基于单片机的水塔水位监测报警控制系统概要_单片机水塔水位控制

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株洲师范高等专科学校物理与电子工程系毕业论文 基于单片机的水塔水位监测报警控制系统 姓 名： 刘治标 指导老师：

专 业： 应用电子技术 班 级： 07级应用电子班 学 号： 04207108 时 间：

错误！未找到引用源。摘 要

本设计从分析水塔水位报警器的原理和设计方法入手，主要基于单片机的硬件电路和语言程序设计, 实现一种能够实现水位自动控制、具有自动保护、自动声光报警功能的控制系统。本控制系统由A/D转换部分、单片机控制部分、数码显示部分、电机驱动部分、电机控制部分等构成。同时对各个部分进行了详细的论述，并给出了主要的流程图和软件设计程序。这是个简单而灵敏的监测报警电路，操作简单，接通电源即可工作。因为大部分电路采用数字电路，所以本水位监测报警器还具有耗能低、准确性高的特点。

关键词：单片机 ；水位自动控制

From the analysis of the design of the towers level alarm principle and design method of the main based on single-chip microcomputer hardware circuit and

programming language, achieve a level to realize automatic control, automatic protection and automatic control system of the audible and visual alarm function.This system consists of A/D conversion parts and single-chip microcomputer control section, digital display section, motor drive, motor control parts etc.For each part discued in detail, and gives the main flow chart and design of the software program.This is a simple and sensitive monitoring alarm circuit, simple operation, turn on the power can work.Because most of the circuit USES digital circuit, so the water monitoring alarm also has low energy consumption and high accuracy.目录 摘要..............................................................................................................................................I 第一章 绪

论.............................................................................................................................1 第二章 水位控制硬件设计...........................................................................................................2 2.1 基本要求............................................................................................................................2 2.2 硬件设计............................................................................................................................2 2.2.1 电路总体框架图设计.............................................................................................2 2.2.3 水塔水位控制电路.................................................................................................5

2.3 数码管与LED 显示..........................................................................................................6 2.3.1 相关芯片简介.........................................................................................................7 2.3.2 显示部分工作原理.................................................................................................7 2.4模数转换.............................................................................................................................9 第三章．软件设计.........................................................................................................................12 3.1整体设计...........................................................................................................................12 3.3.1主程序流程图........................................................................................................12 3.4.2 数据采集程序.......................................................................................................15 结

论..............................................................................................................................................24 参考文献.........................................................................................................................................25

致谢................................................................................................................................................26 第一章 绪 论 在工业生产中, 对温度控制系统的要求, 主要是保证炉温按规定的温度工艺曲线变化, 超调小或者求不高。无超调, 稳定性好, 不振荡, 对系快速性要求不高。本文浅析了单片机电阻控温系统设计过程及实现方法。热电偶将炉温变换为模拟电压信号, 经低通滤波滤掉干扰信号后送放大器, 信号放大后送模/数转换器转换为数字量送单片机。同时, 热电偶的冷端温度也由IC 温度传感器变为电压信号, 经放大和转换后送单片机。

通过检测锅炉温度的来实现自动控制外部设备的运行, 如当传感器检测到水温过高时, 转换成电压经过模/数转换送入单片机, 通过比较程序输出信号控制光电耦合器的通短来控制继电器的输入电流通短, 再通过继电器来控制外部设备如水泵的运行情况。温度过低时关闭输出, 而关闭水泵的输入即减少了冷水吸收热量, 当温度升高后又打开水泵, 这样实现循环控制.而通过数码显示我们可以观看锅炉各个点的温度, 来判断运行是否正常.同时通过各点的温度的纪录和出产品的纪录可以计算出该系统在某段时间是否起到了节能的作用.所以本设计对节能控制有着很大的意义.设计的控制任务要求用单片机实现, 数码管显示.单片机是将RAM,ROM, 定时器/计数器以及输入/输出(I/O接口电路等计算机主要部件集成在一块芯片上, 这样所组成的芯片级微型计算机称为单片微型计算机, 简称单片微机或单片机.由于单片机的硬件结构与指令系统都是按工业控制要求设计的, 常用于工业的检测和控制当中, 因而也称为是微控制器或嵌入式控制器.单片机的特点:1.具有优异的性能价格比;2.集成度高, 体积小, 可靠性高;3.控制功能强;4.低电压, 底功耗.在设计过程中我们采用了软件和硬件双结合的的设计方法，而软件的设计简化了硬件要求。在本设计中软件主要有五个方面的应用，它们分别为：数据采集，显示程序，键盘控制和水泵控制。数据采集主要完成温度的采集和数据的处理，显示

