基于單片機(jī)的水位檢測

1、編號:觀欄幷令孑科從未唇GUILIN UNIV£RSITY OF ELECTRONIC TECHHOLOCV課程設(shè)計說明書題 目 基于單片機(jī)的水位檢測 院 （系）：信息與通信學(xué)院專 業(yè)：電子信息工程學(xué)生姓名：胡強(qiáng)學(xué) 號：1300220512指導(dǎo)教師：嚴(yán)素清2016年12月23日摘要本水位監(jiān)測報警器使用 5V 低壓交流電源就可以對水位進(jìn)行監(jiān)測 用數(shù)碼管顯示并 蜂鳴器發(fā)出報警。主要采用單片機(jī)AT89C52芯片，將控制程序?qū)戇M(jìn)單片機(jī)中,使其發(fā)揮相 應(yīng)的功能 , 再加上蜂鳴器、數(shù)碼管、電阻、電容這些器件組成一個簡單而靈敏的監(jiān)測報 警電路,操作簡單,接通電源即可工作。因?yàn)殡娐凡捎脝纹瑱C(jī)技術(shù) ,

2、所以本水位監(jiān)測報警 器還具有電路簡易、耗能低、準(zhǔn)確性高的特點(diǎn)。關(guān)鍵詞: 單片機(jī)控制；報警電路； 監(jiān)測電路。AbstractThe water level alarm used to monitor low voltage 5V DC power supply (can also use 5 batteries instead of three) can be on the monitoring of water level, with light-emitting diode display, and can no longer be within this range, the water

3、level alarm . Main use SCM AT89C52 chip, will control program written into the microcomputer, to play the corresponding functions, together with a buzzer, light-emitting diodes, resistors, capacitors, these devices form a simple and sensitive alarm function, simple operation, then power can work thr

4、ough. Because the circuit chip technology, so the water level monitoring alarm circuit also has a simple, low energy consumption and high accuracy. Keywords:microprocessor;controlled;alarm circuit ; monitoring circui.目錄引言 11 方案選擇 11.1 利用超聲波水位傳感器實(shí)現(xiàn) 11.2 利用自制水位監(jiān)測裝置實(shí)現(xiàn) 21.3 方案總結(jié) 22 水位監(jiān)測報警系統(tǒng)的硬件設(shè)計 22.1 單片

5、機(jī)的選擇 22.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖及原理圖 32.2.1 晶振電路 42.2.2 復(fù)位電路 42.2.3 報警電路 42.2.4 水位監(jiān)測及總電路 53. 軟件程序及設(shè)計 64 硬件調(diào)試及結(jié)果分析 94.1 硬件調(diào)試與分析 94.2 工作狀態(tài)測試 95 結(jié)論 12謝辭 13參考文獻(xiàn) 14附錄 15引言水位控制在日常生活及工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用相當(dāng)廣泛， 如作為城市、鄉(xiāng)村生活用水儲備， 太陽能熱水器儲水設(shè)備等，又比如水塔、地下水、水站等情況下的水位控制。而以往水 位的檢測是由人工完成的，值班人員全天候?qū)λ坏淖兓M(jìn)行監(jiān)測，然后進(jìn)行后續(xù)的操 作。很顯然上述重復(fù)性的工作無論是從人員、時間、還是資金上都將造

6、成很大的浪費(fèi)。 同時也容易造成差錯。目前大多數(shù)住宅小區(qū)采用人工加水的方式，當(dāng)水用完時，需要人工開啟水泵加水， 十分不方便。以至于水用完之前不知道水量的多少，等到用完了才知道沒有水，如果急 需用水，那就十分麻煩了，要等到加完水后才能用水；加水過程中還要時刻關(guān)注水位是 否溢出。以上的問題都在期待一種簡單、經(jīng)濟(jì)的水位控制系統(tǒng)的誕生。本文采用所學(xué)的知識，設(shè)計以單片機(jī)水位采集系統(tǒng)。主要實(shí)現(xiàn)以下功能：1. 監(jiān)測水位變化，分為 3 檔水位 2每一檔水位都用數(shù)碼管顯示 3每一檔水位對應(yīng)一種報警聲 本文采用單片機(jī)系統(tǒng)控制，監(jiān)測儲水罐的水位變化，在儲水罐內(nèi)部放置自制的水位 傳感器來檢測水位。單片機(jī)內(nèi)編程控制數(shù)碼管

