毕业设计（论文）高塔水位控制系统

摘要采用AT89C2051单片机系统实现了水塔水位的自动控制，设计出一种低成本、高实用价值的水塔水位控制器。该系统具有水位检测、低水位高水位报警以及自动加水等功能。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。检测系统采用铜针探测结构简单制、造成本低、灵敏度高。并采用AT89C2051单片机系统控制整个电路的信号处理以及采用光电耦合和继电器来实现弱电控制强电来实现加水系统的自动控制。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。关键词单片机自动监测自动控制ABSTRACTAT89C2051MICROCONTROLLERSYSTEMUSINGCOOLINGTOWERSTOACHIEVETHELEVELOFAUTOMATION,DESIGNALOWCOSTANDHIGHPRACTICALVALUEOFTHEWATERTOWERWATERLEVELCONTROLLERTHESYSTEMHASTHEWATERLEVELDETECTION,LOWWATERHIGHWATERLEVELALARMANDAUTOMATICFUNCTIONSSUCHASADDINGWATERTHEDESIGNPROCESSMAINLYUSESTHESENSORTECHNOLOGY,SINGLECHIPTECHNOLOGY,OPTICALTECHNOLOGYANDTHEWEAKCONTROLTHESTRONGPOLICEPOWERTECHNOLOGYDETECTIONSYSTEMUSINGSIMPLESYSTEMFORDETECTIONOFCOPPERNEEDLES,RESULTINGINTHELOWANDHIGHSENSITIVITYAT89C2051SCMSYSTEMCONTROLBYUSINGTHECIRCUITOFSIGNALPROCESSINGANDTHEUSEOFOPTICALCOUPLINGANDWEAKCONTROLRELAYSTOACHIEVESTRONGPOWERTOREALIZEAUTOMATICCONTROLOFWATERSYSTEMSITCANAUTOMATICALLYDETECTTHEWATERLEVEL,LIGHTALARM,SHEUNGSHUI,ALLTHEWORKWITHOUTWATERCYCLE,TOENSUREBETTERSURFACEHEIGHTISALWAYSWITHINTHECONTEXTOFITSSTRUCTURESIMPLE,LOWCOST,HIGHSENSITIVITY,SIGNIFICANTENERGYISUSEDINVARIOUSKINDOFIDEALEQUIPMENTFORHIGHLEVELLIQUIDSTORAGEKEYWORDSSCMAUTOMATICMONITORINGCIRCUITCONTR目录第1章绪论111研究背景112研究的目的及意义313国内外发展现状4第2章总体方案论证621设计思路622系统方案论证623方案论证8第3章各单元电路设计931系统工作原理932单片机的选择9321单片机选择9322最小系统电路1433传感器的选择1834稳压电路的设计2035光报警显示电路2136继电器控制水泵加水电路23361功率驱动电路中的光电隔离23362光电耦合器简介24363继电器简介24364水泵的介绍2537电源电路2638看门狗电路27第4章软件设计3241程序流程图3242源程序33总结35致谢36参考文献37附录1系统原理图39附录2系统总程序40第1章绪论11研究背景传统的供水系统大多采用水塔、高位水箱或者增压设备，用水泵高出实际用水高度的扬程来提升水位高度，以保证又足够的用水量。但是控制精度低、能耗大。随着科学技术的不断更新发展，自动控制技术在我国的日新月异，传统的继电器控制系统已经跟不上时代发展的要求，这就需要一种新型的控制方式取而代之。单片机诞生于20世纪70年代末，是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。现代计算机技术的产业革命，将世界经济从资本经济带入到知识经济时代。在电子世界领域，从20世纪中的无线电时代也进入到21世纪以计算机技术为中心的智能化现代电子系统时代。现代电子系统的基本核心是嵌入式计算机系统简称嵌入式系统，而单片机是最典型、最广泛、最普及的嵌入式系统。目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴1在智能仪器仪表上的应用单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。