基于单片机的水箱水位控制系统

基于单片机的水箱水位控制系统【摘要】水箱水位控制系统在工业、生活等领域有着非常普遍的应用。是一种以检测水箱水位高度来实现水箱水量的自动化控制和调节。水箱控制系统在生活及工业用水储存，及其他液体储存监测控制上的主要作用是保持水箱液体恒定的储备量。系统可以做到不间断、自动化的用水或液体的供给。与其相关的控制系统还有常用于工业作业的仪表控制或微机控制。本次设计的水箱水位控制系统，可以实现对水箱内水位进行自动化控制，并具有水位的显示功能和警报功能。在操作上，更为便捷，可以实现自动化控制，该系统可以在各种复杂环境化运行，且稳定性良好。【关键词】：单片机；水位控制系统；水泵目录TOC\o"1-2"\h\u引言 1一、水位控制系统现状及特点 2（一）国内外研究的现状 2（二）优势及特点 2二、水箱水位控制系统的设计 2（一）设计目的及核心内容 2（二）系统方案 3三、系统硬件设计 5（一）单片机概况 5（二）单片机最小系统电路图 6（三）起振电路设计 7（四）水位传感器 7（五）继电器 8四、系统软件设计 8（一）系统主程序设计 8（二）水位检测程序流程图 10五、系统安装与调试 10（一）实物焊接 10（二）程序烧录 11（三）系统功能测试 11总结 12致谢 13参考文献 14附录 16PAGEPAGE17引言水箱水位控制系统在工业、生活等领域有着非常普遍的应用。是一种以检测水箱水位高度来实现水箱水量的自动化控制和调节。水箱控制系统在生活及工业用水储存，及其他液体储存监测控制上的主要作用是保持水箱液体恒定的储备量。系统可以做到不间断、自动化的用水或液体的供给。与其相关的控制系统还有常用于工业作业的仪表控制或微机控制。单片机作为一种新型电子技术，它是集合了微型计算机所需的CPU、存储器、输入、输出等部件，可以进行较为简易的信息处理和输出输入等工作。单片机在机械和电子应用领域十分宽泛，随着科技的发展，单片机技术的提升，在性能、运行速度提升上不断突破，将会使单片机的应用前景更加广泛。单片机自出现以来，具有体积小巧、低功耗等多种优势。部分设备在技术提升上，已经发展出很强的抗干扰性、环境适应性高的产品。由于工业生产所需要的控制系统的工作环境相对较差，通过使用单片机进行控制可以很好的减少人工成本，而且准确性和稳定性也都十分出色。一、水位控制系统现状及特点（一）国内外研究的现状近些年，我国的单片机生产技术正以快捷高能的速度逐步发展中，尤其在测控设备的生产、应用方面都有着很好的成果。但相比国外欧美等发达国家，我国的技术水平还有很多方面远远不足。很多领域的发展空间还很长远。根据近些年调查，我国在科技领域研究上还有很多发展弊端和限制。就以单片机技术为例，目前大多科研机构的研究方向和目标都还是着重算法和理论知识。在科研及论述上多以此为重。只有少量发达地区开始注重实际及生产需求。比如上海及深圳、北京等。这些地区多有高科技产品的基础生产基地，电子科技竞争大，产品更新换代速度高。科研机构的研发实力和经验比较丰富，所以在产品的实际用途例如功能性、产品质量、材质、产品优势、应用项目等方面尤为重视。（二）优势及特点本次设计的水箱水位控制系统在水位测量上，使用了2个水位传感器一个安装在水箱上端一个安装在水箱下端，用来监测水箱内的水量情况。这样的设计可以让水位的控制实现自动化，便于管理者的操作与管理。本次设计的基于单片机的水箱控制系统有着便于控制，实用性强的良好特性。管理者可以不用进行现场操控，该系统还具有良好的稳定性。单片机系统一直以来都以小巧且功能强大、性价比高、便于安装的优点备受使用者们青睐，有着广袤的发展前景。