基于单片机的水位检测与控制系统文档良心出品

1、电子信息工程实验教学中央综合课程设计?设计报告设计题目基于单片机的水位检测与限制系统年级专业学号姓名成 绩2021电子信息工程评语：完成日期：2021/6/301绪论2.1.1工程研究背景及意义 .21.2课题现状32总体设计方案及论证3.2.1 总体方案设计3.3硬件实现及单元电路设计4.3.1设计原理4.3.2 设计方案5.3.3传感器模块5.摘要13.4系统工作原理错误！未定义书签.43.5 水位显示电路3.6 外部晶振时钟电路的设计 3.7 时钟电路的设计3.8 自动报警电路3.9 中央处理器模块 3.10继电器限制模块3.11水位检测系统仿真图软件设计7.78.8.9.9.14135

2、4.1总结.主程序工作流程图13156参考文献153.3.1 传感器的选择5.附录1.61.61.61.7错误！未定义书签.附件1:原理图. 附件2:仿真图. 附件3:元件活单 附件4:程序.摘要随着社会的开展,科技的进步以及人们生活水平的逐步提升,各种方便与生活的 自动限制系统开始进入了我们的生活,单片机作为微型计算机开展的一个重要分支, 具有高可靠性、高性能价格比、低电压、低功耗等优势,以其为核心的自动限制系统 赢得了广泛的应用.该课程设计的题目是基丁单片机的水塔水位限制,在此水塔水位限制系统中,检测信号来自插入水中的4个金届棒,以感知水位变化情况.工作正常情况下,应保持水位 在某一范围内

3、,当水位变化发生故障的时候,及时关断电机电源,发出声、光报警信号. 其目的在丁对单片机技术的应用,由单片机实现自动运行,使水塔内水位始终保持在 一定范围,以保证连续正常地供水.该课程设计给出以STC89C51单片机为核心器件的水塔水位检测限制系统仿真设计,实现水位的检测限制、处理和报警等功能,并在 Proteus软件环境下模拟仿真.实验结果说明,该系统具有良好的检测限制功能,可移 植性和扩展性好.关键词：水位传感器STC89C5151.绪论1.1 工程研究背景及意义在工农业生产中,常常需要测量液体液位.随着国家工业的迅速开展,液位测量技 术被广泛应用到石油、化工、医药、食品等各行各业中.低温液

4、体液氧、液氮、液氯、 液化天然气及液体二氧化碳等得到广泛的应用,作为贮存低温液体的容器要保证能承 受其载荷；在发电厂、炼钢厂中,保持正常的锅炉汽包水位、除氧器水位、汽轮机凝气 器水位、高、低压加热器水位等,是设备平安运行的保证；在教学与科学研究中,也经 常碰到需要进行液位限制的实验装置.本设计是利用STC89C52I片机设计一种水位限制系统.主要是基丁单片机的硬件 设计以及程序设计,包括测量电路局部、液位实时数显输出局部以及液位限制局部,还 在此根底上添加蜂鸣器.本设计只是概念性设计了电路局部,并不涉及具体的数值设定, 经过了实际应用检测.该系统实现了水位监测,水位限制,水位显示,故障报警功能

5、.在设计中主要采用 了传感技术、单片机技术、弱电限制强电技术、C语言编程等技术.本文还讲述了水位限制系统工作的根本原理,介绍了电路接口原理图,给出了相应了设计流程图和C语言程序.本文主要是为了更多得了解单片机,掌握单片机的组成局部和限制原理,最终到达 设计出“单片机水位限制系统的的目的.实验证实,单片机限制的水位限制系统的硬 件电路简单,软件功能完善,限制系统可靠,充分发挥了单片机的性能,可以大大的提 高单片机的开发效率.1.2 课题现状目前,市面上进行液位测量的仪表种类繁多,但是同时具有测量、监控、数据记录 及处理的液位测量装置并不多.在某些工业限制系统中,数据的测量这一根本功能已不 能满足

6、现代工业的要求,往往需要对大批数据进行记录,对其进行后期处理分析,实现 过失限制、工艺改善、资源优化等一系列工作.为了获得大批量的数据,得到可靠的分 析资料,往往需要长期、多网点的监控记录.在液位测量这一领域中,如江河湖海、城 市用水等方面,大量数据长时间,多网点的采集记录分析具有普遍的意义.液位的变化 分析,有助丁人们进一步对自然环境、天气变化甚至是灾害预警提供可靠的支持.单片机是一种集成电路芯片,是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理水平的 中央处理器CPU随即存储器RAM只读存储器ROM多种I/O 口和中断系统、定时器、 计时器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统.中央

