水塔水位控制系统资料Word文档格式.docx
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3.18051单片机简介4
3.2引脚极其功能5
3.3显示器件LED7
3.4继电器7
3.5故障报警蜂鸣器7
4水塔给水设备系统的构成9
4.1水塔的基本构成9
4.2水塔结构原理图11
4.3控制继电器11
4.5LED水位显示12
5单片机系统控制结构14
6本系统的工作原理16
6.1软件设计17
6.2自动模式子程序：
18
6.3手动模式子程序：
19
结束语20
致谢21
参考文献22
附录123
附录227
1前言
现今社会，自动化装置无所不在，在控制技术需求的推动下，控制理论本身也取得了显著的进步。
水塔水位的监测和控制，再也不需要人工进行操作。
实践证明，自动化操作，具有不可替代的应用价值。
水塔是一种高耸的塔状建筑物，顶端有一个大水箱，箱内储水塔越高，水的压力越大，也就能把水送到更高的建筑物上。
水塔的类型按建筑材料分为钢筋混凝土水塔、钢水塔、砖石支筒与钢筋混凝土水柜组合的水塔。
水柜也可用钢丝网水泥、玻璃钢和木材建造。
按水柜形式分为圆柱壳式和倒锥壳式。
在中国这两种形式应用最多，此外还有球形、箱形、碗形和水珠形等多种。
支筒一般用钢筋混凝土或砖石做成圆筒形。
支架多数用钢筋混凝土刚架或钢构架。
水塔基础有钢筋混凝土圆板基础、环板基础、单个锥壳与组合锥壳基础和桩基础。
当水塔容量较小、高度不大时，也可用砖石材料砌筑的刚性基础。
水塔是供水系统中常用的设备，基于单片机的水塔水位控制系统使水塔水位保持在一定的位置，以满足用水的需要。
本设计的目的是用单片机设计一个控制系统，用来对水塔水位进行控制。
水塔水位控制系统的研究对于提高供水系统的自动化水平、提高生产效率具有重要的意义。
本设计主要研究对系统硬件的各个部分进行选型，研究芯片之间的连接方法，以系统对水塔水位的控制思想用汇编语言对控制程序进行设计。
2水位自动控制装置设计方案论证
本次设计所考虑的方案有以下几种：
（1）利用浮力原理使浮标带动触头工作,进而影响直流接触器动作,控制交流接触器工作,实现水塔无水时自动开启水泵电动机,水满时自动关闭的自动控制目的,同时,在浮标失效时保护电路自动报警,并切断供水系统,延时实现间断供水和自动报警功能。
鉴于当前水塔利用增多,可设计成简单易行、成本低廉、便于安装的水泵自控电路。
利用水的浮力使浮标带动触头,使其闭合/（断开）,致使直流接触器工作,电路自动接通/（断路）,从而控制主控电路,实现自动控制的目的。
（2）通过两到三根电极放在水中，高度不同，其中一条伸到水底当地线（如果底部是金属的也可以省去它），另外两条一个在低水位一个在高水位上，当低水位的对地失去连接时说明水位低，当两条都对地连接说明水位高；
（3）是用绝缘电极电容式测量，用两根（或两组）外表绝缘的电极垂直伸进水低，通过测量电极上的电容量变化情况测定水位，水作为电容的介质，水位越高电容越大，只要测定一下高低水位时的电容量就可以知道结果了。
本次设计主要采用第一种方案。
具体方框图如下图所示：
电路框图
图1
原理说明水池中的水位传感器将水位信号给单片机输入，然后单片机在将水位信号在显示器上显示出来。
假设是在下限水位，报警器报警。
单片机给水泵发出信号，水泵动作向水池注水。
当水位达到设定的上限水位时，报警器报警单片机向水泵发出信号水泵停止注水。
这就完成了一次自动无塔供水循环，之后工作与此相同。
3元器件介绍
3.18051单片机简介
目前，8051单片机在工业检测领域中得到了广泛的应用，因此我们可以在许多单片机应用领域中，配接各种类型的语音接口，构成具有合成语音输出能力的综合应用系统，以增强人机对话的功能。
8051是Intel公司生产的一种单片机，在一小块芯片上集成了一个微型计算机的各个组成部分。
