基于单片机的水位控制系统设计毕业论文.doc
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中原工学院信息商务学院毕业论文（设计）
毕业论文（设计）
题目：
基于单片机的水位控制系统设计
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20年月日
32
摘要
传统的水位控制在生产中一直占有主导地位，但随着生产线的更新，不仅要求有更直观、准确、稳定的水位控制系统，同时还要求在降低生产设备的成本方面要求更新自动化程度和性价比高的水位控制系统。
单片机控制系统以其控制精度高、性能稳定可靠、设置操作方便、造价低等特点被应用到水位系统的控制中。
本系统采用单片机AT89C51为控制核心来实现水位的基本控制功能。
系统由键盘、数码显示、A/D转换、传感器、电源和控制部分组成。
本文以单片机端口的输出电平控制继电器的动作，实现电机的启动或者停止，从而达到自动控制水位的目的。
另外，系统可根据需要设定水位控制的高度，同时具备超限报警和故障报警功能，并辅以发光二极管显示相应水位的状态。
关键字：
AT89C51，A/D转换，水位控制，数码显示，传感器，故障报警
Levelcontrolsystembasedonmicrocomtroller
Abstract
Thetraditionalwaterlevelcontrolinproductionhasbeenadominantposition,butwithproductionline,notonlytheupdatedemandingmoredirect,preciseandstablewaterlevelcontrolsystem,atthesametimealsorequiresthecostinreducingproductionequipmentrequirementsupdateautomationdegreeandcost-effectiveofwaterlevelcontrolsystem.Single-chipmicrocomputercontrolsystemwithitshighcontrolaccuracy,reliableperformance,convenientoperation,lowcostsettobeappliedtotheliquidlevelsystemcharacteristicsofthecontrol.
ThissystemusesthemicrocontrollerAT89C51asthewaterlevelcontrolcoretorealizethebasiccontrolfunctions.Systembythekeyboard,digitaldisplay,A/Dconversion,sensors,powerandcontrolcomponents.Inthispaper,theoutputofmicrocontrollerportlevelcontrolrelayoperation,startorstopthemotor,soastoachievethepurposeofautomaticcontrolofwaterlevel.Inaddition,thesystemmayneedtosettheheightofwaterlevelcontrol,alongwithlimitalarmandfaultalarmfunction,supplementedbylight-emittingdiodedisplaysthestatusofthecorrespondinglevel.
Keywords：
AT89C51A/Dconversionthewaterlevelcontroldigitaldisplaysensorfaultalarm
目录
1引言 1
2系统设计方案比较说明 3
3水位控制系统的原理和设计方案 4
3.1水位控制系统组成 4
3.2单片机系统组成及工作原理 4
3.2.1系统组成 4
3.2.2工作原理 5
3.3控制方案的设计 5
3.3.1设计思路 5
3.3.2方案设计 6
4硬件设计 8
4.1单片机 8
4.2时钟电路 9
4.3电源电路 11
4.4传感器 11
4.5串行通信 12
4.6键盘电路 13
4.7水位显示电路 13
4.8A/D转换电路 14
4.8.1ADC0809的内部逻辑结构 14
4.8.2ADC0809的引脚图 14
4.8.3A/D转换电路原理图 16
4.9电机控制 18
4.10看门狗电路 18
4.11稳压电路 20
4.12报警电路 21
5软件设计 22
5.1程序设计流程图 22
5.2程序设计 23
5.2.1键盘程序 23
5.2.2A/D转换子程序 24
5.2.3初始化程序 24
5.2.4运行状态下的程序 24
结论 26
致谢 27
参考文献 28
附录1 29
附录2 30
1引言
