单片机水位控制系统

1、1 引言随着集成电路规模日益大型化、复杂化，各种复杂的液位控制系统已成为一个 研究的热点。单片机以其控制精度高，性能稳定、可靠，设置操作方便，造价 低等特点，应用到液位系统控制之中，不但保证了系统的准确性和可靠性，而 且增强了人机交互的能力。单片机应用发展迅速而广泛。在过程控制中，单片机既可作为主计算机， 又可作为分布式计算机控制系统中的前端机，完成模拟量的采集和开关量的输 入、处理和控制计算，然后输出控制信号。单片机广泛用于仪器仪表中，与不 同类型的传感器相结合，实现诸如电压、功率、频率、湿度、流量、速度、厚 度、压力、温度等物理量的测量；在家用电器设备中，单片机已广泛用于电视 机、录音机、

2、电冰箱、电饭锅、微波炉、洗衣、高级电子玩具、家用防盗报警 等各种家电设备中。在计算机网络和通信、医用设备、工商、金融、科研、教 育、国防、航空航天等领域都有着十分广泛的应用。项目应用中液位的测量常用方法主要有超声波、激光红外测距、机械浮 子、压力传感器测距等几种。这些测量方式对一般液位的测量来说各有各的优 点，可根据不同的应用场合和要求进行选择。2 系统设计方案2.1 系统设计方案及总框图对于水位进行控制的方式有很多 , 而应用较多的主要有 2 种, 一种是简单的 机械式控制装置控制 , 一种是复杂的控制器控制方式。两种方式的实现如下：(1> 简单的机械式控制方式。其常用形式有浮标式、电

3、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。(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、A/D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D/A变换给调压/变频调速装置输入给定端,控制其输出电压变化，来调节电机转速，以达到控制水位的目的本设计利用单片机设计一个水位控制系统，要求选择合适的水位传感器及

4、电磁阀，当设定完水位后，系统根据水位情况控制电磁阀的开启和关断。>tt鱼蛙剖电踣AT8K14孜右机恤图2-1系统总体框图2.2硬件设计方案 2.2.1 工作原理基于单片机实现的水位控制器是以AT89C51芯片为核心,由键盘、数码显示、A/D转换、传感器,电源和控制部分等组成。工作过程如下：当水位发生 变化时，引起连接在水位底部软管管内的空气气压变化，气压传感器在接收到软管内的空气气压信号后，即把变化量转化成电压信号。该信号经过运算放大电路 放大后变成幅度为05 V标准信号,送入A/ D转换器,A / D转换器把模拟信号 变成数字信号量，由单片机进行实时数据采集，并进行处理，根据设定要求控

5、制输 出，同时数码管显示液位高度。通过键盘设置液位高、低和限定值以及强制报警 值。该系统控制器特点是直观地显示水位高度，可任意控制水位高度。主控模块设计方案单片机作为主控模块，使得在对单片机选型上有了较大的空间。单片机在 30多年的发展历程中，形成了多公司、多系列、多型号“百家争鸣”的局面。 因而，选择一个合适的单片机有时真的不太容易，要考虑的方面太多。大致总 结出以下几点：1单片机的基本参数。例如速度、程序存储器容量、I/O引脚数量等。RTC实时时2单片机的增强功能。例如看门狗、双指针、双串口、钟）、EEPROM扩展 RAM CANS口、I2C接口、SPI接口、US接口3 Flash和OTP

6、一次性可编程）。4封装：DIPv双列直插），PLCCPLC有对应插座）还是贴片5工作温度范围，工业级还是商业机。6功耗。7工作电压范围。例如设计电视机遥控器，2节干电池供电，至少应该能在1.83.6V电压范围内工作。8供货渠道畅通。9价格。10烧录器价格，能否ISP在线系统编程）。11仿真器。12单片机汇编语言支持。13资料尽量丰富。14抗干扰性能好。15和其他外设芯片放在一起的综合考虑。单片机采用由Atmel公司生产的双列40脚AT89C5芯片，如图22所示。其 中,P0 口用于A/D转换和显示。P1 口连接一个3X 5的键盘。P2口用于控制电磁阀和水泵动作。等。P3口用于上、下限指示灯，报

7、警指示灯以及用于读写控制和中断PDIP/CerdipPHDP1/1IPI,2匚尸1/3匚PI .4匚Pll 5匸P1I.01=PI,7匚RST匚:RXD)P3.D匚:TXD)P3. 1匸/1 M T C jP3 空fINTI )P33C<TC) P3.4 匚<T1) P3.5 匚 :WH ) P3.« 匕 (FTD) P3.7 UXTAL2 C XTAL1 匚 GND匚5e7aoa1-1- J 1 I II 0937654 321093705021 斗 33333333332N22222Z2veePO . O f ADQ tPCI. 1 (ADI ) = 0.2 (AD2

