水塔水位自动控制电路设计论文.docx
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水塔水位自动控制电路设计论文
四川信息职业技术学院
毕业设计说明书
设计（论文）题目:
________________________
水塔水位自动控制电路设计
专业:
应用电子技术
班级:
学号:
姓名:
指导教师:
二〇一三年十二月五日
四川信息职业技术学院毕业设计（论文）任务书
学生姓名
学号
班级
专业
设计题目
水塔水位自动控制电路设计
指导教师姓名
职称
工作单位及所从事专业
联系方式
备注
设计内容：
1.当水位达到最低水位时自动上水。
2.当水位达到最高水位时自动上停止水。
3.通过一只中间继电器来接通大功率的交流接触器，控制水泵的运行。
4.完成EWB对电路进行仿真和制作实物5.撰写设计报告。
5.撰写设计报告。
进度安排：
1.3～4周：
消化课题，收集相关资料，选择参考方案；
2.5～6周：
初步确定设计方案并熟悉部分器件的用途；
3.7～9周：
划分功能模块，设计单元电路；
4.10～11周：
分析电路原理，基本完成设计过程，撰写设计说明书初稿；
5.12～13周：
修改、完善设计电路，进行电路仿真；
6.14～15周：
按毕业设计的各项要求整理设计说明书并修改、完善，检查定稿；
7.16周：
熟悉设计全过程，准备答辩。
主要参考文献、资料：
[1］高吉祥．电子技术基础实验与课程设计．北京：
电子工业出版社，2002年．
[2］彭介华．电子技术课程设计指导．北京：
高等教育出版社，1997年．
[3]张毅坤、陈善久、裘雪红.单片微型计算机原理机及应用.1998年第一版.西安：
西安电子科技大学出版社.1998.8
[4]谭浩强.C程序设计.第2版.北京：
清华大学出版社.2005.6
[5]田立，代方震.51单片机C语言程序设计快速入门.北京：
电子工业出版社.2007
审
批
意
见
教研室负责人：
年月日
目 录
摘 要
采用低功耗单片机为控制核心、辅以超声波水位状态采集模块、二极管指示模块、电源供电模块、扬声器报警模块设计的自动水塔水位控制系统，通过一只中间继电器来接通大功率的交流接触器，控制水泵的运行成功实现水塔水位控制功能，它具有电路简单、功能齐全、制作成本低、性价比高等特点，是一种经济、实用的自动水塔水位控制系统。
硬件部分主要由单片机指示灯、继电器、蜂鸣器等基本外围电子电路组成。
它设计的优点是当水位达到一定的位置时报警器开始报警。
因此在生活实践应用中具有一定的价值。
关键字 超声波检测；水位控制
绪 论
在我国尤其是人口高度密集的企业单位和学校，有90%以上是采用传统的抽水方法，用人工监控但是这种方法不仅浪费。
人力资源且工作不方便而且，近几年来，随着农村饮水工程的。
启动和乡村集镇化建设的发展，深井取水成为解决饮用水的主要方法如果采用人工监控抽水，不但浪费人力资源，而且还容。
易发生干抽现象，而且水塔的水用完了还不知道，有时则抽满溢出来，浪费水资源和能源为了提高效率，节约资源，我们就如何实现智能抽水，采用单片机系统进行控制，给出了硬件电路和程序思路。
其中运用比较多的主要在大众生活方面，以单片机为控制中心的智能小系统。
在本设计中，我们采用了单片机控制多模块设计，便于检查和维修。
该设计的基本原理为以51单片机作为控制元，由软件系统和硬件系统两部分组成。
可靠性：
系统应保证长期安全地运行。
系统中的硬软件及信息资源应满足可靠性设计要求。
安全性：
系统应具有必要的安全保护和保密措施。
实用性：
注重采用经济而实用的技术，使系统建设的投入产出比最高，能产生良好的社会效益和经济效益。
易操作性：
贯彻面向最终用户的原则，使用户操作简单直观，易于掌握。
广泛性：
现在大多数企业以及农户为了节约成本都应用此种水塔控制，它的优越性被越来越多的人们所接受、使用。
第1章 方案论证与分析
1.1 系统功能要求
设计方案采用单片机作为核心部件，并配以时钟电路、复位电路、报警电路、通过扩展外围设备及接口电路完成整个控制系统对电机的控制。
成功实现水塔水位显示功能，自动控制电机进行补水功能，从而达到设计要求。
1.2 整体方案
1.2.1 方案比较与论证
1．基于数字电路实现的电路方案
本设计电路专门用于自来水塔水位的控制。
当水位低于最低水位时，自动将供水泵启动上水；当水位到达最高水位是，自动停住上水，不用人工控制。
该电路的特点是通过一只中间继电器来接通大功率的交流接触器，控制上水水泵电动机的启动。
这是由于555电路输出功率较小，不能驱动大功率的交流接触器它。
电路工作原理：
电路中如图（1-1），NE555组成R-S触发器，作为主控电路。
R1、R3与R4组成输入端分压偏置电路，它将R-S触发器的R端与S端分别偏置在既不大于2V/3，也不小于V/3的中间状态。
