基于单片机的水库水位报警系统.docx

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基于单片机的水库水位报警系统

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基于单片机的水库水位报警系统

本科生毕业论文（设计）

题目：

基于单片机水库水位报警系统学院

专业电气工程及其自动化学号姓

名指导教师

摘要

随着世界与中国科技的日益发展进步，单片机技术和自动化早已经被广泛应用在工作、科学研究等重要领域内，目前也扩展普及到我们的日常生活的各个领域中，扮演着十分重要的角色，为人们的生产生活带来了许多方便。

大到可用于水

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库、湖泊、池塘水位的检测，小的可以用于鱼缸、锅炉水位的检测。

水库水位的检测也可以用自动化来实现（本设计要实现的操作）。

目前我国的监测仪器已具有了一定的研究能力、开发力和生产力，但是我国的传感和检测仪器从技术、工艺、行业生产水平和专业化等方面来看，于发达国家相比还存在一定的差距，本设计从分析水库水位（用简易水杯模拟水库）报警器的原理和设计方法入手，主要基于单片机STC89C52的硬

件电路和实现电机自动运行为基础，可以自动显示水库水位以及防护水位的过高所造成的危险。

控制系统由模数转换系统的A/D转换部分、单片机控制部分、数码显示部分、和光电报警部分构成。

该电路采用简单而灵敏的监测报警电路，操作简单方便，接通电源即可工作。

该系统设计新颖、简易，灵敏度高，工作稳定，能够自动检测与显示当前水位、高低水位报警等功能。

关键词：

STC89C52单片机；模数转换器；数码显示管

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I

Abstract

录

II

目

论

III

1绪

1

1.1课题研究的背

景

1.2

发

展

现

状

和

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..…1

1.3

课

题

内

容

与

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义

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库水

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系统

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小

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15III

合

肥师范学院

2015届本科生毕业论文

（设计）

5系

统

仿真

与

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调

试

.16

5.1

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件

介

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编

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5.4

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5.5

系统仿真

与硬

件

调

试

结

果

分

析

.22

结

论

23

参

考

文

献

24

附录

A

电

路

原

理

5.1.2仿

件16

真软

图

1附录B

PCB

图

...1附录C系统源程

序

1

IV

1绪论

1.1课题研究的背景

我国地大物博，水资源丰富，但对于水利资源的利用层面仍然有很多的缺陷。

水库是国家的重要资产，也于人们的生活息息相关，在水的管理方面具有着举足轻重的作用，我国各

地仍有水灾频频发生的现象，因此监测湖泊、江河与水库等

的水位及这些区域的降雨量成为不可忽视的工作。

这种监测不但可以为及时预防水灾、决策防汛提供可靠的数据和资料，同时还能够为防洪抢险救灾和保护人民生命财产安全发挥不可忽视的作用。

水库水位监测以及报警系统是保证人们基本生活条件中不

可或缺的部分，能够为用户提供充足的用水、保证日常生活、生产的需要。

但是长期以来人们使用传统人工控制方式管理水库，这种管理方式存在着许多缺点，如：

