农村家用自来水自动控制系统设计.docx

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农村家用自来水自动控制系统设计

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学科代码：

080601

贵州师范大学（本科）

毕业论文

题目：

农村家用自来水自动控制系统设计

学院：

机电工程学院

专业：

电气工程及其自动化

年级：

2006级

姓名：

舒力力

指导教师：

郑宇（讲师）

完成时间：

2010年5月4日

题目：

农村家用自来水自动控制系统设计

舒力力

摘要：

随着中国农村经济的巨大发展，带来了农民生活水平的巨大提高,现在的农村家庭普遍都在使用简单的水塔式自来水供水方式，这样的供水系统极大的方便了农民的家常用水，本着节约成本的理念，我们希望寻求一种普遍适用于普通农村家庭的低成本高性能容易操作的手动与自动控制的这样一个家用自来水控制系统。

而电子技术的不断发展，以单片机为基础的控制电路有着体积小，价格低廉，系统结构简单，处理功能强，易于控制等优点，这使得单片机的应用更为广泛。

而液位控制是现代工业中常见的参数，有着直接观察、容易测量，过程时间常数小的优点，本系统采用AT89C51单片机为主控制器，通过传感器来检测水位的高度，能控制电路来自动调节液位的高度，并可由LED显示实际水位与检测的水位高度，并具有一定的水位报警功能。

关键词：

农村节约成本单片机水位检测自动调节

Abstract:

WiththetremendousdevelopmentofChina'sruraleconomyhasbroughttremendousincreasetheirlivingstandards.Nowtheruralhouseholdsgenerallyuseasimpletower-styletapwatersupply.Thissystemhasbroughtagreathome-styleconveniencetofarmers.Withcost-savingidea,andwehopetofindagenerallyapplicabletoordinaryhigh-performance,low-costruralfamilieseasymanualandautomaticcontrolofsuchahouseholdtapwatercontrolsystem.Thecontinuousdevelopmentofelectronictechnologytomicrocontroller-basedcontrolcircuithavemanyadvantagesofsmallsize,lowcost,simplestructure,processing,easycontrol.Thismakesitmorewidelyusedmicrocontroller.Thelevelcontrolisthecommonparametersofmodernindustry,withadvantageofdirectobservation,easytomeasure,processtimeconstantsmall.ThissystemusesAT89C51microcontrollerasthemaincontroller.Itcanthroughthesensortodetectwaterlevel,anditcanautomaticallyadjusttheheightofliquidlevelthoughtthecontrolcircuit.TheactualwaterlevelcandisplayfromtheLCD.Andhavesomelevelalarm.

Keywords:

Villagelow-costSingle-chiptestingintelligentwaterlevelcontrol.

第1章前言………………………………………………………………4

1.1农村家用自来水的现状…………………………………………4

1.2本设计的和意义和主要内容……………………………………4

第2章总体方案拟定……………………………………………………5

2.1系统功能要求……………………………………………………5

2.2系统的工作原理…………………………………………………5

第3章系统硬件电路的设计……………………………………………6

3.1液位检测部分……………………………………………………6

3.1.1传感器……………………………………………………7

3.1.2A/D转换器………………………………………………7

3.2数字控制部分……………………………………………………9

3.2.1核心芯片80C51单片机…………………………………9

3.2.2液位数码显示器…………………………………………11

3.3控制驱动部分……………………………………………………14

3.3.1继电器与电动机…………………………………………15

3.3.2手动/自动转换开关………………………………………16

3.3.3自动报警电路……………………………………………16

第4章系统软件的设计…………………………………………………17

4.1软件设计流程图…………………………………………………18

4.2水位检测的主程序………………………………………………18

总论…………………………………………………………………………22

致谢…………………………………………………………………………22

参考文献……………………………………………………………………23

第1章前言

单片机有着价格低廉，集成度高，处理功能强，可靠性高，系统结构简单等优点，这使得单片机的应用更为广泛，因此就有可能比较普遍地应用微机来控制各类电路，使各种新颖的、高性能的各种潜在能力得到充分的发挥，使电路的各种潜在能力得到充分的发挥，使电路的性能更符合要求，还可以制造出各种便于控制的新型电路，使电子控制出现新局面。

