基于MCS51单片机的液位控制电路设计.docx

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基于MCS51单片机的液位控制电路设计

毕业设计（论文）

课题（论文）名称：

基于MCS-51单片机的液位控制电路设计

题目：

基于MCS-51单片机的液位控制电路设计

摘要：

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。

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，通过液位传感器来检测水位的高度，通过键盘来设置水位的高度，并能控制电路来自动调节液位的高度，并可由LCD显示实际水位与检测的水位高度，其分辨率小于1cm，并具有一定的水位报警功能。

因此，比较适合应用于一般的液位控制，如自来水厂蓄水槽、污水处理厂的污水槽、大坝的警戒水位等都需要液位检测装置来检测液位。

关键词：

单片机水位检测智能化控制

前言

在人类文明高度发达的今天，人民对信息的提取、处理、传输及综合利用越来越迫切，单片机作为现代电子技术，计算机技术的新兴领域，以单片机为代表的嵌入式系统的出现标志着现代电子系统时代的到来。

目前，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。

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，因此，液位控制也成为一般工业界所不可缺少的，如自来水厂蓄水槽、大坝的警戒水位检测等都需要液位控制来检测液位。

而从价格、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，价格低廉，系统结构简单，处理功能强，易于控制等优点，因此我们选用MCS-51单片机为基础的液位控制系统，通过适当的组合，可以提供各种液位检测对象，如污水处理厂的污水槽、大坝的警戒水位等，针对该液位控制试验装置，采用单片机编程技术设计开发了液位控制系统的软件平台。

但是,采用MCS-51单片机控制在远距离控制、近距离的抗电磁干扰方面受到一定的限制，因此，在研究此课题时要对部分电路加以强化，以确保其正常的工作。

方案论证

方案一

为了完成液位检测设计的各种功能，将整个电路分为三个部分：

数控部分、电路检测部分和控制驱动电路部分。

框架如下图所示。

方案原理方框图

（1）数控电路部分

主要有数字电路部分构成，它要完成键盘控制，预置按键开关输入控制、LCD显示控制、及水泵电机工作时，无水泵出或水管液位不变化时报警等功能。

由于数控部分功能较多，选用了INTEL公司的8位单片机AT89C51，与INTEL公司的8096系列相比，AT89C51具有明显的价格优势，而且能够满足数控部分的需要。

数控部分的核心是一个AT89C51的最小应用系统、包括一片AT89C51芯片和一片A/D0809芯片。

采用3个按键分别作为输入控制，用AT89C51的P2.3、P2.4、P2.5口完成键盘输入。

当检测到有键盘输入就产生一个中断，而键盘的去抖动通过CPU用软件实现。

利用液位传感器检测，然后转换成对应的电压送到单片机进行液位高度的判断，在输出对应的液位高度值由LCD显示。

（2）液位测试部分

首先要将WMY型液位变送器测得的液位模拟量变为数字量。

然后送入单片机进行相应的处理，模数转换的部分采用AD0809芯片。

该芯片的输入量为0—5V的电压量。

因此需先将WMY型液位变送器的输出电流信号转换为对应的电压信号。

即在芯片采集信号端加入—个250欧的转换电阻，将电流转换为1～5V的电压值。

该电压值在ADC0809的输入范围内。

其原理图如下：

液位检测、报警系统原理图

（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等。

其原理图如下：

控制驱动电路图

方案二

LC采用的是循环扫描的工作方式，通过自诊断，通信处理，扫描输入，刷新输出这五个工作过程来完成一个周期。

但是，利用PLC控制价格比较昂贵,需要的其他硬件较多，给安装方面带来不便，且占用空间大。

方案三

该方案的控制电路由检测、控制及执行机构组成。

其工作原理如下图示，CW140为三端固定稳压集成块（输入电路略）；两只PTC热敏电阻（RT1、RT2）与R1、R2组成桥式液位检测电路；TWH8778电子开关与继电器K组成控制电路；由光电耦合器4N25提供触发信号；K的触点JK与电磁阀组成执行电路。

在正常情况下，RT1、RT2均处于液体中，电桥平衡Uab为零，于是4N25截止，TWH8778及K不动作，触点JK常开，DF-1关闭。

当液位下降到使RT1露出液面时，PTC热敏电阻阻值迅速增大，于是电桥失去平衡，4N25导通，并触发⑤使TWH8778导通，K得电吸合JK，DF-1开启向储液罐补充液体。

