基于单片机的水位控制系统毕业论文

基于单片机的水位控制系统

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1. 绪论 (2)

1.1 研究背景 (2)

1.2研究现状 (2)

2.设计任务及要求分析 (3)

2.1 设计任务及要求 (3)

2.1.1 设计任务 (3)

2.1.2 设计要求 (3)

2.1.3 要求分析 (3)

3. 系统方案论证与选择 (3)

3.1方案设计 (3)

3.2 系统整体方案 (5)

3.2 各单元电路方案论证 (5)

3.3 主要模块简介 (7)

3.3.1 核心芯片STC89C51单片机 (7)

3.3.2 1602液晶显示器 (9)

4. 硬件电路设计 (13)

4.1 单片机最小硬件系统电路 (13)

4.2水位显示电路 (13)

4.3 水位调整及其报警电路 (15)

4.4初值设置按键电路 (15)

5. 程序设计 (16)

5.1水位控制系统主程序设计流程图 (16)

5.2 水位控制系统主程序 (16)

6. 实物调试与测试 (16)

6.1实物图 (17)

6.2 测试结果分析 (17)

7. 结束语 (17)

参考文献 (18)

致谢 (20)

附录 (21)

河西学院本科生毕业论文（设计）题目审批表 (29)

河西学院物理与机电工程学院指导教师指导毕业论文情况登记表 (30)

河西学院毕业论文（设计）指导教师评审表 (31)

河西学院本科生毕业论文（设计）答辩记录表 (36)

1. 绪论

1.1 研究背景

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。人们开始意识到采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。

1.2研究现状

在许多工业生产系统中，需要对系统的液位或物料位进行监测，特别是对具有腐蚀性的液体液位的测量，传统的电极法是采用差位分布电极，通过给电脉冲来检测液面，电极长期浸泡在液体中，极易被腐蚀、电解、失去灵敏性，因而对测试设备的抗腐蚀性要求较高。超声波液位检测系统，利用了超声波传感技术的原理，采取一种非接触式的测量方法，能够实现对工业系统中液位或物料位的检测；而且超声波具有很好的指向性和束射特性，人耳听不见，一般不会对人体造成伤害检测工程方便、迅速、易做到实时控制，而且测量精度又能达到工业实用的要求，所以有广泛的工业应用前景。

并且目前，我国住宅小区楼房自来水供水系统主要采用高塔供水，既在楼顶或者另外建设的高塔上面建个蓄水池以保证用户水压的恒定。目前大多数的住宅小区都是采用人工加水的办法，即当水用完的时候，就人工开启水泵进行加水，十分不便。所以这一切问题的存在，都在呼唤一种简单经济的水位检测报警控制系统的诞生。

传统的控制方式存在控制精度低、能耗大的缺点,而自动控制原理, 依据用水量的变化自动调节系统的运行参数,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。

2.设计任务及要求分析

2.1 设计任务及要求

2.1.1 设计任务

设计一个以单片机为基础，用超声波传感器测量水位并将水位高度实时显示在液晶显示器上；用发光二极管直观显示水位当前状态；水位最高与最低值能在按键上调节的智能水位控制系统。

2.1.2 设计要求

（1）控制容器的水位在某一值附近。当水位发生变化时利用单片机控制进水阀或水泵，使水位能迅速调整到预定值；

（2）能通过键盘对水位控制的阈值进行设置；

（3）能通过数码管、液晶显示器或PC机显示当前水位值及水位阈值等信息；(4)要求水位控制精度在5%以。

2.1.3 要求分析

根据该设计的任务及要求分析知该系统中测量水位这是一个重要部分，只有准确的测量出了水位才能用单片机控制其余硬件电路做出响应。要准确测量水位需选用合理的测距模块，经过分析和比较几种传感器的功能和原理，此次用超声波测距模块来解决这个问题。

3.系统方案论证与选择

3.1方案设计

方案一：本方案采用555电路进行控制，即当水位探测传感器探测到低水位时送一个低于1/3VCC的低电平给NE555芯片,555的输出即为高电平驱动水泵加水;当在正常的水位时候,送给NE555为1/3VCC----2/3VCC的电平,即保持前一个水泵不加水

的状态;当水位居于高水位时,给NE555电路一个高电平,这时NE555输出电平翻转为低电平,不能驱动水泵,水泵停止加水。

图3.1 方案一方框图

方案二：本方案采用单片机STC89C51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,同时单片机驱动水泵加水和显示系统使红灯变亮。

图3-2 方案二方框图

方案论证：

第一种方案设计使用起来比较方便也简单,不用编程等软件方面的设计，但是没有稳压电路,使输入NE555芯片的电平十分不稳定,容易发生误判水位引起混乱的情况,且NE555电路只有一个输出端,不能接显示系统,所以不能完成显示功能。另外，

此方案不能精确测量出液位高度，铜丝长时间沁在水中表面会发生氧化，长时间会是系统的误判率升高。

第二种方案中使用了单片机芯片和超声波传感器，单片机控制和超声波测距技术是信息时代用于精密测量的技术。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STC89C51单片机有四端口32引脚能够非常方便地设计显示系统。

