《基于单片机的水位检测控制系统设计【论文】》

基于单片机的水位检测控制系统设计目录TOC\o"1-3"\h\u21566一、绪论 1230651、研究背景 120852、研究意义 2148043、本次设计的内容 216701二、系统的总体方案概括 396801、使用单片机实现水位控制的优点 3223042、系统的总体研究方案 3306623、设计系统简述 417153三、控制器简介 6145831、单片机简介 6293312、集成芯片 9194433、集成电路 1020940四、系统硬件设计 12201191、最小系统电路设计 1234932、液位检测部分电路控制 12166693、负反馈系统电路 1325088五、结语 1526086参考文献 16一、绪论在我国社会经济飞速发展的过程中，水在人们生活实践中具有极其重要的作用，随着人们对水的需求量越来越大，水资源也相对越来越少，目前国内水资源个需求量要远远的超出国外对水的需求使用量。据统计，我国目前大约有Ho%以上的大中城市，甚至许多乡镇都面临缺水或严重缺水，国内的农业发展也受到了限制，所以，我们大家都要节约用水。目前我国的水供给方式多种多样，但水塔供水系统是最基本的供水方式。该供水方式应用广、耗能大、水资源集约化使用程度小高，且水资源浪费严重，这与我国提倡建立环境友好型与资源集约型社会相悖。因此，基于自动控制原理的水位控制系统会根据水塔供水的水位变化，小断自动调节供水量，既满足了用户的日常用水需求，又能提高用水质量。水位控制系统优点很多，如结构简单、造价低、安装简便，可以远距离监控水位，既方便工作人员远程监控，又能节约资源。水位控制系统是一种实用性很强的自动控制设备，它使用STC12C5八单片机作为控制器，非常方便地实现了水位自动控制川。以往是由工作人员于低水箱进行操作，无法对水位进行时时监控与自动控制。水位控制系统可以对水位进行本地监控和远程监控，工作人员可以足小出户地实时监控远处的供水情况，小仅大大降低了工作人员工作强度，也最大限度地避免了意外发生，可以使资源浪费得到控制，也加大了工业的产量。1、研究背景中国在世界上的水资源总量世界排名第六，但人均量是世界人均的四分之一，地理分布很不平衡，长江以北的广大地区特别是北方最大型和中型城市缺水的状态，水资源短缺已经成为一个重要的因素限制了我国经济的发展。水资源的合理利用已成为一个亟待解决的重要问题。为了达到水资源的合理利用，我们可以充分应用新的信息技术实现水位智能控制。在日常生产生活中，人们经常要对水位进行检测。水塔水位检测系统是我国住宅小区普遍应用的检测系统。而住宅小区用户用水的多少是经常变动的，因此水位过高或水位过低的情况时有发生。而水位高低的不平衡集中反映在用水高峰期和低谷期，即用水多而供水少，给水塔水位低；用水少而供水多，则给水塔水位高。为保证住宅小区用户用水量的供应，必须实现对水塔水位智能检测。2、研究意义近几十年来，随着生产和科学技术的发展，智能水位检测己渗透到各种科学领域，成为促进当今生产发展和科学技术进步的重要因素。不论当今社会经济如何飞速发展，水在人们正常生活和生产中依然起着不可替代的重要作用。一旦断水，轻则给人们生活带来极大的不便，重则可能造成严重的生产事故及损失。水塔检测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。首先通过实时检测测量水位变化，从而控制电动机的启停，保证水位正常。因此，设计一套成本低，安装方便，灵敏性好，节约水源，方便家庭和单位控制水塔水位的理想控制装置具有十分重要的意义。3、本次设计的内容本次设计中水泵先向水塔供水，再由水塔向用户供水。水塔的合理高度是要求水塔最低水位略高于供水系统所需要压力。水塔注满后水泵停止，水塔水位低于某一位置时再启动水泵。水泵处于断续工作状态中。这种供水方式，水泵工作在额定流量额定扬程的条件下，水泵处于高效区。这种方式显然节能省电，其节电率与水塔容量、水泵额定流量、用水不均匀系数、水泵的开、停时间比、开、停频率等有关。供水压力比较稳定。二、系统的总体方案概括1、使用单片机实现水位控制的优点使用单片机实现水位控制具有较高的实用价值和稳定性好等特点。采用单片机内部程序控制的模拟水位传感器测量水位，可有效保证水位的自动控制，能更好地对水位进行自动化控制,避免了工作人员在现场进行检测操控,方便了人员对水位系统的控制,控制方便且系统稳定性能好；单片机不仅有体积小，安装方便，功能较齐全等优点，而且有很高的性价比，应用前景广，同时有助于发现可能存在的故障，通过微机实现给水系统的自动控制与调节，维持稳定系统，保证安全经济运行。本文就是采用AT89S52单片机为核心芯片的一种水位控制系统，具有较高的实用价值和优越性。本系统与PLC控制系统相比大大降低了使用成本,提高了控制运行速度。根据仿真模拟运行的结果表明,该系统能很好的运行,将水位控制在给定的范围内,对过高和过低进行安全报警,稳定性能好,容易操作和控制,保证了生产的正常进行。2、系统的总体研究方案本设计是采用AT89S52单片机为核心芯片,及其相关硬件来实现的水位控制系统,在用水位传感器测水位的同时,CPU循环检测传感器输出状态,并用四位数码管2481BS显示示水位高度,检测水位数据。