基于单片机的水位控制新版专业系统设计.doc

课 程 设 计 任 务 书

题目 水位控制器设计
专业、班级 学号 姓名
重要内容、基本规定、重要参照资料等：
一、重要内容：
① 熟悉单片机应用系统设计办法和规范，达到综合目。
② 学习文献检索和查找数据手册能力。
③ 学习protel软件使用。
④ 学会整顿和总结设计文档报告。
二、基本规定：
① 以MCS-51系列单片机为核心，构成一种水位自动控制系统。
② 六区间式水位显示。
③ 全自动位式进水。
④ 满水、低水水位报警。
⑤ 水位传感器故障自检及报警提示。
⑥ 能延时恢复报警消音。
三、重要参照资料：
① 张毅坤等 单片微型计算机原理及应用 西安 西安电子科技大学出版社
② 李建忠编著 单片机原理及应用 西安 西安电子科技大学出版社

完 成 期 限：
指引教师签名：
课程负责人签名：
12月 16 日
目录

摘 要 I
1、概述 1
1.1、系统原理 1
1.2、系统构造图 1
1.3、控制方案阐明 2
1.4、系统构成及原理 2
2、硬件设计 4
2.1、单片机最小系统电路设计 4
2.2、水位检测传感器选用 5
2.3、稳压电路设计 6
2.4、光报警电路设计 7
2.5、水泵简介 9
2.6、继电器控制水泵加水电路 12
2.7、电源电路 13
2.8、看门狗技术 14
3、软件设计 17
3.1、系统总原理图 17
3.2、系统程序清单 18
总结 20
参照文献 21
附录 22

摘 要
设计一种基于单片机水塔水位检测控制系统。该系统能实现水位检测、电机故障检测、解决和报警等功能，实现超高、低警戒水位报警，超高警戒水位解决。
调查过程当中发现，当前大多数住宅社区都是采用人工加水办法，即当水用完时候，就人工启动水泵进行加水，十分不便。引起了老百姓抱怨----水用完之前，不懂得水已经很少，待用完后才知晓，如果是急需水状况下，那就十分麻烦要等加水后才有水用；加水过程当中，还需要人时刻检查水位状况，以防止水量超过最高水位线；所有这一切问题存在，都在呼唤一种简朴经济水位控制系统诞生 。
此外，当前许多锅炉系统、防洪系统也需要对水位进行控制，以可以以便地控制水位，对不同水位进行报警，因此如果研制了一种较好水位控制装置便可以较好地造福人民。
相信本次设计一定可以给老百姓生活带来以便，也一定会具备辽阔市场前景，一定可以使咱们电子设计能力得到较好锻炼，使咱们理论和现实生活联系起来！
核心词：单片机；水位检测；控制系统
1、概述
1.1、系统原理
当水位处在低水位时候，传感器低水位探测线没被+5V电源导通进入稳压电路通过解决在稳压电路输出端有一种高电平，送入单片机P1.0口，另一种稳压电路输出高电平进入单片机P1.1口单片机通过度析，在P1.2口输出一低电平，驱动红灯亮，P1.5出来一种信号使光电耦合器GDOUHE导通，这样继电器闭合，使水泵加水；当水位处在正常范畴内时，水泵加水，在P1.3引脚出来一种低电平，使绿灯亮；当水位在高水位区时，传感器两根探测线均被导通，均被+5V电源导通，送入单片机，单片机通过度析，在P1.4引脚出来一种低电平，使黄灯亮，在P1.5端出来一种低电平不能使光电耦合器导通，这样继电器不能闭合，水泵不能加水；当三灯闪烁表达系统浮现故障。
1.2、系统构造图

