单片机水位控制系统课程设计

1、课程设计(论文)题 目 名 称： 课 程 名 称： 学 生 姓 名： 学 号： 学 院： 指 导 教 师： 课 程 设 计 任 务 书分院信息科学与工程学院专业自动化学生姓名学号0设计题目基于单片机的水位检测仪系统的设计内容及要求：利用MCS-51系列单片机设计一个水位检测仪系统，用两个数码管实时地显示当前水位，并能根据设定的水位值控制水位。1、要求设计水位检测的硬件电路，给出电路原理图和元器件清单；2、要求给出软件流程图并编写程序源代码；3、完成系统的调试，给出调试结果并分析；4、撰写符合要求的课程设计说明书。进度及安排：1、收集和课程有关的资料，熟悉课题任务和要求；2、总体方案设计；3、硬

2、件电路设计；4、软件设计；5、系统调试改进；6、整理、书写设计说明书及答辩。指导教师（签字）：年 月 日分院院长（签字）：年 月 日目 录摘 要.4引言.51几种方案的比较.61.1简单的机械式控制方式.61.2复杂控制器控制方案.6 1.3通过水位变化上下限的控制方式.62水塔水位控制原理.8 3电路设计.93.1原件的介绍.93.2引脚功能.10 3.3 水位检测接口电路.133.4报警接口电路.14 3.5 存储器扩展接口电路. .144系统软件设计.154.1流程图.154.2程序.165实验仿真.186结语.197参考文献.19摘要随着微电子工业的迅速发展，单片机控制的智能型控制器广

3、泛应用于电子产品中，为了使学生对单片机控制的智能型控制器有较深的了解。经过综合分析选择了由单片机控制的智能型液位控制器作为研究项目，通过训练充分激发学生分析问题、解决问题和综合应用所学知识的潜能。另外，水位控制在高层小区水塔水位控制，污水处理设备和有毒，腐蚀性液体液位控制中也被广泛应用。通过对模型的设计可很好的延伸到具体应用案例中。设计一种基于单片机水塔水位检测控制系统。该系统能实现水位检测、电机故障检测、处理和报警等功能，实现超高、低警戒水位报警，超高警戒水位处理。介绍电路接口原理图，给出相应的软件设计流程图和汇编程序，并用Proteus软件仿真。实验结果表明，该系统具有良好的检测控制功能，

4、可移植性和扩展性强。关键词：单片机；水位检测；控制系统；仿真引言 水塔供水的主要问题是塔内水位应始终保持在一定范围，避免“空塔”、“溢塔”现象发生。目前，控制水塔水位方法较多，其中较为常用的是由单片机控制实现自动运行，使水塔内水位保持恒定，以保证连续正常地供水。实际供水过程中要确保水位在允许的范围内浮动，应采用电压控制水位。首先通过实时检测电压，测量水位变化，从而控制电动机，保证水位正常。因此，这里给出以Atmel公司的AT89C5l单片机为核心器件的水塔水位检测控制系统仿真设计，实现水位的检测控制、电机故障检测、处理和报警等功能，并在Proteus软件环境下实际仿真。实验结果表明，该系统具有

5、良好的检测控制功能可移植性和扩展性强。1设计方案比较 对于水位进行控制的设计方式有很多，而应用较多的主要有3种，三种方式的实现如下：1.1简单的机械式控制方式。其常用形式有浮标式、电极式等，这种控制形式的优点是结构简单，成本低廉。存在问题是精度不高，不能进行数值显示，另外很容易引起误动作，且只能单独控制，与计算机进行通信较难实现。1.2复杂控制器控制方式。这种控制方式是通过安装在水泵出口管道上的压力传感器，把出口压力变成标准工业电信号的模拟信号，经过前置放大、多路切换、AD变换成数字信号传送到单片机，经单片机运算和给定参量的比较，进行PID运算，得出调节参量；经由DA变换给调压变频调速装置输入

6、给定端，控制其输出电压变化，来调节电机转速，以达到控制水塔水位的目的。1.3通过水位变化上下限的控制方式。这种控制方式通过在水塔的不同高度固定不动的3根金属棒ABC，以感知水位的变化情况。其中，A棒处于下限水位，C棒处于上限水位，B棒在上下限水位之间。A棒接+5V电源，B棒C棒各通过一个电阻与地相连。 针对上述3种控制方式，以及设计需达到的性能要求，这里选择第三种控制方式。最终形成的方案是，利用单片机为控制核心，设计一个对供水箱水位进行监控的系统。当水塔水位下降至下限水位时，启动水泵；水塔水位上升至上限水位时，关闭水泵；水塔水位在上、下限水位之间时，水泵保持原状态；供水系统出现故障时，自动报警