单片机系统排障性能强，系统检测性能高，故障率低，可以连接电脑实行供水系统的调控，并可以维护其安全运行，保障系统稳定。本次设计是基于单片机的水箱水位控制系统的设计，使用了AT89C51型号单片机作为核心芯片，该型号单片机不仅有着不错的性能和稳定性，性价比也十分的出众。二、水箱水位控制系统的设计（一）设计目的及核心内容本次设计的水箱水位控制系统，可以实现对水箱内水位进行自动化控制。在操作上，更为便捷，可以实现自动化控制，该系统可以在各种复杂环境化运行，且稳定性良好。系统核心内容有：当水箱内的上端水位感应器检测到水位低于80%时水泵自动启动对水箱内进行供水，当上端水位感应器检测到水位高于80%时水泵停止供水。当下端水位感应器检测到水位低于30%时，水箱水位控制系统将会开启报警程序，指示灯会亮起用于提醒水箱当前水位过高或过低。见下图2-1所示=水位传感器1水位传感器2水箱单片机进水单片机预警灯继电器预警灯继电器水泵图2-1系统结构设计图（二）系统方案1.系统设计分析水箱水位控制系统的是以水箱内设计的2个水位传感器进行判定，一个水位传感器安装在水箱80%的位置，一个水位传感器安装在水箱30%的位置，当水位传感器检测到水箱内的水低于80%时，会将数据传输给单片机，单片机接收到数据后会对其进行处理，随后控制其他设备完成相关任务。当水位传感器检测到水箱内的水低于30%时，会触发报警程序，水箱水位控制系统的预警灯会亮起。本次设计的水箱水位控制系统通过感知水箱内水的位置，从而控制单片机执行对应的操作，最终达到检测并控制水箱内水位高度。基于单片机的水箱水位控制系统主要由单片机、水泵、水位传感器几个设备组成。详细可参考设计图2-2中所示。图2-2系统框架图2.单片机选择方案一：使用DSP作为水箱水位控制系统的主控制元件，DSP是一种性能强大的微型处理器，可以控制数字信号完成对信息的处理工作。DSP所能实现的功能非常多，而且系统非常稳定不容易被外部环境所影响，信号可用于频率非常低的信号，能够和处理器系数相互配合适应，便于对其进行调试。但它电路结构较为复杂，价格也相对昂贵，而且耗电也非常的大。方案二：使用stc89c51单片机作为水箱水位控制系统的主控元件，现如今的单片机应用非常的广泛而且功能也十分的强大，不仅运行时电压相对较低，能量损耗也较低，而且stc89c51单片机的计算能力非常的强大，在进行软件程序编写方面也十分的方便，价格也较为低廉。通过对方案三：使用单片机当成是系统的控制器，因为单片机的功能性比较强，而且价格低廉，使用的电压低，能量损耗比较低，同时单片机计算能力比较强，而且在软件编程方面也十分的灵活自由，可以利用软件完成各种逻辑功能的编辑，同时单片机自身就拥有定时器以及技术性，其体积比较小，通过对两种方案的对比分析，选择方案2，将stc89c52单片机当成是控制原件。3.传感器的设计分析本次在进行水箱水位控制系统的设计时，考虑到水箱大都放置在楼顶，系统工作环境大都在室外，所以改系统的设计应尽可能的简单可靠。本次设计的水箱水位控制系统使用了2个水位传感器，分别安装于水箱的80%位置和30%位置，上端的水位传感器接触不到水源后，水泵开始运行开始向水箱内注水，上端的水位传感器接触到水源后，水泵停止向水箱内注水。下端的水位传感器接触不到水源后，报警程序将会启动预警灯会打开。图2-3水位传感器电路4.单片机复位分析单片机的复位或初始化状态是由RST/VPD来完成。单片机复位方式一般分为开关复位与上电复位。详细可参考设计图2-3中所示。由于本次水箱水位控制系统的设计服务区域为居民区，因此不免会出现停电情况，从而导致系统停止运行，这需要单片机能够有自动复位的工能。因此选择上开关复位为本次设计的复位方式。图2-4复位电路5.