《基于STC-89C52单片机的水位控制系统设计与测试研究》7600字

1基于STC-89C52单片机的水位控制系统设计与测试研究摘要随着生产技术的提高，社会的进步，水位的控制无论在工业上还是生活中都有广泛应用。利用单片机来控制水位，一定程度上可以减轻人力物力的浪费，而且单片机控制精度高，可以随环境的改变而做出调整。本设计主要借助超声波传感器对实时水位的监测，采集数据，并通过STC-89C52对数据进行实时处理输出，最后将测得的水位显示到液晶屏幕上，最终获得一种精度较高、响应速度快、操作简易的水位测量装置。此外本装置还具有预警功能。通过手动设置水位的高度，若实时水位高度高于或低于设定水位，那么系统将自动进行声光预警，关闭进水阀或关闭出水阀，此装置一定程度上减轻人工的浪费，这种基于单片机的水位监测装置，可以实现水位的实时测量和显示，集成度高，不仅可以运用于日常家用、水塔等，还可以应用于自动化控制系统中。关键词：超声波测距；液晶显示；实时预警；STC-89C52芯片目录TOC\o"1-5"\h\z\u14271前言 3153811总体方案论证与设计 4302561.1系统总体设计 418491.2各模块的选择 4142202系统硬件电路 7140892.1主控模块 78812.2超声波测距模块 955782.3显示模块 10240832.4预警模块 1185752.5电机驱动电路设计 14118562.6系统整体结构 14204133软件设计 1622823.1主程序设计 16191233.2超声波模块 17191233.3预警模块 17191233.4显示模块 17113553.5电机驱动模块 1914174测试 20261074.1水位检测系统仿真测试 203429结论 2322237参考文献 2431207附录 26前言随着生产发展的需要，实时水位情况成了许多产业中必要的参数之一。并且实时水位情况还被大量的应用于各种行业中，如化工食品等行业。在工业生产中，随着低温液体逐渐被人们广泛接受而不断地被使用，从而对低温液体的贮存也是人们在使用低温液体时必须重视的一个环节。通过实时测量液体高度来确保容器承受负载时的安全使用，不仅能够在低温液体的贮存中广泛使用，而且也能在发电、炼钢的生产过程中得到应用。对于工业生产而言，安全是一切生产的前提，所以实时水位监测尤为重要。在本设计中，用STC-89C52芯片作为用来控制系统的核心。单片机作为控制中心，通过程序设计结合硬件设计的配合来实现监测。目前，市面上进行水位测量的装置系统种类很多且功能不一，但能够兼具测量、实时显示还能记录数据并且能够自动处理数据的水位测量装置却显得少之又少。在现代工业发展的环境趋势下，传统的工业控制系统早已经不能满足现代工业的需求，现代工业中对那些可以自动处理数据、记录数据的操作系统需求日益剧增，并对其进行后期的处理，降低错误率，以提高工业生产效率为基础，这才是当今工业生产所需要的控制系统。不仅对于现代的工业化大工厂需要如此控制系统，对于家用也是如此，日常生活中，家里水塔上经常出现水溢出的现象，严重造成了水资源的浪费，由此可见，自动化智能处理水位测量装置在生活中具有十分重大的价值。对于此设计而言，单片机的实用性、功能齐全性、技术领先性使得整个设计在操作难度上较小，容易实现。

1总体方案论证与设计1.1系统总体设计为了实现本设计要达到预期的功能，系统的总体设计主要包含6个模块，系统结构框图如图1-1所示。图1-1系统结构框图主控模块：采用STC-89C52芯片，该模块主要用于电路的每个模块的数据采集、计算和控制。该模块主要包含辅助功能，例如晶体振荡、复位电路和按键。超声波测距模块：用于对实时水位的监测。预警模块：通过声光装置对水位超出或低于上下设定值时进行及时预警。显示模块：主要用于显示是实时水位量，方便控制。电机驱动模块：用于实现水的进出，把水位控制在阈值内。电源模块：为整个系统供电。1.2各模块的选择1.2.1主控模块本设计采用STC-89C系列单片机。STC-89C52和STC-89C51其主要区别在于FLASHPERAM、随机存取数据存储器(RAM)。