《基于单片机的水箱水位控制系统设计》8700字

基于单片机的水箱水位控制系统设计摘要当今世界的飞速发展，社会的经济水平和人们的生活需求都日益提高。在工业以及诸多生产项目中，水箱是不可或缺的一种装置，用来装原料，给设备降温等很多用途。20世纪时期经济落后，大多数工厂采用人工加水的方式为水箱加水。但随着时代发展，工厂的产量变高，对水的需求量也变高，甚至变得要求更加精确，也就需要用技术来代替人工。随着传递感应技术和基于计算机信息处理技术的自动操作系统以及新型材料的发展为单片机带来了发展的机遇，单片机由于其低能耗、高性价比和高稳定性在现代生活中有着广泛的用途。在此文中我所设计的题目为基于单片机控制水箱自动加水系统，通过对水位的实时监测，在即将达到水位最高处时发出警报，控制水箱中水量的多少来实现自动加水的目的。检测信号来自于水箱中的四个金属棒来感知水位的变化，当水位变化发生异常时，自动切断电源，并发出光，声警报，是测定水位监控系统和模拟Proteus软件环境的基本设备。关键词：水位监测，超限预警，STC89C51目录TOC\o"1-3"\h\u42701绪论 1130931.1项目的研究背景 1182471.2国内发展现状 2157391.3国外发展现状 249951.4研究意义 2138721.5论文进程安排 3132592总体设计方案及论证 4200343硬件实现及电路设计 6144593.1设计原理 6129653.2设计方案 6103883.3元件清单 8114443.4传感器模块 9299433.4.1传感器的选择 9191883.5系统工作原理 10303653.6水位显示电路 11319883.7晶振电路设计 12223733.8复位电路 1390583.9自动报警电路 136183.10处理器模块 14239423.10.1STC89C51主要性能 14245833.10.2功能和功能说明 15265543.10.3引脚 167483.11水箱水阀模块 18150143.11.1继电器工作示意图 18222623.12自动加水系统整体仿真图 19228474软件设计 20101494.1主程序工作流程图 2027614结论 2117254致谢 2327149参考文献 2520439附录 271绪论在近现代生产工业中，经常需要进行液体液位测量。随着生产工业领域飞速发展，液体位置测量技术被广泛应用到各个领域，如化工，医药，食品，农业等等。低温液体像液氧，液氮，液化石油天然气，水等都得到了广泛的应用。发电厂和炼钢厂往往由锅炉链条的标准水位、氧气控制水位、汽轮机凝汽器水位和高低压热水器水位组成，保证了控制水位所需设备和试验设备的安全运行。在学校教学与科学研究过程中也经常用到需要进行液体位置控制的实验装置。而这些装置大多数都是以单片机技术为基础来实现的，而这也是本设计的研究重点。单片机技术诞生于20世纪70年代中期，从最开始零到现如今随处可见的单片机技术，站在科研前线的人们为其做出了巨大贡献。其历程简单包括四个阶段：第一阶段：1974年单芯片微型计算机诞生时，单芯片技术是最重要的，由于当时科学技术尚未开发，技术落后，早期的微型计算机采用双芯片结构，如美国先通公司F8，功能少，简单，只有一个8位处理器，一个64字节和两个并行I/O端口，但要形成一个完整的计算机，它必须连接到另一个3851。第二阶段：MCU诞生两年后，相关技术得到了一定程度的发展，从某种意义上说，它已经成为一台真正的“单片”计算机。其中原来的双芯片结构可以填充单片机，但没有串行I/O口，中断处理相对容易。目前，单芯片微型计算机的性能仍然很差。第三阶段：从1978年开始，高性能的单片机出现在人们的视野中，已经到了高科技的时期，这种单片机不仅是串行I/O口，而且是多级中断处理，同时也是D/D转换接口。Ram和ROM相对增加，地址范围相当于64K字节，得到了广泛的应用。第四阶段：经过四年高性能的飞速进化，开发出16位微控制器——一种16位微控制器，一种用16位微控制器扩充的处理器，ROM内存增加了很多。