基于单片机的水箱液位控制与报警系统的设计毕业论文.docx

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基于单片机的水箱液位控制与报警系统的设计毕业论文

毕业设计论文

基于单片机的游艇水箱液位控制与报警系统的设计

摘要

液位测量广泛应用于工业、经济、生活等领域。

本设计以水箱供水为模型，用于对水箱液位信号进行测量监控记录。

基于单片机的液位测量装置具有测量准确、重复性好、功耗低、使用寿命长的特点，是广泛采用的技术。

在深入学习科学发展观的同时，电子设备的设计也需融入可持续发展的设计理念。

故此，在基于单片机的液位测量装置基础上，扩展实时监控、数据采集、计算机串行通信等功能，从而能够通过科学的方法将液位测量与统计科学结合，合理调度水资源，降低能源消耗。

本文从系统方案选择与论证，硬件电路设计，系统软件与上位机软件设计等几个方面介绍了基于单片机的液位测量监控系统的设计过程，最终实现了液位的实时测量与监控。

最后，本文总结了设计过程中出现的问题及解决方法，简要叙述了所获数据的处理方法，引出了进一步设计开发的思路。

关键词：

单片机；液位测量；实时监控；串口通信

TheDesignofLiquidLevelControlSystemBasedonMCU

Abstract

Theliquidlevelmeasurementiswidelyusedinindustry,economy,lifeandotherfields.Thisdesigntakethewatertankwatersupplyasamodel,usesincarriesonthesurveytothewatertankfluidpositionsignaltomonitortherecord.

TheliquidlevelmeasurementdevicebaseonMCUiswidelyusedbecauseofmanycharacteristicssuchashighmeasurementaccuracy,goodrepeatability,lowpowerconsumptionandlongusefultime.WhenwestudyScientificOutlookonDevelopmentthoroughly,thedesignofelectronicaidshouldincludethethoughtofsustainabledevelopment.So,beyondtheliquidlevelmeasurementdevicebasedonMCU,expandthefunctionsofreal-timemonitoring,dataacquisition,serialcommunication.Throughthenewfunctions,thescientificmethodoftheliquidlevelmeasurementcouldbecombinedwithStatisticalScience,beusedtomanagethewaterresourcesreasonable,reduceenergyconsumption.

Thisthesisintroducesthedesignprocessoftheliquidlevelcontrolsystembyseveralpartsassystemschema,thedesignofhardwarecircuit,thesoftwareofhostcomputerandsystemsoftware,ultimatelyachievedthelevelofreal-timemeasurementandmonitoring.Finally,thepapersummarizestheproblemsandsolutionsofthedesignprocess,describesbrieflythemethodofdataprocessing,andleadstoideasofthefurtherdesignanddevelopment.

