基于单片机的水位检测控制系统设计.docx
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基于单片机的水位检测控制系统设计
基于单片机的水位检测控制系统设计
学院：
专业：
姓名：
指导老师：
信息学院
自动化
刘翔
学号：
职称：
0046
盛珣华曹宇
教授助理工程师
中国·珠海
二○一三年五月
诚信承诺书
本人郑重承诺：
本人承诺呈交的毕业设计《基于单片机的水位检测控制系统设计》是在指导教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，设计使用的数据真实可靠。
本人签名：
日期：
年月日
基于单片机的水位检测控制系统设计
摘要
随着社会和科技的进步，以及人们的生活标准水平逐步的提高与发展，方便的全自动控制系统生活的开始逐步进入到我们的生活，单芯片微型计算机发展是其中的一个重要分支，具有高可靠性，高性能价格比，低电压，低功耗等优点，以单片机为核心的自动化控制系统已经赢得了广泛的应用范围。
本设计是基于单片机的水位检测控制系统设计。
设计系统的目的在于应用单片机的自动运行技术，使得水塔中的水位始终保持在一定范围内，以保证连续正常的供水。
本设计是以AT89C51单片机为核心部件的水塔水位检测控制仿真系统设计的，用以检测水位并进行控制、处理以及报警功能，并在Proteus仿真软件环境中仿真测试。
结果表明，设计的系统具有良好的检测和控制功能，方便移植性和可扩展性。
关键词：
水位控制单片机报警
BasedSCMthewaterleveldetectioncontrolsystemdesign
Abstrac
Withthesocialandtechnologicalprogress,aswellasthelevelofpeople'sstandardoflivinggraduallyimprovewiththeexhibition,andtheconvenienceofautomaticcontrolsystemforthebeginningoflifegraduallyintoourlives,single-chipmicrocomputerdevelopmentisanimportantbranch,theadvantagesofhighreliability,highperformanceandlowcost,low-voltage,low-powermicrocontrollerasthecoreoftheautomationcontrolsystemhaswonawiderangeofapplications.
Thetitleofthegraduatedesignmicrocontroller-basedwaterleveldetectionandcontrolsystemdesign,threemetalrodsintothewaterusedtodetectthesignal,theconductivityofthewater,canseethatthewaterlevelchanges.Undernormalcircumstances,thewaterlevelshouldbekeptwithinacertainrangechanges,thewaterleveldoesnotexceedthestipulatedupperandlowerlimits,intheeventofasystemfailure,shouldbepromptlycutoffelectricalpower,andthereshouldbesoundandaudiblealarmsignalsofthelight-emittingdiode.DesignSystemaimedtheapplicationmicrocontrollerrunautomatically,sothatthewaterlevelinthewatertoweralwaysmaintainedwithinacertainrangeinordertoensurethecontinuousnormalwater.ThedesignisbasedonAT89C51microcontrollerasthecorecomponentsofthewatertowerwaterleveldetectionandcontrolsimulationsystemdesignedtodetectwaterlevelcontrol,processing,andalarmfunctions,andProteussimulationsoftwareenvironmentsimulationtesting.Experimentalresultsshowthatthedesignofthesystemhasagooddetectionandcontrolfunctions,portabilityandscalability.
