水位自动检测与控制系统的设计

1、在社会经济飞速发展的今天，水在人们生活和生产中起着越来越重要的作用。一旦断水，轻则给人民生活带来极大的不便，重则可能造成重大的生产事故及损失。因此，对水位的自动检测及控制的研究，有着极其重要的地位。任何时候都能提供足够的水量，平稳的水压，合格的水质，是对供水系统的基本要求。就目前而言，多数工业生活供水系统，都采用水塔，层顶水箱等基本储水设备，由一级二级水泵从地下市政水管补给，因此如何建立一个可靠安全又利于维护的给水系统是值得我们研究的课题。现今社会，自动化装置无所不在，在控制技术需求的推动下，控制理论本身也取得了显著的进步。水塔水位的监测和控制，再也不需要人工进行操作。实践证明，自动化操作，具

2、有不可替代的应用价值。在工农业生产以及日常生活应用中，常常会需要对容器中的液位（水位）进行自动控制。比如自动控制水箱、水池、水槽、锅炉等容器中的蓄水量，生活中抽水马桶的自动补水控制、自动电热水器、电开水机的自动进水控制等。虽然各种水位控制的技术要求不同，精度不同，但基本的控制原理都可以归纳为一般的反馈控制方式，就是利用传感器对于信号的提供通过单片机对数码显示、电机控制、报警控制部分的控制1。本设计从分析水塔水位报警器的原理和设计方法入手，主要基于单片机的硬件电路和语言程序设计,实现一种能够实现水位自动控制、具有自动保护、自动声光报警功能的控制系统。本控制系统由A/D转换部分、单片机控制部分、数

3、码显示部分、电机驱动部分、电机控制部分等构成。这是个简单而灵敏的监测报警电路，操作简单，接通电源即可工作。因为大部分电路采用数字电路，所以本水位监测报警器还具有耗能低、准确性高的特点。该系统设计新颖、简易，灵敏度高，工作稳定，能够自动检测与显示当前水位、高低水位报警等功能水位自动控制电路是通过水位传感器将水位高度转换为010V的直流电压，再经过A/D转换后，将转换所得的数字量送入单片机进行处理来达到对水位进行自动控制的目的。通过对电压和水位的转换关系，最终利用单片机进行精确的控制，实现对水位高度的显示、电机和报警装置的控制。主要的工作原理是通过水位传感器将水位信号转变成电信号，在通过A/D转换

4、部分位传感器的电信号进行转换处理。提供给单片机，利用单片机连接显示系统，电机系统和报警系统完成对水位的检测与控制。此项设计有利工业和生活用水的控制2。STC89C52压力传感器课题拟设计一款基于单片机而制作的智能型水位自动检测及控制系统。要求利用51单片机完成水位自动检测及控制系统设计，当水位自动检测及控制系统进入工作状态后， CPU不断检查触发开关的状态，当水位达到最低点时，警报器发出低水位警报一段时间，黄灯亮，电机自动开始抽水。当加水到最高水位时红灯亮，报警器报警，电机停止工作。当水位在正常水位内，电机和报警器都不工作。具体设计需要达到的要求和实现的功能如下：采样处理部分、单片机控制部分、

5、数码显示部分、电机驱动部分、电机控制部分等构成基于调查本课题设计一款简单实用，经济的高塔水位检测报警控制系统。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。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，黄灯亮；到达正常范围的水位时，水泵继续加水，黄灯不亮；高水位时，水泵不加水，红灯亮。通过这样一个简单使用的电路系统从而实现对水位的自动监测与控制。3 系统设计3.1 方案设计 方案一：如图3.1所示为方案一框图。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

6、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。555电路电源电路水塔水箱图3.1 方案一框图方案二：如图3.2所示为方案二框图。本方案采用单片机STC89C52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

7、机不能驱动水泵加水，黄灯亮。水位传感器A/D转换单 片 机电机控制键盘报警控制数码显示图3.2 方案二框图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，由于STC89C52单片机有40端口32引脚能够非常方便地设计显示系统。综上，已经清楚地看到了两种方案的优劣，要能够

8、很好地完成本次设计的各个指标和达到设计的目的，选择第二种方案作为本课题的设计方案。3.2 各部件的选择3.2.1传感器选择方案传统的水位检测通过设检测点来完成对水位的检测。通常，由于受检测点物理体积的影响，水位检测点的数目有限，从而影响了后续电路控制的精度。本设计中，采用SY-9411L-D型变送器，它内部含有1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555-2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3.3所示。1、2脚为信号输出；3脚为激励电压；4脚为接地地。图3.3 SY-9411L-D