7、处理器CPU是单片微型计算机指挥、执行中央,由它读程序并执行指令.CPU功能,是以不同方式来执行各种指令.有的指令涉及到各个存放器之间的关系；有的指 令涉及到单片机核心电路内部各功能部件的关系；有的那么与外部器件发生关系.总的来 说CPU通过复杂的时序电路来完成不同的指令功能的.2.总体设计方案及论证2.1 总体方案设计通过水的导电性,在水位到与未到的差异形成鲜明的上下电平并利用单片机强大的 数据处理水平对收到的数据进行解码、判断,做出相应的显示处理、驱动继电器翻开或 关闭相应的电子阀门.设计要求：利用单片机及扬声器、水位传感器等器件设计；将探测到的水位变化信号转换为电压信号,经调理电路整形处

8、理为 TTL电平送入单片机；单片机对送入 的信号进行数据处理,在LED上进行水位显示,超出水位警戒线时发出报警提示.原始数据：水位传感器；51单片机；蜂鸣器.主要任务：根据技术要求和现有开发环境,分析设计题目；设计系统实现的方案；设计并绘制电路原理图；画出功能模块的程序流程图；使用C语言编写实现程序；结合硬件调试、修改并完善程序；编写工程报告.对丁本设计单片机结构简单实用性强,功能齐全,技术先进,使实现这设计不难实 现.同时,C语言是单片机的重要“组成,如果能掌握好 C语言编程,这将很大程度 上提升了开发效率.在设计过程中我们采用了软硬件双结合的方式,软件设计的方法简化了硬件的要 求,为设计创

9、造了条件.单片机采用的 STC89C5的单片机.图1-1系统整体方案3.硬件实现及单元电路设计 3.1 设计原理单片机水塔水位限制原理如图1所示,图中虚线表示容许水位变化的上下线,在正 常情况下,应保持水位在虚线范围之内.其中 A棒处丁下限水位,C棒处丁上限水位, 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相连.borR1I图1水塔水位限制原理图水塔由电机带动水泵供水,单片机限制电机转动以到达对水位限制之目的.供水时,水位上升,当到达上限时,由丁水的导电作用,B、C棒连通+5V.因此,b, c两端均为1状态,这时应停止电机和水泵的工作,不再给水塔供水.当水位处丁上下限之

10、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.这时,无论是电机已在带动水泵给水塔加水,水位在不断上升； 或者是电机没有工作,用水使水位在不断下降.都应继续维持原有的作状态.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. 这时应启动电机,带动水泵工作,给水塔供水.3.2 设计方案本设计为一个实际应用系统的水塔水位限制局部.在此水塔水位限制系统中,检 测信号来自插入水中的4个金届棒,以感知水位变化情况.工作正常情况下,应保持水 位在1水位和4水位内,当水位变化发生故障的时候,及时关断电机电源,发出声、光 报警信号.水塔水位的硬件原理图如图2

11、所示.继电器:旦 赢电池盆,TSB接【1图2水塔水位的硬件原理图3.3 传感器模块3.3.1 传感器的选择此设计最重要的模块之一就是水位传感器了 ,由于这个模块的准确性直接决定了水 位限制的准确性.如果传感器选择得不可靠,可能造成数码管所显示值非水池中的真实 水位值；可能造成错误报警；错误加水或错误放水等可能.水位的高度检测也可有多种选择,如超声波；电容传感器；红外传感器； 利用水的导电性直接感应电流的"通或断来判断水位是否到达了相应的水位线方案一、使用超声波传感器.超声波具有不受被测的深度和导电性影响的特殊性, 但精度不高,价格昂贵；这种产品不具有市场竞争力.再者,这种传感器与单片

12、机的接 口较复杂,需要模/数之间的转换.方案二、使用电容式传感器.容易实现,但要求水位的变化较为缓慢,距离不能太 远.方案三、使用红外传感器,利用水面和容器的反射构成薄膜干预,当有水时,由丁 水面反射光的干预,使得红外线传感器接收不到相应的信号,由此可以探测到水位高度. 但是,同样地这种传感器价格也很昂贵,而其安装起来也不太容易.方案四、利用水的导电性,直接感应电流的"通或断来判断水位是否到达了相应 的水位线.这种方式不用额外的开销,而操作安装简单,其安装高度较为灵活.如下示意图VCC图3水位传感器示意图3.4 系统工作原理当水箱里的水位在低水位的时候传感器传给稳压电路一个低电平,低

