水位监控系统的设计定稿

1、1 水位监控系统的设计水位监控系统的设计 作者:XXX 2009 级专(1)班 指导老师:XXX 摘要摘要 本文通过单片机应用系统开发方法，应用单片机控制技术设计了一款简单实用、 经济的水位监控系统。并进行了水位控制系统 PROTEUS 仿真。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。 关键字关键字 单片机控制；报警电路；监测电路单片机控制；报警电路；监测电路 WaterWater LevelLevel MonitoringMonitoring SystemSystem AuthorAuthor :Zhangyanping T Teachereacher:Y

2、angjianping AbstractAbstractIn this paper, single-chip microcomputer application systems development methodologies, single-chip control technology applications designed a simple, practical and economic level control system. And carried out a simulation of water level control system PROTEUS. The proc

3、ess of designing the main use of sensor technology, single-chip technology, optical technology, and weak control of the police power of the technology strong. KeyKey wordswordsMCU control; alarm circuit; monitoring circuit 2 目录目录 1.1.引言引言 .3 3 2.2.设计要求与方案设计要求与方案 .3 3 2.12.1 设计要求设计要求.3 3 2.22.2 设计方案设

4、计方案.3 3 2.32.3 方案论证方案论证.4 4 3.3.系统组成与工作原理系统组成与工作原理 .4 4 3.13.1 系统组成系统组成.4 4 3.23.2 系统工作原理系统工作原理.5 5 4.4.单元电路设计单元电路设计 .5 5 4.14.1 传感器的选用传感器的选用.6 6 4.24.2 稳压电路的设计稳压电路的设计.6 6 4.34.3 单片机控制处理电路单片机控制处理电路.7 7 4.44.4 光报警显示系统光报警显示系统.7 7 4.54.5 继电器控制水泵加水电路继电器控制水泵加水电路.8 8 4.5.14.5.1 继电器控制电路的原理图继电器控制电路的原理图 .8 8

5、 4.5.24.5.2 光电耦合器简介光电耦合器简介 .9 9 4.5.34.5.3 继电器简介继电器简介 .9 9 5.5.程序程序流程与汇编程序流程与汇编程序 .1 10 0 6.6.系统仿真系统仿真 .1 12 2 6.16.1 程序编译与加载程序编译与加载.1 12 2 6.26.2 系统仿真系统仿真.1 12 2 6.36.3 仿真结果分析仿真结果分析.1 17 7 7.7.结束语结束语 .1 17 7 参考文献参考文献 .17 致谢致谢 .18 3 1.1.引言引言 水位监控系统是我国住宅小区广泛应用的供水系统，现在兴建的许多房子都要实现 自来水供水，所以许多家庭的楼顶都砌了一个高

6、塔用来存储用水，然后对整个房子的用 水进行供给。由于水用完只前，不知道水已经很少，待用完后才知晓，如果是急需水的 情况下，那就十分麻烦要等加水后才有水用；加水的过程当中，还需要人时刻检查水位 情况，以防止水量超过最高水位线。为了解决这一问题，我们设计了简单高塔水位控制 系统。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三个水位，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，红灯亮；正常范 围的水位时，水泵加水，绿灯亮；高水位时，水泵不加水，黄灯亮。 2.2.设计要求与方案设计要求与方案 2.12.1 设计要求设计要求 1、基本要求 1）方案设计与论证：在广泛

7、收集资料，认真研究的基础上，提出高塔水位控制系 统的方案，并在 PROTEUS 环境中进行仿真。 2）程序设计：对系统进行整体规划，完成程序设计与模拟调试 2、扩展要求 设计一个简易的水位探测传感器用来探测三个水位，即低水位，正常水位，高水位。 3、设备模块 电源电路、水位探测传感电路、稳压电路、单片机系统、光报警显示电路、继电器 控制水泵加水电路、以及高塔模型组成。 2.22.2 设计方案设计方案 本方案采用单片机 80C52 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

