农村户用自动供水系统的设计教材.docx

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农村户用自动供水系统的设计教材

农村自动供水系统的设计

学生：

田耀铖

指导老师：

匡迎春

（湖南农业大学东方科技学院，长沙410128）

摘要：

设计基于单片机技术的水位控制器的目的是应用单片机的控制技术，以STC89C51单片机为核心来控制水塔的水位，并实现了报警和手动、自动切换功能。

本设计包含四路水位输入，通过两个工作泵，一个备用泵来实现水位的自动调节。

其中，水塔水位的测量是通过自制的开关式传感器将水位信号传送给STC89C51的P1口，并对其进行分析处理，然后根据控制要求输出控制信号，控制给水泵工作，进而保持水塔有正常的水位。

同时也详尽的介绍了此次设计中最重要的组成部件。

该设计介绍了STC89系列单片机基本结构与相关的硬件资源，水位传感器的设计与工作原理。

该系统操作方便、性能良好，比较符合日常生产生活用水系统控制的要求。

本文还详细的给出了相关的硬件框图和软件流程图，并根据外围硬件电路的设计思想，编制了该汇编语言程序。

关键词：

单片机；水位；控制

RuralWaterSupplySystem

Author:

TianYao-cheng

Tutor:

KuangYing-chun

（OrientalScience＆TechnologyCollegeofHunanAgriculturalUniversity,Changsha410128）

Abstract:

ThepurposeofdesigningawaterlevelcontrollingmachinebasedonSCMisapplytheSCMcontrollingtechnology.ThissystemusesSTC89C51andhasafunctionwithalerting,manualandautomaticcontrolling.Thissystemincludes4-waywater-levelinputs,twoworkingmotors,andastandbymotor,whichcanadjustthewater-levelautomatically.Another,itiseasy-used,Amongthem,thewatertankwaterlevelsurveyistransmitsthroughtheself-madeswitchtypesensorthewaterlevelsignalfortheSTC89C51P1mouth,andcarriesonanalysisprocessingtoit,thenthebasiscontrolstherequestoutputcontrolsignal,controlsthefeedpumpwork,thenmaintainsthewatertanktohavethenormalwaterlevel.Simultaneouslyalsoinexhaustiveintroductionthisdesignmostimportantcompositionpart.ThisdesignintroducedtheSTC89seriesmonolithicintegratedcircuitbasicstructureandthecorrelationhardwareresources,thewaterlevelsensordesignandtheprincipleofworkgoodperformance,whichissuitforthewaterneedofroutinecontrolling.Thispaperalsotellsthedesignoutlineofhardwareandsoftware,andcompileaprogramwithcompilationlanguage.

Keywords:

SCM；Water-level；Control

1前言

目前，水位控制在日常生活及工业领域（工厂、农场、学校等用水量大的场所）中应用相当广泛，比如水塔、地下水、水电站等情况下的水位控制。

而以往水位的检测和控制一般是由人工完成的，值班人员全天候地对水位的变化进行监测，用有线电话及时把水位变化情况报知主控室，然后主控室再开动电机进行相应的水位控制。

很显然上述重复性的工作无论从人员、时间和资金上都将造成很大的浪费。

并且经常会出现在超低水位时，由于工人的疏忽大意，忘记关闭超低水位阀门，大量的水从水塔顶部外流。

造成了“水漫金山”，这样不仅浪费了水力资源，同时也浪费了大量的电能；甚者会造成重大损失。

另外在我国，节电节水的潜力非常大。

据有关国际组织发表的资料显示:

中国的单位国民经济总产值所消耗的电是美国、德国等国的4倍左右，消耗的水是他们的2倍左右。

我国的大量用电设备中，风机和泵类电机的耗电量占全国发电量的50%左右,若适当地节约水电,可节电40%左右,即可以节约全国发电量的1/5.由于我国人均占有水、电资源相对于别国又少很多,因此,在我国一方面水电供应紧张,而另一方面,水电的浪费又十分惊人.节电节水,不仅潜力巨大,而且意义深远。

