1、電子信息工程實驗教學中心綜合課程設計設計報告設計題目基于單片機的水位檢測與控制系統年級專業學 號姓 名成 績2012電子信息工程評語：完成日期：2015/6/30 目 錄摘要11 緒論21.1 項目研究背景及意義21.2 課題現狀 22 總體設計方案及論證32.1 總體方案設計33 硬件實現及單元電路設計43.1 設計原理43.2 設計方案53.3 傳感器模塊53.3.1 傳感器的選擇5 3.4 系統工作原理63.5 水位顯示電路73.6 外部晶振時鐘電路的設計123.7 時鐘電路的設計133.8 自動報警電路133.9 中央處理器模塊143.10 繼電器控制模塊143.11 水位檢測系統仿真

2、圖 144 軟件設計154.1 主程序工作流程圖155 總結156 參考文獻15附 錄16附件1：原理圖16附件2：仿真圖16附件3：元件清單17附件4：程序18摘要隨著社會的發展，科技的進步以及人們生活水平的逐步提高，各種方便與生活的自動控制系統開始進入了我們的生活，單片機作為微型計算機發展的一個重要分支，具有高可靠性、高性能價格比、低電壓、低功耗等優勢，以其為核心的自動控制系統贏得了廣泛的應用。該課程設計的題目是基于單片機的水塔水位控制，在此水塔水位控制系統中，檢測信號來自插入水中的4個金屬棒，以感知水位變化情況。工作正常情況下，應保持水位在某一范圍內，當水位變化發生故障的時候，及時關斷電

3、機電源，發出聲、光報警信號。其目的在于對單片機技術的應用，由單片機實現自動運行，使水塔內水位始終保持在一定范圍，以保證連續正常地供水。該課程設計給出以STC89C51單片機為核心器件的水塔水位檢測控制系統仿真設計，實現水位的檢測控制、處理和報警等功能，并在Proteus軟件環境下模擬仿真。實驗結果表明，該系統具有良好的檢測控制功能，可移植性和擴展性好。關鍵詞：水位傳感器 STC89C511. 緒論1.1 項目研究背景及意義在工農業生產中，常常需要測量液體液位。隨著國家工業的迅速發展，液位測量技術被廣泛應用到石油、化工、醫藥、食品等各行各業中。低溫液體（液氧、液氮、液氬、液化天然氣及液體二氧化碳

4、等）得到廣泛的應用，作為貯存低溫液體的容器要保證能承受其載荷；在發電廠、煉鋼廠中，保持正常的鍋爐汽包水位、除氧器水位、汽輪機凝氣器水位、高、低壓加熱器水位等，是設備安全運行的保證；在教學與科學研究中，也經常碰到需要進行液位控制的實驗裝置。本設計是利用STC89C52單片機設計一種水位控制系統。主要是基于單片機的硬件設計以及程序設計, 包括測量電路部分、液位實時數顯輸出部分以及液位控制部分，還在此基礎上添加蜂鳴器。本設計只是概念性設計了電路部分，并不涉及具體的數值設定，經過了實際應用檢測。該系統實現了水位監測，水位控制，水位顯示，故障報警功能。在設計中主要采用了傳感技術、單片機技術、弱電控制強電

5、技術、C語言編程等技術。本文還講述了水位控制系統工作的基本原理，介紹了電路接口原理圖，給出了相應了設計流程圖和C語言程序。本文主要是為了更多得了解單片機，掌握單片機的組成部分和控制原理，最終達到設計出“單片機水位控制系統的”的目的。實驗證明，單片機控制的水位控制系統的硬件電路簡單，軟件功能完善，控制系統可靠，充分發揮了單片機的性能，可以大大的提高單片機的開發效率。1.2 課題現狀目前，市面上進行液位測量的儀表種類繁多，但是同時具有測量、監控、數據記錄及處理的液位測量裝置并不多。在某些工業控制系統中，數據的測量這一基本功能已不能滿足現代工業的要求，往往需要對大批數據進行記錄，對其進行后期處理分析

