水箱液位控制器的设计与研究学士学位论文.docx
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水箱液位控制器的设计与研究学士学位论文
水箱液位控制器的设计与研究
姓名：
王文雷
学号：
200905220130
指导教师：
张裕仕
学院：
光电工程学院
专业：
电子信息工程
完成日期：
2013年05月25日
学士学位论文
水箱液位控制器的设计与研究
姓名：
王文雷
学号：
200905220130
指导教师：
张裕仕
学院：
光电工程学院
专业：
电子信息工程
完成日期：
2013年05月25日
摘要
人们生活以及工业经常涉及到水位和流量的控制问题，例如饮料、食品，居民生活等的用水的供应，污水处理，溶液过滤，化工生产等多种行业的生产加工过程，通常要使用蓄水池。
蓄水池中的水位需要维持一定的高度，太多容易溢出而造成浪费，过少则无法满足用水需求。
因此，需要设计合适的控制器系统来调整蓄水池的进出流量，使得蓄水池内水位保持正常水平，以保证产品质量和生产效益。
这些实际问题其实都可以简化为水箱的水位控制问题。
因此液位是工业生产控制过程中一个重要的参数。
特别是在动态的状态下，采用适合的方法对水位进行检测、控制，能收到很好的效果。
矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。
水箱液位控制系统的设计应用非常长广泛，可以把一个复杂的液位控制系统简化成一个水箱水位控制系统来实现。
所以就选择了该题目的设计。
聞創沟燴鐺險爱氇谴净。
本水箱液位控制器的单片机系统设计的目的是应用单片机控制技术，以单片机为核心控制水箱的水位，并实现了报警和手动、自动切换功能。
该系统操作方便、性能良好，比较符合工厂生产用水系统控制的需要。
残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。
关键词：
单片机；水位；控制；报警
Abstract
Peoplelifeandindustrialproductionofeninvolvesthecontrolofliquidlevelandflow,suchasbeverage,foodprocessing,residentslivingwatersupply,sewagetreatment,filteringsolution,chemicalproductionandotherindustriesintheproductionproductionprocess,itiscommontousealiquidstoragetank.Theliquidlevelinthereservoiroftheneedtomaintaintheappropriateheight,toofulltooverflowcausedbywaste,toolittleisunabletomeetthedemand.therefore,needtodesignasuitablecontrollerautomaticallyadjusttheimportandflowofliquidstotagetank,theliquidstoragetanktomaintainnormallevels,toensureproductqualityandproductionefficiency.Theactualproblemsofthesedifferentbackgroundcanbesimplifiedtothewatertanklevelcontrol.Therefore,theliquidlevelisanimportantparameterinindustryprocesscontro.Especiallyinthedynamicstate,usingthesuitablemethodfordetection,controloftheliquidlevel,cangetverygoodproductioneffect.酽锕极額閉镇桧猪訣锥。
Designandapplicationofwatertankliquidlevelcontrolsystemisverylong,canbeacomplexliquidlevelcontrolsystemissimplifiedintoawatertankliquidlevelcontrolsystem.SoIchosethedesignofthesubject.彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。
ThewatertankliquidlevelcontrollerMCUsystemisdesignedusingchipmicrocomputercontroltechnology,thesingle-chipmicrocomputerasthecorecontrolthewaterlevelofthewatertank,andimplementationofthealamandmanual,automaticswitchingfunction.thesystemiseasytooperate,goodperformance,moreinlinewiththefactoryproductioncontrolofwatersystem.謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。
Keywords:
singlechipmicrocomputer;waterlevel;control;alarm厦礴恳蹒骈時盡继價骚。
第1章引 言