综上,我们已经清楚地看到了两种方案的优劣,要能够很好地完成本次设计的各个指标和达到设计的目的,我们选择第二种方案作为我们的设计方案。

3.2 系统整体方案

图3.1 液位控制系统

由上图可观察到此液位控制系统工作如下：传感器通过对液面进行测量，输出模拟信号，再通过STC89C51单片机的运算控制，在LED上进行显示,通过报警装置进行报警,报警显示之后再通过对阀门的开启实现对水体的液位进行调节控制,阀门的驱动设备是电动机。

3.2 各单元电路方案论证

(1)能使单片机工作的最小系统电路

最小系统由复位电路、外部晶振和单片机STC89C51组成

(2)显示电路

用LCD1602，指显示的容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块。

(3)调整控制电路

用三极管和电阻等元件构成的驱动电路接到家用电水泵上来调节水位。

(4)声音报警电路

在停电或者水泵由于故障而无法上水时，声音报警启动，以便及时做出处理。

●水位控制系统中传感器的选用论证

系统考虑的要求，在对器件的选择过程中，侧重于对传感器的选择。方案设计过程中主要对以下几种传感器做了比较。

方案一：压力传感器

目前的液位压力传感器大部分是投入式静压液位变送器，而投入式静压液位传感器只有参考大气压才能进行准确测量，然而连接电缆中的通气会受到环境的影响，造成气管壁冷凝，结露。露水滴到电子器件和传感器上，会影响精度或者输出漂移。同时，结露过快，变送器的使用寿命也会大大缩短。此压力传感器容易受到环境的影响而造成测量不准确，并且安装不方便。

方案二：压阻式压力传感器

压阻式传感器是用集成电路工艺直接在硅平膜片上按一定晶向制作扩散压敏电阻；硅平膜片在微小变形时有良好的弹性特性，当硅片受压后，膜片的变形使扩散电阻的阻值发生变化；此变阻器容易受外部环境的影响，如温度，从而造成测量不准确，而且体积一般比较大，不易安装、不易携带；一般其精确度也比较低。不能满足设计的需要，所以不选择。

方案三：超声波传感器

超声波传感器是工业领域第一款在产品上带有按键设定功能和自诊断功能的小型传感器。它虽然体积小，但是具有其它大型传感器所具有的功能，安装使用方便而且不受被测物体的颜色影响，有许多特设功能，如：具有自诊断LED 显示和按键设定功能、温度补偿功能、可选择模拟量或开关量输出等；其供电电压为10～30V，测量围为30mm～300mm，输出电压0V～10V，输出电流为4mA～20mA，最小负载阻抗2.5 欧，精度可达到0.5mm，外形分为直线型和直角型。感应口径为18mm。

综上，此次我们选用超声波传感器，主要原因有：超声波传感器可以不用与液体接触，管理比较方便。超声波液位检测系统，利用了超声波传感技术的原理，采取一种非接触式的测量方法，能够实现对工业系统中液位的检测；而且超声波具有很好的指向性和束射特

性，人耳听不见，一般不会对人体造成伤害检测工程方便迅速易做到实时控制，而且测量精度又能达到工业实用的要求，所以有广泛的工业应用前景。超声波传感器所具有的条件满足设计所需要0～25cm 的液位控制，以及液位误差不超过±0.3cm 的要求，并且解决了安装不方便的难题。所以本设计选择了精度高，体型小的超声波传感器

3.3 主要模块简介

3.3.1 核心芯片STC89C51单片机

STC89C51单片机学习板是一款基于8位单片机处理芯片STC89C52RC的系统。其功能强大，可以实现单片机开发的多种要求，学习、开发者可以根据需要选配多种常用模块，达到实验及教学的目的。89C51单片机学习板功能强大，具有报警，跑马灯、串行通信（max232）、段码液晶（msm0801LCD）和字符液晶显示(LCD1602)、电机控制(L298)、A/D转换(TLC2543)、D/A转换(TLC5615)、温度采集(DS18B20)、数字信号合成(AD9851)、实时时钟电路(DS1302)、4—20mA输出、PWM输出（UC3842）、红外检测（KSM-603LM）控制等十七种功能。其引脚图如下3.2

图3.2 STC89C51引脚图

◆主要特性

(1)置标准51核，机器周期：增强型为6时钟，普通型为12时钟

(2)工作频率围：0~40MHZ，相当于普通8051的0~80MHZ;

(3)STC89C5xRC对应Flash空间：4KB\8KB\15KB;

(4)部存储器（RAM)：512B;

(5)定时器\计数器：3个16位；

(6)通用异步通信口（UART）1个；

(7)中断源:8个；

(8)有ISP(在系统可编程）\IAP(在应用可编程),无需专用编程器\仿真器；

(9)通用I\O口：32\36个；

(10)工作电压：3.8~5.5V；

(11)外形封装：40脚PDIP、44脚PLCC和PQFP等