则是把要显示的温度用七段数码显示出来，而键盘程序则是使其相应的键完成相应的工作和要求，水泵控制则是检测水泵的运行和水位。

第二章 水位控制硬件设计 2.1 基本要求

控制水箱的水位去趋近指定目标值，水位指定范围为10—5CM，控制精度0.4C 实测水位用十进制数码显示。

2.2 硬件设计

2.2.1 电路总体框架图设计

图2.2.1 控制原理图

虚线表示允许水位变化的上下限。水塔由电机带动水泵供水，单片机控制电机转动以达到对水位控制的目的。

①当水位上升，达到上限时，因水导电，B、C 棒连通+5V。b、c 均为“1”，应停止电机和水泵的工作，不再供水；

②当水位降到下限时，B、C 棒都不能与A 棒导电。b、c 均为“0”，应启动电机，带动水泵工作，给水塔供水；

③当水位处于上下限之间时，B 与A 棒导通。b为“1”，c为“0”，无论怎样都应维持原有的工作状态。

上下限水位信号由P1.0和P1.1输入，这2个信号共有4种组合状态： 2 控制信号由P1.2端输出，去控制电机。为了提高控制的可靠性，使用了光电耦合；

由P1.3输出报警信号，驱动一支发光二极管进行光报警。图2.2.2控制电路图 0：电机工作 1：电机停止 2.2.2 80C51芯片功能与引脚介绍

下面是8051单片机引脚图及引脚功能介绍：

图2.2.2 80C51的引脚图

40个引脚按引脚功能大致可分为4个种类：电源、时钟、控制和I/O引脚。⒈ 电源: ⑴ VCC接地端；

注：用万用表测试单片机引脚电流一般为0v 或者5v，这是标准的TTL 电平，但有时候在单片机程序正在工作时候测试结果并不是这个值而是介于0v-5v 之间，其实这之是万用表反映没这么快而已，在某一个瞬间单片机引脚电流还是保持在0v 或者5v 的。

⒉ 时钟:XTAL1、XTAL2-晶体振荡电路反相输入端和输出端。⒊ 控制线:控制线共有4根，⑴ ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM 编程脉冲 ① ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址

② PROG功能：片内有EPROM 的芯片，在EPROM 编程期间，此引脚输入编程脉冲。

⑵ PSEN:外ROM 读选通信号。⑶ RST/VPD:复位/备用电源。

① RST（Reset）功能：复位信号输入端。② VPD功能：在Vcc 掉电情况下，接备用电源。

⑷ EA/Vpp:内外ROM 选择/片内EPROM 编程电源。选择端。

② Vpp功能：片内有EPROM 的芯片，在EPROM

① EA功能：内外

ROM

编程期间，施加编程电源Vpp。⒋ I/O线

80C51共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。

2.2.3 水塔水位控制电路

这里有一个水塔模型，如图2.2.3所示，水箱是用透明有机玻璃胶合而成（或用现成的透明塑料盒），箱内插入一块金属板（代表箱体的金属外壳），金属板上装有两根塑料包皮的硬导线，分别作为高、低液位的探针，图中的“1”、“2”、“3”三端分别与高、低液位探针和金属板相通，“4”、“5”是离心式水泵模型电动机的接线端。