2在工业控制中的应用用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。3在家用电器中的应用可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。4在计算机网络和通信领域中的应用现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。5单片机在医用设备领域中的应单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。6在各种大型电器中的模块化应用某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。如音乐集成单片机，看似简单的功能，微缩在纯电子芯片中（有别于磁带机的原理），就需要复杂的类似于计算机的原理。如音乐信号以数字的形式存于存储器中（类似于ROM），由微控制器读出，转化为模拟音乐电信号（类似于声卡）。在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也方便于更换。在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也方便于更换7单片机在汽车设备领域中的应用单片机在汽车电子中的应用非常广泛，例如汽车中的发动机控制器，基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器，GPS导航系统，ABS防抱死系统，制动系统等等此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。12研究的目的及意义目前，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。在我们的指导老师的启发之下，我们对住宅供水情况进行了调查，根据调查在城市兴建的许多的房子现在都要实现自来水供水，所以在许多的家庭的楼顶都砌了一个高塔用来存储用水，然后对整个房子的用水进行供给。调查的过程当中我们发现，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。引起了老百姓的抱怨水用完只前，不知道水已经很少，待用完后才知晓，如果是急需水的情况下，那就十分麻烦要等加水后才有水用；加水的过程当中，还需要人时刻检查水位情况，以防止水量超过最高水位线；所以这一切问题的存在，都在呼唤一种简单经济的高塔水位检测报警控制系统的诞生。另外，现在许多的锅炉系统、防洪系统也需要对水位进行控制，以能够方便地控制水位，对不同的水位进行报警，所以如果研制了一种很好的水位控制装置便能够很好地造福人民。传统的控制方式存在控制精度低、能耗大的缺点,而运用单片机的自动控制原理,利用水的导电性连续地全天候地测量水位的变化，依据用水位的变化自动调节系统的运行参数,保持水压恒定以满足用水要求,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塔水位的理想的自动化装置。远古时代，人们逐水而居。水在人们正常生活和生产中始终如一的起着至关重要、无可取代的作用。如若没有了水，轻则给人们的生活带来极大地不变，重则可能造成重大的生产事故及损失。因此满足及时、准确、安全、充足的供水成为人们对供水系统提出了新的要求。如若依旧采用传统的方式，不但劳动强度大，工作效率低下，而且安全性难以保障。由此运用单片机对控制系统进行改造，进而实现安全、充足、自动化的供水，具有很高的实际应用价值，对人们的日常生产生活具有重大意义。13国内外发展现状从半导体集成技术及微电子设计技术的发展，可以预见到未来单片机技术的发展趋势。1、主流机型发展趋势在未来较长一段时期内，8位单片机仍是主流机型，许多厂家还会不断改进与完善8位机，使8位机不断保持其活力；在满足高速数字处理方面，32位机会发挥重要作用；16位机空间有可能被8位机、32位机挤占。2、全盘CMOS化趋势。3、RISC体系结构的大发展。4、大力发展专用型单片机。5、OTPROM、FLASHROM成为主流供应状态。6、ISP及基于ISP的开发环境。7、单片机中的软件嵌入。8、实现全面功耗管理。9、推行串行扩展总线。10、ASMIC技术的启动与发展。单片机以其卓越的性能，得到了广泛的应用，已深入到各个领域。单片机应用在检测、控制领域中，具有如下特点。1、小巧灵活、成本低、易于产品化。