6、，實現差錯控制、工藝改善、資源優化等一系列工作。為了獲得大批量的數據，得到可靠的分析資料，往往需要長期、多網點的監控記錄。在液位測量這一領域中，如江河湖海、城市用水等方面，大量數據長時間，多網點的采集記錄分析具有普遍的意義。液位的變化分析，有助于人們進一步對自然環境、天氣變化甚至是災害預警提供可靠的支持。單片機是一種集成電路芯片，是采用超大規模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器CPU隨即存儲器RAM，只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統、定時器、計時器等功能集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的計算機系統。中央處理器CPU是單片微型計算機指揮、執行中心，由它讀程序并執行指令。CPU功

7、能，是以不同方式來執行各種指令。有的指令涉及到各個寄存器之間的關系；有的指令涉及到單片機核心電路內部各功能部件的關系；有的則與外部器件發生關系?？偟膩碚fCPU是通過復雜的時序電路來完成不同的指令功能的。2. 總體設計方案及論證2.1 總體方案設計通過水的導電性，在水位到與未到的差別形成鮮明的高低電平并利用單片機強大的數據處理能力對收到的數據進行解碼、判斷，做出相應的顯示處理、驅動繼電器打開或關閉相應的電子閥門。設計要求：利用單片機及揚聲器、水位傳感器等器件設計；將探測到的水位變化信號轉換為電壓信號，經調理電路整形處理為TTL電平送入單片機；單片機對送入的信號進行數據處理，在LED上進行水位顯示

8、，超出水位警戒線時發出報警提示。原始數據：水位傳感器；51單片機；蜂鳴器。主要任務：根據技術要求和現有開發環境，分析設計題目；設計系統實現的方案；設計并繪制電路原理圖；畫出功能模塊的程序流程圖；使用C語言編寫實現程序；結合硬件調試、修改并完善程序；編寫項目報告。對于本設計單片機結構簡單實用性強，功能齊全，技術先進，使實現這設計不難實現。同時，C語言是單片機的重要“組成”，如果能掌握好C語言編程，這將很大程度上提高了開發效率。在設計過程中我們采用了軟硬件雙結合的方式，軟件設計的方法簡化了硬件的要求，為設計創造了條件。單片機采用的STC89C51的單片機。水位傳感器模塊單位數碼管顯示STC89C5

9、1 單片機模塊 狀態指示燈晶振電路繼電器控制端復位電路 蜂鳴器（圖 1-1 系統整體方案）3. 硬件實現及單元電路設計3.1 設計原理單片機水塔水位控制原理如圖1所示，圖中虛線表示容許水位變化的上下線，在正常情況下，應保持水位在虛線范圍之內。其中A棒處于下限水位，C棒處于上限水位，B棒在上下水位之間。A棒接+5V電源，B棒、C棒各通過一個電阻與地相連。 圖1 水塔水位控制原理圖水塔由電機帶動水泵供水，單片機控制電機轉動以達到對水位控制之目的。供水時，水位上升，當達到上限時，由于水的導電作用，B、C棒連通+5V。因此，b，c兩端均為1狀態，這時應停止電機和水泵的工作，不再給水塔供水。 當水位處于

10、上下限之間時，B棒與A棒導通。因C棒不能與A棒導通，b端為1狀態，c端為0狀態。這時，無論是電機已在帶動水泵給水塔加水，水位在不斷上升；或者是電機沒有工作，用水使水位在不斷下降。都應繼續維持原有的作狀態。 當水位降到下限時，B，C棒都不能與A棒導電，因此，b，c兩端均為0狀態。這時應啟動電機，帶動水泵工作，給水塔供水。 3.2 設計方案本設計為一個實際應用系統的水塔水位控制部分。在此水塔水位控制系統中，檢測信號來自插入水中的4個金屬棒，以感知水位變化情況。工作正常情況下，應保持水位在1水位和4水位內，當水位變化發生故障的時候，及時關斷電機電源，發出聲、光報警信號。 水塔水位的硬件原理圖如圖2所