每一个单片机包括：
一个8位的微型处理器CPU；
一个256K的片内数据存储器RAM；
片内程序存储器ROM；
四个8位并行的I/O接口P0-P3，每个接口既可以输入，也可以输出；
两个定时器/记数器；
五个中断源的中断控制系统；
一个全双工UART的串行I/O口；
片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接。
最高允许振荡频率是12MHZ。
以上各个部分通过内部总线相连接。
图2
单片机
3.2引脚极其功能
MCS—51系列单片机的40个引脚中有2个专用于主电源引脚，2个外接晶振的引脚，4个控制或与其它电源复用的引脚，以及32条输入输出I/O引脚。
下面按引脚功能分为4个部分叙述个引脚的功能。
1、电源引脚VCC和VSS
VCC（40脚）：
接+5V电源正端；
VSS（20脚）：
接+5V电源正端。
2、外接晶振引脚XTAL1和XTAL2
XTAL1（19脚）：
接外部石英晶体的一端。
在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚接地；
对于CHOMS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。
XTAL2（18脚）：
接外部晶体的另一端。
在单片机内部，接至片内振荡器的反相放大器的输出端。
当采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。
对于CHMOS芯片，该引脚悬空不接。
3、控制信号或与其它电源复用引脚
控制信号或与其它电源复用引脚有RST/VPD、ALE/P、PSEN和EA/VPP等4种形式。
（A）．RST/VPD（9脚）：
RST即为RESET，VPD为备用电源，所以该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。
当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，就可实现复位操作，使单片机复位到初始状态。
当VCC发生故障，降低到低电平规定值或掉电时，该引脚可接上备用电源VPD（+5V）为内部RAM供电，以保证RAM中的数据不丢失。
（B）．ALE/P（30脚）：
当访问外部存储器时，ALE（允许地址锁存信号）以每机器周期两次的信号输出，用于锁存出现在P0口的低
（C）．PSEN（29脚）:
片外程序存储器读选通输出端,低电平有效。
当从外部程序存储器读取指令或常数期间，每个机器周期PESN两次有效，以通过数据总线口读回指令或常数。
当访问外部数据存储器期间，PESN信号将不出现。
（D）．EA/VPP（31脚）：
EA为访问外部程序储器控制信号，低电平有效。
当EA端保持高电平时，单片机访问片内程序存储器4KB（MS—52子系列为8KB）。
若超出该范围时，自动转去执行外部程序存储器的程序。
当EA端保持低电平时，无论片内有无程序存储器，均只访问外部程序存储器。
对于片内含有EPROM的单片机，在EPROM编程期间，该引脚用于接21V的编程电源VPP。
4.输入/输出（I/O）引脚P0口、P1口、P2口及P3口
（A）.P0口（39脚～22脚）：
P0.0～P0.7统称为P0口。
当不接外部存储器与不扩展I/O接口时，它可作为准双向8位输入/输出接口。
当接有外部程序存储器或扩展I/O口时，P0口为地址/数据分时复用口。
它分时提供8位双向数据总线。
对于片内含有EPROM的单片机，当EPROM编程时，从P0口输入指令字节，而当检验程序时，则输出指令字节。
（B）.P1口（1脚～8脚）：
P1.0～P1.7统称为P1口，可作为准双向I/O接口使用。
