基于单片机的水位控制Word文件下载.docx

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很多供水系统采用二级供水方案，即先用潜水泵提取井水到蓄水池，再用变频系统把水源送出。

这就要求蓄水池的水位必须保持在一定高度，还得防止溢水。

为此大家想过很多方法，如浮球干簧管开关电路、水漂式上下水位控制开关电路和只有能控制一路水泵的控制器。

这些装置容易产生接触不良、不易控制多级水位、不易远距离观察到水位指示状态等现象。

本次设计采用单片机来对传感器的信号进行处理，输出控制信号，配合外部硬件电路，用晶体管驱动直流继电器，再控制交流接触器来完成对水泵开启、关闭，设计可以根据缺水多少的不同情况智能化地启动不同数量的水泵，即缺水少时少量水泵工作，缺水多时多台水泵同时工作，及时补充水量。

以实现节约用水、智能供水的目标。

通过毕业设计，目的是使学生对在单片机控制方面具备一定的设计和分析的能力。

培养学生综合运用所学各科知识，独立分析和解决实际工程问题的能力、查询资料的能力。

熟悉相关规程和规范，树立工程的观点。

为今后从事电气方面的工作打下良好基础。

1.2国内外智能水位控制器的现状和发展趋势

不论从古到今，水在人们的正常生活和生产中始终如一的起着至关重要、无可取代的作用。

一旦断了水，轻则给人们的生活带来极大的不方便，重则可能造成严重的生产事故及损失，因而满足及时、准确、安全、充足的供水成为人们对供水系统提出的新要求。

水塔水位控制系统是我国住宅小区广泛应用的供水系统，这种供水系统大多采用二级供水方案，即先用潜水泵提取井水到蓄水池，再用变频系统把水源送出。

这就要求蓄水池的水位保持一定的高度，还得防止溢水。

在我国广大农村地区的家庭用户，时常会采用人工控制的抽水机抽水的方式进行供水。

这些传统的控制方式劳动强度大、工作效率低、能耗大且控制精度低，并且安全性难以保障。

中国容器水位控制器产业专题调查分析报告中指出《中国容器水位控制器市场分析报告》立足于容器水位控制器市场发展现状分析，通过对容器水位控制器行业环境、容器水位控制器产业链、容器水位控制器市场供需、容器水位控制器价格、容器水位控制器生产企业的详尽分析，以使企业和投资者达到对容器水位控制器产品市场发展现状的全面、深入掌握；

同时为使企业和投资者把握容器水位控制器未来的市场发展趋势，单位还对容器水位控制器行业未来发展趋势和市场前景进行科学、严谨的分析与预测；

另外在投资分析部分，针对企业投资决策依据进行了重点分析，并综合给出投资建议。

随着工业生产日趋自动化,对液位检测技术的要求也越来越高。

为解决生产中的测量问题,一方面是采用新的测量原理,开发新的液位检测仪表,扩大检测的手段,另一方面需朝着实现微机化和智能化的方向发展。

近年来,微电子技术的发展使得液位检测技术发生了根本性变化。

新的检测原理与电子部件的应用使得液位计更趋向小型化和微型化,特别是一些小型现场液位开关发展极快,如光纤液位计,由于没有可动部件,所以可靠性高,不仅可现场显示,而且可以发出控制信号。

