大学本科毕业设计基于单片机和超声波模块的智能水位控制系统.docx

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大学本科毕业设计基于单片机和超声波模块的智能水位控制系统

郑州大学西亚斯国际学院

本科毕业论文（设计）

题目水位控制系统

指导教师职称

学生姓名学号

专业电子信息工程班级

院（系）电子信息工程学院

完成时间2011年4月23日

水位控制系统

摘要

本文采用AT89C52单片机系统实现了水塔水位的自动控制，设计出一种低成本、高实用价值的水塔水位控制器。

该系统具有水位检测、水位高度LCD显示、低水位高水位报警以及自动加水等功能。

本设计过程中主要采用了传感技术、单片机技术、光报警技术以及弱电控制强电的技术。

本设计传感器使用了超声波模块，并且详细阐述了超声波测距测的原理，给出了系统构成框图。

此系统具有易控制、工作可靠、测量精度高的优点，可实时监控液位。

并采用52单片机系统控制整个电路的信号处理以及采用光电耦合和继电器来实现弱电控制强电来实现加水系统的自动控制。

它能自动完成水位检测、光报警、上水停水的全部工作循环，保证液面高度始终处于较理想的范围内，它结构简单，制造成本低，灵敏度高，节约能源显著，是用于各种高层液体储存的理想设备。

关键词单片机/超声波模块/自动监测/LCD液晶/自动控制

WaterLevelControlSystem

ABSTRACT

AT89C52microcontrollersystemusingcoolingtowerstoachievethelevelofautomation,designalowcostandhighpracticalvalueofthewatertowerwaterlevelcontroller.Thesystemhasthewaterleveldetection,lowwaterhighwaterlevelalarmandautomaticfunctionssuchasaddingwater.Thedesignprocessmainlyusesthesensortechnology,singlechiptechnology,opticaltechnologyandtheweakcontrolthestrongpolicepowertechnology.Detectionsystemusingsimplesystemfordetectionofcopperneedles,resultinginthelowandhighsensitivity.52SCMsystemcontrolbyusingthecircuitofsignalprocessingandtheuseofopticalcouplingandweakcontrolrelaystoachievestrongpowertorealizeautomaticcontrolofwatersystems.

Itcanautomaticallydetectthewaterlevel,lightalarm,SheungShui,alltheworkwithoutwatercycle,toensurebettersurfaceheightisalwayswithinthecontextofitsstructuresimple,lowcost,highsensitivity,significantenergyisusedinvariouskindofidealequipmentforhigh-levelliquidstorage.

KEYWORDSSCM,UltrasonicModule,Automaticmonitoring,LCD,CircuitControl

1绪论

1.1研究现状

在许多工业生产系统中，需要对系统的液位或物料位进行监测，特别是对具有腐蚀性的液体液位的测量，传统的电极法是采用差位分布电极，通过给电脉冲来检测液面，电极长期浸泡在液体中，极易被腐蚀、电解、失去灵敏性，因而对测试设备的抗腐蚀性要求较高。

超声波液位检测系统，利用了超声波传感技术的原理，采取一种非接触式的测量方法，能够实现对工业系统中液位或物料位的检测；而且超声波具有很好的指向性和束射特性，人耳听不见，一般不会对人体造成伤害检测工程方便、迅速、易做到实时控制，而且测量精度又能达到工业实用的要求，所以有广泛的工业应用前景[1]。

并且目前，我国住宅小区楼房自来水供水系统主要采用高塔供水，既在楼顶或者另外建设的高塔上面建个蓄水池以保证用户水压的恒定。

目前大多数的住宅小区都是采用人工加水的办法，即当水用完的时候，就人工开启水泵进行加水，十分不便。

所以这一切问题的存在，都在呼唤一种简单经济的高塔水位检测报警控制系统的诞生。

传统的控制方式存在控制精度低、能耗大的缺点,而自动控制原理,依据用水量的变化自动调节系统的运行参数,保持水压恒定以满足用水要求,从而提高了供水系统的质量。

而且成本低，安装方便，经过多次实验证明，灵敏性好，是节约水源，方便家庭和单位控制水塔水位的理想装置。

1.2液位测量技术概况

液位传感器是指检测液体高度信息的仪器，液位测量技术在工程领域有着极为广泛的应用。

在一般的生产工艺加工过程中，通常只需要对物料的表面位置进行记录和储存，以作为确保生产工艺、安全等方面的需要。

随着生产自动化程度的不断提高，必须首先对液位测量数据进行控制与调节，以保证自动化生产能够自动控制在最佳状态。

在现代化的企业生产过程中，采用计算机控制系统对生产进行各种综合控制与管理的普及，控制系统的智能化、统一化，要求测量的对象要广、测量的精度要高、可靠性要好、实用性要强、且适用于特殊测量环境等，这些对液位测量技术也提出了更高的要求。