当水塔中的水位处于满水时，电源电极A通过水电阻与B、C电极相连，使R-S触发器的R、S端均为高电平，R-S触发器输出端为低电平，继电器K通过吸合，通过常闭触点将交流接触K2的电源断开，上水水泵处于停歇状态。
图1-1 数电设计电路原理图
在上水过程中，当水位上升使电极A、B接触后，通过水电阻与R2将电源电压加至定时器的2脚，使R-S触发器的S端出现高电平，但这一高电平对电路不起触发作用。
电路保持原状态，上水过程继续。
当水位进一步上升使电极AC连通后，电源电压通过水电阻与R1加至6脚，是R-S触发器的R端出现高电平。
这一高电平作为R-S触发器的复位电平，使电路复位，输出端输出低电平，继电器K通电吸合，通过常闭触点K1-1将交流电接触器的电源断开，接触器断开水泵工作电源，上水停止。
2．基于单片机电路实现的电路方案
本设计方案采用内部含Flash存储器的单片机作为核心部件，并配以时钟电路、复位电路、显示电路、报警电路、超声波测距模块，通过扩展外围设备及接口电路完成整个控制系统对电机的控制．电机的控制有串行和并行两种方式，本系统采用串行控制，驱动系统中通过单片机输出控制信号，实现电机不同的控制。
基于单片机实现的电路方案方框图如图1-2所示：
单片机
时钟电路
复位电路
超声波测距
数码管显示
报警电路
接触器电路
图1-2 单片机设计电路原理框图
各模块的功能如下：
时钟电路：
单片机的时钟信号用来提供单片机内各种微操作的时间基准，时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号。
复位电路：
用于系统的正常初始化，当单片机系统在运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需要复位以使其恢复正常工作状态。
超声波水位控制及显示电路：
用于控制水位的上升，同时显示水位，当水位超过警卫线时显示灯就会亮。
交流接触器电路：
控制大功率水泵进行抽水工作。
报警电路：
超过警卫线时，再加水就会实施报警，提醒人们无需再加水。
稳压滤波电源电路：
主要是为给系统提供安全、稳定的电源电路。
1.2.2 方案论证
以单片机为主体配以超声波测距模块，精确测出水位容量，且不会影响水质。
电路具有高可靠性、功能强、高速度、超强抗干扰、低功耗、便于操作等优点，高可靠性、功能强、高速度。
在系统中，应用超声波模块可以测出水位的高度和水即满的位置，在单片机的控制下，让超声波功能最大化。
一直是衡量单片机性能的重要指标，也是单片机占领市场、赖以生存的必要条件，所以本次设计我们选用了以单片机为中心的设计，此方案的灵活性明显要高于数字电路构成的系统，即本次设计选择基于单片机电路实现的电路方案。
第2章 硬件设计与分析
水塔自动供水系统由单片机最小系统、液位控制电路、水位指示电路、报警电路、交流接触器电路和稳压电源等组成，水塔自动供水系统电路原理图见附录1所示。
2.1 单片机最小系统
电路最小系统由AT89C51单片机、时钟电路、复位电路组成，它是电路工作的最基本的单元电路，任何单片机基于单片机的设计系统都离不开它。
2.1.1 芯片介绍
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。
中央处理器：
中央处理器（CPU）是整个单片机的控制核心部件，完成运算和控制功能。
CPU有运算器和控制器组成。
它是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。
内部数据存储器（RAM）：
单片机内部共有256个RAM单元，其中有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。
内部程序存储器（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：
单片机有两个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：
单片机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：
单片机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：
单片机内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但单片机需外置振荡电容。
单片机的引脚说明：
单片机采用40Pin封装的双列直接DIP结构，下图是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。
其引脚排列如图2-1。
单片机
图2-1 单片机引脚图
控制引脚介绍：
1．ALE:
系统扩展时，P0口是八位数据线和低八位地址先复用引脚，ALE用于把P0口输出的低八位地址锁存起来，以实现低八位地址和数据的隔离。
