水箱中的水上升到需要的高度时，电路可以自动控制电泵，停止向水箱中送水。在最大程度上方便了人们对水位自动控制的需要。目录水位报警器摘要. 2第一章 绪论51.1水位报警器的发展现状51.2国内外的研究现状51.3当前温度测量系统存在的问题51.4课题的意义5第二章总 体设计方案的选择62.1系统设计要求62.2系统方案确定62.3功能要求72.4方案论证7第三章系统硬件电路的设计83.1主控制器83.2 电源模块83.3号采集模块93.4信号处理模块103.5所需元器件的选择103.5.1 stc89c52rc功能及应用103.5.2 数码管的功能及应用113.5.3 蜂鸣器的使用及相关知识123.5.4 光电耦合器123.5.5 三极管133.5.6 双向可控硅（scr）13.5.7 继电器的采用14.5.8 水泵的相关介绍14第四章 系统软件部分的设计154.1 开发语言介绍154.2 开发环境介绍154.3系统工作流程及工作原理4.3.1 主程序. .154.3.2 延时子程序. . .164.3.3 显示子程序. .165. 调试及结果分析. . .175.1 调试与测试. . .175.2 结果分析与总结. .17致谢. . . . . .18参考文献. .19第一章绪论1.1水位报警器的发展现状现阶段使用的水位报警系统中，往往采用最直接的人为去观察或利用刻度仪显示，再进行手工控制水位开关，这种做法虽然实惠方便，但也很大程度上也因为电弧的作用造成了人员伤亡，给人们的生活带来极大的不便利和生命隐患。在传统的水位报警器中，往往得需用户自行组装和调试，况且没有统一规范的既定组装设备，使得智能水位报警器难以得到广泛的推广，同时也是一个巨大的商业发展空间，为此我等特设计一款可满足于广大民众的水位报警器。本设计本设计结合新一代水位传感器的特性和现代水位测量系统提出的新要求，提出了基于智能stc89c52rc单片机高精度、系统功能多样的新一代测量系统设计方案。该方案具有安装方便、数字化程度高、精度高、适应性强等特点，在水位报警及检测中具有广阔的前景。1.2国内外的研究现状随着社会的进步和工业技术的发展，人们越来越重视自动控制的便捷，许多水位报警产品对水位范围非常要求严格，而目前市场上普遍存在的水位报警器大多功能单一，同时还伴随有性能不稳定、不能满足各种客户要求的缺点，不利于工业控制者根据温度变化及时做出决定。在这样的形式下，开发一种能够集水位报警和控制的水位报警器就显得很有必要。文章将介绍智能水位报警器的结构特征以及控制方法，并对以此的传感器，stc89c52rc单片机为控制器构成的温度测量装置的工作原理及程序设计和继电器等方面的知识作了详细的介绍。该装置广泛适用各工厂，学校，宾馆的各高层屋顶，城市或农村中各类水塔，水池供水，排水。1.3当前温度测量系统存在的问题在传统的温度测量系统设计中，往往采用模拟技术进行设计，这样就不可避免地遇到诸如引线误差补偿、多点测量中的切换误差和信号调理电路的误差等问题；而其中某一环节处理不当，就可能造成整个系统性能的下降。随着现代科学技术的飞速发展，特别是大规模集成电路设计技术的发展，微型化、集成化、数字化正成为传感器发展的一个重要方向。1.4课题的意义目前，许多工农业水位报警系统都采用有水位检测及传感器与智能芯片控制的操作系统。由于环境要求严格，因此必然导致系统得具有相当强的方向性、设计成本增加、故障难以维护和检测等困难。而本款式设计与此相比，具有相当强的适用性和推广的独特优势。这种系统经济、快速、可靠，在工农业等水位控制场合，一定能够得到很好的应用，使工农业水位系统的操作和管理更加科学化与规范。第二章 总体设计方案的选择水位报警控制的方法有很多，可供选择的器件和运用的技术也有多种。因此，系统的总体设计方案应在满足系统整体性能指标稳定的前提下，充分考虑系统使用的环境，所选的结构要尽量简单实用、易于操作，易于实现，器件的选用要着眼于合适的参数、稳定的性能、较低的功耗、低廉的成本以及较好的互换性等等。本章介绍智能自动控制系统的总体设计方案，给出相应的结构框图。提出了系统的功能和技术要求，介绍了水位报警系统的发展前景。通过对比目前国内各大常用的元器件，着重介绍了水位传感器及各类经济适用型芯片的选择。2.1系统设计要求根据系统的特点，总结系统的技术要求如下。