图1-1 系统构造图
采用单片机AT89C2051作为咱们控制芯片,重要工作过程是当高塔中水在低水位时,水位探测传感器送给单片机一种高电平,然后单片机驱动水泵加水和显示系统使红灯变亮;当水位在正常范畴内时,水泵加水,绿灯亮,;当水位在高水位时,单片机不能驱动水泵加水,黄灯亮。
1.3、控制方案阐明
这个方案中使用了单片机解决，单片机技术是信息时代用于精密测量一种新技术。此系统使用过程中采用稳压电路可以精确地把输入电平送给单片机不会产生误判状况,由于AT89C2051单片机有四端口，20引脚可以非常以便地设计显示系统。
1.4、系统构成及原理
本系统由电源电路、水位探测传感电路、稳压电路、单片机系统、光报警显示电路、继电器控制水泵加水电路、以及高塔模型构成。主电气原理图如下：

图1-2 原理图
工作原理：当水位处在低水位时候，传感器低水位探测线没被+5V电源导通进入稳压电路通过解决在稳压电路输出端有一种高电平，送入单片机P1.0口，另一种稳压电路输出高电平进入单片机P1.1口单片机通过度析，在P1.2口输出一低电平，驱动红灯亮，P1.5出来一种信号使光电耦合器GDOUHE导通，这样继电器闭合，使水泵加水；当水位处在正常范畴内时，水泵加水，在P1.3引脚出来一种低电平，使绿灯亮；当水位在高水位区时，传感器两根探测线均被导通，均被+5V电源导通，送入单片机，单片机通过度析，在P1.4引脚出来一种低电平，使黄灯亮，在P1.5端出来一种低电平不能使光电耦合器导通，这样继电器不能闭合，水泵不能加水；当三灯闪烁表达系统浮现故障。
2、硬件设计
2.1、单片机最小系统电路设计
AT89C2051是美国ATMEL公司生产低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含2k bytes可重复擦写只读程序存储器（PEROM）和128bytes随机数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司高密度、非易失性存储技术生产，兼容原则MCS-51指令系统，片内置通用8位中央解决器和Flash存储单元，功能强大at89c2051单片机可为您提供许多高性价比应用场合。本设计中单片机采用AT89C2051，它是一种高性能低价格单片机。引脚(20个)和指令系统与8031单片机完全兼容。片内有2 K字节闪速程序存储器(采用电擦除编程，可重复编程1000次,数据可保),除没有P0口、P2口外,具备8031所有功能构造,即一片AT89C2051相称于8031、373 、2716 构成最小系统。用它构成测量、控制系统具备电路简朴、可靠性好、体积小和成本低等长处。AT89C2051 P1 口为八位双向I/ O 口，P1.2～P1.7有内部上拉电阻，P1.0与P1.1无内部上拉电阻。P1.0与P1.1具备第二功能，分别作为片内精密比较器同相、反相输入端。P1 口输出驱动器能提供20mA 灌电流驱动能力，其锁存器写1 时可作为输入口。AT89C2051 P3 口为七位双向I/ O 口，有内部上拉电阻，P3 口输出驱动器能提供20mA 灌电流驱动能力，其锁存器写1 时可作输入口。P316作为输入线与片内精密比较器输出端在片内相连，故无引出线，但可读该位值。P310～ P315第二功能与8031 P3 口相应口线第二功能完全相似。综上所述，P1 和P3 口中各口线可直接驱动发光二极管，不用再配备发光二极管驱动电路,P1.0与P1.1具备第二功能，不用再配备比较器，从而简化了控制电路构造。

图2-1 最小系统电路图
2.2、水位检测传感器选用
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播或解决电信号装置，在当代科技领域中，传感器得到了广泛应用，各种信息采集离不了各种传感器，传感器基本功能在于能感受外界各种“刺激”并作出迅速反映。本设计当中咱们采用水位探测传感器简朴易做，经济实惠。其外形轮廓如下：

