水位自动检测与控制系统的设计

淮阴工学院毕业设计说明书（论文）

第1页共25页

1引言

1.1研究背景

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。当今社会，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，往往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、自动电热水浴、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普通的反馈控制

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、机电控制、报警控

制部份的控制⑴。

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转换部份、单片机控制部份、数码显示部份、

机电驱动部份、机电控制部份等构成。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。因为大部份电路采用数字电路，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，冠敏度高，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0~10V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、机电和报警装置的控制。

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

淮阴工学院毕业设计说明书(论文)

第2页共25页

部份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，

机电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⑶。

1.2项目研究意义

单片机是计算机家族中既年轻却乂十分重要的成员，虽然它的问世比第一代计

算机整整晚了30年，在整体功能和价格水平等方面也远不如其它类型的计算机，但

无论是尖端科技，如航空、航天、军事、通信、能源、交通IT,还是现代工业、农

业、办公自动化和日用家电等诸多领域都离不开单片机，其使用率和普及率之高，

远远的超过了其他类型的计算机。课堂上我们虽然也学习了关于单片机的理论知

识，但惟独在实际的制作中才干让我们真正掌握单片机技术。

目前应用较广泛的单片机有51系列单片机、AVR单片机以及PIC单片机，单

片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系

统集成到一个芯片上。这种计算机是把智能赋予各种机械的单片机。顾名思义，这

种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。它体积小，

在整个装置中，起着有如人类头脑的作用。单片机的诞生是计算机发展史上的一个

新的里程碑，近年来,随着单片机档次的不断提高，功能的不断完善，其应用日益

成熟、应用领域日益扩大，特殊是工业测控、尖端武器和日用家电等领域更是因为

有了单片机而升辉增色。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、

实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能

起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词——“智能型”⑶。

在很长一段时间里，通用型单片机通过三总线结构扩展外围器件成为单片机应

用的主流结构。随着低价位OTP(OneTimProgrammable)及各种类型片内程序存储

器的发展，加之处围接口不断进入片内，推动了单片机“单片”应用结构的发展。特

别是I2C、SPI等串行总线的引入，可以使单片机的引脚设计得更少，单片机系统结

构更加简化及规范化，通过本次设计，使我们加深了串行总线的工作原理和使用方

法［4］。

通过该课题的研究，温习了数模电知识，了解了多种芯片的运用，加强了使用

Protel软件绘制电气原理图和印制版图的能力，采集资料、消化资料和综合资料的能

力，及综合利用专业及基础知识，解决实际工程技术问题的能力。

淮阴工学院毕业设计说明书（论文）

第3页共25页

本课题研究设计了一种基于单片机技术的自动控制系统。该自动控制系统通过

采用STC89c52单片机为工作处理器核心，外接压力传感器，能够通过对水压的大x

小测定来得到水位的高度，并将其转化为相应的电信号输出，通过对水位的精确测

量来控制水位【划。该自动控制系统的最大特点就是使用户能够操作简单、易懂、灵

活；且安装方便、智能性高、误报率低，同时它的信号经过单片机系统处理后方便

和PC机通信，便于多用户统一管理随着现代人们安全意识的增强以及科学技术的

快速发展，相信这种自动控制系统势必在更广阔的领域得到更深层次的应用⑸。

1・3发展方向

从消费者的角度来看，智能化自动化的仪器市场的需求已经逐渐明朗：就是以

实用为核心，力求实用、易用、人性化，自动化。

虽然科技飞速发展，信息技术日新月异，但是如何将这些技术引入智能划产品

之中，如何打造出真正实用的智能划产品，这才是最值得关注的问题。如智能划产

业界所体现的两大技术趋势正是发展方向：1、率先的自动控制技术；2、不依靠PC

的独立形态。

致力于智能划产品的应用接轨，不少问题并不在于技术水平的高低，而在于怎

样去做到实用、易用、人性化，惟独更加贴近实用、易用和人性化的智能划概念，

才干真正提高人们的生活品质，才干真正体现智能划的价值，这也是现代科技价值

的核心所在。

可以肯定，智能划将在未来的电子产业占领非常重要的地位，本课题即是从中

获得启示而确定，以实用、易用、人性化为设计标准。

本课题所设计的简易水位自动检测及控制系统，非常符合现代人的日常生活所

需，有着泛博的发展前景。

2设计的任务、要求和研究设想

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，机电自动开始抽水。当加水到最高水位时红灯亮，报警