在此我们寻求用单片机设计的农村家用自来水自动控制系统。

1.1农村家用自来水的现状

随着中国农村经济的巨大发展，带来了农民生活水平的巨大提高,现在的农村家庭普遍都在使用简单的水塔式自来水供水方式，这样的供水系统极大的方便了农民的家常用水，由于其只安装于个人家庭中使用，为了节约成本所以目前这样的系统普遍只是手动操作抽水用的电动机开关，水用完打开开关，水满了则关闭开关，要人不间断的监测，这样一来这样的自来水用起来又不方便了，会出现断水现象或水溢出等现象，极大的造成人力和电力及其他资源的浪费。

这种手动家用自来水系统的主要组成部件和结构有抽水用的水泵电动机、控制开关、水管、放在楼面顶层的不锈钢蓄水桶，结构简易、成本低、维护简单简易。

通过控制水泵电动机的开关来对水桶加水，水用完打开开关，水满了则关闭开关，需要人不断的对它进行检测，造成了人力的极大浪费，效率低。

1.2本设计的意义和主要内容

农村家用自来水的使用是随着农民朋友的生活水平的提高才兴起的，可以说目前农村这种自来水自控方面还是空白的。

但市场上的液位控制系统由于其相对农民目前的状况是很难适用的，我们寻求的是一种适用普通农村家庭个体使用的一种控制系统，要求此系统结构要简单、维护起来要简便、操作起来容易、适用性强、节省劳动力，最重要的是成本低廉性能好。

所以农村家用自来水自动控制系统的实现的关键是要尽量的节约成本，随着电子技术的不断发展，以单片机为基础的控制电路有着体积小，价格低廉，系统结构简单，处理功能强，易于控制等优点，这使得单片机的应用更为广泛，单片机以其控制精度高，性能稳定、可靠，设置操作方便，造价低等特点，应用到液位系统的控制之中，不但保证了系统的准确性和可靠性，而且增强了人机交互的能力，因此在此我们希望寻求用单片机设计的一种普遍适用于普通农村家庭的低成本高性能容易操作的手动与自动控制的这样一个家用自来水控制系统。

从价格、性能、稳定性等方面与电脑控制、PLC控制和其它类型的单片机控制比较，MCS-51单片机具有体积小，低功耗、价格低廉，系统结构简单，处理功能强，易于控制、可靠性高等优点，这使得单片机的应用更为广泛。

因此我们在计中系统采用AT89C51单片机为主控制器，通过液位传感器来检测水位的高度，传感器检测到的电压信号经模数转换电路，并将转换后的数据送单片机处理，通过控制电路来自动调节液位的高度，并可由LED显示实际水位与检测的水位高度，具有一定的水位报警功能。

第2章总体方案拟定

我们通过在蓄水桶中安装液位传感器，传感器检测到水桶中的液位高度，经过模/数转换器的转换把数据传送到单片机，经过单片机的处理，把当前的液位值通过LED显示器显示出来，并与所设定的液位值比较来控制是否需要接通与关闭水泵。

同时我们增设自动/手动转换开关，用来实现手动控制。

2.1系统功能要求

在设计中我们采用8051单片机为核心芯片，辅助于相关硬件电路，通过液位传感器将检测到的信号变化转化为电压信号，经过模\数转换器转换为数字量传送给单片机，通过8051单片机的运算控制，从而使此自动系统具有监测到水位、显示水位、电动机运行情况、是否正在加水及能够简单显示出故障情况等功能，同是也具有手动操作功能。

2.2系统的工作原理

本系统的硬件组成部分包括液位检测部分、数字控制部分、控制驱动部分，而通过软件的设定值来实现整个系统自动控制的实现。

系统功能的实现，通过液位传感器对水桶水位的检测，传感器检测到的电压信号经A/D转换电路将模拟信号转化为数字信号，转化后的数字信号送单片机处理，处理后的数据送数码显示，并将其与相应的液位设定值对比，当水桶水位低于用户设定的值时，系统自动打开水泵给水桶加水；当水位到达设定值时，系统自动关闭水泵；如果水桶水位低于用户设定的值时或到达设定值时水泵没有动作，则发出故障警报。

其工作原理图如下：

第3章系统硬件电路的设计

整个供水结构图如下：

3.1液位检测部分

此部分应包括传感器电路、A／D采集转换接口电路。

在液体液位控制系统中,传感器的选择是非常重要的,传感器是能感受规定的被测量,并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置,它通常由敏感元件和转换元件组成,它的性能直接影响到整个检测系统,对检测精确度起着重要的作用。

