毕业论文-楼宇水塔水位检测系统设计

I 本科毕业论文（设计）本科毕业论文（设计） (2015(2015 届届) ) 楼宇水塔水位检测系统设计 院 系 电子信息工程学院 专 业 电气工程及其自动化 姓 名 实际指导教师 助教 名誉指导老师 助教 2015 年 5 月 学号： 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） 1 摘 要 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； 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） 2 Abstract Society in constant development and progress, peoples living standards are also gradually increase and development, our life is getting more and more inseparable from the convenience of automatic control system of microcomputer development is one of the indispensable important branch, single core machine has high reliability, high cost performance, low power consumption, low voltage, etc, with the single chip processor as the core of automatic control system has a wide range of application prospect and using range. This paper is based on single chip microcomputer water tower water level detection system design. Design of the system is mainly aimed at the application of single chip microcomputer automatic operation technology, makes the water tower water level always stay within a certain range, to ensure normal water supply continuously. This design takes STC89C51 microcontroller as the core of the water tower water level detection system, used to detect water level and carries on the control, alarm, and corresponding processing functions, at the same time in the environment of Proteus simulation software simulation test. Test results show that the designed system has certain detection and control function, and can be applied in the actual production of life. Keywords: Level; controlmicrocontroller; alarm; 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） 3 目 录 摘摘 要要1 ABSTRACTABSTRACT2 目目 录录3 1 1 绪论绪论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 2 系统总体设计系统总体设计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 3 系统硬件设计系统硬件设计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 4 系统软件设计系统软件设计.14 4.1 软件功能概述14 4.2 主程序设计14 4.3 LED 显示子程序15 5 5 联调与测试联调与测试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 结论结论.17 致谢致谢.18 参考文献参考文献.19 附录附录 A A：系统原理图：系统原理图 .20 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） 4 附录附录 B B：系统：系统 PCBPCB 图图 .21 附录附录 C C：系统仿真图：系统仿真图 .22 附录附录 D D：系统源程序：系统源程序 .23 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） 5 1 1 绪论绪论 1.1 研究背景研究背景 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；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、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，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 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） 6 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。