它能方便地组装成各种智能式测、控设备及各种智能仪器仪表。2、可靠性好，适应温度范围宽。单片机芯片本身是按工业测控环境要求设计的，能适应各种恶劣的环境，这是其它机种无法比拟的。3、易扩展，很容易构成各种规模的应用系统，控制功能强。单片机的逻辑控制功能很强，指令系统有各种控制功能用指令。4、可以很方便地实现多机和分布式控制。我国开始使用单片机是在1982年，目前国内外主要使用的单片机主要有8051内核的单片机，如INTER公司的8051系列、ATMEL公司的89系列、PHILIPS公司、TI公司、ST公司及华邦公司的单片机系列等。还有一些其他内核的单片机。近年来单片机在我国已经得到了广泛的应用，并且在各行各业的生产过程的自动过程中担任着重要角色。通过单片机对程序设计，提高液位系统的控制水平，具有很高的应用价值，并且已经在国内外企业及居民生活中得到广泛应用。第2章总体方案论证21设计思路随着时代的发展、社会的进步，人类物质生活水平的不断提高，现在许多家庭都要求能够进行家庭用水自动供水，基于调查我们决定设计一款简单实用，经济的高塔水位控制系统。在高塔的内部我们设计一个简易的水位探测传感器用来探测三个水位，即低水位，正常水位，高水位。低水位时送给单片机一个高电平，驱动水泵加水，红灯亮；正常范围的水位时，水泵加水，绿灯亮；高水位时，水泵不加水，黄灯亮。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。22系统方案论证方案一本方案采用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1/3VCC2/3VCC的电平,即保持前一个水泵不加水的状态；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。如图21所示图21方案一方框图方案二本方案采用单片机AT89C2051作为我们的控制芯片,主要工作过程是当高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,然后单片机驱动水泵加水和显示系统使红灯变亮；当水位在正常范围内时,水泵加水,绿灯亮；当水位在高水位时,单片机不能驱动水泵加水,黄灯亮。如图22所示图22方案二方框图23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。第二种方案中使用了单片机处理，单片机技术是信息时代用于精密测量的一种新技术。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,并且单片机引脚较多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。第3章各单元电路设计31系统工作原理本系统由单片机系统、水位探测传感电路、电源电路、稳压电路、光报警显示电路、继电器控制水泵加水电路、以及高塔模型组成。系统框图22所示。当水位处于低水位的时候，传感器的低水位探测线没被5V的电源导通进入稳压电路经过处理在稳压电路的输出端有一个高电平，送入单片机的P10口，另一个稳压电路输出的高电平进入单片机的P11口单片机经过分析，在P12口输出一低电平，驱动红灯亮，P15出来一个信号使光电耦合器GDOUHE导通，这样继电器闭合，使水泵加水；当水位处于正常范围内时，水泵加水，在P13引脚出来一个低电平，使绿灯亮；当水位在高水位区时，传感器的两根探测线均被导通，均被5V的电源导通，送入单片机，单片机经过分析，在P14引脚出来一个低电平，使黄灯亮，在P15端出来一个低电平不能使光电耦合器导通，这样继电器不能闭合，水泵不能加水；当三灯闪烁表示系统出现故障。32单片机的选择321单片机选择1方案一我们选用AT89C2051作为我们的控制芯片。1AT89C2051（以下简称2051）是一种低功耗、高性能的8位CMOS微控制器芯片，片内带2KB的快闪可编程及可擦除只读存储器（FPEROM）。它与MCS51指令系统兼容，片内FPEROM允许对程序存储器在线重新编程，也可用常规的EPROM编程器编程。ATMEL的205L将具有多种功能的8位CPU与FPEROM结合在同一芯片上，为很多嵌入式控制应用提供了高度灵活且价格适宜的方案。2051还增加了在零频下工作的静态逻辑方式及两种软件可选的省电模式。其中，在闲置模式下，CPU停止工作，但RAM、定时器计数器、串行口和中断系统仍然在工作。在掉电模式下，只保存RAM的内容，振荡器停振，关闭芯片的所有其他功能，直到下一次硬件复位为止。AT89C205的引脚图和封装图分别入31和32所示图31AT89C2051引脚图图32AT89C2051封装图2AT89C2051主要性能1与MCS5L产品兼容。