水资源的浪费、不能及时供水、影响生产效率等。

随着应用技术的不断提高、计算机科学逐渐走向成熟，作为计算机应用的一部分，使用计算机对水资源进行管理有着老式手工管理所无法比拟的优点。

例如：

节约水资源、及时、可靠性强、效率高、成本低等，这些优点能够极大地提高管理的效率。

目前，我国水资源已经紧缺，高效率节约用水已成为程序设计制作的焦点，既要求蓄水池的水位保持一定高度，还要防止溢水。

老式远地观测深水池水位装置，如浮球弹簧管开关、水漂式上下水位控制开关、，只能控制一路水泵的控制器，这些均有接触不良且不易控制多级水位和远地观测水位等

缺点，而且不同程度存在如下两个问题：

一是通用性不够强，

仅适用于某单位，若作他用则另需修改；二则是功能不够齐全，无法准确应用。

1.2发展现状和趋势

早先，国内许多水文站监测水位和降雨量仍采用人工方法。

该方法不但存在测量时人身安全问题，而且还存在数据测量难以准确、监测实时性不强以及不能及时反馈等问题，这些都会严重影响正常的工作效力。

而正常的水位监测1

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需要对水位进行自动显示、监测和报警。

传统的水位检测系统一般是通过有线方式与监控中心取得接合，这种传输方式不但难以保护，而且在很大水平上限制了其在时空上的拓展性。

近年来现场水位位监测技术在国际上一些发达国家已经开

始发展，如美国、日本等国家相继研究出自动监测设备。

而且发达国家均具有较为先进产品，并已走进国际市场，而目前我国关于水位监测技术的国情突出表现在：

仪器设备昂贵、操作步骤复杂、质控程序繁琐等方面。

我们应采取有效措施扬长补短，将国外的先进技术引入国内，消化吸收建立即适合我国国情又和国际接轨的监测方法。

1.3课题内容与意义

水况水位测量一直是水利部门的重要课题。

为及时发现事故苗头，防患于未然，经济实用、可靠的水位监测系统在此将发挥重要的作用。

本设计基于单片机的水库水位（用简易水杯模拟水库）监测器主要由硬件与软件两部分组成。

硬件是基于AT89C52芯片为核心的水位监测，采用AT89C52单片机进行控制及数据处理。

软件设计中采用模块化程序设计思想将软件主要分为数据处理模块和功能模块两大模块，设计出了能精确测量水库水位检测器。

此系统具有易控制、工作可靠、测量精度高的优点，可实时监测水位。

本设计从分析水库水位报警器的原理和设计方法入手，主要

基于单片机的硬件电路和实现电机自动运行为基础，可以自

动防护水位的过高过低。

控制系统由模数转换系统的A/D转

换部分、单片机控制部分、数码显示部分、和光电报警部分

构成。

因为大部分电路采用数字电路，所以本水位监测报警器还具有耗能低、准确性高的特点。

该系统设计新颖、简易，灵敏度高，工作稳定，能够自动检测与显示当前水位、高低

水位报警等功能。

2水库水位报警系统的系统概述

2.1该系统的工作原理

2

合

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本水位监测报警器使用5V低压直流电源就可以对2—10厘

米的水位进行监测，用LED显示和数码管显示水位，并可以对高于此范围内的水位发出报警.Y1，丫2,丫3,丫4,COM都安装好，COM是高电平，当水位在Y1位置，Y1通过水和COM接通得到高电平，驱动三极管导通，使P20拉低，单片机读取这个信号，驱动黄灯亮，同时驱动继电器使其闭合。

当水位达到丫2位置，Y2通过水和COM接通得到高电平，驱动三极管导通，使P23拉低，单片机读取这个信号，驱动绿灯亮，同时保持继电器闭合，当水位达到丫3位置，丫3通过

水和COM接通得到高电平，驱动三极管导通，使P26拉低，

单片机读取这个信号，驱动绿灯亮，同时保持继电器闭合，当水位达到丫4位置，丫4通过水和COM接通得到高电平，驱动三极管导通，使P27拉低，单片机读取这个信号，驱动红灯亮，同时使电继电器断开，并驱动蜂鸣器。

反过来，当水位降到丫3位置，Y3通过水和COM接通得到高电平，驱动三极管导通，使P26拉低，单片机读取这个信号，驱动绿灯亮，同时保持继电器断开，当水位降到丫2位置，Y2通过水和COM接通得到高电平，驱动三极管导通，使P23拉低，单片机读

取这个信号，驱动绿灯亮，同时保持继电器断开，当水位

降到丫1位置，丫1通过水和COM接通得到高电平，驱动三极管导通，使P20拉低，单片机读取这个信号，驱动绿红亮，同时驱动继电器使其闭合。

2.2系统结构图

采用单片机AT89C52作为本设计的控制芯片，主要工作过程是当水库中的水在低水位时，水位探测传感器送给单片机一个高电平，驱动三极管导通，单片机读取这个信号，驱动黄灯灯亮；手动加水，当水位在正常范围内时，单片机驱动绿灯灯亮；继续加水，当水位在高水位时，单片机驱动红灯灯