Keywords：

MCU；LiquidLevelMeasurement；Real-timemonitoring；SerialCommunication

插图清单

图2-1系统总体框图………………………………………………………………………1

图3-1AT89S52引脚及网络标号…………………………………………………………11

图3-2复位电路及时钟电路………………………………………………………………13

图3-3系统按键电路………………………………………………………………………14

图3-474LS273及74LS47引脚图………………………………………………………14

图3-5显示部分电路图……………………………………………………………………15

图3-662256引脚图………………………………………………………………………16

图3-7存储的单元电路……………………………………………………………………16

图3-8DS1302引脚图………………………………………………………………………17

图3-9时间单元电路………………………………………………………………………17

图3-10ADC0804引脚图……………………………………………………………………18

图3-11A/D转换单元电路图………………………………………………………………19

图3-12MAX485引脚图……………………………………………………………………19

图3-13串行通信模块电路图……………………………………………………………20

图3-14继电器部分电路图………………………………………………………………20

图3-15电源指示灯电路图………………………………………………………………21

图4-1主程序流程图………………………………………………………………………23

图4-2键盘程序流程图……………………………………………………………………25

图4-3液位检测流程图……………………………………………………………………27

图4-4通信检测流程图……………………………………………………………………28

图4-5上位机软件界面效果图……………………………………………………………33

图4-6水箱液位控制结构图………………………………………………………………33

图5-1Matlab绘制图形……………………………………………………………………36

表格清单

表3-1端口引脚第二功能…………………………………………………………………12

表4-1初始化参数及含义…………………………………………………………………22

表4-2A/D转换幅值数据关系对照表……………………………………………………24

表4-3通信协议……………………………………………………………………………28

表4-4RS状态标志及含义………………………………………………………………29

表4-5界面功能描述………………………………………………………………………31

引言

上世纪40年代，电子计算机的诞生，标志着人类电子技术进入了一个新的阶段。

1976年单片机的推出为电子电路设计提供了新的思路，也促进了模拟电路向数字电路发展的历程。

它在一片芯片上集成了完整的计算机系统。

从它的发展来看，低功耗CMOS化、微型单片化、主流与多品种共存的发展趋势更进一步促使了单片机在各个行业的应用。

这些应用，很大一方面体现在工业控制中。

在工业上，使用单片机可以构成形式多样的控制系统和数据采集系统。

单片机应用发展迅速而广泛。

在过程控制中，单片机既可作为主计算机，又可作为分布式计算机控制系统中的前端机，完成模拟量的采集和开关量的输入、处理和控制计算，然后输出控制信号。

单片机广泛用于仪器仪表中，与不同类型的传感器相结合，实现诸如电压、功率、频率、湿度、流量、速度、厚度、压力、温度等物理量的测量；在家用电器设备中，单片机已广泛用于电视机、录音机、电冰箱、电饭锅、微波炉、洗衣、高级电子玩具、家用防盗报警等各种家电设备中。

在计算机网络和通信、医用设备、工商、金融、科研、教育、国防、航空航天等领域都有着十分广泛的应用。

工程应用中液位的测量常用方法主要有超声波、激光红外测距、机械浮子、压力传感器测距等几种。

这些测量方式对一般液位的测量来说各有各的优点，可根据不同的应用场合和要求进行选择。

比如，常见的液位控制系统多采用浮标、电极等，这种控制形式结构简单成本低廉，但是控制精度不高，不能进行数值显示；另外容易引起误操作，与上位机进行信息交互比较困难。

随着科技的发展，液位测量技术趋于智能化、微型化、可视化。

本设计思想是用单片机做下位机，PC机做上位机，单片机和PC机相结合对水箱液位进行测量和监控。

该设计要求具有一定的智能化，可操作性和稳定性好。

第1章绪论

1.1课题背景与研究意义

在工农业生产中，常常需要测量液体液位。

随着国家工业的迅速发展，液位测量技术被广泛应用到石油、化工、医药、食品等各行各业中。

低温液体（液氧、液氮、液氩、液化天然气及液体二氧化碳等）得到广泛的应用，作为贮存低温液体的容器要保证能承受其载荷；在发电厂、炼钢厂中，保持正常的锅炉汽包水位、除氧器水位、汽轮机凝气器水位、高、低压加热器水位等，是设备安全运行的保证；在教学与科学研究中，也经常碰到需要进行液位控制的实验装置。

1.2国内外研究现状及发展

液位测量的方法比较多，依据测量方式的不同可分为接触式与非接触式两种类型。

●接触式测量法

接触式测量法是指测量用传感器直接与容器内存储液体相接触，从而获得测量参数的方法。

1.人工检尺法

人工检尺法可用于测量油罐液位，其历史十分悠久。

它利用浸入式刻度钢皮尺测量液位，这种方法具有测量简单、可靠性高、直观、成本低的优点，但人为读数误差大、无法实现自动检测和操作。

2.电参数测量法

常见的有电阻法、光电法、测重法、电容法、浮标法及声光电的反射回波法等。

无论怎样，这些方法的关键是利用液位传感器将液位的相对位移量转换成为电压、电流、阻抗等便于进行电处理的物理量。

限于篇幅，下面仅简单介绍电容测量法的基本原理。

本方法所使用的电容通常由两块圆柱形极板或一个探极与罐壁构成。

当液位不同时，电容器的介电常数就不同，故电容量也不同。

在此基础上可以把电容量转化为电压、相移、频率、脉宽等物理量，再进行测量。

电容式液位测量装置通常结构简单、灵敏度高、稳定性好、动态响应快，适合于恶劣的工作环境，生产成本也不高；但电容液位测量器需要考虑温度补偿，且介质的成分、水分、温度、密度等不确定变化因素直接影响测量结果的准确性，另外检测电路比较复杂，尤其是检测微小电容量的变化。