11、示。圖2 水塔水位的硬件原理圖3.3 傳感器模塊3.3.1 傳感器的選擇此設計最重要的模塊之一就是水位傳感器了,因為這個模塊的準確性直接決定了水位控制的準確性.如果傳感器選擇得不可靠,可能造成數碼管所顯示值非水池中的真實水位值;可能造成錯誤報警;錯誤加水或錯誤放水等可能. 水位的高度檢測也可有多種選擇,如超聲波；電容傳感器；紅外傳感器；利用水的導電性直接感應電流的"通"或"斷"來判斷水位是否到達了相應的水位線 方案一、使用超聲波傳感器。超聲波具有不受被測的深度和導電性影響的特殊性，但精度不高，價格昂貴；這種產品不具有市場競爭力。再者，這種傳感器與單片機的

12、接口較復雜，需要模/數之間的轉換。 方案二、使用電容式傳感器。容易實現，但要求水位的變化較為緩慢，距離不能太遠。 方案三、使用紅外傳感器，利用水面和容器的反射構成薄膜干涉，當有水時，由于水面反射光的干涉，使得紅外線傳感器接收不到相應的信號，由此可以探測到水位高度。但是，同樣地這種傳感器價格也很昂貴，而其安裝起來也不太容易。 方案四、利用水的導電性,直接感應電流的"通"或"斷"來判斷水位是否到達了相應的水位線。這種方式不用額外的開銷，而操作安裝簡單，其安裝高度較為靈活。如下示意圖 VCCP23P22P20P21圖 3 水位傳感器示意圖3.4 系統工作原理當

13、水箱里的水位在低水位的時候傳感器傳給穩壓電路一個低電平，低電平通過穩壓電路里的PNP三極管、電容、電阻轉換成低電平。單片機收到低電平，表示水箱里沒有水了需要系統開始運作，給水箱加水，蜂鳴器報警。水位達到高水位時傳感器同時傳送給單片機一個低電平，紅燈閃爍頻率加快，蜂鳴器報警頻率加快。同理，水位從高水位下降時，水位離開高水位線時，高水位傳感器探頭與電源斷開，傳感器輸出低電平給單片機。圖4 穩壓電路圖本電路的主要作用是使從傳感器輸入的電平能夠穩定的輸入到單片機中，是由三極管8550、兩個電阻組成。3.5 水位顯示電路本電路采用數碼管顯示不同的水位等級，其段數碼管是常用的顯示器件，具有造價低廉，驅動方

14、便等特點，其由7 個發光二極管和一個小數點組成,行成一個日字形,它們可以共陰極,也可以共陽極.但其使用方法基本相同。通過解碼電路得到的數碼接通相應的發光二極而形成相應的數字顯示。由于，單片機復位后的各個引腳呈高電平，一般情況下，復位后數碼管不亮且考慮到顯示的“夠用”要求，所以選擇一位共陽數碼管做為水位高度的顯示。如下所示為一位共陽的示意圖：圖5 數碼管模型示意圖 D 2 D 3 D 4 D 圖6 共陽數碼管接法3.6 外部晶振時鐘電路的設計STC89C51的時鐘可以由兩種方式產生，一種是內部方式，利用芯片內部的振蕩電路；另外一種為外部方式，本論文根據實際需要和簡便，采用內部振蕩方式，MCS-5

15、1內部有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端，這個放大器與作為反饋元件的片外晶體或陶瓷諧振器一起構成了一個自激振蕩器。STC89C51雖然有內部振蕩電路，但要形成時鐘，必須外接元件，所以實際構成的振蕩時鐘電路，外接晶振以及電容C1和C2構成了并聯諧振電路接在放大器的反饋回路中，對接電容的值雖然沒有嚴格的要求，但電容的大小會影響振蕩頻率的高低，振蕩器的穩定性，起振的快速性和溫度的穩定性。晶振的頻率可在1.2MHZ12MHZ之間任選，電容C1和C2的典型值在20pf100pf之間選擇，由于本系統用到定時器，為了方便計算，采用了12MHZ的晶