22KB的在线可重复编程快闪存储器，寿命可达1000次写擦除周期。3宽工作电压范围27V6V。4全静态工作方式0HZ24MHZ。5两级程序存储器加密。61288位SRAM。715条可编程IO线。82个16位定时器计数器。95个中断源。10可编程串行通道。11可直接驱动LED。12有片内精密模拟比较器，具备低功耗的闲置与掉电模式。3内部结构及引脚2051的内部结构如图33所示，引脚分布如图31所示。引脚功能说明如下VCC供电电源。GND电路地。P1口为双向8位IO端口。P12P17引脚有内部上拉电阻，P10和P11需要外部上拉电阻。P10和P1L还作为模拟比较的正输入端和负输入端，与片内精密模拟比较器相连。P1口输出缓冲器能吸收20MA灌入电流并可直接驱动LED显示器。当向端口P1写入电平“1”时，可作为输入引脚。因为P12P17有内部上拉的作用，此时若有外电路作为输入，引脚会向外灌电流（IIL）。P1口在快闪编程与校验功能中还承担数据代码接收任务。P3口P3口只有7位P30P35和P37（其中P37引脚具有内部上拉电路）。P36为内部比较器输出，无外部引脚。2051无RD和WR控制信号，P37为一般IO线。P3口输出缓冲器能吸收20MA灌入电流，当向端口P3写入电平“1”时，可用作输入端口。因为内部上拉作用当P3口有外部低电平做输入时，引脚向外产生灌电流（IIL）。P3口也提供2051的第二功能，如表22所示。P3在快闪编程与校验功能中还可接收某些控制信号。表31P3口提供的第二功能P3口线第二功能P30RXD串口输入P31TXD串口输出P32INT0外部中断0P33INT1外部中断1P34T0外部定时输入0P35T1外部定时输入1RST复位输入端。振荡器工作时，该引脚上两个机器周期的高电平可复位2051。每个机器周期为12个振荡周期（或称时钟周期）。XTAL1振荡器反相放大器内部工作时钟电路输入端。XTAL2振荡器反相放大器的输出端。AT89C2051的内部结构图如图33所示图33AT89C2051的内部结构图2方案二选用8031作为我们的控制芯片。18031是INTER公司MCS51系列单片机中最基本的产品，它采用INTER公司可靠地CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准MCS51的HCMOS产品。它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征，标准MCS51单片机的体系结构和指令系统。8031内置中央处理器单元、128字节内部存数据储器RAM、32个双向输入/输出（I/O）口、2个16位定时/计数器和5个两级中断机构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路，是一个集成度很高的微型计算机芯片，但8031片内并无程序存储器，需外接ROM。8031单片机的引脚图如图34所示图348031引脚图3比较以上两种方案，均可以满足设计要求，并且都是以单片机为核心的系统。方案一采用AT89C2051，它是一种高性能低价格单片机。引脚20个和指令系统与8031单片机完全兼容。片内有2K字节的闪速程序存储器采用电擦除编程,可重复编程1000次,数据可保10年,除没有P0口、P2口外,具有8031所有功能结构,即一片AT89C2051相当于8031、373、2716组成的最小系统。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。AT89C2051的P1口为八位双向I/O口,P12P17有内部上拉电阻,P10与P11无内部上拉电阻。P10与P11具有第二功能分别作为片内精密比较器的同相、反相输入端。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。AT89C2051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。P36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。P30P35的第二功能与8031P3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,P10与P11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。所以，本设计及制作采用了方案一的设计思想。