基于单片机的液位控系统.docx
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基于单片机的液位控系统
目录
摘要：
2
第一章绪论5
1.1课题背景5
1.2研究目的和意义5
1.3基本章节安排6
第二章总体方案设计7
2.1系统总体结构规划7
2.2单片机的选择7
2.3显示方式的选择8
第3章中央控制器AT89S52及其外围电路的设计与分析9
第4章系统硬件设计16
4.1系统主电路图16
4.2显示电路设计16
4.3液位采集电路设计18
4.5控制部分电路设计19
第5章系统软件设计20
5．1软件设计应用环境简介20
5．2系统程序设计流程图22
5．3总体程序设计22
5.5液位采集程序设计24
第6章系统调试25
6.1系统原理图设计25
6．2系统测试方法25
6.3开始测试26
6.4系统功能测试27
总结28
参考文献30
附录31
摘要：
随着电子技术的迅速发展，以单片机控制的智能型控制器广泛应用于电子产品中。
而液位控制是现代工业业中常见的参数，有着直接观察、容易测量的优点，本系统采用AT89S52单片机为主控制器，设计一个对供水箱水位进行监控的系统。
根据监控对象的特征，要求实时检测水箱的液位高度，并与开始预设定值作比较，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定值。
检测值若高于上限设定值，要求报警，开启水位控制电路，控制水泵开始抽水水，检测液位若低于下限设定值，要求报警，开启水位控制电路，控制水泵开始上水。
现场实时显示测量值，从而实现对水箱液位的监控。
比较适合用于一般的液位控制，如自来水厂蓄水槽、污水处理厂的污水槽等都需要液位检测装置来检测液位。
关键字：
AT89S52液位监测数码管显示
第一章绪论
1.1课题背景
现如今自动化、信息化程度越来越高，单片机的应用领域也就越来越广，成为人们生活不可或缺的一部分。
随着社会的发展、科技的进步以及人们生活水平的逐步提高，各种方便于生活的自动控制系统开始进入了人们的生活，以单片机为核心的自动门系统就是其中之一。
同时也标志了自动控制领域成为了数字化时代的一员。
它实用性强，功能齐全，技术先进，这是科技进步的成果。
它更让人类懂得，数字时代的发展将改变人类的生活，将加快科学技术的发展。
经济飞速发展的中国，高楼耸立的大都市，自动门已经是随处可见，在各大厦、宾馆、酒店、银行、商场、医院、写字楼等场所，自动门更是得到大范围的普及使用。
自动门不但能给我们带来人员进出方便、节约空调能源、防风、防尘、降低噪音等好处，更令我们的建筑增添了不少高贵典雅的气息。
1.2研究目的和意义
我国水资源严重短缺同时又存在严重浪费现象，两方面因素制约了国民经济的可持续发展，使社会经济建设受到巨大挑战。
提高生产、生活用水水价以及对大型工、矿企业强制安装中水处理设备，都是国家不得己而为之的重大节水举措，然而由于变送器在水位控制系统中普遍存在着时漂、温漂、精确度、抗干扰能力、稳定性等一系列问题，尤其在恶劣气候条件下的电闪、雷击，易造成水位交送器的故障频发，使监控设施失控，形成跑、冒水现象，进一步加剧了宝贵水资源的大量浪费，，仅水资源浪费一项每年就占到全国用水量的40%以上，新型自动水位测控系统的设计研制工作正是在这一契机下应运而生的。
1.3基本章节安排
本设计通过分析液位控制系统的发展和现状来规划液位控制的智能功能，从而对电动液位控制器进行设计。
采用直流电机作为执行元件。
89S52单片机作为控制芯片，通过液位采集电路，采集液位信息，通过数码管显示电路，实时显示水位情况，根据水位的情况实现自动抽排水功能，最终实现了液位控制器的多项智能项目。
主要章节分为：
（1）绪论：
介绍设计目标国内外的发展现状和研究意义目的，设计的基本内容和本文的章节安排。
（2）总体设计方案：
给出了液压控制器的器的总体方案设想，智能项目，和设计结构规划。
（3）单片机最小系统介绍：
中央控制器AT89S52及其外围电路的设计与分析（4）系统硬件设计：
介绍各部分模块电路的功能
（5）系统软件设计：
主要介绍了各项功能的设计流程。
（6）总结与展望
第二章总体方案设计
2.1系统总体结构规划
液位控制器的总体结构框图如下图2-1所示。
图2-1液位控制器机构框图
由液位判断电路来实现对液位的实时检测，经过信号调理电路的处理，转换后的信号由单片机控制器,并通过数码管显示水位,来实现继电器的吸合与断开。
来模拟电机的抽放水功能。
2.2单片机的选择
20世纪80年代以来，单片机的发展非常迅速，就通用单片机而言，世界上一些著名的计算机厂家已投入市场的产品就有50多个系列，数百个品种。
