单片机水位监测Word文档下载推荐.docx

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3.6继电器控制水泵加水电路8

3.7电源电路9

4软件设计10

4.1系统原理10

4.2系统结构图10

4.3控制方案说明11

4.4系统组成及原理11

4.5系统总原理图13

4.6系统总程序14

4.7低水位的程序设设计16

4.8中水位程序设设计17

4.9高水位程序设设计18

4.10故障程序设设计19

5仿真结果20

5.1水泵处于低水位运行状态21

5.2当水泵处于正常水位22

5.3当水泵处于高水位23

5.4当水位出现故障时24

总结25

参考文献26

1引言

1.1单片机的发展概况

单片机以其高可靠性、高性价比、低电压、低功耗等一系列优点，近几年得到迅猛发展和大范围推广，广泛应用于工业控制系统，数据采集系统、智能化仪器仪表，及通讯设备、日常消费类产品、玩具等。

并且已经深入到工业生产的各个环节以及人民生活的各层次中，如车间流水线控制、自动化系统等、智能型家用电器（冰箱、空调、彩电）等。

管脚图如图1所示。

图1AT89C51单片机引脚图

（1）电源地组Vcc和Vss；

VCC—（40）脚接+5V电压；

VSS—（20）脚接地

（2）时钟电路组XTAL1和XTAL2

（3）控制信号组RST/ALE/PSEN和EA

（4）I/O端口P0,P1,P2和P3

近来，单片机的发展尤为迅猛，并且趋于高智能化、存储器大量化、更多的外围电路内装化以及工艺上的多元化等方向，广泛应用于单机应用领域、多机应用领域、自动控制领域和智能化控制领域等。

单片机应用系统的结构通常分为三个层次，即单片机、单片机系统和单片机应用系统。

单片机通常指应用系统主处理机，即所选择的单片机器件等。

单片机系统指按照单片机的技术要求和嵌入对象的资源要求而构成的基本系统。

时钟电路、复位电路和扩展存储器等与单片机共同构成了单片机系统。

单片机应用系统指能满足嵌入对象要求的全部电路系统。

在单片机系统的基础上加上面向对象的接口电路，如前向通道、后向通道、人机交互通道（键盘、显示器、打印机等）和串行通信口（RS232）以及应用程序等。

单片机应用系统层次关系如图2所示。

图2单片机应用系统三个层次的关系

2设计目的及要求

2.1设计目的

在高塔的内部我们设计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。

低水位时送给单片机一个高电平，驱动水泵加水，红灯亮；

正常范围的水位时，水泵加水，绿灯亮；

高水位时，水泵不加水，黄灯亮。

2.2设计要求

1、利用单片机AT89C2051实现对高塔进行水位的控制；

2、把水位探测传感器探得高塔中的水位送给单片机以实现对水泵加水系统和显示系统的控制；

3、光报警显示系统电路，采用不同颜色的发光二极管来表示不同的水位情况

4、水泵加水电路由继电器进行控制；

5、分析工作原理，绘出系统结构原理图及流程图；

3硬件设计

3.1单片机最小系统电路设计

AT89C2051是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含2kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机数据存储器（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，功能强大at89c2051单片机可为您提供许多高性价比的应用场合。

本设计中单片机采用AT89C2051，它是一种高性能低价格单片机。

引脚（20个）和指令系统与8031单片机完全兼容。

片内有2K字节的闪速程序存储器（采用电擦除编程,可重复编程1000次,数据可保10年）,除没有P0口、P2口外,具有8031所有功能结构,即一片AT89C2051相当于8031、373、2716组成的最小系统。

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。

AT89C2051的P1口为八位双向I/O口,P1.2～P1.7有内部上拉电阻,P1.0与P1.1无内部上拉电阻。

P1.0与P1.1具有第二功能,分别作为片内精密比较器的同相、反相输入端。

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。

AT89C2051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水位检测传感器的选用

传感器是一种能感受被测物体物理量并将其转化为便于传输或处理的电信号的装置，在现代科技领域中，传感器得到了广泛应用，各种信息的采集离不了各种传感器，传感器的基本功能在于能感受外界的各种“刺激”并作出迅速反映。