水箱水位控制系统是我国广泛应用的供水系统，传统的控制方式存在控制精度低、能耗大的缺点，而基于单片机的自动控制的原理，用水量的变化自动调节协同的运行参数，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，经过多次的实验证明，灵敏性好，是节约水源，方便家庭和单位控制水位的理想装置。
该系统采用单片机实现了水位的自动控制，设计出一种成本低、高实用价值的水位控制器。
它能自动完成上水停水的全部循环，保证液面高度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，适用于各种高层液体储存的理想设备。
阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。
不论社会经济如何飞速，水在人们正常生活和生产中起着重要的作用。
一旦断了水，轻则给人民生活带来极大的不便，重则可能造成严重的生产事故及损失，从而对供水系统提出了更高的要求，满足及时、准确、安全充足的供水。
如果仍然使用人工方式，劳动强度大，工作效率低，安全性难以保障，由此必须进行系统的改造。
从而实现提供足够的水量、平稳的水压、水位的自动控制有设计成本低、高实用价值的控制器。
氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。
单片机，一小块芯片上集成了一个微型计算机的各个组成部分，它的诞生使众多自动化控制系统得以实现。
单片机以它功能强大，设计简单，制造廉价，支持指令集较多。
所以应用到众多系统开发中。
釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。
因此，基于单片机的水箱水位自动控制器的研究有着重要的意义。
第2章 基于单片机的水箱水位控制器的原理
2.1 单片机概述
单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer,SCM）简称单片机，是把微型计算机的基本功能部件（中央处理器CPU、数据存储器RAM、程序存储器ROM、定时/计数器以及I/O接口等）集成在一块芯片上的一种微型计算机。
随着SCM在架构上的不断发展，新一代单片机不断涌现，这些单片机的控制功能被不断扩充，许多外围功能部件被内装化，如A/D、PWM、WDT等，所以已不能用SCM来准确表达其内涵了。
目前国际上统一称单片机为MCU。
在国内，因单片机一词已约定俗成而继续沿用，但其内涵应该对应MCU。
由于单片机主要是面向控制的，因此又称其为微控制器[1]。
怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。
2.2 水箱给水设备原理
水箱给水设备系统由两台给水泵机组、水箱和三只浮球开关组成，其系统结构如图2-1；系统框图2-2；
图2-1 水箱给水控制器结构图
其中M1、M2为给水泵机组，LG、LD、LDD分别为水位高、水位低、水位过低浮球开关，当水位高（大于90%）时，LG闭合，当水位低（小于75%）时，LD闭合，当水位过低（50%）时，LDD闭合[2]。
谚辞調担鈧谄动禪泻類。
2.3 80C51单片机控制系统原理
2.3.1 80C51单片机控制部分结构说明
本系统采用的单片机引脚具体控制如下：
P1口和P3口为输入输出检则信号和控制信号。
下面是芯片引脚具体分配：
P1.0：
水位过低输入信号（低0，高1）
P1.1：
水位低输入信号（低0，高1）
P1.2：
水位高输入信号（高1，低0）
P1.3：
手动与自动转换输入信号（手动1，自动0）
P1.4：
M1起动KM1控制输出信号（手动1，自动0）
P1.5：
M2起动KM1控制输出信号（手动1，自动0）
P1.6：
M1开关状态输入信号（开0，关1）
P1.7：
M2开关状态输入信号（开0，关1）
P3.0：
水位过低报警输出信号
P3.1：
水位低报警输出信号
P3.2：
水位高报警输出信号
P3.4：
手动起动M1输入信号，低电频有效动作
P3.5：
手动起动M2输入信号，低电频有效动作
P3.6：
手动停M1输入信号，低电频有效动作
P3.7：
手动停M2输入信号，低电频有效动作[3]
2.3.2 基于单片机的水箱控制系统工作原理
当水箱水位低时，起动M1给水，水位上升到90%，停M1；
当水箱水位过低（小于50%）时，同时起动M1、M2；
当水位上升到50%以上70%以下时，停M2，M1继续运行到水位上升到90%以上才停止工作。
经过数据统计，得到以下数据：
水位从50%--70%，两台泵运行需要约10分钟；
水位从70%--90%，一台泵运行需要约15分钟。
水箱的水位一般保持在70%--90%[4]。
报警控制如下：
当水位高于90%的时候，由传感器通过变送器发送信号，LG闭合，系统液位过高报警。
当水位低于75%的时候，由传感器通过变送器发送信号，LD闭合，系统液位低报警。
当水位过低与50%的时候，由传感器通过变送器发送信号，LDD闭合，系统液位过低报警。
自/手动[5]模式控制转换如下：
自动的模式下，系统自动判断水位高低，选择不一样的工作状态。
手动模式下，两台给水泵的运行控制就可以由人工操作[6]。
其部分原理图如图2-3所示
图2-3水位控制电路原理图
开关K1,K2,K3,K4,K5,K6分别与单片机引脚P3.0,P3.1,P3.2,P3.3,P3.4,P3.5相连[7]，他们的功能分别是：
嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。
K1:
LDD自动正转加水M1M2;
K2:
LD自动正转加水M1;
K3:
LG自动停止M1M2;
K4:
LDD手动正转加水M1M2;
K5:
LG手动停止M1M2;
K6:
LD自动正转加水M1.