随着我国的国民经济与生活水平的发展，各个行业对自动化的需求也日益增加，为减少污染、节约资源，单片机的控制技术得到了广泛的应用。
无论是在工业生产中，还是在其他行业，水都是人们生活中不可或缺的资源，大部分都会使用到水箱，水箱里的水位控制就是最重要的问题了，以前都会有专门的人看管，既浪费人力，又不能准确的判断水位高低。
所以以单片机控制水箱的水位就得到了广泛应用。
水位控制系统是以水位为被控参数的控制系统，它在工业生产的各个领域都有广泛的应用。
在目前的过程控制领域中水位控制的研究引起了广泛的关注，随着集成电路规模的日趋大型化、复杂化，各种复杂的液位控制系统已成为一个研究焦点。
单片机是靠程序运行的，并且是可以修改的，通过不同的程序实现不同的功能。
尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大的力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。
为什么一点要用单片机呢，原因很简单，只因为单片机通过自己编写的程序便可以实现高智能、高效率以及高可靠性！
现代电子系统的基本核心是嵌入式计算机系统（简称嵌入式系统），而单片机是最典型、最广泛、最普及的嵌入式系统[1]。
目前我国在单片机测控装置研究、生产、应用中，取得了很大的成绩，总结了很多经验，但是各行业仍处于发展期，经调查，更多科研研究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，但着重生产实际的很少。
一些发达国家在单片机新型系统研究、制造和应用上，已积累了很多经验，奠定了基础，进入了国际市场。
我国在新型测控装置与系统研究、制造、应用和经验上，与其他发达国家相比还存在差距，但是我国的研究人员已经克服很多困难，并在不断地摸索中前进，有望在相关领域赶上甚至超过发达国家的技术水平，这是发展趋势。
在工农业生产以及日常生活应用中，常常会需要对容器中的水位进行自动控制。
比如自动控制冰箱、水池、水槽、锅炉等容器中的蓄水量，生活中抽水马桶的自动补水控制、自动电热水器、电开水机的自动进水控制等。
虽然各种水位控制的技术要求不同、精度不同，但是基本的控制原理可以归纳为一般的反馈控制方式，他们的主要区别在于检测水位的方式、反馈方式、以及控制器上的区别。
随着单片机和微机技术的不断发展，由PC机和多台单片机构成的多机向网络发展。
单片机自问世以来，性能不断地提高和完善，体积小、速度快、功率低的特点使它的应用领域日益广泛。
一般，工业控制系统的工作环境差，干扰性强，利用单片机控制就能克服这些缺点，因此单片机在控制领域得到广泛的应用，使用单片机控制液体的水位是个很好的选择。
基于51单片机的液位控制系统既满足系统精度的要求，同时具有可靠性[2]。
不论社会经济如何飞速，水在人们的正常生活和生产中起着重要的作用。
一旦断了水，轻则个人民带来极大地不便，重则可能造成严重的生产事故及损伤，从而对供水系统提出了更高的要求，满足及时、准确、安全充足的供水。
如果仍然使用人工的方式，劳动强度大，工作效率低，安全性难以保障，因此必须进行自动化控制系统的改造。
从而实现提供足够的水量、平稳的水压的自动控制有设计低成本、高实用价值的控制器。
一般工厂使用的水箱，体积都比较大，所以对水位的控制需求就相应的大了，而且随着工业上使用比较多，对水位的控制精度要求也高。
由于自动化技术在矿企业的广泛应用，水位自动控制技术越来越频繁地进入到自动控制系统设计者的视线。
2系统设计方案比较说明
对于水位进行控制的方式有很多，而应用较多的主要有两种，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）简单的接线式控制方式。
其常用形式有浮标式、电极式等，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，得出调节参量来控制其输出电压变化，进而调节电机转速，以达到控制水箱水位的目的[3]。
针对上述两种控制方式，以及设计需达到的性能要求，这里选择第二种控制方式。
最终形成的方案是，利用单片机为控制核心，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水位高度，并与开始预设值进行比较，由单片机控制固态继电器的开断进行水位的调整，最终达到液位的与设定值。
检测值若高于上限设定值时，要求报警，断开继电器，控制水泵停止上水，检测值若低于下限设定值，要求报警，开启继电器，控制水泵开始上水。
现场实时显示测量值，从而实现对水箱水位的监控。
3水位控制系统的原理和设计方案
3.1水位控制系统组成
系统采用单片机作为数字控制器的处理器，其中，由压力变送器传送来的电压信号经过A/D转换传送给单片机，然后由单片机控制电动执行机构，具体结构如图3.1所示。
水位显示
P0P2
AT89C51
P1P3
AT89C51
P1P3
水压模拟电压量
水泵电磁阀
传感器
A/D转化器
变化量
数字量
其他控制
键盘电路
参数及控制
状态设定
