基于单片机的水位水温控制系统Word格式文档下载.docx
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它具有结构简单，不需要外接元件,采用一根I/O数据线既可以供电又可以传输数据、并可以设有用户设置温度报警界限等特点。
此次设计主控制器采用Philips公司生产的P89V51RD2单片机，P89V51RD2是常用的机型，功能强大，性能稳定。
该产品可以广泛应用于各种环境，例如：
铁路路基温度无线采集系统、水温实时检测系统、楼宇内温度监视系统等。
虽然是对水温水位控制系统的改进，但是这种智能化的改进方法也可以应用到工业、生活的各个水温和水位控制的环境中去，对于其他相关参数的控制改进也具有一定的借鉴意义。
此次的基于单片机的水温水位控制系统是一个改进性的智能化产品，以其自身的控制精度高、稳定性好和成本低的独特优点在今后将会由广泛的实用价值，其基于单片机的改进方法也具用广泛的应用意义。
关键词：
单片机DS18B20水温水位控制
Abstract
TheappearanceofBPPLCandPLChasgreatlyincreasedthemodernindustrialautomationandimprovedtheworkperformanceoftheproduct.Thedesignofthewatertemperaturecontrolsystemistoimprovetheintellectualized.Amonolithicintegratedcircuitsistocontrolthelevelofparameterandimprovethestabilityoftheelectricalwork,andmeantime,itintroducedanumberofthewatertemperaturesensorfordatacollection,italsoincreasesthecontrolsystemtocontrolthelevelofaccuracywithasimplestructure,whichiseasytoachieveandhasgreatpracticalvalue.
ThedesigntemperaturesensorsusedDS18B20whichisadigitalthermometerchipproducedbytheDallascompanyandnowcompletelyreplacedDS1820.It’ssimpleanddoesn’tneedthecomponents.JustuseapieceofI/Odatalinecannotonlysupplythepower,butthedatatransmission.Moreover,ithasausersetting,youcanuseittosetthealarmboundaries.ThedesignofmastercontrollerusedthePhilipscompany’sP89V51RD2monolithicintegratedcircuits,whichistheusualtype.Ithasapowerfulfunctionandreliableperformance.Itcanbewidelyusedinvariouscircumstances.Suchas,railwaysystem,thetemperatureofreal-timetestingsystem,thepremisesofthesurveillancesystemandsoon.
Thoughitisawaytoimprovethewatertemperaturecontrolsystem,theintellectualizedwaysofimprovementcanalsobeappliedtoindustrial,waterandthelevelcontroloftheenvironment.Forotherrelatedparameters,italsohasacertainmeaningusing.Therevivificationofthewatercontrolsystemisanintelligentproduct.Toitsowncontrolofhighprecision,stabilityandlowcostoftheadvantages,inthefuturetherewillbeawiderangeofpracticalvalue.What’smore,itsbasedonsinglewaysofimprovementhavewideapplicationmeaning.
Keywords:
singlechip;
waterlevel’sexamination;
watertemperature’sexamination
第一章系统设计方案讨论与选择
1.1引论
随着电子技术的发展，人们生活质量的提高，在现代社会中，水位和温度控制不仅应用在工厂生产方面，也体现到了生活的各个方面。
酒店厂房及家庭生活中都会见到水位和温度控制的影子，水位和温度控制将更好的服务于社会，目前，单片机控制器在从生活工具到工业应用的各个领域，例如生活工具的电梯、工业生产中的现场控制仪表、数控机床等。
特别是随着大规模集成电路的产生，给人们的生活带来了根本性的变化，如果说微型计算机的出现使现代的科学研究得到了质的飞跃，那么可编程控制器的出现则是给现代工业控制测控领域带来了一次新的革命。