尤其是当液面具有波动和存在气泡，或液面高度随时间改变的动态测量，或被测介质具有粘滞性、导电性，或需要考虑容器的密封性以及介质是否含有腐蚀物、毒性和易爆性等情况下，选择合适的液位测量技术就显得尤为重要[2]。

目前国内外工业生产中普遍采用的液位测量方法有19种以上，主要有以下几大类:

1.2.1机械浮子类液位计

测量原理是利用传动装置把与液位同高度的浮子高度信息转换成脉冲信号或连续信号，转换器是一些机械舌簧、磁铁、电子或光电设备。

此类液位计可以进行连续测量，其问题是积聚在传动机械臂上的污物（如水垢沉积）会限制浮子运动，从而产生故障。

1.2.2电子类液位传感器

测量原理是把液位的变化转化为电气参数的变化，利用一定的测量电路将电参数检测出来，从而达到测量液位的目的。

其中最常用且最成熟的是电容式液位传感器。

电容式液位计它是利用空气和液体作电容器两极极板间的电介质，将液位变化转换成静电电容变化，用电子学方法测量电容值，从而探测液体高度信息。

它结构简单，精度较高，而且量程广，适合于测量各种介质（导电介质、非导电介质）的液位，但是要求液体具有相同、稳定的介电常数，需要有温度的补偿。

尤其用长电缆连接时，对电缆中的干扰和寄生电容很敏感，精度较差，且对导电介质或粘性介质，误差较大、易受干扰，严重影响测量结果。

电阻式液位计探测器在空气中的阻值要比它浸在液体中的阻值大得多，通过电子学方法测量液体容器底部与顶部之间的电阻，从中可探知液位信息。

其测量精度受液体污染情况的影响较大，探针的污染和沉积物，会导致错误的输出，在直流工作时会产生电解，响应速度慢。

1.2.3热学式液位计

由热敏电阻发出的信号可用来指示这类元件是否浸在液体中。

它结构小，适用于圆筒容器、玻璃柱、管道等，但这种方法仅能进行点测量，而不能用于液位的连续测量。

1.2.4．雷达液位传感器

雷达传感器就是利用发射一反射一接收的原理来测量距离的，因此可用于有毒、有害的恶劣环境下。

雷达液位传感器的传输信号是一种特殊形式.的电磁波，其物理特性与可见光相似。

雷达信号是否可以被反射取决于被测介质的导电性和被测介质的介电常数两个因素。

所有导电介质都能很好地反射雷达信号，导电性不太好的介质也能被很准确地测量。

雷达波不易受干扰，巨能穿透塑料容器或玻璃容器进行测量，无需在容器上开孔，能实现非接触测量，即使在飞灰、粉尘强烈并有很强旋涡的环境下也能进行准确测量。

然而雷达传感器的测量信号运行时间极短，这给信号分析处理提出了极高的要求，造成它的价格昂贵、技术实施困难。

1.2.5超声波液位传感器

超声波液位传感器发展很快、应用也很广泛，常用于测量明渠液位及开口容器内液位。

由超声换能器发射的超声脉冲经空气在被测介质上反射，再返回接收换能器，测量该超声脉冲往返时间，就能得到超声换能器辐射面到被测液面的距离。

根据换能器安装高度，就能得出液位高度。

1.2.6同位素/放射性液位传感器

它是利用放射性同位素射线（如a射线、p射线、Y射线）的穿透和反射能力，当a射线、p射线、Y射线到达被测液体时，通过检测其透射或反射射线信号的强度来达到测量液位的目的。

射线的强度会随液位的高度变化而变化，在放射线辐射源与检测器之间有吸收物质时，检测器的输出与液位的高度有关，通过对被测物质吸收能量大小的检测，再经过信号转换，即可得出被测液位的高度。