第3章 硬件设计
3.1 基于单片机的水箱水位控制器系统硬件简介
3.1.1 数据采集及处理模块
单片机是测量系统数据交换的中心，此控制器采用的是80C51单片机在全静态工作时振荡器频率为0～12MHz。
熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。
目前，8051单片机在工业检测控制领域中得到了广泛的应用，因此我们可以在许多单片机[7]应用领域中，配接各种外部设备，实现完成工业的自动化。
89C51是Intel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；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。
以上各个部分通过内部总线相连接。
下面简单介绍下其各个部分的功能[8]。
鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。
中央处理器CPU是单片微型计算机的指挥、执行中心，由它读入用户程序，并逐条执行指令，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、B5w、5P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的寄存器。
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。
指令寄存器中存放指令代码。
执行指令时，从程序存储器中取来并经译码器译码后，根据不同指令由定时与控制电路发出相应的控制信号，送到存储器、运算器或I/O接口电路，完成指令功能。
程序计数器PC用来存放下一条将要执行的指令，共16位．可对以K字节的程序存储器直接寻址c指令执行结束后，PC计数器自动增加，指向下一条要执行的指令地址[9]。
纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。
数据存储器，RAM，片内为128B，片外最多可外扩64KB。
数据存储器来存储单片机运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等。
片内的128B的RAM，以高速RAM的形式集成在单片机内，可以加快单颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。
片机运行的速度，而且这种结构的RAM还可以降低功耗。
程序存储器，ROM，用来存储程序，80C51为4KBROM。
如果片内只读存储器的容量不够，则需要用扩展片只读存储器，片外最多可以扩展到64KB。
濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。
中断系统，具有5个中断源，2级中断优先权。
定时器/计数器，片内有2个16位计数器/定时器，具有4种工作的方式。
在单片机的应用中，往往需要精确的定时，或对外部事件进行计数，因而需在单片机内部设置定时器/计数器部件[10]。
銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。
串行口，1个全双工串行口,具有4种工作的方式。
可用来进行串行通信，扩展并行I/O口，甚至与多个单片机相连构成多机系统，从而使单片机的功能更强且应用更广。
挤貼綬电麥结鈺贖哓类。
特殊功能的寄存器，SFR，共有21个，用于CPU对片内各功能部件进行控制、管理、监视。
单片机的时序功能：
时钟电路：
80C51片内设有一个由反向放大器所构成的振荡电路，XTALI和XTAL2分别为振荡电路的输入端和输出端。
赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。
时钟可以由外部方式产生或内部方式产生。
使用内部方式的时候，在C1和C2引脚上接微调电容和石英晶体就可以构成振荡器，振荡频率的选择范围在1.2—12MHZ之间。
在采用外部时钟[11]时，XTAL2用来输入外部的时钟信号，而XTALI用来接地。
塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。
时序：
单片机80C51的一个执器周期由六个状态（s1—s6）组成，每个状态又持续两个接荡周期，分为P1和P2这两个节拍。
这样，一个机器的周期由12个振荡周期而组成。
裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。
若采用12MHz的晶体振荡器，那么每个状态周期为1/6us，每个机器周期为1us；在一般情况下，逻辑和算术操作发生在N期间，而从内部寄存器到寄存器的传输则发生在P2期间。
仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。
对于单周期指令而言，当指令操作码读入指令寄存器[12]时，使从S1P2开始执行指令。
假如是双字节指令，则在同一机器周期的s4读入第二字节。
如果是单字节指令，则在51单片机期间仍进行读，但所读入的字节操作码被忽略，并绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。
且程序计算数据也不加1。
在结束时完成操作指令[13]。
多数Mcs—51指令周期有1—2个机器周期，只有除法和乘法指令才需要两个以上机器周期的指令，它们需机器周期4个。
对于双字节的单机器指令，通常在一个机器周期内从程序存储器内读入两个字节，但Movx指令除外，因为Movx指令是访问外部数据存储器的单字节的双机器周期指令，在执行Movx指令期间，外部数据存储器被访问并且被选同时跳过2次取指操作。
下面是80C51单片机的振荡电路。
图如3-1：
骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。
图3-1 80C51震荡电路原理图
引脚及其功能说明：
80C51单片机的40个引脚[7]中有2个是主电源引脚，4个控制或与其它电源复用的引脚，2个外接晶振的引脚，以及32条输入输出I/O引脚。
瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。
下面按引脚功能分为4部分叙述各个引脚的功能：
电源引脚Vcc和Vss
Vcc（40脚）：
接+5V电源的正端；
Vss（20脚）：
接+5V电源的正端；
外接晶振引脚XTAL1跟XTAL2：
XTAL1（19脚）：
接晶体外部的一端。
在单片机的内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器的构成采用外部时钟时，对于HMOS单片机，XTAL1引脚接地；对于CHOMS单片机，XTAL1引脚作为外部振荡信号的输入端[14]。
鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。
XTAL2（18脚）：
接石英晶体外部的另一端。
在单片机内部，接至片内振
荡器的反相放大器的输出端。
当采用外部时钟时，对于HMOS单片机，XTAL2引脚作为外部振荡信号的输入端。
对于CHMOS芯片，XTAL2引脚悬空不接。
栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。
本系统采用8051单片机，附图片如下3-2：
图3-2 80C51结构图
3.1.2光电隔离简介
输出通过继电器，控制水泵机组的起停和报警，其电路图如图3-3：
水箱的控制器由8051系统构成。
为避免电机的起停和电源波动时对电路的影响，输入输出均采用光电隔离。
光电隔离是半导体管敏感器件和发光二极管组成的一种新器件，它主要功能是实现电信号的传送。
输入与输出绝缘隔离，信号单向传输，无反馈影响。
抗干扰性强，响应速度快。
辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。
工作时，把输入信号加到输入端，使发光管发光，光敏器件在磁光辐射下输出光电流，从而实现光电的两次转换。
继电器隔离是用电信号控制继电器的机械触电来实现隔离控制[15]。
图3-3 光电隔离电路原理图
3.1.3给水泵电机主控回路介绍
给水泵电机主控回路图3-4如下：
图3-4给水泵电机控制电路原理图
图中水泵电机主控回路由两个水泵电机以及二直流电机驱动电路构成，主控回路的控制信号由单片机的P1.0,P1.1,P1.2,P1.3发出，他们的引脚功能如下：
峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。
P1.0：
M1起动KM1控制输出信号。
（手动1，自动0）；
P1.1：
M1起动KM1控制输出信号。
（手动1，自动0）；
P1.2：
M2开关状态输入信号。
（开0，关1）；
P1.3：
M2开关状态输入信号。
（开0，关1）。
3.1.4二级管显示电路设计
二级管显示电路如图3-5所示
图3-5报警电路
该电路主要由三个发光二极管构成，它们分别与单片机的P0.0,P0.1,P0.2端口相连[16]，其中D1是电机加水提示灯，D2是电机抽水提示灯，D3是电机停止提示灯。
詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。
3.280C51水箱控制系统主控硬件部署方案
3.2.180C51单片机实现控制功能说明