7、；故障解除时，水泵恢复正常工作。2水塔水位控制原理 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+5 V连通。因此b、c两端的电压都为+5 V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

8、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“1”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。 3电路设计 水塔水位控制系统主要由CPU(AT89C51)、水位检测接口电路、报警接口电路、存储器扩展接口电路、复位电路、时钟振荡等部分组成。而设计中所用到的原件有AT89C51、74LS373锁存器、3.1原件的介绍AT89C51：AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器

9、的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051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。74LS373锁存器： 74LS373的输出端 O0O7 可直接与总线相连。当三态允许控制端 OE 为低电平时，O0O7 为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当 OE 为高电平时，O0O7 呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。当锁存允许端 LE 为高电平时，O 随数据 D 而变。当 LE

10、为低电平时，O 被锁存在已建立的数据电平。当 LE 端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善 400mV。引出端符号：D0D7 数据输入端OE 三态允许控制端（低电平有效）LE 锁存允许端O0O7 输出端。2732存储器：2732以 HMOS-E(高速NMOS硅栅)工艺制成，24脚双列直插式，2732为4KB容量，地址线12条A0A11；，数据线8条D0D7，远为片选端，低电平有效，OEVPP是输出允许信号，低电平有效，该引脚在编程时也作为编程电压VPP的输入端。VCC为十5V电源，GND为地。3.2引脚功能 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门

11、电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时

12、，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

13、P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输

14、入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序

15、存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 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。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。如图2所示

16、。图3为系统硬件电路。 3.3 水位检测接口电路 为了便于实现水位检测功能，用一个两位的拨码开关模拟b、c端的状态(1、0)，正电极接+5 V电源，每个负电极分别通过47 kQ的电阻(尺1，R2)接地。将单片机的P10端口接开关1，P11端口接开关2。假设被水淹没的负电极都为高电平，此时开关置1；露在水面的负电极都为低电平，开关此时置为0。单片机通过负电极重复采集检测水位，当缺水时(此时两个开关均置0)，电机必须带动水泵抽水；若水位在正常范围内时，检测信号为高，低电平(此时开关1置1，开关2置0)；当水位过高时，检测信号为高电平(此时开关l和2都置1)，单片机检测到P10和P11为高电平后，立

17、即停机。 3.4 报警接口电路 为了避免系统发生故障时，水位失去控制造成严重后果，在超出、低于警戒界水位时，报警信号直接从高、低警界水位电极获得。单片机P17端口为启动电机命令输出端口，P17=0为低电平，经过非门后与电机的另一端接地导通，启动电机工作；P17=l为高电平，反之，电机停止工作。电机故障报警由单片机控制，电机故障报警信号由P10和P11输人当P15为高电平时蜂鸣器报警。水位超过高警戒水位，单片机控制系统使电机停止转动，向水塔内供水工作也停止。 3.5 存储器扩展接口电路 为了便于系统扩展，存放大容量应用程序，系统设计扩展一片程序存储器，用于存放源程序代码。74LS373用于锁存地

18、址，单片机的P00P07通过复用方式分别接锁存器74LS373的DOD7和存储器2732的D0D7端，地址锁存信号线ALE接锁存器的OE端，通过软件设置实现地址和数据信息的传输，锁存器的输出端OQ0O7与存储器地址线A0A7相连，剩余的3根地址线A8A11接P20P22单片机选通引脚丽接存储器OE端，因只扩展一片存储器，片选端CE接地。4系统软件设计4.1流程图 当水塔水位处于上、下限之间时，P10=l，P11=0，此时无论电机是在带动水泵给水塔供水使水位不断上升还是电机没有工作使水位不断下降，都应继续维持原有工作状态；当水位低于下限时，P10=0，P11=0，此时启动电机转动，带动水泵给水塔供水。水位检测信号与输出控制操作关系如表1所列，图4为水塔水位控制程序流程。 4.2程序 ORG 0030HLOOP: ORL P1 , #03H ;为检查水位状态准备 MOV A , P1 JNB ACC.0 , ONE;P1.0=0则转 JB ACC.1 , TWO;P1.1=1则转BACK: ACALL D10S ;延时10s AJMP LOOPONE: JNB ACC.1 ,THREE;P1.1=0则转 CLR 9