●非接触式测量法

非接触式测量法包括超声波法、调制型光学法、微波法等。

其特点是测量手段并不采用浮子之类的固态物，而是利用声、光、射线、磁场等的能量。

液位传感器不和被测介质接触，不受被测介质影响，也不影响被测介质，故适用范围广泛。

特别是接触式测量装置不能适用的特殊场合，如高粘度、强腐蚀性、污染性强，易结晶的介质。

下面简单介绍超声波法和微波法的测量原理。

超声波法：

换能装置将电功率脉冲转换为超声波，射向液面，经液面反射后再由换能器将该超声波转换为电信号，超声波法可用于多液面的测量。

超声波是机械波，传播衰减小，界面反射信号强，且发射和接收电路简单，因而应用较为广泛；但超声波的传播速度受介质的密度、浓度、温度、压力等因素影响，其测量精度往往较低。

微波法：

微波通过天线辐射出去，经液面反射后被天线接收，然后由二次电路计算发射信号与接收信号的时间差得出液位。

微波速度受传播介质、温度、压力、液体介电常数的影响很小，但液体界面的波动、液体表面的泡沫、液体介质的介电常数对微波反射信号强弱有很大影响。

当压力超过规定数值时，压力对液位测量精度将产生显著影响。

对波导管的锈蚀、弯曲和倾斜都会影响测量精度。

●光纤测量法

光纤液位检测是近年来出现的一种新技术。

根据光导纤维中光在不同介质中传输特性的改变对液位进行测量。

光纤液位测量有以下优点：

精度高、灵敏度好、抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好、检测现场无电、光路有抗扰性以及便于与计算机连接，便于与光纤传输系统组成网络等。

目前，市面上进行液位测量的仪表种类繁多，但是同时具有测量、监控、数据记录及处理的液位测量装置并不多。

在某些工业控制系统中，数据的测量这一基本功能已不能满足现代工业的要求，往往需要对大批数据进行记录，对其进行后期处理分析，实现差错控制、工艺改善、资源优化等一系列工作。

为了获得大批量的数据，得到可靠的分析资料，往往需要长期、多网点的监控记录。

在液位测量这一领域中，如江河湖海、城市用水等方面，大量数据长时间，多网点的采集记录分析具有普遍的意义。

液位的变化分析，有助于人们进一步对自然环境、天气变化甚至是灾害预警提供可靠的支持。

1.3本课题主要研究内容

本设计以水箱供水为模型，鉴于单片机液位测量装置的测量准确、重复性能好、功耗低、使用寿命长等特点，设计以单片机为基础的液位测量监控记录系统。

具有实时液位测量监控数据处理等功能。

设计具体内容分为以下几个方面：

（1）系统硬件电路设计以及单片机选型；

（2）系统软件设计；

（3）上位机软件设计以及上位机与下位机通信设计。

第2章系统总体方案

2.1系统设计要求

本设计以水箱供水为模型，鉴于单片机液位测量装置的测量准确、重复性能好、功耗低、使用寿命长等特点，设计以单片机为基础的液位测量监控记录系统。

它具有实时测量监控水箱液位高度并显示的功能，并根据实时水量与设置的上、下液位参数的比较，启动电机供水或停止水泵。

在启动电机与停止水泵时，实时记录时间点与电机状态。

液位测量高度≤5米，测量精度10%，AC220V供电。

可通过上位机软件，可与监控记录系统进行通信，能够从PC机获取当前液位高度、电机状态、设备系统时间、上下液位高度等数据，并可根据需要改变系统默认的参数。

同时可以获取设备运行时记录的数据，并能够对数据保存。

能够根据一定的算法，计算分析单位时间水箱消耗水量，绘制图形，通过计算分析的结果，可以进行区域用水统筹，降低能源的消耗。

2.2系统框图

根据系统的设计要求，采用单片机为主控芯片，通过单片机数据地址总线及I/O端口，扩展数据存储模块、A/D转换模块、显示模块、时间模块、串口通信模块以及A/D转换、电机控制等外围电路，从而实现系统所需的设计功能。