16、振，采用電容選擇30pf。 圖7 晶振電路的設計3.7 復位電路的設計STC89C51的復位輸入引腳RST為單片機提供了初始化的手段，可以使程序從指定處開始執行，在STC89C51的時鐘電路工作后，只要RST引腳上出現超過兩個機器周期以上的高電平時，即可產生復位的操作，只要RST保持高電平，則STC89C51循環復位，只有當RET由高電平變成低電平以后，STC89C51才從0000H地址開始執行程序，本系統采用按鍵復位方式的復位電路。 圖8 復位電路3.8 自動報警電路下列二種情況發生系統報警： 1當水位達到上限極限水位時報警，水位到達上限極限水位時系統發出報警；2當水位達到下限極限水位時報警

17、，水位到達下限極限水位時系統發出報警；蜂鳴器發聲原理是電流通過電磁線圈，使電磁線圈產生磁場來驅動振動膜發聲的，因此需要一定的電流才能驅動它，單片機IO引腳輸出的電流較小，單片機輸出的TTL電平基本上驅動不了蜂鳴器，因此需要增加一個三極管的電路。通過一個三極管C8550來放大驅動蜂鳴器，當8550的基極是一個低電平時，三極管處于飽和狀態，蜂鳴器通電報警，當基極為高電平，三極管處于截止狀態，蜂鳴器停止報警。原理圖見下面圖3： 圖6 自動報警電路的接線圖3.9 中央處理器模塊中央處理器是整個設計的數據處理中心，擔負著數據接收與處理、數據顯示與報警及繼電器的驅動并開啟電子閥門。這個中央處理器的選擇應考

18、慮價格、穩定性、易用性等因素。這里我們選擇STC89C51。3.9.1 STC89C51 主要性能： 與 MCS-51 單片機產品兼容 8K字節在系統可編程Flash存儲器 1000次擦寫周期 全靜態操作：0Hz33Hz32個可編程I/O口線三個16位定時器/計數器八個中斷源全雙工UART串行通道低功耗空閑和掉電模式掉電后中斷可喚醒看門狗定時器雙數據指針掉電標識符3.9.2 功能特性描述： STC89C51是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統可編程Flash存儲器。使用Atmel公司高密度非易性存儲器技術制造，與工業80C51產品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存

19、儲器在系統可編程，亦適于常規編程器。在單片機上，擁有靈巧的8位CPU和在系統可編程Flash，使得STC89C51為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超有效的解決方案。 3.9.3 引腳： P0口：P0口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅動8個TTL邏輯電平。對P0端口寫"1"時，引腳用作高阻抗輸入。當訪問外部程序和數據存儲器時，P0口也被作為低8位地址/數據復用。在這種模式下，P0具有內部上拉電阻。在 flash編程時，P0口也用來接收指令字節；在程序校驗時，輸出指令字節。程序校驗時，需要外部上拉電阻。P1口：P1口是一個具有內部上拉電阻的8位雙向I/

20、O口，p1輸出緩沖器能驅動4個TTL邏輯電平。對P1端口寫"1"時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分別作定時器/計數器2的外部計數輸入（P1.0/T2）和 時器/計數器 2 的觸發輸入（P1.1/T2EX），具體如下。在flash編程和校驗時，P1口接收低8位地址字節引腳號第二功能：P1.0T2（定時器/計數器T2的外部計數輸入），時鐘輸出P1.1T2EX（定時器/計數器T2的捕捉/重載觸發信號和方向控制）P1.5MOSI（在系統編程用）P1.6MISO（在系