尤其是用单片机控制器改造落后的设备具有性价比高、提高设备的使用寿命、提高设备的自动化程度的特点。
现代工业设计、工程建设及日常生活中常常需要用到水位和温度控制，早期水位和温度控制主要应用于工厂中，例如工厂中的大型锅炉，必须实时的掌握锅炉的水位和温度，确保系统的正常运行。
现行的水位和温度控制也已应用于生活当中，如人们日常烧水用的电热水器，当水位到一定限度或温度到达所需值时，它都会给出相应的提示以告诉人们。
因此，水温水位控制在改善人们生活质量中起到了非常重要的作用。
现在市面上的电器种类繁多，它们都需要对其主要的水位和水温参数加以控制，实现电器水温水位控制的自动化。
早期温度和水位的参数控制时通过模拟电路实现的，这种方式不仅电路复杂，成本高，而且误差大，系统的稳定性不好，单片机及微型计算机技术的发展和应用有效地解决了这些缺点，特别是传感器的发展，更好的提高了检测参数的精度。
选择基于单片机的水温水位控制系统，是因为它不仅在人们生活中具有显著的意义，更重要的是能系统地聚温度和水位参数于一身，对于更好的掌握和认识单片机的应用和传感器的应用，系统地深刻认识自动控制的实际应用，掌握复杂的多子系统地设计起到了很强的锻炼作用。
1.2系统设计方案的选择
本系统是为电热水器水温水位控制系统而设计的。
在电热水器温控系统中,水温和水位传感器起着举足轻重的作用。
系统的分析了耐高温电容式液位传感器分别检测水温和水位的原理,以AT89S51单片机为核心,实现对水温和水位、上水测量、显示、报警等功能,并以电磁阀、继电器为阀门开关全自动加热、上水。
整个系统精度高，耐高温性强，易于调整，测试方便。
测试结果表明，误差小于2%，达到设计要求。
方案：
采用单片机控制，结构简单，使用方便，成本低，性能稳定，温度误差只有0.5摄氏度。
1.3系统总体设计方框图
为实现系统的水位水温控制，根据系统的设计功能要求，构造总体方框图如图1-1所示。
图1-1总体系统方案图
单片机的控制电路接+5V的直流电压源，继电器的功率电路接另一个正五伏的直流电压源，当电源接好后，就可以按下系统总电源开关，系统开始运行。
首先系统进行硬件电路开机自检，主要是检查DS18B20工作是否正常，显示器是否正常工作，报警系统是否正常，在此同时TC1602显示器同步显示系统状态，在此过程中用户可以预置水位和水温，接下来开始检测容器中水位，是否低于下限水位，如果低于下限水位则开始自动上水至默认水位1000ml，然后进入水温水位交替显示正常状态，此时用户可通过四个独立式按键进行水温水位设置，按下K4键，系统进入菜单式选择状态，显示器上光标闪烁引导用户进行选择操作，K2、K3键用来选择设置项目，选择按下K1确认键后，开始进入自定义水温或水位设置，设置完成后系统开始自动补偿水温或水位，完成任务后又进入水温水位交替显示正常状态，系统这是会自动检测容器中的水温水位，同时比较水温水位的下限，进行及时的水温水位补偿，如果容器中处于水位低而温度高的状态，系统则会进行加水来降低水温的温控上水的动作，完成后自动进入水温水位交替显示状态。
每一次系统动作都配合听觉和视觉感受，使整个系统实现了人性化设计，方便实用，通俗易懂。
此系统是为多子系统的综合性控制系统，设计过程中也是分块实现设计调试，最后进行综合实现。
1.4水位控制系统的设计方案讨论
此系统要进行水温水位控制，马上想到的是水温水位的两个参数的控制，在温度传感器采用DS18B20之后，对于水位的控制想到要运用水位传感器，而水位的传感器是通过压力传感器变换过来的，最多的是浮球式的液位传感器，而且此传感器的适用温度范围和测试精度也适合该设计系统，但此方案的缺点是价格非常昂贵；
后来又考虑采用应用于电子秤中的数字压力传感器，去测得整个容器中水的变化和容器中液位的换算关系，此想法基于电子秤，它能够测得一张纸的重量，但是在实际应用中，考虑到容器的氧化，容器内部的水垢增多，而且容器的外置也会产生整个容器重量的变化，从而造成液位采集的不准确，此压力传感器的市场价格也比较昂贵，应用于此控制模型中也是一种浪费，因此我自制了八根线将容器中的液位分成了八个水位挡，通过和电源正极的结合，利用水导电的特性，通过9012三极管等元件构成的驱动电路的电平转换，将液位数据输入P2口，通过单片机换算转换成了液位数据存入一个存储器单元，随时读取。
该子系统能进行水位的控制，利用自制的八根导线对水位的信息进行采集，并通过单片机的P2口送入给单片机处理加工，通过显示器显示，共有8个水位挡，从600ml到1300ml，100ml一个挡，可通过按键对水位进行设置，确定后通过驱动继电器启动小型水泵给予加水到自定义的水位同时检测下限水位，反馈水位信息给单片机进行处理并及时调整，使系统的水位保持在一定的范围内。
1.5水温控制系统的设计方案讨论
如果采用热电阻，电路需接A/D转换电路，由单片机换算出实际温度，电路结构复杂，而且也精度不高。
图1-2是DS18B20[4]的结构图，它只有三个引脚，一个数据引脚，另外两个引脚分别是接电源脚和地脚。
它的数据引脚可直接与单片机的1位I/O相接，电路结构简单，占用单片机的资源少，精度高，而且成本低，并且防水。
并且数据线自带的电源可以供电而不需要外部电源，而如图1.2所示的温度传感器外扩了很长的导线更方便测量水位。
所以DS18B20以其各方面优点作为温度传感器进行温度采样应用于此水温水位控制系统中很合适。
图1-2 DS18B20温度传感器（防水）