13、电平通过稳压电路里的PNP三极管、电容、电阻转换成低电平.单片机收到低电平,表示水箱里没有 水了需要系统开始运作,给水箱加水,蜂鸣器报警.水位到达高水位时传感器同时传送 给单片机一个低电平,红灯闪烁频率加快,蜂鸣器报警频率加快.同理,水位从高水位下降时,水位离开高水位线时,高水位传感器探头与电源断开, 传感器输出低电平给单片机本电路的主要作用是使从传感器输入的电平能够稳定的输入到单片机中,是由三 极管8550、两个电阻组成.3.5 水位显示电路本电路采用数码管显示不同的水位等级,其段数码管是常用的显示器件,具有造价 低廉,驱动方便等特点,其由7个发光二极管和一个小数点组成,行成一个日字形,它们

14、 可以共阴极,也可以共阳极.但其使用方法根本相同.通过解码电路得到的数码接通相应 的发光二极而形成相应的数字显示.由丁,单片机复位后的各个引脚呈高电平,一般情 况下,复位后数码管不亮且考虑到显示的“够用要求,所以选择一位共阳数码管做为 水位高度的显示.如下所示为一位共阳的示意图：A图5数码管模型示意图3.6 外部晶振时钟电路的设计STC89C5的时钟可以由两种方式产生,一种是内部方式,利用芯片内部的振荡电路； 另外一种为外部方式,本论文根据实际需要和简便,采用内部振荡方式,MCS-51内部有 一个用丁构成振荡器的高增益反相放大器,引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入 端和输出端,这个

15、放大器与作为反响元件的片外晶体或陶瓷谐振器一起构成了一个自激 振荡器.STC89C5虽然有内部振荡电路,但要形成时钟,必须外接元件,所以实际构成的振 荡时钟电路,外接晶振以及电容C1和C2构成了并联谐振电路接在放大器的反响回路中, 对接电容的值虽然没有严格的要求,但电容的大小会影响振荡频率的上下,振荡器的稳 定性,起振的快速性和温度的稳定性.晶振的频率可在1.2MHZ12MH之间任选,电容C1和C2的典型值在20pf100pf之间选择,由丁本系统用到定时器,为了方便计算,采 用了 12MHZ勺晶振,采用电容选择30pf.图7晶振电路的设计3.7 复位电路的设计STC89C5的复位输入引脚RST

16、为单片机提供了初始化的手段,可以使程序从指定处开始 执行,在STC89C5的时钟电路工作后,只要 RST引脚上出现超过两个机器周期以上的 高电平时,即可产生复位的操作,只要 RST保持高电平,贝U STC89C51®环复位,只有 当RET由高电平变成低电平以后,STC89C5竹从0000H地址开始执行程序,本系统采用 按键复位方式的复位电路.图8复位电路3.8自动报警电路以下二种情况发生系统报警：1当水位到达上限极限水位时报警,水位到达上限极限水位时系统发出报警；2当水位到达下限极限水位时报警,水位到达下限极限水位时系统发出报警；蜂鸣器发声原理是电流通过电磁线圈,使电磁线圈产生磁场来

17、驱动振动膜发声的,因此需要一定的电流才能驱动它,单片机IO引脚输出的电流较小,单片机输出的 TTL电平根本上驱动不了蜂鸣器,因此需要增加一个三极管的电路.通过一个三极管C8550来放大驱动蜂鸣器,当8550的基极是一个低电平时,三极管处丁饱和状态,蜂鸣器通 电报警,当基极为高电平,三极管处丁截止状态,蜂鸣器停止报警.原理图见下面图3:图6自动报警电路的接线图3.9 中央处理器模块中央处理器是整个设计的数据处理中央,担负着数据接收与处理、数据显示与报警 及继电器的驱动并开启电子阀门.这个中央处理器的选择应考虑价格、稳定性、易用性 等因素.这里我们选择STC89C513.9.1 STC89C51

18、主要性能:与MCS-51单片机产品兼容8K字节在系统可编程Flas协储器100必擦写周期全静态操作：0Hz33Hz32个可编程I/O 口线三个16位定时器/计数器八个中断源全双工UART申行通道低功耗空闲和掉电模式掉电后中断可唤醒看门狗定时器双数据指针掉电标识符3.9.2功能特性描述：STC89C51是一种低功耗、高性能CMOS8位微限制器,具有8K在系统可编程Flash 存储器.使用Atmel公司高密度非易性存储器技术制造, 与工业80C51产品指令和引脚完 全兼容.片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适丁常规编程器.在单片机上, 拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得S