与此同时,液位检测也正向着智能化方向发展,在液位测量领域内广泛应用微处理技术,以实现故障诊断和报警功能,提高测量的精确度、可靠性、安全性和多功能化。

在应用和设计液位计时尽量实现不接触式或不渗透式测量,从而提高探头对恶劣环境的抵抗能力,以便在恶劣环境下准确、可靠地工作。

目前国内外水位器的种类很多，有雷达水位器、磁性浮子水位器、石英管水位器、智能雷达水位器、彩色石英管水位器和超声波水位器等等。

而生产水位器的公司有美国罗斯蒙特ROSEMOUNT、德国E+H、日本横河YOKOGAWA、德国西门子SIEMENS、瑞士ABB、德国VEGA。

这些只是常用而较热门的品牌。

1.3本课题所完成的任务

近几十年来，自动控制技术迅猛发展，在工农业生产、交通运输、国防建设、航空航天事业等领域中获得广泛的应用。

随着生产和科学技术的发展，自动控制技术至今已经渗透到各种科学领域。

比如在人们日常生活中的温度调节、湿度调节、自动洗衣机、自动售货机、自动电梯、空气调节器、电冰箱、自动路灯、自动门、保安系统等方面，自动控制技术得到大量应用；

在工业领域中，气体、液体、粉体、石油化工制药、轻工食品、建材等行业需要对温度、压力、物位、流量、成分等参数进行控制，这些控制系统都无一例外地应用自动控制技术。

自动控制技术已成为促进当今生产发展和科学技术进步的重要因素。

本课题就是在充分分析了智能水位控制系统在国内外发展的现状和发展趋势的基础上，查阅信号处理技术、单片机原理与接口技术、单片机外围器件实用手册等相关知识，针对单片机控制系统在人们日常生产生活领域的一些应用，设计出一个比较完整的基于单片机控制的智能水位控制系统，已达到自动、高效、及时、准确、安全供水的目的。

该智能水位控制系统用AT89C51单片机作为控制器；

外加电机驱动电路、水位检测信号输入电路、电源电路、故障报警电路等组成系统硬件电路。

在软件设计上采用汇编语言编程实现对实际水位的判断以及控制相应的水泵启停。

设计可以根据缺水多少的不同情况智能化地启动不同数量的水泵，即缺水少时一台水泵工作，缺水多时两台水泵同时工作，及时补充水量。

第2章系统概述

目前国内在水位控制器领域有很多的研究和发展，包括浮球式机械控制器、基于PLC的水位控制器，基于单片机的水位控制器等等。

而且仅从水位监测这一部分就可以有很多种的信息采集方式，其中就包括由光敏二极管、压力传感器、光敏电阻等制成的水位液位检测传感器。

因此为了使本次设计更加的经济合理，并且能突显我们学科的优越性，我要从综合各方面的考虑来选择具体的设计方案。

2.1系统总体方案

现代控制理论本质上是时域法，是建立在状态空间基础上的，它不用传递函数，而是用状态向量方程作基本工具，从而大大简化了数学表达方式，因此原则上可以分析多输入多输出、非线形以及时变系统。

自动控制技术的应用，推动了控制理论的发展，而自动控制理论的发展，又指导了控制技术的应用，使其进一步完善，随着科学技术的发展，自动控制技术和理论已经广泛的应用于科技、冶金、石油、化工、电子、电力、航空、航海、航天、核反应堆等各个学科领域。

近年来，控制科学的范围还扩展到生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会领域，并为各个学科之间的相互渗透起了促进作用，可以毫不夸张的讲，自动控制技术和理论已经成为现代化社会的不可缺少的组成部分。

自动控制技术的应用不仅使生产过程自动化，从而提高生产率和产品质量，降低成本，提高经济效益，改善劳动条件，而且在探索新能源，发展空间技术和创造社会文明等方面都具有十分重要的意义。

目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。

因此单片机的学习、开发与应用在当今社会变的十分重要。

单片机主要有如下特点：

1有优异的性价比

2集成度高、体积小、有很高的可靠性

3控制功能强

4单片机的系统扩展、系统配置较典范、规范，非常容易构成各种规模的应用系统。

相比较PLC，单片机更加的灵活经济。

因此，选择以单片机为核心控制的水位控制器符合当今社会的发展。

这次设计选择的单片机AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。

AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

图2.1AT89C51

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/地址的低八位。

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外部必须接上拉电阻。

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口作为低八位地址接收。

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。

2.2系统的工作原理

首先通过水箱内的电极式接触式传感器测出水箱的实际水位，并将信号传输至单片机，由单片机读取检测到的水位信号来执行相应的输出，并向外部硬件发出相对应的动作指令。

当单片机读取到水位信号低于B电极时，即水比较少的时候，单片机将向两台水泵发出指令，这时将用两台水泵同时供水；

当单片机读取到水位信号高于B电极而低于A电极时，缺水不多的时候，单片机只向第一台水泵发出信号，而另一台水泵则处于关闭状态，这时只用一台水泵供水；

当单片机读取到水位信号高于A电极时，这时表示水位已满，单片机向工作的水泵发出关闭指令，停止供水；

当单片机读取到水位信号出现异常时，如水位低于警戒线C，或者读取指令有逻辑上的错误时，则为传感器出现故障，或水泵出现故障，或水源出现故障，此时系统切断水泵电源，并发出声光报警，提醒值班人员及时进行故障处理。