器报警，机电住手工作。当水位在正常水位内，机电和报警器都不工作。

具体设计需要达到的要求和实现的功能如下：

淮阴工学院毕业设计说明书(论文)第4页共25页

(1)可实现自动报警。

(2)可实现自动加水和自动住手加水。

(3)可通过水位变化，实现向外界报警。

本设计包括硬件和软件设计两个部份。硬件部份包括采样处理部份、羊片机控

制部份、数码显示部份、机电驱动部份、机电控制部份等构成。处理器采用52系列

单片机STC89C52o整个系统是在系统软件控制下工作的。

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1/3VCC-2/3VCO

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，水泵住手加水。

淮阴工学院毕业设计说明书(论文)第5页共25页

方案二：如图32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，单片机不能驱动水泵加水，黄灯亮。

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电路惟独一个输出端，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，已经清晰地看到了两种方案的优劣，要能够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压隹式压力传感潜，其有全温度补偿及标

定(0~70C),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。

淮阴工学院毕业设计说明书（论文）

第6页共25页

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A/D转换器。

3.2.2A/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0^10V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，将摹拟信号转换为

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，近而也无法对机电、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（T10V的直流电压进行处理。可以达到：

（1）电路简洁、明了。

（2）高转换精度。

（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，需单片机即将

自动复位（如：夜间短期停电，导致本系统住手工作），故本设计采用上电复位方

式。

淮阴工学院毕业设计说明书（论文）

第7页共25页

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XTAL1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：

⑴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之拉电阻，用以完成数码管的驱动。

（2）利用LCD1602液晶显示：

a.显示质量高

由于液晶显示器每一个点在收到信号后就向来保持那种色采和亮度，恒定发光，

而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。因此，液晶显示器画

质高且不会闪烁。

b.数字式接口

淮阴工学院毕业设计说明书（论文）

第8页共25页

液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。

C.体积小、分量轻

液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶份子状态来达到显示的目的.在分量

上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。

d.功耗低

相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，于是耗电

量比其它显示器要少得多。

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LCD1602液晶显示。

3.2.6机电选择方案

电动机有直流流、交流之分。异步电动机属于交流机电的一种；另一种交流电

机是同步机电。异步机电由于结构简单，维护方便，价格便宜，所以应用最为广泛。

本设计中，采用异步三相交流机电。

3.3总体思路

①水位高度的检测：利用水位传感器完成。

②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。

③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。

④数码显示、机电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。

⑤机电控制电路根据机电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个部份组成，即水位传感器、A/D转换、键盘、单片机、

显示部份、机电控制、报警控制部份。系统框图可参考图3.2。

淮阴工学院毕业设计说明书（论文）

第9页共25页

4.2单元模块设计

4.2.1单片机介绍

选用STC89c52作为控制芯片，其引脚图如图4.1所示。

⑴STC89c52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

令代码彻底兼容Intel8051单片机。

（2）STC89C52的封装

STC89c52的封装如图4.2所示。

LJ1

XTAL1PO.O/AD(

P0.7AD

P0.2/AD：

XTAL2P0.3/AD：

P0.4/AD

P0.5/AD!

P0.6/AD(

RSTP0.7/AD

P2.0/AI

P2.1/A1

P2.2/AK

PSENP23'A1

MEP2.4/A1：

EAP2.S-A1：

P2.6/AL

P27/A1!