STC-89C51有4K字节的内部FLASHPERAM，而STC-89C52则比STC-89C51增加了1倍，其容量达到8K。随机存取数据存储器(RAM)不同表现在，STC-89C51具有128字节的内部RAM，而STC-89C52的内部RAM扩展为256字节。STC-89C51中有6个中断源，除了STC-89C51的定时器/计数器T0和定时器/计数器T1，STC-89C52还添加了一个定时器/计数器T2。52是在51的基础上实现升级，具有51所不具有的性能，正是这些，加快了其对程序的处理速度。因此，本设计主控模块采用STC-89C52芯片[1]，STC-89C52芯片易于集成，具有丰富的接口，通信模块和其他功能模块等，可以实现对输入处理并实现A/D转换功能。1.2.2超声波测距模块对于本设计而言，水位测量的准确度是关键，所以对于水位传感器的选择显得格外重要，如传感器误差较大将直接影响了水位测量的准确性；传感器测量不准确经常会造成一系列的错误麻烦给整个系统带来不必要的操作问题。目前市场上主要的水位高度检测装置分别有超声波测距、红外线测距还有电容传感器测距，但各有利弊。电容式传感器相对于容易测量水位，但在操作过程中的要求非常苛刻，水位必须缓慢变化，测量距离不能太远，因此不能广泛应用。红外传感器主要是利用水面和容器的反射形成薄膜干涉，将红外传感器[6]遮蔽导致红外线传感器很难接收到传来的相应的信号，通过这一点从而得到水位的高度。但是由于普通的红外传感器误差较大并且较贵，与性能相同的其他传感器相比成本过高，此外红外传感器的安装比较困难，受外界影响程度较大。鉴于上述传感器设计方案中的弊端，故采用操作简易，经济实惠的超声波传感器。该模块主要采用HC-SR04传感器[2]，该器件响应速度快，精度高、结构简单等优点。传感器每次通过发出的超声波在空气中传播接触到水面，接触到水面之后立即返回，传感器通过接受回的超声波得出水位高度。1.2.3预警模块声光预警电路在STC-89C52的控制下，在水位异常时发出警报，并点亮LED灯显示异常原因。因此，预警电路采用主要选用LED和蜂鸣器组成。为了让预警效果更加明显，采用彩色LED小灯。1.2.4显示模块对于显示器的选择，目前常用的显示器为LED数码管显示器和LCD液晶显示器。LED数码管显示器结构简单、显示方便，但功能单一，且LED多用于动态显示，连线与编程麻烦，考虑的效率因素不采用。而LCD液晶显示器功能强大，可显示大量文字、图形，比数码管显示更直观清晰。且LCD显示器还能够在数据存储量大时将设备中所需要的数据借助液晶板上面许多的点阵全部显示在液晶中。LCD1602是常见的液晶显示器件，并且成本比较低廉，还具有驱动方便等特点，采用LCD1602液晶[3]显示，能够实时显示出水位变化情况。1.2.5电机驱动模块电机驱动模块由双电机负责进出水作用，主要由电机、PNP三极管等部分组成。

2系统硬件电路2.1主控模块2.1.1STC-89C52介绍本设计所采用的主控芯片为STC-89C52,指令代码完全兼容兼容传统8051单片机。STC-89C52工作电压为3.8V-5.5V，工作频率范围为0-35MHz。STC-89C52中包含诸如中央处理器（CPU）、程序存储器（Flash）、数据存储器（SRAM）、定时/计数器、UART串行端口、I/O接口、EEPROM、看门狗等模块，几乎涵盖了所有数据采集和控制所需单元模块。STC89C52引脚说明VCC:电源电压；VSS:接地；RST:复位输入；P0口：P0端口是一个8位的双边I/O端口，有一个透射功能。作为一个输出端口，每个国际空间站的端口可以控制8个逻辑级别的TTL。当你写“1”时端口P0作为高电阻输入元件。当访问外部程序和数据存储时，端口P0还用作地址/数据的低8位，内部具有上拉电阻。P1口每一引脚都是8位双向I/O口且具有内部上拉电阻，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。P2口在闪存编程和验证期间，P2端口还接收高8位地址字节和一些控制信号。