A／D采集转换接口电路是模拟信号源与计算机或其它数字系统之间联系的桥梁，它的任务是将连续变化的模拟信号转换为数字信号，以便数字系统进行处理、存储、控制和显示。

3.1.1液位传感器设计

传感器的种类很多,有温度传感器,加速度传感器,光学传感器,压力传感器的,本设计采用B2119压阻式压力传感器来对液位进行控制，在把检测的电信号通过ADC0809输入到单片机进行分析,再由LED进行显示和单片机控制,实行对液位的报警。

压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应制成的器件。

这种压力传感器精度高、工作可靠，容易实现数字化，比应变式压力传感器体积小而输出信号大。

它是目前压力测量中使用最多的一种传感器。

压阻式压力传感器是用集成电路工艺技术，在硅片上制造出四个等值的薄膜电阻，并组成电桥电路，当不受压力作用时，电桥处于平衡状态，无电压输出；当受到压力作用时，电桥失去平衡，电桥输出电压。

电桥输出的电压与压力成正比例。

其工作原理图如图2所示。

3.1.2ADC0809A/D转换器

由于传感器输出的是模拟量，而单片机只能处理数字量，所以必须把模拟

量转换为数字量才能在单片机中对数据进行进一步的处理。

A/D是把模拟信号转换成数字信号,把由传感器传来的液位控制的模拟信号转换成数字信号,然后再通过8051单片机的分析处理进行LED显示和液位的报警。

用导线连接传感器的输出到ADC0809A/D转换器的IN-0。

在设计中使用ADC0809模数转换器，ADC0809是8通道8位CMOS逐次逼近式A/D转换芯片，片内有模拟量通道选择开关及相应的通道锁存、译码电路，A/D转换后的数据由三态锁存器输出，由于片内没有时钟需外接时钟信号。

芯片的引脚如图,各引脚功能如下：

IN0～IN7：

八路模拟信号输入端。

ADD-A、ADD-B、ADD-C：

三位地址码输入端。

CLOCK：

外部时钟输入端，CLOCK输入频率范围在10～1280KHz，典型值为640KHz，此时A/D转换时间为100us。

51单片机ALE直接或分频后可与CLOCK相连。

D0～D7：

数字量输出端。

OE：

A/D转换结果输出允许控制端，当OE为高电平时，允许A/D转换结果从D0～D7端输出。

ALE：

地址锁存允许信号输入端。

八路模拟通道地址由A、B、C输入，在ALE信号有效时将该八路地址锁存。

START：

启动A/D转换信号输入端，当START端输入一个正脉冲时，将进行A/D转换。

EOC：

A/D转换结束信号输出端，当A/D转换结束后，EOC输出高电平。

Vref（+）、Vref（-）：

正负基准电压输入端。

基准正电压的典型值为+5V。

为实现8路模拟通道能有条不紊地工作，首先通过地址译码锁存器选通所要开通的8路模拟通道中的一路开关，将模拟信号送入A/D转换器中实现A/D的转换，转换后的数据放到三态数据锁存器中等待CPU来取，取后由CPU启动新一次的地址译码，重复以上完成新一次的A/D转换。

ADC0809芯片提供了高转换速度、高精密度、环境影响小和低功耗等优点，被广泛应用于各种控制领域。

下图为ADC0809芯片的引脚图。

图3-1ADC0809芯片的引图

图3-2A/D采集转换接口电路

ADC0809的工作过程如下：

首先用指令选择0809的一个通道，当执行MOV@DPTR,A时，产生一个启动信号给START引脚送入脉冲，开始对选中通道转换。

当转换结束后发出结束信号，置EOC脚为高电平，该信号可作为中断申请信号；当读允许信号到，OE断油高电平，则可以读出转换的数字量。

利用MOVA,@DPTR把该通道转换结果读到A累加器中。

3.2数字控制部分

数字控制部分它要完成显示控制及水泵电动机工作时无水泵出或水管液位不变化时报警等功能。

单片机选用了INTEL公司的8位单片机AT89C51，采用最小应用系统。

利用传感器检测，然后转换成对应的数字信号送到单片机进行液位高度的判断，再输出对应的液位高度值并在LED显示出。

3.2.1核心芯片8051单片机

计算机芯片MCS-51是一个电脑晶片,英特尔公司生产系列。

它是在MCS-48系列的基础上发展的高性能的8位单片机。

所出的系列产品有8051、8031、8751。

其代表就是8051。

其他系列的单片机都以它为核心,所以本设计采用的核心芯片是8051单片机。

CPU是它的核心设备,从功能上看,CPU包括两个部分:

运算器和控制器,它执行对输入信号的分析和处理。

整个系统电控部分以ATMEL公司的8051为核心芯片，控制信号采集、处理、输出三个过程。

这种芯片内置4KEPROM，因为系统要求控制线较多，如果采用8031外置EPROM程序控制结构，则造成控制线不够；而8051却可以利用P0、P2口作控制总线，大大简化了硬件结构，并可以直接LED数据显示，方便现场调试和维护，使整个系统的通用性和智能化得到了很大的提高。

系统的原理是采用液位传感器测量液体的液位值,通过单片机的转换与分析在LED上显示及输出控制;根据当前的液位值决定是否进行开关水泵,以及是否到达危险高、低水位,需要关闭阀门。

图3-38051引脚图

上图是8051的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。

现在我们对这些引脚的功能加以说明：

Pin40:

正电源脚，正常工作或对片内EPROM抄写程序时，接+5V电源。

Pin19:

时钟XTAL1脚，片内振荡电路的输入端。

Pin18:

时钟XTAL2脚，片内振荡电路的输出端。

8051的时钟有两种方式，一种是片内时钟振荡方式，但需在18和19脚外接石英晶体（2-12MHz）和振荡电容,振荡电容的值一般取10p-30p。

另外一种是外部时钟方式，即将XTAL1接地，外部时钟信号从XTAL2脚输入。

本设计采用外部时钟电路，外接晶振和电容组成振荡器。

输入输出（I/O）引脚：

Pin39-Pin32为P0.0-P0.7输入输出脚，Pin1-Pin8为P1.0-P1.7输入输出脚,Pin21-Pin28为P2.0-P2.7输入输出脚，Pin10-Pin17为P3.0-P3.7输入输出脚。

在对单片机设计中，P0口作为程序存储器扩展口，且是扩展并行输入/输出接口的接口，另外也作为模数转换的数据传输口,P2口为程序存储器扩展口的高八位地址总线口，P1口为输入/输出口。

Pin9:

RESET/Vpd复位信号复用脚，当8051通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高平，系统即初始复位。

初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指钟写入07H，其它专用寄存器被清“0”。

RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。

然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态。

8051的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，见图。

此外，RESET/Vpd还是一复用脚，Vcc掉电期间，此脚可接上备用电源，以保证单片机内部RAM的数据不丢失,此设计采用自动复位电路。

图3-4复位电路

Pin30:

ALE/当访问外部程序器时，ALE（地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。

而访问内部程序存储器时，ALE端将有一个1/6时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。

更有一个特点，当访问外部程序存储器，ALE会跳过一个脉冲。

如果单片机是EPROM，在编程其间,prog将用于输入编程脉冲。

Pin29:

当访问外部程序存储器时,此脚输出负脉冲选通信号，PC的16位地址数据将出现在P0和P2口上，外部程序存储器则把指令数据放到P0口上，由CPU读入并执行。

在编程时，EA/Vpp脚还需加上21V的编程电压。

3.3.2显示接口技术

单片机应用统中，不仅需要进行测控和计算，同时也要将一些测控信息显示出来，提供实时的数据或图形结果，以便于掌握系统的状态并进行分析处理。

目前在单片机中最常用的有数码显示器（LED）和液晶显示器（LCD）。

在此选用成本低廉、使用简单的数码显示器。

LED显示器是单片机应用中最常用的输出部件，它是由若干发光二极管组成，当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发光，不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符。

用LED是因为它具有显示清晰、亮度高、使用电压低、光电转换效能高、寿命长的特点。

LED（发光二极管）最早出现在19世纪60年代，现在我们可以经常在电气和电子设备上看到这些二极管作为指示灯来用。

LED就是一种半导体元件，其电气性能与普通二极管相同，不同之处在于当给LED通电流时，它会发光。

由于LED是固态的，所以它能延长传感器的使用寿命。

因而使用LED的光电传感器能被做得更小，且比白炽灯传感器更可靠。

不像白炽灯那样，LED抗震动抗冲击，并且没有灯丝。

另外，LED所发出的光能只相当于同尺寸白炽灯所产生光能的一部分。

1.数码管显示原理

数码管是由发光二极管显示字段的显示器件。

数码管由8个发光二极管（以下简称字段）构成，通过不同的组合可用来显示数字0-9、字符A-F,H,L,P,R,U;Y,“一”及小数点“.”。

数码管的外形结构如图3-5所示。

数码管又分为共阴极（如图4-13a）和共阳极（如图4-13b）两种结构。

以共阴极管为例来论述其原理:

共阴极数码管的8个发光二极管的阴极（二极管负端）连接在一起。

通常，公共阴极接低电平（一般接地），其它管脚接段驱动电路输出端。

当某段驱动电路的输出端为高电平时，则该端所连接的字段导通并点亮，根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。

此时，要求段驱动电路能提供额定的段导通电流，还需根据外接电源及导通电流来确定相应的限流电阻。

图3-5数码管结构图

要使数码管显示出相应的数字或字符，必须使段数据口输出相应的字形编码。

对照图3-5（a），字型码各位定义为:

数据线DO与a字段对应，D1与b字段对应，依此类推。

如使用共阳极数码管，数据为O表示对应字段亮，数据为1表示对应字段暗;如使用共阴极数码管，数据为0表示对应字段暗，数据为1表示对应字段亮。

2.显示接口设计

对于多位LED数码管并用的情况，一般有静态显示和动态显示两种显示驱动方式。

静态显示接口简单，只需较小的驱动电流就可以获得较高的显示亮度，但是当LED数量比较多时，需要很多的1/0线，对硬件资源的要求比较苛刻，所以在此选用动态显示的方式。

动态显示是一位一位地轮流点亮各位数码管，这种逐位点亮显示器的方式称为位扫描。

通常，各位数码管的段选线相应并联在一起，由一个8位的1/0口控制;各位的位选线由另外的1/0口线控制。

动态方式显示时，各数码管分时轮流选通，要使其稳定显示，必须采用扫描方式，即在某一时刻只选通一位数码管，并送出相应的段码，在另一时刻选通另一位数码管，并送出相应的段码。

依此规律循环，即可使各位数码管显示将要显示的字符。

虽然这些字符是在不同的时刻分别显示，但由于人眼存在视觉暂留效应，只要每位显示间隔足够短就可以给人以同时显示的感觉。

采用动态显示方式比较节省1/0口，硬件电路也较静态显示方式简单。

4位7段LED动态显示器电路如下图：

为了实现LED显示器的动态扫描，除了要给显示器提供段码（字形代码）的输入之外，还要对显示器加上位的控制，这就是通常所说的段控和位控。

因此，多位LED显示器接口电路需要有两个输出口，其中一个用于输入8条段控线（字形代码），另一个用于输入位控线（位码），位控线的数目与LED显示器的位数相同。

系统中采用专用键盘/显示器接口芯片8279实现显示器接口，Intel8279是一种通用可编程键盘/显示器接口芯片，它能完成键盘输入和显示两种功能。

以下即是8279实现显示器功能的接口电路：

3.3控制驱动电路部分

控制电路部分主要有电动机、继电器组成，利用继电器的功能来完成电路部分的控制驱动，而继电器由单片机的输出接口输出的信号来控制，当其输出符合继电器的要求时继电器闭合水泵电动机运转给蓄水桶加水，当没信号输入时电动机断电，控制驱动电路原理图如下：

QS1

QS2手动/自动转换开关

按钮开关KSKM继电器

控制驱动电路原理图

3.3.1继电器、电动机设计

控制驱动电路主要电动机、继电器及相应的元件构成，它根据电路的实际需要来控制电机的启动、停止，从而能自动地控制液位的高度。

直流继电器接口图

继电器的动作由单片机8051的P2.2端控制。

P2.2端输出高电平时，继电

器J吸合；P2.2端输出低电平时，继电器释放。

3.3.2手动/自动转换开关

手动/自动转换开关的作用是：

当手动/自动转换开关打在自动挡是，系统处于自动状态时，整个供水系统由单片机自动控制；当手动/自动转换开关打在手动挡时，系统处于手动状态，按下电动机运转按钮时，水泵工作，按钮指示灯亮，开始抽水，再按下电动机运转按钮时，指示灯熄灭，水泵停止工作。

其整