基于单片机的水位控制器设计与制作

湖南商务职业技术学院毕业设计

目录

1项目简介.......................................................................................................................1

2水位控制系统的原理和设计方案...............................................................................2

2.1基于单片机的水位自动控制设计......................................................................2

2.2单片机系统组成及工作原理..............................................................................3

2.2.1系统组成...................................................................................................3

2.2.2工作原理...................................................................................................4

2.3控制方案的设计..................................................................................................4

2.3.1设计思路...................................................................................................4

2.3.2方案设计...................................................................................................5

3硬件设计....................................................................................................................6

3.1单片机..................................................................................................................6

3.1.1AT89C51单片机简述..............................................................................6

3.1.2AT89C51单片机的功能特点..................................................................6

3.2传感器模块......................................................................................................8

3.2.1传感器的选择...........................................................................................8

3.3复位电路..............................................................................................................9

3.3.1复位电路简述...........................................................................................9

3.3.2复位电路设计...........................................................................................9

3.4水位显示电路....................................................................................................10

3.5晶振电路............................................................................................................12

3.5.1晶体振荡器的简称.................................................................................12

3.5.2外部晶振时钟电路设计.........................................................................12

3.6报警电路........................................................................................................13

3.6.1蜂鸣器的简述.........................................................................................13

3.6.2自动报警电路.........................................................................................14

3.7继电器................................................................................................................15

I

湖南商务职业技术学院毕业设计

3.7.1继电器控制阀门模块.............................................................................15

3.7.2继电器工作原理.....................................................................................16

4仿真测试..................................................................................................................17

5软件设计..................................................................................................................20

5.1软件功能概述....................................................................................................20

5.2软件语言选择....................................................................................................20

5.3主程序设计........................................................................................................21

5.4源代码程序........................................................................................................23

6设计小结..................................................................................................................23

附录.................................................................................................................................23

参考资料.........................................................................................................................29

