【《基于单片机的水箱水位监测系统设计》8000字（论文）】

I引言水位检测是一个将压力的变化与感应，高度的动态显示和实时报警系统等功能相结的一个系统。液位参数广泛应用于生产与生活中，是各个行业中很重要的一个技术指标。所以本课题的研究对资源的节约和工业生产有一定的意义。1.1研究背景及意义水是生命之源，是动物和植物体内的必需物质。液位参数与人类的社会生活和生产密切相关，水利工程、桥梁港口的工程建设、以及更为重要的防洪抗旱都需要水位资料。水箱作为储水设备，一般放在屋顶，主要用于储存水和中转水用，在农村和城镇都较为常见，如太阳能热水器和家用电热水器连接的水箱、消防水箱及建筑和道路施工用的临时水箱。一些传统的水箱只能用来储存水，而且使用的是人工的方法来储存和监测，这样效率非常的底下且安全性难有保障。液位参数广泛应用于现实的生产与生活中，是各个行业中很重要的一个技术指标。政府需要水位资料来防洪和抗旱，保障国民的生命安全。工业生产也需要通过测量液位来确定原料和成品的数量，这样可以保证各个环节的平衡及为核算经济提供有效的依据。而且可以确定液位是不是符合规定，以维持正常的生产，保证产品的产量和质量，对生产的安全有重要的意义，如火力发电厂中对锅炉水位的测量。在日常生活中，水位的测量也能帮助我们节约水资源，这样可以帮我们减少开支。家用电器中也有许多涉及到水位的测量，如饮水机、净水器。洗衣机等。连续测量和位式测量是液位测量的两种主要方式。本次设计是以STC89C52单片机为核心的位式测量，能够利用液位是否达到上下限来控制抽水泵的开关及蜂鸣器的及时报警。相对于传统的人工方法，该系统的失误率更小效率也更高，而且测量的结果也更加的准确。1.2国内外研究现状我国自古以来就比较重视对江河湖海的水位监测，以此来达到防洪抗旱的目的。在古代，古人把观察水位的标记称为水则，又叫水志。从远古时期的大禹开始古人就非常重视对水文情况的观察、记载和分析，而大禹就是因为对水文知识有着丰富的了解，所有才因势利导，成功治理了水患。我国在先秦时期就开始有了最早的水志记载，当时蜀地太守李冰及其儿子在岷江修建了都江堰水利工程，他用三个石人立在水中，用来观测水位。李冰当时要求水位不能低于足部，也不能高于肩部，过低会出现旱灾，过高则需要从飞沙堰泄洪，当水位正好在足肩之间时才能正好满足灌溉和防洪的需求。李冰设计的水位监测系统和现代的结构很是相似，只是当时的技术条件太差，所以无法和现代的系统比较。北魏晚期的郦道元所著的《水经注》，其中记载了大大小小1252条河流随季节变化的水量和水位资料，为我国古代人民的耕种、灌溉和防洪抗旱做出了很大的贡献，由此可见水位监测在我国有着悠久的历史。虽然水位监测在我国历史悠久，但随着社会的不断发展，古代人工的水位监测方法早已无法满足现实的需求。经过三次工业革命后，人类的科学技术水平大幅度提高，所以自动水位监测系统随之诞生，相比于人工监测，自动监测更加的精确，工作时间更长且误差更小。在水位自动监测系统的研究上，欧美的一些发达国家起步较早，技术也更加的熟练，而且投入了大量的资金，所以发展的很迅速。水位监测最重要的是传感器模块，而从上个世纪80年代开始，计算机技术和超声波技术迅速的发展，液位传感器也更加的智能化、自动化、现代化，更加符合社会生产的需求。欧美的一些公司研发的液位传感器在国际市场上占有较大的比例，例如非接触式超声波液位传感器和双液位传感器系统。这些液位传感器被广泛的应用于工业生产、食品业以及日常所用的家用电器中。在上个世纪，由于我国的经济比较落后，所以水位自动监测技术起步较晚，技术比较落后，而且在开始时资金匮乏，导致制造出的成品与国外同种产品有着一定的差距。但随着改革开放不断深入，我国的经济和科学技术发展迅速，在水位自动监测系统上也有着长有力的发展。国内很多985高校也大力引进国外的先进传感器技术，并积极培养相关的科研人才，对国外的技术加以改进和创新，使我国在水位监测和液位传感器领域上有着长有力的发展。1.3研究方案本设计选择以STC89C52嵌入式单片机控制器为核心处理器，结合相关资料，设计出一个符合水位自动监测基本设计需求的系统。该系统主要通过按键、压力传感器、A/D转换器、报警、LCD显示等模块来实现设计的目的。系统总体设计方案如图1-1所示；先给设备接通电源，然后通过按键来调整水位的上下限和切换手动或自动模式。调整好在容器中注入水，再通过抽水泵把水输送到压力传感器上的容器中，压力传感器通过感应不同水位的水压变化，然后把水位高度的变化转换成线性变化的电压后，输入进A/D转换器，ADC0832转化器会把输入的电压信号转换成模拟信号输入进STC89C52核心处理器，最后通过STC89C52核心处理器强大的运算能力把收到的数据转换成水位高度显示在1602LCD液晶显示器上，并引起水位上下限指示灯和蜂鸣器工作。