亮。

如图2-1为系统结构图。

3

合

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如图2-1为系统结构图

2.3控制方案说明

这个方案中使用了单片机处理，此系统使用过程中采用稳压

电路能够准确地把输入的电平送给单片机不会产生误判的

情况，由于STC89C52单片机有四端口，40引脚能够非常方

便地设计显示系统。

2.4系统组成与原理

本系统由电源电路、水位探测电路（简易水杯模拟）、单片

机系统、声光报警显示电路、继电器控制水泵加水电路，以

及水库模型组成。

主电气原理图如下：

合

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图2.2硬件系统的设计框图

2.5本章小结

本章主要阐明了水库水位报警系统系统的工作原理与工作流程。

在介绍水库水位报警系统的工作原理时，文章重点描述了系统电路的组成结构和如何实现监测和报警控制。

在介绍系统原理时说明了水位变化与单片机管脚接合的利用单片机的A/D转换实现水位监测的功能。

5

合

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3硬件电路设计

3.1设计背景

单片机最小系统电路设计

STC89C52是本设计所使用的单片机类型，他是具有低电压的

8位单片机，该单片机含有40引脚，通过引脚与外界电路的接洽，利用已经设计完整的电路图可实现水库水位报警系统的目的。

本设计中单片机采用STC89C52它是一种高性能低价格单片机。

引脚（40个）和指令系统与8051单片机完全兼容。

用它构成的测量、控制系统具有电路简单、可靠性好、体积小和成本低等优点。

P1口输出驱动器能提供20mA的灌电流驱动能力，其锁存器写1时可作为输入口。

STC89C52的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，但可读该位的值。

P310〜P315的第二功能与

8031P3口相应口线的第二功能完全相同。

综上所述，P1和

P3口中的各口线可直接驱动发光二极管，不用再配置发光

二极管驱动电路，P1.0与P1.1具有第二功能，不用再配置比较器，从而简化了控制电路的结构。

3.2电路设计

321探测电路

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图3-1水库液位探测

图3-1是水库液位探测原理图（用水箱模拟水库），图中虚

线表示允许水位变化的上下限。

其中A为下线，D为上线。

在正常情况下，应保证水位在虚线范围之内。

在水库边沿的不同高度安装了5根金属棒，以感知水位变化情况。

其中，A棒处于下限水位，B、C棒处于上限正常水位，D棒处于水

位上线。

最左方金属棒接+5V电源，A、B、C、D棒各通过一个电阻与地相连。

电路原理图如图3-2所示。

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图3-2水库液位探测电气原理图

3.2.2电源开关的设计

本开关采用简单的单个触电开关，触点接触时使电流形成回路，触点不接触时电流开路，在开关电路中还加入了二极

管和光电二极管，二触点接触时电路导通，光电二极管发亮，二触点不接触时电路开路，光电二极管变暗。

电气原理图如图3-3所示。

1N40071

LED

图3-3电源开关电气原理图

323时钟复位电路设计

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电源、时钟信号以及复位电路是单片机工作的基本条件，缺一不可。