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。 STC89C51 单 片 机 模 块 水位传感器模块 晶振电路 复位电路 单位数码管 显示 状态指示灯 继电器控制 端 蜂鸣器 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） 7 2 2 系统总体设计系统总体设计 2.12.1 设计要求设计要求 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。 2.22.2 系统设计方案系统设计方案 水塔水位控制原理如图 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 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 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） 8 2.32.3 系统工作原理系统工作原理 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 3 系统硬件设计系统硬件设计 3.13.1 硬件设计硬件设计 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。 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） 9 图 3-1 水位原理图 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） 10 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、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， 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 vcc P23 P22 P21 P20 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） 11 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 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） 12 3.1.5 振荡电路 STC89C51 的产生方式可以有两种，内部方式和外部方式，由于实际需要和操作问题， 本设计采用内部方式，即振荡方式。MCS-51 内部有一个高增益反相放大器，可以构成一 个振荡器，该放大器的输入端和输出端分别是它的两个引脚 XTAL1、XTAL2。 STC89C51具有自己的内部振荡电路，但必须外接元件才能形成时钟。 图 3-5 晶振电路的设计 3.1.6 复位电路设计 本系统的复位电路采用按键复位方式。 2 3 4 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） 13 图 3-6 复位电路 3.1.7自动报警电路 本系统会在两种情况下出现报警现象： 一是当水塔无水，或水位处于低水位线及低水位线以下时系统发出报警； 二是当水塔水位处于高水位线及高水位线以上时系统发出报警； 蜂鸣器发声需要一定的电流驱动，由于单片机引脚输出电流小，TTL 电平也无法驱 动蜂鸣器，因此驱动蜂鸣器需要一个三极管进行放大。 电路图如下： 图 3-7 自动报警电路的接线图 3.23.2 中央处理器模块中央处理器模块 一个系统中，数据的接收与处理显示，继电器驱动与报警，都需要一个强大的中央 处理器，并且该处理器还要具有一定的稳定性、可靠性以及较高的性价比，因此，本设 计我们选用 STC89C51 作为系统的中央处理器。 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） 14 3.33.3 继电器控制阀门模块继电器控制阀门模块 该模块需要实现的主要功能就是用一个小电流控制一个大电流进而达到一定的驱动 效果。能够实现该功能的器件包括晶体管、晶闸管、继电器等，但它们适用的场合往往 不尽相同，比如晶体管和晶闸管由于其有较小的负载能力和较高的开关速度，常常被用 于某些高频场合。而继电器则与之相反，它具有较大的负载能力和较小的开关速度，常 常被用于某些低频场合。但在本设计中仅需要驱动一个阀门，并且对开关速度要求不高， 负载也不需要太大，所以，本设计选用一般的继电器即可满足要求。 3.43.4 水位检测系统的整体电路仿真图水位检测系统的整体电路仿真图 该仿真图在传感器模块分别使用了四个开关来代替了相应的水位，当系统通电时， 系统显示为满水位状态，人为调节开关的断开与闭合表示控制当前水位，同时数码管显 示当前所在水位数字，相应指示灯亮起。 图 3-8 电路仿真图 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） 15 4 4 系统软件设计系统软件设计 4.14.1 软件功能概述软件功能概述 软件是一个自控系统的重要组成部分，它的功能完善程度直接影响了一个系统是否 能够最大化的发挥作用，在一个系统确定下来硬件以后，硬件的各个部分如何能够协调 稳定的工作关键就在于软件的指导和系统的严密监控，同时，优异的软件对系统后期的 升级优化有相当大的帮助。 4.24.2 主程序设计主程序设计 主程序如图4-1所示。当系统通电开始工作时，传感器检测水塔水位深度，所测信号 输入单片机并与设定值相比较。如果测量值低于下限值，则系统发出报警，此时缓慢加 水；如果测量值高于上限值，则系统发出报警，此时可停止加水；如果测量值在设定值 范围内，则系统正常，并由LED数码管显示当前水位值。 