因此，研制出一种能自动检测、控制水位的装置有很重大的意义，我所研究的就是这方面的课题。

随着科学技术不断的发展，人们的生产水平也随之提高。

智能化产品的出现，解决了人们生产、生活当中的许多实际问题。

从而减轻了人们的劳动强度和资源浪费。

本课题的意义在于：

（1）通过这次课程设计，加深对单片机理论方面的理解。

（2）掌握单片机的内部模块的应用，如定时器/计数器、中断、片内外存储器、I/O口、串行口通讯等。

（3）了解和掌握单片机应用系统的软硬件设计过程、方法及实现，为以后设计和实现单片器应用系统打下良好基础。

（4）通过简单课题的设计练习，了解必须提交的各项工程文件，也达到巩固、充实和综合运用所学知识解决实际问题的目的。

（5）对于水源危机的的今天，我们更加注重节约用水，因此，研制开发出四路水位控制器，以解决上述问题，保护我们赖以生存的水源，同时也节省了不必要的人力资源。

根据四路水位控制器的原理，也可以应用的其它控制领域当中。

水、电资源浪费严重，设备事故隐患多、管理困难，以节能降耗、提高自动化水平为主要目的的技术改造方案。

251单片机基础

随着科技的发展，单片机已不是一个陌生的名词，它的出现是近代计算机技术发展史上的一个重要里程碑。

单片机芯片的体积微小和低的成本，可广泛地嵌入到如玩具、家用电器、机器人、仪器仪表、汽车电子系统、工业控制单元、办公自动化设备、金融电子系统、舰船、个人信息终端及通讯产品中，成为现代电子系统中最重要的智能化工具。

特别是在自动化控制领域应用最广泛。

因此，本次设计采用单片机为控制核心。

单片微型计算机简称单片机，它在一块芯片上集成了中央处理部件、存储器、定时器、计数器和各种输入输出接口（如串行IO口，并行IO口和A/D转换器）等，它们之间相互联结的结构框图如图2，可见单片机就是一台计算机，由于单片机原来就是为了实时控制应用而设计制造的，因此又称为微控制器。

单片机自问世以来，性能不断提高和完善、其资源又能满足很多应用场合的需要，加之单片机具有集成度高、功能强、速度快、体积小、功耗低、使用方便、性能可靠、价格低廉等特点。

因此，在工业控制、智能仪器仪表、数据采集和处理、通信系统、高级计算器、家用电器等领域的应用日益广泛，并且正在逐步取代现有的多片微机应用系统。

单片机的潜力越来越被人重视。

特别是当前用CMOS工艺制成的各种单片机，由于功耗低，使用的温度范围大，抗干扰能力强，能满足一些特殊要求的应用场合，更加扩大了单片机的应用范围，也进一步促使单片机性能的发展。

市场上流通单片机的种类很多，占有率最高的是MCS—51系列，因为世界上很多知名的IC生产厂家都生产51兼容的芯片。

生产MCS—51系列单片机的厂家如美国AMD公司、ATMEL公司、INTEL公司、WINBOND公司、PHILIPS公司、ISSI公司、TEMIC公司及南韩的LG公司、日本NEC、西门子公司等。

到目前为止，MCS—51单片机已有数百个品种，在一般性能上都可以达到本次设计的要求。

例如AT89C51、AT89C52等都可以用于控制水位，唯一缺点在于不能在线下载，并且，AT系列单片机编程器价钱比较昂贵。

不利于小资本实验。

，造成了不便的烦恼。

STC89系列单片机是MCS-51系列单片机的派生产品。

它们在指令系统、硬件结构和片内资源上与标准8051单片机完全兼容，且价钱容易接受。

其优点是可以在线下载，下载器也比较容易购买到，方便携带应用。

例如STC89C51，其可以用于控制水位，在功能和性能上要比AT系列单片机突出，因此，选择STC89C系列单片机，作为水位控制器核心。

2.1STC89C系列单片机概述

STC89C51是深圳宏晶公司生产的一种单片机，在一小块芯片上集成了一个微型计算机的各个组成部分。

每一个单片机包括：

一个8位的微型处理器CPU；一个256K的片内数据存储器RAM；片内程序存储器ROM；四个8位并行的I/O接口P0-P3，每个接口既可以输入，也可以输出；两个定时器/记数器；五个中断源的中断控制系统；一个全双工UART的串行I/O口；片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接。