2．PSEN；低电平有效时，可实现对外部ROM单元的读操作。
3．EA:
当EA信号为低电平时，对ROM的读操作限制在外部程序存储器；而挡EA为高电平时，对ROM的读操作是从内部程序存储器开始的，并可延至外部程序存储器。
4．RST:
当输入的复位信号延续两个机器周期以上的高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作。
5．XTAL和1XTAL2：
外接晶振引线端。
并行I/O端口介绍：
P0端口［P0.0-P0.7］P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口，端口置1（对端口写1）时作高阻抗输入端。
作为输出口时能驱动8个TTL。
P1端口［P1.0－P1.7］P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口。
输出时可驱动4个TTL。
端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。
对内部Flash程序存储器编程时，接收低8位地址信息。
P2端口［P2.0－P2.7］P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口。
输出时可驱动4个TTL。
端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。
对内部Flash程序存储器编程时，接收高8位地址和控制信息。
在访问外部程序和16位外部数据存储器时，P2口送出高8位地址。
而在访问8位地址的外部数据存储器时其引脚上的内容在此期间不会改变。
P3端口［P3.0－P3.7］P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口。
输出时可驱动4个TTL。
端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。
除此之外P3端口还用于一些专门功能，具体请看下表2-1。
表2-1P3引脚的第二功能说明
P3引脚
兼用功能
P3.0
串行通讯输入（RXD）
P3.1
串行通讯输出（TXD）
P3.2
外部中断0申请（INT0）
P3.3
外部中断1申请（INT1）
P3.4
定时器/计数器0的外部输入（T0）
P3.5
定时器/计数器1的外部输入（T1）
P3.6
外部数据存储器写选通WR
P3.7
外部数据存储器写选通RD
2.1.2 单片机时钟电路设计
单片机是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格的按时序进行工作。
时钟电路用于产生单片机的工作的所修要的时钟信号。
时钟可以由内部方式或外部方式产生。
89C52内部方式时钟电
路，是在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，就能构成自激振荡电路。
定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振电路。
电容器C1和C2主要起频率微调作用，电容值可选取为30pF左右或40pF左右。
89C52外部方式时钟电路是XTAL1接外部振荡器，XTAL2悬空。
对外部振荡信号无特殊要求，只要保证脉冲宽度，一般采用
图2-2 时钟电路
频率低于12MHz的方波信号。
而此设计采用石英晶体内部时钟电路。
如图2-2所示。
XTAL1是片内振荡器的反相放大器输入端，XTAL2则是输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到XTAL1，而XTAL2悬空。
内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频，如晶振为12MHz，时钟频率就为6MHz。
晶振的频率可以在1MHz-12MHz内选择。
电容取30pF左右。
系统的时钟电路设计是采用的内部方式，即利用芯片内部的振荡电路。
AT89C52单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。
引脚XTAL1和XTAL2分别是此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晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。
外接晶体谐振器以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。
对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。