7、和蜂鳴器。傳感器檢測到水位時，單片機(jī) 就控制數(shù)碼管顯示相應(yīng)的數(shù)值，并且控制蜂鳴器發(fā)出報警1 方案選擇經(jīng)過考慮有兩種方法實(shí)現(xiàn)水位檢測 利用超聲波和自制一個簡單的裝置 。1.1 利用超聲波水位傳感器實(shí)現(xiàn) 超聲波水位傳感器是利用空氣聲學(xué)回聲測距原理來進(jìn)行水位變化測量的新型水位 測量儀器，是在 SCA6-1 型聲學(xué)水位計基礎(chǔ)上的改進(jìn)設(shè)計。由收發(fā)共用換能器發(fā)射一聲 脈沖、經(jīng)聲管傳聲遇水界面產(chǎn)生反射，回波經(jīng)由同一換能器接收。測得聲波在空氣中的 傳播時間及現(xiàn)場聲速，算出換能器發(fā)射面至水面的距離，依據(jù)換能器安裝基準(zhǔn)面及水位 零點(diǎn)得到水位值。特點(diǎn)是非接觸測量，無需建造水位測井，安裝方便，自動測量，具有 聲速補(bǔ)償

8、，RS-485數(shù)據(jù)輸出。應(yīng)用于沿海水文臺站的常規(guī)長短期潮位觀測，江河湖泊的水位連續(xù)自動測量以及港工水文調(diào)查、港口調(diào)度、船舶航行等部門的水位測量。目前智 能水位傳感器由聲學(xué)傳感器、溫度傳感器、聲管、測量電路、信號傳輸電纜組成。超聲波傳感檢測電路是利用40kHz的超聲波發(fā)生器實(shí)現(xiàn)40kHz的振蕩是很容易的，并且 方法有多種，取液位計與水面的距離為適當(dāng)?shù)母叨龋?可令超聲波發(fā)出去后能有效地返回， 讓接收器收到信號，送到微處理器，經(jīng)微處理器處理所得的數(shù)據(jù)，即可算出水位高度。 超聲波在空氣中一般可以實(shí)現(xiàn)有效傳播，只要外部的環(huán)境不是特別的惡劣，所受的干擾 并不是很大，測量結(jié)果不會有太大的誤差。整個系統(tǒng)的核心

9、是AT89S52所選用是超聲波傳感器，它的工作電壓是40kHz的脈沖信號，這可很容易地用軟件編程使 AT89S52勺 P1 口中的第0位產(chǎn)生40KHz方波的方法來實(shí)現(xiàn)。并在第一個脈沖產(chǎn)生時開始啟動計時。 40kHZ的脈沖方波信號經(jīng)放大后即可驅(qū)動超聲波傳感器工作，使其向水面垂直發(fā)出40kHz 的超聲波。所選的超聲波傳感器是雙用型傳感器，即發(fā)送和接收集成于一體。當(dāng)超聲波遇到水 面時發(fā)生反射，反射波回到超聲波傳感器，超聲波接收器將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸?壓信號。再將所得的交變電壓信號放大，輸人到音調(diào)譯碼器中，音調(diào)譯碼器的輸出由高 電平躍變?yōu)榈碗娖剑鳛橹袛嘈盘栞斎说?AT89S52單片機(jī)的INT1