Keywords:
Levelcontrolmicrocontrolleralarm
1前言
1.1.本设计在国内发展概况
国产水位监测仪主要有浮筒式水位仪、压力传感器式水位仪、超声波式水位仪等，在功能齐全、性能稳定等方面，虽然与国际上先进的同类型产品存在一定差距，但是却可以基本满足水位监测及控制的需要。
表1-1中将几类典型的水位检测仪进行了对比。
表1-1国内水位监测仪对比
技术指标
浮筒式
超声波式
压力传感器式
工作方式
记录笔自记水位曲线或光码盘计数
人工操作、数字显示
多数为数字显示、人工记录，少量的有自动采集，自动打印
人为误差
大
较大
较小
分辨率
1cm
1cm
1cm（mm）
测量精度
较低
较低
较高
自动化程度
半自动化
半自动化
半自动化或全自动化
电源
无需/需要
需要
需要
环境条件
受压力影响
受气温和湿度影响
受气压影响
总体技术水平
较低
较高
较高
目前国内使用的大多数为SW40-1型日记水位计，LN-3型数字水位仪，WS-1040自动检测仪，其发展趋势都是向数字化、智能化方向发展。
1.2国外发展概况
国外一些发达国家在水位监测设备水平上也存在着较大的差异，其中美国和荷兰的产品在技术性能上代表着当今世界的先进水平。
近年来，水位监测已经融入了更多的技术，例如美国和日本等国已相继推出水位水质监测设备，并已经走进国内的市场了。
下表1-2就是国外水环境监测仪器的对比表。
表1-2国外水位检测仪对比
产地
监测参数
工作方式
美国
水位、水温、电导率、浊度、PH值、大气压等
测量数据直接传入电脑中；数据显示仪器可自动显示并存储测量参数；数据无线传输。
荷兰
水位、水温、PH值
传感器采集数据通过串行数据传输线将主机中的数据传入计算机中。
日本
水位、水温、PH值、电导率、浊度、溶解氧
现场原位自动监测。
1.3设计目的
设计基于单片机的水位检测控制系统，设计水位探测传感器用来探测三个水
位，即低水位，正常水位，高水位。
低水位时送给单片机一个高电平，驱动水泵加水，红灯亮；正常范围的水位时，水泵加水，绿灯亮；高水位时，水泵不加水，黄灯亮。
本设计过程中需要应用到传感技术、单片机技术、光报警技术以及弱电控制强电的技术。
1.4设计意义
水是一种宝贵的资源，在生产生活中，水也是不可或缺的，在生产中需要对水位进行控制，防止浪费或者不够用，这是就需要对水位进行控制，如果使用专职人员来对水位进行控制，既不能够进行精确控制，又不能保证长时间控制，是极大的浪费人力物力，如果使用单片机来控制水位的话，则是极大的节约了人力物力，而且满足工业生产中的安全，可靠，简单等需求。
2总设计
2.1设计的技术要求
1、利用单片机STC90C516RD+实现对水塔进行水位的控制——单片机技术；
2、把水位探测传感器探得水塔中的水位送给单片机以实现对水泵抽水系统的控制——传感技术；
3、设计光报警显示系统电路，采用发光二极管来表示系统出现故障时的情况——光报警技术；
4、水泵加水电路由继电器进行控制——弱电控制强电技术；
5、分析工作原理，绘出系统结构原理图及流程图。
2.2应解决的主要问题
1、高新技术的应用，应该充分利用先进的传感器技术、计算机技术、通讯技术于一体，采取多种高新技术的集成。
2、产品的系列化，应该注重系统的集成，不仅着眼于单机，更注重系列、通用集成。
未来的检测控制仪将由传感器，采集系统，通讯系统等部分组成，各部分相互独立而又通用。
3、注重性价比，在重视高档仪器开发的同时，更应该降低设备研发以及生产的成本。
4、研发准则发生变化，不应该一味的追求高精尖，而应该将研发转为“恰到好处”。
5、水位检测控制有些时候是需要在非常恶劣的环境条件下工作的，所以要严格控制各个生产环节，提高产品的质量保障。
2.3设计原理
本设计的原理是利用水位高度传感器将水位的高度数据返回给单片机，然后单片机根据水位高度在某个设定好的I/O口输出一个低电平信号，通过三极管放大后，控制光电耦合器，在驱动继电器就可以对电机的开关进行调节了，用以实现对水位的控制。