P1.0/T2P3.WRXC

P1.1/T2EXP3.1TTXC

P1.2P3.2WT(

P1.3P33INT

P1.4P3.4F

P1.5P33TT

P1.6P3.6mF

P1.7PN

AT89c52

图4.1STC89c52引脚图图4.2STC89c52封装图

⑴STC89c52各引脚功能及管脚电压

STC89C52为40脚双列直插封装的8位通用微处理器，采用工业标准的

C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8XC51相同，其主要用7会聚调

整时的功能控制。功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等

功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收

解码及与主板CPU通信等。主要管脚有：XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）

为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。RST/VPD（9脚）为复位输入端口，

外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分

别接+5V电源的正负端。P0~P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义，

在本设计中，P0端口（32~39脚）被定义为N1功能控制端口，分别与N1的相

淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第10页共25页

应功能管脚相连接，13脚定义为IR输入端，10脚和11脚定义为12c总线控

制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12脚、27脚

及28脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU的相应功能端，用于当前制

式的检测及会聚调整状态进入的控制功能⑹。

P0口

P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为

输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写

“1”时，可作为高阻抗输入端用在访问外部数据存储器或者程序存储器时，这组

口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验

时，要求外接上拉电阻。

P1口

P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O0,P1的输出缓冲级可驱动（吸

收或者输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻

把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻,

某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。与STC89C52不同之处是，

P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输入

（P1.1fF2EX）,Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。

表4.1P1.0和P1.1的第二功能

引脚号功能特性

P1.0T2,时钟输出

P1.1T2EX（定时/计

数器2）

P2口

P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动

（吸收或者输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口P2写“1”，通过内部的

上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在

上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。在访问外部程序

存储器或者16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时,

淮阴工学院毕业设计说明书（论文）

第11页共25页

P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行

MOVX@RI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。Flash编程或者校验时，

P2亦接收高位地址和一些控制信号。

P3口

P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动

（吸收或者输出电流；4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内

部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻

输出电流（IIL）。P3口除了作为普通的I/O口线外，更重要的用途是它的第二

功能P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。

RST

复位输入。当振荡器工作时，RST引脚浮现两个机器周期以上高电平将使

单片机复位。

ALE/PROG

当访问外部程序存储器或者数据存储器时，ALE（地址锁存允许:输出脉冲

用于锁存地址的低8位字节。普通情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出

固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或者用于定时目的。要注意的是：每当

访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对Flash存储器编程期间，该引

脚还用于输入编程脉冲（PROG）。

如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的DO位置

位，可禁止ALE操作。该位置位后，惟独一条MOVX和MOVC指令才干将

ALE激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE

禁止位无效。

PSEN

程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52

由外部程序存储器取指令（或者数据）时，每一个机器周期两次PSEN有效，

即输

出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。

EA/VPP

外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为OOOOH-FFFFH）,

EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位

淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第12页共25页

时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接VCC端），CPU则执行内部

程序存储器中的指令C

Flash存储器编程时，该引脚加之+12V的编程允许电源VPP,固然这必须

是该器件是使用12V编程电压VPPo

XTAL1

振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。

XTAL2

振荡器反相放大器的输出端。

特殊功能寄存器在AT89C52片内存储冷中，80H-FFH共128个单元为特

殊功能寄存器（SFE）,SFR的地址空间映象如表2所示。

并非所有的地址都被定义，从80H—FFH共128个字节惟独一部份被定义，

还有相当一部份没有定义。对没有定义的单元读写将是无效的，读出的数值将

不确定，而写入的数据也将丢失。不应将数据“1”写入未定义的单元，由于这

些单元在将来的产品口可能赋予新的功能，在这种情况下，复位后这些单元数

值总是“0”。

STC89C52除了与STC89C51所有的定时/计数器0和定时/计数器1外，还

增加了一个定时/计数器2o定时/计数器2的控制和状态位位于T2CON,

T2MOD,寄存器对：RCAO2H、RCAP2L）是定时器2在16位捕获方式或者

16位自动重装载方式下的捕获/自动重装载寄存器。

4.2.2A/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、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17ns,TLC549为40000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-）＞lV,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。

淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第13页共25页

极限参数

TLC549的极限参数如下：

・电源电压：6.5V；

•输入电压范围：0.3V'V.「+0.3V；

•输出电压范围：0.3V'V”+0.3V；

•峰值输入电流（任一输入端）：±10mA；

•总峰值输入电流（所有输入端）：±30mA；

•工作温度：TLC549C：0℃~70℃

TLC549I：-40℃"85℃

TLC549M：-55C~125c

b.工作原理

TLC549均有片内系统时钟，该时钟与I/OCLOCK是独立工作的，无须特殊的

速度或者相位匹配。

当CS为高时，数据输出（POUT）端处于高阻状态，此时I/OCLOCK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/OCLOCK,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：

⑴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，最后自动将前一次转换结果的最高位（D7）位输出

至ijDATAOUT端上。

淮阴工学院毕业设计说明书(论文)

第14页共25页

(2)前四个I/OCLOCK周期的下降沿挨次移出笫2、3、4和第5个位(D6、D5、

D4、D3),片上采样俣持电路在第4个I/OCLOCK下降沿开始采样摹拟输入。

⑶接下来的3个I/OCLOCK周期的下降沿移出第6、7、8(D2、D1、DO)个转换

位，

(4)最后，片上采祥保持电路在第8个I/OCLOCK周期的下降沿将移出第6、7、

8(D2、D1、DO)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/OCLOCK后，CS必须为高，或者I/OCLOCK

保持低电平，这种状态需要维持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/OCLOCK上浮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为高时浮现一次有效低电平，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)一(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摹拟信号，应使第8个I/OCLOCK时钟的下降沿与该时

刻对应，因为芯片虽在第4个I/OCLOCK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。

STC89c52与ADC接口时三个注意事项：

①要给START线送一个100ns宽的启动脉冲。

②获取EOC线二的状态信息，因为它是AD转换结束的标志。

③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0E线送一

个高电平，以便从DO-D7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。AD转换器串行I/O接口如图4.4所示。

淮阴工学院毕业设计说明书(论文)第页共25页

MCS51pi0

Pl1

Pl2

MCS51

图4.4A/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摆布的正弦波，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0.5、16MHz,典型值为12MHz或者11.0592MHz。电容C1和C2可

以匡助起振，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,Cl和C2取30pfo其连接电路如图4.5起振电路所示恸。

4.2.4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条引脚线或者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)己经存储了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”。管脚功能如表4.2所示［18］：

淮阴工学院毕业设计说明书（论文）

第16页共25页

表4.2LCD1602引掷功能

引脚符号功能说明

1VSS普通接地

2VDD接电源（+5V）

3V0液晶显示器对照度调整端。

4RSRS为寄存器选择。

5R/WR/W为读写信号线。

6EE（或者EN）端为使能（enable）端，下降沿使能。

7DB0底4位三态、双向数据总线0位（最低位）

8DB1底4位三态、双向数据总线1位

9DB2底4位三态，双向数据总线2位

10DB3底4位三态、双向数据总线3位

11DB4高4位三态、双向数据总线4位

12DB5高4位三态、双向数据总线5位

13DB6高4位三态、双向数据总线6位

14DB7高4位三态、双向数据总线7位（最高位）

LCD1602主要管脚介绍：V0为液晶显示器对照度调整端，接正电源时对照度最

弱，接地电源时对照度最高，对照度过高时会产生鬼影使用时可以通过一个10K的

电位器调整对照度。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。R/W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R/W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R/W

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。

淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第17页共25页

图4.6LCD1602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=O时,对

LCD1602写入指令；当RS=1时，对LCD1602写入数据。当R/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］。