10、管腳。INT1端產(chǎn)生一 個中斷請求信號，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，停止計時，取 得超聲波往返的時間差。通過計算式 s=340t/2 算出液位計離水面的距離，從而計算出 水位的高度。這些都可以通過對 51 單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)。計算出水位高度以后，單片機(jī)將 所算出的結(jié)果通過P2 口輸出到七段LED數(shù)碼管顯示出來。1.2 利用自制水位監(jiān)測裝置實(shí)現(xiàn)本水位監(jiān)測報警器使用 5V 低壓交流電源就可以對水位進(jìn)行監(jiān)測，用數(shù)碼管顯示并 發(fā)出報警。主要采用單片機(jī) AT89C52芯片，將控制程序?qū)戇M(jìn)單片機(jī)中，使其發(fā)揮相應(yīng)的 功能再加上蜂鳴器、 數(shù)碼管、電阻、電容這些器件組成一個簡單而靈敏的監(jiān)測報警電

11、路， 操作簡單接通電源即可工作。因?yàn)殡娐凡捎脝纹瑱C(jī)技術(shù)，所以本水位監(jiān)測報警器還具有 電路簡易、耗能低、準(zhǔn)確性高的特點(diǎn)。1.3 方案總結(jié)綜上所述，本設(shè)計選擇第二種方案， 第一種方案制作成本高， 程序和結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜， 第二種方案成本不但低，而且也能達(dá)到想要的結(jié)果。本設(shè)計當(dāng)中采用的水位檢測傳感器 簡單易做，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。2 水位監(jiān)測報警系統(tǒng)的硬件設(shè)計2.1 單片機(jī)的選擇AT89系列單片機(jī)在我國得到了極其廣泛的應(yīng)用。 由于AT89C52具有強(qiáng)大的功能，可 以使我的設(shè)計更方便也更人性化。而且它很好的兼容MCS-51系列單片機(jī)的指令系統(tǒng)和引腳功能。它片內(nèi)還含有 Flash Memory ， Flash Mem

12、ory 是一種電擦除和電寫入的閃速 存儲器，記為FPERO在系統(tǒng)開發(fā)過程中可以很容易地進(jìn)行程序修改，使開發(fā)和調(diào)試更 為簡單。AT89C52勺功能介紹：AT89C52是 ATMEI公司生產(chǎn)的一個低電壓，高性能CMOS位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes 的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器 RAMS件采 用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置 通用8位中央處理器和Flash存儲單元，功能強(qiáng)大的AT89S52單片機(jī)可為您提供許多較 復(fù)雜系統(tǒng)控制應(yīng)用場合。AT89C52有32個外部雙向輸入/輸出I/O端口同時內(nèi)含2

13、個外中斷口，3個16位可編 程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口 2個讀寫口線，AT89C52可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編 程。其將通用的微處理器和Flash存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。AT89C52為40腳雙列直插封裝的8位通用微處理器，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的C51內(nèi)核在內(nèi) 部功能及管腳排布上與通用8xc52相同，其主要用于會聚調(diào)整時的能控制。功能包括對 會聚主IC內(nèi)部寄存器、數(shù)據(jù)RAM及外部接口等功能部件的初始化會聚調(diào)整控制，會聚 測試圖控制，紅外遙控信號IR的接收解碼及與主板CPU通信等。主要管腳有XTAL119腳 和XTAL218腳為振蕩器輸入輸出端口外接

14、12MHz晶振。RST/Vpd9腳為復(fù)位輸入端口外 接電阻電容組成的復(fù)位電路。VCC4C腳和VSS20腳為供電端口，分別接+5V電源的正負(fù) 端°P0P3為可編程通用I/O腳，其功能用途由軟件定義，在本設(shè)計中P0端口 3239腳 被定義為N1功能控制端口，分別與N1的相應(yīng)功能管腳相連接13腳定義為IR輸入端 10腳和11腳定義為I2C總線控制端口，分別連接 N1的SDAS1 腳和SCLS19腳端口 12 腳、27腳28腳定義為握手信號功能端口，連接主板 CPU勺相應(yīng)功能端，用于當(dāng)前制式 的檢測及會聚調(diào)整狀態(tài)進(jìn)入的控制功能。2.2系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖及原理圖圖2.1系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖水塔水位檢