8、 - P0 3 (AD3 i PO.4 (AD4 i PC.5 (ADS) PO 6 f越口曰、 TO .7 (AD7)S 3 2 1 O )5 1 1 11 1 1 & B A AAA A A A A ?e54.32*D 222222 ppppppp-图2-2 AT89C51的管脚图电机控制模块设计方案选用继电器作为电机控制的元件。继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统又称输入回路）和被控制系 统<又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去 控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转 换电路等作用。继电器主要产品技术参数：1&

9、gt; 额定工作电压。是指继电器正常工作时线圈所需要的电压。根据继电器 的型号不同，可以是交流电压，也可以是直流电压。2> 直流电阻。是指继电器中线圈的直流电阻，可以通过万能表测量。3> 吸合电流。是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。在正常使用时， 给定的电流必须略大于吸合电流，这样继电器才能稳定地工作。而对于线圈所 加的工作电压，一般不要超过额定工作电压的 1.5 倍，否则会产生较大的电流而 把线圈烧毁。4> 释放电流。是指继电器产生释放动作的最大电流。当继电器吸合状态的 电流减小到一定程度时，继电器就会恢复到未通电的释放状态。这时的电流远 远小于吸合电流。5> 触

10、点切换电压和电流。是指继电器允许加载的电压和电流。它决定了继 电器能控制电压和电流的大小，使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器 的触点。根据以上的参数，结合设计的演示性，选用额定工作电压120VAC/24VD，C工作电流3A,控制电压5VD啲小型继电器。2.2.4 A/D 转换模块设计方案ADC0809是M美国国家半导体公司生产的 CMO工艺8通道，8位逐次逼近 式 A/D 转换器。其内部有一个 8 通道多路开关,它可以根据地址码锁存译码后 的信号,只选通 8 路模拟输入信号中的一个进行 A/D 转换。是目前国内应用最 广泛的 8 位通用 A/D 芯片。1、主要特性<1） 8 路输入

11、通道, 8 位 A/D 转换器,即分辨率为 8 位。<2）具有转换起停控制端。<3）转换时间为100卩s（时钟为640kHz时>,130卩s<时钟为500kHz时）<4）单个+ 5V电源供电<5)模拟输入电压范围0+5V,不需零点和满刻度校准。<6)工作温度范围为-40+ 85摄氏度<7)低功耗，约15mW/2、内部结构和外部引脚ADC0809的内部结构和外部引脚分别如下两图所示。内部各部分的作用和 工作原理在内部结构图中已一目了然，在此就不再赘述，下面仅对各引脚定义 分述如下：<1) IN。IN7 8路模拟输入，通过 3根地址译码线 AD

12、D、ADD、ADD来 选通一路。<2) D7D0A/D转换后的数据输出端，为三态可控输出，故可直接和微 处理器数据线连接。8位排列顺序是D7为最高位，Db为最低位。<3) ADD、ADD、AD模拟通道选择地址信号， ADD为低位，ADD为高位。地址信号与选中通道对应关系如表 11.3所示。<4) *(+>、Vr(-> 正、负参考电压输入端，用于提供片内 DAC电阻网络 的基准电压。在单极性输入时， Vr(+>=5V， V(->=0V ；双极性输入时，Vr(+>、 Vr(->分别接正、负极性的参考电压。<5) ALE地址锁存允许信号，高

13、电平有效。当此信号有效时，A、B、C三位地址信号被锁存，译码选通对应模拟通道。在使用时，该信号常和START信号连在一起，以便同时锁存通道地址和启动 A/D转换。<6) STAR A/D转换启动信号，正脉冲有效。加于该端的脉冲的上升沿 使逐次逼近寄存止，重新从头开始转换器清零，下降沿开始A/D转换。如正在进行转换时又接到新的启动脉冲，则原来的转换进程被中。图ADC0809外部引脚图7) EOC转换结束信号，高电平有效。该信号在A/D转换过程中为低电平，其余时间为高电平。该信号可作为被CPU查询的状态信号，也可作为对CPU的中断请求信号。在需要对某个模拟量不断采样、转换的情况下，EOC也可

14、作为启动信号反馈接到START端，但在刚加电时需由外电路第一次启动。<8)OE输出允许信号，高电平有效。当微处理器送出该信号时， ADC0808/0809的输出三态门被打开，使转换结果通过数据总线被读走。在中断 工作方式下，该信号往往是 CPU发出的中断请求响应信号。3硬件电路设计3.1传感器电路系统选用B2119压阻式压力传感器，压阻式压力传感器是利用单晶硅的压 阻效应制成的器件。这种传感器精度高、工作可靠，容易实现数字化，比应变 式压力传感器体积小而输出信号大。它是目前压力测试中使用最多的一种传感 器。压阻式压力传感器使用集成电路工艺技术，在硅片上制造出四个等值的薄 膜电阻，并组成电

