智能水位控制系统设计.docx

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智能水位控制系统设计

智能水位控制系统设计

摘要

近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益的更新。

在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件相结合，以作完善。

本系统是以单片机的基本语言“C语言”来进行软件设计编程的，其指令的执行速度快，节省存储空间。

为了便于扩展和更改，软件的设计采用模块化结构，使程序设计的逻辑关系更加简洁明了，使硬件在软件的控制下协调运作。

关键词　单片机（AT89C51）；LED显示技术；直流电机。

第一章绪论

21世纪是通信、电力、材料、电子、能源以及控制技术大发展并相互交叉的时代，而机电一体化技术正是把机械、电子、控制技术和计算器技术相结合的综合技术。

智能产品具有品种多、涉及的领域广等特点，自从应用电子技术发展以来，单片机微型计算器因其体积小、价格低、性能灵活、开发方便的独特优势，在机电一体化产品的开发和控制中得到了最广泛的应有，而且越来越向纵深发展。

从简单的机电一体化产品深入到数控系统、柔性化、智能化系统以及机器人系统等。

当今世界在电子信息技术的领域里取得了社会跨跃式的进步，科学技术的飞速发展使各国生产力大规模提高。

由此可见科技已成为各国竞争的核心，尤其是电子信息技术更显得重要，在国民生产各部门中电子信息技术得到了广泛的应用。

智能技术的发展使得许多系统更加友好，更方便我们对他们的控制。

几乎在各个方面都可以充分发挥它的优势，比如说本文要提出的智能水位控制系统，当然在其他方面也可以有很好的应用，比如说具有智能功能的温度检测器、有智能功能的计算机控制系统。

智能功能的实现可以帮助更多人，可以减少事故的发生，更可以节省资源的利用。

所以说，智能控制功能的实现有助于生活的改善，具有良好的市场前景。

随着科学技术的发展,人们身边的一些用电器件已经具有智能控制的性能.智能控制可理解为自动控制,所谓自动控制,就是在没有人直接参与的情况下,通过控制装置,使被控制对象或过程自动地按照预定的规律运行.器件的职能化使工作简单并易于控制整个工作系统.

在实际应用中,很多方面需要检测容器里液面高度以方便于生产的需求,如锅炉水位,自来水塔水位.如今的智能水位控制系统技术相当成熟了,市场上有多种多样的智能水位控制器,一般具有水位控制、水位显示、报警功能；有些水位控制器还有输出短路或过载保护，控制器过热保护，避免电机空转，保护电机而自动切断电源保护。

基于对水位智能水位控制系统的学习，本系统以AT89C51单片机为核心，用按钮模拟水位，用发光二极管显示水位制作了一个简易的智能水位控制系统。

此系统同样具有水位控制和报警功能。

此系统只可应用于仿真，不能应用于实际中，如果想运用于实践中，可以在此系统基础上对硬件和程序再进一步改善。

例如在程序方面,程序中添加上看门狗程序可以对整个控制系统进行监控；为提高对系统硬件的故障检测及报警,也可在程序中添加一些检测程序。

在硬件方面,可通过安装硬件性看门狗；水位检测器可使用水位继电器；整个系统出现的报警信号很多,有紧急性的,有提示性的,可以安装多个报警硬件!

根据智能水位控制系统的功能要求来增设硬件设备和软件程序。

智能水位控制系统还具有开发的空间。

第二章总体方案

2.1设计思路

本系统采用单片机AT89C51为核心芯片的电路来实现，硬件电路由单片机（AT89C51）、水位检测电路、复位电路、时钟电路、显示电路、报警电路和灌水电路等组成。

其中，晶振采用12MHZ的晶振；再通过按键开关模拟水位来实现功能。

其智能水位控制系统设计框图如图2-1所示：

2.2功能描述

当接通电源后，在水位低于某点时，电机工作，对蓄水池灌水；当水位在某点时，电机停止对蓄水池灌水；当遇到特殊情况时，报警电路发出报警直到水位低于该点时消除报警；并在各种情况中均有指示灯指示当前水位。

第三章硬件设计

智能水位控制系统设计是由六部分组成：

单片机（AT89C51）、复位电路、时钟电路、水位检测电路、显示电路、灌水电路。

3.1CPU的选择

在当今电子时代控制芯片CPU有很多种，例如AT89C51、MSP430、ARM、AVR.

