基于单片机的液位控制系统毕业设计_说明

1、. . . . 题 目：基于单片机的液位控制系统设计姓 名： 游威振 学 号：4 系 别：物理与电子工程系专 业：自动化 年级班级： 2009级（2）班 指导教师：郭艳花 讲师2013年 5 月 18日毕业论文（设计）作者声明本人重声明：所呈交的毕业论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全了解有关保障、使用毕业论文的规定，同意学校保留并向有关毕业论文管理机构送交论文的复印件和电子版。同意省级优秀毕业论文评选机构将本毕业论文通过影印、缩印、扫描等方式进行保存、摘编或汇编；同意本论文被编入

2、有关数据库进行检索和查阅。本毕业论文容不涉与国家。论文题目：作者单位：作者签名： 年 月 日 目 录摘要1引言11.概述22.系统总体方案23.系统硬件设计33.189C52单片机最小系统33.2液位信号采集电路43.3显示与报警电路53.4水泵控制电路63.5直流电源电路74.系统的软件设计85.系统仿真测试96.结论13参考文献13附录A 总原理图15附录B 系统程序16致1819 / 22基于单片机的液位控制系统设计 摘 要：本系统以单片机AT89C52为控制核心来实现水位的基本控制功能。该设计由液位信号采集电路、显示与报警电路、直流稳压电源电路和水泵控制电路组成。以单片机端口输出电平控

3、制继电器动作，实现电机的启动或停止，从而达到自动控制水位目的。另外，系统根据设定的高度控制水位，同时具备报警提醒功能。该系统操作方便，性能良好，进一步提高了液位控制的安全性、可靠性与实用性，降低了硬件成本。关键词：AT89C52；信号采集；水位控制；显示与报警Design of Liquid Level Control System Based on MCUAbstract: The AT89C52 single-chip computer is usedin the systemas the control core to realize the basic control function

4、s of water level. Asignal acquisition circuit, a display and alarm circuit, a power supply circuit and a water pump control circuit are included in thisdesign. When the relay is controlled by the level of the output port of the single-chip computer, the motor isset upor stopped so as to achieve the

5、purpose of automatic water level control. In addition, according to the set of water level control system, the system is given the alarm function. The system is operated easily and has good quality, which further improves the safety , reliability and practicabilityof level control and the cost of ha

6、rdware is also reduced.Key Words: AT89C52; Signal Acquisition; Water Level Control; Display and Alarm引言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泛应用于电子产品中。我国农村地区普通家庭用水主要采用人工加水的方式，当生活用水用完时再人工开启水泵加水，很不方便。且加水的过程中必须时刻注意水位的高度以防水溢出。所以这一切问题的存在，都在呼唤一种简单经济的水箱水位检测报警控制系统的诞生。传统的控制方式存在控制精度低、能耗大的缺点,而自动控制系统, 依据用水量的变化自动调节系统的运行参数,保

7、持水压恒定以满足用水要求, 从而提高了供水系统的质量。液体的液位的自动控制,是近年来新开发的一项新技术,它是微型计算机软件、硬件、自动控制等几项技术紧密结合的产物。单片机是在一块芯片上集成了一片微型计算机所需的CPU、存储器输入、输出等部件的小型芯片。单片机自问世以来，性能不断提高和完善，体积小、速度快、功耗低的特点使它的应用领域日益广泛。单片机稳定性好且抗干扰能力强，使用单片机控制液体液位成为很好的选择。1. 概述液位控制一般指对某一液位进行调节，使其达到所要求的控制精度。液位控制系统是以液位为被控参数的控制系统，它在生产生活各领域都有广泛应用。目前我国在单片机测控装置研究、生产、应用中，取

8、得了很大的成绩，总结了很多经验,但是各行业仍处于发展期，经调查，更多科研机构在这方面开展的工作更看重的是理论和算法，数年来这方面的研究的论文较多，着重生产实际的很少。在，新型的单片机测控装置与系统研究的生产基础较雄厚，在生产过程中需要新型的测控装置与系统，因此其在不断的努力研究与开发中。的工程技术研究人员更着重的是生产实际研究，对理论、算法和成果的论文较少；在研制新型的测控装置与系统领域也比较有成就，尽管与发达国家比较尚有差距，但是，的高校、研究院所的最大的特点就是实际，与生产实际应用项目无关的问题基本不去考虑，主要考虑选取什么材料，测控什么物理量，优点是什么，与机器设备的通讯接口等等。本次设

9、计-基于单片机的液位控制系统设计，以单片机为控制核心，提供了一个对供水箱水位进行监控的系统。根据监控对象的特征，能够实时检测水箱的液位高度，并与开始预设定值做比较，由单片机控制继电器的开断进行液位的调整，最终达到液位的预设围。在水箱部设计了一个简单的水位探测传感器来检测三个水位，即低水位，正常水位和高水位。低水位时，红灯亮且启动水泵；正常围水位时，水泵加水且绿灯亮；达到高水位时，停止水泵加水且黄灯亮；系统出现故障时，三灯均亮以提醒有关人员维修。此装置成本低，安装方便，灵敏性好，是节约水源，方便家庭和单位控制水塔水位的理想装置。2. 系统总体方案 系统总体电路主要由液位信号采集电路、水泵控制电路