8、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。 4 图 1 方案框图 2.32.3 方案论证方案论证 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 80C52 单片机有四端口 32 引脚能够非常方便地设计显示系统。 3.3.系统组成与工作原理系统组成与工作原理 3.13.1 系统组成系统组成 本系统由电源电路、水位探测传感电路、稳压电路、单片机系统、光报警显示电路、 继电器控制水泵加水电路、以及高塔模型组成。主电气原理图如下。 5 U3 GDOUHE C3

9、20uF X1 12MHZ C2 22pF C1 22pF SW-PB R1 1K +5V Q2 2N930 Q1 2N930 D5 D5 R4 2K R6 100K R5 100 +5V Q5 2N930 Q4 2N930 D6 D6 R11 2K R13 100K R12 100 +5V R2 1K R3 1K R9 1K +5V D7 R10 10K R7 2K +5V Q3 NPN R8 2K V1 VSIN C4 1000uF C5 0.1uF C6 0.1uF C7 0.1uF GND 12V 5V Vin 1 GND 3 Vout 2 U2 7805 Vin 1 GND 3 Vo

10、ut 2 U1 7812 1 2 3 J1 CON3 EA/VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 (RD)P3.7 17 (WR)P3.6 16 (INT0)P3.2 12 (INT1)P3.3 13 (T0)P3.4 14 (T1)P3.5 15 (T2)P1.0 1 (T2 EX)P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 P0.0 39 P0.1 38 P0.2 37 P0.3 36 P0.4 35 P0.5 34 P0.6 33 P0.7 32 P2.0 21 P2.1 22 P2.2 23 P2.3 24 P2.4

11、25 P2.5 26 P2.6 27 P2.7 28 PSEN 29 ALE/P 30 (TXD)P3.1 11 (RXD)P3.0 10 GND 20 VCC 40 U4 89C52 R14 1K R15 1K +5V +5V D1 D2 D4 D3 R16 1K +5V 3 5 4 21 JUMP RELAY-SPDT 1 2 3 K1 CON3 D8 GREEN D9 YELLOW D10 RED 1 2 3 K2 CON3 图 2 系统原理图 3.23.2 系统工作原理系统工作原理 当水位处于低水位的时候，传感器的低水位探测线没被+5V 的电源导通，进入稳压电 路后，经过处理在稳压电路

12、的输出端有一个高电平，送入单片机的 P1.0 口，单片机经 过分析，在 P3.1 口输出一低电平，驱动红灯亮，P3.0 出来一个信号使光电耦合器 GDOUHE 导通，这样继电器闭合，使水泵加水；当水位处于正常范围内时，水泵加水，绿 灯亮；当水位在高水位区时，传感器的两根探测线均被导通，均被+5V 的电源导通，送 入单片机，单片机经过分析，在 P3.2 引脚出来一个低电平，使黄灯亮，在 P3.0 端出来 一个低电平不能使光电耦合器导通，这样继电器不能闭合，水泵不能加水；当三灯闪烁 表示系统出现故障。 6 4.4.单元电路设计单元电路设计 4.14.1 传感器的选用传感器的选用 在现代科技领域中，

13、传感器得到了广泛应用，各种信息的采集离不了各种传感器， 传感器的基传感器是一种能感受被测物体物理量并将其转化为便于传输或处理的电信号 的装置，本功能在于能感受外界的各种“刺激”并作出迅速反映。本设计当中采用的水 位探测传感器简单易做，其外形轮廓如下： 图 3 水位探测传感器外观图 A 为接+5V 电源的线与水一直保持连通，B 线为低水位控制线，当水位到达低水位的时候 它不导通，水在正常范围内时，它导通。C 线为高水位控制线，当它导通时，表示水已 经为高水位。 4.24.2 稳压电路的设计稳压电路的设计 稳压电路如下： 图 4 稳压电路 7 本电路的主要作用是使从传感器输出的电平能够稳定地输入单