尽管单片机的品种很多，但是在我国使用的最多的是INTER公司的MCS-51系列单片机，直到现在MCS-51系列单片机仍不失为主流系列。
在最近的若干年仍是工业检测控制的主角。
AT89S52采用0.35新工艺，成本降低,而且将功能提升,增加了竞争力。
89SXX可以向下兼容89CXX等51系列芯片。
AT89S51/LS51单片机是低功耗的、具有4KB在线课编程Flash存储器的单片机。
它与通用80C51系列单片机的指令系统和引脚兼容。
片内的Flash可允许在线重新编程，也可使用非易失性存储器编程。
他将通用CPU和在线可编程Flash集成在一个芯片上，形成了功能强大、使用灵活和具有较高性能性价比的微控制器[2]。
2.3显示方式的选择
该系统可以使用液晶来显示液位信息,也可以采用数码管显示，但考虑到就显示一个液位，用液晶会增大系统的体积，还会增加成本。
采用数码管显示亮度高，易于观察，成本低，故选用数码管显示。
第3章中央控制器AT89S52及其外围电路的设计与分析
3.1芯片AT89S52的性能及其参数的分析
图3-1AT89S51单片机引脚图
AT89S52是51系列单片机的一个型号，它是ATMEL公司生产的。
AT89S52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89S51单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。
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，AT89S51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
AT89S52为40脚双列直插封装的8位通用微处理器如图3-3所示，采用工业标准的C52内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc51相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。
功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等[5]。
AT89S52时钟有两种方式产生，即内部方式和外部方式，如下图3-4a所示。
AT89S52中有一个构成内部震荡器的高增益反向放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。
这个放大器与作为反馈元件的片外石英或陶瓷震荡器一起构成自激震荡器震荡电路。
外接石英晶体（或陶瓷震荡器）及电容C1、C2接在放大器的震荡回路中构成并联震荡电路。
对外接电容C1、C2虽然没有非常严格的要求，但电容的大小会轻微影响震荡频率的高低、震荡工作的稳定性、起震的难易程序及温度稳定性，。
还可以采用外部时钟，采用外部时钟，如图3-4b所示。
在这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，既内部时钟发生器的输入端，XTAL2悬空。
由于外部时钟信号是通过一个2分频的触发器后作为内部时钟信号的所以外部时钟的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续的时间和最大低电平持续的时间应符合技术条件的要求[5]。
a内部震荡电路b外部震荡电路
图3-2时钟电路图
3.2单片机时钟电路的设计
电路中的晶振即石英晶体震荡器。
由于石英晶体震荡器具有非常好的频率稳定性和抗外界干扰的能力，所以，石英晶体震荡器是用来产生基准频率的。
通过基准频率来控制电路中的频率的准确性。
同时，它还可以产生振荡电流，向单片机发出时钟信号。
图3-3是单片机的晶振电路。
电路中的电容C1和C2的典型值通常选择为30PF左右，该电容的大小会影响振荡电路频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。
晶体振荡频率的范围通常在1.2~12MHz。
晶体的频率越高，系统的时钟频率越快，单片机的运行速度越快。
AT89S51常选择振荡频率12MHz的石英晶体。
图3-3单片机晶振电路图
3.3单片机复位电路的设计
复位是单片机的初始化操作，只需要给AT89S51的复位引脚RST加上大于2个机器周期（即24个时钟振荡周期）的高电平就可以使AT89S51复位。
复位时，单片机初始化为0000H，从0000H单元开始执行程序。
除了进入系统的正常初始化之外，当程序运行错误（如程序跑飞）或操作错误使系统处于锁死状态时，也需要复位键使RST脚为高电平，使AT89S52摆脱“跑飞”或“死锁”状态而重新启动。