16位微控制器阶段现在正式启动。1.1项目的研究背景本课题的思路是通过STC89C51单片机开发一个水位监测和自动补水系统，包括单片机的硬件设计和控制功能程序的相关软件设计，其中包括测量链的设计，液位值显示及自动加水；在产生异常时发出声音警报。本课题电路部分只是概念性设计，并不涉及到具体的数值的设定，经过实际应用的检测。1.2国内发展现状目前为止，市场上可以进行液位测量的仪表有很多种类，但是能进行液位测量，数据记录及其处理和监测三个功能都有的仪表盘却寥寥无几。在现代工业生产工厂的所采用的控制系统，其中的数据测量已无法满足大部分工业生产的基本需求，通常都需要记录大量的数据，并进行数据分析对比。实现误差控制、工艺流程改善、资源优化等一系列工作任务。为了获得大量数据和可靠的数据分析结果，必须得进行的多个地方点监控记录。在液位测量的专业领域中，河流湖泊，城市、郊区及农村地区居民用水等方方面面进行多点，长时间数据测量，总体进行分析，大幅度降低偶然性，使得数据分析更具有实际意义。单片微器件是集成电路芯片。它是一个小型但完美的计算机系统，它连接处理器、RAM、ROM、各种I/O端口、中断系统、定时器、定时器和其他功能，这些功能的数据处理能力用VLSI技术转换成单个硅片，一些指令与寄存器之间的关系有关，而另一些指令与主功能链和MCU的其他部分之间的功能关系有关。其他指令与外部组件有关。处理器通过复杂的时序电路完成各种程序指令。1.3国外发展现状最开始的单片机诞生于美国的Intel公司，先后产生的4位、8位、16位、32位单片机均由国外逐渐传入我国，所以国外的单片机技术是要领先于国内的，无论是从研发进度还是应用领域范围都是值得我们学习借鉴的。例如车检技术，也是基于单片机实现，起源于国外。例如，贝尔斯登的Bear-400全套电脑发动机诊断系统和博世FSA6000集成式发动机检测仪代表着世界一流的卓越。1.4研究意义软件组件功能完善，管理系统可靠性强，完全体现出了单片机的优势，使单片机开发效率提高一大截。系统具有水位监测、水位显示、自动补水、异常干扰四大功能。采用单片机技术、传感器技术和C语言技术，阐述了自动加水系统的工作原理，介绍了电路各个模块的主要功能，也涵盖相应的设计流程图和C语言程序。1.5论文进程安排（1）根据技术要求和现有开发环境，分析设计题目；（2）研究水箱加水系统可实现的功能；（3）掌握单片机最小系统，设计水箱自动加水系统硬件电路；（4）建立功能模块的程序流程图（5）C语言软件的编程与设计；（6）规划系统运行的全过程；（7）撰写项目报告。

2总体设计方案及论证利用水的电导率、水位与实际水位之间的差异，使其不产生明显的高低差异，以及单片机强大的数据处理能力，对检测到的数据进行解码和评估，进行适当的成像，控制继电器电子阀的开闭。设计要求：（1）该结构基于单片机、扬声器和水位传感器；（2）将改变水位的截获信号转换成电信号，经调理后转换成TTL，发送给MCU；（3）单片机处理信号数据，在LED显示屏上显示水位，要是水位没在安全的线里，应发出不一致的警报。初始数据：水位传感器；C51一片；报警响的嗡嗡声。重要信息：根据技术要求和现有开发环境进行主题分析和设计（2）对水箱充水系统的功能进行了研究（3）掌握单片机最小系统，设计水箱自动加水系统硬件电路；（4）画出功能模块的程序流程图；（5）使用C语言编写实现程序，完成软件部分设计；（6）完成系统整体工作流程的设计；（7）撰写项目报告。本文所设计单片机结构简单且具有较强的实用性，简单的结构设计使这设计具有可实现性而且适用范围广能够应对各种情境下的不同需求与C语言一起，设计效率有了明显的提高。对于本设计，我们将介绍一种软硬件组合的双向设计方法，硬件部分设计变得容易得多。在单片机选择上，则选择了STC89C51单片机来作为该设计的核心部件。设计整体方案图如下：图2.1整体设计方案图3硬件实现及电路设计3.1设计原理图3.1工作原理示意图单片机水箱自动加水工作原理如图3.1，数字点线表示允许水位变化的上下限。