9、型变送器在水箱底部安装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，然后传感器把气压转换成电压信号，输送到AD转换器。3.2.2 A/D转换方案通过对传感器的选择，可知由传感器输出的水位高度信号是010V的直流电压。在设计中，可以通过采样、保持电路对这一信号进行处理，将模拟信号转换为多个采样点信号。但这种处理方法由于受电路规模和采样精度的影响，不可能对水位信号作出精确的处理，近而也无法对电机、水位高度显示和报警作出精确的控制。因此，本设计中采用集成芯片TLC549对010V的直流电压进行处理。可以达到：（1）电路简洁、明了。（2）高

10、转换精度。（3）高控制精确。3.2.3单片机复位方案RST/VPD：复位/备用电源线，可以使单片机处于复位（即初始化）工作状态。通常，单片机的复位有自动上电复位和人工按钮复位两种，图3.4给出了它们的电路。考虑到，水塔与居民生活密切相关，当因特殊原因导致单片机掉电，需单片机立即自动复位（如：夜间短时间停电，导致本系统停止工作），故本设计采用上电复位方式。 图3.4 复位电路3.2.4单片机起振方案XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器，石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。也可以采用外部时钟源驱动器件。考虑到设计、使用的方便，本设计中采用片内时钟驱动。即XT

11、AL1和XTAL2只需外接晶振（配上相应的电容），便可以给单片机提供相应的时钟频率。3.2.5驱动显示方案 本设计中需显示水塔水位的高度，具体的显示方案有两种选择：(1)利用74LS48驱动数码管：与单片机连接较为复杂，需占用单片机8个端口。且在与数码管连接时需附加上拉电阻，用以完成数码管的驱动。(2)利用LCD考虑到本设计中，若利用MAX7219驱动数码管，MAX7219芯片价格较高，采用后大大提高成本支出将造成资源浪费，且。同时，随着MAX7219的使用（对MAX7219的编程）将提高源程序的复杂度，对编译、调试和单片机运行效率都将造成影响。故设计中采用LCD。3.2.6电机选择方案电动机

12、有直流流、交流之分。异步电动机属于交流电机的一种；另一种交流电机是同步电机。异步电机由于结构简单，维护方便，价格便宜，所以应用最为广泛。本设计中，采用异步三相交流电机。3.3 总体思路水位高度的检测：利用水位传感器完成。传感器输出信号处理：传感器输出信号，有直流电压和直流电流之分。设计中需将这一信号进行处理，以便单片机能够接收和处理。单片机控制：单片机将由前级输入的检测信号进行分析和处理，从而产生相应的控制信号。数码显示、电机驱动和报警电路根据单片机产生的控制信号，作出相应的动作。电机控制电路根据电机驱动电路的状态作出相应的动作。4 硬件设计4.1 系统组成水位自动控制器由7个部分组成，即水位

13、传感器、A/D转换、键盘、单片机、显示部分、电机控制、报警控制部分。系统框图可参考图3.2。4.2 单元模块设计单片机介绍(1) 选用STC89C52作为控制芯片，其引脚图如图4.1所示。STC89C52是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰、高速、低功耗单片机，指令代码完全兼容Intel 8051单片机。(2) STC89C52的封装STC89C52的封装如图4.2所示。图4.1 STC89C52引脚图 图4.2 STC89C52封装图(1)STC89C52各引脚功能及管脚电压4.2.2 A/D转换设计TLC549是美国德州仪器公司生产的8位串行A/D转换器芯片，可与通用微处理器、控制器通过CLK

14、、CS、POUT三条口线进行串行接口。具有4MHz片内系统时钟和软、硬件控制电路，转换时间最长17s， TLC549为40 000次/s。总失调误差最大为±0.5LSB，典型功耗值为6mW。采用差分参考电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围，V(REF-)接地，V(REF+)(VREF-)1V，可用于较小信号的采样17。a.芯片简介TLC549的内部框图和引脚名称如图4.3所示。图4.3 A/D转换器引脚极限参数TLC549的极限参数如下：电源电压：6.5V；输入电压范围：0.3VVCC0.3V；输出电压范围：0.3VVCC0.3V；峰值输入电流(任一输入端)：±1