21、統編程用）P1.7SCK（在系統編程用）P2口：P2口是一個具有內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2輸出緩沖器能驅動4個TTL邏輯電平。對P2端口寫"1"時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數據存儲器（例如執行MOVXDPTR）時，P2口送出高八位地址。在這種用中，P2口使用很強的內部上拉發送1。在使用8位地址（如MOVXRI）訪問外部數據存儲器時，P2口輸出P2鎖存器的內容。在flash編程和校驗時，P2口也接收高8位地址字節和一些控制信號。

22、P3口：P3口是一個具有內部上拉電阻的8位雙向I/O口，p2輸出緩沖器能驅動4個TTL邏輯電平。對P3端口寫"1"時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。P3口亦作為STC89C51特殊功能（第二功能）使用，如下所示。在flash編程和校驗時，P3口也接收一些控制信號。P3.0RXD（串行輸入）P3.1TXD（串行輸出） P3.2INT0(外部中斷 0) P3.3INT0(外部中斷 0) P3.4T0（定時器 0 外部輸入） P3.5T1（定時器 1 外部輸入） P3.WR(外部數據存儲器

23、寫選通) P3.7RD(外部數據存儲器寫選通) 框圖：圖7 中央處理器引腳圖3.10 繼電器控制閥門模塊用一個較小的電流去控制較大的電流(如驅動閥門、高功率加熱器件、機床等)，可以使用諸如繼電器，晶體管和晶閘管幾種類型。在線路結構上都采用了隔離措施。但各有其特點：繼電器輸出：開關速度低，負載能力大，適用于低頻場合。晶體管輸出：開關速度高，負載能力小，適用于高頻場合。晶閘管輸出：開關速度高，負載能力小，適用于高頻場合。在這個設計中，只是用于驅動閥門而已，所以選擇使用繼電器，要求速度不用太高，負載也無需太大。繼電器是一種當輸入量（電、磁、聲、光、熱）達到一定值時，輸出量將發生跳躍式變化的自動控制器

24、件，是一種電子控制器件,通常應用于自動控制電路中,它實際上是用較小的電流去控制較大電流。3.10.1 繼電器工作原理一般機械繼電器有一組觸點，4根引線，兩個是常開的，兩個是常閉的，中間一個共用。當控制端加電之后，線圈產生磁場，常開的閉合，常閉的斷開，這樣可以用小電壓和電流控制大功率的設備，比較方便和安全。下圖為直流無極繼電器，當電流通過線圈時，鐵芯吸動銜鐵，使推桿向上移動，帶動中簧片斷開后接點，而與前接點閉合；當電源切斷后，鐵芯失磁，銜鐵自行釋放，使推桿下降，中簧片斷開前接點，而與后接點閉合。繼電器線圈沒電時，鐵芯失磁，簧片與后接觸點閉合，使信號燈電路接通紅燈，則紅燈亮。如下圖：圖 8 繼電器

25、斷開時工作原理示意圖繼電器線圈有電時，鐵芯吸動銜鐵，簧片與前接觸點閉合，使信號燈電路接通綠燈，則綠燈亮。如下圖：圖9 繼電器接時工作原理示意圖綜合考慮,電子閥門工作時電流不大,形狀閉合速度也要求不高,所以繼電器的選擇要求不高,只要市面上較易買到,價格合適,電流2A10A右就可以了.這里我們選擇的是HRS4H-S-DC5V就可以3.11 水位檢測系統的整體電路仿真圖圖10 水位控制系統仿真圖4 軟件設計4.1 主程序工作流程圖在系統的硬件確定以后，功能完善的軟件能夠很好的指導和協調硬件的工作，可使系統發揮其最大的作用，并且便利以后的更新換代升級。一個完整的系統都離不開對系統狀態的監控，為了更好的