P3口在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。图2-1STC-89C52芯片2.1.2复位电路设计本设计使用的复位电路为手动复位电路，手动复位电路在RST复位端和电源VCC之间加入一个复位开关S1，如图2-2所示。当按下复位开关S1时，这时电容C3两端形成回路，电容被短路，在这过程中，电容C3开始释放之前充的电量，随着时间的推移，电容电压变小，电阻两端电压变大，RST引脚接收到高电平，电路复位。图2-2复位电路2.1.3晶振时钟电路设计STC-89C52有两种时钟产生方法，一种是内部的，另一种是外部的。内部模式主要是通过芯片内部的振荡电路来实现的；另外一种是外部模式。但是，根据实际需要和简单性，本文只需要采用内部振荡模式即可，STC-89C52包含一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，XTAL1引脚是放大器的输入，XTAL2是放大器的输出端，该放大器与片外晶体或陶瓷谐振器一起作为反馈组件，构成了一个自激振荡器。尽管STC-89C52具有内部振荡电路，但是为了形成时钟，需要外部组件，因此振荡时钟电路[5]通过连接外部晶体振荡器和两个103电容器来形成谐振电路与放大器的反馈电路连接，但是，电容器的大小会影响振荡频率、振荡器的稳定性、起振的速度和温度的稳定性。选择任何1.2MHZ~12MHZ之间的晶体振荡器，并选择20pf~100pf之间的任何电容器C1和C2，它们在本系统的定时器之间，并且为了方便计算，本设计中使用的晶体振荡器为12MHZ，电容为22pf。图2-3晶振电路的设计2.1.4主控模块电路设计主控模块电路，将设计好的晶振电路连接到单片机的XTAL1和XTAL2引脚上，将复位电路连接到单片机的RST引脚上，整体设计电路图如图2-4所示。图2-4主控模块电路2.2超声波测距模块2.2.1超声波传感器本设计采用的HC-SR04超声波传感器分别是由两个压电陶瓷超声传感器还有外加外围信号处理电路组成。两个压电陶瓷超声传感器分别用于发射出超声波和接受超声波。超声波传感器常被用于工程测距、液体水位监测、雷达探测等地方。HC-SR04超声波模块用于测距，主要范围在2cm-400cm，主要具有非接触式感应测量功能，测量精度可以高达3mm。图2-5HC-SR04超声波传感器2.2.2超声波模块电路介绍在本设计中采用超声波传感器模块，实时进行水位监测。VCC口接电源对电路进行供电，ECHO负责输出一个高电平，TRIG负责触发信号，GND接地构成完整回路。如图2-6所示。图2-6超声波控制电路2.3显示模块2.3.1LCD1602介绍本设计采用LCD1602液晶显示屏对水位进行实时显示。LCD1602是常见的显示器件，成本比较低廉并且还具有驱动方便等特点。液晶显示器主要优点还有数据存储量大能够将设备中所需要的数据全部显示在液晶中，在液晶板上显示主要是借助液晶板上面许多的点阵，如5*7或5*10的点阵字符，每使用一次可以显示出一个字符，主要有规格为每行8、16、20、24、32、40位等，此外还有额外的三种，分别为一行、两行和四行。本设计主要采用两行液晶显示，实时水位情况在第一行显示，人为设置的水位上下限在第二行显示，如图2-7所示。图2-7液晶显示2.3.2液晶显示电路显示模块电路主要是由液晶显示器、上拉电阻等元器件组成，为了能够让液晶显示清楚，主要是将液晶的16个引脚接到单片机对应接口，如D0-D7接到单片机P0口，LCD1602为了能够显示数值必须将RS、RW、E三个引脚接到单片机上来接受数据。电路设计设计如图2-8所示。图2-8液晶电路2.4预警模块为了能够达到及时显示预警的目的，本设计还采用了蜂鸣器[6]和LED作为对声光信号的接受与反馈。当单片机接收到信号时，再将信号通过蜂鸣器和LED灯显示出来，最终向用户及时提示，将水阀关闭或开启，停止放水或开始加水。2.4.1蜂鸣器介绍蜂鸣器采用5V有源蜂鸣器，该蜂鸣器主要参数为：电压介于3.5-5.5V之间；电流小于25mA；一般工作频率介于2250-2350Hz之间。其工作是通过电流流过线圈时产生磁场使震动膜发声。