II

湖南商务职业技术学院毕业设计

基于单片机的水位控制器设计与制作

1项目简介

随着很多行业对液位控制的需求日益增加，液位和液压控制技术正在不断

发展。为了增加控制功能、提高生产效率，采用AT89C51单片机进行液位和液

压的控制技术得到了广泛的应用。不论是在工业生产过程中，还是在农业和其

他行业生产过程中，水塔都是生产生活中不可或缺的控制装置设备，所以水塔

的液位控制就是我们面临的严峻问题之一。

在我国液位技术需求迅猛上升之前，液位的控制需要人来进行看管，这不

但降低了劳动生产率，而且还不能高效和精确地将水位和水压控制在一个指定

的范围内。正因为这些各种方面的原因，所以采用单片机控制水塔的水位和水

压的控制方案就达到了这一基本要求，并且解决了这一重要问题。

液位控制系统是以液位为被控参数的控制系统，它在工业生产的各个领域

都有广泛的应用。在工业生产过程中，有很多地方需要对容器内的介质进行液

位控制，使之高精度地保持在给定的数值，如在建材行业中，玻璃窑炉液位的

稳定对窑炉的使用寿命和产品的质量起着至关重要的作用。液位控制一般指对

某一液位进行控制调节，使其达到所要求的控制精度。液体的液位的自动控制,

是近年来新开发的一项新技术,它是微型计算机软件、硬件、自动控制等几项技

术紧密结合的产物,工程作业采用的是微机控制和原有的仪表控制,微机控制有

以下明显优势：

1)直观而集中的显示各运行参数,能显示液位状态。 

2)在运行中可以随时方便的修改各种各样的运行参数的控制值,并修改系统

的控制参数,可以方便的改变液位的上限、下限。

3) 具有水体控制过程的自动化处理以及监控软件良好的人机界面，操作人

员在监控计算机上能根据控制效果及时修运行参数，这样能有效地减少工人的

疲劳和失误，提高生产过程的实时性、安全性。

液位控制作为过程控制研究领域重要的课题之一，它不仅在生产生活中占

有相当大的比例，而且人们对液位控制的需要和要求越来越多，多功能的液位

控制系统就为了满足这一情况而进行设计的。多功能的液位控制相比较传统的

机械液位控制系统有无可比拟的优势；首先，多功能的液位控制系统在功能上

比机械液位控制系统要多了不少，不仅是传统意义上的液位控制而已，还增加

1

湖南商务职业技术学院毕业设计

了水压的显示显示功能和键盘对液压的控制切换功能；其次，多功能的液位控

制系统在控制速度上比机械液位控制系统要快了不少，机械液位控制系统依靠

传统的机械杠杆进行移动产生位移会有一定的机械延迟，从而增加了滞后时间，

然而采用单片机进行液位控制的系统使用了A/D转换器，采样频率相较于机械

液位控制系统较高，可以对液位控制系统进行快速控制；再次，机械液位控制

系统需要进行零点值和满度值进行反复的调整[1]，而多功能的液位控制系统不

用对其进行反复的调整，只要进行过零点调整，就无需进行反复设置；最后，

多功能的液位控制系统无需人为手动的调整液位，直接通过控制电机达到控制

液位的效果，相较于机械液位控制系统节省了劳动力成本，同时提高了生成过

程中控制的效率。

多功能的液位控制系统将使用AT89C51单片机作为核心处理器，方便对整

个液位控制系统的调度和操作，它具有一定的可靠性、稳定性和准确性。使用

单片机实现多功能的液位控制系统不仅可以减少简单液位控制的控制成本，而

且可以提高用户的可操作性，方便用户对液位控制系统的控制。因此本课题采

用AT89C51单片机控制水塔的液位相比于以前的控制方式将会有更大的性能

和控制操作的提升。

目前，虽然市场上的液位控制系统种类繁多，但是掌握液位控制系统关键

核心技术对我们有很多好处，有助于我们更有效率和安全地进行生产生活，而

且，对液位变化进行分析并采集大量数据，找出数据经常变化的位置，这些数

据将会帮助我们实现更加快速和稳定的控制系统。

2水位控制系统的原理和设计方案

2.1基于单片机的水位自动控制设计

基本功能介绍：

本产品采用单片机+数码管+继电器+抽水电机+蜂鸣器而成。

按键说明：

手动关抽水键，手动开抽水键。单独一个按键为复位按键。

(1)单片机型号：AT89C51

(2)产品自带单片机上电复位电路、手动复位电路（复位按键）、晶振电路

（给单片机提供时钟周期）。

(3)通过水位传感器对水位检测，把检测到的结果送入单片机进行处理，能

实现水位显示，低水位开始抽水并报警，最高水位自动取消抽水。

2

湖南商务职业技术学院毕业设计

(4)测量水位，数码管可以显示0-4水位等级。

(5)具有自动模式和手动模式。

(6)手动模式下按下手动抽水键继电器吸合抽水电机开始工作抽水，按下手

动关抽水键继电器断开停止抽水。

(7)自动模式下，当水位小于1时继电器吸合抽水电机工作开始进水，一直

进到水位为4时停止进水。

(8)三个水位指示灯，红灯低水位指示灯，绿灯正常水位指示灯，黄灯水满

指示灯。

2.2单片机系统组成及工作原理

2.2.1系统组成

系统方案设计液位控制是利用液位的管理来进行模拟，再通过AT89C51把

输出状态直接接到单片机的I/O接口，单片机经过运算控制，输出数字信号，

输出接口接LED进行显示，实现液位的报警和键盘的显示与控制。

由下图可观察到水位由键盘控制输入以后，通过AT89C51单片机的运算控

制，在通过LED进行显示，通过报警装置进行报警,报警显示之后再通过对阀门

的开启实现对水体的液位进行调节控制，阀门的驱动设备是电动机，如图2.1所

示。

AT89C51单位数码管显示

晶振电路

单

片

机状态指示灯

水位传感器模块

模

板

复位电路继电器控制器

蜂鸣器

图2.1液位控制系统。

3

湖南商务职业技术学院毕业设计

2.1.2工作原理

单片机水塔水位控制原理如图l所示，图中的虚线表示允许水位变化的上、

下限位置。在正常情况下．水位应控制在虚线范围之内。为此，在水塔内的不

同高度处，安装固定不变的3根金属棒A、B、C。用以反映水位变化的情况。其

中，A棒在下限水位、B棒在上、下限水位之间，C棒在上限水位（底端靠近水

池底部.不能过低，要保证有足够大的流水量）。水塔由电机带动水泵供水。单

片机控制电机转动，随着供水，水位不断上升，当水位上升到上限水位时，由

于水的导电作用。使B、C棒均与+5V连通。因此b、c两端的电压都为+5V即为

“1”状态，此时应停止电机和水泵工作，不再向水塔注水；当水位处于上、下

限之间时。B棒和A棒导通。而C棒不能与A棒导通，b端为“r”状态。c端为

“0”状态。此时电机带动水泵给水塔注水，使水位上升，还是电机不工作，水

位不断下降，都应继续维持原有工作状态；当水位处于下限位置以下时，B、C

棒均不能与A棒导通，b、c均为“0”状态。此时应启动电机转动，带动水泵给

水塔注水，如图2.2所示。

图2.2水塔水位控制原理图

2.3控制方案的设计

2.3.1设计思路

水位自动控制电路是通过水位传感器将水位高度转换为0～10V的直流电

压，再经过A/D转换后，将转换所得的8路并行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、主/备电机和报警装置的控制。