本设计当中我们采用的水位探测传感器简单易做，经济实惠。

其外形轮廓如下：

图3水位探测传感器外观图

A为接+5V电源的线与水一直保持连通，B线为低水位控制线，当水位到达低水位的时候它不导通，水在正常范围内时，它导通。

C线为高水位控制线，当它导通时，表示水已经为高水位。

本设计中采用了细铜线作为我们的传感器的材料。

主要考虑了

（1）细铜线的电阻率比较低，这样就可以避免由于电阻过大而使输出的电平过低，以致不能很好地驱动单片机工作

（2）传电性能比较好，传电速率比较快，也就是说灵敏性非常好。

（3）细铜线便宜易找。

本传感器的尺寸是A线是30CM，B线是20CM，C线是15CM，铜线直径是15MM。

3.3稳压电路的设计

本电路的主要作用是使从传感器输出的电平能够稳定地输入单片机中，主要由三极管的两极放大稳定电路组成，其工作过程是水位探测传感器把探测到的电信号送给R12,如果送入的是高电平则R11、Q5、D3、Q4导通把低于1.4V的低电平稳定地送给单片机。

如果是低电平送给R12则R11、Q5、D3、Q4均不能导通二是R13导通将把高于1.4V的高电平稳定的送给单片机。

我查找了相关资料以及我们自己在设计过程当中免去此稳定电路,发现有时候也能实现我们的设计目的,但是也有很多时候发生水位误判的情况,产生不稳定现象,所以我们认为此电路是不可缺少的。

既然是控制系统,当然就要控制精确。

图4稳压电路原理图

3.4光报警电路的设计

发光二极管（LED）是用半导体材料制作的正向偏置的PN结二极管。

其发光机理是当在PN结两端注入正向电流时，注入的非平衡载流子（电子－空穴对）在扩散过程中复合发光，这种发射过程主要对应光的自发发射过程。

按光输出的位置不同，发光二极管可分为面发射型和边发射型。

发光二极管的发光原理同样可以用PN结的能带结构来解释。

制作半导体发光二极管的材料是重掺杂的，热平衡状态下的N区有很多迁移率很高的电子，P区有较多的迁移率较低的空穴。

由于PN结阻挡层的限制，在常态下，二者不能发生自然复合。

，而当给PN结加以正向电压时，沟区导带中的电子则可逃过PN结的势垒进入到P区一侧。

于是在PN结附近稍偏于P区一边的地方，处于高能态的电子与空穴相遇时，便产生发光复合。

这种发光复合所发出的光属于自发辐射，辐射光的波长决定于材料的禁带宽度Eg。

本电路采用不同颜色的发光二极管来表示不同的水位情况。

即红灯亮，他两灯不亮表示是低水位状态，此时需要启动水泵加水；

绿灯亮，其他两灯不亮表示在正常的水位线内；

黄灯发亮，其他两灯不亮为高水位状态，水泵停止加水，三灯闪烁表示系统出现故障。

图5光报警电路的原理图

此电路采用的是共阳极的，所以只有当单片机给发光二极管为低电平时才能推动发光二极管点亮。

其中R14、R15、R16为上拉电阻起限压控流作用。

3.5水泵的介绍

水泵是每个家庭必不可少的生活工具，虽然大多数人并没有认识到这一点，但这确是事实。

很多人对水泵一无所知。

（1）水泵的分类

水泵一般多以泵的结构和作用原理来分类，有时根据需要也按使用部门、用途、动力类型和泵的水力性能等进行分类。

1）按使用部门分 

有农业用泵（农用泵）、工作用泵（工业泵）和特殊用泵等。

2）按用途分 

有水泵、砂泵、泥浆泵、污水泵、污物泵、井用泵、潜水电泵、喷灌泵、家用泵、消防泵等。

3）按动力类型分 

有手动泵、畜力泵、脚踏泵、风力泵、太阳能水泵、电动泵、机动泵、水轮泵、内燃水泵、水锤泵等。

4）按工作原理分 

有离心泵、混流泵、轴流泵、旋涡泵、射流泵、容积泵（螺杆泵、活塞泵、隔膜泵）、链条泵、电磁泵、液环泵、脉冲泵等。

（2）选择水泵的主要参数

水泵参数是指泵工作性能的主要技术数据，包括流量、扬程、转速、效率和比转数等。

3.6继电器控制水泵加水电路

继电器控制电路的原理图

该电路由继电器RL1和闭合开关、光电耦合器、水泵R7、R8、R9、R10以及D2、Q3等组成。

当水位在低水位时单片机给P1.1送一个高电平导通光电耦合器然后光电耦合器驱动Q3导致继电器闭合从而让220V的交流电接通使水泵加水。

图6继电器控制水泵加水电路的原理图

其中光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。

它由发光源和受光器两部分组成。

把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。

发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，在本设计当中发光源为发光二极管，受光器为光敏三极管。