19、TC89C51为众多嵌入式限制应用系统提 供高灵活、超有效的解决方案.3.9.3引脚：P0口： P0口是一个8位漏极开路的双向I/O 口.作为输出口,每位能驱动8个TT驱辑 电平.对P跚口写"1"时,弓I脚用作高阻抗输入.当访问外部程序和数据存储器时,P0口也被作为低8位地址/数据复用.在这种模式下,PCft有内部上拉电阻.在flash编程 时,P0口也用来接收指令字节；在程序校验时,输出指令字节.程序校验时,需要外部 上拉电阻.P1 口： P1 口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O 口,p1输出缓冲器能驱动4个TTL 逻辑电平.对P1端口写"1"时

20、,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用. 作为输入使用时,被外部拉低的引脚由丁内部电阻的原因,将输出电流 IIL .此外, P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入P1.0/T2 和 时器/计数器2的触 发输入P1.1/T2EX,具体如下.在flash编程和校验时,P1 口接收低8位地址字节引脚号第二功能：P1.0T2 定时器/计数器T2的外部计数输入,时钟输出P1.1T2EX 定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向限制P1.5MOSI 在系统编程用P1.6MISO 在系统编程用P1.7SCK 在系统编程用P2口： P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,

21、P2输出缓冲器能驱动4个TTL 逻辑电平.对P2端口写"1"时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用. 作为输入使用时,被外部拉低的引脚由丁内部电阻的原因,将输出电流IIL.在访问 外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器例如执行 MOVXDPTR 时,P2 口送出高八位地址.在这种用中,P2口使用很强的内部上拉发送1.在使用8位地址如MOVXRI 访问外部数据存储器时,P2口输出P漩存器的内容.在flash编程和校验时, P2口也接收高8位地址字节和一些限制信号.P3口： P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,p2输出缓冲器能驱动4个TTL 逻辑

22、电平.对P3端口写"1"时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用. 作为输入使用时,被外部拉低的引脚由丁内部电阻的原因,将输出电流 IIL.P3口 亦作为STC89C51特殊功能第二功能使用,如下所示.在 flash编程和校验时,P3口 也接收一些限制信号.P3.0RXD 申行输入P3.1TXD 申行输出P3.2INT0外部中断0<7T2 jEX> 尸 WU 尸L4 >951*>*3 r 尸 1 d-PI-7WST> a.qCTXJO > 尸丑 1 (iNTB *<Tt > 3-5(WD> iP3 7n n n

23、 n n n n n n n n n n n npn npn433-3 m3*3.x咨 亨那一 = H HP3.3INT0外部中断0P3.4T0 定时器0外部输入P3.5T1 定时器1外部输入P3.WR外部数据存储器写选通P3.7RD外部数据存储器写选通框图：图7中央处理器引脚图3.10 继电器限制阀门模块用一个较小的电流去限制较大的电流如驱动阀门、高功率加热器件、机床等,可 以使用诸如继电器,晶体管和晶闸管几种类型.在线路结构上都采用了隔离举措.但各 有其特点：继电器输出：开关速度低,负载水平大,适用丁低频场合.晶体管输出：开 关速度高,负载水平小,适用丁高频场合.晶闸管输出：开关速度高,负

24、载水平小,适用丁高频场合.在这个设计中,只是用丁驱动阀门而已,所以选择使用继电器,要求速 度不用太高,负载也无需太大.继电器是一种当输入量电、磁、声、光、热到达一 定值时,输出量将发生跳跃式变化的自动限制器件, 是一种电子限制器件,通常应用丁自 动限制电路中,它实际上是用较小的电流去限制较大电流.3.10.1继电器工作原理一般机械继电器有一组触点,4根引线,两个是常开的,两个是常闭的,中间一个 共用.当限制端加电之后,线圈产生磁场,常开的闭合,常闭的断开,这样可以用小电 压和电流限制大功率的设备,比较方便和平安.以下列图为直流无极继电器,当电流通过线 圈时,铁芯吸动衔铁,使推杆向上移动,带动中

25、黄片断开后接点,而与前接点闭合；当 电源切断后,铁芯失磁,衔铁自行释放,使推杆下降,中黄片断开前接点,而与后接点 闭合.继电器线圈没电时,铁芯失磁,黄片与后接触点闭合,使信号灯电路接通红灯, 那么红灯亮.如以下列图：图8继电器断开时工作原理示意图继电器线圈有电时,铁芯吸动衔铁,黄片与前接触点闭合,使信号灯电路接通绿灯,那么绿灯亮.如以下列图:18图9继电器接时工作原理示意图综合考虑,电子阀门工作时电流不大,形状闭合速度也要求不局,所以继电器的选择 要求不高,只要市面上较易买到,价格适宜,电流2A10M就可以了 .这里我们选择的是 HRS4H-S-DC融可以3.11 水位检测系统的整体电路仿真图