图2.2.3 水塔模型

水塔水箱里的水位由继电器来控制，这只继电器的原理结构如图2.2.4所示，它的线圈有放大作用，将6、7两端放入水中而不直接接触，继电器线圈即可导通而使衔铁动作。继电器的衔铁可以控制两把闸刀，每刀都有常开、常闭触点各一对。图2.2.4 继电器的原理结构图

设计连接好电路，使得水塔水位低于低液位探针时，抽水机工作；当水位上升到高液位探针时，抽水机停止工作；当水位下降时仍不工作，直到水位低于低液位探针时，重又工作。

图2.2.5 继电器线圈放大电路如图 2.3 数码管与LED 显示

模拟水位高度由15个双色发光二极管（LED）来完成，共分为4组。在某一特定时刻，每组LED 与一个数码管一起被选通（4组LED 对应4个数码管），两个8位的移位寄存器741S164级联，将单片机送出的2个字节串行数据转化为16位并行数据，分别送选通的LED 和数码管。在不同时刻，系统对4组LED 和数码管快速地循环扫描，就完成了面板显示的功能。

2.3.1 相关芯片简介

显示部分用到的芯片包括数据缓冲器74LS244以及多路开关CD4051。数据缓冲器74LS244。74LS244 缓冲器常用作三态缓冲或总线驱动，+5V供点，其高电平时输出最大电流可达15mA, 低电平输出时最大电流可达24mA, 足以驱动数码管和LED 工作。74LS244共8个输入输出通道，通过门控端G1和G2来选择其通断，其功能原理及引脚如图2.3.2所示。

图2.3.1 74LS244内部结构及引脚图

从图中可以看出，当引脚1G 为低电平时，输入通道1A~1A4与输出通道1Y1~1Y4连通；当引脚1G 为高电平时则截止。同理引脚2G 控制着输入通道2A1~2A4与输出通道2Y1~2Y4的通断。

2.3.2 显示部分工作原理

首先介绍一下双色二极管的功能和用法。表2.3.2所示，1个双色二极管有3个引脚，引脚1、2均为信号“+”端，引脚3为GND 端（信号“—”端）。引脚电平（TTL 电平）与LED 显示颜色如图2.3.2所示。

表2.3.2 双色二极管功能表 7 图2.3.2 双色二极管外观图

数码管及LED 显示电路如图2.3.3所示，RC5口作为串行数据的同步时钟端，与74LS164的数据输入端相连；RC3口作为串行数据的同步时钟端，与74LS164的同步时钟输出端均与SPI 方式时端口一样；实际应用中，若不用SPI 方式，而用第5章中提到的模拟数据串行口时，可以用任何普通I/O端口代替）。两片移位寄存器74LS164的并行数据输出端则分别与两片数据缓冲器74LS244的输入端相连，RD7口作为数据缓冲器74LS244的门控信号输出端，控制74LS 244的通断。

图2.3.3 数码管和LED 显示电路

每4个双色二极管和1个数码管一组，二极管的8个信号“+”端分别与第一片74LS244的8位数据输出端相连，数码管的8位数据输入端分别与第二片74LS244的8位数据输入端相连，每组二极管和数码管的GND 端都与CD4051的1个输入通道相连，CD4051的输出端与系统的“地”相连。RE0～RE1口作为地址译码输出端口，用于多路开关CD4051的4路通道选择，每一时刻只有一组共4个二极管和1个数码管被选通，其GND 端同系统的“地”构成通路，其他的二极管与数码管则不能构成通路。

每向74LS164传送完两个字节共16位数据，通过RD7口使能74LS244，将 8

数据送到二极管和数码管的输入口，然后通过RE0～RE1口打开一条通道，则被选通的数码管和二极管就会按照接收的数据进行相应的显示。不断地发送新数据并利用CD4051循环的扫描4个通道，则所有的二极管和数码管 就会持续的发光显示。