最高允许振荡频率是12MHZ。

STC89C51单片机采用40Pin封装的双列直插DIP结构，与8051为pin-to-pin兼容。

STC89系列单片机高速（最高时钟频率90MHz），低功耗，在系统在应用可编程（ISP,IAP），不占用户资源。

主要特性：

处理器单元是以80C51为核心，工作电压为3V/5V，操作频率0-33MHz（STC89LE516AD最高可达90MHz），工作电压为5V，操作频率0-40MHZ。

大容量内部数据RAM:

IK字节RAM，64/32/16/8kB片内Flash程序存储器，具有再应用可编程（IAP），再系统可编程（ISP），可实现远程软件升级，无需编程器，支持12时钟（默认）或6时钟模式。

双DPTR数据指针，SPI（串行外围接口）和增强型UART，PCA（可编程计数器阵列），具有PWM的捕获／比较功能。

4个8位I/O口，含3个高电流Pl口，可直接驱动LED;3个16位定时器／计数器；可编程看门狗定时器（WDT）;低EMI方式（ALE禁止）;兼容TTL和COMS逻辑电平；掉电检测和低功耗模式等。

它是由8位算术／逻辑运算部件（简称ALu）、定时／控制部件，若干寄存器A、B以及16位程序计数器（Pc）和数据指针寄存器（DM）等主要部件组成。

算术逻辑单元的硬件结构与典型微型机相似。

它具有对8位信息进行+、-、x、/四则运算和逻辑与、或、异或、取反、清“0”等运算，并具有判跳、转移、数据传送等功能，此外还提供存放中间结果及常用数据寄存器。

控制器部件是由指令寄存器、程序计数器Pc、定时与控制电路等组成的。

下面主要介绍STC89系列单片机有特色之处及需要注意的地方。

2.2STC89C51硬件资源

单片机包含中央处理器、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线。

如图1所示。

图1单片机内部结构

Fig.1TheIntemalStructureofSCM

数据存储器（RAM）

单片机内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。

程序存储器（ROM）：

单片机共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。

定时/计数器（ROM）：

有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。

并行输入输出（I/O）口：

共有4组8位I/O口（P0、P1、P2或P3），用于对外部数据的传输。

全双工串行口：

内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。

中断系统：

具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。

时钟电路：

内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容。

2.3STC89C51的引脚说明

STC89C51采用DIP40形式封装，如图2所示，其特殊管脚说明如下。

图2单片机引脚图

Fig.2MicrocontrollerPinMap

Pin9:

RESET/Vpd复位信号复用脚，当单片机通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。

初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指针写入07H，其它专用寄存器被清“0”。

RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。

然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态。

单片机的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，见下图3。

此外，RESET/Vpd还是一复用脚，Vcc掉电其间，此脚可接上备用电源，以保证单片机内部RAM的数据不丢失。

图3复位、晶振连接示意图

Fig.3Reset,CrystalconnectionDiagram

Pin3.0:

ALE/

当访问外部程序器时，ALE（地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。

而访问内部程序存储器时，ALE端将有一个1/6时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。

更有一个特点，当访问外部程序存储器，ALE会跳过一个脉冲。

如果单片机是EPROM，在编程其间，

将用于输入编程脉冲。

Pin2.9:

当访问外部程序存储器时，此脚输出负脉冲选通信号，PC的16位地址数据将出现在P0和P2口上，外部程序存储器则把指令数据放到P0口上，由CPU读入并执行。

Pin3.1:

EA/Vpp程序存储器的内外部选通线，单片机内置有4kB的程序存储器，当EA为高电平并且程序地址小于4kB时，读取内部程序存储器指令数据，而超过4kB地址则读取外部指令数据。