图2-9蜂鸣器2.4.2LED灯介绍LED是一种能够将电能转化为光能的二极管，一半是P型半导体另一半是N型半导体，当电流流过时，电子跟空穴复合，以光子的形式将能量释放出来，正是由于光的波长不一样，形成了色彩各异的LED，鲜艳夺目，被广泛应用于各种场合。本设计中使用LED主要是因为其控制电压为5.0V左右，电流不能大于25mA。刚好符合设计所提供的电压电流，还有最主要的是LED发出各种各样的颜色，十分醒目，便于观察。2.4.3报警电路蜂鸣器的工作原理基本上是通过电磁线圈中的电流来实现的。电磁线圈会产生振动和磁力驱动的声音。因此，它需要一定的电流，为了加强电流，必须在电路中增加三极管。9012三极管主要用于电流放大和蜂鸣器驱动。电路中蜂鸣器正极接到PNP上，通过获得经三极管放大的电流来工作，三极管基极接到单片机P3^0引脚来接受信号。当单片机输出高电平信号时，蜂鸣器工作，输出低电平时，蜂鸣器停止工作。三极管发射极接上一个开关，开关打开，蜂鸣器报警关闭。如下图2-10所示。图2-10蜂鸣器报警电路LED报警电路主要包括LED-RED和LED-YELLOW两种LED，用来区分水位的作用，还有100k电阻在电路中起保护电路的作用。如图2-11所示。图2-11LED电路为了系统能够更加稳定实用，本装置采用声光预警方式。蜂鸣器报警电路和LED电路组成了一个完整的报警电路,如图2-12所示。当检测到的实时水位高于设定值时，黄灯亮，蜂鸣器工作报警；当检测到的实时水位低于设定值时，红灯亮，蜂鸣器工作预警。图2-12报警电路2.5电机驱动电路设计本设计中，为了能够实现进出水的目的，必须采用双交流电机，而对于电机的控制，主要是通过单片机向继电器提供信号，当单片机的信号改变时，继电器改变吸合口，用以控制交流电机的抽水和排水。在模拟仿真设计中，电机驱动电路，主要通过PNP放大电流，从而达到控制电机的目的，设计电路如图2-13所示。图2-13电机驱动电路2.6系统整体结构本设计主要由两部分组成，即硬件部分和软件部分的设计。硬件设计主要包括系统电源和稳压电源的设计，超声波感器的设计，预警电路的设计，通用I/O接口的设计，调试JTAG、SWD接口，复位电路的设计，晶体振荡器电路等。软件设计主要是CPU系统的设计，液晶显示的设计，按键和LED灯的设计。最主要的是超声波传感器的设计和CPU系统的设计。超声波传感器使用HC-SR04，CPU设计[5]使用STC-89C52芯片。系统设计的原理图如图2-14所示。图2-14系统设计原理图

3软件设计3.1主程序设计在主循环中，首先对单片机初始化操作，保证单片机环境正常运行；再利用LCD1602显示初始化界面；在while死循环与TIM定时器中断操作中，利用超声波模块实现对水位高度测量；当高于阈值时，电机排水，同时蜂鸣器报警；当处于阈值范围内，既不报警，也不进水排水；当低于阈值时，电机进水，同时蜂鸣器报警。按键扫描，一直循环监测。重复上述运行，流程图如图3-1所示。图3-1主程序流程图3.2超声波模块首先，在初始化操作中，首先超声波模块初始化操作，保证超声波模块正常工作。在TIM定时器中，再利用LCD1602显示初始化界面；设定TIM定时为20ms，每20ms利用TIM定时器、超声波模块实现对高度测量。当超声波模块检测到高度数据时，标志位置位，并获取高度数据，利用LCD1602显示测量数据，并将标志位复位。重复上述运行，流程图如图3-2所示。图3-2超声波模块流程图3.3预警模块首先，在初始化操作中，首先超声波模块初始化操作，保证超声波模块正常工作。在while死循环中，循环检测测量高度；当高于阈值时，蜂鸣器控制端口置0，蜂鸣器发声报警；当处于阈值范围内，蜂鸣器控制端口置1，不报警；当低于阈值时，蜂鸣器控制端口置0，蜂鸣器发声报警。重复上述运行，流程图如图3-3所示。图3-3预警模块流程图3.4显示模块在初始化中，首先LCD1602模块初始化操作，保证LCD1602模块正常工作，并调用清屏函数，显示初始化界面。在while死循环中，当检测到高度时，实时获取超声波模块的测量数据，并利用LCD1602显示测量数据；未检测到高度时，重复检测步骤。重复上述运行，流程图如图3-4所示。图3-4显示模块流程图3.5电机驱动模块在单片机初始化中，首先电机模块初始化操作，保证电机模块正常工作。同时，设定电机转速的速度。在while死循环中，循环检测测量高度；当高于阈值时，驱动电机，电机排水；当处于阈值范围内，电机不转，不进水也不排水；当低于阈值时，驱动电机，使电机进水。重复上述运行，流程图如图3-5所示。图3-5电机驱动模块流程图