1）小体积：水位测量系统的体积要尽可能的小，整个系统的控制系统得易于调试，这样才能减少占用的空间，而且更便于安装和更换。2）高可靠性：为了保证系统能够正常上作，并且尽可能减少水位测量误差，要求水位测量与控制系统之间的可靠链接，因此，系统要有一定的抗干扰性能。3）低成本：在满足系统要求的前提下，尽量降低成本低，才能在市场上有更强的商业竞争力。2.2系统方案的确定对于论文的整个水位操作系统，整个系统由水位检测传感器及at89c52控制操作和继电器部份组成，三者之间通过数据和信号传输。水位传感器端负责数据的采集和发送；单片机控制端负责数据的接收和处理，继电器端负责开关水泵。 图一 控制流程图及最小单片机系统图2.3功能要求1、 当水位低于下限水位时，系统有信号控制电动机工作，带动水泵工作供水。2、 当供水时水位高于上限水位时，系统控制电动机停止工作，水泵停止供水。3、 当水位处于上下限水位之间时，水泵保持原有的工作状态。（一种情况是由于用水使水位不断下降，但电机不工作；另一种情况，电动机工作，水位不断上升。）4、 整个水位系统能够用数码管进行实时显示并可驱动蜂鸣器报警。5、 实现上下水位的控制，当水位低于下限水位或高于上限水位时报警。2.4方案论证为了保证水位报警器完整稳定运行，整个水位控制系统分由信号采集模块、信号处理模块和程序执行等模块组成。信号采集模块采用最新的水位检测仪进行水位测定和数据传输；信号处理模块采用现代最新控制类at89c52单片机进行数据处理和控制；程序执行模块分由数码管进行水位数据实时显示和继电器对强弱电的无缝链接。根据设计要求并综合各方面因素，本作品设计采用stc89c52rc单片机作为主控制器，由继电器对水泵进行开关控制操作，用静态显示的方法对采集到的水位数据进行实时显示。各个功能模块工作独立但又实现了功能之间的无缝完好链接，这样既便于系统控制和检测及调试，又能避免因某部分失效而造成整个系统的正常运行。图二 整个控制电路图第三章系统硬件电路的设计3.1主控制器 系统以stc89c52rc单片机作为主控制器，该系统工作性能稳定，能同时执行各复杂数据的处理。主控制器对于收到的信号进行综合处理，并赋给其他外面显示设备或驱动设备去执行相关操作，是整个工作系统的核心。本系统加上了复位开关，可以保证系统人为的去操作执行，数码管增加了三极管驱动，使得数码管得以有足够的工作电流，增加显示的亮度。主控制器如图三所示：图三 主控制器电路图3.2电源模块在产品应用中，通常电源部分是一个非常重要的环节，在很多实用性产品中都已带有电源部分（所指的电源通常是低压或其他不常用的电源），本电源部分采用7805三端稳压电源芯片制作电源部分，经济方便便于采购。水泵和继电器等则用家庭用电即可，如工厂的话可配套相应的电源。系统电源模块电路图如下图四所示：图四 5v系统电源电路图 5v系统电源原理: 220v电压经过变压器降压后，转换成9v交流电，9v的交流电源再通过全波整流桥的作用，将9v的交流电直接转变成9v直流电，电解电容c1虑去纹波电压，对电压起稳定保护作用，最后经过三端稳压管7805的作用起到调节好电源电压的作用，c2电容的作用则起到再次对电压起稳定作用，二极管在此做对7805的保护作用，发光二极管起显示工作状态的作用，与此串联的电阻保护发光二极管的作用。电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的78 系列和负电压输出的79系列。顾名思义，三端ic是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子象是普通的三极管，to- 220 的标准封装，也有9013样子的to-92封装。用78/79系列三端稳压ic来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。7805为一种三端稳压电源制作芯片，分有输入端、输出端和接地端（可调）。7805在降压电路中应注意以下事项： 1、输入输出压差不能太大,太大则转换效率急速降低，而且容易击穿损坏； 2、输出电流不能太大，1.5a 是其极限值。大电流的输出，散热片的尺寸要足够大，否则会导致高温保护或热击穿； 3、输入输出压差也不能太小,大小效率很差。.3号采集模块信号采集模块负责对水位高低的采集问题，并实时将采集好的数据发送给单片机进行处理。