如果是手动挡模式，则可以直接通过按键对单片机发出指令，来控制抽水泵是否工作。图1-1系统总体结构图2.系统主要器件选择及介绍2.1系统主要器件选择2.1.1主控器件的比较与选择如果采用ARM7作为本次设计的主控器件，虽然ARM7的速度比较快，资源也很广泛，但这个器件的价格较高，性价比低，用在水位监测的基本系统上的可利用率较低，造成资源浪费，而且ARM7的电路较为复杂，这也增加了学习和制作的压力。所以为了简化系统的总体电路设计，提高市场竞争力，本次设计选用了以STC89C52为核心处理器件。虽然该器件的运行速度相较于ARM7而言比较慢，但已足够满足本次设计的基本需求，不会造成资源的浪费，而且这个器件价格便宜、电路简单、易于操作，所以本次设计选用STC89C52单片机作为系统的核心处理器件。2.1.2AD器件的比较与选择本系统需要A/D转换器把压力传感器输入的变化的电压信号转换成模拟信号再输入单片机，而本次设计主要有8位和12位两种AD器件的选择，前者虽然分辨率比后者高，转换能力也比后者强，但是在系统的实际使用中并不需要这么高的分辨率，所以会造成资源的浪费，从而降低市场竞争力。所以本次设计选用8位AD芯片，虽然它的分辨率比12位低，但是已经足够满足系统的基本需求。2.1.3水泵驱动电路的比较与选择本系统测量水压需要抽水泵从容器中抽水输送给压力传感器上的容器中，所以抽水泵驱动电路能否及时控制抽水泵开始或停止抽水至关重要。如果驱动电路选用STC89C51单片机来定时中断，虽然该单片机有两个定时器，不会产生干扰，但这样也导致控制器中断次数过多，占用控制器大量的时间，从而导致LCD显示器和STC89C52核心处理器的工作效率大大降低。所以为了降低成本，提高工作效率，本系统选用电磁继电器来控制抽水泵工作。电磁继电器可以以小电流控大电流，以低压控高压，单片机核心处理器也可以较为容易快捷的控制电磁继电器工作，而且电磁继电器可以调节和保护整个系统的电路，可以增加设备的使用寿命。2.1.4显示器件的比较与选择本系统需要把测量的水压最终转换成液面高度的方式显示在LCD显示屏上，所以要求显示屏能够清晰、准确、及时地显示出液面高度。随着科学的发展，显示技术也趋于成熟，市场上主要有LCD和OLED两种显示屏，但后者价格昂贵，而且这次设计完全不需要如此强大的显示功能，所以本设计选用LCD显示器。LCD显示器的选择主要有12864和1602两种，两者的差距主要是点阵液晶模块的点阵数、显示屏的面积大小及显示字符的数量。从显示控制、成本、性价比来看，1602显示屏能够更好的满足本系统的基本设计需求。2.2压力式液位传感器通过比较市面上不同类型的液位传感器在不同环境下的工作效率、性价比、电路的复杂程度、操作难度、使用寿命等，最终本设计选择了压力式液位传感器。压力式液位传感器即静压式液位传感器，在城镇和农村中应用广泛，如供水排水系统、污水处理系统、江河湖海的水位监测领域等。该传感器主要通过感应其载体上的压力来测量液位高度，具有体积轻巧，便于安装携带、灵敏度和精度高、防水等级高、使用寿命较长等优点，而且即便在安装时把正负极电路接反也不会对系统造成损伤，因为该传感器可以反向保护，且可以对电流进行限制（≦35mA）。但在使用时必须要求容器中的介质纯净且流动性大，避免影响测量的准切削。压力式液位传感器实物图如图2-1所示图2-1压力式液位传感器实物图2.3压力传感器的工作原理压力式液位传感器主要通过其上面载体容器中的液体在静止时的压力来测量液位高度，由于压力式液位传感器上的容器不是密闭的，所以本设计主要采用压力法来测量。为了测量的准确性，需要先消除传感器背面Po（当地大气压强）的影响，及将Po连接上传感器的负压腔，而传感器会将受到的液体造成的压力传入到传感器的正压腔，最终可以得到液位深度。其公式为:P=p.g.H+Po式中:P:变送器迎液面所受压力;p:被测液体密度;g:当地重力加速度;Po:液面上大气压;H:变送器投入液体的深度。图2-2压力式液位传感器电路图系统电路设计3.1系统总体电路设计如图3-1所示是水位监测系统的总体电路原理图：本系统以STC89C52单片机为核心控制单元，实现了按键电路调整水位上下限、A/D转换器转换电信号、电磁继电器驱动抽水泵工作、液晶显示屏显示液位高度、蜂鸣器和水位上下限指示灯做出相应的反应工作等功能。各个器件之间通过焊接的电路相连接，器件之间相互配合，按照顺序先后工作，最终使系统整体实现了水位监测的基本功能。图3-1系统电路原理图3.2最小系统电路设计如图3-2所示为单片机最小系统的电路原理图：单片机最小系统是指用最少的元件组成可以正常执行程序操作的系统。