并且在设计中主要有水位检测、上下限位控制、A/D转换、数码管显示部分和反馈系统等几部分组成来实现水位控制。我们采用单片机内部程序控制的模拟水位传感器测来探测模拟三个水位，即低水位，正常水位，高水位。当水位低于用户设定的值时送给单片机一个高电平，系统自动打开泵上水，红灯亮；当水位到达设定值时,系统自动关闭水泵或打开排水泵。其中在本设计中所需要设定的技术参数和设计任务有：利用单片机AT89S52实现对模拟水箱进行水位的控制；把单片机内部程序控制的模拟水位传感器模拟的水位值转化为电信号送给单片机，并通过A/D转换以实现对水位显示系统的控制和加水放水的控制；数模转换及数码管显示系统电路，采用数码管2481BS显示模拟水位值来表示不同的水位情况；4、水泵加水电路由继电器进行控制；5、分析工作原理，绘出系统结构原理图及流程图。3、设计系统简述本系统由电源电路、模拟水位探测传感电路、稳压电路、单片机系统、蜂鸣器报警电路、继电器控制水泵加水电路、以及水箱模型组成。其主原理图如下：图1水位系统组成的原理图当水位处于低水位的时候，传感器的低水位探测线没被+12V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，另一个稳压电路输出的高电平进入单片机的P1.1口单片机经过分析，在P1.2口输出一低电平，驱动红灯亮，P1.5出来一个信号使继电器得电，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，在P1.3引脚出来一个低电平，使绿灯亮；当水位在高水位区时，传感器的两根探测线均被导通，均被+12V的电源导通，送入单片机单片机经过分析，在P1.4引脚出来一个低电平，使黄灯亮，在P1.5端出来一个低电平不能使继电器得电，这样继电器不能闭合，水泵不能加水；当三个灯同时闪烁表示系统出现故障。本设计研究的水箱控制系统是简单控制系统，是使用的最普遍的、结构最简单的一种过程控制系统。水箱给水设备系统结构图如图2所示：图2水箱给水设备系统结构图其中M1为给水泵机组，本设计中我用了继电器控制小电机的正反转来控制水位。LG、LDD分别为单片机程序模拟水箱内部水位上限、水位下限，当水位高（大于90%）时，LG闭合，当水位低（低于75%）时，LD闭合，当水位低（小于50%）时，LDD闭合。水箱的控制器由AT89S52系统构成。当水位过高或者过低时，有AT89S52单片机的27脚，也就是P26口输出低电平通过三极管8550打开蜂鸣器报警。蜂鸣器输出通过继电器，控制水泵机组的起停和报警，其电路图如下：图3水箱控制器蜂鸣器报警电路小结：在这个方案中我使用了单片机处理，单片机技术是信息时代用于精密测量的新技术。此系统使用过程中采用的12V稳压电路能够准确地把输入的电平送给单片机而不会产生误判,AT89S52单片机有四端口，40个引脚能够非常方便地设计显示系统。通过微机实现给水系统的自动控制与调节，维持稳定系统。本文采用AT89S52单片机为核心芯片的一种水位控制系统，具有较高的实用价值和优越性。

三、控制器简介1、单片机简介AT89S52为ATMEL生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，功能强大之AT89S52单片机可为提供许多较复杂系统控制之应用场合。AT89S52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89S52可按照常规方法进行编程，亦可在线编程。其将通用之微处理器及Flash存储器结合，特别是可反复擦写的FLASH存储器可有效降低开发成本。AT89C52及AT89S52之别，在于C及S，C表示需用并行编程器下载（接线多且复杂），S表示可支持ISP下载，可在89S52系统板上面预留ISP下载接口，AT89S52引脚如图4所示：图4AT89S52引脚图在本系统中AT89S52单片机所运用到的引脚具体控制如下：1)其中P0口——8位漏极开路之双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。访问外部程序和数据存储器时，P0口亦被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0不具有内部上拉电阻。在FLASH编程时，P0口亦用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需外部上拉电阻。P0.0:AT89S52单片机控制电机加水提示端口信号。P0.1:AT89S52单片机控制电机抽水提示端口信号。P0.2:AT89S52单片机控制电机停止提示端口信号。2)P1口和P3口为输入输出水位检测信号和控制信号。