毕业论文基于51单片机控制的水塔自动供水系统设计.docx

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摘 要

微型计算机SCMC，简称单片机，又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。

这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，可进行简单运算和控制。

虽然单片机只有一个芯片，但无论从组成还是从功能上看，它已具备了计算机系统的属性，是一个简单的微型计算机。

单片机以其体积小、功能全、价格优等种种优势充斥着整个市场。

现在，单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、导航系统、家用电器等。

单片机开发出的各种产品遍布于我们日常生活中的每个角落。

为了加深对单片机智能型控制器的了解，经过综合分析，本次设计最终选取了由

51单片机控制的智能型液位控制器作为研究项目，本文对单片机水塔水位控制系统进行了整体设计，完成了单片机水塔水位控制系统硬件接线图和流程图以及单片机内部控制程序设计，并完成了开发板模拟仿真过程。

通过此次设计过程，自己在分析问题、解决问题方面的能力得到了很大程度的提高。

关键词：

MCS-51单片机液压传感器AD转换水塔水位检控

山西综合职业技术学院毕业论文

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目 录

引言 3

1、系统设计方案比较及论证 3

2、系统原理框图 4

3、工作原理 4

4、硬件设计 4

4.1STC89C52RC单片机简介 4

4.2锁存器（74HC573）简介 5

4.3ADC0804简介 6

4.4单片机与继电器及蜂鸣器的接口电路 7

4.5井中缺水信号检测电路 8

4.6压力传感器介绍 9

4.7LCD1602液晶显示屏接线图及其引脚功能图 10

4.8开关电源部分 10

5、软件设计 12

5.1程序流程图 12

5.2程序流程图解析 13

6、实验仿真结果 13

7、结束语 13

致谢 14

附录 15

附录1PCB原理图 15

附录2C程序 16

参考文献 26

基于51单片机控制的水塔自动供水系统

山西综合职业技术学院李月鹏

引言

水塔供水的主要问题是塔内水位应始终保持在一定范围，避免“空塔”、“溢塔”现象发生。

目前，控制水塔水位方法较多，其中较为常用的是由单片机控制实现自动运行，使水塔内水位保持恒定，以保证连续正常地供水。

实际供水过程中要确保水位在允许的范围内浮动，应采用水压监测来控制水位。

首先通过压力传感器实时检测水压，测量水位变化，再变送成电压信号传回单片机，由单片机执行内部控制程序指令，从而控制水泵电动机，保证水位在正常范围内变化。

为此，这里给出以STC公司的STC89C52RC单片机为核心器件、以压力传感器为检测原件、通过ADC0804芯片为信号转换原件的水塔水位检测控制系统仿真设计，实现水位的自动检测控制、电机故障检测和报警等功能，通过在51单片机实验开发板上实际仿真，实验结果表明：

该系统具有良好的检测和控制功能，实用性很强。

1系统设计方案比较及论证

对于液位进行控制的方式有很多，而应用较多的主要有2种，一种是通过简单的机械控制装置来实现，而另一种是由复杂的控制器来控制。

两种方式的实现简介如下：

（1）简单的机械式控制方式。

其常用形式有浮标式、电极式等，这种控制形式的优点是结构简单，成本低廉。

存在问题是精度不高，不能进行数值显示，另外很容易引起误动作，且只能单独控制，与计算机进行通信较难实现。

（2）复杂控制器控制方式。

这种控制方式是通过安装在水塔出口管道上的压力传感器来把出口水压变成标准工业电信号的模拟信号，再经过前置放大、A／D转换模块变换成数字信号传送到单片机中，而后经单片机运算和给定参量的比较，进行PID运算，得出调节参量；最后经由D／A变换给调压、变频调速装置输入给定端，控制其输出电压变化，来调节电机转速，以达到控制水箱液位的目的。

针对上述2种控制方式，以及设计需达到的性能要求，这里选取第二种控制方式，同时考虑到成本问题需要把PID控制去掉。

最终形成的方案是，利用单片机为控制核心，设计一个对水塔水位能进行自动监控的工控系统。

根据监控对象的特征，要求实时检测水塔的液位高度，并与开始预设定的上、下限值做比较，由单片机控制固态继电器的开断进行液位的调整，最终达到液位的预设定值范围内。

检测值若高于上限设定值时，要求报警，同时断开继电器，使水泵停止上水；检测值若低于下限设定值，要求报警，同时开启继电器，控制水泵开始上水。

现场在LCD1602液晶屏上实时显示测量值，从而实现对水箱液位的自动监控。

在功能上，本设计还预留了两个调参按键，通过这两个按键可以自由设定水塔内水位的上下限值，以此来实现人工可控功能。

2系统原理框图

液压传感器

A/D0804转换

LCD显示

井中缺水传感检测

STC89C52RC

蜂鸣报警

菜单按键输入

水泵电磁阀

图1系统原理框图

3工作原理

基于51单片机实现液位控制的控制器是以STC89C52RC芯片为核心，由键盘、

LCD1602液晶显示、ADC0804模数转换、液压传感器、开关电源、蜂鸣报警、电磁继电器等部分组成。

工作过程如下：

水塔液位发生变化时，引起水塔中液压传感器的输出电压值变化，即把压力变化量转化成电压信号；该信号经过运算放大电路放大后变成幅度为0～5V标准信号，送入A／D转换器，A／D转换器把模拟信号量变成数字信号量，再由单片机进行实时数据采集，并进行处理，根据设定要求控制输出，同时由液晶屏显示液位高度。