系统总体方案框图如图2-1：

图2-1系统总体框图

图中，信号流向仅指示了通过数据地址总线或I/O口上发生的数据信号，不包括控制信号。

2.3硬件设计方案

2.3.1主控模块设计方案

单片机作为主控模块，使得在对单片机选型上有了较大的空间。

单片机在30多年的发展历程中，形成了多公司、多系列、多型号“百家争鸣”的局面。

因而，选择一个合适的单片机有时真的不太容易，要考虑的方面太多。

大致总结出以下几点：

1）单片机的基本参数。

例如速度、程序存储器容量、I/O引脚数量等。

2）单片机的增强功能。

例如看门狗、双指针、双串口、RTC（实时时钟）、EEPROM、扩展RAM、CAN接口、I2C接口、SPI接口、USB接口。

3）Flash和OTP（一次性可编程）。

4）封装：

DIP（双列直插）,PLCC（PLCC有对应插座）还是贴片。

5）工作温度范围，工业级还是商业机。

6）功耗。

7）工作电压范围。

例如设计电视机遥控器，2节干电池供电,至少应该能在1.8~3.6V电压范围内工作。

8）供货渠道畅通。

9）价格。

10）烧录器价格，能否ISP（在线系统编程）。

11）仿真器。

12）单片机汇编语言支持。

13）资料尽量丰富。

14）抗干扰性能好。

15）和其他外设芯片放在一起的综合考虑。

根据以上因素：

系统的实时性要求不高，因而运算速度无需很快，且系统规模不大，采用分时复用的方式使用总线，对I/O口的数量可以要求进一步降低。

使用4路8位I/O接口即可满足设计要求；系统中需要扩展外部存储器对数据进行存储，数据存储量为32KB已满足要求，因此采用16位或准16位地址总线的单片机即可满足设计需要；由于是实验阶段，采用DIP（双列直插）封装的芯片便于实验，暂不考虑实际工业控制中的对外界环境的具体要求；系统采用AC220V供电，且对功耗没有具体要求，使用DC5V为芯片供电，便于系统外围电路的设计；芯片支持ISP可节省仿真器的投入。

综上所述，采用与MCS-51兼容的AT89S52单片机满足设计要求。

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS工艺的8位微控制器，具有8K在线系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

AT89S52具有以下标准功能：

8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

2.3.2键盘模块设计方案

键盘在单片机应用系统中是一个很关键的部件，它能实现向单片机输入数据、发送命令等功能，是人工干预单片机系统的主要手段。

考虑到本设计实际需要的按键较少，故采用独立式键盘接口电路即可。

2.3.3显示模块设计方案

显示器是计算机的主要输出设备，在简单的工业控制系统中，常用的显示器有数码管显示器（LED），液晶显示器（LCD）等，该系统仅需显示液位高度，即数字量，采用LED显示器已能满足系统要求。

系统中，要求测量范围≤5m，测量精度为10%，假设测量范围为5m，在10%精度的要求下，其测量的有效值为5*10%=0.5m。

因而采用2位LED显示器便能满足设计要求。

在单片机应用系统中，LED显示器的现实方法有两种：

静态显示法和动态显示法。

静态显示法的优点是显示程序十分简单，显示亮度大，由于CPU不必经常扫描显示器，所以节约了CPU的工作时间。

但静态显示也有其缺点，主要是占用I/O口资源较多，硬件成本较高。

所以静态显示法常用在显示器数目较少的应用系统中。

为了解决静态显示占用I/O口资源的缺点，在软件上采用压缩BCD码输出显示数据，硬件上使用一个8位锁存器74LS273与两个BCD数码显示译码驱动芯片74LS47连接，减少对系统资源的占用时间。