图2-2 水位探测传感器外观图
A为接+5V电源线与水始终保持连通，B线为低水位控制线，当水位到达低水位时候它不导通，水在正常范畴内时，它导通。C线为高水位控制线，当它导通时，表达水已经为高水位。
本设计中采用了细铜线作为咱们传感器材料。重要考虑了(1)细铜线电阻率比较低，这样就可以避免由于电阻过大而使输出电平过低，以致不能较好地驱动单片机工作(2)传电性能比较好，传电速率比较快，也就是说敏捷性非常好。(3)细铜线便宜易找。
本传感器尺寸是A线是30CM，B线是20CM，C线是15CM，铜线直径是15MM。
2.3、稳压电路设计
本电路重要作用是使从传感器输出电平可以稳定地输入单片机中，重要由三极管两极放大稳定电路构成，其工作过程是水位探测传感器把探测到电信号送给R12,如果送入是高电平则R11、Q5、D3、Q4导通把低于1.4V低电平稳定地送给单片机。如果是低电平送给R12则R11、Q5、D3、Q4均不能导通二是R13导通将把高于1.4V高电平稳定送给单片机。
我查找了有关资料以及咱们自己在设计过程当中免除此稳定电路,发既有时候也能实现咱们设计目,但是也有诸多时候发生水位误判状况,产生不稳定现象,因此咱们以为此电路是不可缺少。既然是控制系统,固然就要控制精准。

图2-3 稳压电路原理图
2.4、光报警电路设计
发光二极管（LED）是用半导体材料制作正向偏置PN结二极管。其发光机理是当在PN结两端注入正向电流时，注入非平衡载流子（电子－空穴对）在扩散过程中复合发光，这种发射过程重要相应光自发发射过程。按光输出位置不同，发光二极管可分为面发射型和边发射型。发光二极管发光原理同样可以用PN结能带构造来解释。制作半导体发光二极管材料是重掺杂，热平衡状态下N区有诸多迁移率很高电子，P区有较多迁移率较低空穴。由于PN结阻挡层限制，在常态下，两者不能发生自然复合。，而当给PN结加以正向电压时，沟区导带中电子则可逃过PN结势垒进入到P区一侧。于是在PN结附近稍偏于P区一边地方，处在高能态电子与空穴相遇时，便产生发光复合。这种发光复合所发出光属于自发辐射，辐射光波长决定于材料禁带宽度Eg。
本电路采用不同颜色发光二极管来表达不同水位状况。即红灯亮，她两灯不亮表达是低水位状态，此时需要启动水泵加水；绿灯亮，其她两灯不亮表达在正常水位线内；黄灯发亮，其她两灯不亮为高水位状态，水泵停止加水，三灯闪烁表达系统浮现故障。