整个信号采集部分利用水里两带电点导通的原理，对数据进行采集，由于采集的过程中只使用了几根导线作为信号采集工具，故最大限度的降低了本设计的成本费用，可以说是一款性价比非常好的水位信号采集模块。如下图五是系统信号采集示意图：图五 信号采集示意图.4信号处理模块信号处理主要把采集来的信号进行处理。当水位低于最低水位时，单片机输出数据，由数码管进行实时显示，同时蜂鸣器自动报警，表明水池水位已到最低水位，水泵已在自动执行抽水过程；当水位达到中间水位时数码管即显示水位，此时可分为水位正在上升到中间水位和水位刚好下降到中间水位，由于中间水位是最标准水位，故在此只对水位进行显示，不做其他任何处理；当水位达到最高水位时，蜂鸣器自动报警，并有数码管进行实时显示，同时单片机输出执行命令，导通光电耦合器，光电耦合器再导通双向可控硅（scr），双向可控硅即可把弱电信号转换成强电信号并执行，整个过程性能稳定、安全可靠。3.5所需元器件的选择.5.1 stc89c52rc功能及应用主控制器采用stc89c52rc，是atmel公司生产的一款是一个低功耗，高性能cmos 8位单片机，片内含8k b的可反复擦写1000次的flash只读程序存储器，器件采用atmel公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准mcs-51指令系统及80c51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和isp flash存储单元，功能强大的微型计算机的stc89c52rc可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。如同3.1所示，stc89c52rc具有如下特点：40个引脚，8k bytes flash片内程序存储器，256 bytes的随机存取数据存储器（ram），32个外部双向输入/输出（i/o）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗（wdt）电路，片内时钟振荡器。 图六at89s52引脚结构图stc89c52rc有40个引脚，32个外部双向输入/输出（i/o）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2 个读写口线，stc89c52rc可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的 flash存储器可有效地降低开发成本。此外，stc89c52rc设计和配置了振荡频率可为12mhz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，cpu暂停工作，而ram定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存ram的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有pdip、tqfp和plcc等三种封装形式，以适应不同产品的需求。 .5.2 数码管的功能及应用数码管是一种把多个led显示段集成在一起的显示设备。有两种类型，一种是共阳型，一种是共阴型。共阳型就是把多个led显示段的阳极接在一起，又称为公共端。共阴型就是把多个led显示段的阴极接在一起，即为公共商。阳极即为二极管的正极，又称为正极，阴极即为二极管的负极，又称为负极。通常的数码管又分为8段，即8个led显示段，这是为工程应用方便如设计的，分别为a、b、c、d、e、f、g、dp，其中dp 是小数点位段。而多位数码管，除某一位的公共端会连接在一起，不同位的数码管的相同端也会连接在一起。即，所有的a段都会连在一起，其它的段也是如此，这是实际最常用的用法。数码管显示方法可分为静态显示和动态显示两种。静态显示就是数码管的8段输入及其公共端电平一直有效。动态显示的原理是，各个数码管的相同段连接在一起，共同占用8 位段引管线；每位数码管的阳极连在一起组成公共端。利用人眼的视觉暂留性，依次给出各个数码管公共端加有效信号，在此同时给出该数码管加有效的数据信号，当全段扫描速度大于视觉暂留速度时，显示就会清晰显示出来。