水位自动控制器由6个部分组成，即水位传感器、A/D转换、单片机、数

码显示、电机控制、报警控制部分，其总框图如图2.3所示。

4

湖南商务职业技术学院毕业设计

电机控制电机驱动

水位传感A/D转换器单片机

器

数码显示报警控制

图2.3总框图

2.3.2方案设计

图2.4为水塔水位控制器的外观正视图，由电源指示灯、报警确认灯、水

位指示灯以及报警确认开关组成。接通电源时，电源指示灯亮，当水塔中水深

处于不同位置时，水位指示灯B、C、D、E情况不同。

水位指示器

电源指示灯

报警确定开关

BCDE

报警指示灯ON/OFF

图2.4水塔水位控制器外观图

(1)当水位处于B点之下，指示灯B、C、D、E全亮，报警电路开始报警，

即下限报警。之间，指示灯B灭，C、D.

(2)当水位处于B、C之间，指示灯B灭，C、D、E亮，水泵开始进水。

(3)当水位处于C、D之间，指示灯B、C灭，C、D亮，保持状态，即保持

进水。

(4)当水位处于D、E之间，指示灯B、C、D灭，E亮、停进状态，即水泵

不工作。

(5)当水位处于E点之上，指示灯B、C、D、E全灭，水泵不工作，报警电

路开始溢出报警，即上限报警。

(6)报警电路可以手动关闭，只要按下报警确认开关，就可以解除报警的蜂

5

湖南商务职业技术学院毕业设计

鸣声。此时，报警确认灯亮起。处理完故障时，必须关闭报警确认灯，报警确

认电路复位，恢复其监测故障的功能，

3硬件设计

3.1单片机

3.1.1AT89C51单片机简述

AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器(FPEROM-FlashProgrammableand

ErasableReadOnlyMemory的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机:A

T89C51是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦

除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制

造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8

位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，

AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了

一种灵活性高且价廉的方案。

3.1.2AT89C51单片机的功能特点

单片机采用由ATMEL公司生产的双列40脚AT89C51芯片，芯片引脚如下图

1所示。其中，P0口用于A/D转换；P1口作为数码管的段选信号；P2口的低四

位给数码管提供位选信号，高四位用于连接键盘；P3口用于控制水泵的动作，

并且用于控制A/D转换的启动和停止，控制报警器以及用于读取液位等。下面

具体介绍各个接口的功能和特点。

6

湖南商务职业技术学院毕业设计

图3.1AT89C51单片机引脚图

P0口：单片机P0口有两种使用方式，第一种是作为通用的I/O口使用，用

于传送单片机的输入输出数据，此时的输出可以得到缓存，输入的数据可以得

到缓冲，保证了数据输入输出的可靠性[6]。第二种是连接外部的存储器，通过

和单片机的P2口结合起来使用，单片机就可以访问外部存储设备的数据，可以

对其进行读写操作[7]。

P1口：单片机的P1口第一种使用方式和P0口一样；P1口的第二种使用方

式是作为8751编程/校验用于ROM的低8位地址。

P2口：单片机的P2口第一种使用方式和P1口一样；P2口的第二种使用方

式是和P0口结合起来使用，作为访问片外存储器的高8位地址中的数据。

端口号第二功能

P3.0RXD（串行输入口)

P3.1TXD(串行输出口)

P3.2INTO(外中断0)

P3.3INT1(外中断1)

P3.4TO(定时/计数器0)

P3.5T1(定时/计数器1)

P3.6WR(外部数据存储器写选通)

P3.7RD(外部数据存储器读选通)

