基于单片机的水位控制新版系统标准设计.doc

单片机原理及系统课程设计

评语：

考勤10分
守纪10分
过程30分
设计汇报30分
答辩20分
总成绩(100)

专 业： 自动化
班 级： 自动化1201
姓 名: 王文玉
学 号： 09005
指导老师： 苟军年

兰州交通大学自动化和电气工程学院
12月12日
基于单片机水位控制系统设计
1 引言
单片机课程学习，不仅要在书本上学到知识，更要在实际中得到锻炼。我认为要学好单片机这门课程，更关键是要学会经过实践巩固学到知识，只有把学到知识经过实践不停体会了解，才能愈加好掌握这门课程。此次课程设计我选择制作题目是基于单片机水位控制系统设计，在此次课程设计中关键以水塔供水为例,进行设计介绍。该系统能实现水位检测、电机故障检测、处理和报警等功效，实现超高、低警戒水位报警，超高警戒水位处理。介绍电路接口原理图，给出对应软件设计步骤图和C语言程序，并用Proteus软件仿真。
1.1 设计背景
水位控制系统是现今生活和工业一个比较实用系统,其应用范围广泛,关键包含水塔、水库和锅炉水位控制等领域。以水塔供水为例,供水关键问题是塔内水位应一直保持在一定范围，避免“空塔”、“溢塔”现象发生。现在，控制水塔水位方法较多，其中较为常见是由单片机控制实现自动运行，使水塔内水位保持恒定，以确保连续正常地供水。实际供水过程中要确保水位在许可范围内浮动，应采取电压控制水位,经过实时检测电压，测量水位改变，从而控制电动机工作状态，确保水位在正常范围内。
2 设计方案及原理
2.1经过水位改变上下限控制方法
这种控制方法经过在水塔不一样高度固定不动3根金属棒ABC，以感知水位改变情况。A棒接+5V电源，B棒﹑C棒各经过一个电阻和地相连。利用51单片机为控制关键，设计成一个对供水箱水位能自动进行检测控制系统。假如水塔水位处于警界低水位状态时，开启水泵,水泵开始正转，开始向水塔供水；假如水塔水位处于正常水位状态时,水泵停止工作，水泵停转；假如水塔水位处于警界高水位状态时，开启水泵,水泵开始反转，开始从水塔排水；供水系统出现故障时，自动报警；故障解除时，水泵恢复正常工作。
2.2水塔水位控制原理
在水塔内不一样高度处，安装固定不变3根金属棒A、B、C，用以反应水位改变情况。其中，A棒在下限水位，B棒在上、下限水位之间，C棒在上限水位。水塔由电机带动水泵供水，单片机控制电机转动，伴随供水，水位不停上升，当水位上升到上限水位时，因为水导电作用，使B、C棒均和+5 V连通。所以b、c两端电压全部为+5 V即为“1”状态．此时应停止电机和水泵工作，不再向水塔注水；水位处于上、下限之间时，B棒和A棒导通，而C棒不能和A棒导通，b端为“1”状态，c端为“0”状态。此时电机带动水泵给水塔注水，使水位上升；当水位处于下限位置以下时，B、C棒均不能和A棒接通，b、c均为“0”状态，此时应开启电机转动，带动水泵给水塔注水。
设计原理图如1所表示。

图1 水塔水位控制原理图
3电路设计
水塔水位控制系统关键由CPU(AT89C51)、水位检测接口电路、报警接口电路、存放器扩展接口电路、复位电路、时钟振荡等部分组成。
设计中所用到原件有排阻、AT89C51、L298、数码管、直流电机、LED灯。
电路框图图2所表示。

AT89C51

时钟电路
复位电路
水位检测电路
报警电路
水位显示

控制电机
报警

图2 水塔水位控制系统结构框
3.1关键芯片介绍
AT89C51：89C51是一个带4K字节闪烁可编程可擦除只读存放器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）低电压、高性能CMOS8位微处理器。单片机可擦除只读存放器能够反复擦除100次。该器件采取ATMEL高密度非易失存放器制造技术制造，和工业标准MCS-51指令集和输出管脚相兼容。因为将多功效8位CPU和闪烁存放器组合在单个芯片中，ATMEL89C51是一个高效微控制器。
L298：L298是SGS企业产品,比较常见是15个脚MultiwattL298N,内部一样包含4通道逻辑驱动电路,能够方便驱动两个直流电机,或一个两相步进电机,是一款电机驱动芯片。
3.2水位检测接口电路
为了便于实现水位检测功效，用一个两位拨码开关模拟b、c端状态(1、0)，正电极接+5 V电源，每个负电极分别经过4．7 kΩ电阻接地。将单片机端口接开关开。假设被水淹没负电极全部为高电平，此时开关置合；露在水面负电极全部为低电平，开关此时置为0。
单片机经过负电极反复采集检测水位，当缺水时(此时两个开关均置0)，电机必需带动水泵抽水；若水位在正常范围内时，检测信号为高，低电平；当水位过高时，检测信号为高电平单片机检测到端口为高电平后，电机反转带动水泵排水。即可检测到水位改变。
3.3报警接口电路
为了避免系统发生故障时，水位失去控制造成严重后果，在超出、低于警戒界水位时，报警信号从高、低警界水位电极取得,经过51单片机控制进行报警,警示水位在非正常水位。
单片机经过给控制电机两个控制端口高低电平从而控制电机正转、停转和反转,控制电机工作；两端口全部为高电平，电机停止工作,两端口为一高一低两种不一样电平时，电机开始正转或反转。
电机故障报警由单片机控制，电机故障报警信号由显示器显示。水位超出高警戒水位，单片机控制系统使电机反转，从水塔内开始抽水,直至水位降至正常水位,电机才能停止工作,即可依据水位显示发出警报。
4系统软件设计
4.1步骤图
水塔水位控制程序步骤图图3所表示