26、1MH 4H WM!TAMT叩普IV n.idi魏 技上电便用沉 表让SW1, SW2, SWJ, SWL 5版5W3, 5W建？接堆H,水位为DEM S«？P SW3炭*IL S宜整电诲iFfiK水停导示1 当和L弓网惟hSW3.区W4睡电涯正根“ ；*啧目瑚SW曝地: 5W2P SW3, SWift电浑正,本曲衲3 tW14 WE SW3. SW4f|ftEb»正槌卜未停尊示图10水位限制系统仿真图4软件设计4.1 主程序工作流程图在系统的硬件确定以后,功能完善的软件能够很好的指导和协调硬件的工作,可使 系统发挥其最大的作用,并且便利以后的更新换代升级.一个完整的系统都

27、离不开对系 统状态的监控,为了更好的协调软件,硬件各个局部正常工作就必须对整个系统进行严 密监控.主程序如图3-1所示.系统开始工作时,由传感器检测出水位深度,送入单片机与 设定值相比较.如果测量值高丁上限值那么发出警报并关闭水泵；如果测量值低丁下限值 那么发出警报并启动水泵供水；如果测量值等丁设定值那么关闭水泵停止供水,并由显示水 位值,否那么启动水泵继续供水且显示水位值.传感器测量N图11主程序设计5总结本设计是利用STC89C52I片机设计一种水位限制系统.主要是基丁单片机的硬件 设计以及程序设计,包括测量电路局部、液位实时数显输出局部以及液位限制局部,还 在此根底上添加蜂鸣器.本设计只

28、是概念性设计了电路局部,并不涉及具体的数值设定, 经过了实际应用检测.该系统实现了水位监测,水位限制,水位显示,故障报警功能.在设计中主要采用 了传感技术、单片机技术、弱电限制强电技术、C语言编程等技术.本文还讲述了水位限制系统工作的根本原理,介绍了电路接口原理图,给出了相应了设计流程图和C语言程序.6参考文献1 童诗白,华成英.模拟电子技术根底第三版.北京高等教育出版社,20012 谢嘉奎,宣月活,冯军.电子线路线性局部第四版.北京高等教育出版社, 20043 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

29、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,中央播送电视大学出版社,1991.8 李军.检测技术及仪表.北京,轻工业出版社,1989.9 宋文绪.自动检测技术.北京,高等教育出版社,2000.10 贾伯年.传感器技术.南京,东南大学出版社,1990.11 杜维.过程检测技术及仪表.北京,化学工业出版社,1999.12 高晓蓉.传感器技术.成都,西南交通大学出版社,2003.13 吴桂秀.传感器应用制作入门.杭州,浙江科学技术出版社,2003.14 徐洁.电子测量与仪器.北京,机械工

30、业出版社,2004.15 武昌俊.自动检测技术及应用.北京,机械工业出版社,2005.附录附件1:原理图附件2:仿真图附件4:程序CommentDescriptionQuantity峰鸣器蜂鸣器110uF电容120pf电容2发光二极管发光二极管1发光二极管发光二极管3Relay-SPDT继电器19012三极管61K电阻1010K电阻5SW按键3电源升大电源升大1STC89C52单片机1smg_1数码管1CON5传感器接口112M晶振1#include <reg52.h>/ 调用单片机头文件#define uchar unsigned char / 无符号字符型 宏定义变量范围025

31、5#define uint unsigned int /无符号整型 宏定义 变量范围065535/数码管段选定义 0 1 2 3 45 6789uchar code smg_du=0xde,0x91,0xcd,0xd5,0x93,0x2b,0x5f,0xd4,0xdf,0xd1,/A BCDE F 不显示0xd7,0x1f,0x4e,0x9d,0x4f,0x47 ;/ 断码uchar dis_smg1 = 0xde;sbit led_y = P2A2; sbit led_g = P2A1； sbit led_r = P2A0；/黄灯/绿灯/红灯/高水位/低水位21sbit shuiweil = P3A4;sbit shuiwei2 = P3A5;sbit shuiwei3 = P3A6;sbit shuiwei4 = P3A7;sbit relay = P1A0; / 继电器sbit beep = P2A7; / 蜂鸣器uchar shuiwei; / 水位/*1ms延时函数 */void dela