在出现系统报错的状况后，单片机关闭电机，输出两个低电平信号驱动LED灯和蜂鸣器对现场工作人员进行报警，提示他们系统出现问题，应该尽快解决问题。
在外接多功能数据采集仪器以后，可以将现场的数据，如实时水位，两个电机的工作状态，实时进水流量，实时出水流量等众多数据通过无线或者有线的网络传输，传送到远端的监控室。
这样就可以通过远程的电脑主机看到工业现场的设备运行状况以及进行控制了。
2.4方案选择
方案一：
方案一的数据采集方式如图2-1所示
图2-1方案一：
利用DTU进行远程数据采集
这种方案是利用DTU将多功能数据采集仪器采集上来的水位高度，电机工作状态，流入流出流量等信息传送到远端的监控主机上，数据采集仪器和DTU用RS485双绞线连接，采集的数据通过GPRS网络或者3G网络传送到远端的3G路由器上，监控主机再使用TCP/IP协议从3G路由器上获取数据。
监控主机上面应该安装组态软件，这样可以将采集的数据实时显示出来，并可以在主机的硬盘中储存水位监测系统的历史运行记录。
方案二：
方案二的数据采集方式如图2-2所示
图2-2利用主机从机的C/S架构进行远程数据采集
这种方案是利用远端的监控主机和现场设备的监控从机之间进行C/S架构而完成的远端数据传输，考虑到一些现场可能存在的地区较为偏远，监控从机的联网所需金额巨大，且C/S架构的后期运行维护成本较高，所以一般不考虑此方案。
本设计中，远端数据采集检测控制选择方案一。
2.5给定参数
在系统出现故障而发生报警时，发光二极管的亮与灭的时间蜂鸣器响铃；
水位高度传感器通过A/D转换模块连接到单片机上；
水泵的电机的供电部分，我们接入+9V直流电源；
为了防止经三极管放大后的电流即发射级的电流讲光电耦合器中的二极管烧坏，在此处之路中加入一个51Ω的电阻；
继电器通过光耦和单片机连接用于接收断开、闭合的信号，从而可以在另一端控制水泵的启动、停止；
在远端的监控主机上，可以显示出实时水位高度，水泵的工作状态，以及以报表和曲线的形式把水位高度和时间的关系进行显示，以及历史记录的查询。
2.6整体方案设计
在前面我已经说明了本设计的原理，方案的选择。
接下来就是整体设计的方案思路了。
首先是将压力式液位传感器经过A/D转换模块连接到单片机上，这样单片机就可以准确的读出压力的大小，根据压力的大小单片机就可以确定水位的高度，这样的好处就是可以避免使用简易的三块铜片采集数据时所造成的的低水位无电压而高水位处有电压的错误情况、以及准确的确定水位现在的高度情况。
接下来单片机根据所读取的电压值大小来决定是否需要启动或者关闭电机、或者进行水位过低以及水位过低的报警处理。
电机的启动与关闭是单片机在一个I/O输出一个信号，经过三极管放大，然后经由光电耦合器控制连接到电机上的继电器来进行控制的，由于电机驱动一般都需要很大的电压，所以在这里使用继电器是对单片机有一个很好地保护作用。
同时单片机在经过一个MAX485模块后，可以和DTU连接起来，这样可以使用DTU接收到得远程数据来控制单片机。
在外接一个多功能的数据采集器用来采集现场方面水位和水泵运行状况以及进出水的实时流量等数据，然后经过RS-485双绞线连接到DTU上，将数据传送到远端的监控主机上。
监控主机上的组态软件先将需要采集的数据组态好，然后根据经3G路由器接收到的DTU所传数据，将现场情况反馈到显示器上，并且记录。
同时也可以对界面中的一些设备进行调试，这样就可以通过DTU将远在现场的设备进行工作状态的切换了。
设计本身的结构完整，所使用的压力式液位传感器、单片机、多功能数据采集仪器、DTU、组态软件，这些都是非常成熟的产品，已经在国内外大部分重要的工业领域有所建树，安全性、稳定性都非常突出。
而且有了组态软件，在遥远的监控室就可以对现场的情况了如指掌，并且免去了人为的记录误差，所有的数据都会自动保存在监控主机的硬盘里；有了DTU就可以免去前往工业现场的劳累，坐在监控室中获得的数据就和在现场获得的数据毫无差别。
最终的设计示意图如图2-3所示。
图2-3设计示意图
2.7优点和特色