322最小系统电路1单片机时钟电路通常有两种形式内部振荡方式、外部振荡方式。1内部振荡方式MCS51单片机内有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入端和输出端。把放大器与作为反馈元件的晶体振荡器或陶瓷谐振器连接，就构成了内部自激震荡器并产生振荡时钟脉冲。2外部振荡方式外部振荡方式就是把外部已有的时钟信号引入单片机内。本设计所采用的是内部振荡方式，晶振选择为12MHZ，电容C1，C2大小选择为33PF，其接线图如图34所示图34时钟电路2基本复位电路复位电路的基本功能是系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分合过程中引起的抖动而影响复位。复位电路的连接方式有三种一、上电复位单片机接通电源时产生复位信号，完成单片机的启动，确定单片机的起始工作状态。如图35所示。二、手动复位手动按键产生复位信号，完成单片机启动，确定单片机的初始状态。通常在单片机工作出现混乱或者死机时，使用手动复位可实现单片机的重启。如图36所示。三、复合复位电路将上电复位电路和手动复位电路结合到一起构成，通常使用的都是这种混合复位电路。如图37所示。本设计采用混合复位电路。图35上电复位电路图36手动复位图37复合复位3最小系统电路要使单片机工作起来最基本的电路构成为1电源电路向单片机供电；2时钟电路单片机工作的时间基准，决定单片机的工作速度；3复位电路确定单片机工作的起始状态，完成单片机的启动过程。最小系统电路如图38所示RST1RXDP302TXDP313XTAL24XTAL15INT0P326INT1P337T0P348T1P359GND10VCC20P1719P1618P1517P1416P1315P1214P11AIN113P10AIN012P3711U1AT89C20515VR11KC310UFSWPBY112MHZC233PFC133PF5V图38最小系统电路图33传感器的选择传感器是一种能感受被测物体物理量并将其转化为便于传输或处理的电信号的装置，在现代科技领域中，传感器得到了广泛应用，各种信息的采集离不了各种传感器，传感器的基本功能在于能感受外界的各种“刺激”并作出迅速反映。1方案一本设计当中我们采用的水位探测传感器简单易做，经济实惠。其外形轮廓如图39所示图39水位探测传感器外观图A为接5V电源的线与水一直保持连通，B线为低水位控制线，当水位到达低水位的时候它不导通，水在正常范围内时，它导通。C线为高水位控制线，当它导通时，表示水已经为高水位。我们经过反复思考与实验，采用了细铜线作为我们的传感器制作材料。主要考虑了1细铜线的电阻率比较低，这样就可以避免由于电阻过大而使输出的电平过低，以致不能很好地驱动单片机工作2传电性能比较好，传电速率比较快，也就是说灵敏性非常好。3细铜线经济容易寻找，对我们在实验室做模型来说十分方便。在制作的过程当中我们用PVC塑料管包扎起来，在外部不要露出铜线，而是采用插针的办法接到PCB版上去。这样做有几个好处主要是1非常美观漂亮，让线路隐藏。2能够让各线路紧凑，不会互相产生干扰，接触的地方都让绝缘胶布包扎好了。本传感器的尺寸是A线是100CM，B线80CM，C线是20CM，铜线直径是15MM。2方案二传感器使用SY9411LD型变送器。SY9411LD型变送器，它的内部含有一个压力传感器和相应的放大电路。压力传感器是美国SM公司生产的5552型OEM压阻式压力传感器，其有全温度补偿及标定（070），传感器经过特殊加工处理，用坚固的耐高温塑料外壳封装。其引脚分布如图310所示。1脚为信号输出（）；2脚为信号输出（）；3脚为激励电压；4脚为地；5脚为信号输出（）；6脚为信号输出（）。在水箱底部安装1根直径为5MM的软管，一端安装在水箱底部；另一端与传感器连接。水箱水位高度发生变化时，引起软管内气压变化，然后把气压转换成电压信号，输送到A/D转换器。图310SY9411LD型变送器引脚结构图3对以上两种方案进行比较论证。方案一结构简单，成本低廉，反应灵敏，系统也简单易行，易于推广，适合本设计的要求。方案二精度较高，但成本较高，且需要A/D转换器，系统较复杂。综合比较之选择后，选择方案一。34稳压电路的设计我设计的稳压电路如图311所示Q5NPNQ4NPNR13100KR12100R112KD3DIODEP10图311稳压电路原理图本电路的主要作用是使从传感器输出的电平能够稳定地输入单片机中，主要由三极管的两极放大稳定电路组成，其工作过程是水位探测传感器把探测到的电信号送给R12,如果送入的是高电平则R11、Q5、D3、Q4导通把低于14V的低电平稳定地送给单片机。