4测试4.1水位检测系统仿真测试仿真测试主要包括各部分的运行状态和功能的实现程度。在设计中，5V模拟电压用于为整个系统持续供电，接通电源后，电流输出共给各个部分，从测试结果中清楚看到，超声波传感器有实时数值，液晶上正常显示实时数值和上下水位设定值，按下按键后，上下水位设定值明显有变化，从以上结果可以看出，设计各个部位均能正常功能工作。模拟仿真整体结果如图4-1所示，接通电源后，通过液晶显示实时水位、水位上限高度和下限高度，超声波实时监测显示水位。图4-1水位控制系统仿真图通过调节按键，改变水位上下限，此时调节后的水位上限为70，水位下限为30，实时水位为60。此时实时水位在设定值内，电机、蜂鸣器、LED均不工作，如图4-2所示。图4-2水位设定系统仿真图通过超声波传感器调节实时水位，此时水位为90，高于设定值，黄灯亮，蜂鸣器报警，排水电机转动开始工作，如图4-3所示。图4-3水位高于设定值继续调节实时水位，此时实时水位为15，低于设定值，红灯亮，蜂鸣器报警，加水电机转动开始工作，如图4-4所示。图4-4水位低于设定值

结论传统的水位测量装置响应速度慢、体积大、精确度低，难以满足现代电子技术的发展需求。本设计，以单片机STC-89C52为控制核心，设计了响应速度快、精度高、集成度好的水位测量装置。通过回路的水位可以准确、实时地测量。本设计采用HC-SR04传感器监测水位，可以使测量结果更加准确，更加清晰反地映实时水位变化；高性能STC-89C52系列单片机可以实现越来越全面的功能。LCD液晶显示器可以实时、清晰地显示水位变化。在软件部分，利用c语言进行keil编程，并利用Proteus进行仿真绘图，将keil编译代码输入到仿真中，进行模拟仿真。本设计使用方便简单，只需要连接电源并设置相关参数数据即可获取实时水位。而且单片机的可操作空间很大，只需要重新刻录控制程序即可实现以后对新功能的添加和改进。参考文献[1]张春岭,梅彦平,王静.基于STC89C52单片机的超声波测距仪设计[J].工业技术创新,2020,07(01):33-37.[2]吴瑞锐,朱晓峰,宋宗峰.基于HC-SR04多超声波避障技术[J].智库时代,2020(03):281-283.[3]谢红军,采用最新图文解码技术的LCD2201EU/LCD2601EU/LCD2302EU/LCD2602EU/LCD2603EU/LCD3203EU/LCD3201EU系列液晶彩色广播电视接收机.山东省,青岛海信电器股份有限公司,2004-01-01.[4]姚勇.快充协议下的移动充电宝的设计与制作[J].电子世界,2021(06):176-177.[5]方求,肖山竹,卢焕章,汤朋文.基于FPGA的温补晶振精度校准电路设计[J].数字技术与应用,2016(06):154-155+158.[6]丑晨.stc89c51单片机的厨房煤气泄露检测报警系统设计与实现[J].电子测试,2021(07):32-33.[7]张静,郁春琳,师晓东,李佳陈,秦金健,姜淋.电磁离合器在阀门行业的应用及啮合齿的强度计算[J].机械工程师,2021(03):121-122+125.