结束
水位低
水位很高
水位过高
水位过低
水位为中
开始
开启泵电磁阀
开启主用泵
报警
报警
开启泵电磁阀

Y

N
Y

N Y

N
Y

N

N

Y

图3 水塔水位控制程序步骤图
4.2试验源程序
试验源程序如附录。
5试验仿真结果
依据所设计系统软件步骤图，编写对应程序在Proteus软件环境下实际仿真。
试验结果表明，该系统能成功实现了水位检测、电机故障检测、处理和报警等功效，含有良好检测控制功效，可移植性和扩展性强。
试验仿真图图4所表示。
图4 试验仿真图
总结
    该系统设计是基于在单片机嵌入式系统而设计，充足利用单片机强大控制功效和方便通信接口，该检测控制系统在试验室某试验水冷却系统得到成功实践，实现水位检测、电机故障检测、处理和报警等功效，提升了试验自动控制能力。所以，该系统在农村水塔，城市水源检测控制等领域有着宽广应用前景。

参考文件
[1] 陈海宴.51单片机原理及其应用[M].北京:北京航空航天大学出版社，.3
[2] 何希才.传感器及其应用实例[M].北京:机械工业出版社，.9
[3] 李广弟.单片机基础[M].北京:北京航空航天大学出版社，.6
[4] 童诗白.数字电子技术[M].北京:高等教育出版社,.6
[5] 王思明.单片机原理及应用[M].北京:科学出版社，.9

附录
试验源程序
#include<reg51.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
sbit motor1=P2^6;
sbit motor2=P2^7;//定义两个电机控制位
sbit LED=P2^0;//定义电机工作指示灯控制位
sbit beep=P3^6;//定义蜂鸣器发生控制位
sbit gao=P3^0;
sbit zhong=P3^1;
sbit di=P3^2;//定义高中低三个水位指示灯对应控制位
code uchar tab[]={0x3f,0x06,
0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,
0x7f};
void delay (uint n)
{
uchar a,b;
for(a=n;a>0;a--)
for(b=110;b>0;b--);
}
void didi()
{
beep=0;//蜂鸣器发声
delay(100);
beep=1;//蜂鸣器停止发声
delay(100);
}
void LED_SHOW()
{
if(P1==0xff)
{
zhong=1;
di=1;
P0=tab[8];//数码管显示水位为8,为高水位
didi();//低水位报警
LED=0;//电机工作指示灯亮
gao=0;//点亮高水位指示灯
motor1=1;
motor2=0;//电机开始反转,从水塔排水
}
if(P1==0xfe)
{
zhong=1;
di=1;
P0=tab[7];//数码管显示水位为7,为高水位
LED=0;
gao=0;
motor1=1;
motor2=0;
}
if(P1==0xfc)
{
gao=1;
di=1;
P0=tab[6];//数码管显示水位为6,为正常水位
LED=1;//电机工作指示灯熄灭
zhong=0;//点亮中水位指示灯
motor1=0;
motor2=0;//电机停转
}
if(P1==0xf8)
{
gao=1;
di=1;
P0=tab[5];//数码管显示水位为5,为正常水位
LED=1;
zhong=0;
motor1=0;
motor2=0;
}
if(P1==0xfc0)
{
gao=1;
di=1;
P0=tab[4];//数码管显示水位为4,为正常水位
LED=1;
zhong=0;
motor1=0;
motor2=0;
}
if(P1==0xe0)
{
gao=1;
di=1;
P0=tab[3];//数码管显示水位为3,为正常水位
LED=1;
zhong=0;
motor1=0;
motor2=0;
}
if(P1==0x80)
{
gao=1;
zhong=1;
P0=tab[2];//数码管显示水位为2,为低水位
LED=0;
di=0;
motor1=0;
motor2=1;
}
if(P1==0x00)
{
gao=1;
zhong=1;
P0=tab[1];//数码管显示水位为1,为低水位
didi();//低水位报警
LED=0;//电机工作指示灯亮
di=0;//点亮高水位指示灯
motor1=0;
motor2=1;//电机开始正转,向水塔加水
}
}
void main()
{P0=0;
while(1)
{
LED_SHOW();
}
}