P1.0～P1.7:P1口8位准双向I/O口，占1～8脚；P3.0～P3.7:P3口8位准双向I/O口，占10～17脚；当水位处于低水位的时候，单片机模拟控制的水位控制端口被+12V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，另一个稳压电路输出的高电平进入单片机的P1.1口单片机经过分析，在P1.2口输出一低电平，驱动单片机加水信号，P1.5出来一个信号使继电器得电导通，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，在P1.3引脚出来一个低电平驱动单片机稳定水位信号；当水位在高水位区时，单片机模拟传感器的两个端口均被导通，均被+12V的电源导通，送入单片机，单片机经过分析，在P1.4引脚出来一个低电平，驱动单片机放水信号，在P1.5端出来一个低电平不能使继电器得电导通，这样继电器不能闭合，水泵不能加水。P1口——有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可作输入口用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可作输入口用。作输入用时，被外部拉低的引脚因内部电阻，将输出电流（IIL）。此外，P1.0及P1.2分别作定时器/计数器2之外部计数输入（P1.0/T2）及时器/计数器2之触发输入（P1.1/T2EX）。在flash编程及校验时，P1口接收低8位地址字节。P1.0：T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出。在本设计中用于M1正转启动KM1控制输出信号。P1.1：T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）。在本设计中用于M1反转启动KM1控制输出信号。P1.2：加水过程中的M1开关状态输入信号。（开0，关1）P1.3：放水过程中的M1开关状态输入信号。（开0，关1）3)P3口——有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可用作输入口。作输入用时，被外部拉低的引脚因内部电阻之原因，将输出电流（IIL）。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）用，在FLASH编程及校验时，P3口亦接收些控制信号。此外，P3口亦接收些用于FLASH闪存编程及程序校验的控制信号。P3.0：RXD(串行输入口)，在本设计中用于水位低时的输入信号。（低0高1）P3.5：T1(定时/计数器1)，在本设计中用于水位低时的输入信号。（低0高1）P3.2：INTO(外中断0)，在本设计中用于水位高时的输入信号。（高1，低0）P3.1：TXD(串行输出口)，在本设计中用于手动稳定水位时的输入信号。P3.3：INT1(外中断1)，在本设计中用于加水过程中的手动停止输入信号。P3.4:TO(定时/计数器0)，在本设计中用于放水过程中手动停止输入信号。4）RST——复位输入。振荡器工作时，RST引脚有两个机器周期以上高电平将是单片机复位。：AT89S52的重置引脚，高电平动作，当要对晶片重置时，只要对此引脚电平提升至高电平并保持两个机器周期以上的时间，AT89S52便能完成系统重置的各项动作，使得内部特殊功能寄存器之内容均被设成已知状态，并且至地址0000H处开始读入程序代码而执行程序。5）电源及其它的引脚的作用：VCC(40脚)：AT89S52电源正端输入，电源端+12V。GND(20脚)：接地端。VSS：电源地端。XTALl、XTAL2(19～18脚)：时钟电路引脚。当使用内部时钟时，这两个引脚端外接石英晶体和微调电容。当使用外部时钟时，用于外接外部时钟源。XTAL1：单芯片系统时钟的反相放大器输入端。XTAL2：系统时钟的反相放大器输出端，一般在设计上只要在XTAL1和XTAL2上接上一只石英振荡晶体系统就可以动作了，此外可以在两引脚与地之间加入一20PF的小电容，可以使系统更稳定，避免噪声干扰而死机。6）其中的AT89S52主要功能如下：1.拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash2.晶片内部具时钟振荡器（传统最高工作频率可至12MHz）3.内部程序存储器（ROM）为8KB4.内部数据存储器（RAM）为256字节5.32个可编程I/O口线6.8个中断向量源7.三个16位定时器/计数器8.三级加密程序存储器9.全双工UART串行通道路的输入10.XTAL2：来自反向振荡器的输出。2、集成芯片ACDC0809位8路A/D转换集成芯片。可实现8路模拟信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道地址锁存用译码电路，其转换时间为100us左右。ADC0809芯片为28引脚双列直插式封装，其引脚排列见图5。图5ADC0809引脚排列图IN0～IN7：模拟量输入通道信号单极性，电压范围0-5V，若信号过小还需进行放大。ADDA、ADDB、ADDC:地址线A为低位地址，C为高位地址。ALE：地址锁存允许信号。对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。START：转换启动信号。