如果是低电平送给R12则R11、Q5、D3、Q4均不能导通,于是R13导通将把高于14V的高电平稳定的送给单片机。我们查找了相关资料以及我们自己在设计过程当中免去此稳定电路,发现有时候也能实现我们的设计目的,但是也有很多时候发生水位误判的情况,产生不稳定现象,所以我们认为此电路是不可缺少的。既然是控制系统,当然就要控制精确。35光报警显示电路发光二极管（LED）是用半导体材料制作的正向偏置的PN结二极管。其发光机理是当在PN结两端注入正向电流时，注入的非平衡载流子（电子空穴对）在扩散过程中复合发光，这种发射过程主要对应光的自发发射过程。按光输出的位置不同，发光二极管可分为面发射型和边发射型。发光二极管的发光原理同样可以用PN结的能带结构来解释。制作半导体发光二极管的材料是重掺杂的，热平衡状态下的N区有很多迁移率很高的电子，P区有较多的迁移率较低的空穴。由于PN结阻挡层的限制，在常态下，二者不能发生自然复合。，而当给PN结加以正向电压时，沟区导带中的电子则可逃过PN结的势垒进入到P区一侧。于是在PN结附近稍偏于P区一边的地方，处于高能态的电子与空穴相遇时，便产生发光复合。这种发光复合所发出的光属于自发辐射，辐射光的波长决定于材料的禁带宽度EG。如图312所示是本设计采用的光电报警电路D10YELLOWD9GREEDD8REDR161KR141KR151K5VP14P13P12图312光报警电路的原理图本电路采用不同颜色的发光二极管来表示不同的水位情况。即红灯亮，其他两灯不亮表示是低水位状态，此时需要启动水泵加水；绿灯亮，其他两灯不亮表示在正常的水位线内；黄灯发亮，其他两灯不亮为高水位状态，水泵停止加水，三灯闪烁表示系统出现故障。此电路采用的是共阳极的，所以只有当单片机给发光二极管为低电平时才能推动发光二极管点亮。其中R14、R15、R16为上拉电阻起限压控流作用。36继电器控制水泵加水电路361功率驱动电路中的光电隔离在微机控制系统中，大量应用的是开关量的控制，这些开关量一般经过微机的IO输出，而IO的驱动能力有限，一般不足以驱动一些点磁执行器件，需加接驱动介面电路，为避免微机受到干扰，须采取隔离措施。如可控硅所在的主电路一般是交流强电回路，电压较高，电流较大，不易与微机直接相连，可应用光耦合器将微机控制信号与可控硅触发电路进行隔离。在马达控制电路中，可采用光耦来把控制电路和马达高压电路隔离开。电路如图313所示U3GDOUHEJUMPRELAYSPDT123K1CON3R91KR82KR72KR1010KD7Q3NPN5V5V图313继电器控制水泵加水电路的原理图该电路由继电器RL1和闭合开关、光电耦合器、水泵R7、R8、R9、R10以及D7、Q3等组成。当水位在低水位时单片机给P11送一个高电平导通光电耦合器然后光电耦合器驱动Q3导致继电器闭合从而让220V的交流电接通使水泵加水。362光电耦合器简介在电子电路系统中，不可避免地存在各种各样的干扰信号，若电路的抗干扰能力差将导致测量、控制准确性的降低，甚至产生误动作，从而带来破坏性的后果。因此，若硬件上采用一些设计技术，破坏干扰信号进入测控系统的途径，可有效地提高系统的抗干扰能力。事实证明，采用隔离技术是一种简便且行之有效的方法。隔离技术是破坏“地”干扰途径的抗干扰方法，硬件上常用光电耦合器件实现电光电的隔离，它能有效地破坏干扰信号的进入，可靠地实现信号的隔离，并容易构成各种功能状态。光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。它由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，在本设计当中发光源为发光二极管，受光器为光敏三极管。其外观如图314所示图314光电耦合器外观图本设计当中我们采用光电耦合器组成开关电路的作用，能够很好地将单片机信号稳定地送给继电器驱动继电器闭合。363继电器简介继电器是具有隔离功能的自动开关元件，在我们设计当中主要来做自动控制作用，我们采用5V的直流电来控制220V的交流电，以达到控制水泵的作用，因为是在这里是以一种弱电来控制强电所以安装和使用的过程当中我们一定要注意用电安全注意事项。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。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导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。图315为常用继电器实物图。图315常用继电器364水泵的介绍水泵是每个家庭必不可少的生活工具，虽然大多数人并没有认识到这一点，但这确是事实。