15、0mA；总峰值输入电流(所有输入端)：±30mA；工作温度： TLC549C：070 TLC549I：4085 TLC549M：55125b.工作原理TLC549均有片内系统时钟，该时钟与I/O CLOCK是独立工作的，无须特殊的速度或相位匹配。当CS为高时，数据输出(POUT)端处于高阻状态，此时I/O CLOCK不起作用。这种CS控制作用允许在同时使用多片TLC549时，共用I/O CLOCK，以减少多路(片)A/D并用时的I/O控制端口。c.一组通常的控制时序为： (1)将CS置低。内部电路在测得CS下降沿后，再等待两个内部时钟上升沿和一个下降沿后，然后确认这一变化，最后自动将

16、前一次转换结果的最高位(D7)位输出到DATA OUT端上。(2) 前四个I/O CLOCK周期的下降沿依次移出第2、3、4和第5个位(D6、D5、D4、D3)，片上采样保持电路在第4个I/O CLOCK下降沿开始采样模拟输入。(3)接下来的3个I/O CLOCK周期的下降沿移出第6、7、8(D2、D1、D0)个转换位，(4)最后，片上采样保持电路在第8个I/O CLOCK周期的下降沿将移出第6、7、8(D2、D1、D0)个转换位。保持功能将持续4个内部时钟周期，然后开始进行32个内部时钟周期的A/D转换。第8个I/O CLOCK后，CS必须为高，或I/O CLOCK保持低电平，这种状态需要维

17、持36个内部系统时钟周期以等待保持和转换工作的完成。如果CS为低时I/O CLOCK上出现一个有效干扰脉冲，则微处理器/控制器将与器件的I/O时序失去同步；若CS为高时出现一次有效低电平，则将使引脚重新初始化，从而脱离原转换过程。在36个内部系统时钟周期结束之前，实施步骤(1)(4)，可重新启动一次新的A/D转换，与此同时，正在进行的转换终止，此时的输出是前一次的转换结果而不是正在进行的转换结果。若要在特定的时刻采样模拟信号，应使第8个I/O CLOCK时钟的下降沿与该时刻对应，因为芯片虽在第4个I/O CLOCK时钟下降沿开始采样，却在第8个I/O CLOCK的下降沿开始保存。STC89C5

18、2与ADC接口时三个注意事项：要给START线送一个100ns宽的启动脉冲。获取EOC线上的状态信息，因为它是A/D转换结束的标志。要给“三态输出锁存器”分配一个端口地址，也就是给OE线上送一个地址译码器输出信号。STC89C52和ADC接口通常采用查询和中断两种方式。采用查询法传送数据时STC89C52应对EOC线查询它的状态：若查询到EOC变为高电平，则给OE线送一个高电平，以便从D0D7线上提取A/D转换后的数字量。采用中断方式传送数据时，EOC线作为CPU的中断请求线。CPU响应中断后，应在中断服务程序中使OE线变为高电平，以提取A/D转换后的数字量。A/D转换器串行I/O接口如图4.

19、4所示。图4.4 A/D转换器串行I/O接口4.2.3起振电路设计石英晶振起振后，应能在XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波，以使STC89C52片内的OSC电路按石英晶振相同频率自激振荡。通常，OSC的输出时钟频率FOSC为0.516MHz，典型值为12MHz或11.0592MHz。电容C1和C2可以帮助起振，典型值为30pf，调节它们可以达到微调FOSC的目的。本设计中，晶振采用12MHz，CI和C2取30pf。其连接电路如图4.5起振电路所示9。图4.5 晶振显示设计LCD1602液晶本设计中由于要对水位进行显示，所以选择液晶显示屏1602模块作为输出。1602字符型LCD通常有14条

20、引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线。它可以显示两行，每行16个字符，采用单+5V电源供电，外围电路配置简单，价格便宜，具有很高的性价比。1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。如表4.2所示18表4.2 LCD1602引脚功能LCD1602主要管脚介绍：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比

21、度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生鬼影使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。RS为寄存器选择端，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器。RW为读写信号线端，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址；当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。E为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。 LCD1602液晶显示电路图4.6 LCD1602显示电路将LCD1602的RS端和P2.0，R/W端和P2.1，E端和P2.2相连，当RS=0时，对LCD1602写入指令；当RS=1时，对LCD1602写入数据。当R/

22、W端接高电平时芯片处于读数据状态，反之处于写数据状态，E端为使能信号端。当R/W为高电平,E端也为高电平，RS为低电平时，液晶显示屏显示需要显示的示数。图4.6为1602液晶显示屏与单片机的硬件连接图10。电机控制图4.7为三相电动机单向启动控制图。三相电机的工作控制电路是三相交流电源开关QS->熔断器->继电器->电动机M。电源开关控制电机的电源，熔断器就是电阻丝，防止电路的意外短路造成对电机的损坏。继电器是实现单片机对电机的智能化控制如图4.7所示异步电动机接入电网的瞬间，启动电流大约是额定电流的47倍。过大的启动电流会造成电网电压的变化过大；对于启动时间较长的电机，过大