START上跳沿时，所有内部寄存器清“0”；START下跳沿时，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持低电平。本信号有时简写为ST。D7～D0：数据输出线。OE：输出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE=0，输出数据线呈高电阻；OE=1，输出转换得到的数据。CLK：时钟信号。ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供。通常使用频率为500kHz的时钟信号。EOC：转换结束信号。EOC=0，正在进行转换；EOC=1，转换结束。使用中该状态信号既可作为查询的状态标志，又可以作为中断请求信号使用。VCC：＋5V电源。VREF：参考电源。参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典型值为＋5V（VREF（＋）＝＋5V，VREF（=0V））。3、集成电路（1）74HC245电路74HC245是一种三态输出的8总线收发驱动器，无锁存功能。图6是74HC245的引脚图;图7是74HC245的功能表。它的G端和DIR端是控制端，当它的G端为低电平时，如果DIR为高电平，则74HC245将A端数据传送至B端；如果DIR为低电平，则74HC245将B端数据传送至A端。在其他情况下不传送数据，并输出高阻态。图674HC245的引脚图和功能表（2）集成电路LM324简介LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图8所示。它内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。11脚接负电源，4脚接正电源。图7LM324电路符号与管脚图四、系统硬件设计1、最小系统电路设计图8AT89S52单片机最小系统1.要使单片机工作起来，最基本的电路的构成为注意：EA/VP(31脚)接+5V。2.电源电路：向单片机供电。单片机电源：AT89S52单片机的工作电压范围：4.0V—5.5V，所以通常给单片机外接5V直流电源。连接方式为VCC(40脚）：接电源+5V端VSS(20脚）：接电源地端。3.RST——复位输入。振荡器工作时，RST引脚有两个机器周期以上高电平将是单片机复位。复位电路用来确定单片机工作的起始状态，完成单片机的启动过程。单片机接通电源时产生复位信号，完成单片机启动，确定单片机起始工作状态。手动按键产生复位信号，完成单片机启动，确定单片机的初始状态。通常在单片机工作出现混乱或“死机”时，使用手动复位可实现单片机“重启”。4.时钟电路：单片机工作的时间基准，决定单片机工作速度。时钟电路就是振荡电路，向单片机提供一个正弦波信号作为基准，决定单片机的执行速度。AT89S52单片机时钟频率范围：0—33MHz。2、液位检测部分电路控制传感器是把一种物理量（或化学量、生物量）转换成另一种与之有确定对应关系的物理量（通常是电量）的装置。它是测量系统中最重要的环节。在现代科技领域中，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，传感器的基本功能在于能感受外界的各种“刺激”并作出迅速反映。在本设计当中我们采用单片机程序模拟液位的采集信号，并通过单片机CPU的程序化控制后，需要输出模拟量去控制被控对象或用于显示。模拟量信号是连续变化的电压、电流信号，与数字量有本质上的区别，模拟量信号需要放大、滤波、线性化、信号变换等一系列的电路处理，把检测到的模拟量电压、电流信息变换成0-5V的电压信号，通过A/V转换电路转换成相应的数字量才能输入单片机处理。同样，单片机输出的数字量控制值，也往往要通过D/A转换电路变换成模拟量才能去控制被控对象或用于数据的显示。图9液位检测控制部分单片机原理图图10液位检测控制部分电路原理图3、负反馈系统电路自动控制理论也被称为负反馈控制理论。首先检查系统接线，确定系统的反馈为负反馈。例如电机调速系统，输入信号为正，要求电机正转时，反馈信号也为正，同时电机转速越高，反馈信号越大。其余系统同此方法。在本设计模拟水箱的水位控制部分，采用了一套闭环负反馈控制系统。闭环控制系统的特点是系统被控对象的输出(被控制量)会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈，若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。其控制原理图如下。图11负反馈系统控制原理图这是单回路水箱液位控制系统，单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。本系统所要保持的恒定参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制水箱液位等于给定值所要求的高度。根据控制框图，这是一个闭环反馈单回路液位控制。其中控制阀接受控制器输出的控制信号，通过改变阀的开度来达到控制流量