另外由一个双色二极管作为报警灯，RD5口与二极管的引脚1相连，RD4口与二极管的引脚2相连。

2.4模数转换 近年来.微机测控系统.特别是单片机在工业自动化，生产过程控制，智能化仪器仪表等领域的应用越来越深入和广泛。这使得传感器的应用更为显著, 测温传感器就是将温度信息转换成易于传递和处理的电信号的传感器, 测温传感器的选择及合理使用是微机测温系统中设计的关键。同理液位传感器是将液位信号转换成易于传递和处理的电信号。

A/D转换器件的选择主要取决与温度的控制精度，本设计中的A/D转换由集成电路ADC0809完成。A/D转换器分类及性能指标。A/D

转换器是将模拟量转换成数字信息接口电路, 按工作原理分为:逐位比较型, 并行比较型, 双积分型, 电压频率型及计数比较型等ADC0809转换器的内部结构如下：

图2.4.1 ADC0809转换器的内部结构

1）ADC0809是逐次逼近型8位转换芯片, 具有8路模拟输入端口，ADC0809芯片采用多路模拟开关, 允许8路模拟量分时输入, 共享一个A/D转换器完成转换。模拟输入通道选择地址及转换结果均有锁存译码器。下图为引脚图：图2.4.2 ADC0809转换器的引脚 它的主要引脚及功能如下： INO-IN7: 8个模拟通道输入端 D0-D7: 8位数字量转换结果输出端 ADDA,ADDB,ADDC :模拟通道选择路地址 ALE: 路地址锁存信号输入端

START:启动转换信号输入端，加上正脉冲后，A/D开始转换

EOC:转换结束输出信号，转换开始后EOC 信号变低；转换结束时，EOC 信号返回

高电平

OE:输出允许控制端，高电平时打开三态输出锁存器，输出转换结果 CLK:芯片工作时钟信号

VREF(+与VREF(-：芯片工作参考电压输入端 2）.ADC0809转换器的特点

ADC0809 芯片性能特点:是一个逐次逼近型的A/D转换器, 外部供给基准电压;单通道转。换时间116us 分辨率8位, 带有三态输出锁存器, 转换结束时, 可由CPU 打开三态门。读出8 位的转换结果;8个模拟量的输入端, 可引入8 路待转换的模拟量。ADC0809的数据输出结构是内部有可控的三态缓冲器, 所以它的数字量输出信号线。可以与系统的数据总线直接相连。内部的三态缓冲器由OE 控制,OE 为高电平时三态。缓冲器打开, 将转换结果送出;当OE 为低电平时, 三态缓冲器处于阻断状态, 内部数据对。外部的数据总线没有影响。因此, 在实际应用中, 如果转换结束, 要读取转换结果, 则只要在OE 引脚上加一个正脉冲,ADC0809 就会将转换结果送到数据总线上。在本系统中，ADC0809 在电路中的连接如下图所

示，在模拟量之前加入滤波电路是为了使采集数据更加准确，对于模拟输入通道，还需要采用一些消除干扰的措施，这点在应用时需注意.11 第三章．软件设计 3.1整体设计 3.3.1主程序流程图 3.4.1主程序： ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0003H LJMP INTA 图3.3.1 主程序流程图 ORG 0013H LJMP INTB ORG 0030H 初始化； MAIN:MOV SP,#60H MOV A,#00H 清零 MOV 30H,A 12

MOV 31H,A MOV 32H,A MOV 33H,A MOV 34H,A MOV 35H,A MOV 36H,A MOV 37H,A MOV 38H,A MOV 39H,A MOV 40H,A MOV 41H,A MOV 42H,A MOV 43H,A MOV 44H,A 单元清0处理； MOV 36H,#01H 进烟温度高八位； MOV 37H,#09H 进烟温度低八位 ； MOV 38H,#250 进烟温度下限值； MOV 39H,#100 水温上限值； MOV 40H,#70 水温下限值；