当液位上升到使RT1浸入液体时，其阻值迅速减小，电桥自动平衡，4N25截止，K失电释放JK,DF-1关闭，停止输入液体。

其原理图如下:

方案三原理图

方案比较

这三种方案均是可行的。

方案一原理直观，且价格低廉，集成度高，处理功能强，可靠性高，系统结构简单，便于操作且稳定性高和抗干扰能力强等优点。

方案二的可靠性高，在功能上可进行开关逻辑控制、闭环过程控制、位置控制、数据采集及监控、多PLC分布式控制等功能，在编程手段上，直观、简单方便，易于各行业工程技术人员掌握。

同时在改变控制要求时，只要改变程序梯形图就可以满足要求。

但是利用PLC控制价格昂贵，且需要的其他硬件较多，且在安装方面带来不便，占用空间大。

方案三原理简单,且易于控制,但是检测误差大,且只能检测某一设定液位,不便于自动化控制等,综合以上方案比较，方案一具有明显的优势，因此采用方案一为本次液位控制的最佳方案。

硬件设计

方案的系统原理图如下：

1、数控部分

主要由数字电路构成，它要完成键盘控制、预制按键开关输入控制、A/D转换输出、LCD显示控制、液位报警等功能，选用AT89C51最小系统，如下图所示：

89C51的基本系统原理

（1）电路最小系统

此最小系统应包括一片89C51CPU芯片,一片AD0809芯片。

其具体如下：

①AT89C51是一种低功耗、高性能的片内含有4KB快闪可编程/擦除只读存储器的8位CMOS微控制器,主要性能：

1、片内有4KB可在线重复编程的快闪擦写存储器。

2、宽工作电压范围：

Vcc可为2.7V到6V。

3、128*8位内部RAM。

4、两个16位定时器/计数器。

5、中断结构具有5个中断源和2个优先级。

6、空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容。

如下图所示：

AT89C51芯片图

AD0809原理、事物图

（2）键盘控制电路

采用三个按键控制电路的增减及预制数字。

方案采用独立键盘式与单片机相连分别以S1、S2、S3键与单片机进行数据的交换，如下图所示。

键盘显示电路

（3）显示电路部分

显示模块采用LCD1602液晶显示，它是一个独立的显示模块，分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，其背光在应用无差别LCD1602主要技术参数：

显示容量：

16×2个字符；芯片工作电压：

4.5-5.5V；工作电流：

2.0mA（5.0v）；模块最佳工作电压：

5.0v。

如图示：

LCD1602结构图

2、液位测试部分

容器上的WMY型液位变送器的输出为4—20mA模拟信号，首先要将传感器测得的液位模拟量变为数字量。

然后送入单片机进行相应的处理，模数转换的部分采用ADC0809芯片。

该芯片的输入量为0—5V的电压量。

因此需先将液位变送器的输出电流信号转换为电压信号。

即在芯片采集信号端加入—个250欧的转换电阻，将电流转换为1～5V的电压值。

该电压值在ADC0809的输入范围内。

这里用AT89C51的P3．7口作为A／D转换的启动信号，其原理图如下：

液位检测、报警系统原理图

3、控制驱动电路部分

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。

控制驱动电路原理图

4、电路板的制作

（1）原理图的绘制

利用Protel99SE软件来进行原理图的绘制,先将原理图做出,然后将其转化成相应的PCB图,在绘制过程中要注意当铜箔厚度为0.05mm、宽度为1~1.5mm时，通过2A的电流，温度不会高于3℃，因此导线宽度为1.5mm（60mil）可满足要求。

对于集成电路，尤其是数字电路，通常选0.02~0.3mm（0.8~12mil）导线宽度。

当然，只要允许，还是尽可能用宽线．尤其是电源线和地线。

导线的最小间距主要由最坏情况下的线间绝缘电阻和击穿电压决定。

对于集成电路，尤其是数字电路，只要工艺允许，可使间距至5~8mm。

②印制导线拐弯处一般取圆弧形，而直角或夹角在高频电路中会影响电气性能。

此外，尽量避免使用大面积铜箔，否则．长时间受热时，易发生铜箔膨胀

和脱落现象。

必须用大面积铜箔时，最好用栅格状.这样有利于排除铜箔与基板间粘合剂受热产生的挥发性气体。

③焊盘：

焊盘中心孔要比器件引线直径稍大一些。

焊盘太大易形成虚焊。

焊盘外径D一般不小于（d+1.2）mm，其中d为引线孔径。

对高密度的数字电路，焊盘最小直径可取（d+1.0）mm。

（2）PCB板图设计

印刷电路板（简称PCB）,它是以一定尺寸的绝缘板为基材,以铜箔为导线,经特定工艺加工,用一层或若干层导电图形以及布置好的孔来实现元件间的电气连接,它就像在纸上印刷上去似的,故得名印刷电路板或称印刷线路板。