正常情况下，水位应保持在点线范围内，包括a下限杆、C上限杆和B上下水位之间的杆，a杆接电源+5V，B杆和C杆通过障碍物接地。水箱由发动机运行，发动机向水箱加水，发动机由单片机控制，检查量程内的水位，如果发动机运行，水箱就充满水，水位上升。当水位达到最大限值时，应向阀杆B和阀杆C施加[5V]电压，使阀杆B和阀杆C处于同一位置，发动机停止，并且不再向水箱中加水。如果水位在上、下边界之间，则B、a栏之间，由于c栏不能处理a栏，所以B端处于一个状态，c端处于零状态，无论发动机是否带动水泵到水箱，水位还在往上涨；还是说发动机不工作，水位往下降，原来是什么样的状态就必须跟原来一样。3.2设计方案这个结构是一个实用的实现系统，水箱的水位控制系统依靠检测水中四轮金属的信号和金属棒来检测水位的变化。随着时间的推移，应关闭发动机电源，并发出声音和灯光信号。水箱的水位硬件原理图如下图3.2所示。图3.2水箱检测水位的硬件原理图3.3元件清单图3.3元器件列表3.4传感器模块3.4.1传感器的选择本项目中最重要的模块之一是水位传感器，如果传感器选型没选好或功能太低端，数码管显示值与水箱实际水位相差较大，造成异常水位扰动；或水位监测错误，导致水闸乱加水。确定水位高度有许多可能性，例如（1）超声波。（2）功率传感器（3）“红外传感器”；（4）水的导电性可能直接导致水流“入”或“出”，从而决定水位是否达到相关水位首先采用超声波传感器，测量深度和电导率没法影响他工作，但精度低，价格高；这种产品跟别的样比基本没什么市场。再有一个地方就是，传感器和一台微型计算机之间的接口很复杂，需要切换到模拟和数字系统。其次这很容易理解，但水位的变化必须得慢点，距离不能太远。第三种是红外传感器，利用反射水面和容器产生薄膜干扰。如果有水，红外传感器就无法接收到相应的信号，因为反射水面的光线会对其产生干扰，从而可以识别水位，但这种传感器也非常昂贵，而且不容易安装。方案四：采用导水率直接引流或引流，示意图如下：图3.4水位传感器示意图图3.5水位传感器电路图3.5系统工作原理如果水箱的水位低，传感器将低水位发送到电压稳定在链中，低水位通过PNP三极管转换为低水位，冷凝稳定链阻力紧张，水箱水位过低，系统必须工作。水箱装满水时，门铃响了。当水位达到高位时，传感器向MCU发出低位，并增加指示灯的闪烁频率和声音信号报警的频率。另外，如果水位从高水位下降，如果水位离开高水位，高水位探头应与电源分离，传感器向MCU发出低水位，该链是将低电平传感器输入到由稳定的MCU中。图3.6稳压电路图3.6水位显示电路下图分别为数码管模型示意图与数码管显示原理图，这里只给出4个数码管电路图，本设计共使用8根数码管显示水位值，数码管型号为3461bs，其中包括4根数码管。Sel1和seL4是来自四个数码管的位置控制信号。低电平有效，三极管有效，数码管开启。Do$D7是一个8段代码数码管。Led段显示器（Led段显示器）是一个8形装置，由几个发光二极管组合在一起。电线连接好了。数码管由七个发光二极管组成，形状为八个，小数点为8。壁龛管显示器的动态界面代表了这些部件，是最常见的显示模式之一。动态驱动是将八个部件的相同端部组合起来显示每个档位A、B、C、D、e、F和G的点。此外，DP在每个像素的总极点上添加一个小的网络控制圈。Bite捕获由单独的行/0控制。如果输出是字体代码，控制位是com输出，所以我们所要做的就是将网络管理切换到一个小生境管，并且必须显示魔法管。如果字体稍微显示，则不会显示没有条形的管道。检查Niles上的每个终端，检查每个新管道是否依次出现，即。动态引擎，在旋转的过程中，每个核酸管的发光时间为1%2ms，由于人的视觉稳定性和长期影响，尽管所有的数码管在扫描病毒时都会点燃，但这会给人留下这样的印象：这组稳定的图像不会抖动，动态显示的效果与静态显示一样，这可以节省许多I/0端口并降低能耗。图3.7数码管模型示意图图3.8数码管显示原理图3.7晶振电路设计STC89C51的时钟生成模式有内部和外部两种类型。内部模式是使用由一个反相器和一个电阻组成的振荡器电路，并结合XTAL1针和XTAL2针驱动元件。