图3.1水位控制原理框图
3.2单片机系统组成及工作原理
本系统主要是由ATMEL公司生产的单片机AT89C51芯片为核心，加上一些外部原件，构成了硬件电路。
AT89C51是一种带4K字节FLASH可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器，与标准的MCS-51指令集和输出管教相兼容。
由于将多功能8位CPU和FLASH存储器组合在单个芯片中，所以AT89C51是一种高效的微控制器[4]。
3.2.1系统组成
本系统主要由AT89C51单片机、LED显示电路、报警电路、看门狗电路以及电机控制电路等部分组成。
系统框图如图3.2所示。
单片机
AT89C51
电机控
制电路
采集水位
LED
显示电路
报警电路
图3.2系统组成框图
3.2.2工作原理
水位控制系统的基本原理是：
基于单片机AT989C51实现的水位控制器，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，引起连接在水箱底部的软管管内的水压发生变化，水压传感器在接收到软管内的水气压信号后，即把变化量转化成电压信号；该信号经过放大运算放大电路放大后变成幅度为0-5V的标准信号，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器，该系统的控制特点是直观地显示水位高度，可任意控制水位高度[5]。
3.3控制方案的设计
3.3.1设计思路
用单片机做水箱水位控制这个设计核心也是传感器，将信号送到单片机，单片机再将信号输出给电机，来完成设计的要求工作。
判断是否要启动或者停止电机的运转以达到水位的控制，同时驱动显示电路显示当前水位的所处的状态。
首先，电路获取信号，然后由单片机AT89C51对测得水位信号进行判断，根据判断的结果，单片机输出相应的控制信号控制继电器的动作，进而控制电机的启动或者停止。
当水箱的水位下降，达到下限时，需启动电机给水箱供水；当水箱的水位达到上限后，应该关闭电机，并采用不同色彩的发光二极管显示相应的水位。
当系统出现故障时，报警电路工作[6]。
3.3.2方案设计
当水箱水位低时，启动M1、M2、给给水，水位上升到90%，停止M1。
当水箱水位低（小于50%）时，同时起动M1、M2，当水位上升到50%以上70%一下时，M2停止运行，M1继续运行到水位上升到90%以上才停止工作。
如下图3.3中，M1、M2为给水泵机组，LG、LD、LDD分别为水位高、水位低、水位低低浮球开关，当水位高（大于90%）时，LG闭合，当水位低（小于75%）时，LD闭合，当水位低低（小于50%）时，LDD闭合[7]。
图3.3控制方案框图
3.3.3报警控制过程
当水位高于90开度的时候，由传感器经变送器发送信号，LG闭合，系统水位高报警。
当水位低于75开度的时候，由传感器经变送器发送信号，LD闭合，系统水位低报警。
当水位低与50开度的时候，由传感器经由变送器发送信号，LDD闭合，系统水位低低报警。
手动/自动模式转换控制如下：
全自动模式下，系统自动判断水位的状况，选择不同工作状态。
在手动的模式下，两台给水泵的运行控制可有人工自己操作[7]。
此方案设计采用的是AT89C51芯片。
AY89C51是高性能COMS8位单片机，片内含4Kbytes的可反复擦写的只读存储器（PEROM）和128bytes的随机存取存储器（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（CPU）和Flash存储单元。
4硬件设计
水位控制器的硬件主要包括由单片机、传感器（带变送器）、键盘电路、数码显示电力、A/D转换器和输出控制电路等。
4.1单片机
单片机采用由ATMEL公司生产的双列40脚AT89C51芯片，芯片引脚如下图4.1所示。
其中，P0口用于A/D转换和显示；P1口连接一个4*4的键盘；P2口用于控制电磁阀和水泵动作；P3口用于上、下限指示灯，报警指示灯以及用于读写控制和中断等[8]。
图4.1AT89C51引脚图
1、单片机的工作过程
单片机自动完成赋予它的任务的过程，也就是单片机执行程序的过程，即一条条执行的指令的过程，所谓指令就是把要求单片机执行的各种操作作用的命令的形式写下来，这是在设计人员赋予它的指令系统所决定的，一条指令对应着一种基本操作；单片机所能执行的的全部任务，必须把要解决的问题编成一系列的指令（这些指令必须是选定单片机能识别和执行的指令），这一系列指令的集合就成为程序，程序需要预先存放在具有存储功能的部件——存储器中。
存储器由许多存储单元（最小的存储单元）组成，就像大楼房有许多房间组成一样，指令就存放在这些单元里，单元里的指令取出并执行就像大楼房的每个房间的被分分配到了唯一一个房间号一样，每一个存储单元也必须被分配到唯一的地址号，该地址号成为存储单元的地址，这样只要知道了存储单元的地址，就可以找到这个存储单元，其中存储的指令就可以被取出，然后再被执行。
