四路水位控制器文档格式.docx
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智能化产品的出现，解决了人们生产、生活当中的许多实际问题。
从而减轻了人们的劳动强度和资源浪费。
1.2课题意义
本课题的意义在于：
（1）通过这次课程设计，加深对单片机理论方面的理解。
（2）掌握单片机的内部模块的应用，如定时器/计数器、中断、片内外存储器、I/O口、串行口通讯等。
（3）了解和掌握单片机应用系统的软硬件设计过程、方法及实现，为以后设计和实现单片器应用系统打下良好基础。
（4）通过简单课题的设计练习，了解必须提交的各项工程文件，也达到巩固、充实和综合运用所学知识解决实际问题的目的。
（5）对于水源危机的今天，我们更加注重节约用水，因此，研制开发出
四路水位控制器，以解决上述问题，保护我们赖以生存的水源，同时也节省了不必要的人力资源。
根据四路水位控制器的原理，也可以应用的其它控制领域当中。
水、电资源浪费严重，设备事故隐患多、管理困难，以节能降耗、提高自动化水平为主要目的技术改造方案。
第2章51单片机基础
随着科技的发展，单片机已不是一个陌生的名词，它的出现是近代计算机技术发展史上的一个重要里程碑。
单片机芯片的体积微小和低的成本，可广泛地嵌入到如玩具、家用电器、机器人、仪器仪表、汽车电子系统、工业控制单元、办公自动化设备、金融电子系统、舰船、个人信息终端及通讯产品中，成为现代电子系统中最重要的智能化工具。
特别是在自动化控制领域应用最广泛。
因此，本次设计采用单片机为控制核心。
市场上流通单片机的种类很多，占有率最高的是MCS—51系列，因为世界上很多知名的IC生产厂家都生产51兼容的芯片。
生产MCS—51系列单片机的厂家如美国AMD公司、ATMEL公司、INTEL公司、WINBOND公司、PHILIPS公司、ISSI公司、TEMIC公司及南韩的LG公司、日本NEC、西门子公司等。
到目前为止，MCS—51单片机已有数百个品种，在一般性能上都可以达到本次设计的要求。
例如AT89C51、AT89C52等都可以用于控制水位，唯一缺点在于不能在线下载，并且，AT系列单片机编程器价钱比较昂贵。
不利于小资本实验。
，造成了不便的烦恼。
STC89系列单片机是MCS-51系列单片机的派生产品。
它们在指令系统、硬件结构和片内资源上与标准8051单片机完全兼容，且价钱容易接受。
其优点是可以在线下载，下载器也比较容易购买到，方便携带应用。
例如STC89C51，其可以用于控制水位，在功能和性能上要比AT系列单片机突出，因此，选择STC89C系列单片机，作为水位控制器核心。
2.1STC89C系列单片机概述
STC89C51是深圳宏晶公司生产的一种单片机，在一小块芯片上集成了一个微型计算机的各个组成部分。
每一个单片机包括：
一个8位的微型处理器CPU；
一个256K的片内数据存储器RAM；
片内程序存储器ROM；
四个8位并行的I/O接口P0-P3，每个接口既可以输入，也可以输出；
两个定时器/记数器；
五个中断源的中断控制系统；
一个全双工UART的串行I/O口；
片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接。
最高允许振荡频率是12MHZ。
STC89C51单片机采用40Pin封装的双列直插DIP结构，与8051为pin-to-pin兼容。
STC89系列单片机高速（最高时钟频率90MHz），低功耗，在系统／在应用可编程（ISP,IAP），不占用户资源。
主要特性：
处理器单元是以80C51为核心；
工作电压为3V/5V，操作频率0-33MHz（STC89LE516AD最高可达90MHz）;
工作电压为5V，操作频率0-40MHZ。
大容量内部数据RAM:
IK字节RAM;
64/32/16/8kB片内Flash程序存储器，具有再应用可编程（IAP），再系统可编程（ISP），可实现远程软件升级，无需编程器；