如下图七是数码管效果示意图：图七 数码管效果示意图3.5.3 蜂鸣器的使用及相关知识电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场，振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型；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。利用i/o 定时翻转电平来产生驱动波形的方式会比较麻烦一点，必须利用定时器来做定时，通过定时翻转电平产生符合蜂鸣器要求的频率的波形，这个波形就可以用来驱动蜂鸣器了。比如为2500hz 的蜂鸣器的驱动，可以知道周期为400s，这样只需要驱动蜂鸣器的i/o 口每200s 翻转一次电平就可以产生一个频率为2500hz，占空比为1/2duty 的方波，再通过三极管放大就可以驱动这个蜂鸣器了。3.5.4 光电耦合器光电耦合器是把一个发光二极管和一个光敏三极管封装在一个外壳里的器件，其图形符号如图13所示，输入信号使二极管发光，其光线又使光敏三极管产生电信号输出，从而即完成了信号的传递又实现 了电气上的隔离。光电耦合器工作原理在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了电一光一电的转换。低电源电压型光电耦合器（一般515v）和高电源电压型光电耦合器（一般大于30v）。下图八是光电耦合器原理图：图八 光电耦合器原理图3.5.5 三极管晶体三极管（以下简称三极管）按材料分有两种：锗管和硅管。而每一种又有npn和pnp两种结构形式，但使用最多的是硅npn和锗pnp两种三极管，两者除了电源极性不同外，其工作原理都是相同的晶体三极管，是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的pn结，两个pn结把正块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有pnp和npn两种，如图从三个区引出相应的电极，分别为基极b发射极e和集电极c。三极管类型的判别： 三极管只有两种类型，即型和型。判别时只要知道基极是型材料还型材料即可。当用多用电表r1k挡时，黑表笔代表电源正极，如果黑表笔接基极时导通，则说明三极管的基极为型材料，三极管即为型。如果红表笔接基极导通，则说明三极管基极为型材料，三极管即为型。 极管的封装形式和管脚识别： 底视图位置放置，使三个引脚构成等腰三角形的顶点上，从左向右依次为e b c；对于中小功率塑料三极管按图使其平面朝向自己，三个引脚朝下放置，则从左到右依次为e b c。3.5.6 双向可控硅（scr）双向可控硅是一种特殊的可控硅器件,即硅五层三端器件(简称双向可控硅)。与普通可控硅不同,它具有良好的正、反向对称的伏安特性曲线,且随温度文化较小。正、反向的导通共用一个控制极。控制极触发信号可用交流信号、直流信号及脉冲信号三种方式,不需要互相绝缘的控制。 双向可控硅属于npnpn五层器件，三个电极分别是t1、t2、g。因该器件可以双向导通，故除门极g以外的两个电极统称为主端子，用t1、t2。表示，不再划分成阳极或阴极。其特点是，当g极和t2极相对于t1，的电压均为正时，t2是阳极，t1是阴极。反之，当g极和t2极相对于t1的电压均为负时，t1变成阳极，t2为阴极。双向晶闸管的伏安特性见图3，由于正、反向特性曲线具有对称性，所以它可在任何一个方向导通。.5.7 继电器的采用1、电磁继电器的工作原理和特性电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。 2、电器一般由控制线圈、铁芯、衔铁、触点簧片等组成，控制线圈和接点组之间是相互绝缘的，因此，能够为控制电路起到良好的电气隔离作用。当我们在继电器的线圈两头加上其线圈的额定的电压时，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的接通、切断的开关目的。.5.8 水泵的相关介绍水泵工作的目的就是把水从一个地方输送到另一个地方，或者是增加压力把原动的机械能转换成液体能量。水泵工作原理：在打开水泵后，叶轮在泵体内做高速旋转运动，泵体内的液体随着叶轮一块转动，在离心力的作用下液体在出品处被叶轮甩出，甩出的液体在泵体扩散室内速度逐渐变慢，液体被甩出后，叶轮中心处形成真空低压区，液池中的液体在外界大气压的作用下，经吸入管流入水泵内。