基于单片机的水位控制系统剖析.docx

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基于单片机的水位控制系统剖析

目录

摘要-----------------------------------------------2

Abstract------------------------------------------3

前言----------------------------------------------4

1．液位测量技术概括---------------------------------5

1.1机械浮子类液位计--------------------------------------5

1.2电子类液位计-----------------------------------------5

1.3热学式液位计-----------------------------------------6

1.4雷达液位计--------------------------------------------6

1.5同位素/放射性液位计-----------------------------------6

1.6液压类液位计------------------------------------------6

1.7光学液位计--------------------------------------------7

1.8超声波液位计--------------------------------------------7

2.设计的基本任务和计划-------------------------------8

2.1基本功能------------------------------------------------8

2.2超声波液位计工作原理---------------------------------8

2.3主要计划--------------------------------------------8

3．总体方案设计--------------------------------------9

3.1设计思路----------------------------------------------9

3.2方案设计---------------------------------------------10

4．硬件设计-----------------------------------------11

4.1单片机的选用与简介-------------------------------------11

4.2超声波模块---------------------------------------------13

4.3液晶显示模块------------------------------------------15

4.4继电器控制模块----------------------------------------16

5．软件设计-----------------------------------------17

5.1水位控制系统程序流程图--------------------------------17

5.2水位控制系统主程序------------------------------------18

6．测试和实验----------------------------------------18

结语-------------------------------------------------19

参考文献------------------------------------------20

附录----------------------------------------------21

摘要

本文采用AT89C52单片机系统实现了水位的自动控制，设计出一种低成本、高实用价值的水位控制系统。

该系统具有水位检测、水位高度液晶显示以及自动加水放水等功能。

本设计过程中主要采用了传感技术、单片机技术以及弱电控制强电的技术。

本设计传感器使用了超声波模块。

此系统具有易控制、工作可靠、测量精度高的优点，可实时监控液位。

并采用52单片机系统控制整个电路的信号处理，采用光电耦合和继电器来实现弱电控制强电来实现加水系统的自动控制。

它能自动完成水位检测、上水停水排水的全部工作循环，保证液面高度始终处于较理想的范围内，它结构简单，制造成本低，灵敏度高，节约能源显著，是用于各种高层液体储存的理想设备。

关键词：

单片机；超声波模块；自动监测；液晶显示；自动控制

Abstract

AT89C52microcontrollersystemusingcoolingtowerstoachievethelevelofautomation,designalowcostandhighpracticalvalueofthewatertowerwaterlevelcontroller.Thesystemhasthewaterleveldetection,lowwaterhighwaterlevelalarmandautomaticfunctionssuchasaddingwater.Thedesignprocessmainlyusesthesensortechnology,singlechiptechnology,opticaltechnologyandtheweakcontrolthestrongpolicepowertechnology.Detectionsystemusingsimplesystemfordetectionofcopperneedles,resultinginthelowandhighsensitivity.52SCMsystemcontrolbyusingthecircuitofsignalprocessingandtheuseofopticalcouplingandweakcontrolrelaystoachievestrongpowertorealizeautomaticcontrolofwatersystems.Itcanautomaticallydetectthewaterlevel,lightalarm,ShengShui,alltheworkwithoutwatercycle,toensurebettersurfaceheightisalwayswithinthecontextofitsstructuresimple,lowcost,highsensitivity,significantenergyisusedinvariouskindofidealequipmentforhigh-levelliquidstorage.

Keywords：

MCU；UltrasonicModule；Automaticmonitoring；LCD；Auto-Control

基于单片机的水位控制系统

前言

传统的液位控制绝大多数是人工控制，造成了人力资源的浪费，同时安全性可靠性都不高。

现代工业生产正处于一个由劳动密集型、设备密集型向知识密集型转变的过程。

传统的控制方式存在控制精度低、能耗大的缺点,而自动控制原理,依据用水量的变化自动调节系统的运行参数,保持水压恒定以满足用水要求,从而提高了供水系统的质量。

而且成本低，安装方便，经过多次实验证明，灵敏性好，是节约水源，方便家庭和单位控制水塔水位的理想装置。

本设计采用超声波检测系统：

超声波液位检测系统，利用了超声波传感技术的原理，采取一种非接触式的测量方法，能够实现对工业系统中液位或物料位的检测；而且超声波具有很好的指向性和束射特性，人耳听不见，一般不会对人体造成伤害检测工程方便、迅速、易做到实时控制，而且测量精度又能达到工业实用的要求，所以有广泛的工业应用前景。