对于MCS—52子系列单片机，P1.0和P1.1还有第2功能：
P1.0口用作定时器/计数器2的计数脉冲输入端T2；
P1.1用作定时器/计数器2的外部控制端T2EX。
对于EPROM编程和进行程序校验时，P0口接收输入的低8位地址。
（C）.P2口（21脚～28脚）：
P2.0～P2.7统称为P2口，一般可作为准双向I/O接口。
当接有外部程序存储器或扩展I/O接口且寻址范围超过256个字节时，P2口用于高8位地址总线送出高8位地址。
对于EPROM编程和进行程序校验时，P2口接收输入的8位地址。
（D）.P3口（10脚～17脚）：
P3.0～P3.7统称为P3口。
它为双功能口，可以作为一般的准双向I/O接口，也可以将每1位用于第2功能，而且P3口的每一条引脚均可独立定义为第1功能的输入输出或第2功能。
P3口的第2功能见下表
单片机P3.0管脚含义：
上水情况对照表
引脚
第2功能
P3.0
RXD（串行口输入端0）
P3.1
TXD（串行口输出端）
P3.2
INT0（部中断0请求输入端，低电平有效）
P3.3
INT1（中断1请求输入端，低电平有效）
P3.4
T0（时器/计数器0计数脉冲端）
P3.5
T1（时器/计数器1数脉冲端）
P3.6
WR（部数据存储器写选通信号输出端，低电平有效）
P3.7
RD（部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效）
表1
综上所述，MCS—51系列单片机的引脚作用可归纳为以下两点：
1）.单片机功能多，引脚数少，因而许多引脚具有第2功能；
2）.单片机对外呈3总线形式，由P2、P0口组成16位地址总线；
由P0口分时复用作为数据总线。
3.3显示器件LED
LED显示屏（LEDdisplay,LEDScreen）：
又叫电子显示屏或者飘字屏幕。
是由LED点阵组成，通LED显示屏（4张）过红色，蓝色，绿色LED灯的亮灭来显示文字、图片、动画、视频，内容可以随时更换，各部分组件都是模块化结构的显示器件。
传奇光电的LED显示屏通常由显示模块、控制系统及电源系统组成。
显示模块由LED灯组成的点阵构成，负责发光显示；
控制系统通过控制相应区域的亮灭，可以让屏幕显示文字、图片、视频等内容，中山市亮拓光电的单色、双色屏主要用来播放文字的，全彩屏主要是播放动画的；
电源系统负责将输入电压电流转为显示屏需要的电压电流。
3.4继电器
当输入量（如电压、电流、温度等）达到规定值时，继电器使被控制的输出电路导通或断开。
输入量可分为电气量（如电流、电压、频率、功率等）及非电气量（如温度、压力、速度等）两大类。
继电器具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。
广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。
3.5故障报警蜂鸣器
蜂鸣器分两种，有源和无源的：
有源蜂鸣器直接接上额定电源（新的蜂鸣器在标签上都有注明）就可连续发声，而无源蜂鸣器则和电磁扬声器一样，需要接在音频输出电路中才能发声。
有源要单片机普通IO端口直接高低电平驱动，如果你的单片机端口驱动能力不够可以用三极管驱动。
程序也简单，但只能发出一种声音。
无源的话要频率驱动，不同频率驱动会发出不同的声音。
IO选择上最好是选择定时器的IO输出，PWM输出或其他方便生成不同频率输出的端口。
程序略复杂，看你单片机是否方便编程输出频率信号。
有源蜂鸣器电路在下面，有源的电路看你具体的驱动电压不同而不同。
图3报警电路
4水塔给水设备系统的构成
水塔水位控制系统主要完成的功能是对水塔水位控制，完成其供水的作用。
此系统主要是在水塔无人值班的情况下工作，所以它必须能自动对水塔水位进行采样对水位输入信号进行分析，与己设置好的水位参数尽心比较，控制电机水泵的开启、停机实现水位的调节。