程序通常是顺序执行的，所以程序中的指令也是一条条顺序存放的，单片机在执行程序时要把这些指令一条条取出并加以执行，必须有一个部件能追踪指令所在的地址，这一部件就是程序计数器PC（包含在CPU中），在开始执行程序时，给PC赋以程序中第一条指令所在的地址，然后取得每一条要执行的命令，PC在中的内容就会自动增加，增加量由本条指令长度决定，可能是1、2或3，以指向下一条指令的起始地址，保证指令顺序执行。
4.2时钟电路
MCS-51单片机内部的振荡电路是一个高增益反相放大器，引线XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入端和输出端。
单片机内部虽然有振荡电路，但要形成时钟，外部还需附加电路。
MCS-51单片机的时钟产生方式有两种：
（1）内部时钟反式
利用其内部的振荡电路在XTAL1和XTAL2引线上外接定时元件，内部震荡电路便产生自激震荡，用示波器可以观察到XTAL2输出的时钟信号。
最常用的是在XTAL1和XTAL2之间连接晶体振荡器与电容构成稳定的自激振荡器，如图4.2所示。
晶体可在1.2-12MHz之间选择。
MCS-51单片机在通常应用情况下，使用振荡频率为6MHz的石英晶体，而12MHz频率的晶体主要是在高速串行通信情况下才使用，对电容值没有严格的要求，但它的取值对振荡频率输出的稳定性、大小及振荡电路起振速度有少许影响。
C1和C2可在20-100pF之间取值，一般去30pF左右。
（2）外部时钟方式
本设计的单片机系统中，为了各单片机之间时钟信号的同步，应当引入唯一的合用外部振荡脉冲作为各自单片机的时钟。
外部时钟方式中是把外部振荡信号直接接入XTAL1或XTAL2。
由于HMOS和CHMOS单片机外部时钟进入的引线不同，其外部振荡信号源接入的方式也不同。
HMOS型单片机由XTAL2进入，外部振荡信号接至XTAL2，而内部反相放大器的输入端XTAL1应接地，如图4.3所示。
由于XTAL2端得逻辑电平不是TTL的，故还要接一上拉电阻。
CHMOS型单片机由XTAL1进入，外部振荡信号接至XTAL2可不接地，如图4.4所示。
图4.2使用片内振荡电路的时钟电路
图4.3HMOS型单片机的外部时钟电路
图4.4CHMOS型单片机的外部时钟电路
4.3电源电路
在水位控制系统中，本单元为系统提供+5V的工作电源。
从220V的交流电通过变压器转换为15V电压，然后经过整流桥、滤波后得到+5V的系统工作电源，如图4.5所示。
图4.5单片机的电源电路
4.4传感器
传感器来自“感觉”一词。
人们用视觉、听觉、嗅觉和触觉等器官感受外界的有关信息，如物体的大小、形状和颜色，感觉到的声音、气味等。
在视觉情况下，绝不是靠眼睛本身进行感觉，而是从眼睛进入的外界刺激信号通过神经传送到大脑，由大脑感知物体的大小和颜色，然后由大脑提供命令信号支配行动。
听觉和嗅觉也完全一样。
然而要是大脑受到这些刺激，首先必须有接受外界刺激的“五官”人的“五官”可以称之为传感器。
它们的基本功能是首先接收外界的刺激信号然后产生作用于各种神经传送信号的能量，最后再传送大脑。
传感器是一种能感受被测物体物理量并将其转化为便于传输或处理的电信号的装置，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。
本设计当中我们采用的水位探测传感器。
传感器使用SY-9411L-D型变送器，它内部含有1个压力传感器和相应的放大电路。
压力传感器是美国SM公司生产的555-2型OEM压阻式压力传感器，其有全温度补偿及标定（0-70度），传感器经过特殊加工处理，用坚固的耐高温塑料外壳封装。
其引脚分布如图6.1所示。
1脚为信号输出（-）；2脚为信号输出（-）；3脚为激励电压；4脚为地；5脚为信号输出（+）；6脚为信号输出（+）[9]。
在水箱底部安装1根直径为5mm的软管，一端安装在水箱底部；另一端与传感器连接。
水箱水位高度发生变化时，引起软管内水压变化，然后传感器把水压转换成电压信号，输送到A/D转化器。
4.5串行通信
单片机要跟PC连接要用到串行通信，如4.7和4.8所示框图框图和系统原理图[10]。
PC机
单片机
RS232
图4.7单片机和PC连接框图
图4.8串行通信原理图
4.6键盘电路
P1口作为键盘电路，连接一个4*4键盘。
结构如图4.9所示。
图4.9键盘电路
4.7水位显示电路
显示电路如图4.10所示。
图4.10显示电路
液位显示采用数码管动态显示，范围从0-999（单位可自定），选择的数码管是7段共阴极连接，型号是LDS18B20。
在这里使用到了74HC244，它是一个8位的D触发器，在单片机系统中经常使用，可以作为地址数据总线扩展的锁存器，也可以作为普通的LED的驱动器件，由于单独使用HEF4511B七段译码驱动显示器来完成数码管的驱动显示，图4.10是显示电路的原理图[11]。
4.8A/D转换电路
4.8.1ADC0809的内部逻辑结构
A/D转化电路在控制器中起主导作用，用它将传感器输出的模拟电压信号转换为单片机能处理的数字量。
该控制器采
升级会员 