这样，就可在水箱缺水较多时用两台水泵供水，在水箱缺水较少时用一台水泵供水，水箱水满时停止供水，系统出现异常发出报警，并且从开始工作后没有手动操作，完全是经过单片机自主调节水位，实现自动、安全、及时供水，且供水效率高，可节省大量人力财力，具有很高的实用价值。

第3章系统硬件设计

硬件电路是控制系统必不可少的组成部分,本设计中水位信号检测部分、控制信号放大部分、交流接触器的控制部分均由硬件电路完成，如图3.1

图3.1硬件系统框图

3.1水位信号检测电路的设计

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镁离子、钙离子等，它们的存在使水导电。

本设计就是利用水的导电性完成的。

水位信号的检测采用电极式接触传感器，检测电路如图3.2所示，在水源和水泵不出故障的情况下，应保持水位在电极A以上。

为了能检测到水源或水泵的故障情况，以及在正常情况下保证水位位于电极A和C之间，在水箱的不同高度安装了4根电极，以感知水位变化情况。

图3.2水位检测电路

电极A位于水箱的近底部，电极B位于水箱的中下部作为设定低水位，电极C位于水箱的顶部作为设定高水位。

电极A、B、C分别经1千欧的电阻接与+5V的电源正极，并且电极A、B、C分别用导线接于单片机的P1.7、P1.6、P1.5引脚。

当水位低于C时，单片机的P1.5引脚输入高电平；

当水位高于C时，单片机的P1.5引脚输入低电平；

当水位高于B而低于C时，单片机的P1.5引脚输入高电平，P1.6引脚输入低电平；

当水位低于B时，单片机的P1.6、P1.5引脚均输入高电平。

正常情况下，无论水位位于何处，单片机的P1.7引脚均应输入低电平，且当单片机的P1.6引脚输入高电平时P1.5引脚也应输入高电平，当单片机的P1.5引脚输入低电平时P1.6引脚也应输入低电平，如果有不同于上述的情况，则为电极出现故障，或水泵出现故障，或水源出现故障，此时系统应发出故障报警。

在本次设计中，我以开关电路模拟代替水位采集电路，如图3.3所示。

开关A、B、C分别代替上图中的电极A、B、C。

而且电极通断信号由开关关断信号代替，当开关接通表示采集有水信号，关断表示采集无水信号。

图3.3模拟水位检测电路

3.2控制信号输出电路的设计

水位信号由传感器输入单片机，单片机根据读取到的水位信号发出相应的控制信号，控制信号经过晶体三极管放大后驱动直流继电器，再由直流继电器控制交流接触器，从而控制相应水泵的启停。

控制信号输出电路如图3.4所示。

图3.4控制信号输出电路

当水位高于电极B而低于电极C时，单片机P1.3引脚输出高电平，P1.4引脚输出低电平，中间继电器KA1的线圈接通，KA2的线圈断开，KA1的常开触点闭合，接通交流接触器KM1的线圈，KA2的常开触点断开，交流接触器KM2的线圈也断开，此时只有一台水泵供水。

当水位低于电极B而高于电极A时，单片机P1.3引脚和P1.4引脚均输出高电平，中间继电器KA1和KA2的线圈均处于接通状态，它们的常开触点KA1和KA2均闭合，使交流接触器KM1和KM2的线圈接通，此时两台水泵同时供水。

当水位高于电极C时，单片机P1.3引脚和P1.4引脚均输出低电平，中间继电器KA1和KA2的线圈均断开，它们的常开触点KA1和KA2也断开，从而交流接触器KM1和KM2的线圈也断开，此时两台水泵都不供水。

3.3水泵启停控制电路的设计

两台水泵的启停分别由交流接触器KM1和KM2控制，控制电路如图3.5所示。

图3.5水泵启停控制电路

两台交流电机M1和M2通过刀开关接于三相交流电源上，保险管FU1和FU2在电机故障或过热时熔断，使电机与电源断开，起保护作用。

KM1和KM2是交流接触器的常开触头，当交流接触器的线圈接通时，相应的常开触头闭合，使相应的电机启动。

FR1和FR2是热继电器，用于对电机的过热保护。

3.4故障报警电路的设计

故障报警电路用于在系统发生故障时向值班人员发出报警信号，由声音报警和光报警两部分组成，故障报警电路如图3.6所示。

图3.6声光报警电路

光报警信号由发光二极管发出，声音报警信号由蜂鸣器发出。

系统可能出现的故障情况有传感器自身出现故障，导致检测到的水位信号出现异常，或水泵出现故障，或水源出现故障，导致单片机发出供水信号后水位继续下降。

在系统正常工作情况下，考虑到两台水泵在单位时间内的供水量大于单位时间内的最大用水量，最低水位不应低于电极A，若单片机检测到水位低于电极A，即单片机P1.7引脚的输入为高电平，则单片机P1.2引脚输出低电平，发光二极管发出光报警信号，单片机P1.0引脚输出周期为2ms的矩形脉冲信号，蜂鸣器发出声音报警信号。