因此，此系统电路的晶体振荡器的值为12MHz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值约为30pF。
2.1.3 单片机复位电路设计
复位是使单片机或系统中的其他部件处于某种确定的初始状态。
单片机的工作就是从复位开始的，当在单片机的RST引脚引入高电平并保持2个机器周期时，单片机内部就执复位操作（若该引脚持续保持高电平，单片机就处于循环复位状态）。
实际应用中，复位操作有两种基本的形式：
一种是上电复位，另一种是按键复位。
由于本次设计采用的是按键复位，所以这里只介绍按键复位，如图2-1-3所示。
按键复位要求按下按键后，单片机实现复位操作。
常用的按键复位如图所示。
按下按键瞬间
RST引脚获得高电平，随着电容C1的充电，RST引脚的高电平将逐渐下降。
RST引脚的高电平只要能保持足够的时间（2个机器周期），单片机就可以进行复位操作。
该电路典型的电阻和电容参数为：
晶振为12MHz时，C1为10uF，R1为8.2kΩ，晶振为6MHz时，C1为22uF，R1为1kΩ。
单片机的复位操作使单片机进入初始化状态。
初始化后，程序计数器PC=0000H所以程序从0000H地址单元开始执行。
单片机启动后，片内RAM为随机值，运行中的复位操作不改变片内RAM的内容。
图2-3 按键复位电路
特殊功能寄存器复位后状态使确定的。
P0～P3为FFH，SP为07H，SBUF不定，IP、IE和PCON的有效值为0，其余的特殊功能寄存器的状态均为00H。
2.2 超声波测水位电路
超声波测水位的作用：
一种是为了液体储藏量的管理，一种是为了液位的安全或自动化控制。
有时需要精确的液位数据，有时只需液位升降的信息，超声波模块一共五个引脚，左边第一个引脚是VCC，第二个引脚是控制端，第三个引脚是接收端，第四个引脚是信号输出端，第五个引脚是GND。
如图2-4所示。
图2-4 超声波测距模块
超声波测水位的基本工作原理如图2-5所示。
单片机发出的脉冲信号经过整形后，传到超声波换能器（中心频率为40kHz），通过超声波发射头将电能转换为机械能发射出去。
脉冲信号采用高频低功耗非周期窄脉冲信号，因为其具有频率高，波长短，绕射现象小，方向性好，发射器体积小等优点。
根据检测水位的要求进行升降调节，实际是一个测距的检测电路。
当超声波检测到水位小于最短距离时，此时水位处于L，就可以通过单片机控制水泵停止工作；当超声波检测到水位大于最短距离时，此时水位处于A点或者B点，就可以控制水泵开始工作。
同时通过显示器，可对供水系统进行控制。
超声波的测距公式：
声速（V）*时间（T/2）=距离（S）
2.3 指示电路
指示部分可由液晶显示屏、发光二极管等组成，考虑到成本和适用等问题，在此我们选用发光二极管作为本次设计地显示器件，发光二极管具有工作电流低、发光响应快、体积小、耐振动、耐冲击、驱动电路简单，适用于和集成电路配合等优点。
当P2.7输出为高电平时，此时二极管D11亮，指示水塔水位处于A；当P2.6为高电平时，二极管D10亮，指示水塔水位处于B；当P2.7和P2.6都为高电平时，二极管D11和D10同时亮，预示水塔水位处于L已将溢满不能再加水。
如图2-6所示。
图2-6 指示电路
2.3.1 显示电路
本系统使用数码显示管显示水位的实际高度。
一共12个引脚，4个位选，8个段选。
从上面一排左边第一引脚开始，按顺时针顺序依次往下遍历所有引脚。
1：
左边第1个数码管的位选择端；2：
a；3：
f；4：
左边数起第2个数码管的位选择端；5：
左边数起第3个数码管的位选择端；6：
b；7：
左边数起第4个数码管的位选择端；8：
g；9：
c；10：
小数点dp；11：
d；12：
e。
如图2-7所示
图2-7 显示电路
2.4 报警电路
报警电路实现的功能是：
当水塔即将溢满时，指示灯亮扬声器开始发声报警，提示人们不能再加水了，防止水资源白白浪费。
工作原理是：
当用户按下按键D时，P2.0将电流送至二极管D5和三极管Q1，二极管变亮扬声器开始报警。
当用户按下断开D时，此时二极管D5变灭并且扬声器停止工作。
如图2-8所示。
图2-8 报警电路
2.5 交流接触器工作原理
交流接触器主要有四部分组成：
电磁系统,包括吸引线圈、动铁芯和静铁芯；触头系统,包括三组主触头和一至两组常开、常闭辅助触头,它和动铁芯是连在一起互相联动的；灭弧装置，一般容量较大的交流接触器都设有灭弧装置，以便迅速切断电弧，免于烧坏主触头；绝缘外壳及附件,各种弹簧、传动机构、短路环、接线柱等。
当线圈通电时，静铁芯产生电磁吸力，将动铁芯吸合，由于触头系统是与动铁芯联动的，因此动铁芯带动三条动触片同时运行，触点闭合，从而接通电源。
当线圈断电时，吸力消失，动铁芯联动部分依靠弹簧的反作用力而分离，使主触头断开，切断电源。
如图2-9所示。
图2-9 交流接触器原理图