本设计的主要优点是在水位监测控制系统端，充分的利用了单片机的简单可靠，便携易懂。
而在远距离传输端，DTU的无线传输功能是一种本设计的一大特色。
DTU作为现在最可靠的工业级的远程无线传输模块，可以提供多种方便有利的功能，例如发生故障可以向预先设定好的手机发送短信提示系统发生故障或者DTU的无线传输发生故障。
在监控端，通过组态软件可以虚拟出来现场的状况，并且根据主界面上显示出来的图像和数据，对远端现场的情况有所了解，并且可以储存长达10年的历史运行记录，方便随时查看。
2.8创新点
创新的地方在于使用了DTU远程无线通信，可以实现远距离数据传输，短信报警提醒等功能，减少了人为的记录误差。
而且在监控室内可以检测工业现场的一些数据，并且可以将数据储存起来，方便随时查阅。
并且可以在组态软件上进行一些操作，通过GPRS网络或者3G网络来控制远在工业现场的设备。
2.9系统运行过程可能存在的问题
1、DTU是否正确设置。
2、DTU内的SIM卡是否欠费。
3、监控室的组态是否正确。
4、监控室的3G路由器是否能正常使用。
5、监控室的固定IP或者绑定的域名时候过期。
3硬件介绍
本设计所需器件主要有：
8051系列单片机板（使用芯片STC90C516RD+，单片机板集成蜂鸣器）、微型水泵一个、光电耦合器4N25一个、12V微型继电器一个、电路板（4*4cm）一块、直流稳压电源一台、DTU一台（含有GPRS流量的SIM卡一张）、水位高度传感器一台、多功能数据采集器一台（包括检查液位高度、电机工作状态、进水流量、出水流量等）、可以连接网络的计算机一台（安装组态软件）。
3.1光电耦合器4N25
光电耦合器是一个光作为媒介传输电信号的光电转换电气设备。
它是由两个部分组成，包括一个光源和一个光的接收装置。
光源和受光组件彼此之间用透明绝缘体隔离在相同的密封壳体内的。
光源的两个引脚一个作为光的输出端另一个作为一个输入端管脚，一个共同的发光源是发光二极管，光到光电二极管，光电晶体管，等等。
光电耦合器的输入端上的信号，使所述光源发射的光强度取决于励磁电流的大小，此入射光包后，由于光电效应产生的光电流输出由所述光接收设备信息的光接收装置一起，从而使电光源，电源进行转换。
从而完成耦合。
图3-1光耦4N25实物图
经济型光电耦合器；
晶体管输出光电耦合器；
满足所有JEDEC注册规格；
C-E饱和电压（Ic=2mA，If=5mA）：
0.15V（typ）；
隔离电压（f=60Hz，t=1）：
7500（交流峰值）；
隔离电阻（V=500V）：
10″Ω（min）；
隔离电容（V=0V，F=1MHz）:
0.25pF（typ）。
光电耦合器4N25的功能框图如3-2所示
图3-2光电耦合器4N25的功能框图
发光二极管反向电压：
3V；
发光二极管正向电流：
60mA；
发光二极管功耗（Ta=25℃）：
120mW；
输出晶体管C-E电压：
30V；
输出晶体管C-B电压：
70V；
输出晶体管集电极电流：
150mA；
输出晶体管功耗（Ta=25℃）：
150mW；
隔离电压（60Hz，1s）：
7500V；
光电耦合器的功耗：
250mW；
贮存温度：
-55℃～+150℃；
引线焊接温度（10s）：
260。
3.2单片机芯片STC90C516RD+
STC90C516RD+单片机是由宏晶科技推出的全新一代超强抗干扰/高速/低功耗的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可任意选择，内部集成MAX810专用复位电路，时钟频率在12MHz以下时，复位脚可直接接地。
图3-3STC90C516RD+实物图
芯片SCT90C516RD+的引脚如图3-4所示
图3-4芯片STC90C516RD+引脚示意图
1.增强型6时钟/机器周期，12时钟/机器周期8051CPU
2.工作电压：
5.5V-3.8V（5V单片机）/3.8V-2.4V（3V单片机）
3.工作频率范围：
0-40MHz，相当于普通8051的0～80MHz.