1．液位测量技术概况

液位传感器是指检测液体高度信息的仪器，液位测量技术在工程领域有着极为广泛的应用。

在一般的生产工艺加工过程中，通常只需要对物料的表面位置进行记录和储存，以作为确保生产工艺、安全等方面的需要。

随着生产自动化程度的不断提高，必须首先对液位测量数据进行控制与调节，以保证自动化生产能够自动控制在最佳状态。

在现代化的企业生产过程中，采用计算机控制系统对生产进行各种综合控制与管理的普及，控制系统的智能化、统一化，要求测量的对象要广、测量的精度要高、可靠性要好、实用性要强、且适用于特殊测量环境等，这些对液位测量技术也提出了更高的要求。

尤其是当液面具有波动和存在气泡，或液面高度随时间改变的动态测量，或被测介质具有粘滞性、导电性，或需要考虑容器的密封性以及介质是否含有腐蚀物、毒性和易爆性等情况下，选择合适的液位测量技术就显得尤为重要。

目前国内外工业生产中普遍采用的液位测量方法有19种以上，主要有以下几类:

1．1机械浮子类液位计

测量原理是利用传动装置把与液位同高度的浮子高度信息转换成脉冲信号或连续信号，转换器是一些机械舌簧、磁铁、电子或光电设备。

此类液位计可以进行连续测量，其问题是积聚在传动机械臂上的污物（如水垢沉积）会限制浮子运动，从而产生故障。

1．2电子类液位计

测量原理是把液位的变化转化为电气参数的变化，利用一定的测量电路将电参数检测出来，从而达到测量液位的目的。

其中最常用且最成熟的是电容式液位传感器。

电容式液位计它是利用空气和液体作电容器两极极板间的电介质，将液位变化转换成静电电容变化，用电子学方法测量电容值，从而探测液体高度信息。

它结构简单，精度较高，而且量程广，适合于测量各种介质（导电介质、非导电介质）的液位，但是要求液体具有相同、稳定的介电常数，需要有温度的补偿。

尤其用长电缆连接时，对电缆中的干扰和寄生电容很敏感，精度较差，且对导电介质或粘性介质，误差较大、易受干扰，严重影响测量结果。

电阻式液位计探测器在空气中的阻值要比它浸在液体中的阻值大得多，通过电子学方法测量液体容器底部与顶部之间的电阻，从中可探知液位信息。

其测量精度受液体污染情况的影响较大，探针的污染和沉积物，会导致错误的输出，在直流工作时会产生电解，响应速度慢。

1．3热学式液位计

由热敏电阻发出的信号可用来指示这类元件是否浸在液体中。

它结构小，适用于圆筒容器、玻璃柱、管道等，但这种方法仅能进行点测量，而不能用于液位的连续测量。

1．4雷达液位计

雷达传感器就是利用发射一反射一接收的原理来测量距离的，因此可用于有毒、有害的恶劣环境下。

雷达液位传感器的传输信号是一种特殊形式.的电磁波，其物理特性与可见光相似。

雷达信号是否可以被反射取决于被测介质的导电性和被测介质的介电常数两个因素。

所有导电介质都能很好地反射雷达信号，导电性不太好的介质也能被很准确地测量。

雷达波不易受干扰，巨能穿透塑料容器或玻璃容器进行测量，无需在容器上开孔，能实现非接触测量，即使在飞灰、粉尘强烈并有很强旋涡的环境下也能进行准确测量。

然而雷达传感器的测量信号运行时间极短，这给信号分析处理提出了极高的要求，造成它的价格昂贵、技术实施困难。

1．5同位素/放射性液位计

它是利用放射性同位素射线（如a射线、p射线、Y射线）的穿透和反射能力，当a射线、p射线、Y射线到达被测液体时，通过检测其透射或反射射线信号的强度来达到测量液位的目的。

射线的强度会随液位的高度变化而变化，在放射线辐射源与检测器之间有吸收物质时，检测器的输出与液位的高度有关，通过对被测物质吸收能量大小的检测，再经过信号转换，即可得出被测液位的高度。

由于放射性射线本身的特点所决定，它可以用于腐蚀性、有毒性、大粘性和易燃易爆的场合。

而且介质对丫射线的吸收只与介质密度有关，因此它可以测量不同密度的液体分界面、气体与固体或液体与固体的分界面。

但射线易受到衰减，检测信息的能量易于损失，测量精确度不理想，有辐射作用，对人体有害。

1．6液压类液位计

液压类液位计是利用液面高度变化时容器底部或侧面某点上的压力也随之而变化的原理来设计的。

在测量开放的容器时，大多采用直接测量底部某点压力来测量。

这类液位传感器的精度主要受到压力表精度的限制，同时还要求被测液体的密度是已知的，而且要求液体的密度要恒定不变。

1．7光学液位计

光学液位计主要是光纤液位传感器，它结合了光纤作为敏感器件的优点，尤其是在复杂的应用场合，测量现场全光无电，安全性能好，同时调制方法多种多样，是一种新型的液位传感器。