10、、显示与报警电路、直流电源电路以与AT89C52单片机最小系统五部分构成。本设计中，传感器采集的液位高度信号送往单片机，由单片机输出相应控制信号。显示与报警电路用于表明当前液位状态以与是否出现系统故障；水泵控制电路根据单片机的输出信号断开或闭合水泵电机开关；直流电源电路为系统提供所需电压。硬件总体框图如图1所示。液位信号采集电路P1.0P1.1 AT89C52单片机 水泵控制电路P2.0直流电源电路 显示与报警 电路P2.1P2.4时钟和复位电路 图1 系统总体框图3. 系统硬件设计3.1 89C52单片机最小系统单片机最小系统如图2所示。单片机的工作必须在时钟信号控制下才能有序图2 89C5

11、2单片机最小系统地进行，而时钟电路就是为单片机工作提供基本时钟信号的。单片机的时钟信号通常有两种产生方式：部时钟方式和外部时钟方式。此设计采用外部时钟方式。无论是在单片机刚开始接上电源时，还是运行过程中发生故障都需要复位。复位电路用于将单片机部各电路的状态恢复到一个确定的初始值，并从这个状态开始工作。单片机的复位形式：上电复位、按键复位。此设计采用按键复位。3.2 液位信号采集电路此模块包括液位传感器电路与稳压电路。传感器是一种能感受到被测物体物理量的变化并将其转化为便于传输和处理的电信号的装置，它被广泛应用于生产生活的各个领域。本设计采用的水位探测传感器制作简便，经济实惠。传感器电路如图3所

12、示。B线为低水位控制线，当水位低于此线时它不导通，水位在正常围时，它导通。C线为高水位线，它导通时表明水位已经达到高水位。当水位低于低水位控制线时，由电机带动水泵供水。单片机控制电机转动，随着持续供水，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+5V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，不再向水箱注水；当水位处于上、下限之间时，B棒和+5V导通，而C棒不能与+5V导通，B端为“1”状态，C端为“0”状态，此时不管是电机正在带动水泵给水箱注水，还是电机不工作且水位不断下降，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、

13、C棒均不能与+5V导通，两者均为“0”状态。此时应启动电机带动水泵给水箱加水。图3 液位传感器模型稳压电路能够保证从传感器输出的电压稳定地送往单片机中，其电路结构与液位传感器电路共同构成液位信号采集电路，如图4所示。稳压电路主要由两级放大稳定电路组成，能够将由液位传感器实时采集到的当前液位状态的电压形式的信号通过稳压处理，送往核心控制芯片AT89C52单片机。其工作过程是：由R2或R5接收传感器的模拟信号，再将此信号通过稳压电路经引脚P1.0或P1.1稳定地送往单片机。具体地说，如果R2或R5得到的是高电平，则Q1、D1和Q2导通并把高电平传到单片机的输入引脚P1.0或P1.1；若R2或R5得

14、到的是低电平，则Q3、D2和Q4均不能导通，使得送入单片机引脚P1.0或P1.1的是稳定的低电平。图4 液位信号采集电路3.3 显示与报警电路此电路采用三种颜色的发光二极管来表示不同的水位情况，并使用蜂鸣器来产生系统的故障报警提醒，如图5所示。当只有红灯亮时，表明当前液位为低水位，需要启动水泵加水；当只有绿灯时，表明液位处于正常围，水泵继续供水；当只有黄灯亮时，说明水位达到高水位的控制线，水泵需要停止供水。当三灯均亮且蜂鸣器响时，表明系统出现故障。三个发光二极管分别与单片机的P2.1脚、P2.1脚和P2.3脚相连接，蜂鸣器与P2.4脚相连。图5 显示与报警电路3.4 水泵控制电路水泵控制电路如

15、图6所示。该电路由继电器和闭合开关、光电耦合器、电动机、R2、R3、R4以与D1、Q4等组成。当液位在低水位时单片机给P2.0送一个低电平导通光电耦合器，然后光电耦合器驱动Q4导致继电器闭合从而让220V的交流电接通电动机，带动水泵向水箱加水。电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等部分元件组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而在线圈中产生电磁效应。衔铁就会在电磁力吸引的作用下，克服返回弹簧的拉力被吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈中的电流消失后，电磁效应也随着消失，电磁的吸力便会消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动

16、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”。图6 水泵控制电路光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电光电转换器件。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，彼此间用透明绝缘体隔离。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。继电器是具有隔离功能的自动开关元件，在此设计当中主要来做自动控制作用，采用+5V的直流电来控制220V的交

17、流电，以达到控制水泵的作用。 3.5 直流电源电路直流电源电路如图7所示。在各种电子设备中，直流稳压电源是必不可少的电路组成部分，也是维持电子设备工作的唯一能量来源。稳压电源的主要任务是将50Hz的电网电压转换成稳定的直流电压和电流，从而满足系统正常工作的需要。直流稳压电源一般由整流、滤波、稳压等环节组成。本装置的电源，是将220V交流电压通过降压变压器转换后，再经过整流桥整流和滤波电容滤波，并由7805稳定后向系统输出稳定的+5V直流电压。图7 直流稳压电源电路其中，变压器将交流电源（220V/50Hz）变换为符合整流电路所需要的交流电压；整流电路是具有单方向导电性能的整流器件，将交流电压整