80C51为数据采集及处理模块核心，它主要完成系统对水位高低信号是否满足指标的信息的采集的任务，并对采集到的水位信号通过系统程序进行对信号的判断等处理，根据采集信号的不同，驱动相应信号对应功能的引脚来实现对水箱水位的控制。
则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。
3.2.2相关器件
单片机80C51；电动机MOTOR；LED灯；开关；模拟水箱
3.2.380C51水箱控制系统主控硬件部署方案
本系统电路分别由单片机80C51，泵电机M1,M2控制电路，水位反馈与报警控制电路三部分组成，通过该电路实现对水箱废水排放和进水手动、自动切换以及报警功能[17]。
其原理图如下图3-6:
胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。
图3-6基于80C51单片机的水箱控制系统原理图
第4章单片机水箱水位控制器程序设计
4.1程序概要设计
本系统程序开发，使用的语言是汇编语言。
程序实现当水位处于LG（高）、LD（低）或LDD（过低）时，报警信号输出，判断泵水方式（自动或手动）。
当水位到达规定容量时，停止泵水。
在次程序中，低电平为有效（即0为有效）,高电平为无效（即1为无效）[18]。
鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。
ORG0000H
AJMPMAIN
ORG0060H
MAIN:
MOVP1,#FFH；P1P3口初始化置1
MOVP3，#FFH
JNBP1.3，AUT；若手动在自动位置，跳到自动模式子程序
AJMPMEN；否则转到手动模式子程序
END
主程序框架图如下：
图4-1 主程序原理框图
主程序要实现的是，对数据的初始化，并且判断用户是使用自动模式还是手动模式，根据用户的具体需求：
若用户选择自动模式，则程序调用自动化子程序；
若用户选择手动模式，则程序调用手动子程序。
4.2自动模式子程序原理以及流程框图
自动模式子程序运行的前置条件是，系统开始运行，并且用户选择使用自动化控制模式。
自动模式子程序
ORG0000H
AJMPMAIN
ORG0060H
MAIN：
MOVP1,#FFH；P1P3口初始化置1
MOVP3，#FFH
JNBP1.3，AUT；若手动在自动位置，跳到自动模式子程序
AJMPMEN；否则转到手动模式子程序
END
AUT：
NOP；空命令
JNBP1.2，LG；水位高-LG
JBP1.1，LD；水位没低-LD
CLRP3.1；水位低报警
JBP1.0,LDD；水位未低低-LDD
CLRP3.0；水位低低报警
JNBP1.6,Y1；M1已启动-Y1
CLRP1.4；否则启动M1
Y1：
JNBP1.7,Y2；M2已启动-Y2
CLRP1.5；否则启动M2
Y2：
ACALLDELAY；延时1分钟
AJMPAUT；返回自动模式
LDD：
JNBP1.6,Y3；单独运行M1（LDD〈水位〈LD）稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。
CLRP1.4
Y3：
JBP1.7，Y2
SETBP1.5
AJMPY2
LG：
CLRP3.2；水位高报警
LD：
AJMPMAIN；返回主程序
自动模式子程序原理框图如图4-2：
图4-2 自动模式子程序原理框图
自动模式子程序首先判断水位是否高LG，若水位高于指标，则运行“水位高报警”程序，并返回主程序。
若水位不高，则判断水位是否低LD，若水位低，则试运行“水位低报警”程序。
然后判断水位是否低低LDD：
陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。
若水位没有达到LDD的指标，则试判断“M1是否开启”，若没有开启，则开启M1;若“M1开启”则判断“M2是否开启”，若“M2开启”，则程序运行“停止M2”程序；若“M2没有开启”，则试程序运行“延迟1分钟”，一分钟后程序“返沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。
回主程序”。
若水位达到水位LDD的指标，则运行“水位低低报警”，然后程序判断“M1是否开启”，若“M1未开启”则运行“M1开启”程序；若“M1开启”则程序判断“M2是否开启”，若“M2未开启”则运行“M2开启”程序，若“M2开启”，则运行“延迟一分钟”，一分钟后程序“返回主程序”。
钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。
4.3手动模式子程序原理及流程框图
手动模式子程序运行的前置条件是，系统
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