CLR RS0 13 CLR RS1 选择工作寄存器组R0； LP3: LJMP LP1 LJMP LP2 LJMP LP3 跳入子程序和中断程序； SJMP$ END 14 3.4.2 数据采集程序 LP1:MOV DPTR,#0EFF0H MOV R1 ,31H MOV R7,#04H 设置通道数； 15

LOOP:MOVX @DPTR,A 启动A/D转换器； MOV R6,#20H DJNZ R6,$ 延时等待；

DLAY:JB P3.3,DLAY 查寻EOC，EOC=1则等待转换 MOVX A,@DPTR INC DPTR INC R1 DJNZ R7,LOOP MOV A,31H MOV B,#05H

MOVL AB MOV 31H,A MOV 30H,B MOV R0,32H MOV R2,#03H LOOP1:MOV B,#05H MOV B,#05H MOV A,@R0 结束；读取转换结果； 转存在片内RAM 当中；指向下一通道；判断是否采集完毕； 数据转换； MOV @R1,A MUL AB MOV @R0,A INC R0 DJNZ R4,LOOP1 MOV A,36H CJNZ A,30H,LOOP2 MOV A,37H SUBB A,31H JB C,LOOP3

修改数据指针；

MOV A,30H JNE LOOP4 MOV A,31H SUBB A,38H JB C,LOOP3 SUBB A,34H JB C,LOOP3 MOV A,34H 17 数据比较； 进烟温度上下限比较；水温上下限值比较；C,LOO3 LOOP4:MOV A,39H SUBB A,40H JB C,LOOP3 LJMP LOOP5 LOOP3:MOV P2 LOOP5:RET 3.4.3 显示程序： LP2：MOV A,35H MOV B,#100 DIV AB

CLR C LOOP2:JB MOV 41H,A MOV A,B MOV B,#10 DIV AB MOV 42H,A MOV 43H,B MOV 44H,30H MOV 44H,36H MOV A,45H MOV A,43H 18 报警； 返回；ADD A,#06H MOV B,#10 DIV AB MOV 43H,B ADD A,42H ADD A,#05H MOV B,#10 DIV AB

数据BCD 转换 判断高位上否有值，否转 JZ LOP1

MOV 42H,B ADD A,41H ADD A,#02H LOP1:ORL 41H,#10H ORL 42H,#20H ORL 43H,#40H MOV R0,40H MOV R1,#03H MOV P1,A MOV R3,#02H AGAIN:MOV R4,#0F8H 19 显示数据 LOP2:MOV A,@R0 DELAY:DJNZ R4,DELAY DJNZ R3,AGAIN RET 返回 3.4.4键盘程序：

INTA:PUSH ACC 保护现场 PUSH PSW PUSH DPH

PUSH DPL JB P2.0,L0 判断流览键是否按下 MOV 35H,32H 中间温度显示 LJMP LP2 调用显示子程序 L1:JB P2.0,L0 MOV 35H,33H 出烟温度显示 LJMP LP2 L2:JB P2.0,L1 MOV 35H,34H 产品水温度显示 LJMP LP2 JB P2.0,L2 LJMP L16 L0:JB P2.1,L16 判断设定键是否按下 20 L6:JB P2.2,L4 CLR C MOV A,37H 进烟上下限设定 ADD 36H,#01H ADDC A,#00H

MOV 37H,A MOV 35H,37H LJMP LP2 L4:JB P2.3,L5 CLR C MOV A,37H SUBBC 36H,#01H SUBBC A,#00H MOV 37H,A MOV 35H,37H LJMP LP2 L5:JB P2.4,L6 L9:JB P2.2,L7 INC 38H MOV 35H,38H 21 L7:JB P2.3,L8 DEC 38H MOV 35H,38H

LJMP LP2 L8:JB P2.4,L9 INC 39H MOV35H,39H LJMP LP2 L10:JB P2.3,L11 DEC 39H MOV 35H,39H LJMP LP2 L11:JB P2.4,L12 L15:JB P2.2,L13 INC 40H MOV 35H,40H LJMP LP2 L13:JB P2.3,L14 产品水上下限设定 L12:JB P2.2,L10 MOV 35H,40H LJMP LP2 L14:JB P2.4,L15