图3-4是复位电路图。
图3-4复位电路图
3.4单片机复位后的状态分析
表3-1特殊功能寄存器与初始状态表
特殊功能寄存器
初始状态
特殊功能寄存器
初始状态
A
00H
TMOD
00H
B
00H
TCON
00H
PSW
00H
TH0
00H
SP
07H
TL0
00H
DPL
00H
TH1
00H
DPH
00H
TL1
00H
P0～P3
FFH
SBUF
不定
IP
***00000B
SCON
00H
IE
0**00000B
PCON
0*******B
说明：
表中符号*为随机状态。
单片机的复位操作使单片机进入初始化状态，其中包括使程序计数器PC＝0000H，这表明程序从0000H地址单元开始执行。
单片机冷启动后，片内RAM为随机值，运行中的复位操作不改变片内RAM区中的内容，21个特殊功能寄存器复位后的状态为确定值，见上表3-1所示。
系统复位是任何微机系统执行的第一步，使整个控制芯片回到默认的硬件状态下。
51单片机的复位是由RESET引脚来控制的，此引脚与高电平相接超过24个振荡周期后，51单片机即进入芯片内部复位状态，而且一直在此状态下等待，直到RESET引脚转为低电平后，才检查EA引脚是高电平或低电平，若为高电平则执行芯片内部的程序代码，若为低电平便会执行外部程序[5]。
51单片机在系统复位时，将其内部的一些重要寄存器设置为特定的值，内部RAM内部的数据则不变。
3.5电源电路
电源是提供电压的装置。
把其他形式的能转换成电能的装置叫做电源。
电源是向电子设备提供功率的装置，也称电源供应器，它提供计算机中所有部件所需要的电能。
电源功率的大小，电流和电压是否稳定，将直接影响计算机的工作性能和使用寿命。
有条件的可以使用电源模块来为系统供电。
由于该系统中的步进电机要求用12V电源供电，而单片机的需要5V供电，所以需要加个稳压芯片这里采用LM7805进行稳压处理。
把12V稳降至5V来供给单片机及各芯片的使用。
经测试12V完全满足各器件的运行要求。
图3-5三端集成稳压器7805内部结构
此设计的电源电路是由7805集成稳压器，桥式整流，滤波电容及电源指示灯组成的。
电源电路的核心元件是7805，其内部结构如图3-5所示。
（1）调整管
调整管接在输入端与输出端之间，当电网电压或负载电流波动时，调整自身的集-射压降使输出电压保持不变。
在7805三端集成稳压电路中，调整管由两个三极管组成的复合管充当，这种结构只要求放大电路用较小的电流即可驱动调整管发射极回路中较大的输出电流，而且提高了调整管的输入电阻。
（2）放大电路
放大电路将基准电压与从输出端得到的采样电压进行比较，然后再放大并送到调整管的基极。
放大倍数愈大，则稳定性能愈好。
在7805三端集成稳压器中，放大管也是复合管，电路组态为共射接法，并采用有源负载，可以获得较高的电压放大倍数。
（3）基准电源
基准电压的稳定性将直接影响稳压电路输出电压的稳定性。
在7805中，采用一种能带间隙式基准源，这种基准源具有低噪声，低温漂的特点，在单片式大电流集成稳压器中被广泛应用。
（4）采样电路
采样电路由两个分压电阻组成，它将输出电压变化量的一部分送到放大电路的输入端。
（5）启动电路
启动电路的作用是在刚接通直流输入电压时，使调整管,放大电路和基准电源等建立起各自的工作电流，而当稳压电路正常工作时启动电路被断开，以免影响稳压电路的性能。
（6）保护电路
在7805中，已将三种保护电路集成在芯片内部，它们是限流保护电路，过热保护电路和过压保护电路[6]。
图3-6电源电路
电源电路如图3-6所示，此电源电路能输出稳定的+5V电压，可以给整机电路上电，所以在电路中起到至关重要的作用。
其中7805三端集成稳压器的1脚为输入，3脚为输出，2脚为接地。
作用是将由桥式整流电路，整流滤波后得到的直流输入电压转变成稳定的直流+5V输出电压，为了改善纹波电压，常在输入端接入电容CJ3，我所选用的电容容量为100uF。
同时，在输出端接上电容CJ2，以改善负载的瞬态响应，CJ2的容量为100uF。
两个电容应直接接在稳压器的引脚处。
在稳压管的输入端还要接二极管，方向如图3-8所示，起到对7805集成稳压器的一种保护作用。
第4章系统硬件设计
4.1系统主电路图
图4.1系统总电路图
4.2显示电路设计
本设计中压力大小采用4位LED数码管显示。
在单片机系统中，通常用LED数码显示器来显示各种数字或符号。
由于它具有显示清晰、亮度高、使用电压低、寿命长的特点，因此使用非常广泛。
八段LED显示器由8个发光二极管组成。
其中7个发光二极管构成字型“8”的各个笔画段，另一个小数点为dp发光二极管。
LED显示器有两种不同的形式：