表1AT89C51端口引脚的第二功能

P3口：单片机P3口的第一种使用方式和P1口一样；第二种使用方式是作

为第二功能使用，每一个引脚都有各自的功能，可以作为控制液位控制系统的

外围装置使用，如表1所示。

RST：复位引脚。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平，

这些加到RST引脚的高电平会使AT89C51单片机复位。

ALE/PROG：地址锁存引脚。ALE引脚配合单片机的P0口的第二种使用方

式工作。在访问外部存储器时，单片机除了在P0口输出存储器的地址，还在ALE

引脚上输出一个高电平；在没有访问外部存储器的情况下，单片机在ALE引脚

输出1/6时钟频率的脉冲。

PSEN:外部程序存储器的读选通引脚。

7

湖南商务职业技术学院毕业设计

EA/VPP：外部访问允许引脚。EA=1，访问片内存储器；EA=0，访问外部

存储器。

3.2传感器模块

3.2.1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,因为这个模块的准确性直接

决定了水位控制的准确性.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①超声波；②电容传感器；③红外传感

器；④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涉，当有水

时，由于水面反射光的干涉，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。如图3.2示意图

8

湖南商务职业技术学院毕业设计

图3.2水位传感器示意图

3.3复位电路

3.3.1复位电路简述

复位电路可以分为上电复位和手动按键复位两种。

单片机上电复位的原理是，在系统上电的一瞬间，利用电容两端的电压不

能发生突变，在一上电的瞬间电容如同短路，加在RST引脚的电平是高电平，

虽然时间很短，但足以让单片机复位[9]。

手动按键复位的原理是，在系统正常工作的过程中可以手动触动按键使单片

机复位。按下按键，5V的电压经过一个200欧姆的电阻分压后加到系统的RST

上，手动按键按下到抬起的过程足以使系统复位[10]。

图

3.3中网络标号RST连接单片机RST引脚，同时具有上述的两种功能。

3.3.2复位电路设计

AT89C51的复位输入引脚RST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AT89C51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，则AT8

9C51循环复位，只有当RET由高电平变成低电平以后，AT89C51才从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。

9

湖南商务职业技术学院毕业设计

图3.4复位电路

3.4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,它们可以共阴极,也可以共阳极.但其使用方法基本相同。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。由于，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。如图3.5所示为一

位共阳的示意图：

10

湖南商务职业技术学院毕业设计

图3.5数码管示意图

图3.6共阳数码管接法

11

湖南商务职业技术学院毕业设计

3.5晶振电路

3.5.1晶体振荡器的简称

晶振是晶体振荡器的简称。在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并

联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高

低分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。由于晶体自身的特

性致使这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为

一个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。

这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路，由于晶

振等效为电感的频率范围很宿，所以即使其他元件的参数变化很大，这个振荡

器的频率也不会有很大的变化。

晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并

联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。

晶振振荡电路都是在一个反相放大器(注意是放大器不是反相器)的两端接入

晶振，再有两个电容分别接到晶振的两端，每个电容的另一端再接到地，这两

个电容串联的容量值就应该等千负载电容，请注意一般IC的引脚都有等效输入

电容，这个不能忽略。

晶振的负载电容为150或12.5p，如果再考虑元件引脚的等效输入电容，则

两个22的电容构成晶振的振荡电路就是比较好的选择。

晶体振荡器也分力无源晶振和有源晶振两种类型。无源晶振与有源晶振(谐

振)的英文名称不同，无源晶振为心ysta1《晶体)，而有源晶振则叫做

cilator(振荡器》。无源晶振需要借助于时钟电路才能产生振荡信号、自身

无法粮荡起来。所以“无源晶振”这个说法并不准确，有源晶振是一个完整的

谐振振荡器。

3.5.2外部晶振时钟电路设计

AT89C51的复位输入引脚RST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AT89C51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，则

AT89C51循环复位，只有当RET由高电平变成低电平以后，AT89C51才从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。

12

湖南商务职业技术学院毕业设计

AT89C51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内部有一个用于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，这个放大器与作为反馈元件的片外晶

体或陶瓷谐振器一起构成了一个自激振荡器。

AT89C51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

器的反馈回路中，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

荡频率的高低，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1.2MHZ~12MHZ之间任选，电容C1和C2的典型值在20pf~100pf之间选择，