26、協調軟件，硬件各個部分正常工作就必須對整個系統進行嚴密監控。主程序如圖3-1所示。系統開始工作時，由傳感器檢測出水位深度，送入單片機與設定值相比較。如果測量值高于上限值則發出警報并關閉水泵；如果測量值低于下限值則發出警報并啟動水泵供水；如果測量值等于設定值則關閉水泵停止供水，并由顯示水位值，否則啟動水泵繼續供水且顯示水位值。 開始傳感器測量Y報警提示關閉水泵測量值高于上限值NY報警提示啟動水泵測量值低于下限值NY關閉水泵停止供水測量值等于設定值N啟動水泵繼續供水顯示液位高度高度 結束圖11主程序設計5 總結本設計是利用STC89C52單片機設計一種水位控制系統。主要是基于單片機的硬件設計以及程

27、序設計, 包括測量電路部分、液位實時數顯輸出部分以及液位控制部分，還在此基礎上添加蜂鳴器。本設計只是概念性設計了電路部分，并不涉及具體的數值設定，經過了實際應用檢測。該系統實現了水位監測，水位控制，水位顯示，故障報警功能。在設計中主要采用了傳感技術、單片機技術、弱電控制強電技術、C語言編程等技術。本文還講述了水位控制系統工作的基本原理，介紹了電路接口原理圖，給出了相應了設計流程圖和C語言程序。6 參考文獻 1 童詩白，華成英。模擬電子技術基礎（第三版）。北京高等教育出版社，2001 2 謝嘉奎，宣月清，馮軍。電子線路線性部分（第四版）。北京高等教育出版社，2004 3 郁有文.傳感器原理及工程

28、應用,西安電子科技大學出版社，2001.4 嚴鐘豪.非電量電測技術.北京,機械工業出版社，2001.5 周樂挺.著傳感器與檢測技術.北京,機械工業出版社，2005.6 范晶彥.傳感器與檢測技術應用.北京,機械工業出版社，2005.7 張正偉.傳感器原理與應用.北京,中央廣播電視大學出版社，1991.8 李 軍.檢測技術及儀表.北京,輕工業出版社，1989.9 宋文緒.自動檢測技術.北京,高等教育出版社，2000.10 賈伯年.傳感器技術.南京,東南大學出版社，1990.11 杜 維.過程檢測技術及儀表.北京,化學工業出版社，1999.12 高曉蓉.傳感器技術.成都,西南交通

29、大學出版社，2003.13 吳桂秀.傳感器應用制作入門.杭州,浙江科學技術出版社，2003.14 徐 潔.電子測量與儀器.北京,機械工業出版社，2004.15 武昌俊.自動檢測技術及應用.北京,機械工業出版社，2005.附 錄附件1：原理圖附件2：仿真圖附件3：元件清單CommentDescriptionQuantity蜂鳴器蜂鳴器110uF電容120pf電容2發光二極管發光二極管1發光二極管發光二極管3Relay-SPDT繼電器19012三極管61K電阻1010K電阻5SW按鍵3電源開關電源開關1STC89C52單片機1smg_1數碼管1CON5傳感器接口112M晶振1附件4：程序

30、#include <reg52.h> /調用單片機頭文件#define uchar unsigned char /無符號字符型 宏定義變量范圍0255#define uint unsigned int /無符號整型 宏定義變量范圍065535/數碼管段選定義 0 1 2 3 456 7 8 9uchar code smg_du=0xde,0x91,0xcd,0xd5,0x93,0x2b,0x5f,0xd4,0xdf,0xd1,/ AB C D E F不顯示 0xd7,0x1f,0x4e,0x9d,0x4f,0x47 ; /斷碼uchar dis_smg1 = 0xde;sbit led_y = P22; /黃燈/高水位sbit led_g = P21; /綠燈sbit led_r = P20; /紅燈/低水位sbit shuiwei1 = P34;sbit shuiwei2 = P35;sbit shuiwei3 = P36;sbit shuiwei4 = P37;sbit relay = P10; /繼電器 sbit beep = P27; /蜂鳴器 uchar shuiwei; /水位/*1ms延時函數*/void delay_1ms(uint q)ui