18、流成单方向脉动的直流电压；滤波电路滤去单向脉动直流电压中的交流部分，保留直流成分，尽可能供给负载平滑的直流电压，其中两个极性电容起到滤波的作用，非极性电容C6和C7则可以改善负载的瞬态影响，使电路稳定工作；稳压电路是一种自动调节电路，在交流电源电压波动或负载变化时，通过此电路使直流输出电压稳定。4. 系统的软件设计图8为水位控制主程序流程图。启动该系统后，单片机先进行初始化设置。接着，传感器测量液位高度并把液位信息送入单片机，单片机经过分析发出相应的控制信号。根据水位状态的不同，水泵与三指示灯运行状态如下：若液位低于下限值即（P1）=00H,则启动水泵加水且红灯亮，其他两灯不亮；若液位达到上限

19、设定值即（P1）=03H，则水泵将停止工作且只有黄灯亮；若水位在两者之间即（P1）=01H,则水泵继续工作且只有绿灯亮；若系统出现故障，即（P1）为其它值，则三种颜色指示灯均亮且蜂鸣器发出响声。 开 始程序初始化延时1SY红灯亮且启动水泵(P1)=00H吗？NY绿灯亮且水泵抽水(P1)=01H吗？NY停止水泵，三灯均亮且蜂鸣器响（P1)=02H吗？NN黄灯亮且停止水泵Y（P1)=03H吗？图8 水位控制程序流程图5. 系统仿真测试根据所设计系统的软件流程图，编写相应的程序在Proteus软件环境下实际仿真。低水位仿真图如图9所示。此时由于导线B与导线C均未与+5V接通，所以输入单片机AT89C

20、52的电平均为低电平，从而导致红色放光二极管亮而另外两只不亮，并且水泵开始往水箱里加水。图9 低水位仿真图水位位于正常状态时，包括两种情况：1.水泵正在进行加水，液位在上限与下限水位之间且处于逐渐上升的过程；2.随着日常用水量的增加，液位正处于由上限水位下降至下限水位的过程。第一种情况下，由于水的导电作用，使得导线B与+5V接通，而导线C由于悬空未与+5V接通，因此B线得到高电平而C线得到低电平。接着B线与C线将所得到的电平送往单片机AT89C52的P1.0引脚和P1.1引脚。此时，绿色指示灯亮，红灯与黄灯均不亮，且水泵正在向水箱加水，仿真图如图10所示。第二种情况下导线B与导线C的状态与第一

21、种一样，单片机接收到来自B和C两导线的电平后，经分析发出相应的控制信号。但此时，三个指示灯均不亮，水泵处于停止供水状态，仿真图如图11所示。 图10 正常状态1仿真图图11 正常状态2仿真图水箱高水位状态如图12所示。此时导线B与导线C均与+5V导通，两者将高电平送入单片机中，再由单片机发出控制信号，使得黄色指示灯亮而其他两灯不亮，且停止水泵加水。图12 高水位仿真图故障状态是指，由导线B与导线C得到的电平状态分别为0和1时系统所处于的运行状态。设计者经过分析认为，出现故障状态的原因在于，由于导线B与导线C长时间与水接触，并随时与水发生微弱的电化学作用，此作用日积月累可能会导致B线或C线与水接

22、触不良，从而使得由两导线发送到单片机的液位状态信号可能不符合实际情况。此时单片机通过分析，向各负载发出控制信号，此控制信号使得红绿黄三个指示灯均亮，且由蜂鸣器发出持续的报警声，以提醒有关人员注意。系统故障状态仿真图如图13所示。 图13 系统故障仿真图6. 结论本系统主要介绍了液位检测与控制，介绍了AT89C52单片机在液位控制中的应用。本设计还采用了传感器来采集液位信号，利用LED来显示高度信号，并具有报警提醒功能。此设计的硬件系统的结构简化，系统精度高。本系统所采用的传感器性能稳定，测量准确,大大简化现场安装。液位控制在设定值上正常运行不需人工干预，减轻了操作人员的劳动强度。采用单片机设计

23、出的液位控制器，能够针对水位的不同状态和不同外界条件进行控制。控制装置具有成本低、抗干扰能力强、控制性能好，且系统硬、软件维护简单方便，具有良好的应用前景。参考文献1 何立民.单片机高级教程M.:航空航天大学,2007.2 晶.电路设计与制版protel99高级应用M.:人民邮电,2000.3 迎新.单片微型计算机原理应用与接口技术M.:国防工业,2008.4 后俊伟.电子设计自动化M.:电子科技大学,1995.5 钟晓强.基于单片机实现的液位控制器设计J.现代电子技术,2009(2): 21-22.6 蔡黎.一种基于单片机的水位自动控制系统设计J.仪器仪表用户,2007(4):43-45.7

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