由于本系统用到定时器，为了方便计算，采用了12MHZ的晶振，采用电容选择

20pf。

图57晶振电路的设计

3.6报警电路

3.6.1蜂鸣器的简述

蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于

计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时

器等电子产品中作发声器件。

由于自激蜂鸣器是直流电压驱动的，不需要利用交流信号进行驱动，只需

对驱动口输出驱动电平并通过三极管放大驱动电流就能使蜂鸣器发出声音，很

13

湖南商务职业技术学院毕业设计

简单，这里就不对自激蜂鸣器进行说明了。这里只对必须用1/2duty的方波信

号进行驱动的他激蜂鸣器进行说明。

单片机驱动他激蜂鸣器的方式有两种:一种是PWM输出口直接驱动，另一种

是利用I/O定时翻转电平产生驱动波形对蜂鸣器进行驱动。

PWM输出口直接驱动是利用PWM输出口本身可以输出一定的方波来直接驱动

蜂鸣器。在单片机的软件设置中有几个系统寄存器是用来设置PWM口的输出的，

可以设置占空比、周期等等，通过设置这些寄存器产生符合蜂鸣器要求的频率

的波形之后，只要打开PWM输出，PWM输出口就能输出该频率的方波，这个时候

利用这个波形就可以驱动蜂鸣器了。比如频率为2000Hz的蜂鸣器的驱动，可以

知道周期为500μs，这样只需要把PWM的周期设置为500μs，占空比电平设置

为250μs，就能产生一个频率为2000Hz的方波，通过这个方波再利用三极管就

可以去驱动这个蜂鸣器了。

而利用I/O定时翻转电平来产生驱动波形的方式会比较麻烦一点，必须利

用定时器来做定时，通过定时翻转电平产生符合蜂鸣器要求的频率的波形，这

个波形就可以用来驱动蜂鸣器了。比如为2500Hz的蜂鸣器的驱动，可以知道周

期为400μs，这样只需要驱动蜂鸣器的I/O口每200μs翻转一次电平就可以产

生一个频率为2500Hz，占空比为1/2duty的方波，再通过三极管放大就可以驱

动这个蜂鸣器了。

图3.8蜂鸣器报警器功能电路

3.6.2自动报警电路

下列二种情况发生系统报警：

14

湖南商务职业技术学院毕业设计

1当水位达到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当水位达到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电平基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

极管处于饱和状态，蜂鸣器通电报警，当基极为高电平，三极管处于截止状态，

蜂鸣器停止报警。原理图见下面图3.9

图3.9自动报警电路的接线图

3.7继电器

3.7.1继电器控制阀门模块

用一个较小的电流去控制较大的电流(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

隔离措施。但各有其特点：继电器输出：开关速度低，负载能力大，适用于低

频场合。晶体管输出：开关速度高，负载能力小，适用于高频场合。晶闸管输

15

湖南商务职业技术学院毕业设计

出：开关速度高，负载能力小，适用于高频场合。在这个设计中，只是用于驱

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）达到一定值时，输出量将发生跳

跃式变化的自动控制器件，是一种电子控制器件,通常应用于自动控制电路中,它

实际上是用较小的电流去控制较大电流。

图3.10示意图

3.7.2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。当控制端加电之后，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控制大功率的设备，比较方便和安全。下图为直流无

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，带动中簧片

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，中簧片断开前接点，而与后接点闭合。继电器线圈没电时，铁芯失

磁，簧片与后接触点闭合，使信号灯电路接通红灯，则红灯亮。如图3.11所示：

16

湖南商务职业技术学院毕业设计

图3.11继电器断开示意图

继电器线圈有电时，铁芯吸动衔铁，簧片与前接触点闭合，使信号灯电路接

通绿灯，则绿灯亮。如图所示：

图3.12继电器连接示意图

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高,所以继电

器的选择要求不高,只要市面上较易买到,价格合适,电流2A～10A右就可以了.