STC89C52单片机的最小系统包括：单片机、电源电路、晶振电路、复位电路。图3-2单片机最小系统电路图3.3显示电路设计1602液晶显示器是一种点阵数为2*16的字符型LCD液晶显示器，主要由液晶显示屏、控制驱动电路以及少量的电阻电容元件组成。液晶显示器在本系统中的主要功能是能够准确、及时、清晰的显示出液面高度。如图3-3所示为1602的内部显示地址图。图3-31602的内部显示地址图基本操作时序如下：读状态：输入：RS=L，R/W=H，E=H输出：D0—D7=状态字写指令：输入：RS=L，R/W=L，DO—D7=指令码，E=高脉冲输出：无读数据：输入RS=H，R/W=H，E=H输出：Do—D7=数据写数据：输入RS=H，R/W=L，DO—D7=数据，E=高脉冲输出：无读操作时许如图3-4图3-4读操作时序图写操作时序如图3-5图3-5写操作时序图图3-6单片机与1602连接电路图3.4A/D转换器电路设计如图3-7为ADC0832与单片机的接口电路图：ADC0832是一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片，该A/D转换器最高分辨率可以达到256级。本系统需要A/D转换器把压力传感器输入的变化的电压信号转换成模拟信号再输入STC89C52单片机中。ADC0832的时序图如图3-8所示。图3-7ADC0832与单片机接口电路图图3-8ADC0832时序图3.5电磁继电器电路设计电磁继电器电路是系统中驱动抽水泵开始和停止工作的电路，电磁继电器可以以小电流控大电流，以低压控高压，单片机核心处理器也可以较为容易快捷的控制电磁继电器工作，而且电磁继电器可以调节和保护整个系统的电路，可以增加设备的使用寿命。如图3-9所示为单片机驱动继电器电路图。图3-9单片机驱动继电器电路图3.6蜂鸣器电路设计蜂鸣器主要由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片和外壳组成，在本系统中的主要作用是在水位低于下限或高于上限时发出警报。如图3-10所示为蜂鸣器电路图。图3-10蜂鸣器驱动电路图3.7按键与指示灯电路设计本系统主要通过三个按键来控制，其中第二个和第三个按键主要用来调整水位的上下限，第一个按键用来切换手动和自动模式，如果是手动模式，第三个按键还可以用来控制抽水泵开始和停止工作。指示灯在本系统中的作用是在水位低于下限或高于上限时亮起，抽水泵开始或停止工作。如图3-11和3-12分别为按键电路原理图和指示灯电路原理图。图3-11按键电路原理图图3-12按键电路原理图4.系统程序设计4.1系统程序程图设计图4-1主程序流程图先给设备通上电源，本设备分为自动挡和手动挡两种模式，显示屏上会显示出当前处于哪种模式，可根据需求自行调整。如果选择手动挡，可以通过按键控制抽水泵是否停止工作，水位高度会显示在显示屏上，但不会引起蜂鸣器报警，水位上下限指示灯也不会亮起。如果选择自动挡，需要先通过按键设置水位上下限，这里要注意水位上限设置的高度不能超过容器的高度，也不能将水位下限设置为零，否则设备无法自动驱动水泵抽水。设置好水位上下限后，当水位低于下限时，下限指示灯亮起，抽水泵开始抽水，当水位处于上下限之间时，下限指示灯不在提示，当水位超过水位上限时，上限指示灯亮起，引起蜂鸣器发出警报，抽水泵停止工作。4.2压力传感器采集显示程序流程图设计本系统是通过压力传感器来测量容器中水的压强，转换成压力传感器的压力形变，压力传感器将形变转换成数字信号，然后输出一个模拟电压，模拟电压再通过A/D转换器的采集和转换送入STC89C52单片机，最后通过1602LCD液晶显示屏显示出液面高度。图4-2压力传感器采集显示程序流程图4.3按键程序流程图设计给设备通上电源后，先按下第一个按键，此次显示屏上会显示系统的初始水位上下限，可以通过第二个和第三个按键来增加和减少水位上限。调整完水位上限后，再按下第一个按键可继续调整水位下限，调整方法和调整上限的方法相同，水位上下限调整完毕后，需要通过按下第一个按键来退出刚刚的水位上下限设置界面，再按下第二个按键就可以控制手动和自动模式，如果切换自动模式则无需人工控制，而切换手动模式后可通过第三个按键控制水泵开始和停止抽水。图4-3按键程序流程图5.仿真与测试5.1Proteus仿真调试本系统采用的是C++语言程序进行编码的书写，实现了水箱水位监测系统的基本功能。书写完成后，需要注意程序中出现的警告，并改正程序中出现的错误，解决这些问题后，要检查总体程序的逻辑和语句是否通顺。完成程序的编写后，再接着在