2.6 整机电路工作原理
为了节约水资源我们设计了基于单片机的水塔自动供水系统，更加快速的来控制水位的升降，在生活中起到了非常重要的作用。
整个水塔供水系统原理是：
开启电源，水塔的水位不断上升，当水位位于B时指示灯D10亮，；当水位位于A时指示灯D11亮；当水位位于L时指示灯D11和D10同时亮，并且电动机开始减速直至停止，预示着水塔水位即将溢满；当水位位于L时此时指示灯D11和D10同时亮报警扬声器报警。
当水位低于L时报警器停止报警，指示灯灭；当水位低于A时指示灯D11灭，电动机开始工作为水塔供水；当水位低于B时电动机正常工作为水塔供水。
第3章 软件设计
程序是使单片机系统按预定的操作方式运行，它是单片机系统程序的框架。
系统上电后，对系统进行初始化。
初始化程序主要完成对单片机内专用寄存器的设定，单片机工作方式及各端口的工作状态的规定。
同时控制电机的运行达到升水的目的。
系统功能是由软硬件共同实现的，由于软件的可伸缩性，终实现的系统功能可强可弱，差别可能很大。
因此，软件是本系统的灵魂。
软件采用模块化设计方法，不仅易于编程和调试，也可减小软件故障率和提高软件的可靠性。
3.1 主程序流程图
主程序的功能是检测水塔的水位，提示、显示水塔的水位，以防水溢出来了，造成不必要的浪费。
如图3-1所示主程序的流程图。
3.2 中断流程图
在实时控制中，现场的各种参数、信息的变化是随机的。
这些外界变量可根据要求随时向CPU发出中断申请，请求CPU及时处理，如中断条件满足，CPU马上就会响应，转去执行相应的处理程序，从而实现实时控制。
如图3-2所示中断流程图。
图3-2 定时器中断流程图
第4章 系统仿真与调试
调试是一个必不可少的环节，它将会验证你的成果，是否实现了所要完成的功能。
系统调试仿真时首先要在使用Keil编译器，把所写的程序进行编译，同时在仿真器里设置生成“．HEX”文件，编译无错误时还要进行Proteus仿真，查看功能是否能够实现。
下面就将仿真将会用到的软件进行简单的介绍，并对仿真过程予以简介。
4.1 常用调试工具
4.1.1 Keil软件
Keil软件是集成调试环境，集成了编缉器、编译器、调试器，支持软件模拟，支持项目管理功能强大的观察窗口，支持所有的数据类型。
树状结构显示，一目了然，支持ASM（汇编）、C语言，多语言多模块源程序混合调试，在线直接修改、编译、调试源程序，错误指令定位。
功能很强大。
用于对程序的调试和编辑。
Keil软件调试情况如图4-1所示。
图4-1 Keil软件界面
4.1.2 Proteus软件
系统仿真还用到了Proteus软件，可通过仿真可以完全显示出所设计系统的功能，对于程序的调试等有很大的帮助。
首先要新建一个文档是DNS型的找出需要的器件，可以使用搜索功能。
接着把各个器件放到合适的位置都要放到框内。
然后根据自己的设计要求连线。
把所有的元件都连接好，做出完整的电路图仿真如图4-2所示。
图4-2 系统仿真
4.2 系统调试
单片机应用系统的调试包括硬件和软件两部分，但是他们并不能完全分开。
一般的方法是排除明显的硬件故障，再进行综合调试，排除可能的软/硬件故障。
软件程序的调试一般可以将重点放在分模块调试上，统调是最后一环。
软件调试可以采取离线调试和在线调试两种方式。
前者不需要硬件仿真器，可借助于软件仿真器即可；后者一般需要仿真系统的支持。
本次课题，Keil软件来调试程序，通过各个模块程序的单步或跟踪调试，最后统调程序。
系统的调试开始是把Keil编译生成的无错误后缀名为．HEX的文件加载到单片机中，方法是双击单片机弹出一个对话框，在programfile后选择要添加文件，文件要求必须是HEX文件。
然后可以点击运行观察现象，不断的改进调试，软件仿真能达到预期的效果。
第5章 实物制作与调试
采用AltiumDesigner6.8原理图制作软件进行电路原理图和PCB的设计，以强大的设计输入功能为特点，在FPGA和板级设计中，同时支持原理图输入和HDL硬件描述输入模式；同时支持基于VHDL的设计仿真，混合信号电路仿真、布局前/后信号完整性分析。
AltiumDesigner的布局布线采用完全规则驱动模式，并且在PCB布线中采用了无网格的SitusTM拓扑逻辑自动布线功能。
布线速度快，布通率高；将完整的CAM输出功能的编辑结合在一起，极大的加快了用户的设计速度。
AltiumDesigner软件界面如图5-1所示。
图5-1 AltiumDesigner界面图
5.1 PCB板的制作
PCB板的制作一般包括印制底图图样描绘、底图掩膜层制作和蚀刻加工等三个环节。
首先根据方案，采用电子设计自动化软件中的AltiumDesigner6.8进行印制电路板底图图样的设计。
在软件环境下绘制好底图后
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