很多人对水泵一无所知。1水泵的分类水泵一般多以泵的结构和作用原理来分类，有时根据需要也按使用部门、用途、动力类型和泵的水力性能等进行分类。1按使用部门分有农业用泵（农用泵）、工作用泵（工业泵）和特殊用泵等。2按用途分有水泵、砂泵、泥浆泵、污水泵、污物泵、井用泵、潜水电泵、喷灌泵、家用泵、消防泵等。3按动力类型分有手动泵、畜力泵、脚踏泵、风力泵、太阳能水泵、电动泵、机动泵、水轮泵、内燃水泵、水锤泵等。4按工作原理分有离心泵、混流泵、轴流泵、旋涡泵、射流泵、容积泵（螺杆泵、活塞泵、隔膜泵）、链条泵、电磁泵、液环泵、脉冲泵等。2选择水泵的主要参数水泵参数是指泵工作性能的主要技术数据，包括流量、扬程、转速、效率和比转数等。3常见故障处理办法1不吸水或不出水，多由于底阀卡死，滤水部分淤塞；吸水的高度太高或吸水管漏气；以及叶轮流道堵塞等所致，应分别采取相应办法解决。2管路漏水或漏气，可能是安装时螺栓没拧紧。如果渗漏不严重，可在漏水或漏气的地方涂水泥浆，并用板手拧紧螺帽；若漏水严重，则要重装。3水泵剧烈震动，可能是在电动转子不平衡，或者联轴器结合不良，轴承磨损、弯曲；也可能是由转动部件松驰、破裂和管路支架不牢等引起。应视不同情况进行调整、加固、校直或更换。37电源电路电源电路虽然简单，但需要功能可靠，所用采用两个三端集成稳压器7812、7805，可以方便的实现此功能，电路如图314所示D4D2C501UFC601UFC7001UF123J1CON3VIN1GND2VOUT3U27805VIN1GND2VOUT3U17812C41000UFV1VSIND3D1GND5V12V图314电源电路38看门狗电路在由单片机构成的微型计算机系统中,由于单片机的工作常常会受到来自外界电磁场的干扰,造成程序的跑飞,而陷入死循环,程序的正常运行被打断,由单片机控制的系统无法继续工作,会造成整个系统的陷入停滞状态,发生不可预料的后果,所以出于对单片机运行状态进行实时监测的考虑,便产生了一种专门用于监测单片机程序运行状态的芯片,俗称“看门狗“WATCHDOG。看门狗电路的应用，使单片机可以在无人状态下实现连续工作,其工作原理是看门狗芯片和单片机的一个I/O引脚相连,该I/O引脚通过程序控制它定时地往看门狗的这个引脚上送入高电平或低电平,这一程序语句是分散地放在单片机其他控制语句中间的，一旦单片机由于干扰造成程序跑飞后而陷入某一程序段进入死循环状态时,写看门狗引脚的程序便不能被执行,这个时候,看门狗电路就会由于得不到单片机送来的信号,便在它和单片机复位引脚相连的引脚上送出一个复位信号,使单片机发生复位,即程序从程序存储器的起始位置开始执行,这样便实现了单片机的自动复位看门狗,又叫WATCHDOGTIMER,是一个定时器电路,一般有一个输入,叫喂狗KICKINGTHEDOGORSERVICETHEDOG,一个输出到MCU的RST端,MCU正常工作的时候,每隔一端时间输出一个信号到喂狗端,给WDT清零,如果超过规定的时间不喂狗,一般在程序跑飞时,WDT定时超过,就回给出一个复位信号到MCU,是MCU复位。防止MCU死机看门狗的作用就是防止程序发生死循环，或者说程序跑飞。工作原理在系统运行以后也就启动了看门狗的计数器，看门狗就开始自动计数，如果到了一定的时间还不去清看门狗，那么看门狗计数器就会溢出从而引起看门狗中断，造成系统复位。所以在使用有看门狗的芯片时要注意清看门狗。系统软件“看门狗“的设计思路（1）看门狗定时器T0的设置。在初始化程序块中设置T0的工作方式，并开启中断和计数功能。系统FOSC12MHZ，T0为16位计数器，最大计数值为2的16次方165535，T0输入计数频率是。FOSC/12，溢出周期为655351165536S。（2）计算主控程序循环一次的耗时。考虑系统各功能模块及其循环次数，本系统主控制程序的运行时间约为166MS。系统设置“看门狗“定时器T0定时30MST0的初值为655363000035536。主控程序的每次循环都将刷新T0的初值。如程序进入“死循环“而T0的初值在30MS内未被刷新，这时“看门狗“定时器T0将溢出并申请中断。（3）设计T0溢出所对应的中断服务程序。此子程序只须一条指令，即在T0对应的中断向量地址000BH写入“无条件转移“命令，把计算机拖回整个程序的第一行，对单片机重新进行初始化并获得正确的执行顺序。