如EA为低电平，则不管地址大小，一律读取外部程序存储器指令。

对内部无程序存储器的单片机，EA端必须接地。

图4单片机P3口第二功能说明

Fig.4SCMP3SecondDescriptionofFuction

2.4本章小结

本章介绍了STC89C51基本结构与相关的硬件资源，这些知识是本次设计必须掌握的基本内容。

3硬件电路设计

3.1硬件电路总体设计

3.1.1系统控制要求

在该控制系统中，控制器有4个水位检测输入，由低到高，分别是：

H1→超低水位

H2→低水位

H3→中水位

H4→高水位

控制器根据水位状态，控制两台水泵M1、M2的工作（水泵功率均为10KW）。

1）在每个水位检测点都能准确检测水位状态，所使用的传感器，均能经受长期水泡的工作环境而不影响性能。

2）当水位低于超低水位H1时，开水泵M1、M2。

当水位高于H4时关两台水泵。

3）水位由超低水位H1上升到中水位H3时，关掉水泵M1，M2正常工作。

4）水位由高水位H4降到低水位H2时，打开水泵M1，M2正常工作。

5）当两台水泵任意一台发生故障，使备用水泵M3投入工作，取代故障水泵。

6）备用水泵M3投入运行后，对故障水泵有响应的显示，以便于维修人员及时处理故障。

3.1.2硬件电路总体设计

四路水位控制器硬件电路构成框图如图3-1所示。

以STC89C51为电路的中央处理器，用来处理传感器采集来的数据，进而控制水泵电机工作。

为了人们能清晰地了解系统工作状况，在电路图中设计了水位指示，电源部分是为整个电路模块提供电源，以便能正常工作。

本设计总共包含五大部分：

中央处理器（CPU）、电源模块、水位限位传感器（含四个单元）、水位指示部分、水泵电机驱动。

依此框图作为电路设计的依据。

从中也体现了电路的结构简单、实用，设计灵活等特点。

图5四路水位控制器硬件电路构成框图

Fig.5FourWaterLevelControllerHardwareCircuitDiagram

3.2水位测量电路设计

3.2.1水位传感器的设计与原理

脉冲调制式红外发射接收器。

该器件由于采用的是交流分量的调制信号，侧可大幅度减少外界干扰，以便提高信号传输的准确性；另外红外发射接收管的最大工作电流取决于调制信号的平均电流，如果采用占空比小的调制信号，在平均电流不变的情况下，瞬时电流很大（50~100mA）。

并且红外传感器反应灵敏，外围电路也很简单，如图6所示。

它的优点是消除了外界光线的干扰提高了灵敏度，制作比较简单。

图6脉冲调制式红外发射接收器电路

Fig.6PulseModulatedInfraredEmissionReceiverCircuit

因为光在水中的传播与空气中光的传播是由不同的差异的，即光在不同的介质中其强弱程度不同。

可以根据此原理采集水塔中是否有水，如图7所示。

共有四组光电耦合器组成采集信号。

脉冲调制式红外发射接收器工作原理：

接收管与发射管放在水塔对立的两侧且在一条直线上，在空气中接收管完全接收到发光管发送来的信号，运算放大器同向端电平高于反向端，输出高电平送给单片机处理；当发射接收两管之间有水时，水对光有反射和折射特性减弱了光信号，在此适当的调整好图6中电阻R2，使接收管在有水时接受的信号是弱

图7光电水位检测示意图

Fig.7SchematicDiagramofPhotoelectricDetectionofWaterLevel

信号，此时运放的同向端低于反向端，这样输出为低电平。

由此可以判断出是否有水。

但是，问题在于电路调试比较困难，因为光在水中传播的亮度与光在空气中传播的亮度信号，单片机难于区分出，实现起来比较困难。

水阻开关传感器。

任何物质在电学里都有一定的阻值，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Mg2+、Ca2+等离子，它们的存在使水可以具有导电的性能，水的阻值大约为10KΩ左右。

本控制装置就是利用水的导电性完成的。

其传感器电路结构简单，是由三极管9013、两个电阻、和一个无极性电容组成，可以简单的自制出水位传感器如图8所示。

此传感器利用了两个原理，一个是三极管的开关特性；另一个是水的阻值特性（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Mg2+、Ca2+等离子，它们的存在能够使水导电）。