由于放射性射线本身的特点所决定，它可以用于腐蚀性、有毒性、大粘性和易燃易爆的场合。

而且介质对丫射线的吸收只与介质密度有关，因此它可以测量不同密度的液体分界面、气体与固体或液体与固体的分界面。

但射线易受到衰减，检测信息的能量易于损失，测量精确度不理想，有辐射作用，对人体有害等。

1.2.7液压类液位计

此类液位计可以进行连续测量。

气泡式液位计将被测液位值转换为空气压力值，测定该压力值后，利用该被测压力与液位高度成正比的原理测量液位。

压力式传感器它是利用液面高度变化时容器底部或侧面某点上的压力也随之而变化的原理来设计的。

在测量开放的容器时，大多采用直接测量底部某点压力来测量。

这类液位传感器的精度主要受到压力表精度的限制，同时还要求被测液体的密度是已知的，而且要求液体的密度要恒定不变。

1.2.8光学液位计

光学液位计主要是光纤液位传感器，它结合了光纤作为敏感器件的优点，尤其是在复杂的应用场合，测量现场全光无电，安全性能好，同时调制方法多种多样，是一种新型的液位传感器[3]。

光学液位计，它利用浮子的磁耦合原理来设计，经光码盘对光纤的检测，再经由放大整形电路，以及光电转换来形成规则的脉冲信号，最后由单片机来实现液位显示。

本文主要采用这个方案来设计。

此方案设计比较简单，测量精度比较高，也非常适合目前我国的生产力状况。

1.3国内外液位传感器的现状

对于液位测量传感器的研究，国外的液位测量技术起步较早且投入资金雄厚，发展非常迅速。

到目前为止国外许多公司都研制出很多功能齐全、自动化智能程度高、精度高的测量体系与产品系列。

如美国DREXELBROOK公司研制的UniversallIITM连续液位变送器（其精度可达0.1，量程最大15米，4-20mA电流输出，上下限位报警，叠加智能通讯协议HART,Honeywell等）。

美国Milltronics公司研制的多量程超声波液位监测系统具有测量液位、液位差的能力，其采用的非接触式超声波传感器，可监视30cm到14m范围的液位变化。

典型的产品还有美国Foxboro公司、Texas仪器公司、Varec公司、Rosemount公司以及Moore公司生产的HTG静压式计量系统，所用传感单元是高精度的压力变送器，将其放在油罐的底部，通过检测液体的压力获得其它参数的信息。

还有其它国家和公司研制的液位传感器等产品，广泛应用于工业、食品等行业，并大量地进入我国液位测量领域[4]。

在我国，液位传感器的研制开发技术比较落后，在液位测量技术、测量方法上均远远落后于其它发达国家。

对于新型的光纤液位传感器，1990年国内公开了一项传感器专利，是一种浮子式光电型编码带液位计，它利用与浮子同步运动的一条绝对式光电型编码带和透射式光纤信号检测头作为检测液位高度的传感器。

1991年南京航空学院研制的一种光纤液位传感器，是利用光纤构成的一种小型化开关式传感器。

2004年清华大学光纤传感中心与总后合作研制开发的光纤油罐液位与温度测量系统，己经安装运行。

从总体来看，国内研制的测量系统的自动化程度不高，精度、可靠性、功能等多方面都不如国外同类产品，这都不能满足现代生产的需要。

1.4设计任务与计划

通过调查和研究我们决定设计一款简单实用，经济的高塔水位检测报警控制系统。

在高塔的内部我们设计超声波模块用来探测水位，并且把水位分成三个等级，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。

当检测到水位低于正常水平时，P2.0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；当达到正常水位时，给P1.0一个低电平绿灯亮，到达高水位时黄灯亮在P2.0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。

通过这样一个简单使用的电路系统从而实现对水位的自动监测与控制。

本文主要完成以几点工作：

1）检测电路硬件的设计：

完成检测所需光电信号转换电路的设计及探测机理的分析；

2）显示电路硬件的设计：

完成以单片机等为核心的信号处理及显示硬件电路的设计；

3）系统软件设计采用C语言完成相关信号处理运算等软件的设计。

2总体方案的设计

2.1设计思路

图2-1超声波

科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹。

我们人类耳朵能听到的声波频率为20～20000Hz。

当声波的振动频率大于20KHz或小于20Hz时，我们便听不见了。

因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。

通常用于医学诊断的超声波频率为1～5兆赫兹。

所谓超声波就是指频率高于20kHz的机械波，一般由压电效应或磁致伸缩效应产生；它沿直线传播，当频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强；它还具有强度大、方向性好等特点，为此，利用超声波的这些性质就可制成超声波传感器。