如果一个芯片的整个微机系统有时是一个源，或者可以在多机系统上同步，就属于这种情况。根据本课题的实际情况，为了方便实用，本设计引入了一种内模，MCS-51采用了一个大的放大器作为振荡器。针XTAL1和XTAL2是放大器的输入和输出。为了转换为C51，需要外部元件，实际振荡器、外部晶体振荡器和冷凝C1和C2形成平行链，与反馈放大器有关。对冷凝值没有严格要求，但冷凝的快慢是一个显著影响体积和稳定性的振荡器，振动速度和温度稳定性对体积值至关重要。晶体频率范围可从MHz（1.2-12）中选择，冷凝C1和C2可从PF（20-100）中选择。图3.9晶振电路的设计3.8复位电路RST输入针提供初始化工具来重置STC89C51微控制器，该微控制器可以在程序的指定点启动。在MCU时钟周期开始运行后，只有当RST引脚大于两个机器周期时，才能创建重置功能。只要RST引脚工作状态持续保持在高电平状态，C51单片机就可以进行循环腹围的操作。STC89C51单片机从0000H地址开始工作的唯一条件就是当第一级从上到下更改时，此设计使用键重启链。原理图所示：图3.10复位电路原理图3.9自动报警电路当发生以下情况时，电路自动触发警报。1、当水位升高到最高限制线，系统自动触发报警。2、当水位降低到最低限制线，系统自动触发报警。蜂鸣器的结构原理如下图所示。图3.11自动报警线路图常见的蜂鸣器分为有源和无源两种，本设计采用的有源的工作原理是使用电源作为输入，振荡系统的放大和采样接口在谐振装置的作用下发出声音信号。使膜片振动发声，因此控制流量不宜过低。MCUIO工作台的输出电流对系统来说太低，输出TTL电平无法控制按钮，因此需要一个c8550三极管来放大和控制嗡嗡声。如果三极管B极低，则三极管状态饱和，门铃工作并报警；B非常高的水平，三极管为截止状态，蜂鸣器不通电，不发出警报。3.10处理器模块处理器应负责数据接收、数据处理、数据表示、异常报警信号和继电器控制是整个系统设计的最核心部位。综合性价比的高低，装置的稳定性，所以选择了最合适的STC89C51。3.10.1STC89C51主要性能（1）增强型1T流水线/精简指令集结构8051CPU（2）（5VMCU）/2.0v-3.8v，3VMCU（3）相当于普通8051的0%420MHz，实际工作频率可达48mhz（4）用户空间12K/10K/8K/6K/4K/2K字节（5）片上集成512字节RAM（6）一般目标I/O端口（27/23）复位如下：准定向端口/弱抗拉强度（普通8051传统I/O端口）它可以定义为四种模式：四路双向端口/弱拉、压缩拉/强拉、仅输入/强拉、开漏等。每个端口I/O引擎的功率可以达到20mA，但不超过芯片的最大总功率。（7）ISP（systemprogrammable）/IAP（programprogrammable）（8）EEPROM功能（9）看门狗定时器（10）内部集成专用网络系统max810（小于20m的外部芯片可存储外部网络系统）（11）时间源：外置高精度晶体/时钟，内置R/C振荡器，下载程序时，您可以选择使用内部R/C振荡器或外部晶体/时钟。空间温度有一个内部R/C振荡器，频率为5.2MHz=6.8MHz。由于温度偏差，请选择4MHz%8MHz（12）有两个16位仪表（13）低频外部中断模式可能导致两种类型的外部中断：下降端中断或低电平触发器中断。（14）PWM（4路）/PCA（程序计数器）也可用于执行四个以上的定时器或四个外部中断（可维持上游和下游）（15）Stc89cc516ad是一个功能性的ADC。10位精度的ADC，共通道（16）UART串行报告（17）SPI同步通信端口，主模式/从模式（18）工作温度范围：0-75℃/-40-+85℃（19）封装：PDIP-28，SOP-28，PDIP-20，SOP-20，PLCC-32,TSSOP-20（定货）3.10.2功能和功能说明8051核ISP系统可编程芯片采用的单片微机是美国新型51核单片计算机8位CMOS和低能耗高性能STC公司。PWM和其他模块。