15、測報警系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖如圖2.1所示 它包括單片機(jī)電源水位檢測傳感器 顯示報警 聲音報警。本設(shè)計中用銅絲作為水位檢測傳感器適當(dāng)調(diào)整銅絲的長 度，可自行設(shè)置水位的范圍。利用單片機(jī)，將控制程序?qū)戇M(jìn)單片機(jī)中，經(jīng)過對輸入口信 號的分析，在單片機(jī)的輸出端口給出相應(yīng)的信號。自行設(shè)定報警數(shù)值，若到達(dá)指定數(shù)值 則蜂鳴器報警LED燈亮。本設(shè)計采用AT89C52的 P2.4-P2.4作為我們水位的信號輸入口，單通過軟件的控制不 斷的檢測P0端口的輸入電平，一旦發(fā)現(xiàn)探針電平與主探針電平同為高電平時，則執(zhí)行 相應(yīng)的控制程序，從P2輸出不同的信號來告知水位情況，測試之前先設(shè)定報警數(shù)值低 水位時，就驅(qū)動數(shù)碼管顯示數(shù)值 1

16、,以此類推，是高水位時就驅(qū)動數(shù)碼管顯3,到達(dá)設(shè) 定的數(shù)值時蜂鳴器報警并且LED燈亮2.2.1晶振電路本次設(shè)計用到的是內(nèi)部振蕩方式，這種方式下在 X1和X2兩端跨接石英晶體及 兩個電容，如下圖所示，這樣就和內(nèi)部的反響放大器構(gòu)成穩(wěn)定的自己振蕩器。電容 C1和C2通常取30pF可穩(wěn)定頻率并對正當(dāng)頻率有微調(diào)作用。接線圖如下：*3GXD圖2.2晶振電路2.2.2復(fù)位電路復(fù)位電路的基本功能是：系統(tǒng)上電時提供復(fù)位信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信 號。為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時才撤銷復(fù)位信號，以防電源開關(guān)或電源 插頭分-合過程中引起的抖動而影響復(fù)位。圖1所示的RC復(fù)位電路可以實(shí)現(xiàn)上述基本功 能

17、，圖3為其輸入-輸出特性。但解決不了電源毛刺（A點(diǎn)）和電源緩慢下降（電池電壓 不足）等問題而且調(diào)整 RC常數(shù)改變延時會令驅(qū)動能力變差。rest- 轟圖2.3復(fù)位電路223報警電路蜂鳴器報警電路通過一個9013三極管驅(qū)動蜂鳴器。三極管的基極與 P27 口相連接，集 電極與連接到VCC射極與蜂鳴器相連。當(dāng)P27為高電平時，三極管導(dǎo)通。蜂鳴器響， 為低電平時不響。通過控制P27的電平高低變化來控制三極管導(dǎo)通，進(jìn)而改變蜂鳴器的 發(fā)聲頻率。實(shí)現(xiàn)不同聲音的報警。圖2.4報警電路2.2.4水位監(jiān)測及總電路接5V交流電源，高電平與低電平交替發(fā)出，防止水被電解，由于腐蝕問題，采取 交流電源，這樣腐蝕會很慢，一般

18、這種監(jiān)測裝置最少也能用幾年，到時候正好檢修，所 以完全可以用在現(xiàn)實(shí)檢測中。2線為低水位控制線，當(dāng)單片機(jī)檢測到 1線的電平與線2 發(fā)出的電平相同為高點(diǎn)平時，表示是 1擋水位了。以此類推，3為高水位控制線，當(dāng)單 片機(jī)檢測到3的電平與單片機(jī)發(fā)出的電平相同時，表示是高水位了。傳感器選用細(xì)銅絲， 因?yàn)榧?xì)銅絲的電阻率比較低，這樣就可以避免由于電阻過大而使輸出的電平過低，以致 不能很好的驅(qū)動單片機(jī)工作，細(xì)銅絲的傳電性能比較好，傳電速率比較快，也可以說是 靈敏性很好，還有就是細(xì)銅絲經(jīng)濟(jì)實(shí)惠便于我們?nèi)〔摹?6圖2.5水位監(jiān)測電路圖2.6總電路3軟件程序及設(shè)計#defi ne uint un sig ned in