通过键盘能够自由设置水位上下限值。

该系统控制器的最大特点是可直观地显示水位占水塔容积的百分量，并可任意控制水位上下限高度。

4硬件设计

液位控制器的硬件主要包括由单片机、液压传感器（带变送器）、键盘电路、液晶显示电路、A／D转换器和输出控制电路等。

4.1STC89C52单片机简介

单片机采用的是由STC公司生产的双列40脚STC89C52RC芯片。

STC公司生产的

STC89C52RC单片机,是一款性价比非常高的单片机，普通用户可完全将其当作一般的

51单片机来使用，高级用户可使用其扩展功能。

STC公司的单片机内部资源比起来

ATMEL公司的单片机要丰富的多，它内部有1280字节的SRAM、8-64K字节的内部程序存储器、2-8K字节的ISP引导码、除P0-P3口外还多出了P4口（PLCC封装）、片内自带8路8位AD（AD系列），片内自带EEPROM、单片机内自带看门狗、双数据指针等。

目前STC公司的单片机在国内市场上的占有率与日俱增。

其中在这里我们把P0口连接LCD1602液晶显示屏；P1口用于A／D转换；P2口用于控制电磁阀、蜂鸣报警和键盘输入；P3口用于读写控制和中断等。

下图是STC89C52RC单片机管脚图。

图2STC89C52RC单片机管脚图

4.2锁存器（74HC573）简介

锁存器，顾名思义，就是把输入端的数据锁存（或送出）到输出端，如下图所示，第11角（锁存端）为高电平的时候，右边D0-D7的输入与左边Q0-Q7的输出是直通的，就是说，输入端是什么电平，输出端就是什么电平，可以把它当作不存在。

当第

11角为低电平的时候，左右两端就被断开了，无论输入端怎么变化，输出端都不会

变化，当第11角由低电平变为高电平的一瞬间，输入端的数据立刻被传送到输出端，

并且在11角保持为高电平期间，输出端数据始终的输入端数据相同，如果此时我们

再次把第11角设置为低电平，那么以后当输入端无论再怎么变化，输出端都不会变

化而是保持刚才第11角在下降沿（由高电平到低电平跳变）之间时输入端的值，这

样就达到了锁存数据的目的，这也就是所谓的总线设计思路，一个8位的数据线加一个锁存器后就可以扩接多个元件，当选通哪个元件的片选信号，就送数据给那个元件。

图374HC573管脚图

4.3ADC0804简介

ADC0804是8位全MOS中速A/D转换器，它是逐次逼近式A/D转换器，片内有三态数据输出锁存器，可以和单片机直接接口。

单通道输入,转换时间大约为100us。

ADC0804转换时序是：

当CS＝0许可进行A/D转换。

WR由低到高时，A/D开始转换。

CS与WR同时有效时启动A/D转换，转换结束产生INTR信号（低电平有效），可供查询或者中断信号。

在CS和RD的控制下可以读取数据结果。

在使用时可选择中断、查询和延时等待3种方式编制A／D转换程序。

本实验没有使用INTR信号，而是采用了延时等待的方式，以便把中断口留给LCD1602液晶显示屏接线使用。

A／D转换电路在控制器中起主导作用，用它来将液压传感器输出的模拟电压信号转换成单片机能处理的数字量。

下图是A／D转换部分原理图，在接线时先要经过运算放大器和分压电路把传感器输出的电流信号转换成电压信号，然后输入到A／D转换器。

由于实际条件较为有限，在此暂时由电位器来代替模拟液压传感器传回的电压信号量。

图4ADC0804与单片机接线图

4.4单片机与继电器及蜂鸣器的接口电路简介

采用光电耦合器的开关量输出电路如下图所示。

+5V电源为单片机电源，+24V电源为开关量输出电源，两个电源是隔离的。

当单片机输出端口输出高电平时，经与非门电路，A点为低电平，经光耦器件使驱动晶体管V导通，出口继电器J得电吸合。

当输出端输出低电平时，经与非门电路，A点输出高电平，经光耦器件使V截止，J释放。

以此来控制水泵执行运行或停止工作。

图5单片机与继电器接口电路原理图

说明：

P2.5口接的J，是为了判断接触器是否吸合，从而判知水泵是否得电，以此来检测配合完成单片机内部程序的运行。

也就是说程序流程图上的“判断水泵的前一个工作状态”就是通过此处的接触器常开触点J的通断来判断的。

图6单片机与蜂鸣器接口电路原理图

4.5井中缺水信号检测电路

图7井中缺水信号检测电路

说明：

通过井中的两电极是否导通来判断井中是否缺水，当井中水位过低、不足以淹没两检测电极，则P2.0口会检测到一个低电平输入信号，单片机可判知井中缺水，并作出相应的动作指令，如缺水报警、水泵停机等紧急动作。

4.6压力传感器介绍

经过市场及网上实际调查发现，目前的液压传感器价格普遍偏高，多为高规格工业用品。

为实现低价位高功能，在此我们通过气压传感器改制了一个液压传感器。

同样可以满足实际要求。

传感器使用SY一9411L—D型变送器，它内部含有1个压力传感器和相应的放大电路。

该压力传感器是美国SM公司生产的555—2型OEM压阻式压力传感器，其有全温度补偿及标定（O～70℃），传感器经过特殊加工处理，用坚固的耐高温塑料外壳封装。

其引脚分布如图3所示。

1脚为信号输出

（一）；2脚为信号输出

（一）；

3脚为激励电压；4脚为地；5脚为信号输出（+）；6脚为信号输出（+）。

在水塔底部安装1根直径为5mm的软管，一端安装在水塔底部；另一端与传感器连接。

水塔水位高度发生变化时，引起软管内气压变化，然后传感器把气压转换成电压信号，输送到A／D转换器。

图8SY-9411L-D型变送器引脚结构图

4.7LCD1602液晶显示屏接线图及其引脚功能图

图9LCD1