14、片机中，主要由三 极官的两极放大稳定电路组成，其工作过程是水位探测传感器把探测到的电信号送给 R12,如果送入的是高电平则 R11、Q5、D3、Q4 导通把低于 1.4V 的低电平稳定地送给单 片机。如果是低电平送给 R12 则 R11、Q5、D3、Q4 均不能导通二是 R13 导通将把高于 1.4V 的高电平稳定的送给单片机。 4.34.3 单片机控制处理电路单片机控制处理电路 我们选用 AT89C52 作为我们的控制芯片其引脚图如下： 图 5 AT89C52 引脚图 （1）80C52 是 INTEL 公司 MCS-52 系列单片机中最基本的产品，它采用 NTEL 公司可 靠的 CHMOS

15、工艺技术制造的高性能 8 位单片机，属于标准的 MCS-52 的 HCMOS 产品。它 结合了 HMOS 的高速和高密度技术及 CHMOS 的低功耗特征，它继承和扩展了 MCS-48 单片 机的体系结构和指令系统。 （2）我们采用 AT89C52 作为控制芯片,由于其内部有 EPROM，容量已经够用，所以无 需进行存储器的扩展。 本设计当中，我们主要采用了 P1.0、P1.1 的灵活的 I/O 端口作用作为我们的低水 位和高水位信号输入口，单片机通过软件的控制不断检测这个端口的输入电平，一旦发 现则执行相应的控制程序，输出不同的信号给 P2.3、P2.2、P2.1 来告知水位情况即红、 黄、绿

16、分别表示水位在低水位状态，高水位状态，正常水位状态。然后，根据不同的水 位决定是否通过 P2.0 口驱动水泵加水还是停止加水。 4.44.4 光报警显示系统光报警显示系统 本电路采用不同颜色的发光二极管来表示不同的水位情况。即红灯亮，其他两灯不 亮表示是低水位状态，此时需要启动水泵加水；绿灯亮，其他两灯不亮表示在正常的水 位线内；黄灯发亮，其他两灯不亮为高水位状态，水泵停止加水，三灯闪烁表示系统出 8 现故障。 图 6 光报警电路原理图 此电路采用的是共阳极的，所以只有当单片机给发光二极管为低电平时才能推动发光二 极管点亮。其中 R14、R15、R16 为上拉电阻起限压控流作用。 4.54.5

17、 继电器控制水泵加水电路继电器控制水泵加水电路 4.5.14.5.1 继电器控制电路的原理图继电器控制电路的原理图 该电路由继电器 RL1 和闭合开关、光电耦合器、水泵 R7、R8、R9、R10Y 以及 D2、Q3 等组成。当水位在低水位时单片机给 P2.0 送一个高电平导通光电耦合器然后光电耦合 器驱动 Q3 导致继电器闭合从而让 220V 的交流电接通使水泵加水。 图 7 继电器控制水泵加水电路 9 4.5.24.5.2 光电耦合器简介光电耦合器简介 光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。它由发光源和受 光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透

18、明绝缘体隔 离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，在本设计当中发光源为发光二极 管，受光器为光敏三极管。 本设计当中我们采用光电耦合器组成开关电路的作用，能够很好地将单片机信号稳定地 送给继电器驱动继电器闭合。 4.5.34.5.3 继电器简介继电器简介 继电器是具有隔离功能的自动开关元件，在我们设计当中主要来做自动控制作用， 我们采用+5V 的直流电来控制 220V 的交流电，以达到控制水泵的作用，因为是在这里是 以一种弱电来控制强电所以安装和使用的过程当中我们一定要注意用电安全注意事项。 电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上 一定的电压，线圈中

19、就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引 的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点） 吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的 位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电 路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电 器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称 为“常闭触点” 10 5.程序流程程序流程 图 8 程序流程 5.15.1 汇编程序汇编程序 程序如下： ORG 0000H LJMP START S

20、TART: SETB P1.0 开始 初始化 延时 0.5 秒 Y (P1)=#00H ? P3.0=0 P3.1=0 P3.2=1 P3.3=1 水泵抽水，红灯亮 N (P1)=#0 1H? Y P3.0=0 ， P3.1=1 P3.2=1 ， P3.3=0 水泵抽水，绿灯亮 N Y (P1)=#0 2H? P3.0=1、P3.1、P3.2 、 P3.3 同时变为 0 或 1 水泵停止抽水，灯闪 烁 N Y (P1)=#0 3H? P3.0=1 ， P3.1=1 P3.2=0 ， P3.3=1 水泵停止抽水，黄灯 亮 N 重新扫描 重 新 扫 描 11 SETB P1.1 RESTART:

21、MOV A,P1 ANL A,#00000011B CJNE A,#00H,LOOP1 ;在低水位之下，开启电动机，亮红灯 SETB P3.2 SETB P3.3 CLR P3.0 CLR P3.1 LCALL DELAY LJMP RESTART LOOP1: CJNE A,#01H,LOOP2 ;当超过低水位，并且未达到高水位时，保持电动机 转动，亮绿灯 SETB P3.2 SETB P3.1 CLR P3.0 CLR P3.3 LCALL DELAY LJMP RESTART LOOP2: CJNE A,#02H,LOOP3 ; 系统故障（达到高水位，却没达到低水位）红， 黄，绿灯均闪烁

22、 SETB P3.0 CLR P3.3 CLR P3.2 CLR P3.1 LCALL DELAY SETB P3.3 SETB P3.2 SETB P3.1 LCALL DELAY 12 LJMP RESTART LOOP3: CJNE A,#03H,RESTART ;当达到高水位时，停止电动机，亮黄灯 SETB P3.1 SETB P3.0 SETB P3.3 CLR P3.2 LCALL DELAY LJMP RESTART DELAY: MOV R0,#250 DELAY3: MOV R1,#200 DELAY2: MOV R2,#5 DELAY1: DJNZ R2,DELAY1 DJ

23、NZ R1,DELAY2 DJNZ R0,DELAY3 RET END 6.6.系统仿真系统仿真 6.16.1 程序编译与加载程序编译与加载 点菜单 SourceAdd/Remove source Files”在出现的对话框中，选择 ASEM51 编辑 器，将上面的汇编源程序添加，点菜单 SourceBuild ALL 编译汇编源程序，生成目标 代码文件。在编辑环境左击单片机然后右击，将编译生成的 HEX 文件加载到芯片中，设 单片机的时钟工作频率为 12MHZ。 6.26.2 系统仿真系统仿真 点全速运行按键，可得到图 6-16-4 所示的仿真结果,处于低水位和正常状态,水 泵处于运行状态；

24、处于高水位和系统故障状态时，水泵不运行。 13 图 9 低水位状态仿真结果 14 图 10 正常水位仿真结果 15 图 11 高水位状态仿真结果 16 图 12 故障状态仿真结果 17 6.36.3 仿真结果分析仿真结果分析 PROTEUS 环境,运行高塔水位控制系统,我们发现,当水位处于低水位区时,红灯亮,水 泵处于运行状态,随着水位的上升,水泵仍处于运行状态,当水位到达高位时,黄灯亮,水 泵停止运行。当用户使用,水位不断下降,水泵重新 启动,重复以上过程。 上述仿真表明，本设计达到了预期的设计目标，实现了水位自动控制。 7.7.结束语结束语 以往，人们由于自己的楼顶水塔的水位不清楚， ，加

25、水不方便儿感到苦恼，现在我们 顺应大家的需要研制了这款简单经济实用的高塔水位监控系统，相信能够给广大的老百 姓的生活带来方便，以后大家就不用亲自跑到楼顶加水了。 本系统主要由水位探测传感器，单片机控制系统，水位显示系统，继电器驱动电路， 水泵加水系统组成，系统简单，安装方便，建议广大用户尝试使用，我相信大家在用了 之后一定会感到满意的。 本系统采工作过程是当水位处于低水位的时候，传感器的低水位探测线没被+5V 的 电源导通进入稳压电路经过处理在稳压电路的输出端有一个高电平，送入单片机的 P1.0 口，单片机经过分析，在 P3.3 口输出一低电平，驱动红灯亮，P3.0 出来的一个信号使 光点耦合器 GDOUHE 导通，这样继电器闭合，使水泵加水；但水位处于正常范围内时， 水泵加水，绿灯亮；当水位在高水位区时，传感器的两根探测线均被导通，均被+5V 的 电源导通，送入单片机，单片机经过分析，在 P3.2 引脚出来一个低电平