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。

单片机的时钟信号由12MHZ勺晶体振荡器产生，振荡脉冲信号经过内部时钟发生器进行二分频之后，成为单片机的时钟信号，时钟信号是维持单片机能够正常工作的基本保

障，在内部是以脉冲的形式来提供单片机工作。

电气原理图如图3-4所示。

图3-4时钟电路原理图

时钟振荡电路常采用石英晶体振荡器。

晶体振荡器在时钟振荡电路延时一段时间后起振，石英晶体的频率决定了它的振荡频率。

振荡同时会在引脚产生正弦波时钟信号。

324光电报警电路

本设计的报警电路总共有由3只发光二极管组成，在这其中

D4发光二极管的作用是：

当灯泡亮时表明现在的水位是高水位状态（即水位大于等于10cm）;D5的作用是：

当灯亮时表明水位处于正常状态（即小于10cm,大于等于2cm）;D6的

作用是：

当灯亮时表明水位处于低水位的状态（即小于2cm）

此电路采用的是共阴极的，所以只有当单片机给发光二极管

为高电平时才能推动发光二极管点亮，其中R1为上拉电阻

起限压控流作用。

其电路图如下图3-5所示。

9

合

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D4

R3RLED

1K

R4

VCC

1KD

R5

1KLED

GLEDYLED图3-5光电报警电路原理图

325显示数码管与功能

1.显示电路概述

水库水位报警系统中显示模块和硬件有紧密的关联。

常用的方法分为静态显示和动态显示两种。

静态显示优点是编程简单，占用CPU时间较少，显示的亮度，温度等容易调节，显示稳定。

缺点是占用单片机I/O口端口线较多。

而动态显示的优点是占用单片机I/O口端口线较少，缺点是显示亮度不

够稳定，受外部影响因素较多，编程较复杂，占用CPU时间

较多。

由于水库水位报警系统中其他功能需要占用较少的端口线，所以通常会采用静态显示方法。

2.显示电路整体设计

显示电路如图3-4所示：

10

合

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图3-6显示电路原理图

3.2.6继电器电路本设计所使用的继电器为液位继电器，液位继电器的的作用是根据液位的高低变化来控制电路中蜂鸣器的作用，在本设计中，当被测水位处于低电位状态或者正常水位时，液位继电器都处于断开状态，蜂鸣器电路断开，不能发出警报声，当水位处于高电位状态时，液位继电器触点闭合，蜂鸣器电路闭合，蜂鸣器发出警报以达到报警的目的。

电气原理图如图3-3所示。

M0T0K1RELA丫-SPST

图3-7继电器电路原理图

327蜂鸣器电路

11

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蜂鸣器是直流电压驱动的，不需要利用交流信号进行驱动，只需对驱动口输出驱动电平并通过三极管放大驱动电流就能使蜂鸣器发出声音。

单片机驱动他激蜂鸣器的方式有两种：

一种是PWM俞出口直接驱动，另一种是利用I/O定时

翻转电平产生驱动波形对蜂鸣器进行驱动。

蜂鸣器采用直流电压供电，其能发出单调的或者某个固定频率的声音，电气原理图如图3-3所示。

R6

1K

R

图3-8蜂鸣器电路原理图

完整的电路图见附录A

3.3本章小结

本章主要阐明了基于STC89C52单片机的水库水位报警系统的硬件模块设计步骤，以及具体的设计方案。

详细分析了水库水位报警系统电路运行原理。

在系统设计时，通过向单片机录入程序的方式，结合报警系统的时钟频率电路、复位电路、显示电路以及水位探测电路来实现对温度的控制，设计出符合要求的水位报警系统。

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4程序设计

一个应用系统，要完成各项功能，首先必须有较完善的硬件

作保证。

同时还必须得到相应设计合理的软件的支持，尤其是微机应用高速发展的今天，许多由硬件完成的工作，都可通过软件编程而代替。

我们可以充分利用其内部丰富的硬件资源和软件资源，采用C语言进行软件编程。

这个系统程序由主控程序、延时子程序组成。

其中主控程序是核心。

由它控制着整个系统程序的运行和跳转。

4.1程序设计流程图

主程序主要完成硬件初始化，子程序调用等功能。

其中程序开发的流程示意图，如图4-1所示。

图4-1程序设计流程图

13

合

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4.2水位判断函数

4.3显示函数

显示屏的主要功能是直观显示当前水位的高度，以便我们能

过及时了解当前系统的工作状态。

其主要用到的接口是P0

和部分P2，首先对接收口进行赋值然后分位显示各个数值。

其中断子函数程序如图4-3所示：

14

合

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图4-3显示中断子函数流程图

根据这些流程图编写出的最终源程序见附录C

4.4本章小结

本章主要阐明了水库（简易模拟水杯）水位报警系统的软件设计流程，通过将软件程序录入单片机内部的方式来实现对水库（简易模拟水杯）水位的报警系统。

在程序的编写过程中，需要通过与电路原理图以及仿真程序不断的调试已达到正确应用的过程，这个过程非常繁琐，需要同学与老师的帮助与指导以达到预期的目的。

15

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5系统仿真与硬件调试

5.1调试软件介绍

软件的仿真是为了为后面的实物制作做下铺垫，是为了我们能更清楚的了结所做设计的性能与成功性。

5.1.1程序编辑软件

在本设计中我使用了在我们教学过程中所使用的KEIL软件

进行编程，根据设计的需要，在查阅资料和咨询老师的情况下用C语言编写能够实现水库水位报警系统的程序，加入KEIL的文件库工程，实现正确的软件编写。

软件编辑的过程中可能会产生或多或少的错误，要不断的调试以及纠错，实现最终的0错误。

5.1.2仿真软件

Proteus是本设计用来实现电路分析实物的仿真软件，它可用于仿真实验电路，并支持含有单片机的电路