该装置的主要功能与普通51微型计算机完全兼容，该芯片集成在一个8位处理器和一个ISP内存模块中。它具有S编程系统（ISP）的特点。计算机控制允许您下载MCU用户代码，但不是必需的，速度更快。3.10.3引脚单片机与打捆针和模块相连，使不同的打捆针具有不同的功能。STC89C51是40根针的总和，两边各20根，下图为单片的引脚示意图：图3.12中央处理器引脚图上图为51单片机管脚框图：端口P0：具有8位开放输出的双向I/O端口。每个输出端口控制TTL逻辑的八个级别。如果键入“1”端口P0，该引脚用于高性能输入。当输入外部程序和数据存储器时，端口P0也用作小的8位地址/数据。安全。程序检查应显示命令字节的输出。程序校准期间需要进行快照检查。P1端口：8位双向I/O端口，带内部拉杆。P1输出缓冲器可以控制4个TTL逻辑。如果它写在一个P1端口上，内部拉力会把一个端口拉高，这个端口可以用作入口端口，如有可能。由于内阻（IIL）导致液体。此外，定时器/计数器2和驱动装置（P1.0和P1.0）已编程并检查，门户P1获得低8位地址的诱饵。引脚2功能：P1.0t2（定时器/计数器T2的外部读取输入），时钟输出P1.5mosiP1.6misoP1.7sckP2端口：8位双向I/O端口，带内部拉杆。P2输出缓冲器可以控制4个TTL逻辑。如果P2点写入端口“1”，内部阻力会将端口拉高，该端口可用作入口端口。输入引脚用于外部输出，由于内部稳定性而释放电（IIL）。完成）MOVX@DPTR为此，P2门户使用强大的内力来发送它。ntMOVX@RI如果允许访问外部存储器，端口P2释放锁P2的内容。端口P2还接收高8位地址和一些控制信号。P3端口：8位双向I/O端口，带内部拉杆。P2输出缓冲器可以控制4个TTL逻辑。通过将端口“1”引入P3，可以提升内部端口压力防护罩。在这一点上，它可以作为一个入口大门。输入端是一个外部提取引脚，由于内部稳定性而释放流量（IIL）。P3端口也用作STC89C51的特殊功能（其他功能），如下图所示。Flash编程和控制，P3端口还接收一些控制信号。P3.0rxd（串行传输）P3.1txd（串行输出）P3.2英寸0（外部中断0）P3.3int0（外部中断0）P3.4t0（定时器0外部输入）P3.5t1（定时器1外部输入）P3.wr（写入外部存储器）P3.7RD(外部数据存储器写选通)3.11水箱水阀模块为了调节强电流，低流量继电器、晶体管和晶闸管电流通常用于控制阀门、大功率加热器、机床和其他设备。主要用于低频场合；本文设计的控制阀，对速度和牵引能力的要求不高，具有以下特点：relee是一种自动控制，当指定的输入达到某个阈值时，它可以控制输出跳变。它通常用于设计自动控制系统。能够有效利用弱电流去控制强电流。图3.13继电器电路图3.11.1继电器工作示意图常见的机械继电器是一组触点，四根导线，两个常开，两个常闭，中间分开。如果控制被激活，线圈就会产生一个磁场，这个磁场通常是开着关着的，通常是开着开着开着的。这样，大功率器件可以实现低电压、低电流的控制，更方便、更安全，下图为直流冲击自由继电器。当电流通过线圈时，铁芯拉出仪器向上推动拉杆，使中间弹簧打开后触头，关闭前触头；当电源断开时，铁心失去兴奋感，衔铁自行释放，使手柄落下，中间弹簧断开第一触点，与后触点闭合。使信号灯电路连接到红灯，并打开红灯。如下图：图3.14继电器断开时工作原理示意图当继电器线圈通电时，铁芯吸入空气，管道与前触点闭合，使信号链接通，绿灯亮，如下图所示：图3.15继电器接时工作原理示意图一般来说，电子阀的电流不高，形式的关闭率也不高，所以选择继电器的要求也不高，只要在市场上容易买到，价格合适，电流在2A左右.这里我们选择的是HRS4H-S-DC5V就可以。3.12自动加水系统整体仿真图经过设计和反复试验，对本设计进行了仿真，仿真图如下图所示：图3.16自动加水系统整体仿真图4软件设计4.1主程序工作流程图在确定了系统的硬件后，需要对软件部分进行设计，功能齐全的软件可以对硬件的工作进行指导和调整，使系统发挥最大的作用，并有助于后续的改进与升级，要使所有硬件部件正常工作，必须仔细监视整个系统。