支持12时钟（默认）或6时钟模式。
双DPTR数据指针；
SPI（串行外围接口）和增强型UART;
PCA（可编程计数器阵列），具有PWM的捕获／比较功能。
4个8位I/O口，含3个高电流Pl口，可直接驱动LED;
3个16位定时器／计数器；
可编程看门狗定时器（WDT）;
低EMI方式（ALE禁止）;
兼容TTL和COMS逻辑电平；
掉电检测和低功耗模式等。
2.2STC89C51硬件资源
单片机包含中央处理器、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线。
如图2-1所示。
图2-1单片机内部结构
·
数据存储器（RAM）
单片机内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。
程序存储器（ROM）：
单片机共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。
定时/计数器（ROM）：
有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。
并行输入输出（I/O）口：
共有4组8位I/O口（P0、P1、P2或P3），用于对外部数据的传输。
全双工串行口：
内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。
中断系统：
具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。
时钟电路：
内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容。
2.3STC89C51的引脚说明
STC89C51采用DIP40形式封装，如图2-2所示，其特殊管脚说明如下。
图2-2单片机引脚图
RESET/Vpd复位信号复用脚，当单片机通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。
初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指针写入07H，其它专用寄存器被清“0”。
RESET由高电平下降为低电平后，系统即
从0000H地址开始执行程序。
然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态。
单片机的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，见下图2-3。
此外，RESET/Vpd还是一复用脚，Vcc掉电其间，此脚可接上备用电源，以保证单片机内部RAM的数据不丢失。
图2-3复位、晶振连接示意图
Pin3.0:
ALE/
当访问外部程序器时，ALE（地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。
而访问内部程序存储器时，ALE端将有一个1/6时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。
更有一个特点，当访问外部程序存储器，ALE会跳过一个脉冲。
如果单片机是EPROM，在编程其间，
将用于输入编程脉冲。
Pin2.9:
当访问外部程序存储器时，此脚输出负脉冲选通信号，PC的16位地址数据将出现在P0和P2口上，外部程序存储器则把指令数据放到P0口上，由CPU读入并执行。
Pin3.1:
EA/Vpp程序存储器的内外部选通线，单片机内置有4kB的程序存储器，当EA为高电平并且程序地址小于4kB时，读取内部程序存储器指令数据，
而超过4kB地址则读取外部指令数据。
如EA为低电平，则不管地址大小，一律读取外部程序存储器指令。
对内部无程序存储器的单片机,EA端必须接地。
图2-4单片机P3口第二功能说明
2.4本章小结
