水塔水位报告_水塔水位系统

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单片机课程设计

专

业 电气工程及其自动化

指导教师

学

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题 目 基于单片机的水位控制系统

2013年12月25日 基于单片机的水位控制系统设计设计背景的简单介绍

由于自动化技术在工矿企业的广泛运用, 水位自动控制技术越来越频繁地进入到自动控制系统设计者的视线。传统的水位控制系统虽结构简单,但功能单一,无法实现人机交互,且通用性差。如今随着电子技术的飞速发展,电子产品制造工艺成熟,批量生产降低了产品价格。人们开始认识到运用单片机来实现水位控制。其人机交互性强, 功能强大, 控制精度高, 能够方便地与上位机通讯, 实现数据共享。且价格低廉, 通用性、实用性强, 能够在稍作改造后或直接用于诸如自来水厂的储水池、爆气池、污水处理厂、化学工厂的各类液体池以及电厂一的锅炉气泡等需要水位自动控制的场合。

知识目标：单片机开发软件的使用方法；单片机语言程序的基本结构及编译方法；单片机电路仿真调试方法。

能力目标：会利用keil C51软件对单片机程序进行编译；会利用proteus软件绘制电路原理图并实现仿真；会用keil C51软件对源程序进行编译调试及与proteus软件联调，实现电路仿真。2 设计思路与方案 2.1 设计思路

随着社会的进步，人类生活水平的不断提高，现在许多家庭都要求能够进行家庭用水自动供水，基于调查我们决定设计一款简单实用、经济的水位控制系统。在水塔的内部我们设计一个简易的水位探测传感器用来探测三个水位，即低水位，正常水位，高水位。低水位时送给单片机一个高电平，驱动水泵加水，红灯亮；正常范围的水位时，水泵加水，绿灯亮；高水位时，水泵不加水，黄灯亮。本设计过程中主要采用了传感技术、单片机技术、光报警技术以及弱电控制强电的技术。2.2 方案设计及功能

本方案采用单片机AT89C2051作为我们的控制芯片，主要工作过程是当水塔中的水在低水位时，水位探测传感器送给单片机一个高电平，然后单片机驱动水泵加水和显示系统使红灯变亮；当水位在正常范围内时，水泵加水，绿灯亮；当水位在高水位时，单片机不能驱动水泵加水，黄灯亮。图1方案结构方框图中使用了单片机处理，单片机技术是信息时代用于精密测量的一种新技术。此系统使用过程中采用稳压电路能够准确地把输入的电平送给单片机不会产生误判的情况，由于AT89C2051单片机有四端口，20引脚能够非常方便地设计显示系统。我认为本方案能帮助我很好地完成本次设计的各个指标和达到设计的目的。

图1 方案结构方框图3 系统组成与工作原理 3.1 系统组成本系统由电源电路、水位探测传感电路、稳压电路、单片机系统、光报警显示电路、继电器控制水泵加水电路、以及高塔模型组成。3.2 系统工作原理

当水位处于低水位的时候，传感器的低水位探测线没被+5V的电源导通进入稳压电路经过处理在稳压电路的输出端有一个高电平，送入单片机的P1.0口，另一个稳压电路输出的高电平进入单片机的P1.1口单片机经过分析，在P1.2口输出一低电平，驱动红灯亮，P1.5出来一个信号使光电耦合器GDOUHE导通，这样继电器闭合，使水泵加水；当水位处于正常范围内时，水泵加水，在P1.3引脚出来一个低电平，使绿灯亮；当水位在高水位区时，传感器的两根探测线均被导通，均被+5V的电源导通，送入单片机，单片机经过分析，在P1.4引脚出来一个低电平，使黄灯亮，在P1.5端出来一个低电平不能使光电耦合器导通，这样继电器不能闭合，水泵不能加水；当三灯闪烁表示系统出现故障。3.3 水塔水位控制原理

单片机水塔水位控制原理如图2所示，图2中的虚线表示允许水位变化的上、下限位置。在正常情况下，水位应控制在虚线范围之内。为此，在水塔内的不同高度处，安装固定不变的3根金属棒A、B、C，用以反映水位变化的情况。其中，B棒处于下限水位，C棒位于上限水位，A棒接5V电源，B、C通过电阻接地。当水位达到上限时，B、C棒接通高电平，此时应停止电机和水泵工作。水位下降到下限时，B、C棒不能与A棒连通，B、C为低电平，应启动电机供水。水位处于上下限之间时，A、B连通，B为高电平，C为低电平，此时，电机保持原有工作状态。

图2 水塔水位控制原理图单元电路设计及元器件介绍 4.1 光报警显示统电路

本电路采用不同颜色的发光二极管来表示不同的水位情况。即红灯亮，其他两灯不亮表示是低水位状态，此时需要启动水泵加水；绿灯亮，其他两灯不亮表示在正常的水位线内；黄灯发亮，其他两灯不亮为高水位状态，水泵停止加水，三灯闪烁表示系统出现故障，此电路采用的是共阳极的，所以只有当单片机给发光二极管为低电平时才能推动发光二极管点亮。其中R14、R15、R16为上拉电阻起限压控流作用。.图3 光报警电路的原理图

4.2 继电器控制水泵加水电路

该电路由继电器RL1和闭合开关、光电耦合器、水泵R7、R8、R9、R10Y以及D2、Q3等组成。当水位在低水位时单片机给P2.0送一个高电平导通光电耦合器然后光电耦合器驱动Q3导致继电器闭合从而让220V的交流电接通使水泵加水。