光学液位计，它利用浮子的磁耦合原理来设计，经光码盘对光纤的检测，再经由放大整形电路，以及光电转换来形成规则的脉冲信号，最后由单片机来实现液位显示。

本文主要采用这个方案来设计。

此方案设计比较简单，测量精度比较高，也非常适合目前我国的生产力状况。

1．8超声波液位计

超声波液位传感器发展很快、应用也很广泛，常用于测量明渠液位及开口容器内液位。

由超声换能器发射的超声脉冲经空气在被测介质上反射，再返回接收换能器，测量该超声脉冲往返时间，就能得到超声换能器辐射面到被测液面的距离。

根据换能器安装高度，就能得出液位高度。

本设计采用的就是本类液位计。

2.设计的基本任务和计划

2．1基本功能

本设计是采用AT89C52单片机为核心芯片,及其相关硬件来实现的水体液位控制系统,在用液位传感器测液位的同时,CPU循环检测传感器输出状态,并用1602液晶显示器显示液位高度,检测液位数据,实施液位控制。

当水体液位低于用户设定的值时,系统自动打开进水阀上水；当水位到达设定值时,系统自动关闭进水阀；若水位超过设定上限值，则打开排水阀放水，使水位一直保持在理想状态。

2．2超声波液位计工作原理

超声波液位仪的基本工作原理是利用超声波传播时间和传播速度来确定液面距离。

即所谓的脉冲——回波方式。

由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。

在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度，但是目前国内的超声波液位仪专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。

2．3主要计划

本设计主要完成以下几点工作：

（1）检测电路硬件的设计：

完成检测所需光电信号转换电路的设计及探测机理的分析；

（2）显示电路硬件的设计：

完成以单片机等为核心的信号处理及显示硬件电路的设计；

（3）系统软件设计采用C语言完成相关信号处理运算等软件的设计。

3.总体方案设计

3.1设计思路

图3–1超声波

科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹。

我们人类耳朵能听到的声波频率为20～20000Hz。

当声波的振动频率大于20KHz或小于20Hz时，我们便听不见了。

因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。

通常用于医学诊断的超声波频率为1～5兆赫兹。

所谓超声波就是指频率高于20kHz的机械波，一般由压电效应或磁致伸缩效应产生；它沿直线传播，当频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强；它还具有强度大、方向性好等特点，为此，利用超声波的这些性质就可制成超声波传感器。

超声波传感器是利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应研制而成的传感器。

超声波传感器按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，其中以压电式最为常用。

压电式超声波传感器常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，它是利用压电材料的压电效应来工作的：

逆压电效应将高频电振动转换成高频机械震动，从而产生超声波，可作为发射探头；而正压电效应是将超声波振动转换成电信号，可作为接收探头。

超声波测距的原理主要是由超声波传感器的发射探头发射超声波，当超声波遇到障碍物时，会被反鼽利用单片机记录超声波发射的时间和接收到回波的时间，根据当前环境下超声波的传播速度，即可通过公式S=C*[T／2]（S为被测距离，C为空气中声速，T为回波时间，1r=_Tl+T2）计算出超声波传播的距离，也就得到了障碍物离测试系统的距离。

我们设计了一个简易的水位探测传感器用来探测三个水位，即低水位，正常水位，高水位。

低水位时，系统自动打开进水阀上水，液晶显示In!

!

；正常范围的水位时，水阀均关闭，液晶显示Off!

；高水位时，系统自动打开排水阀放水，液晶显示Out!

。

本设计过程中主要采用了传感技术、单片机技术以及弱电控制强电的技术。

3.2方案设计

本方案采用单片机89C52作为我们的控制芯片,主要工作过程是当高塔中的水在低水位时，系统自动打开进水阀上水，液晶显示In!

!

；正常范围的水位时，水阀均关闭，液晶显示Off!

；高水位时，系统自动打开排水阀放水，液晶显示Out!

。

图3–2方案方框图

本方案中使用了单片机芯片和超声波传感器，单片机控制和超声波测距技术是信息时代用于精密测量的技术。

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,且能够非常方便地设计显示系统。

4.硬件设计

4.1单片机的选用与简介

我们选用STC89C52作为我们的控制芯片其引脚图如下。

图4–1STC89C52引脚图

STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

具有以下标准功能：

8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。

另外STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

最高运作频率35MHz，6T/12T可选。

STC89C52各引脚功能：

概述：

STC89C52为40脚双列直插封装的8位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8XC52相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。

功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。

主要管脚有：

XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。

RST/Vpd（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。

VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。

P0~P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0端口（32~39脚）被定义为N1功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13脚定义为IR输入端，10脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12脚、27脚及28脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8个TTL门电流。

当P0口的管脚第一次写“1”时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4个TTL门电流。

P1口管脚写入“1”后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