一般电源、地线一般可选1mm宽度,使电源、地线宽度尽量大些。

其PCB图如下：

PCB印制板图

（3）元件清单

晶振12MHz

极性电容

无极性电容30PF

螺丝刀

2

发光二极管

11个

NPN三极管

5

LCD显示器

1个

排阻9脚

4

1个

插针9脚

10K电阻

A/D0809集成块

继电器

4个

1K电阻

接触器

2个

74LS74集成块

电磁阀

1个

74LS02集成块

电动机

1台

滑动电阻

蜂鸣器

510欧电阻

光耦

4

5、抗干扰、远程控制方面措施

（1）在做电路时尽量是铜膜线的拐弯处应为圆角或斜角（因为高频时直角或者尖角的拐弯会影响电气性能），双面板两面的导线应互相垂直、斜交或者弯曲走线，尽量避免平行走线，以减小寄生耦合。

（2）电源的干扰及抑制。

直流电路与交流电路的电路不能在同一电路板上。

（3）磁场干扰抑制。

弱信号线要短；区分强弱信号线，且弱信号线要与其它线平行，若实在绕不开时，要在强、弱信号线中间夹一地线。

（4）热干扰抑制。

敏感元件要远离热源（晶体管），易发热要注意散热。

（5）在远程控制时，先要将单片机（接收终端）输出的模拟量转化为数字量来进行传输，然后再在接收终端（单片机）再将数字量转化为模拟量等来进行控制。

这样可以有效地减少传输过程中的干扰。

（1）分析题意，确定算法或算法思想。

算法是指解决问题的方法和步骤。

比如现有的一些计算方法和日常生活中解决问题的逻辑思维推理方法等。

（2）根据算法画出流程图，简单的情况也可不画。

画出描述算法的流程图，可以首先从图上检验算法的正确性，减少出错的可能，使得动手编写程序时的思路更加清晰。

其流程图如下：

软件流程图

（3）分配存储空间和工作单元，合理地使用寄存器。

分配存储空间和工作单元，是指存储空间的分段和数据定义。

另外，由于寄存器的数量有限，编写程序时经常会感到寄存器不够用。

因此，对于字节数据，要尽量使用8位寄存器。

而采用适当的寻址方式，也会达到节省寄存器的目的。

（4）根据流程图编写程序。

　　这是编制汇编语言程序最为重要的一步。

可以参照流程图按照一般的汇编步骤进行，即定义，程序开始，程序初始化，主程序，中断程序，子程序，程序结束等。

其详细程序见附录。

（5）上机调试运行程序。

通过汇编的源程序，只能说明它里面不存在语法错误。

但是它是否能达到算法所要求的预期效果，还必须经过上机调试，软件的仿真，用一些实验数据来测试，才能够真正地得出结论。

软件仿真部分

1、仿真软件的应用

对于汇编语言可用伟福、Keil软件来仿真测试,下面对Keil软件的应用过程做一个详细的了解。

（1）建立一个新工程。

（2）然后选择要保存的路径，输入工程文件名字，比如保存到MCS51目录里，工程文件名字为text,然后保存。

（3）选择所用的单片机AT89C51。

（4）单击文件菜单，在下拉菜单中单击“新建”选项。

其中文件的扩展名应改为.ASM，然后保存。

（5）在编辑界面，单击“Target1”前面的“+”号，然后在“SourceGroup1”上单击右键即可。

（6）写入源程序，单击“P工程”菜单，再在下拉菜单中单击“B构造目标”，开始编译源程序，构造目标。

（7）编译成功后，开始对程序进行调试。

（8）单击“P工程”菜单，在下拉菜单中单击“目标Target1属性”,对所需属性进行相应的修改后即可对程序进行编译。

2、软件仿真的测试

用“双龙”软件对所编写程序进行仿真测试。

其仿真测试图如下：

电路测试仿真图

调试测试部分

有无断路和短路现象；检查元件是否安装正确，有无损坏；；检查电源系统等，然后2、系统功能测试

（1）测试在10cm—40cm范围内任务设定水箱的上、下水位，当水箱的水位下降到设定水位时，水泵电机可自动起动运转工作，给水箱补水；当水箱的水位上升到设定水位高度时，水泵电机可自动停止工作，停止供水。