19、t void bell(ui ntnu m,ui nt f);void delay( uint n);sbit b=P2A7;sbit d1=P2A6;最低水位檢測器第二檔水位檢測器最高檔水位檢測器sbit d2=P2A5;sbit w1= P2A4; /sbit w2=P2A3; /sbit w3=P2A2; / int Show=0xbd,0x14,0xe5,0xe9,0xd4;void main() b=0;d2=0;P1=show0 ;delay(2);d2=1;d1=0;P1=show4 ;delay(2);d1=1;while(w1=1&&w2=0&&

20、;w3=0) d2=0;P1=show1 ;delay(5);d2=1;d1=0;P1=show4 ;delay(5);d1=1;bell(1,1);while(w1=1&&w2=1&&w3=0) d2=0;P1=show2 ;delay(2);d2=1;d1=0;P1=show4 ;delay(2);d1=1;bell(4,1);while(w1=1&&w2=1&&w3=1) / d2=0;P1=show3 ;delay(2);d2=1;d1=0;P1=show4 ;delay(2);d1=1;bell(7,1);void be

21、ll(uintnum,uint f)inti;for(i=0;i<num;i+)b=1;delay(f);b=0;delay(f);void delay(uint n)uinti,j;for(i=0;i<n;i+) for(j=0;j<15;j+);以上為水位監(jiān)測的程序及軟件設(shè)計框圖，當(dāng)電源接通時，LED丁亮，數(shù)碼管顯示OF, 表示0水位，銅絲慢慢一點(diǎn)點(diǎn)接觸水面，數(shù)碼管顯示1F，表示1擋水位，繼續(xù)深入水位， 看是否到達(dá)2擋水位值，是，則顯示2F，反之則還是顯示1F，以此類推，直到顯示3 擋最高水位。4 硬件調(diào)試及結(jié)果分析4.1 硬件調(diào)試與分析經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)圖3中的R10 R11

22、、R13三個電阻取值非常重要，如果這三個值取太 小，則銅絲接觸到水時，單片機(jī)的P22、P23 P24三個不會被拉為高電平，這是因?yàn)閎it 銅絲（表示 bit1 、bit2 、bit3 之間的任意一根銅絲）與 vcc 銅絲之間的水的等效電阻 相比下拉電阻大太多了，而且銅絲未接觸到水時，也不一定能將P22、P23 P24拉為低電平。如果取值太大，貝U在銅絲未接觸到水時，不能將P22、P23 P24拉為低電平。經(jīng)過測試，發(fā)現(xiàn)R10 R11、R13三個電阻的阻值在2k到2.5k之間。本課程設(shè)計中R10 R11、R13阻值取 2.2k。經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，在使用一個電阻和蜂鳴器串聯(lián)，蜂鳴器響聲不夠大，將電阻去

23、除， 用導(dǎo)線短接即可。4.2工作狀態(tài)測試當(dāng)銅絲未接觸到水時，P22 P23 P24都近似為Ov。工作狀態(tài)如圖9所示。圖4.1工作在0檔時工作狀態(tài)圖水位在1檔時，P24的電壓為2.48v,工作狀態(tài)如圖10所示圖4.2工作在1檔時的工作狀態(tài)圖水位在2檔時，P23的電壓為2.36v,工作狀態(tài)如圖11所示圖4.3工作在2檔時的工作狀態(tài)圖圖3.4工作在3檔時的工作狀態(tài)圖5 結(jié)論以往， 由于人們不清楚儲水罐水位的情況， 導(dǎo)致加水不方便。 現(xiàn)在根據(jù)本設(shè)計制作 出來的儲水罐水位監(jiān)測系統(tǒng)具有簡單、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的特點(diǎn)。相信能夠給廣大人們?nèi)罕姷?生活帶來方便。本系統(tǒng)主要在使用的過程中， 單片機(jī)會監(jiān)測水位的變化情況， 對應(yīng)著水位在四個檔 位。水位在不同檔位時會數(shù)碼管會顯示不同數(shù)值，并且蜂鳴器也會發(fā)出不同的報警聲。 數(shù)碼管顯示OF時，數(shù)碼管