水泵是一种面大量广的通用型机械设备，它广泛地应用于石油、化工、电力冶金、矿山、选船、轻工、农业、民用和国防各部门，在国民经济中占有重要的地位。第四章系统软件部分的设计4.1开发语言介绍汇编语言：效率高，对硬件的可操控性更强，体积小，不易维护，可移植性很差。c语言：效率比较低，硬件可操控性比较差，目标代码体积大，容易维护，可移植性很好。51 的编程语言常用的有二种，一种是汇编语言，一种是c 语言。汇编语言的机器代码生成效率很高但可读性却并不强，复杂一点的程序就更是难读懂，而c语言在大多数情况下其机器代码生成效率和汇编语言相当，但可读性和可移植性却远远超过汇编语言，而且c语言还可以嵌入汇编来解决高时效性的代码编写问题。对于开发周期来说，中大型的软件编写用c语言的开发周期通常要小于汇编语言很多。因此，选用c语言编写。4.2开发环境介绍使用c 语言肯定要使用到c 编译器，以便把写好的c 程序编译为机器码，这样单片机才能执行编写好的程序keil uvision2 是众多单片机应用开发软件中优秀的软件之一，它支持众多不同公司的mcs51 架构的芯片，它集编辑，编译，仿真等于一体，同时还支持，plm，汇编和c语言的程序设计，它的界面和常用的微软vc+的界面相似，界面友好，易学易用，在调试程序,软件仿真方面也有很强大的功能。因此很多开发51 应用的工程师或普通的单片机爱好者，都对它十分喜欢。keil c51 软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到keil c51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。4.3系统工作流程及工作原理4.3.1 主程序主程序在完成上电对采集信号进行处理后，当确认水位改变到当前设定值时，系统即执行对采集好的信号进行实时处理和显示，在相应阶段控制继电器完成对水泵的控制作用。系统主程序流程如下图4-1所示：开始初始化查询水位是否达到所设定的水位执行命令是判断命令是否执行完成是结束否否 图4-1 主程序流程图4.3.2 延时子程序 延时程序用于程序的延时，时间设定为10分钟，也可根据系统时间进行设置。延时子程序对应水塔的大小进行相应测量后计算得出延时时间，延时时间为当水位到达下限水位时水泵工作抽水至上限水位时所需的时间差。因为要根据实际情况处理，本处不再做详细说明讲解。延时子程序delay（延时10s*10）delay: ;延时movr5,#0ffhdd:movr6,#25hdd1:movr7,#200hdjnzr7,dd1djnzr6,ddret4.3.3 显示子程序 显示程序用于对采集来的数据信息进行实时显示，可以非常直观的准确读出当前设定水位的数值。1.当水位达到下线水位时，通过信号采集，数据在数码管上显示下限水位值，并同时系统驱动蜂鸣器报警工作，表示水位也到最低水位并已启动水泵工作。 2.当水位达到中间水位时数码管直接显示就可以，无需再做其他相关操作。 3.当水位到达上限水位时数据在数码管上显示上限水位值，并同时系统驱动蜂鸣器报警工作，表示水位也到最低水位并停止水泵继续工作。5.调试及结果分析在完成系统硬件电路和软件程序的设计后，必然要对所做的产品进行验证和进一步修改确认才能达到适应社会化需要，产生经济效应。在该设计过程中所遇到的处理数据,如下表所示是本系统工作时所采集到的基本信息：输入电压工作电流工作范围稳定系数stc单片机5v20ma5v100%蜂鸣器5v10 ma5v100%继电器220v3a220v-240v95%水泵220v-380v5a220v-380v85%5.1调试与测试 在完成系统硬件电路的设计和软件程序阶段后，就需要对软件部分进行调试，以保证程序能够正常有效运行。软件程序设计主要是在keil uvsion3进行编译，经调试好后的程序再生成.hex下载文档，在stc-ispv391下载即可。5.2结果分析与总结经调试制作出了产品设计即需要进行结果分析和性能测试等一系列问题，本设计作品实行多个模块独立运行，但又相互链接的非常紧密的一个整体，无论从安全角度还是从性价比方面来说都是非常好的。该设计作品采用微电原理，利用电的导通原理，采集信号并将信号实时输送到stc89c52