这里我们选择的是HRS4H-S-DC5V就可以

4仿真测试

（1）第一次上电使用前，先让Sw1,SW2,Sw3,sw4都接的电源端，然后开

始测武SW1,SW2,SW3,SW4都接地时，水位为0，红灯亮，蜂鸣器开始报警。

17

湖南商务职业技术学院毕业设计

图4.1水位为0时的示意图

（2）SW1.SW2,SW3接地:SW4接电源正极，水位显示1,绿灯亮，抽水电机开

始抽水。

图4.2水位为1时的示意图

（3）SW2接地，SW3:SW4接电源正极，水位显示为2，绿灯亮，抽水电机开始抽

水。

18

湖南商务职业技术学院毕业设计

图4.3水位为2时的示意图

（4）SW1接地，SW2,SW3,SW4接电源正:水位显示为3，绿灯亮，抽水电机

开始抽水。

图4.4水位为3时的示意图

（5）SW1,SW2，SW3,SW4都接电源正极,水位显示4，黄灯亮，水位饱和，

抽水电机不工作。

19

湖南商务职业技术学院毕业设计

图4.5水位为4时的示意图

5软件设计

5.1软件功能概述

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

都离不开对系统状态的监控，为了更好的协调软件，硬件各个部分正常工作就

必须对整个系统进行严密监控。

5.2软件语言选择

本设计采用C51语言编写软件。C51不仅可以对单片机编程，而且还能对硬

件控制系统进行高效开发，利用C51语言编写程序简便、易懂，相比较于汇编

语言，使用C51编程有下列优点。

（1）不用写反复繁琐的指令，也不用记忆指令和考虑指令的使用；

（2）寄存器是由编译器自动管理，不用再人工考虑设置；

（3）使用C51编程可以是程序设计结构变得规范，程序分成函数结构化设

20

湖南商务职业技术学院毕业设计

计；

（4）C51提供了许多标准的子程序，对数据处理起来方便；

（5）避开了对跳转指令的直接处理，防止了程序过大出现不可预知的问题；

（6）方便模块化的编程设计技术，易于程序的移植。

除了以上的优点外，C51编程对数据的是非常方便的，传统的汇编语言需要

对二进制和十六进制数直接操作，这额外增加了设计的时间，所以使用C51编

程可以使用人性化的十进制数，将十进制数定义为指定的数据类型即可，通过

编译器自动转换成底层的二进制数。虽然C51有很多优点，但是也有一定的不

足，汇编语言程序可以设计的结构清晰，方便单片机对指令的高效处理，C51编

译后的程序重复度比直接编写的汇编语言程序要高。综上所述，在对比了C51

语言和汇编语言的优点以及缺点后，本设计采用C51编程，方便对液位控制系

统软件设计的逻辑实现，同时也能够快速排查程序出现的问题。

5.3主程序设计

主程序如图5.1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。如果测量值高于上限值则发出警报并关闭水泵；如果测

量值低于下限值则发出警报并启动水泵供水；如果测量值等于设定值则关闭水

泵停止供水，并由显示水位值，否则启动水泵继续供水且显示水位值。

21

湖南商务职业技术学院毕业设计

开始

传感器测量

报警提示测量值高于上限值

关闭水泵

报警提示

测量值低于下限值

启动水泵

关闭水泵

测量值等于设定值

停止供水

启动水泵继续供水

显示液位高度

结束

图5-1主程序设计

22

湖南商务职业技术学院毕业设计

6设计小结

随着毕业日子的到来，毕业设计也接近了尾声。经过几周的奋战我的毕业

设计终于完成了。在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知

识的单纯总结，但是通过这次做毕业设计发现自己的看法有点太片面。毕业设

计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过

这次毕业设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，

以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次毕

业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该

不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。

在这次毕业设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，

有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以

在这里非常感谢帮助我的同学。总之，不管学会的还是学不会的的确觉得困难

比较多，真是万事开头难，不知道如何入手。最后终于做完了有种如释重负的

感觉。此外，还得出一个结论：知识必须通过应用才能实现其价值！有些东西

以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用

的时候才是真的学会了。

在此要感谢我的指导老师对我悉心的指导，感谢老师们给我的帮助。在设

计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教

等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整

个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作

能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高

了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。

虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学的东西是这次毕业设计最

大的收获，和财富使我终身受益呀！

23

湖南商务职业技术学院毕业设计

附录1：元器件清单

24

湖南商务职业技术学院毕业设计

附录2产品实物图

25

湖南商务职业技术学院毕业设计

附录3电路原理图

26

湖南商务职业技术学院毕业设计

附录4PCB图

27

湖南商务职业技术学院毕业设计

附录5源代码程序

#include<reg52.h>//调用单片机头文件

#defineucharunsignedchar//无符号字符型宏定义变量范围0~255

#defineuintunsignedint//无符号整型宏定义变量范围0~65535

//数码管段选定义0123456789

ucharcodesmg_du[]={0xde,0x91,0xcd,0xd5,0x93,0x2b,0x5f,0xd4,0xdf,0xd1,

//ABCDEF不显示

0xd7,0x1f,0x4e,0x9d,0x4f,0x47};//断码

sbitled_y=P2^2;//黄灯//高水位

sbitled_g=P2^1;//绿灯

sbitled_r=P2^0;//红灯//低水位

sbitshuiwei1=P3^4;

sbitshuiwei2=P3^5;

sbitshuiwei3=P3^6;

sbitshuiwei4=P3^7;

sbitrelay=P1^0;//继电器

sbitbeep=P2^7;//蜂鸣器

ucharshuiwei;//水位

/***********************1ms延时函数*****************************/

voiddelay_1ms(uintq)

{

uinti,j;