单片机AT89C51具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要，很适合便携手持式产品的设计使用系统，可用二节电池供电。

AT89C51是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。

AT89C51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口（如图3—1）；AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。

其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

图3-1AT89C51单片机的管脚图

表3-1AT89C51单片机的要功能特性

兼容MCS-51指令系统

4k可反复擦写（>1000次）FlashROM

32个双向I/O口

可编程UARL通道

两个16位可编程定时/计数器

全静态操作0-24MHz

1个串行中断

128x8bit内部RAM

两个外部中断源

共5个中断源

可直接驱动LED

三级加密程序存储器

低功耗空闲和掉电模式

片内振荡器及时钟电路

AT89C51单片机的管脚功能：

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8TTL门电流。

当P1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4TTL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口是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表3-2所示：

表3-2　P3口管脚特殊功能

P3口管脚

备选功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

/INT0（外部中断0）

P3.3

/INT1（外部中断1）

P3.4

T0（记时器0外部输入）

P3.5

T1（记时器1外部输入）

P3.6

/WR（外部数据存储器写选通）

P3.7

/RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

3.2复位电路

无论用户使用哪种类型的单片机,总要涉及到单片机复位电路的设计。

单片机的复位操作使单片机进入初始化状态。

而单片机复位电路设计的好坏,直接影响到整个系统工作的可靠性。

许多用户在设计完单片机系统,并在实验室调试成功后,在现场却出现了“死机”、“程序走飞”等现象,这主要是单片机的复位电路设计不可靠引起的。

为确保模拟电风扇控制系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。

一般电路正常工作需要供电电源为5V±5%，即4.75～5.25V。

复位是单片机的初始化操作，其目的是使CPU及各专用寄存器处于一个确定的初始状态。

如：

把PC的内容初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。

除了进入系统的正常初始化之外，当单片机系统在运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需要复位以使其恢复正常工作状态。

RST端的外部复位电路有两种操作方式：

按键手动复位和上电自动复位。

3.2.1按键复位

复位电路采用简易的手动按钮复位电路，主要由电阻R，电容C，开关K组成，分别接至AT89C51的RST复位输人端。

手动按键复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平（图3-2（A）按钮复位）。

一般采用的办法是在RST端和正电源Vcc之间接一个按钮。

当人为按下按钮时，则Vcc的+5V电平就会直接加到RST端。

手动按钮复位的电路如所示。

由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，完全能够满足复位的时间要求。

3.2.2上电复位

AT89C51的上电复位电路如图3-2（B）所示，只要在RST复位输入引脚上接一电容至Vcc端，下接一个电阻到地即可。

当按下复位电路的复位开关Reset按钮时，瞬间短接复位开关，由于此reset复位开关一端接地为低电平，另一端有电源5V供电端和PG信号端，间接供给为高电平，通常为3.3V，而此复位开关的某一段也会直接或者间接的作用于南桥内的复位系统控制模块，所以瞬间短接复位开关会在开关的高电平端会产生一个低电平信号，此信号会直接或间接作用于南桥内的复位系统控制器，使南桥强行复位之后，南桥也会强行去复位其他的设备和模块，南桥给主板其他硬件设备复位后，整个主板复位完成，这就是主板复位电路的原理。

本设计采用手动按钮复位（如图3-2（A）），以满足复位的时间要求及设计质量。

图3-2（A）按键复位电路图3-2（B）上电复位电路图

3.3时钟电路

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。

时钟信号通常用两种电路形式得到:

内部振荡和外部振荡。

本系统设计采用内部振荡方式，如图3-3所示。

MCS-51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，引脚XTALl和XTAL2分别是此放大电器的输入端和输出端，由于采用内部方式时，电路简单，所得的时钟信号比较稳定，实际使用中常采用这种方式。

XTAL1是片内振荡器的反相放大器输入端，XTAL2则是输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到XTAL1，而XTAL2悬空。

晶振的频率可以在1MHz-24MHz内选择，电容取30PF左右。

系统的时钟电路设计是采用的内部方式，即利用芯片内部的振荡电路。

8951单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。

这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。

外接晶体谐振器以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。

对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。

在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保振震荡器稳定和可靠地工作。

此单元电路根据常规电路参考值选择：

晶体振荡器的频率为12MHz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容C1、C2值都选择30pF。