一种是发光二极管的阳极都连在一起的，称之为共阳极LED显示器；另一种是发光二极管的阴极都连在一起的，称之为共阴极LED显示器。
如图4.2所示。
本次设计采用共阳极极接法。
LED显示方式有动态显示和静态显示两种方式。
本系统采用动态扫描显示接口电路，动态显示接口电路是把所有显示器的8个笔划段a-h同名端连在一起，而每一个显示器的公共极COM各自独立地受I/O线控制。
CPU向字段输出口送出字型码时，所有显示器接收到相同的字型码，但究竟是哪个显示器亮，则取决于COM端。
也就是说我们可以采用分时的方法，轮流控制各个显示器的COM端，使各个显示器轮流点亮。
在轮流点亮扫描过程中，每位显示器的点亮时间是极为短暂的（约1ms），由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位显示器并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感。
图4.2七（八）段LED显示器
本设计P2.0、P2.1、P2.2、P2.3信号一起组成位选通的位选信号，P0.0～P0.7信号一起组成段码选通的段选信号，通过软件编程，先把所要显示的数据放入存储单元，然后把数据送入段选通对应的地址，再选通某一个LED，逐步完成四个LED的显示。
由于采用4位共阳数码管。
用单片机吸收电流驱动，列扫描驱动使用三极管，按每段6mA电流算，全显示字型“8”时，每个数码管需6mA×8=48mA。
由于四位数码管的驱动电流相同，4组需192mA，因此设计中采用功率三极管S9012驱动。
由于单片机每个段码输出口需吸收48mA电流，因此在电路设计中要在P0口加一个上拉电阻。
其显示驱动电路如图4.3所示。
图4.3显示电路
4.3液位采集电路设计
图4.4液位采集电路
液位检测电路的的检测原理，首先先将一根VCC线放到水底如图4.4所示，然后将A、B、C三根线分别放入水中，当水位到A点时A1为高电平，B1和C1低电平，三极管导通A2变为高电平，此时继电器动作抽水并伴随报警声，当水位到达B点时，此时A1和B1为高电平，C1为低电平，A2，B2，都为高电平，此时状态良好，当水位到C点时，此时A1、B1、C1都为高电平，A2、B2、C2都为低电平继电器动作，电机放水并伴随报警声。
4.5控制部分电路设计
控制驱动电路主要电动机、继电器及相应的元件构成，它根据液位检测电路的实际需要控制电机的启动、停止，从而能自动地控制液位的高度。
第5章系统软件设计
该系统硬件完全，但系统的运算与控制必须靠软件支持，系统硬件组态完后，根据I/O地址分配和功能要求便可以进行软件编程。
软件编程是系统完全控制的一个重要部分。
系统软件程序主要完成初始化工作，输入输出控制，子程序主要完成数据采集处理的功能包括采集的液位数据与给定的液位值的比较，是否需要报警，以及处理完成显示部分与调节阀的信号输出。
在该系统的软件部分的设计中，第一部分主要是对流程图的介绍，其中包括了对谁位的检测，对水泵的控制和开关，以及水泵是否正常工作的报警。
通过对水体液位进行的简易方便的操纵，可以准确得控制水泵进行添加水或放水以适应工作的需要，第二部分是系统工作编程内容，由于全部编程比较多，只取重要的水位检测主程序段和部分控制程序。
5．1软件设计应用环境简介
KeilC51的V8.xx是目前世界上最好的51单片机的汇编和C语言的开发工具。
它支持汇编、C语言以及混合编程，同时具备强大的软件仿真和硬件仿真功能。
在此次设计中采用开发环境的正是此项。
1、创建项目：
执行[Project]|[NewμVisionProject]菜单命令，将新创建一个项目。
为项目建一个单独的文件夹，然后选择子文件夹并键入项目的名称。
在项目创建之前，需要为新建的项目选择一个CPU。
在命名项目名称后，弹出的对话框，其中显示的是器件数据库，用户只要选择所需要的MCU就可以了。
选择AT89S52之后，右边一栏是对这个单片机的基本的说明，然后单击[确定]按钮。
2、添加配置启动代码：
启动文件STARTUP.C中包含了目标启动代码，可在每个project中加入这个文件。
3、项目设置：
μVision3允许用户为目标硬件设置选项，可以通过工具条图标打开，也可以用鼠标右击项目窗口中的Files标签页中的Target1，在右键菜单中选择[OptionsforTarge1]命令：
Output：
定义Keil工具的输出文件，并定义生成处理后的执行用户程序；Listing：
定义Keil工具输出的所有列表文件；C51：
设置C51编译器的特别工具选项；A51：
设置汇编器的特殊工具选项；BL51Locate：
定义不同类型的存储器和存储器的不同段位置；BL51Misc：
