基于单片机的高塔水位监测控制系统设计毕业论文

1、株洲师范高等专科学校物理与电子工程系毕业论文基于单片机的高塔水位监测报警控制系统姓 名： 王益南 指导老师： 肖利君 专 业： 应用电子技术 班 级： 07级应用电子班 学 号： 04207124 时 间： 2010-5-5至2010-5-28 摘 要 采用AT89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52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

2、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 AT89C52 microcontroller system using cooling towers to achieve the level of automation, design a low cost and high practical value of the water tower water level controller.

3、 The system has the water level detection, low water high water level alarm and automatic functions such as adding water. The design process mainly uses the sensor technology, single chip technology, optical technology and the weak control the strong police power technology. Detection system using s

4、imple system for detection of copper needles, resulting in the low and high sensitivity. 52 SCM system control by using the circuit of signal processing and the use of optical coupling and weak control relays to achieve strong power to realize automatic control of water systems. It can automatically

5、 detect the water level, light alarm, Sheung Shui, all the work without water cycle, to ensure better surface height is always within the context of its structure simple, low cost, high sensitivity, significant energy is used in various kind of ideal equipment for high-level liquid storageKey words:

6、 SCM Automatic monitoring Circuit Control目 录摘 要I第1章 绪 论1第2章 设计思路与方案32.1.设计思路32.2 方案设计32.3 方案论证4第3章 硬件设计53.1 系统方框图53.2 系统工作原理5单片机介绍6第4章 各部分电路设计104.1 传感器的选用104.2稳压电路的设计104.3单片机控制处理电路114.4 光报警显示统电路114.5继电器控制水泵加水电路12继电器控制电路的原理图12光电耦合器简介134.5.3 继电器简介13第5章 软件设计155.1 程序流程图155.2源程序16第6章 系统仿真186.1程序编译和加载186.

7、2系统仿真186.3系统仿真结果分析19总结20参 考 文 献21致 谢22附 录23附录一：系统的总的电路图23附录二 PCB版图24第1章 绪 论一 研究现状目前，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

8、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,而自动控制原理, 依据用水量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

9、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装置。二 设计任务与计划第2章 设计思路与方案2.1.设计思路2.2 方案设计 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1/3VCC-2/3VCC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。图2.2.1 方案一方框图方案二：本方案采用单片机80C52作为我们的控制芯片,主要工作

10、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。单片机80C52电源电路水位检测传感器水泵加水系统水塔模型水箱显示系统稳压电路图2.2.2 方案二方框图2.3 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

11、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,由于80C52单片机有四端口32引脚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 硬件设计3.1 系统方框图本系统由电源电路、水位探测传感电路、稳压电路、单片机系统、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。主电气原理框图如下。单片机80C52电源电路水位检测传感器水泵加水系统水塔模型水箱显示系统稳压电路图3.1.1系统框图3.2 系统工作原理当水位处于低水位

12、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P1.0口，单片机经过分析，在P2.3口输出一低电平，驱动红灯亮，P2.0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，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P2.2引脚出来一个低电平，使黄灯亮，在P2.0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。 （1） 单片机介绍我们选用AT89C52作为我们的控

13、制芯片其引脚图如3.2.180C52是INTEL公司MCS-52系列单片机中最基本的产品，它采用NTEL公司可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-52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，它继承和扩展了MCS-48单片机的体系结构和指令系统.（2） 80C52的封装 80C52的封装如图3.3所示图3.2.1AT89C52引脚图 图3.2.2 80C52封装图（3） AT89C52各引脚功能及管脚电压第4章 各部分电路设计4.1 传感器的选用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

14、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。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。其外形轮廓如下：图4.1.1 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

15、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CM，B线CM，C线是CM，铜线直径是15MM.4.2稳压电路的设计我们设计的稳压电路如下:图4.2 .1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

16、给R12,如果送入的是高电平则R11、Q5、D3、Q4导通把低于1.4V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均不能导通二是R13导通将把高于1.4V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。4.3单片机控制处理电路 本设计当中，我们主要采用了P1.0、P1.1的灵活的I/O端口作用作为我们的低水位和高水位信号输入口，单片机通过软件的控制不断检测这个端口的输入电平，

17、一旦发现则执行相应的控制程序，输出不同的信号给P2.3、P2.2、P2.1来告知水位情况即红、黄、绿分别表示水位在低水位状态，高水位状态，正常水位状态。然后，根据不同的水位决定是否通过P2.0口驱动水泵加水还是停止加水。4.4 光报警显示统电路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。图4.4.1光报警电路的原理图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R1

18、4、R15、R16为上拉电阻起限压控流作用。4.5继电器控制水泵加水电路继电器控制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、R10Y以及D2、Q3等组成。当水位在低水位时单片机给P2.0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。继电器控制水泵加水电路的原理图光电耦合器简介其外观如图：图4.5.2光电耦合器外观图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

19、，在本设计当中发光源为发光二极管，受光器为光敏三极管。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。4.5.3 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

20、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4.5.3常用继电器 第5章 软件设计5.1 程序流程图： 开始(P1)=#00H?延时0.5秒YP2.0=0 P2.1=0P2.2=1 P2.3=1水泵抽水，红灯亮图流程图5.2源程序程序如下： ORG 0000H LJMP STARTSTA

21、RT: SETB P1.0 SETB P1.1RESTART: MOV A,P1 ANL A,#00000011B CJNE A,#00H,LOOP1 ;在低水位之下，开启电动机，亮红灯 SETB P3.2 SETB P3.3 CLR P3.0 CLR P3.1 LCALL DELAY LJMP RESTARTLOOP1: CJNE A,#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 SETB P3.2 SETB P3.1 CLR P3.0 CLR P3.3 LCALL DELAY LJMP RESTARTLOOP2: CJNE A,#02H,LOOP3 ;

22、系统故障（达到高水位，却没达到低水位）红，黄，绿灯均闪烁 SETB P3.0 CLR P3.3 CLR P3.2 CLR P3.1 LCALL DELAY SETB P3.3 SETB P3.2 SETB P3.1 LCALL DELAY LJMP RESTARTLOOP3: CJNE A,#03H,RESTART ;当达到高水位时，停止电动机，亮黄灯 SETB P3.1 SETB P3.0 SETB P3.3 CLR P3.2 LCALL DELAY LJMP RESTARTDELAY: MOV R0,#250DELAY3: MOV R1,#200DELAY2: MOV R2,#5DELAY

23、1: DJNZ R2,DELAY1 DJNZ R1,DELAY2 DJNZ R0,DELAY3 RET END第6章 系统仿真6.1程序编译和加载 点菜单SourceAdd/Remove source Files”在出现的对话框中，选择ASEM51编辑器，将上面的汇编源程序添加，点菜单SourceBuild ALL编译汇编源程序，生成目标代码文件。在编辑环境左击单片机然后右击，将编译生成的HEX文件加载到芯片中，设单片机的时钟工作频率为12MHZ。6.2系统仿真点全速运行按键，得到图5.1所示的仿真结果,图中是处于低水位状态,水泵处于运行状态。图6.1低水位状态仿真结果图6.1故障状态仿真结果

24、6.3系统仿真结果分析总结以往，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P1.0口，单片机经过分析，在P2.3口输

25、出一低电平，驱动红灯亮，P2.0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，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P2.2引脚出来一个低电平，使黄灯亮，在P2.0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！ 参 考 文 献1赵贞图感器集成电路手册M2002年4月1版化学工业出版社.2何希才感器及其应用实例M2004年