图8传感器工作电路

Fig.8SensorCircuit

为此，在水塔的不同高度安装了5根金属棒，以感知水位变化情况。

根据水与空气的阻值特性（水的阻值大约为10KΩ左右，空气的阻值约为无穷大）。

我们利用的是三极管的开关特性（即饱和导通，截止断开）。

在水塔中分别放置了正5伏电源线和四条带有金属棒判断水位的导线。

+5伏导线放在水塔的最底端，另四条分别放置在水塔内不同高度如图9所示。

图9传感器连接示意图

Fig.9SchematicDiagramofSensorConnection

此原理的电路设计比脉冲调制式红外发射接收器结构简单、方便。

此电路的灵敏度可以达到本设计的要求，能够准确地分辨出有水信号和无水信号不用调试便可很方便的使用。

由此可知，这种设计方案简单实用，元器件选用方便，费用低。

此电路无需调试，解决了第一种方案中调试繁琐，信号干扰的问题，信号传输的准确率高达95%以上。

本电路选择第二种方案，作为水位传感器。

3.2.2水位传感器工作原理

其工作原理很简单，如图9，当水体内无水时，四个传感器都输出高电平，表示无水需要水泵超低水位，单片机通知水泵开始超低水位，水位随时间上升，当水位到达水位最极限时，水泵继续工作且超低水位指示灯工作。

水继续上升，到达低水位时，水将低水位传感器的探头和电源接通，传感器发出低电平信号送给单片机，表明已到达了低水位线，单片机控制低水位指示灯工作；水上升到中水位线时，水将中水位传感器的探头和电源接通，传感器发出低电平信号送给单片机处理，表明已到达了中水位线，以控制中水位指示灯工作；水上升到高水位线时，水将高水位传感器的探头和电源接通，传感器发出低电平信号送给单片机处理，表明已到达了高水位线，以控制高水位指示灯工作此时水泵停止工作。

反之，水位开始从高水位下降，水位离表明水位下降到了高水位线以下；当水位下降到中水位以下时，传感器探头与电源断开，传感器输出高电平送给单片机，以控制中水位指示灯停止工作，表明水位下降到了中水位水位线以下；以此类推，当水位下降到超低水位警告线以下时，单片机控制水泵开始超低水位，又开始从无水状态循环工作。

开高水位线时，水将高水位传感器探头与电源断开，传感器输出高电平送给单片机，以控制高水位指示灯停止工作，

3.3显示电路设计

用于显示的电路有很多种类，可以运用LCD液晶显示、LED数码管显示或LED发光二极管显示。

但是由于LCD价钱比较昂贵，不利于本电路的设计。

LED数码管显示的符号有限，不能形象的将水位显示出，而发光二极管，排列有序时可以形象地显示出水位的基本位置如图10所示。

图10水位指示

Fig.10TheWaterLevelIndicator

水位指示灯的设计很简单，用的是发光二极管，和电阻串联后一端接到5V电源上，另一端接到单片机的P0口上（在这里我们用的是P0.4-P0.7引脚），单片机只要通过对P0口的控制便可让二极管发光和熄灭。

以便形象的表达出水位的位置。

蜂鸣器接于单片机的P1.4，用于声音提示和报警。

为了显示电源是否有电也可以用发光二极管和电阻串联接于电源的正负极作为电源指示灯。

这类电路很简单，这里就不再赘述了，具体连接如下图11所示。

图11指示灯及蜂鸣器

Fig.11IndicatorLightAndBuzzer

3.4水泵电机控制电路设计

水泵电极控制电路是以微信号控制大信号，同样也利用了三极管的开关特性，具体内容请看传感器部分3.1。

通过单片机的P2.0口发出高低电平来控制三极管导通截止，使继电器去控制接触器的线圈得电或失电，让水泵工作。

其原理也比较简单，这里以M1为例，这里也不详述了如图12。

图12水泵电机控制电路图

Fig.12WaterPumpMotorControlCircuit

在设计中用P2.0、P2.1、P2.2这个三个接口来控制M1、M2、M3的。

通过程序的编辑，使每个水泵的工作机理都满足系统的要求。

这里应用电子水阀去控制水塔向其它用户点供应水的大小，以便节约用水量。

电路设计方法与水泵电机电路的设计和原理是相同的如图13所示，三个开关接于单片机的P1口上，是分别来设置电子水阀的大小的。

S1、S2、S3分别是小、中、大三种大小。

这里不再赘述了。

图13电磁