本章介绍了STC89C51基本结构与相关的硬件资源，这些知识是本次设计必须掌握的基本内容。
第3章硬件电路设计
3.1硬件电路总体设计
四路水位控制器硬件电路构成框图如图3-1所示。
以STC89C51为电路的中央处理器，用来处理传感器采集来的数据，进而控制水泵电机工作。
为了人们能清晰地了解系统工作状况，在电路图中设计了水位指示，电源部分是为整个电路模块提供电源，以便能正常工作。
本设计总共包含五大部分：
中央处理器（CPU）、电源模块、水位限位传感器（含四个单元）、水位指示部分、水泵电机驱动。
依此框图作为电路设计的依据。
从中也体现了电路的结构简单、实用，设计灵活等特点。
图3-1四路水位控制器硬件电路构成框图
3.2水位测量电路设计
3.2.1水位传感器的设计与原理
脉冲调制式红外发射接收器。
该器件由于采用的是交流分量的调制信号，侧可大幅度减少外界干扰，以便提高信号传输的准确性；
另外红外发射接收管的最大工作电流取决于调制信号的平均电流，如果采用占空比小的调制信号，在平均电流不变的情况下，瞬时电流很大（50~100mA），则大大提高了信噪比。
并且红外传感器反应灵敏，外围电路也很简单，如图3-2所示。
它的优点是消除了外界光线的干扰提高了灵敏度，制作比较简单。
图3-2脉冲调制式红外发射接收器电路
因为光在水中的传播与空气中光的传播是由不同的差异的，即光在不同的介质中其强弱程度不同。
可以根据此原理采集水塔中是否有水，如图3-3所示。
共有四组光电耦合器组成采集信号。
脉冲调制式红外发射接收器工作原理：
接收管与发射管放在水塔对立的两侧且在一条直线上，在空气中接收管完全接收到发光管发送来的信号，运算放大器同向端电平高于反向端，输出高电平送给单片机处理；
当发射接收两管之间有水时，水对光有反射和折射特性减弱了光信号，在此适当的调整好图3-2中电阻R2，使接收管在有水
图3-3光电水位检测示意图
时接受的信号是弱信号，此时运放的同向端低于反向端，这样输出为低电平。
由此可以判断出是否有水。
但是，问题在于电路调试比较困难，因为光在水中传播的亮度与光在空气中传播的亮度信号，单片机难于区分出，实现起来比较困难。
水阻开关传感器。
任何物质在电学里都有一定的阻值，实验证明，纯净水几乎是不导电的，但自然界存在的，以及人们日常使用的水都会含有一定的Mg2+、Ca2+等离子，它们的存在使水可以具有导电的性能，水的阻值大约为10KΩ左右。
本控制装置就是利用水的导电性完成的。
其传感器电路结构简单，是由三极管9013、两个电阻、和一个无极性电容组成，可以简单的自制出水位传感器如图3-4所示。
此传感器利用了两个原理，一个是三极管的开关特性；
另一个是水的阻值特性（实验证明，纯净水几乎是不导电的，但自然界存在的以及人们日常使用的水都会含有一定的Mg2+、Ca2+等离子，它们的存在能够使水导电）。
图3-4传感器工作电路
为此，在水塔的不同高度安装了5根金属棒，以感知水位变化情况。
根据水与空气的阻值特性（水的阻值大约为10KΩ左右，空气的阻值约为无穷大）。
我们利用的是三极管的开关特性（即饱和导通，截止断开）。
在水塔中分别放置了正5伏电源线和四条带有金属棒判断水位的导线。
+5伏导线放在水塔的最底端，另四条分别放置在水塔内不同高度如图3-5所示。
图3-5传感器连接示意图
此原理的电路设计比脉冲调制式红外发射接收器结构简单，方便。
此电路的灵敏度可以达到本设计的要求，能够准确地分辨出有水信号和无水信号不用调试便可很方便的使用。
由此可知，这种设计方案简单实用，元器件选用方便，费用低。
此电路无需调试，解决了第一种方案中调试繁琐，信号干扰的问题，信号传输的准确率高达95%以上。
本电路选择第二种方案，作为水位传感器。
3.2.2水位传感器工作原理
其工作原理很简单，如图3-5，当水体内无水时，四个传感器都输出高电平，表示无水需要水泵蓄水，单片机通知水泵开始蓄水，水位随时间上升，当水位到达水位最极限时，水泵继续工作且蓄水指示灯工作。