（2）测试在设定报警的液位上下限值，当水管水位降到或升到设定的报警水位时，能发出声光报警，同时能起动水泵和排水阀进行自动调节。

（3）测试用LCD显示器件显示水位高度，分辨率≤1cm。

（4）测试当水泵电机工作时如果无水泵出或水管液位不变化报警。

3、系统指标测试

（1）系统静态测试

测量仪器为直尺。

其测量数据如下所示：

1

2

3

4

5

预制高度/cm（LCD显示）

30.6

29.5

31.8

33.4

31.3

实测高度

/cm（直尺显示）

30.5

29.7

31.7

32.9

31.1

误差/cm

0.1

0.2

0.1

0.5

0.2

（2）系统测量仪器为直尺。

其测量数据如下所示：

实测

设置

误差

上限水位高度/cm（直尺显示）

37.5

38

36.8

35

1.8~3

下限水位高度/cm（直尺显示）

27.8

27.5

27

30

2.2~3

从电路原理上看系统的误差主要来源有以下几个方面:

（1）水管积水及读数时产生的误差，此误差不可避免；

（2）液位传感器的精度不高，可以选择精度高的传感器来减少此类误差；

（3）8位A/D转换器的附加量化误差；

（4）有电路引起的误差，如精密电阻的转化精度不高等，此误差在电路的设计时应尽量避免；

（5）电路的采样刷新效率不高，造成的延时读数误差。

此误差应在电路的软件部分加以修改，如电路的延时等。

通过以上的测试分析可以看出此次电路的设计除系统动态测试指标及声光报警功能外，基本上实现了电路的功能，达到了设计的预计目标，但是电路的相对误差还有待改进，需要对电路的部分电路进行修改，对一些精密电阻、电容、芯片及软件延部分等需要进一步的改进，并对周围电路进行改进，尽可能的是系统误差减小到最低值。

蓦然回首，才发现两个月的毕业设计就要结束了，在此期间，有渴望、有追求、有成功也有失败，我孜孜不倦，不断地挑战自我，充实自己，为此次的毕业设计圆满完成打下坚定的基础。

在这次的毕业设计过程中我收获了很多东西。

材料的收集，电路的制作，程序的编写、调试，尤其是毕业论文的设计步骤等都是在这次电路的制作过程中所学习到的。

其中还学习到了我们在课本上学习不到的内容，比如团队的合作，这次毕业论文的设计成功很大一部分基于团队的合作上才能完成的。

电路材料的收集，电路的确定，论文的写作讨论等都是团队合作的缩影。

当然，在电路的设计方面我们遇到了很多困难，比如在软件的设计，程序的调试等方面都是这次设计的最大障碍，但是在老师、同学的共同努力下，我们还是克服了这些的问题，同时也为我们以后的电子产品方面提供了一些好的方法，思路以及在电路制作，软件的编写，论文的写作时要注意的有关事项等。