系统中要求配置两台电机（M1电动机.M2电动机），当水位在低低时M1、M2均被启动，在水位低时M1启动而M2停，当M1不能启动时可单独启动M2，并发出声光报警。
又可实现发生特殊情况人为地强行启动或关闭电机。
4.1水塔的基本构成
水塔由两台给水泵机组、水塔和三只浮球开关组成，其系统结构如图：
水位测量电路
图4
其中M1、M2为给水泵机组,LG、LD、LDD分别为水位高、水位低、水位低低浮球开关,当水位高（大于90开度）时,LG闭合,当水位低（小于75开度）时，LD闭合,当水位低低（小于50开度）时,LDD闭合。
水塔的控制器由8051系统构成。
为避免电机的起停和电源波动时对电路的影响，输入输出均采用光电隔离。
输出通过继电器，控制水泵机组的起停和报警，其电路图如下：
隔离控制电路
图5
给水泵电机主控电路及控制回路图如下：
图6主电路控制电路
单片机控制水塔系统主要完成的功能是对水塔水位控制及监测。
水位允许在已设置的上、下水位参数范围内变化。
当有一电机发生故障时，单片机自动选用第二台电机工作。
在发生特殊情况某一时刻人为的要强行启动电机，但又要通过单片机来控制，可通过上调下限水位参数随时启动电机。
当工作的电机出现异常情况可通过下调上限水位参数，单片机控制电机立即停机等。
系统的基本工作原理与构成单片机控制水塔系统主要完成的功能是对水塔水位控制及监测。
由水塔的水位模拟信号并在晶闸管双闭环直流调速系统中，输入量有速度、电流等模拟量，有启停指令、转向给定等开关量信号。
输出量有触发脉冲、故障信号等开关量信号。
4.2水塔结构原理图
主电路采用8051内含4KB容量，因此在设计中不需要外扩ROM。
硬件电路主要有LED显示电路、键盘接受电路、继电器控制电路等组成。
电路原理框图如图所示：
图7主控电路框图
4.3控制继电器
为了达到水泵的控制，我们可以通过控制继电器来达到对水泵的自动控制。
在电气控制领域或产品中，凡是需要逻辑控制的场合，几乎都需要使用继电器，从家用电器到工农业应用，甚至国民经济各个部门，可谓无所不见。
继电器是一种利用各种物理量的变化，将电量或非电量信号转化为电磁力（有触头式）或使输出状态发生阶跃变化（无触头式），从而通过其触头或突变量促使在同一电路或另一电路中的其它器件或装置动作的一种控制元件。
根据转化的物理量的不同，可以构成各种各样的不同功能的继电器，以用于各种控制电路中进行信号传递、放大、转换、联锁等，从而控制主电路和辅助电路中的器件或设备按预定的动作程序进行工作，实现自动控制和保护的目的。
被转化或施加于继电器的电量或非电量称为继电器的激励量，当继电器被激励，从一个起始位置达到预定的工作位置，并完成电路的切换动作，称为继电器的工作特性，包括吸合。
不吸合，保持与释放状态。
当输入量变化到高于它的吸合值或低于它的释放值时，继电器动作，对于有触头式继电器其触头闭合或断开，对于无触头式继电器起输出发生阶跃变化，以此提供一定的逻辑变量。
继电器电路图为：
电机控制回路
图8
4.5LED水位显示
LED显示器的连接与显示方法：
在单片机系统中，通常用LED显示器来显示各种数字或符号，由于它具有显示清晰、亮度高、使用电压低、寿命长的特点，因此使用非常广泛。
LED显示电路电路图为：
数码管显示电路
图9
在LED的接线方面，有共阳和共阴之分，下面以“日”形LED显示管的接线来介绍一下：
八段LED显示器由8个发光二极管组成。
其中7个长条形的发光管排列成一个“日”字形，另一个圆点形的发光管在显示器的右下角作为显示小数点用，它能显示各种数字及部份英文字母。
LED显示器有两种不同的连接形式：
一种是8个发光二极管的正极连在一起，称之为共阳极LED显示器；
另一种是8个发光二极管的负极连在一起，称之为共阴极LED显示器。