水继续上升，到达低水位时，水将低水位传感器的探头和电源接通，传感器发出低电平信号送给单片机，表明已到达了低水位线，单片机控制低水位指示灯工作；
水上升到中水位线时，水将中水位传感器的探头和电源接通，传感器发出低电平信号送给单片机处理，表明已到达了中水位线，以控制中水位指示灯工作；
水上升到高水位线时，水将高水位传感器的探头和电源接通，传感器发出低电平信号送给单片机处理，表明已到达了高水位线，以控制高水位指示灯工作此时水泵停止工作。
反之，水位开始从高水位下降，水位离开高水位线时，水将高水位传感器探头与电源断开，传感器输出高电平送给单片机，以控制高水位指示灯停止工作，表明水位下降到了高水位线以下；
当水位下降到中水位以下时，传感器探头与电源断开，传感器输出高电平送给单片机，以控制中水位指示灯停止工作，表明水位下降到了中水位水位线以下；
以此类推，当水位下降到蓄水警告线以下时，单片机控制水泵开始蓄水，又开始从无水状态循环工作。
3.3显示电路设计
用于显示的电路有很多种类，可以运用LCD液晶显示、LED数码管显示或LED发光二极管显示。
但是由于LCD价钱比较昂贵，不利于本电路的设计。
LED数码管显示的符号有限，不能形象的将水位显示出，而发光二极管，排列有序时可以形象地显示出水位的基本位置如图3-6所示。
图3-6水位指示
水位指示灯的设计很简单，用的是发光二极管，和电阻串联后一端接到5V电源上，另一端接到单片机的P0口上（在这里我们用的是P0.4-P0.7引
脚），单片机只要通过对P0口的控制便可让二极管发光和熄灭。
以便形象的表达出水位的位置。
蜂鸣器接于单片机的P1.4，用于声音提示和报警。
为了显示电源是否有电也可以用发光二极管和电阻串联接于电源的正负极作为电源指示灯。
这类电路很简单，这里就不再赘述了，具体连接如下图3-7所示。
图3-7指示灯及蜂鸣器
3.4水泵电机控制电路设计
水泵电极控制电路是以微信号控制大信号，同样也利用了三极管的开关特性，具体内容请看传感器部分3.1。
通过单片机的P2.0口发出高低电平来控制三极管导通截止，使继电器去控制接触器的线圈得电或失电，让水泵工作。
其原理也比较简单，这里也不详述了如图3-8。
图3-8水泵电机控制电路图
这里应用电子水阀去控制水塔向其它用户点供应水的大小，以便节约用水量。
电路设计方法与水泵电机电路的设计和原理是相同的如图3-9所示，三个开关接于单片机的P1口上，是分别来设置电子水阀的大小的。
S1、S2、S3分别是小、中、大三种大小。
这里不再赘述了。
图3-9电磁阀控制电路
3.5电源电路设计
采用市面上的干电池为系统供电，省掉了笨重的变压器，减少了成本，使系统轻便。
由于干电池的稳压性能很差，会给系统的工作带来不便。
因此为了解决稳压的问题在电路中加入了几个电容和集成稳压块如图3-10所示
图3-10A1117供电电路
，但是，干电池不适用于长久使用。
会增加更换电池的烦恼，不利于电路长久工作。
采用市电220伏交流供电。
220交流电源通过变压器变成适当范围内的电压值，经桥式整流、电容滤波、稳压块稳压形成了稳定的直流电压。
如图3-11所示。
虽然加入了笨重的变压器，体积很大，但是可以长久稳定的工作。
图3-11电源电路
因此，根据上述特点我们选择了市电220伏交流供电方案，作为电路设计的供电电路。
其中，电源电路使用的集成稳压电路有很多种，最常用的有7805和1117，稳压值为+5伏，都可以为单片机供电使用，他们的封装如图3-12a和b所示。
其中，7805的功耗比较大，易于发热，使用时需要在集成电路上安装散热器，以便散去内部电路产生的热量，否则，长期使用会烧毁集成电路，而且它的体积要比1117大。
1117是低功耗的集成稳压电路，不需要安装散热器，稳压性能稳定，体积小而轻盈适用于本电路。
a7805的封装b1117的封装
图3-12集成稳压电路的封装
3.6本章小结