L16:POP DPL 恢复现场POP DPH POP PSW POP ACC RETI 返回 结 论

由于许多数据采集、显示的实时性要求不是很高，因此单片机的执行速度相对于这些过程要快得多，若分时选通各个采样或显示通道，虽然单片机对各个通道的处理是依次进行的，但是只要这一过程大到一定速度，总的看来几乎同时执行，不断重复这一过程，就产生了循环扫描的思想，它在单片机系统设计中得到了广泛的应用。

在当今越来越趋向于自动化的社会，该系统的可用性及简易性更加能取得广泛的应用。通过这次竞赛我们从中学到了许多东西，也了解到在电子制作方面的很多独特发明。他们得发明并不是偶然取得，而是通过长期的学习积累，我们也学到了他们那种坚决不放弃得制作精神。这次毕业设计让自己懂得了，做任何学问都要一丝不苟，对出现的任何问题和偏差都不能轻视，要通过正确的途径区解决，做事情的时候要有耐心和毅力，不要一遇到困难就打退堂鼓，只要坚持下去就能找到解决问题的思路和办法，在工作中要学会与人合作，认真听取别人的意见，这样做事也会事半功倍。当然整个实验过程中自己也收获颇多，对电路的设计有一大致的了解并能自己动手完成一些简单的电路设计、制板及调试的过程，极大地提高了自己的动手能力，也让自己懂的了实践才是检验真理的唯一标准，当然也是检验学习成果的标准。

在经过一段时间的学习之后，我们需要了解自己的所学应该如何应用在实践中，因为任何知识都源于实践，归于实践，所以要将所学的知识在实践中来检验。通过这次写课程论文，我感觉有很大的收获：首先，通过学习使自己这学期对课本上的专业知识可以应用于实际，使得理论与实际相结合，加深自己对课本知识的更好理解，同时短学期也锻炼了自己个人的动手能力；能够充分利用图书馆、网络资源去查阅相关资料，增加了许多课本以外的知识，慢慢地能达到学以致用。对我们学生来说，理论与实际同样重要，但对于我们非师范类学生，毕业以后，掌握一定的技术，有一定的动手能力，才是我们今后走向社会所要具备的，这也我们以后在工作中说明自己能力的一个重要标准。

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这次毕业设计得到了很多老师、同学和同事的帮助，其中我的导师肖利君老师对我的关心和支持尤为重要，每次遇到难题，我最先做的就是向肖老师寻求帮助，而肖老师每次不管忙或闲，总会抽空来给我们大家上课面谈，然后一起商量解决的办法。在这里再次谢谢肖老师您辛苦了！

感谢在整个毕业设计期间和我密切合作的伍远露、秦雄、高阳等同学，特别是伍远露同学，他在本次设计中给予我的无私帮助和厚爱，不只一次地帮助我，倾尽了他的所有心血给我提供技术上的指导，在这里再次谢谢伍远露同学，伍远露同学你辛苦了！和曾经在各个方面给予过我帮助的兄弟们，在大学生活即将结束的最后的日子里，我们再一次演绎了团结合作的童话，把一个比较复杂的，从来没有上手的课题，圆满地完成了。正是因为有了你们的帮助，才让我不仅学到了本次课题所涉及的新知识，更让我感觉到了知识以外的东西，那就是团结的力量。

这次毕业论文能够最终顺利完成，归功于各位任课老师三年间的认真负责，使我能够很好的掌握专业知识，并在毕业论文中得以体现。也正是你们长期不懈的支持和帮助才使得我的毕业论文最终顺利完成。最后，向湖南工业大学物理与电子工程系的全体老师们再次表示衷心感谢：谢谢你们，谢谢你们三年的辛勤栽培！