单片机起振分析本次单片机的水箱控制系统中反向放大器的输出入设计电路分别为XTAL1及XTAL2。作用于起振的振荡器可以选择石晶振荡器和陶瓷振荡器，或者外部时钟源驱动器。本次设计选用的是更加便捷的片内时钟源驱动器。再配置电容的电路外接晶振，就能达到起振，并供给单片机对应的时钟频率，以实现单片机工作及运行。图2-5起振电路6.水泵驱动方式本次基于单片机的水箱水位控制系统水泵驱动的方式为间接式。在设计上，单片机无法做到直接驱动电机，需要一个驱动模块和一个交流接触器作为媒介，才能实现驱动电机的功能。这样，单片机就需要从输出端连接驱动模块，再到交流接触器，最后驱动电机。驱动模块可以说是一个集合分离元件的放大器电路。它也可以设计到单一芯片上，都可以发挥驱动交流接触器的作用。鉴于其简洁小巧，又具有便于调试及维修的优点。本次将使用单一芯片来实现对交流接触器的控制。图2-6继电器电路三、系统硬件设计（一）单片机概况STC89C51单片机是一款新型的微控制器，不仅运算速度得到了提升还大大降低了功耗，还具备了很强的抗干扰能力。STC89C51单片机内部设计有3个16位的定时器，还拥有32个IO接口，一部分引脚还可以分时复用，显著的增加了系统的容量。STC89C51单片机内部资源包含程序存储空间，数据存储空间和特殊功能寄存器。以前的单片机的程序存储空间技术较为老旧，只能完成一次写入非常的不方便。现如今随着科技的发展，程序存储空间技术得到了显著的提升，已经可以实现重复编写，且数据不易丢失。单片机的数据存储空间主要用来存储运算中产生的数据，数据的写入速度非常快，而且可以实现无限写入。单片机的特殊功能寄存器用来存放程序执行时的命令类数据。见下图3-1所示。图3-1STC89C51单片机引脚图STC89C51单片机拥有3种工作模式：第一种、掉电模式：外部中断运行，中断结束后返回原程序继续运行，功耗最低。第二种、空闲模式：外围设备正常运行，单片机不运行，功耗低第三种、正常模式：所有功能全部运行，功耗较大。（二）单片机最小系统电路图下图3-2为STC89C51最小运行系统。该系统共由3部分所组装，分别是复位电路和晶振电路还有电源。其中晶振电路内拥有两种电容大小都为30pF，还有配有平路为11.0592M的晶振。电容的作用是用来辅助晶振震动，电容的数值大小为15-33pF。由于 本次设计的水箱水位控制系统需要利用串口来进行数据的传输，所以选择了为11.0592M的晶振，如果选择使用率为12M的晶振极其容易出现数据传输错误等现象。在设计时还需要将晶振位置放置在尽量靠近单片机。复位电路就像笔记本电脑的重启键一样，当笔记本电脑在运行时出现死机时，通过按下重启键就可让系统重新开始运行。本次复位电路由1个数值为10uF电容和一个数值为10K的电阻构成，电容电压不会发生突变现象，所以水箱水位控制系统通电后，RESET脚就会拥有一个高电平，同时提高电瓶，持续时间的长短是通过RC值所确定的。通常两个机器周期就会执行复位操作，通过控制RC的取值就能确保复位功能的可靠。图3-2单片机最小系统（三）起振电路设计晶振起振后，随着xtal2端口上3V正弦波的输出，使得单片机内的OSC电路和晶振以同样频率自发振荡。OSC端的时钟频率在0.5MHz～16MHz之间，通常频率为11.058MHz或12MHz或。C1和C2电容在此有着助力起振的作用，通常值为30pf。在这次系统设计中，取晶振频率为12MHz，CI、C2值为30pf。电路图可参见下图3-3中所示。。图3-3起振电路（四）水位传感器WaterSensor水位传感器是一款简单易用、性价比较高的水位/水滴识别检测传感器，其是通过具有一系列的暴露的平行导线线迹测量其水滴/水量大小从而判断水位。