它们的内部电路图如下所示：
数码管显示原理图
图10
5单片机系统控制结构
经过以上部分的分析，绘出系统控制线路图：
主控制电路
图11
注：
系统单片机各引脚功能分配
P0、P1口和P2口为输入输出检测信号和控制信号。
下面是8051芯片引脚具体分配：
P0.0:
水位高报警输出信号。
P0.1:
水位低报警输出信号。
P0.2:
水位低低报警输出信号。
P0.3:
水晶水位低报警信号。
P1.0：
M1起动KM1控制输出信号。
（手动1，自动0）
P1.1：
M2起动KM1控制输出信号。
P1.2：
水位高输入信号。
（高1，低0）
P1.3：
水位低输入信号。
（低0高1）
P1.4：
水位低低输入信号。
P1.5：
水井水位低信号
P1.6：
M1开关状态输入信号。
（开0，关1）
P1.7：
M2开关状态输入信号。
P2.0：
手动起动M1输入信号，低电频有效动作。
P2.1：
手动起动M2输入信号，低电频有效动作。
P2.2：
手动停M1输入信号，低电频有效动作。
P2.3：
手动停M2输入信号，低电频有效动作。
P2.6：
手动与自动转换输入信号。
P2.7：
故障报警输出信号。
P3.0：
水位低低报警输出信号。
P3.1：
水位低报警输出信号。
P3.2：
水位高报警输出信号。
P3.4：
P3.5：
P3.6：
P3.7：
6本系统的工作原理
当水箱水位低时，起动M1、M2给水，水位上升到90%，停M1。
当水箱水位低低（小于50%）时，同时起动M1、M2，当水位上升到50%以上70%以下时，停M2，M1继续运行到水位上升到90%以上才停止工作。
经过调试系统，测得以下数据：
水位从50%--70%，两台泵运行需要约10分钟；
水位从70%--90%，一台泵运行需要约15分钟。
水箱的水位一般保持在70%--90%。
报警控制如下：
当水位高与90开度的时候，由传感器经变送器发送信号，LG闭合，系统水位高报警。
当水位低于75开度的时候，由传感器经变送器发送信号，LD闭合，系统水位低报警。
当水位低与50开度的时候，由传感器经变送器发送信号，LDD闭合，系统水位低低报警。
手动/自动模式转换控制如下：
全自动模式下，系统自动判断水位的状况，选择不同的工作状态。
在手动的模式下，两台给水泵的运行控制可由人工自己操作。
蓄水情况对照表
水位
90%以上
70%~90%
50%~70%
LG指示灯
亮
灭
LD指示灯
LDD指示灯
M1
停
转
M2
表2
6.1软件设计
图12软件流程图
开始
水位高？
水位低？
水位高报警
水位低报警
水位低低？
开M1
M1是否开
水位低低报警
开M2
延时一分钟
返回主程序
停M1
M2是否开
停M2
yes
no
水位低低?
图6-2
主电路控制流程图
13
M1键合？
有无键合？
停M1键合？
M2键合？
停M2键合？
M1是否停
M2是否停
Yes
No
返回程序
图14
电机控制流程图
结束语
毕业设计已经接近尾声，通过本次基于单片机的水塔水位控制的设计,我大有收获，从一开始的确定课题，到后来的资料查找、理论学习，再有就是近来的调试和测试过程，这一切都使我的理论知识和动手能力进一步得到提高。
课题中包含了单片机和继电器部分知识，可以说是对这些知识的一次全面综合。
在设计中联系书本理论知识积极地思考，解决不了可以请教同学或指导老师。
虽然在制作过程中不可避免地遇到很多问题，但是最后还是在老师以及同学的帮助下很好的解决了这些问题，实现了整个系统设计与最后调试，相关指标达到期望的要求，很好地完成了本次设计任务。
经过三年学习的积累，在掌握相关专业方面知识及其它各方面知识的情况下，我认真严肃的完成了我的毕业
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