keil

平台上建立一个工程档案文件，将代码添加进入后，切换到菜单输出功能栏，然后再选择创建hex文件，如果经过编译、构建、没有错误提示，

说明此时hex

文件创建成功。然后将已经创建好的

hex

文件导入到一个单片机芯片中。最后按下按钮启动Proteus仿真，这时需要注意各个元件的变化，比如液晶显示器是否模拟出了真实液面高度，蜂鸣器是否响应，信号指示灯是否按时亮起，然后通过按键控制观察系统是否做出相应的反应，最终得到水箱水位监测的仿真效果图如图5-1所示。图5-1水位监测仿真图然后需要依据系统的总体电路原理图，使用Protel软件画出相应的PCB图，然后按照PCB图将所有元件焊接在一块万用板上，在焊接时切记将一些元件的正负极接反，否则会损伤电路，无法做出符合设计要求的实物。PCB版图如图5-2所示。图5-2PCB版图5.2水位监测装置硬件调试与总结5.2.1水位上下限调试在使用时需要先接通电源，由于本系统不是电池供电，所以需要外接电源。这里我们使用的是DC电源线，先将圆的一端接入设备，另一端可以直接接通电源、电脑USB接口或者充电宝。接通电源后，我们可以先按下设备上的第一个按键，此时LCD显示屏上会显示出系统的初始水位上下限，这时可以通过第二个或第三个按键来增加或减少水位上限，调整完水位上限后，再按下第一个按键可以继续调整水位下限，调整方法和调整上限的方法相同。在调整水位上下限时需要注意的是水位上限设置的高度不能超过所使用的容器的高度，也不能将水位下限设置为零。如图5-3为我们根据实际情况调整好的水位上下限；此时的水位上限是10cm，水位下限是2cm。图5-3水位上下限调节实物图5.2.2抽水泵抽水测试先给设备通上电源，本设备分为手动挡和自动挡两种模式，LCD显示屏会自动显示出当前所处的模式，这里我们选择手动挡模式。在调整完上下限后，退出水位上下限设置界面，可以通过第二个按键切换手动模式。切换为手动挡后，可以通过第三个按键控制抽水泵开始和停止工作。如图5-4为抽水泵工作实物图。图5-4抽水泵实物图5.2.3系统总体调试先给设备通上电源，再按下电源键控制开关，电源键旁边是复位按键，可以对系统进行复位。打开电源后，把抽水泵放在事先准备好的容器中，这里要注意的是抽水泵整体必须低于水面，否则会导致抽水泵进入空气，影响抽水效率，然后把抽水泵管子的另一端放在压力传感器上面的容器中，由于本系统是通过压力来测量水位，所以容器要与水平面垂直放置，否则会影响测量准确性。容器放置好后，需要通过按键调整水位上下限，然后切换手动和自动模式，本次调试主要使用自动模式，当水位低于下限时，下限指示灯亮起，抽水泵开始抽水，当水位处于上下限之间时，下限指示灯不在提示，当水位超过水位上限时，上限指示灯亮起，引起蜂鸣器报警，抽水泵停止工作。系统总体实物图如图5-5所示。图5-5系统工作实物图先给设备通上电源，再按下电源键控制开关，电源键旁边是复位按键，可以对系统进行复位。打开电源后，把抽水泵放在事先准备好的容器中，这里要注意的是抽水泵整体必须低于水面，否则会导致抽水泵进入空气，影响抽水效率，然后把抽水泵管子的另一端放在压力传感器上面的容器中，由于本系统是通过压力来测量水位，所以容器要与水平面垂直放置，否则会影响测量准确性。容器放置好后，需要通过按键调整水位上下限，然后切换手动和自动模式，本次调试主要使用自动模式，当水位低于下限时，下限指示灯亮起，抽水泵开始抽水，当水位处于上下限之间时，下限指示灯不在提示，当水位超过水位上限时，上限指示灯亮起，引起蜂鸣器报警，抽水泵停止工作。系统总体实物图如图5-5所示。5.2.4调试