经过以上的分析，以经济、简单、方便、实用的原则，选择了以单片机STC89C51位核心处理器，使用简易的水阻开关传感器采集信号，以+5V稳压集成电1117组成的整流稳压电源。
构成电路的核心部分。
第4章软件设计
4.1软件总体设计
随着当今计算机技术的发展，繁琐的硬件设计已经被软件所取代。
我们运用的单片机设计电路便是一个鲜明的实例。
本设计是利用软件和硬件相互结合的方法，这样减少了繁琐的硬件设计，体现了电路的集成化，并且简化了电路。
电路能够正常地工作，不仅取决于硬件电路，而且，更取决于软件和硬件的结合。
因此，我根据外围硬件电路连接方案，编写具体软件。
本电路的软件程序很简单，运用循环、判断语句就可以完成软件的编写。
图4-1程序总流程图
根据具体硬件连接以及设计思路，首先将流程图绘制出来作为变成的依据如图4-1所示。
主程序通过调用水位控制子程序来实现软件控制的。
这样设计是为了让程序井然有序方便模块化编程。
4.2水位测量部分软件设计
4.2.1水位测量部分软件设计说明
电路中有四个输入端口，分别为高水位、中水位、低水位、蓄水输入接口，向单片机传输信号，本电路中规定输入信号为低电平即0时表示有水，输入信号为高电平即1时表示无水。
因为有四个输入端口，它形成了16种不同的组合如下图4-1-2表格1所示。
表1四路输入状态组合
高水位
中水位
低水位
蓄水
水塔状态
水泵工作状态
水满
停止
1
无效
在高水位以下
有程序流程决定
在中水位以下
在低水位以下
无水
运行
我们仔细观察此真值表，可知对于本电路的有效状态只有5种状态，将其归纳为表格2。
表格3是输入状态与指示灯的对应关系，在这里指示灯的亮灭，在程序中只要控制相应端口的高低电平即可（输出为0时表示亮，输出为1时表示灭）。
因此，我们根据表格2和表格3对其进行编程操作。
表2与本设计相关的五种状态
表3指示灯与输入对应关系
高水位指示灯
中水位指示灯
低水位指示灯
蓄水指示灯
亮
灭
4.2.2水位测量部分软件设计
水位控制子程序流程图如下图4-4所示。
其流程图包含的编程思想是在循环当中套用判断，它的顺序是从高水位开始判断的。
首先，程序先判断高水位，如果水塔是满的，它就做出相应的处理（关闭水泵，水位指示灯全亮），然后再返回去判断高水位，如果始终处于高水位在此循环等待。
如果不处于高水位，程序继续向下执行，判断是否为中水位，如果是，程序将仅关闭高水位指示灯，此时说明水位下降到中水位，然后再返回去判断高水位，如果始终处于中水位在此循环。
如果不处于中水位，程序继续向下执行，判断是否为低水位，如果是，程序将仅关闭高水位、和中水位指示灯，此时说明水位下降到低水位然后再返回去判断高水位，如果始终处于低水位在此循环。
如果不处于低水位程序继续向下执行，判断是否为蓄水，如果是，程序将关闭高水位、中水位和低水位指示灯并且启动水泵蓄水，此时说明水塔中没有水了，应该蓄水。
然后再返回去判断高水位，如果始终处于蓄水状态在此循环。
本程序中的特点是，无论每一步程序都将返回到起始位置，重新从高水位开始执行。
其好处是防止程序进入死循环，提高系统控制的可靠性。
图4-4水位控制子程序流程图
水位控制部分的汇编语言程序代码如下（完整的程序代码见附录1）：
GAA02:
JBGSW,GAA03;
判断是否是高水位，不是转向中水位
CLRXSKG;
关闭蓄水开关
CLRGSZS;
高水位指示灯指示
CLRZSZS;
中水位指示灯指示
CLRDSZS;
低水位指示灯指示
CLRXSZS;
蓄水指示灯指示
LJMPGAA02;
GAA03:
JBZSW,GAA04;
判断是否是中水位，不是转向低水位
SETBGSZS;
关闭高水位指示灯
LJMPGAA02;
GAA04:
JBDSW,GAA05;
判断是否是低水位，不是转向蓄水
SETBGSZS;
SETBZSZS;
关闭中水位指示灯
LJMPGAA0
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