该子系统利用低功耗单线数字温度传感器DS18B20实现温度采样，将采样的温度值通过单片机的P0.7口送入单片机处理，然后实现水温的控制,利用按键对水温的值进行设置，按确定键后，通过驱动电路驱动继电器启动电热丝对水进行加温，能自动补偿温度到自定义温度，正常状况下显示水温的同时检测下限温度，反馈温度信息并及时调整，使之保持温度在一定范围内的稳定。
1.6数据显示系统的设计方案讨论
为了能构造一个适合的人机界面，在诸多的显示器件中TC1602的液晶字符性显示器非常适合运用于此控制系统当中的，它的功能特性也完全适用于此设计系统的功能要求，也不会造成资源的浪费，所以就确定TC1602作为本此设计系统的显示器件。
为了配合显示器件，就需设置按键，根据系统的功能要求和单片机的口线资源，为系统配制了四个独立式键盘，K1键为确定键，K2和K3键作为光标的移动和数据的增减，K4键作为设置键。
水位水温系统采用TC1602液晶显示起能实时的显示水温水位信息，按键操作时，采用菜单提示性显示，引导用户进行操作，界面分辨率可调，字符清晰。
1.7报警系统的设计方案讨论
作为一个完整的系统，免不了要设置报警装置，处于系统模型化的考虑，采用蜂鸣器和二极管的结合，伴随着系统故障的产生和动作的产生，给予人以视觉和听觉的提示，使之能通过多种方式掌握系统的状态，而且此报警装置也比较经济实惠。
该系统利用蜂鸣器和同步工作的发光二极管实现能给予人视觉和听觉上的系统故障报警和水温水位信息报警，以便及时掌握水温水位控制系统的工作状况，系统自己不能处理的就可以人工辅助处理，这样能让系统更好的运行在稳定状况下。
第二章系统硬件电路设计
2.1单片机最小系统
本设计采用P89V51RD2单片机作为主控制芯片。
P89V51RD2单片机介绍如下：
P89V51RD2是Philips公司生产的一款80C51微控制器，包含64KBFlash和1024字节的数据RAM。
P89V51RD2的典型特性是它的X2方式选项。
利用该特性，设计者可使应用程序以传统的80C51时钟频率（每个机器周期包含12个时钟）或X2方式（每个机器周期包含6个时钟）的时钟频率运行，选择X2方式可在相同时钟频率下获得2倍的吞吐量。
从该特性获益的另一种方法是将时钟频率减半来保持特性不变，这样可以极大地降低EMI。
Flash程序存储器支持并行和串行在系统编程（ISP），ISP允许在软件控制下对成品中的器件进行重复编程。
应用固件的产生/更新能力实现了ISP的大范围应用。
5V的工作电压，操作频率为0～40MHz。
P89V51RD2单片机最小系统框图如图2-1所示。
2-1单片机最小系统框图
单片机
它由CPU、存储器（包括RAM和ROM）、I/O接口、定时/计数器、中断控制功能等均集成在一块芯片上，片内各功能通过内部总线相互连接起来。
图2-2为AT89C52的引脚图[7]。
图2-2单片机引脚图
输入/输出引脚P0、P1、P2、P3的功能介绍：
1.P0口（P0.0-P0.7）：
P0口是一个8位漏极开路型双向I/O端口。
在访问片外存储器时，它分时作低8位地址和8位双向数据总线用。
在EPROM编程时，由P0输入指令字节，而在验证程序时，则输出指令字节。
验证程序时，要求外接上拉电阻。
P0能以吸收电流的方式驱动8个LSTTL负载。
在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。
2.P1口（P1.0-P1.7（1-8脚））:
P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。
在EPROM编程和验证程序时，由它输入低8位地址。
P1能驱动4个LSTTL负载。
在AT89C52中，P1.0还相当于专用功能端T2，即定时器的计数触发输入端；
P1.1还相当于专用功能端T2EX，即定时器T2的外部控制端。
Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。
3.P2口（P2.0-P2.7（21-28脚））：
P2也是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平。
在访问外部存储器时，由它输出高8位地址。
在对EPROM
编程和程序验证时，由它输入高8位地址。
P2驱动4个LSTTL负载。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@RI指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器SFR区中R2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。
Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号。
4.P3口（P3.0-P3.7（10-17脚））：
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。
此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。
P3口除了作为一般的I/O口线外，P3口还接收一些用于Flash闪速存储器和程序校验的控制信号，重要的用途是的第二功能，如表2.1。
表2.1AT89C52的P3口特殊功能
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（定时/计数器0外部输入）
P3.5