看门狗电路如图315所示Q012Q19Q28Q311MS16MS27MR12MR23CLK014CLK1U27490C147UFC401UFTRIG6CVOLT3R4XDCC145DIS1THR2GND7U3ANE556R210KR110KR447KR61KR51KR310K5V5VC3001UFA1B2Y3UIA7432C2001UFU4070201P16RESET图315看门狗电路本设计的看门狗电路主要采用了NE556芯片和7490芯片1NE556芯片简介NE556芯片是双时基集成电路，NE556的内部有两个555时基电路,由于它们封装在一个芯片内,能获得较好的一致性。另NE556为双极型电路,其输出驱动能力大,输出电流可达到200MA,工作频率范围可达01001HZ500KHZ。如图316所示，NE556内部的两个555电路接成了间接反馈式无稳态自激多谐振荡器形式。图316NE556内部结构图27490芯片简介7490是二五十进制异步计数器，具有计数、保持、清零功能。7490芯片管脚图如图317所示图3177490管脚图7490管脚功能如表32所示表327490管脚功能管脚功能管脚功能1计数脉冲B8计数输出2清零9计数输出3清零10地4空11计数输出5电源12计数输出6置913空7置914计数脉冲A第4章软件设计41程序流程图根据设计方案以及电路特点我采用汇编语言编写单片机程序画出程序流程图如图41所示转下页接上页图41流程图42源程序系统总程序如下ORG0000HLJMPSTARTSTARTSETBP10SETBP11RESTARTMOVA,P1ANLA,00000011BCJNEA,00H,LOOP1在低水位之下，开启电动机，亮红灯SETBP14SETBP13CLRP12LJMPRESTARTLOOP1CJNEA,01H,LOOP2当超过低水位，并且未达到高水位时，保持电动机转动，亮绿灯SETBP14SETBP12CLRP13LJMPRESTARTLOOP2CJNEA,02H,LOOP3系统故障（达到高水位，却没达到低水位）红，黄，绿灯均闪烁CLRP14CLRP13CLRP12LCALLDELAYSETBP14SETBP13SETBP12LJMPRESTARTLOOP3CJNEA,03H,RESTART当达到高水位时，停止电动机，亮黄灯SETBP13SETBP12CLRP14LJMPRESTARTRETEND总结以往，人们由于自己的楼顶水塔中的水位不清楚，加水不方便而感到苦恼，现在我们顺应大家的需要研制了这款简单经济实用的高塔水位控制系统，相信能够给广大的老百姓的生活带来方便，带来开心，以后大家再也不用亲自跑到楼顶加水啦本系统主要由水位探测传感器，单片机控制系统，水位显示系统，继电器驱动电路，水泵加水系统组成，系统简单，安装方便，建议广大用户尝试使用，我相信大家在用了之后一定会感到满意的。本系统采工作过程是当水位处于低水位的时候，传感器的低水位探测线没被5V的电源导通进入稳压电路经过处理在稳压电路的输出端有一个高电平，送入单片机的P10口，单片机经过分析，在P12口输出一低电平，驱动红灯亮，P15出来一个信号使光电耦合器GDOUHE导通，这样继电器闭合，使水泵加水；当水位处于正常范围内时，水泵加水，在P13引脚出来一个低电平，使绿灯亮；当水位在高水位区时，传感器的两根探测线均被导通，均被5V的电源导通，送入单片机，单片机经过分析，在P14引脚出来一个低电平，使黄灯亮，在P15端出来一个低电平不能使光电耦合器导通，这样继电器不能闭合，水泵不能加水，当系统出现故障时，三灯闪烁。实现自动监测、自动加水。本系统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。我也相信本设计当中一定会存在很多不足,请广大用户和相关行业人员,多多批评，多多指教致谢这次毕业设计得到了很多老师、同学和同事的帮助，其中我的导师李晶老师对我的关心和支持尤为重要，每次遇到难题，我最先做的就是向李老师寻求帮助，而李老师每次不管忙或闲，总会抽空来给我们大家上课面谈，然后一起商量解决的办法。在这里再次谢谢李老师，李老师您辛苦了感谢在整个毕业设计期间和我密切合作的同学，他们在本次设计中给予我的无私帮助和厚爱，不只一次地帮助我，在这里再次谢谢同学们，和曾经在各个方面给予过我帮助的兄弟们，在大学生活即将结束的最后的日子里，我们再一次演绎了团结合作的童话，把一个比较复杂的，从来没有上手的课题，圆满地完成了。正是因为有了你们的帮助，才让我不仅学到了本次课题所涉及的新知识，更让我感觉到了知识以外的东西，那就是团结的力量。“不积跬步无以至千里”，这次毕业论文能够最终顺利完成，归功于各位任课老师四年间的认真负责，使我能够很好的掌握专业知识，并在毕业论文中得以体现。也正是你们长期不懈的支持和帮助才使得我的毕业论文最终顺利完成。最后，向长春工业大学人文信息学院自动化系的全体老师们再次表示衷心感谢谢谢你们，谢