4.2.5机电控制

图4.7为三相电动机单向启动控制图。

淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第18页共25页

三相机电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

Mo

电源开关控制机电的电源，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机电的智能化控制如图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4~7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机电，过大的启动电流对电

机会造成伤害。所以除了小型异步电动机外，人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丫/△降压启动、沿边三角形降压启动、自

耦变压器降压启动等本设计采用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干驱动它，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R5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112）。

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9015O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

淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第19页共25页

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：

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（0~10m）进行采样、

量化后，输出0、10V的直流电压。再经过信号处理电路将这向来流摹拟量转换为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00、99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。

①：当状态在00~10时：机电工作，报警电路工作。

②：当状态在10~80时：机电工作，报警电路住手工作。

③：当状态在80~99时：机电住手工作，报警电路工作。

④：根据状态00~99的不同，分别将00~99输出到液晶显示部份。

根据上述状态，即可分别对液晶显示、蜂呜器和电动机实现单片机的自动化控

制［13］。

淮阴工学院毕业设计说明书(论文)第20页共25页

5PCB制板

5.1PCB板图的绘制

在PCB的设计中，其实在正式布线前还有几个步骤口皿

(1)系统规格

(2)系统功能区块图

将系统分割成几个PCB

决定使用封装方法和各PCB的大小

绘出所有PCB的电路图

初步设计的仿真运作

PCB上的布局、布线

布线厚电路测试

建立制作档案

PCB的设计流程分8个步骤［同：

(1)PCB设计准备

(2)网表输入

(3)规则设置

(4)元器件布局

(5)布线

(6)检查

(7)复查

(8)设计输出

5.2元件安装焊接及系统调试

5.2.1元件安装

元件安装的基本要求：

(1)保证导通与绝缘的电气特性。

(2)保证机械强度。

5.2.2焊接注意的基本事项

焊接是电子产品装配中的一个重要步骤，每一个焊接点的质量都关系着整个电

子产品的质量，它要求每一个焊接点都有一定的机械强度和良好的电气性能，所以

淮阴工学院毕业设计说明书(论文)第21页共25页

它是保证产品质量的关键环节。耍完成个良好的焊点主耍取决与以下几点：

(1)被焊的金属材料应具有良好的可焊性：铜的导电性能良好且易于焊接所以

通常用铜制作元器件的引脚、导线及印制电路板上的焊点。

(2)被焊的金属表面要保持清洁：在被焊的金属表面上一旦生成氧化物或者有

污垢，就会严重妨碍焊点的形成。

(3)使用合适的助焊剂：助焊剂是一种带略酸性的易熔物质，它在焊接过程中

起清除被焊的金属表面上的氧化物和污垢的作用。

(4)焊接过程要有一定的时间和温度焊接时间普通不要超过3秒，时间过长则

易损坏被焊元件，但时间过短，则容易形成虚焊和假焊。

焊点的质量检查标准可以从焊点外观和焊点的机械强度与电气性能等方面进行

检查，主要看焊点的光亮度、被焊接用锡量的多少、焊点的形状有无毛刺、气泡，

焊点有无虚焊，有无两个焊点桥连等。

淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第22页共25页

名吉论

本系统主要由水位检测传感器，单片机控制部份，水位显示部份，A/D转换部份，

机电驱动，机电部份，键盘设置部份组成，系统简单，安装方便。

木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

水位处于高水位时，在PL7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。

本课题中对于继电器的驱动是通过二极管驱动的。我在后面的学习中发现假如

换用光电耦合器会更加的精准。光电耦合器具有体积小、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彻底隔离等。通过光电耦合器

的驱动可以使得继电器的工作更加灵敏。

淮阴工学院毕业设计说明书（论文）

第23页共25页

致谢

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份

却浮现了问题。原因是芯片的封装与设计时的不同，结果引起显示部份个芯片管脚

的电位混乱，再处理这些问题时自己显的小镇静，浮现不少没必要的错误，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，对浮现的任