图4 继电器控制

4.3 元器件介绍 4.3.1 光电耦合器

光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。它由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，在本设计当中发光源为发光二极管，受光器为光敏三极管。本设计当中采用光电耦合器组成开关电路的作用，能够很好地将单片机信号稳定地送给继电器驱动继电器闭合。4.3.2 继电器

继电器是具有隔离功能的自动开关元件，在本次设计当中主要来做自动控制作用，系统采用+5V的直流电来控制220V的交流电，以达到控制水泵的作用，因为是在这里是以一种弱电来控制强电，所以安装和使用的过程当中一定要注意用电安全注意事项。

磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。

图5 常见继电器外观图5 程序设计

图6 程序流程图

开始系统亮红灯，水泵开始抽水时，达到低水位时，绿灯亮；开关处于高水位，而水位实际低水位还没达到，红绿黄灯一起闪烁，此时为故障状态；当达到低水位之后又达到高水位，黄灯亮。6 系统仿真 6.1 程序编译和加载

利用keil C51软件对源程序进行编译，在菜单上选择output—create hex，生成目标代码文件。将编译调试成功的源程序生成可供单片机加载的HEX文件加载到芯片中，设单片机的晶振频率为12MHZ。6.2 系统仿真

利用keil C51软件与proteus软件联调，实现电路仿真。点全速运行按键，得到图7所示的仿真结果,图中LOW闭合时处于低水位状态,水泵处于运行状态。

图7 低水位状态仿真结果

当HIGH和LOW处于闭合时水位处于故障时,仿真的结果如图8所示。

图8 故障状态仿真结果

当LOW先闭合时后经一段时间HIGH后闭合时水位处于正常状态时如图9所示。

图9 高水位仿真结果

6.3 仿真结果分析

在proteus环境,运行水位控制系统,我发现,当水位处于低水位区时,红灯亮,水泵处于运行状态,随着水位的上升,水泵仍处于运行状态,当水位到达高位时,黄灯亮,水泵停止运行。随着水位不断下降,此时,水泵处于停止状态,当水位到达低位时,水泵起动,重复以上过程。上述仿真表明，本设计达到了预期的设计目标，实现了水位自动控制。7 总结

通过这次自己亲自设计学习，自己学会很多的东西。加深了理解所学会的理论知识，锻炼了自己，又提高了我的综合分析能力，使我受益匪浅。

本系统主要由水位探测传感器，单片机控制系统，水位显示系统，继电器驱动电路，水泵加水系统组成，系统简单，安装方便。

本系统采工作过程是当水位处于低水位的时候，传感器的低水位探测线没被+5V的电源导通进入稳压电路经过处理在稳压电路的输出端有一个高电平，送入单片机的P1.0口，单片机经过分析，在P2.3口输出一低电平，驱动红灯亮，P2.0出来一个信号使光电耦合器GDOUHE导通，这样继电器闭合，使水泵加水；当水位处于正常范围内时，水泵加水，绿灯亮；当水位在高水位区时，传感器的两根探测线均被导通，均被+5V的电源导通，送入单片机，单片机经过分析，在P2.2引脚出来一个低电平，使黄灯亮，在P2.0端出来一个低电平不能使光电耦合器导通，这样继电器不能闭合，水泵不能加水，当系统出现故障时，三灯闪烁。

这次单片机实验课程设计也教会我做事要谨慎，细心耐心，也需要勤于练习，不然一步错就会影响程序的成功性，更要掌握水位控制系统的原理，掌握实用电路的设计方法和技巧，也需要熟悉常用电子元件、调试工艺。当遇到困难时，自己学会了冷静分析原因，寻找自己的问题，不急不躁，请教他人，直到问题解决为止。

这次的单片机设计让我们有了一次机会，对我们的综合工程素质起了促进作用，也让我知道平时积累和学习知识的重要性，知道了自己知识的匮乏让我知道了自己存在的种种不足，知道了自己以后应该提升的地方。此次的设计经验，将会是我以后的宝贵财富。

附录 1 电路图程序清单

程序如下： ORG 0000H SETB P1.1 RESTART: MOV A,P1 ANL A,#00000011B CJNE A,#00H,LOOP1;在低水位之下，开启电动机，亮红灯 SETB P3.2 SETB P3.3 CLR P3.0 CLR P3.1 LCALL DELAY LJMP RESTART LOOP1: CJNE A,#01H,LOOP2;当超过低水位，并且未达到高水位时，保持电动机转动，亮绿灯 SETB P3.2 SETB P3.1 CLR P3.0 CLR P3.3 LCALL DELAY LJMP RESTART LOOP2: CJNE A,#02H,LOOP3;系统故障（达到高水位，却没达到低水位）红，黄，绿灯均闪烁 SETB P3.0 CLR P3.3 CLR P3.2 CLR P3.1 LCALL DELAY SETB P3.3 SETB P3.1 LCALL DELAY LJMP RESTART LOOP3: CJNE A,#03H,RESTART;当达到高水位时，停止电动机，亮黄灯 SETB P3.1 SETB P3.0 SETB P3.3 CLR P3.2 LCALL DELAY LJMP RESTART DELAY: MOV R0,#250 DELAY3: MOV R1,#200 DELAY2: MOV R2,#5 DELAY1: DJNZ R2,DELAY1 DJNZ R1,DELAY2 DJNZ R0,DELAY3 RET END