在本设计当中我们采用光电耦合器组成开关电路的作用，能够很好地将单片机信号稳定地送给继电器驱动继电器闭合。

3.7电源电路

电源电路虽然简单，但需要功能可靠，所用采用两个三端集成稳压器7802、7805，可以方便的实现此功能，电路如图7所示

图7电源电路

4软件设计

4.1系统原理

当水位处于低水位的时候，传感器的低水位探测线没被+5V的电源导通进入稳压电路经过处理在稳压电路的输出端有一个高电平，送入单片机的P1.0口，另一个稳压电路输出的高电平进入单片机的P1.1口单片机经过分析，在P1.2口输出一低电平，驱动红灯亮，P1.5出来一个信号使光电耦合器GDOUHE导通，这样继电器闭合，使水泵加水；

当水位处于正常范围内时，水泵加水，在P1.3引脚出来一个低电平，使绿灯亮；

当水位在高水位区时，传感器的两根探测线均被导通，均被+5V的电源导通，送入单片机，单片机经过分析，在P1.4引脚出来一个低电平，使黄灯亮，在P1.5端出来一个低电平不能使光电耦合器导通，这样继电器不能闭合，水泵不能加水；

当三灯闪烁表示系统出现故障。

4.2系统结构图

图1系统结构图

采用单片机AT89C2051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,水位探测传感器送给单片机一个高电平,然后单片机驱动水泵加水和显示系统使红灯变亮;

当水位在正常范围内时,水泵加水,绿灯亮,;

当水位在高水位时,单片机不能驱动水泵加水,黄灯亮。

4.3控制方案说明

这个方案中使用了单片机处理，单片机技术是信息时代用于精密测量的一种新技术。

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,由于AT89C2051单片机有四端口，20引脚能够非常方便地设计显示系统。

4.4系统组成及原理

本系统由电源电路、水位探测传感电路、稳压电路、单片机系统、光报警显示电路、继电器控制水泵加水电路、以及高塔模型组成。

主电气原理图如下：

工作原理：

4.5系统总原理图

系统总流程图

4.6系统总程序

ORG0000H

LJMPSTART

START:

SETBP1.0

SETBP1.1

RESTART:

MOVA,P1

ANLA,#00000011B

CJNEA,#00H,LOOP1;

在低水位之下，开启电动机，亮红灯

SETBP1.4

SETBP1.3

CLRP1.2

LJMPRESTART

LOOP1:

CJNEA,#01H,LOOP2;

当超过低水位，并且未达到高水位时，保持电动机转动，亮绿灯

SETBP1.2

CLRP1.3

LOOP2:

CJNEA,#02H,LOOP3;

系统故障（达到高水位，却没达到低水位）红，黄，绿灯均闪烁

CLRP1.4

LCALLDELAY

LOOP3:

CJNEA,#03H,RESTART;

当达到高水位时，停止电动机，亮黄灯

RET

END

4.7低水位的程序设设计

MOVA,P1

4.8中水位程序设设计

4.9高水位程序设设计

4.10故障程序设设计

CJNEA,#02H,LOOP3;

系统故障（达到高水位，却没达到低水位）红，黄，绿灯均闪烁

5仿真结果

仿真环境

Proteus是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。

它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析（SPICE）各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：

①实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。

具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；

有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。

②支持主流单片机系统的仿真。

目前支持的单片机类型有：

ARM7（LPC21xx）、8051/52系列、AVR系列、PIC10/12/16/18系列、HC11系列以及多种外围芯片。

③提供软件调试功能。

在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；

同时支持第三方的软件编译和调试环境，如KeilC51uVision2、MPLAB等软件。

④具有强大的原理图绘制功能。

总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。

本实验采用protues7.4版本。

运行开始前，数码显示管显示为00.00。

5.1水泵处于低水位运行状态

此时红灯亮，水泵工作开始注水

5.2当水泵处于正常水位

此时绿灯亮，水泵正常工作开始加水

5.3当水泵处于高水位

此时黄灯亮，水泵不注水

5.4当水位出现故障时

此时三个灯都亮，水本泵无法工作

总结

本次课程设计采用AT89C2051单片机系统实现了水塔水位的自动控制。

通过本次设计，复习巩固我们以前所学习的单片机原理及应用等课程知识，将理论知识运用到实践上，通过查阅资料，对单片机知识有了更加深刻的认识。

在课程设计过程中，遇到不懂的知识向老师和同学们请教，也使得这次课设能够顺利完成。

这次的水位控制系统仿真成功，进一步优化系统的软硬件设计，以后也许能再农村水塔，城市水源检测控制等领域有着更加广阔的应用前景，运用自己的知识，造福人民，回馈社会。

参考文献

[1]李广第.单片机基础[M]．第1版．北京：

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