4.用户应用程序空间4K/6K/7K/8K/10K/12K/13K/16K/32K/40K/48K/56K/61K/字节
5.片上集成1280字节/512/256字节RAM
6.通用I/O口（35/39个），复位后为：
P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）
P0口是开漏输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。
7.ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器/仿真器
可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，8K程序3-5秒即可完成一片
8.EEPROM功能
9.看门狗
10.内部集成MAX810专用复位电路，外部晶体12M以下时，可省外部复位电路，复位脚可直接接地。
11.共3个16位定时器/计数器，其中定时器0还可以当成2个8位定时器使用
12.外部中断4路，下降沿中断或低电平触发中断，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒
13.通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART
14.工作温度范围：
0-75℃/-40-+85℃
15.封装：
LQFP-44,PDIP-40，PLCC-44
3.3电磁继电器
继电器室当时入量（如电压、电流、温度等）达到规定值时，是被孔子的输出电路导通或断开的电器。
它可分为电气量（如电流、电压、频率、功率等）继电器及非电气量（如温度、压力、速度等）继电器两大类。
继电器具有动作快，工作稳定，使用寿命长，体积小等优点。
付昂反应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。
继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。
故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。
电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。
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。
当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动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3-5电磁继电器实物图
3.4蜂鸣器
蜂鸣器是一种一体化结构的点知讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中，用做发声器件。
蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。
蜂鸣器在电路中用字母H或者HA表示。
本设计中采用的是其中的电磁式蜂鸣器。
电磁式蜂鸣器有振荡器、电磁线圈、磁铁、震荡膜片以及外壳等组成。
接通电源后，振荡器产生的音频限流信号通过电磁线圈，是电磁线圈产生磁场。
震动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性的振动发声。
3.5远程通信模块DTU
DTU（DataTransferunit）全称数据传输单元，是专门用于将串口数据转换为IP数据或将IP数据转换为串口数据通过无线通信网络进行传送的无线终端设备。
工作方式，首先将DTU通电，DTU启动后会读取自身Flash里的参数，例如GPRS拨号参数，串口波特率，数据中心IP地址等，然后会连接无线网络，获得一个随机分配的IP地址，由于是随机分配的IP地址，所以只能是由DTU在网络中寻找监控主机，而不能是由监控主机主动寻找DTU。
这里需要特别说明的是，监控主机必须要有一个固定的IP地址，或者绑定了一个域名，不然DTU就无法找到监控主机了，也就是说DTU就无法发送现场的数据。
当DTU和监控主机进行了连接之后，DTU就会将传感器传上来的串口数据封装在TCP/UTD包里，发送给监控主机，反之，如果DTU收到由监控主机发来的TCP/UTD包时，会从中读取串口数据，传送给现场的单片机，这样就可以进行远程的控制了。
图3-6DTU实物图
3.6液位高度传感器
液位传感器（静压液位计/液位变送器/液位传感器/水位传感器）是一种测量液位的压力传感器．静压投入式液位变送器（液位计）是基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，采用国外先进的隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号（一般为4～20mA/1～5VDC）。
图3-7压力式液位高度传感器实物图
4组态软件
4.1组态概况
组态软件，又称组态监控软件系统软件。
译自英文SCADA,即SupervisoryControlandDataAcquisition（数据采集与监视控制）。
它是指一些数据采集与过程控制的专用软件。
它们处在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。
国内外的组态软件主要有：
InTouch、IFix、Citech、WinCC、ASPEN-tech、北京亚控组态王、北京三维力控、南京九思易易控、昆仑通态MCGS、世纪星、紫金桥等。
本设计中选用的组态软件是北京三维力控。
4.2组态设计
运用组态软件是为了让设计整体具有可视化、通俗化、简单化等功能。
1.图4-1所展示的就是本设计组态以后的首页，上面以动画形式形象的展现了工业现
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