图2-4 光报警电路原理图
此电路采用是共阳极，因此只有当单片机给发光二极管为低电平时才干推动发光二极管点亮。其中R14、R15、R16为上拉电阻起限压控流作用。
2.5、水泵简介
水泵是每个家庭必不可少生活工具，虽然大多数人并没有结识到这一点， 但这确是事实。诸多人对水泵一无所知。
(1) 水泵分类
水泵普通多以泵构造和作用原理来分类，有时依照需要也按使用部门、用途、动力类型和泵水力性能等进行分类。
1）按使用部门分  有农业用泵（农用泵）、工作用泵（工业泵）和特殊用泵等。
2）按用途分  有水泵、砂泵、泥浆泵、污水泵、污物泵、井用泵、潜水电泵、喷灌泵、家用泵、消防泵等。
3）按动力类型分  有手动泵、畜力泵、脚踏泵、风力泵、太阳能水泵、电动泵、机动泵、水轮泵、内燃水泵、水锤泵等。
4）按工作原理分  有离心泵、混流泵、轴流泵、旋涡泵、射流泵、容积泵（螺杆泵、活塞泵、隔膜泵）、链条泵、电磁泵、液环泵、脉冲泵等。
（2）选取水泵重要参数
水泵参数是指泵工作性能重要技术数据，涉及流量、扬程、转速、效率和比转数等。
1）流量（Q）
泵流量是指单位时间内所排出液体数量。普通泵流量用体积计算，以Q表达，单位为米3/时（m3/h）、米3/秒（m3/s）、升/秒（1/s），也可用重量计，以G表达，单位为吨/时（t/h）、吨/秒（t/s）、公斤/秒（kg/s）。
G与Q关系： G=r×Qr-液体重度（公斤/米3）
因水重量近似1000公斤/米3，故1升/秒=3.6米3/时=3.6吨/时
2）扬程（H）
泵扬程是指单位重量液体通过泵所增长能量。以H表达，实质上就是水泵可以扬水高度，又叫总扬程或全扬程。单位为米液柱高度，习惯上省去“液柱”，以米（m）表达。
泵总扬程由吸水扬程与出水扬程两某些构成，因而总扬程=吸水扬程=出水扬程但由于水流通过管路时受到各种阻力而减少了泵吸水扬程和出水扬程，因而：
吸水扬程=实际吸水扬程+吸水损失扬程
出水扬程=实际出水扬程+出水损失扬程
损失扬程=吸水损失扬程+出水损失扬程
总扬程=实际扬程+损失扬程
由于水泵铭牌上标明扬程是上述水泵总扬程，因而不能误以为铭牌上扬程是实际扬程数值，水泵实际扬程都比水泵铭牌上扬程数值小。因而在拟定水泵扬程时，这一点要特别注意。否则，如果只按实际扬程来拟定水泵扬程，订购来水泵扬程就低了，那也许会减少水泵效率，甚至打不上水来。损失扬程与管路上水管和附件种类（低阀、闸阀、逆止阀、直管、弯管）、数量、水管内径、管长、水管内壁粗糙限度以及水泵流量等均有密切关系，这一点在管路设计和选配水管和附件时也应注意。
3）容许吸上真空高度（Hs）
容许吸上真空高度是指真空表读数吸水扬程，也就是泵吸水扬程（简称泵吸程），涉及实际吸水扬程与吸水损失扬程之和。以Hs表达，单位为米（m）。
容许吸上真空高度是安装水泵高度重要参数，安装水泵时，应使水泵吸水扬程不大于容许吸上真空高度值，否则安装过高，就吸不上水或生产气蚀现象。如生产气蚀，不但水泵性能变坏，并且也也许使叶轮损坏。
4）转速（n）
转速是指泵叶轮每分钟转数，以n表达，单位为转/分（r/min）。每台泵均有一定转速，不能随意提高或减少，这个固定转素称为额定转速，水泵铭牌上标定转速即为额定转速。如泵运转超过额定转速，不但会引起动力机超载或转不动，并且泵零部件也容易损坏；转速减少，泵效率就会减少，影响水泵正常工作。
5）比转数（ns）
在前述水泵型号中，有些型号构成某些有比转数这个参数。比转数与转速是两个概念，水泵比转数，简称比速，惯用符号为ns。水泵比转数是指一种假想所谓原则水泵叶轮转数，这个假想水泵与真实水泵叶轮各某些都几何相似，而在消耗功率为0.735千瓦、扬程为1米、流量为0.075立方米/秒时所具备转数。叶轮形状相似或相似水泵比转数相似，叶轮形状不相似或不相似水泵比转数不相似。如轴流泵比转数比混流泵大，混流泵比转数也是反映水泵特性综合性指标。此外，要注意比转数大水泵，其转速不一定高；比转数小，转速不一定低。大流量、低扬程水泵，比转数大，反之则小。普通比转数较低离心泵，其流量小、扬程高；而比转数较高轴流泵，其流量大、扬程低。
2.6、继电器控制水泵加水电路
1、继电器控制电路原理图
该电路由继电器RL1和闭合开关、光电耦合器、水泵R7、R8、R9、R10以及D2、Q3等构成。当水位在低水位时单片机给P1.1送一种高电平导通光电耦合器然后光电耦合器驱动Q3导致继电器闭合从而让220V交流电接通使水泵加水。