在传感器正常工作的情况下，当水位低于电极B时，单片机P1.6引脚和P1.5引脚均应输入高电平，不应出现P1.6引脚输入高电平，而P1.5引脚输入低电平的情况，如果出现这种情况，则应按故障情况处理。

当水位高于电极C时，正常情况下单片机的P1.6引脚和P1.5引脚均应输入低电平，如果出现P1.5引脚输入低电平而P1.6引脚输入高电平的情况，也应按故障情况处理。

故障情况的处理方法同上，即单片机P1.2引脚输出低电平，P1.0引脚输出周期为2ms的矩形脉冲，由发光二极管和蜂鸣器发出声光报警信号。

3.5数码管显示电路的设计

数码管显示电路用于显示水泵的运行情况，正常情况下显示阿拉伯数字0、1、2，各数字代表正在供水的水泵数量，电路如图3.7所示。

图3.7数码管显示电路

所用数码管为共阳极7段数码管，由单片机P2口输出段选码，R6～R13为用于保护数码管不因电压过高而损坏的限流电阻，阻值为680欧。

当水位低于电极C而高于电极B时，只有一台水泵供水，此时单片机P2口输出为F9H，数码管显示1；

当水位低于电极B而高于电极A时，两台水泵同时供水，此时单片机P2口输出为A4H，数码管显示2；

当水位高于电极C时，停止向水箱供水，此时单片机P2口输出为C0H，数码管显示0；

当水位低于电极A或系统出现其他故障时，单片机P2口输出为FFH，数码管不显示任何数字，以示系统出现故障，同时由声光报警电路发出声光报警信号。

第4章系统软件设计

一个应用系统，要完成各项功能，首先必须有较完整的硬件作保证。

同时还必须做到相应合理的软件的支持，尤其是微机应用高速发展的今天，许多由硬件完成的工作，都可以通过软件编程而代替。

甚至有些必须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，如数字滤波，信号处理等。

因此充分利用其内部丰富的硬件资源和软件资源，采用51汇编语言和结构化程序设计方法进行软件编程。

这个系统程序由主控程序、电机启动子程序和矩形脉冲输出子程序组成。

其中主控程序是核心，由它控制着整个系统程序的运行和跳转。

4.1主程序流程图设计

程序流程图是解题步骤及其算法进一步具体化的重要环节，是程序设计的重要依据，它直观清晰地体现了程序的设计思路。

流程图是由预先约定的各种图形、流程线及必要的文字符号构成的。

常见的流程图符号有：

开始和结束符号、工作任务符号、判断分支符号、流程流向符号等。

本次设计程序根据设计要求和硬件电路的端口，分为循环扫描和逻辑判断输出两部分。

首先对端口P1.7的电位进行扫描，若端口检测为高电位，则输出为报警信号和电机停止信号；

若端口检测为低点位，则继续检测P1.6端口。

如果P1.6端口检测为高电平，则程序执行开启两台水泵的指令并且程序初始继续循环查询水位指令；

若端口检测为低电平，则继续扫描P1.5端口。

如果P1.5端口扫描检测为高电平，则程序转为开启一台水泵指令并且程序初始继续查询水位指令；

若检测为低电平，则发出两台水泵通知停止的指令，并且程序指向循环扫描水位指令。

智能水位控制器控制程序流程图如图4.1所示。

图4.1智能水位控制器程序流程图

4.2子程序设计

本设计源程序中包含四个子程序，分别是启动两台水泵子程序、启动一台水泵子程序、同时停止两台水泵子程序、1ms延时子程序。

由于单片机P1.7引脚、P1.6引脚、P1.5引脚分别与三个电极相连，两台水泵分别由P1.4引脚和P1.3引脚控制，故启动两台水泵子程序为：

PROG1:

SETBP1.3

SETBP1.2

SETBP1.4

CLRP1.0

MOVP2,#0A4H

LCALLM2

M2:

MOVA,P1

ANLA,#0E0H

CJNEA,#60H,M1

LJMPM2