[8]B.Swapna,C.Andal,S.Manivannan,N.JayaKrishna,K.SambaSivaRao.IoTbasedlightintensityandtemperaturemonitoringsystemforplants[J].MaterialsToday:Proce#include"reg52.h"#include"stdio.h"#include"lcd1602.h"#include"intrins.h"sbitTX2=P1^3;sbitRX2=P1^4;sbitbeep=P3^0;sbitSeting=P1^5;sbitRise=P1^6;sbitDown=P1^7;sbitIN1=P2^3;sbitIN2=P2^4;sbitLED1=P2^5;sbitLED2=P2^6;inttime1=0;intdis1=0;intdis2=0;charpwmcount=0;charpwm=20;charflag_2s=0;inttemperature=26;charshowbuff[16]="";charsendbuff[6]="";intHighlow_flag=0;intalarm_flag=0;intmotor_flag=0;intHighDis=60,LowDis=40;intspeed_c=0;//转速//延时函数voiddelay(unsignedintdelay_ms){ unsignedchari; unsignedintj; i=delay_ms; for(;i>1;i--) for(j=0;j<115;j++);}//电机进水0.1svoidPOS_IN1(){ IN1=0; LED1=1; delay(100); IN1=1; //LED1=0;}//电机排水0.1svoidNEG_IN2(){ IN2=0; LED2=1; delay(100); IN2=1; //LED1=0;}//既不排水也不进水voidNO_IN(){ IN1=1; IN2=1; LED1=0; LED2=0;}/**********蜂鸣器报警**********************/voidbeep_alarm(){ beep=0; delay(100); beep=1;}/*****************************************///系统初始化函数voidsystem_init(){ //使用一路PWM完成风机的驱动使用T1定时器 TMOD&=0x0F; TMOD|=0x10;//定时器1使用16位模式 PT1=1; TH1=0xFA; TL1=0xDA; ET1=1; TR1=1; //使用一路定时器中断完成系统定时功能T0定时器 TMOD&=0xF0; TMOD|=0x01;//定时器1模式，16位定时器模式 TH0=0xB7;//定时20ms进入中断 TL0=0xFF; ET0=1;//允许中断打开定时器计时 TR0=1; EA=1;//打开总中断}//按键扫描函数voidkey_scan(){ if(Seting==0)//设置升降速键 { delay(50); if(Seting==0) { beep_alarm();//蜂鸣器报警 delay(50); Highlow_flag=1-Highlow_flag; } } if(Rise==0) { delay(50); if(Rise==0) { beep_alarm();//蜂鸣器报警 delay(50); if(Highlow_flag==0) { HighDis=HighDis+5; if(HighDis>100) {HighDis=100;} } if(Highlow_flag==1) { LowDis=LowDis+5; if(LowDis>100) {LowDis=100;} } } } if(Down==0) { delay(50); if(Down==0) { beep_alarm();//蜂鸣器报警 delay(50); if(Highlow_flag==0) { HighDis=HighDis-5; if(HighDis<0) {HighDis=0;} } if(Highlow_flag==1) { LowDis=LowDis-5; if(LowDis<0) {LowDis=0;} } } }}//主函数voidmain(){ system_init(); LCD1602_init(); delay(200); sprintf(showbuff,"welcomeinit..."); write_string(0,0,s