图3-3时钟电路

3.4水位检测电路

实验证明，纯净水几乎是不导电的，但自然界存在的以及人们日常使用的水都会含有一定的Mg2+、Ca2+等离子，它们的存在使水导电。

本控制装置就是利用水的导电性完成的。

如图3-4所示，虚线表示允许水位变化的上下限。

在正常情况下，应保持水位在虚线范围之内。

为此，在水塔的不同高度安装了4根金属棒，这里采用4只开关以感知水位变化情况并且具有以下优点：

1、建立快速稳定的数据传输通道，保证水位数据信息的实时性与准确性；

2、保证系统能够高度可靠地实施和运行；

3、系统为开放式设计，如果系统后期需要增设监测网点，系统可以平稳置换而不需重复投入大量资金；

4、在保障水位测量功能的基础上，优化系统，降低系统费用。

图3-4水位检测原理图

其中A开关处于下限水位，C开关处于饱和水位,D开关处于上限水位，各个开关的一端与地相连，另一端与单片机I/O口相连，蓄水池由电机带动水泵供水，单片机控制电机转动以达到对水位控制之目的。

供水时，水位上升，由于水的导电作用，A、B、C开关依次连通变为低电平。

因此，P1.3、P1.2、P1.1三端依次为0状态，当到达上限水位时应停止电机和水泵工作，不再给水塔供水。

当水位降到下限水位时，A、B、C开关都不能导通，因此，P1.3、P1.2、P1.1三端均为1状态。

这时启动电机，带动水泵工作，给水塔供水。

当水位处于上下限水位之间时，A、C开关都导通，P1.3端为0状态。

P1.1端为1状态。

这时，电机带动水泵为蓄水池供水。

3.5显示电路

在单片机应用系统中，对于系统的运行状态和运行结果，通常都需要直观交互显示出来。

单片机应用系统中最常用的显示器有LED和LCD两种。

这两种显示器都可以显示数字、字符及系统的状态，LED和LED数码显示最为普遍，但随着低功耗设计的要求，LED的使用也越来越广泛。

3.5.1LED介绍

LED就是lightemittingdiode，发光二极管的英文缩写，简称LED。

它是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。

通过发光二极管芯片的适当连接（包括串联和并联）和适当的光学结构。

可构成发光显示器的发光段或发光点。

由这些发光段或发光点可以组成数码管、符号管、米字管、矩阵管、电平显示器管等等。

通常把数码管、符号管、米字管共称笔画显示器，而把笔画显示器和矩阵管统称为字符显示器。

3.5.2显示电路设计

显示电路采用LED的亮灭来表示当前水位的状态，如图3-5所示。

元件选择：

发光二极管的压降为1.5V~2.5V,流过发光二极管的电流在3mA~10mA则可以点亮发光二极管，这里取1.7V计算，当流过发光二极管的电流为3mA时:

限流电阻的阻值约为1K，当流过发光二极管的电流为10mA时:

限流电阻的阻值约为330Ω。

这里选用470Ω的电阻进行限流保护。

R7

图3-5水位显示电路

3.6灌水电路

灌水电路是当水位低于某水位或某几点水位时对蓄水池进行灌水使水位达到规定水位处，当水位达到该饱和水位时电机停止对其灌水。

3.6.1直流电机工作原理

定义输出或输入为直流电能的旋转电机，称为直流电机，它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。

当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。

在电刷AB之间加上直流电压U，电枢线圈中的电流流向为：

N极下的有效边中的电流总是一个方向，而S极下的有效边中的电流总是另一个方向。

这样两个有效边中受到的电磁力的方向一致，电枢开始转动。

通从而电磁力或电磁转距的方向不发生改变。

电磁转距是驱动转距，其大小也为：

T=KTΦIa。

电动机的电磁转距T必须与机械负载转距T2及空载损耗转距T0相平衡。

即T=T2+T0

另外当电枢绕组在磁场中转动时，线圈中也要产生感应电动势E，这个电动势的方向与电流或外加电压的方向相反，称之为反电动势。

其大小为：

E=kEΦn方向与Ia相反过换向器可以实现线圈的有效边从一个磁极如N极转到另一个磁极下如S极时，电流的方向同时发生改变。

图3-6电机工作原理

3.6.2驱动电路

由于单片机的输出电流很小不能达到直接驱动直流电机则应该增加输出电流，可以通过采用复合调整管的方法来增加输出电流。

由于现在是电子时代，驱动电路也可以采用芯片，本设计采用高耐压、大电流达林顿陈列—ULN2003.

特点：

1）ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN达林顿管组成，如图3-7所示。

2）ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。

3）ULN2003工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。

4）ULN2003采用DIP—16或SOP—16塑料封装.