23、的启动电流对电机会造成损害。所以除了小型异步电动机外，大多数异步电动机采用压降启动方式，以减小启动电流。常见的降压启动方式有Y/降压启动、沿边三角形降压启动、自耦变压器降压启动等11。本设计采用Y/降压启动。4.2.6报警电路报警电路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驱动振动膜发出声音，因此就需要一定的电流才能驱动它，又由于单片机I/O引脚输出的电流较小，单片机输出的TTL电平基本上驱动不了蜂鸣器，因此需要增加一个电流放大的电路。在电路中通过一个三极管9015来放大驱动蜂鸣器，图4.4报警电路，蜂鸣器的负极接地，蜂鸣器的正极接到三极管的发射极E，三极管的基级B经过限流电阻R

24、5后由单片机的P3.5引脚控制，当P3.5输出高电平时，三极管T1截止，没有电流流过线圈，蜂鸣器不发声；当P3.5输出低电平时，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。因此，我们可以通过程序控制P3.5脚的电平来使蜂鸣器来实现报警的功能12。图4.8 蜂鸣报警电路蜂鸣器通过一个三极管来驱动，这里选用9015。电路如图4.8所示：4.2.7 键盘电路本键盘电路采用独立键设计，三个键接到单片机的三个中断源上。当按下时为低电平。其中K1“模式”键、K2为“减一”键、K3“加一”键，电路如图4.9所示：图4.9 键盘电路4.3 系统整机分析整机电路图见附录。本设计是通过水位传感器对水位高度（0

25、10m）进行采样、量化后，输出010V的直流电压。再经过信号处理电路将这一直流模拟量转换为8位的并行数字量，并送入单片机进行处理。在单片机中将输入的8位数字量进行量化数为100的量化处理，并根据这一量化将水位高度控制转化为对状态0099的控制，其中状态00对应0.0m、状态01对应0.1m、 状态99对应9.9m。根据这一对应关系，设置两个水位控制点，分别为：10、80。：当状态在0010时：电机工作，报警电路工作。：当状态在1080时：电机工作，报警电路停止工作。：当状态在8099时：电机停止工作，报警电路工作。：根据状态0099的不同，分别将0099输出到液晶显示部分。 根据上述状态，即可

26、分别对液晶显示、蜂鸣器和电动机实现单片机的自动化控制13。5 PCB制板51 PCB板图的绘制本系统主要由水位检测传感器，单片机控制部分，水位显示部分，A/D转换部分，电机驱动，电机部分，键盘设置部分组成，系统简单，安装方便。本系统的工作过程是当水位处于低水位的时候，传感器检测到水位在设定水位以下时，有一串数字信号送入单片机的P2.2口，单片机经过分析，在P1.6口输出一个低电平，驱动黄色发光二极管发光，同时，P2.0口输出一个高电平，使蜂鸣器报警，P3.1口有一个信号使继电器闭合，使水泵转动，并向水塔加水；当水位处于中等水位的时候，水泵继续工作，P2.0口输出一个低电平，驱动蜂鸣器不报警；当

27、水位处于高水位时，在P1.7口输出一个低电平，驱动红色发光二极管发光，在P2.0口输出一个低电平，使继电器不能闭合，水泵不能自动抽水。具有体积小、使用寿命长、工作温度范围宽、抗干扰性能强无触点且输入与输出在电气上完全隔离等。通过光电耦合器的驱动可以使得继电器的工作更加灵敏。此次设计自己在理论上、仿真上都很成功，但是在实际的调试过程中显示部分却出现了问题。原因是芯片的封装与设计时的不同，结果引起显示部分个芯片管脚的电位混乱，再处理这些问题时自己显的不冷静，出现很多没必要的错误，因设计过程中耗费了大量时间，所以没有足够的时间调试和改进，这让自己懂得了，做任何学问都要一丝不苟，对出现的任何问题和偏差都不能轻视，要通过正确的途径区解决，做事情的时候要有耐心和毅力，不要一遇到困难就打退堂鼓，只要坚持下去就能找到解决问题的思路和办法。在工作中要学会与人合作，认真听取别人的意见，这样做事也会事半功倍。当然整个实验过程中自己也收获颇多，对电路的设计有一大致的了解并能自己动手完成一些简单的电路设计、制板