图2-5 继电器控制水泵加水电路原理图
其中光电耦合器是以光为媒介传播电信号一种电一光一电转换器件。它由发光源和受光器两某些构成。把发光源和受光器组装在同一密闭壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光源引脚为输入端，受光器引脚为输出端，在本设计当中发光源为发光二极管，受光器为光敏三极管。在本设计当中咱们采用光电耦合器构成开关电路作用，可以较好地将单片机信号稳定地送给继电器驱动继电器闭合。
继电器是具备隔离功能自动开关元件，在咱们设计当中重要来做自动控制作用，咱们采用+5V直流电来控制220V交流电，以达到控制水泵作用，由于是在这里是以一种弱电来控制强电因此安装和使用过程当中咱们一定要注意用电安全注意事项。
电磁式继电器普通由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等构成。只要在线圈两端加上一定电压，线圈中就会流过一定电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引作用下克服返回弹簧拉力吸向铁芯，从而带动衔铁动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧反作用力返回本来位置，使动触点与本来静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中导通、切断目。对于继电器“常开、常闭”触点，可以这样来区别：继电器线圈未通电时处在断开状态静触点，称为“常开触点”；处在接通状态静触点称为“常闭触点”。
2.7、电源电路
电源电路虽然简朴，但需要功能可靠，所用采用两个三端集成稳压器7802、7805，可以以便实现此功能，电路如图7所示

图2-6 电源电路
2.8、看门狗技术
在由单片机构成微型计算机系统中,由于单片机工作经常会受到来自外界电磁场干扰,导致程序跑飞,而陷入死循环,程序正常运营被打断,由单片机控制系统无法继续工作,会导致整个系统陷入停滞状态,发生不可预料后果,因此出于对单片机运营状态进行实时监测考虑,便产生了一种专门用于监测单片机程序运营状态芯片,俗称"看门狗"(watchdog)
　　看门狗电路应用，使单片机可以在无人状态下实现持续工作,其工作原理是:看门狗芯片和单片机一种I/O引脚相连,该I/O引脚通过程序控制它定期地往看门狗这个引脚上送入高电平(或低电平),这一程序语句是分散地放在单片机其她控制语句中间，一旦单片机由于干扰导致程序跑飞后而陷入某一程序段 进入死循环状态时,写看门狗引脚程序便不能被执行,这个时候,看门狗电路就会由于得不到单片机送来信号,便在它和单片机复位引脚相连引脚上送出一种复位信号,使单片机发生复位,即程序从程序存储器起始位置开始执行,这样便实现了单片机自动复位.
　　看门狗,又叫 watchdog timer,是一种定期器电路,普通有一种输入,叫喂狗(kicking the dog or service the dog),一种输出到MCURST端,MCU正常工作时候,每隔一端时间输出一种信号到喂狗端,给 WDT 清零,如果超过规定期间不喂狗,(普通在程序跑飞时),WDT 定期超过,就回给出一种复位信号到MCU,是MCU复位。防止MCU死机. 看门狗作用就是防止程序发生死循环，或者说程序跑飞。
工作原理：在系统运营后来也就启动了看门狗计数器，看门狗就开始自动计数，如果到了一定期间还不去清看门狗，那么看门狗计数器就会溢出从而引起看门狗中断，导致系统复位。因此在使用有看门狗芯片时要注意清看门狗。
系统软件"看门狗"设计思路：
（1）看门狗定期器T0设立。在初始化程序块中设立T0工作方式，并启动中断和计数功能。系统Fosc=12 MHz，T0为16位计数器，最大计数值为(216次方)-1=65 535，T0输入计数频率是。Fosc/12，溢出周期为(65 535+1)／1=65 536(μs)。
（2）计算主控程序循环一次耗时。考虑系统各功能模块及其循环次数，本系统主控制程序运营时间约为16．6 ms。系统设立"看门狗"定期器T0定期30 ms(T0初值为65 536-30 000=35 536)。主控程序每次循环都将刷新T0初值。如程序进入"死循环"而T0初值在30 ms内未被刷新，这时"看门狗"定期器T0将溢出并申请中断。
（3）设计T0溢出所相应中断服务程序。此子程序只须一条指令，即在T0相应中断向量地址(000BH)写入"无条件转移"命令，把计算机拖回整个程序第一行，对单片机重新进行初始化并获得对的执行顺序