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） 16 图 4-1 主程序图 4.34.3 LEDLED 显示子程序显示子程序 LED显示子程序的主要任务是完成液对当前水位值的显示，本系统采用的是LED数码 管用于显示当前液位值，因此，只需要送数码管的显示数据即可。 开始 传感器测量 测量值低于下限值 测量值高于上限值 测量值等于上限值 报警提示加水 正常状态不加水 报警提示停止加水 系统报警继续加水 显示液位高度 结束 Y Y Y N N N 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） 17 5 5 联调与测试联调与测试 5.15.1 调试过程调试过程 对于一个自控系统而言，调试一般需要进行硬件调试和软件调试，在一定的分析设 计基础上，可以一边进行硬件制作，一边进行相应的调试，这样对问题的及时分析和解 决有很大帮助，不容易出现太多问题积累的现象，不至于后期出现一个问题导致整个设 计全部检查，进而也就不会在调试这一环节浪费大量时间。而在软件编写过程中，最好 是分模块编写，在硬件调试成功的基础上，就可以做系统整体的调试，而本设计成功的 关键就是运用了联机调试。 5.25.2 硬件调试硬件调试 系统通电后观察系统是否能正常运行，如果不能，则根据原理图对电路进行分模块检 测，看是否存在不正常焊接问题，如果焊接不存在问题，则再进一步检测下一环节，直 到找出问题并解决问题。如果所有检测均正常，但系统仍不能正常运行，则需要对水质 进行检测，因为不同的水质导电力不同，所以，可以尝试在水中加入少许食盐以增加水 体的导电能力，再进行通电观察。 5.2.1硬件问题及解决方案 LED 灯不亮：检查 LED 灯的阴阳极是否接反，或是否损坏； 蜂鸣器不响：检查蜂鸣器是否接反，或是否损坏； 蜂鸣器持续响：主要检查水体导电问题。 5.35.3 软件调试软件调试 为了具体检测某些硬件电路是否存在问题，可以通过编写一个小程序来进行检测，如 果检测出问题，则看是相应的硬件问题还是软件问题，如此逐级分模块检测，可以快速 便捷的对整个系统软件进行检测和完善。 5.45.4 功能实现功能实现 确保系统水位在给定的范围内上下波动。同时避免水质导致的导电问题给功能带来的 影响。此时数码管显示当前水位，当出现低水位和高水位时蜂鸣器的鸣笛报警，相应的 指示灯亮。 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） 18 结论结论 经过这段时间的不懈努力，毕业设计总算结束了。虽然不是什么大不了的事情，却 也让自己学会了很多东西，尤其是做事的态度。无论做任何事情都要有一定的耐心和毅 力，态度端正了，事情也就成功一半了，不能因为遇到一点困难就想着放弃，而是要坚 持找到问题所在并想办法解决问题，另外，在学习过程中要虚心请教，学会与人交流合 作，认真听取老师和同学们的意见。 当然，不仅仅只是在做事的态度上有所感悟，相关知识也重新学习和巩固了一下， 通过毕业设计对之前在书本上那些似懂非懂的专业知识加深了理解，真正体验了理论与 实际相结合的重要性，只有自己亲自动手操作，才能体会其中的奇妙与不易。从最开始 的似懂非懂到对电路设计的大致了解，再到自己亲自动手完成简单的电路设计、制板及 调试等一系列过程，很好地锻炼了自己的动手操作能力，也让自己深刻的体会到了纸上 读来终觉浅，绝知此事要躬行的道理。 总之，想要做好任何一件事，都需要有能吃苦耐劳的精神，只有亲自体会过后，你 才能真正的有所收获。 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） 19 致谢致谢 前前后后做这么长时间的毕业论文终于完成了，心里的大石也算放下来了。这篇论 文是在尹静老师和王俊杰老师的耐心指导下完成的。在此，衷心的感谢两位老师的耐心 的指导，没有你们的帮助，我想我的论文之路必定要多走很多弯路。 两位老师不仅治学态度严谨，而且善于发现同学们的不足，并能够及时指出来加以 指导。尤其是王俊杰老师，从最开始的论文选题，到接下来的方案制定，每个环节都亲 自陪同同学们完成，同学们从开始的盲目，到后来有了明确的论文设计计划，都得益于 您的耐心指导。再后来，为了防止同学们偷懒，您干脆是对我们逐个定期检查，不让任 何一个同学掉队。在整个论文设计过程中，您还经常现场演示，指导同学们操作，帮助 我们开拓思维，解决问题，一个老师能做到这一点，如何能不让同学们觉得你平易近人。 另外，也要感谢尹静老师在论文设计过程中对我的帮助，因为论文格式有很多细节问题 需要注意，一不留心我们就会犯错误，是您不厌其烦的为我们反复检查，才让我们的论 文顺利完成。同时，也感谢这段时间以来，各位和我一起做毕业论文的小伙伴们，感谢 你们的鼓励和帮助。 当然，也衷心的感谢我的母校，大学四年看似漫长，但也转眼即逝，这其中的点点 滴滴都让人不舍。这四年里，虽然您时不时的停停水，断断电，或者是有点其他小脾气， 但您还是为我们提供了温暖的宿舍，良好的学习环境，和永远都如家一般的校园。最后， 在这即将毕业之际，衷心的祝愿我所有的授业恩师和共同学习进步的同学，以及亲爱的 母校！ 2015 年 5 月 郑庆春 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） 20 参考文献参考文献 1 童诗白，华成英。模拟电子技术基础（第三版）。北京高等教育出版社，2001 2 谢嘉奎，宣月清，冯军。电子线路线性部分（第四版）。北京高等教育出版社， 2004 3 郁有文.传感器原理及工程应用,西安电子科技大学出版社，2001. 4 严钟豪.非电量电测技术.北京,机械工业出版社，2001. 5 周乐挺.著传感器与检测技术.北京,机械工业出版社，2005. 6 范晶彦.传感器与检测技术应用.北京,机械工业出版社，2005. 7 张正伟.传感器原理与应用.北京,中央广播电视大学出版社，1