这些困难都是电路设计时所常见的问题，这次问题的解决也为我们以后的学习，作了一个很好的经验基础。

虽然毕业论文的写作完成了，但是工作的道路是漫长的，在以后的工作学习中，还需要我们继续努力，不断挑战自我，完善自我。

这次毕业设计的成功还要感谢在我背后默默支持、鼓励我的寝室舍友们，使他们的鼓励换来了我这次毕业设计的初步成功。

因此，让我们再一次的对他们说声“谢谢”！

〔1〕汪德彪MCS-51单片机原理及接口技术电子工业出版社2007.8

〔2〕吴尚庆MCS-51单片机实验指导书电子系过程自动化教研室2008.1

〔3〕李朝青单片机原理与接口技术.北京航空航天大学出版社1999

〔4〕高吉祥模拟电子技术（第二版）电子工业出版社2005.2

〔5〕张陪仁MCS-51单片机原理与应用清华大学出版社2003

〔6〕高吉祥数字电子技术电子工业出版社2004

〔7〕何桥单片机原理及应用中国铁道出版社2005.9

〔8〕及力Protel99SE原理图与PCB设计教程电子工业出版社2007.7

〔9〕李佰成基于MCS-51单片机的嵌入式系统设计北京电子工业出版社2007

〔10〕高吉祥全国大学生电子设计竞赛培训系列教程电子工业出版社2007.6

附录

COMEQU20H;指令寄存器

DATEQU21H;数据寄存器

LCD_PORTEQUP0

HD_LCD_RSEQUP2.0

HD_LCD_RWEQUP2.1

HD_LCD_EEQUP2.2

LCD_0EQU30H;LCD程序用

LCD_1EQU31H;LCD程序用

LCD_2EQU32H

LCD_3EQU33H

LCD_4EQU34H

LCD_5EQU35H

LCD_6EQU36H

LCD_7EQU37H

LCD_8EQU38H

LCD_9EQU39H

LCD_AEQU3AH

LCD_BEQU3BH

LCD_CEQU3CH

LCD_DEQU3DH

LCD_EEQU3EH

LCD_FEQU3FH

LCD_10EQU40H;LCD程序用

LCD_11EQU41H;LCD程序用

LCD_12EQU42H

LCD_13EQU43H

LCD_14EQU44H

LCD_15EQU45H

LCD_16EQU46H

LCD_17EQU47H

LCD_18EQU48H

LCD_19EQU49H

LCD_1AEQU4AH

LCD_1BEQU4BH

LCD_1CEQU4CH

LCD_1DEQU4DH

LCD_1EEQU4EH

LCD_1FEQU4FH

ADCEQU51H;AD转换用

GZSXEQU52H;工作上限键盘值

GZXXEQU53H;工作下限键盘值

PUSHDATAEQU54H;选择键用

CHU1EQU55H;小数子程用

CHU2EQU56H;小数子程用

STBITP3.0;AD启动

EOCBITP3.1;AD转换结束信号

XZ_K0BITP2.3;键盘控制的定义

ZY_K1BITP2.4;键盘控制的定义

JY_K2BITP2.5;键盘控制的定义

J1BITP2.6

J2BITP2.7

J3BITP3.2

J4BITP3.3

WarnningBITP3.4

K0_FLAGBIT38H;键盘控制的定义

K1_FLAGBIT39H;键盘控制的定义

K2_FLAGBIT3AH;键盘控制的定义

SJX_FLAGBIT3BH;极限上

XJX_FLAGBIT3CH;极限下

GZS_FLAGBIT3DH;工作上限

GZX_FLAGBIT3fH;工作下限

J1_FLAGBIT40H

J2_FLAGBIT41H

J3_FLAGBIT42H

J4_FLAGBIT43H

Warnning_FLAGBIT44H;报警标志

ORG00H

START:

CLREA

MOVSP,#70H

CLRJ1

CLRJ2

CLRJ3

CLRJ4

CLRWarnning

MOVPUSHDATA,#00H

MOVLCD_PORT,#0FFH;LCD初始化

LCALLINT;LCD初始化

MOVLCD_0,#10H;G值

MOVLCD_1,#23H;Z值

MOVLCD_2,#1CH;S

MOVLCD_3,#3EH;:

MOVLCD_6,#26H;c

MOVLCD_7,#30H;m

MOVLCD_8,#10H;G

MOVLCD_9,#23H;Z

MOVLCD_A,#21H;X

MOVLCD_B,#3EH;:

MOVLCD_E,#26H;c

MOVLCD_F,#30H;m

MOVLCD_10,#3FH;空格

MOVLCD_11,#3FH;空格

MOVLCD_12,#3FH;空格

MOVLCD_13,#22H;Y

MOVLCD_14,#20H;W

MOVLCD_15,#10H;G

MOVLCD_16,#0DH;D

MOVLCD_17,#3EH;:

MOVLCD_1A,#40H;.

MOVLCD_1C,#26H;c

MOVLCD_1D,#30H;m

MOVLCD_1E,#3FH;空格

MOVLCD_1F,#3FH;空格

MOVGZSX,#40

MOVGZXX,#10

MOVADC,#00H

LCALLSEPR1;液位显示分解

LCALLGZSXSEPR;工作上限分解

LCALLGZXXSEPR;工作下限分解

MOVCOM,#80H;LCD的开始

LCALLLCD_W_CMD

MOVDPTR,#TAB

MOVR2,#16;设置循环变量初值

MOVR1,#30H

WRIN10:

MOVA,@R1

MOVCA,@A+DPTR

MOVD