由于74LS47译码为共阳极数码管的码表，因而选用8段（带小数点）共阳极LED用于数据显示。

高位显示米单位，低位显示分米单位，且高位小数点常亮。

单片机使用1位I/O口控制数据的锁存。

2.3.4数据存储模块设计方案

使用AT89S52内部256字节的数据存储器记录数据是远远不够的，因而需要扩展数据存储器进行数据存储。

数据存储器可选择的种类繁多，常用的有随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）与闪存（FLASH）。

RAM是存储单元的内容可按需随意取出或存入，且存取的速度与存储单元的位置无关的存储器。

这种存储器在断电时将丢失其存储内容，故主要用于存储短时间使用的程序。

ROM通常指固化存储器（一次写入，反复读取），它的特点与RAM相反。

ROM又分一次性固化、光擦除和电擦除重写两种类型。

闪存则是一种不挥发性（Non-Volatile）内存，在没有电流供应的条件下也能够长久地保持数据，其存储特性相当于硬盘，这项特性正是闪存得以成为各类便携型数字设备的存储介质的基础。

NOR和NAND是现在市场上两种主要的非易失闪存技术。

NAND闪存的存储单元则采用串行结构，存储单元的读写是以页和块为单位来进行（一页包含若干字节，若干页则组成储存块，NAND的存储块大小为8到32KB），这种结构最大的优点在于容量可以做得很大，超过512MB容量的NAND产品相当普遍，NAND闪存的成本较低，有利于大规模普及。

NAND闪存的缺点在于读速度较慢，它的I/O端口只有8个，比NOR要少多了。

这区区8个I/O端口只能以信号轮流传送的方式完成数据的传送，速度要比NOR闪存的并行传输模式慢得多。

再加上NAND闪存的逻辑为电子盘模块结构，内部不存在专门的存储控制器，一旦出现数据坏块将无法修，可靠性较NOR闪存要差。

NOR的特点是芯片内执行（XIP,eXecuteInPlace），这样应用程序可以直接在flash闪存内运行，不必再把代码读到系统RAM中。

NOR的传输效率很高，在1～4MB的小容量时具有很高的成本效益，但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。

NAND结构能提供极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速度也很快。

应用NAND的困难在于FLASH的管理和需要特殊的。

可以看出ROM的存储复杂，不适宜实时系统的数据存储。

FLASH是一个不错的解决方案。

鉴于系统的复杂程度，暂时不考虑使用FLASH作为存储单元。

根据设计要求，记录某一记录点（电机状态改变时刻）的状态与时间需要6字节数据，即年（2000-2099年）、月（1-12月）、日（1-31日）、时（0-23时）、分（0-59分）、状态（0或1）这些数据，如果系统长时间的工作，将会有大批量的数据产生，假若数据存储空间不够大，将会产生数据的覆盖，从而降低了对数据分析的准确性。

因此选用32K字节的数据存储器，可以记录大于5000项记录点数据，考虑到水箱上水与耗水的频繁程度不高，5000项数据已基本满足后期数据处理的需求。

在实际应用中，系统设计在不掉电的工作环境下；软件上，上位机软件对数据提取后即可保存在PC机中，5000项数据进行时间上的缓冲是充足的。

为节省CPU的工作时间，且由于RAM存储速度快、使用方便等特点，从而可以忽略了RAM掉电数据丢失的缺点。

2.3.5时间模块设计方案

通过单片机的定时器，可以设计时间功能，然而单片机自身的产生时间数据大大占用了系统的资源，降低了工作效率，甚至影响了其他功能的实现，因此在本设计方案中，采用了外部芯片提供时间信号，用以系统记录时间信息。

目前市场上的时钟芯片很多，如DS1302/DS1307/HT1380/HT1381/PCF8563等。

DS1302是DALLAS公司推出的涓流充电时钟芯片，内含有一个实时时钟/日历和31字节静态RAM，通过简单的串行接口与单片机进行通信。

实时时钟/日历电路提供秒、分、时、日期、日、月、年的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整，时钟操作可通过AM/PM指示决定采用24或12小时格式。

DS1302与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信，仅需用到三个口线

（1）RES（复位），

（2）I/O（数据线），（3）SCLK（串行时钟）。

时钟/RAM的读、写数据以一个字节或多达31个字节