图2-7 看门狗电路

3、软件设计
3.1、系统总原理图

图3-1 系统总流程图

3.2、系统程序清单
ORG 0000H
LJMP START
START： SETB P1.0
SETB P1.1
RESTART：MOV A,P1
ANL A,#00000011B
CJNE A,#00H,LOOP1 ;在低水位之下，启动电动机，亮红灯
SETB P1.4
SETB P1.3
CLR P1.2
LJMP RESTART
LOOP1： CJNE A,#01H,LOOP2 ;当超过低水位，并且未达到高水位时，保持电动机转动，亮绿灯
SETB P1.4
SETB P1.2
CLR P1.3
LJMP RESTART
LOOP2： CJNE A,#02H,LOOP3 ；系统故障（达到高水位，却没达到低水位）红，黄，绿灯均闪烁
CLR P1.4
CLR P1.3
CLR P1.2
LCALL DELAY
SETB P1.4
SETB P1.3
SETB P1.2
LJMP RESTART
LOOP3： CJNE A,#03H,RESTART ;当达到高水位时，停止电动机，亮黄灯
SETB P1.3
SETB P1.2
CLR P1.4
LJMP RESTART
RET
END

总结
通过这段时间不懈努力，终于完毕了我课程设计---基于单片机水位控制系统。应当说完毕这个系统设计还比较成功，通过这次课程设计，也让我更加深刻结识和理解到单片机在现实生活中应用是如此广泛和实用。
本系统重要由水位探测传感器，单片机控制系统，水位显示系统，继电器驱动电路，水泵加水系统构成，系统简朴，安装以便。
本系统采工作过程是当水位处在低水位时候，传感器低水位探测线没被+5V电源导通进入稳压电路通过解决在稳压电路输出端有一种高电平，送入单片机P1.0口，单片机通过度析，在P2.3口输出一低电平，驱动红灯亮，P2.0出来一种信号使光电耦合器GDOUHE导通，这样继电器闭合，使水泵加水；当水位处在正常范畴内时，水泵加水，绿灯亮；当水位在高水位区时，传感器两根探测线均被导通，均被+5V电源导通，送入单片机，单片机通过度析，在P2.2引脚出来一种低电平，使黄灯亮，在P2.0端出来一种低电平不能使光电耦合器导通，这样继电器不能闭合，水泵不能加水，当系统浮现故障时，三灯闪烁。
固然，限于本人水平，本设计当中也一定会存在诸多局限性，还但愿各位教师多提意见，多多指教！

参照文献
[1]赵贞图、传感器集成电路手册[M]、4月、第1版、化学工业出版社。
[2]何希才、传感器及其应用实例[M]、9月、第1版、机械工业出版社。
[3]刘湘涛、江世明编《单片机原理与应用》电子工业出版社，8月
[4]王晓明编著《电动机单片机控制》北京航空航天大学出版社，5月
[5]张毅坤等 单片微型计算机原理及应用 西安 西安电子科技大学出版社
[6]李建忠编著 单片机原理及应用 西安 西安电子科技大学出版社

附录单纯课本内容，并不能满足学生需要，通过补充，达到内容完善
教诲之通病是教用脑人不用手，不教用手人用脑，因此一无所能。教诲革命对策是手脑联盟，成果是手与脑力量都可以大到不可思议。