15、桥电路，当不受到压力作用时，电桥处于平衡状态，无电压 输出；当受到压力作用时，电桥失去平衡，电桥输出电压。电桥输出的电压与 压力成正比例。其工作原理图如 3 1所示图3 1压阻式压力传感器原理图3.2时钟电路与复位电路要使单片机按照设计要求正常工作，完整单片机最基本的工作要求，考虑到系统无需精确地 定时功能，且为了方便串口通 信波特 率的计算， 采用11.0592MHz的晶振提供系统时钟。并附加复位电路，组成单片机最小系统。图32复位电路及时钟电路3.3 A /D采集转换电路本系统A/D芯片所选用的是 ADC0809该大规模集成电路芯片是一种由单一 +5V电源供电，采用逐次逼近转换原理，能够对

16、 8路0+5V输入模拟电压进 行分时转换的八位并行通用型可编程模数转换器。ADC0809由单片机控制驱动，对传感器进行定式循环采集，然后单片机将各测量参数传至 PC机，进行后 台数据处理。电路连接如图3-3。图3 3 A/D转换电路图3.4按键设计键盘在单片机应用系统中是一个很关键的部件，它能实现向单片机系统输入数据、发送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。考虑到本设计实际需要的按键较少，故采用独立式键盘接口电路。在程序查询方式下，通过I/O端口读入按键状态，当有按键按下时，相应的I/O端口变为低电平，而未被按下的按键在上拉电阻作用下为高电平，这样通过读I/O口的状态判断是否有按键按R16

17、IR17|R181O1Cloft口 1CVGCK2 (SK3I sK4sK5R191DK下。图34系统按键电路4软件程序设计4.1系统主程序流程图系统主程序的功能主要是完成对单片机的初始化，设置警戒液位的上下 限，实时显示液位值以及键盘扫描等工作。主程序流程图如图4-1所示。开始bJ1CPU初始化参数设定是否有按键一-一按键处理否采样子程序<1显示实时液位数据处理子程序1r控制电机启停图41主程序流程图4.2显示与A/D转换的数据处理系统中，显示输出的要求为压缩BC码，而A/D转换输入的数据是8位16进制 码，因此在实现显示之前需要编码的转换。对8位A/D转换器而言，其十六进制、相对满偏

18、电压比率、相对电压幅值的关系对应如表4-2 :十八进制二进制满刻度比率相对电压幅值Vref=2.5V咼四位低四位咼四位电压低四位电压F111115/1615/2564.8000.320E111014/1614/2564.4800.280D110113/1613/2564.1600.260C110012/1612/2563.8400.240B101111/1611/2563.5200.220A101010/1610/2563.2000.200910019/169/2562.8800.180010008/168/2562.5600.160701117/167/2562.2400.140601106

19、/166/2561.9200.120501015/165/2561.6000.100401004/164/2561.2800.080300113/163/2560.9600.060200102/162/2560.6400.040100011/161/2560.3200.020000000/160/2560.0000.000表4-2 A/D转换幅值数据关系对照表显示转换部分程序简略如下:uchar dis_tra nsform(uchar num> uchar ac, quotie nt, play, mid ac = nu m%5b quotie nt = (nu m-ac>/5

20、if(ac>2>quotie nt+。ac=quotient%10 。mid=(quotie nt-ac>/10。play=ac+mid*16。return play 。4.3系统主程序ORG 0000HAJMP MAINP1 P3 口初始化置1若手动在自动位置，跳到自动模式程序ORG 0060HMAIN: MOV P1, #FFHMOV P3 #FFHJNB P1.3，AVTCLR P1.4Y3:JBP1.7 Y2SETBP1.5AJMPY2LG:CLRP3.2。水位高报警LD: AJMPMAIN。返回主程序AJMP MENENDAUT： NOP< 空命令）JNB P1.2 , LG JB P1.1 LD ， CLR P3.1 JB P1.0, LDD CLR P3.0JNB 3.1 P1.6, Y1CLR P1.4Y1:JNB P1.7 ,Y2CLR P1.5否则转到手动模式子程序水位高 LG 水位没低 -LD 水位低报警 水位未低低 -LDD 水位低低报警 M1 已启动 Y1否则启动 M1M2已启动 -Y2否则启动 M2Y2:ACALL DELAY；AJMP AUT ；延时 1 分钟 返回自动模式LDD: JNB P1.6 ,Y3单独运行 M1<LDD 水位