T1（定时/计数器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）
2.1.1时钟电路
时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。
在MCS-51芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2，在芯片的外部跨接晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路，就构成了一个稳定的自激振荡器。
此电路采用6MHz的石英晶体。
时钟电路如下图2-3。
图2-3时钟电路
2.1.2复位电路
复位是单片机的初始化操作。
除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误是系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需要按复位键以重新启动。
RST引脚是单片机复位信号的输入端，复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期（即2个机器周期）以上，若使用频率为12MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过4μs才能完成复位操作。
复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式。
上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。
按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的。
在本设计中采用了按键电平复位方式，其复位电路如下图2-4：
图2-4复位电路
2.1.3串行下载口电路
为了将软件程序下载到单片机中，必须为之设计一种串行接口电路，在此电路中采用MAX232芯片，MAX232片内含有一个电容性发生器以便在5V电源供电时提供EIA/TIA-232-E电平。
每个接收器将EIA/TIA-232-E电平输入转为5VTTL/COMS输入电平转换为EIA/TIA-232-E电平。
2.1.4串行通信接口电路图
在串行接口电路设计中MAX232主要用于数据的串行通讯，对电子钟程序的下载调试。
应用结构图如图2-5所示：
图2-5MAX232应用结构图
2.2显示系统设计
2.2.1TC1602A简介
该系统的显示部分采用TC1602字符液晶显示器，TC1602A是一种16字×
2行的字符型液晶显示模块，其显示面积为64.5×
13.8mm2，TC1602A的引脚排列如图2-6所示：
图2-6TC1602A的引脚排列
它有16个引脚可与外界相连。
其中：
“1”脚Vss：
接地；
“2”脚Vdd：
接＋5V电源；
“3”脚VO：
对比度调整端，LCD驱动电压范围为Vdd～VO。
当VO接地时，对比度最强；
“4”脚RS：
寄存器选择端RS为0，选择命令寄存器IR；
RS为1，选择数据寄存器DR；
“5”脚R/W：
读写控制端，R/W为1，选择读出；
R/W为0时，则选择写入；
“6”脚E[Enable]：
使能控制端，E为1时，使能；
E为0，禁止；
“7”脚～14脚D0～D7：
数据总线；
“15”脚LED＋：
背景光源，接＋5V；
“16”脚LED－：
背景光源，接地。
其指令系统：
TC1602A内有2个寄存器：
一个是命令寄存器，另一个是数据寄存器。
所有对TC1602A的操作必须先写命令字，再写数据。
指令系统如表2.2：
表2.2指令系统
控制信号
指令代码
功能
RS
R/W
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
1
清屏
*
软复位
I/D
S
内部方式设置
D
C
B
显示开关控制
S/C
R/L
位移控制
DL
N
F
系统方式设置
ACG
CGRAM地址设置
ADD
显示地址设置
BF
AC
忙状态检查
写数据
MCU—LCD
读数据
LCD—MCU
10000000（080H）为第一行显示起始地址，即为第一行第1列，081H~08FH为第2列到第15列
11000000（0C0H）为第二行显示起始地址，即为第二行第1列，0C1H~0CFH为第2列到第15列
此指令设置DDRAM地址指针的值，此后就可以将要显示的数据写入到DDRAM中。
在HD44780控制器中由于内嵌有大量的常用字符，这些字符都集成在CGROM中，当要显示这此点阵字符时，只需把该字符所对应的字符代码送给指定的DDRAM中即可。
2.2.2LCD1602与单片机的连接图
图2-7LCD1602与单片机的连接图
2.3水位检测系统设计
水位检测是充分运用了水的导电性，八根导线等份依次排列在容器中，作为检测水位用，从最底下的一根开始，即换成水位为600ml开始，100ml一个水位挡，直到最上面的一根导线，即1300ml为止，在容器的最底部放了一根5V电源的正极导线，当电源通电后，随着水位的变化，水将淹没一些导线，这时候这些导线将会和电源正极连通，如果通过驱动电路将其电平进行转换，进入单片机的将会是对应于水位的数据信号。
其水位于数据信号的对应关系如表2.3所示：
表2.3水位于数据信号的对应
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