图3-7ULN2003封装图

极限参数：

3.6.3灌水电路设计

此系统电路主要由ULN2003和电机组成。

由单片机的P2.4输出一个高电平，若输出为高电平，通过ULN2003后转换为低电平，此时在电源的作用下，电机正常工作。

电路图如3-8所示。

图3-8电机控制电路

3.7报警电路

此系统电路主要由发光二极管D5、电阻R2、三极管Q1与扬声器LS1组成。

D5是红色发光二极管，其正极连接P2.0。

电阻R2一端接P2.0，另一端接三极管Q1，信号从P2.0输出，经过Q1放大触发扬声器发出“嘀、嘀”报警信号。

只要单片机的P2.0脚输出高低电平，扬声器就发出连续的报警声音，系统水位低于D点时停止工作。

当整个控制系统出现故障时也会产生报警。

手动复位也可使报警系统停止工作。

系统电路图如图3-9所示：

图3-9报警电路

3.8整机工作原理

当用水使水位下降到下限水位时，A、B、C、D都处于“1“状态，电机启动。

当水泵供水使水位低过了下限水位而达到A点时，P1.3变为低电平，D4亮。

当水泵供水使水位超过了下限水位而达到B点时，P1.2变为低电平，D4、D3亮。

当水泵供水使水位超过了上限水位而达到C点时，P1.1变为低电平，D4、D3、D2亮，电机停止。

当水泵供水使水位到达最高水位D时，P1.0变为低电平，D4、D3、D2、D1亮，D5闪烁，蜂鸣器发出报警。

检测电路的信号由P1.0~P1.3输入，P1.3与A的状态有关，P1.2与B的状态有关，P1.1与C的状态有关，P1.0与D的状态有关，这四种信号可以组成四个不同的有用组合，水位与电机的关系见表3-3所示。

表3-3水位与电机的关系

水位在A点之下

电机启动

水位在A点

电机维持原状态

水位在B点

电动加速

水位于C点

电机停止工作

水位在D点

发出报警

根据以下四个状态：

P1.3与A的状态有关，P1.2与B的状态有关，P1.1与C的状态有关，P1.0与D的状态有关，这几种状态与LED显示的关于见下表3-4所示。

表3-4水位与LED的关系

水位在A点

D4亮

水位在B点

D4、D3亮

水位在C点

D4、D3、D2亮

水位在D点

D4、D3、D2、D1亮、D5闪烁，报警

水位在A点时,探测器给单片机输入的信号为f7H。

此时，单片机的P3.0输出高电平，D4点亮。

同时单片机的P2.4输出高电平，驱动电动机工作。

水位在B点时，探测器给单片机输入的信号为f3H，此.时，单片机的P3.0、P3.1输出高电平,D4、D3点亮,同时单片机的P2.4输出高电平，驱动电动机工作。

水位在C点时,探测器给单片机输入的信号为f1H，单片机的P3.0、P3.1、P3.2输出一个高电平，D4、D3、D2点亮。

同时单片机的P2.4输出低电平，三极管截止,电动机停止工作。

水位在D点时，探测器给单片机输入的信号为f0H，此时，单片机的P3.0、P3.1、P3.2、P3.3输出高电平,D4、D3、D2、D1点亮。

单片机的P2.0输出高、低变化电平，三极管导通、截止，发出报警，二极管D5闪烁。

第四章软件设计

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。

甚至有些必须采用很复杂的硬件电路才能完成的工作，用软件编程有时会变得很简单。

本设计采用Proteus和Keil两个仿真软件对硬件部分进行仿真。

4.1用PROTEUS绘制原理图

运行Proteus的ISIS程序后，进入该仿真软件的主界面。

主界面由菜单栏、工具栏、预览窗口、元件选择按钮、元件列表窗口、原理图绘制窗口和仿真进程控制按钮组成（如4-1所示）。

通过元件选择按钮P（从库中选择元件命令）命令，在弹出的PickDevices窗口中选择电路所需的元件，放置元件并调整其相对位置，对元件参数设置及元器件间连线，完成单片机系统的硬件原理图绘制。

图4-2所示是绘制完成的电路图。

图4-1运行ProteusISIS的主界面

图4-2智能水位控制系统设计整机电路图

4.2用KeilμVision3编写程序

本设计利用KeilμVision3，在新建Keil项目时选择AT89C51单片机作为CPU，将C语言源程序导入，在keil软件中完成程序编写、调试和编译之后，加载程序为.HEX文件，生成能让单片机运行的Hex文件，如图4-3所示。

4.3用PROTEUS对单片机内核的仿真

在source菜单的Definecodegenerationtools菜单命令下，选择程序编译的工具、路径、扩展名等项目;在source菜单的Add/removesourcefiles命令下，加入单片机硬件电路的对应程序（主要采用Keil进行程序编译）。

打开如图4-4所示的对话框。

在ProgramFile栏添加编译好的十六进制格式的程序文件智能水位控制