轻松完成水量到模拟信号的转换，输出的模拟值可以直接被开发板读取，达到水位报警的功效。工作原理是有两组暴露的导线，分别是A组B组，同组的导线均是相连的，电流由B经过液体的导通流到A，暴露的导线可以感知是否有液体以及所接触液体量的大小，量越大，则经过导线并终到达回路的电流加大，并由三极管转化为相应变化的模拟信号输出。通过外部系统读取输出的模拟信号，则可以得知相应液位的变化。见下图3-4所示。图3-4水位传感器（五）继电器继电器是常见的控制元件，它可以利用低电流或低电压来控制大电流或大电压的运行。在电路中主要起到了调节的作用，继电器控制电路的使用非常安全便捷。电磁式继电器的本质就是一个用于信号传递的电器，内部主要由控制系统和被控制系统两部分构成。电磁式继电器工作原理是电磁效应，导体在磁场中切割线圈，从而产生电动势和电流以及安培力。当继电器在运行时随着电流变化而动作的为动触点，不动作的为静触点。衔铁在磁场中由安培力的作用下，带动触点和静触点闭合。当电路中没电的时候，动触点和静触点就自动分开。通过这种原理，电磁继电器即可作为电路通断的开关。本次设计的水箱水位控制系统即通过使用电磁继电器来控制水泵的抽水工作。见下图3-5所示。图3-5继电器四、系统软件设计（一）系统主程序设计本次设计的水箱水位控制系统使用的是STC89C51RC单片机作为核心，软件部分的设计使用Keil4软件进行程序的编写。水箱水位控制系统通电后，程序会先完成初始化操作，随后单片机控制水位传感器开始工作，持续的传输水箱内当前的水位数据。当系统检测到水箱内水位低于预设值时，预警灯会亮起，随即控制水泵向水箱内冲水，当水箱内的水增加到预设值后则停止加水。水箱内水位数据通过水位传感器进行数据采集，并将数据传输到单片机进行处理分析。水箱水位控制系统运行时会进入while的死循环中，期间会不断的检测水箱内的水位数据。图4-1系统程序图设计（二）水位检测程序流程图WaterSensor水位传感器拥有A组导线和B组导线，同组的导线均是相连的，电流由B经过液体的导通流到A，导线可以感知是否有液体以及所接触液体量的大小，量越大，则经过导线并终到达回路的电流加大，并由三极管转化为相应变化的模拟信号输出。通过该原理水位传感器可以检测到水箱当前的水位情况。见下图4-2所示。图4-2水位检测程序流程图五、系统安装与调试（一）实物焊接本次设计的水箱水位控制系统由于比较简单所以选择万能板进行制作，这样不仅可以大大的制作成本，而且体积更小密度更高。在进行焊接时需要对照原理图进行焊接，以便达到美观实用的效果。在进行板子的焊接时，需要先核对好所需的元器件，避免出现遗漏现象。衔接时需要先焊接接口较多的配件，再焊接接口少的配件，这样不仅可以大大提升焊接效率，还可以有效的避免出现错误。由于元器件设计的较为紧凑，焊接出现失误后不方便修正。所以在进行焊接时需要避免出现漏焊、虚焊等情况。焊接完成后需要挨个检查焊点是否标准饱满，并使用万用表确认接口之间电路通畅。图5-1实物图（二）程序烧录本次设计的基于单片机的水箱水位控制系统使用了Keil软件进行C语言程序的编写。C语言是广泛用于低级开发中的并且面向过程的抽象通用编程语言。C语言编译和处理低级内存的方式较简单。C语言同样也是一种高效的编程语言，C语言在运行过程中只需要使用少量的机器语言，并且支持多种操作环境。程序编写完成并正常运行后，即可将文件转换成.hex格式的目标文件，用于程序的烧录。烧录时需要先和目标板建立连接，连接完成后状态栏会显示已连接。接着选择.hex目标文件将其录入到板子内。图5-2程序写入成功（三）系统功能测试首先为水箱水位控制系统进