基本程序结构如图所示。当工作时，传感器测定深度，返回数据并进行比较。假如测量值小于下限，泵水报警系统启动；如果测量值等于规定值，停止泵的供水并显示水位。图4.1主程序结构图结论本设计是根据单片机，C语言编程，STC89C51单片机实现对水箱水位的控制和检测，并实现了自动加水系统的设计。水位显示和自动加水。在此基础上增加了门把手报警系统，这些都是概念设计，不包含任何具体数值。本设计实现了水位检测，水位显示，异常自动报警，自动加水功能。阅读大量文献，并结合了单片机技术传感器技术，C语言编程技术。描述水库自动充装系统的工作原理，设计用于：并给出了相应的设计思路，设计流程图，硬件工作原理图，软件编程设计思路等，并在最后给出了相应的设计程序。将每一部分模块化，方便区分，经过试验后达到了预期效果，具有很强的实用性。预估日后在农村农业灌溉，工厂加工降温，城市居民用水等领域将会被广泛应用。参考文献[1]马俊,陈靖.基于单片机的水塔水位检测控制系统仿真设计[J].电子设计工程,2009,17(04):85-86+89.[2]丁远翔,谢檬,高谷.水塔水位自动控制系统研究[J].西安工程科技学院学报,2007(06):852-854.[3]宋建峰.单片机是什么?[J].电子制作,2012(04):64-69.[4]梅佳金.当前单片机技术应用的发展现状分析[J].轻工科技,2021,37(04):99-100+141.[5]慕丽,王欣威,付晓云.《现代传感器技术及应用》课堂教学改革[J].装备制造技术,2020(12):235-237.[6]刘志坚,晏永飞,孙应毕,徐慧,王旭辉.基于STC89C51的超声波液位检测系统设计[J].电子测量技术,2019,42(14):6-11.[7]丛佳伟，郭健.浅谈基于单片机的水位监测报警系统设计[J].化工管理,2017(36):169.[8]郝巧云,黄建国.桥梁、船闸通航高度与水位深度实时显示系统[J].中国水运(下半月),2019,19(11):84+86.[9]郭锋.基于单片机的大规模农业智能灌溉系统设计与实现[J].电子设计工程,2021,29(09):35-40+45[10]孙伟,牛慧林.基于AT89C51单片机的水位记录仪[J].科技与企业,2013(07):136.[11]李精华,李兴富,陈锡华.水箱液位检测与水泵控制装置的设计[J].桂林航天工业高等专科学校学报,2007(01):21-23.[12]徐慧芳,程明,梁岩.基于单片机的智能水位监控系统设计[J].佳木斯大学学报(自然科学版),2018,36(05):789-791.[13]ManuelT.TabadaandMichaelE.Loretero.Applicationofalow-costwaterlevelcircuitforanaccuratepulsedetectionofatipping-bucketraingaugeasanalternativemethodforreedswitchsensors[J].EnvironmentalMonitoringandAssessment,2019,191(5):1-8.[14]WuQiangetal.Optimallocationofwaterlevelsensorsformonitoringminewaterinrushbasedonthesetcoveringmodel[J].Scientificreports,2021,11(1):2621-2621.[15]XiangqianZhangetal.Self‐PoweredDistributedWaterLevelSensorsBasedonLiquid–SolidTriboelectricNanogeneratorsforShipDraftDetecting[J].AdvancedFunctionalMaterials,2019,29(41):26-45.

附录附件1：程序#include<reg52.