超声波传感器是利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应研制而成的传感器。

超声波传感器按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等[5]，其中以压电式最为常用。

压电式超声波传感器常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，它是利用压电材料的压电效应来工作的：

逆压电效应将高频电振动转换成高频机械震动，从而产生超声波，可作为发射探头；而正压电效应是将超声波振动转换成电信号，可作为接收探头。

超声波测距的原理主要是由超声波传感器的发射探头发射超声波，当超声波遇到障碍物时，会被反鼽利用单片机记录超声波发射的时间和接收到回波的时间，根据当前环境下超声波的传播速度，即可通过公式S=C*[T／2]（S为被测距离，C为空气中声速，T为回波时间，1r=_Tl+T2）计算出超声波传播的距离，也就得到了障碍物离测试系统的距离。

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。

本设计过程中主要采用了传感技术、单片机技术、光报警技术以及弱电控制强电的技术。

2.2方案设计

方案一：

本方案采用555电路进行控制，即当水位探测传感器探测到低水位时送一个低于1/3VCC的低电平给NE555芯片,555的输出即为高电平驱动水泵加水;当在正常的水位时候,送给NE555为1/3VCC----2/3VCC的电平,即保持前一个水泵不加水的状态;当水位居于高水位时,给NE555电路一个高电平,这时NE555输出电平翻转为低电平,不能驱动水泵,水泵停止加水。

图2-2方案一方框图

方案二：

本方案采用单片机80C52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。

图2-3方案二方框图

方案论证：

第一种方案设计使用起来比较方便也简单,不用编程等软件方面的设计，但是没有稳压电路,使输入NE555芯片的电平十分不稳定,容易发生误判水位引起混乱的情况,且NE555电路只有一个输出端,不能接显示系统,所以不能完成显示功能。

另外，此方案不能精确测量出液位高度，铜丝长时间沁在水中表面会发生氧化，长时间会是系统的误判率升高。

第二种方案中使用了单片机芯片和超声波传感器，单片机控制和超声波测距技术是信息时代用于精密测量的技术。

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80C52单片机有四端口32引脚能够非常方便地设计显示系统。

综上,我们已经清楚地看到了两种方案的优劣,要能够很好地完成本次设计的各个指标和达到设计的目的,我们选择第二种方案作为我们的设计方案。

3硬件设计

3.1系统方框图

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。

主电气原理框图如下。

图3.1.1系统框图

图3-1系统方框图

3.2系统工作原理

当水位处于低水位的时候，超声波传感器测出的距离小于低水位，此时给P1.1口一个低电平，驱动红灯亮，P2.0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；随着水量的增加，当到达正常水位时，送入单片机的P1.7口低电平，驱动绿灯亮；当水位在高水位区时，单片机经过分析，在P1.4引脚出来一个低电平，使黄灯亮，在P2.0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。

3.2.1单片机介绍

我们选用STC89C52作为我们的控制芯片其引脚图如3-2。

80C52是INTEL公司MCS-52系列单片机中最基本的产品，它采用NTEL公司可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-52的HCMOS产品。

它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征，它继承和扩展了MCS-48单片机的体系结构和指令系统.

图3-2STC89C52引脚图

STC89C52各引脚功能及管脚电压

概述：

STC89C52为40脚双列直插封装的8位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8XC52相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。

功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。

主要管脚有：

XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。

RST/Vpd（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。

VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。

P0~P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0端口（32~39脚）被定义为N1功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13脚定义为IR输入端，10脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12脚、27脚及28脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。

P0口

P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。

作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

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。

P1口

P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1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，此时可作输入口。

作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

与AT89C51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX），Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。

表3-1P1.0和P1.1的第二功能

引脚号

功能特性

P1.0

T2

时钟输出

P1.1

T2EX

定时/计数器2

P2口

P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2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P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

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（如执行MOVX@RI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。

Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。

P3口

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，更重要的用途是它的第二功能P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。

RST

复位输入。

当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。

ALE/PROG

当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。

一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。

要注意的是：

每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。

如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。

该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。

此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。

PSEN

程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。

在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。

EA/VPP

外部访问允许。

欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H—FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。

需注意的是：

如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。

如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器