其他的与连接器相关的设置，如警告或存储器指示；Debug：
μVision3的Debugger设置；Utilities：
文件及其Group的特别选项。
4、Target标签：
单击Target标签，其中各参数设置如下：
1）．Xtal（MHz）：
设置单片机的工作的频率，默认值是24.0MHz。
2）．UseOn-chipROM（0x0~0x1FFF）：
FlashROM。
单片机的EA引脚接高电平，则一定需要选中这个选项。
3）．MemoryModel：
变量存储空间。
5、Output标签：
1）．SelectFolderforObjects：
选择编译之后的目标文件存储在哪个目录。
2）．NameofExecutable：
设置生成的目标文件的名字。
3）．CreateExecutable：
生成omf以及hex文件。
4）．CreateHexFile：
要生成hex文件一定要选中该选项。
5）．CreateLibrary：
生成lib库文件。
6、Listing标签：
KeilC51在编译之后除了声称目标文件之外，还生成*.lst、*.m51的文件。
用户可以在Listing标签中设置*.lst、*.m51文件的各种选项。
7、C51标签：
用户通过C51标签来设置C51编译器的特别的工具选项。
8、A51标签：
A51标签用来设置汇编器的特别工具选项，如宏处理和条件汇编等。
9、BL51Locate标签：
BL51是具有代码分段功能的连接器/重定位器，它组合一个或多个目标模块成一个MCS-51的执行程序。
此连接器处理外部和全局数据，并将可重定位的段分配到固定的地址上。
连接器自动选择适当的运行库并连接那些用到的模块。
也可以在命令行上输入相应的目标模块的名字的组合来运行本连接器。
10、BL51Misc标签：
Misc标签是对BL51Locate标签的补充设置。
11、Debug标签：
该标签对μVision3的调试器进行设置。
12、项目编译：
项目一旦设置完成，就可以开始编译。
单击调试工具条上的图标，编译项目中所有的源文件并生成应用。
当应用中有语法错误时，μVision3将在OutputWindow的Build标签页显示这些错误和告警信息。
双击一个信息将打开此信息对应的文件并定位到语法错误处。
在编译项目时，会在输出窗口中出现错误信息，单击其中一条错误信息，将在源代码窗口中出现错误的地方出现一个小箭头。
13、列表文件（C语言）：
如果在对话框中选中了CCompilerListing选项下的各种复选框和AssemblerListing选项下的各种复选框，μVision3在编译时将产生C语言和汇编语言的列表文件，该文件中包含了源代码文件中的各种指示信息，这些信息对分析源代码非常重要。
14、列表文件（汇编语言）：
在μVision3中，集成的A51宏汇编译器是一个8051MCU系列的宏汇编器。
它把汇编语言翻译成机器代码。
A51汇编器允许用户定义程序中的每一个指令，在需要极快的运行速度、很小的代码空间、精确的硬件控制时使用。
因此用户可以利用μVision3的集成开发环境进行汇编语言代码的编译和调试。
在汇编语言列表文件中，宏汇编编译器报告所有必要的信息，如变量名、函数名、行数以及μVision3调试器或其他仿真器用来详细调试和分析程序所需要的信息。
5．2系统程序设计流程图
通过软件控制单片机的功能是单片机的主要特点和优点，程序的设计要考虑合理性和可读性，遵循模块化设计的原则，采用自顶向下的设计方法。
模块化设计使程序的可读性好、修改及完善方便。
软件设计包括主程序、水位采集、按键扫描子程序、延时子程序、中断服务子程序、显示子程序、报警程序等等。
水位采集子程序是将传感器产生的信号经单片机处理之后，经显示子程序可以显示出来。
延子程序时MCS-51的工作频率为2-12MHZ，我们选用的89S52单片机的工作频率为12MHZ。
机器周期与主频有关，机器周期是主频的12倍，所以一个机器周期的时间为12*（1/12M）=1us。
我们可以知道具体每条指令的周期数，这样我们就可以通过指令的执行条数来确定1秒的时间。
中断服务子程序用来实现数码管的动态扫描。
显示子程序是将数据处理的结果送显示器显示。
系统软件总体流程图如图5.1所示
。
5．3总体程序设计
本软件流程图设计简易合理，方便易于操控，能够针对水位的不同状态和不同外界条件进行控制，水位运行稳定、控制品质良好、控制效果明显改善，同时大大提高了控制的抗干扰能力，保证了工业水体液位方面作业的稳定运行。
下图即为水位检测主程序流程图。
图5.2总程序流程图
5
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