基于單片機的水塔水位控制系統(tǒng)

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摘要

水塔是在日常生活和工業(yè)應(yīng)用中經(jīng)常見到的蓄水裝置，基于單片機的水塔水位控制系統(tǒng)使水塔水位自動保持在一定的位置，通過對其水位的控制對外供水，以滿足需要。該系統(tǒng)使用水位傳感器對水塔水位進行檢測并將檢測到的信號傳給單片機STC89C52進行處理，通過調(diào)整定時器的定時時間來增大或者縮小占空比，并采用C語言編寫控制程序，從而實現(xiàn)電機的調(diào)速。最終，使用帶字庫的LCD1602液晶屏顯示當前水位狀態(tài)以及電動機的轉(zhuǎn)速。該系統(tǒng)實現(xiàn)了過低水位蜂鳴器鳴笛報警、過低警戒水位自動處理、正常水位蜂鳴器鳴笛報警以及正常水位處理、手動按鍵調(diào)整PWM(PulseWidthModulation)電機調(diào)速等功能。本系統(tǒng)適應(yīng)在不同的用水場合下的用水速度需要，節(jié)省工作時間，提高了整體工作的效率，實現(xiàn)水塔水位的自動控制。

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已采用過波紋管和水銀位移式壓力傳感器等方法。固態(tài)壓力傳感器由于其靈敏度高、體積小、壽命長、且有抗腐蝕性而受到重視，但由于半導(dǎo)體傳感器受溫度影響大等原因，使其實用受到限制。近年來固態(tài)傳感器溫度自動補償問題有了進展，固態(tài)壓阻式水位計已經(jīng)得到應(yīng)用[5]。接觸式水位計使用機電的方法用探頭跟蹤井內(nèi)水面高低變化測量水位，已在少數(shù)領(lǐng)域使用，浮子式水位計，利用水球（或其它浮子）作敏感器件，避免了溫度、濕度等因素的影晌，性能穩(wěn)定，工作可靠，因而得到長期使用和發(fā)展。

我國使用的自記水位計，最常見的為浮子式水位計。近年來，由于土建工程費用不斷上漲，無需水位量的壓力式水位計隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展和進步也日趨穩(wěn)定和成熟，致使人們越來越重視使用壓力式水位計。

單片機自20世紀70年代問世以來，以極其高的性能價格比受到人們的重視和關(guān)注，所以應(yīng)用很廣，發(fā)展很快。單片機的特點是體積小、集成度高、重量輕、抗干擾能力強，對環(huán)境要求不高，價格低廉，可靠性高，靈活性好，開發(fā)較為簡單。正由于單片機有如此多的優(yōu)點，因此其應(yīng)用領(lǐng)域之廣，幾乎到了無孔不入的地步[6]。在我國，單片機已被廣泛地應(yīng)用在工業(yè)自動化控制、自動檢測、智能儀表、智能化家用電器、航空航天系統(tǒng)和和國防軍事、尖端武器等各個方面。單片機的潛力越來越被人們所重視。特別是當前用CMOS工藝制成的各種單片機，由于功耗低，使用的溫度范圍大，抗干擾能力強、能滿足一些特別要求的應(yīng)用場合，更加擴大了單片機的應(yīng)用范圍，也進一步促使單片機性能的發(fā)展。我們可以開發(fā)利用單片機系統(tǒng)以獲得很高的經(jīng)濟效益。雖然單片機的引入使控制系統(tǒng)大大“軟化〞，但與其它計算機應(yīng)用問題相比，單片機控制應(yīng)用中的硬件內(nèi)容依舊較多，所以說單片機控制應(yīng)用有軟硬件相結(jié)合的特點。為此，在單片機的應(yīng)用設(shè)計中需要軟、硬件統(tǒng)籌考慮，設(shè)計者不但要熟練把握匯編語言等編程技術(shù)，而且還要具備較扎實的單片機硬件方面的理論和實踐知識。更重要的意義是單片機的應(yīng)用改變了控制系統(tǒng)傳統(tǒng)的設(shè)計思想和方法。以前采用硬件電路實現(xiàn)的大部分控制功能，正在用單片機通過軟件方法來實現(xiàn)[7]。這種以軟件結(jié)合硬件或取代硬件并能提高系統(tǒng)性能的控制技術(shù)稱為微控制技術(shù)。例如，本文所要論述的基于單片機的水塔水位控制系統(tǒng)。

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2系統(tǒng)的整體方案設(shè)計

2.1功能要求

實際供水過程中要確保水位在允許的范圍內(nèi)浮動，應(yīng)采用水位傳感器測量水位變化，從而控制電動機，保證水位正常。因此，這里給出以STC89C52單片機為核心器件的水塔水位檢測控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實現(xiàn)水塔水位檢測、LCD1602顯示當前水位功能以及蜂鳴器鳴笛報警，手動按鍵調(diào)整PWM電機調(diào)速功能，實現(xiàn)過低和正常警戒水位報警、過低和正常警戒水位處理的系統(tǒng)要求。

2.2設(shè)計要求

按下電源按鈕后，燈會閃爍幾下，然后是常亮狀態(tài)，蜂鳴器會響。電機不會轉(zhuǎn)的，此時系統(tǒng)在待機狀態(tài)，且為正常狀態(tài)。要先選擇好電機的抽水速度是哪個檔位，共有4個檔位。檔位越高，速度越快。在電機轉(zhuǎn)的時候，按下選擇檔位，電機立馬會中止的，這個是一個軟件安全冗余的設(shè)計理念。電機在水位模擬傳感器端口（低水位）按下后，說明水位太低，電機轉(zhuǎn)動，此時蜂鳴器會響一下，燈會閃爍幾下，以此表示報警，并且液晶也會顯示水位太低。當水位模擬傳感器端口（正常水位）按下后，說明水位已經(jīng)到正常狀態(tài)，電機停轉(zhuǎn)，此時蜂鳴器也會響一下，燈一樣會閃爍，以此表示報警，且液晶屏也會顯示水位正常。而PWM速度調(diào)整就是檔位的選擇，必需在電機中止的狀態(tài)下去選擇電機輸出的速度。

2.3系統(tǒng)基本方案選擇和論證

此系統(tǒng)可以采用多種的方式設(shè)計，能采用液罐液壓檢測的方式來做，這樣在不同的水位時由于有不同的壓力值，所以我們可以根據(jù)不同的壓力值來確定終究水位在某個狀態(tài)，但是這樣的系統(tǒng)設(shè)計理念用處比較狹窄，由于這樣的設(shè)計理念的前提必需是一個液壓的封閉系統(tǒng)，這樣才能有確切的壓力值傳送，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但是目前好多用到的水塔水位控制系統(tǒng)都不是封閉的水罐，所以這個方案有一定局限性。

而采用特別的水位傳感器，就可以戰(zhàn)勝上述的困難。由于液位檢測器可以很確切的檢測到液位系統(tǒng)，同樣達到預(yù)期的目的，且系統(tǒng)的應(yīng)用面很廣，而且系統(tǒng)的安全性能很好，因此我們采取檢測液位作為系統(tǒng)的設(shè)計思想。

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2.3.1單片機芯片的選擇方案論證

目前市場上的單片機的種類有好多種，最多的51單片機、avr單片機，和Msp430，以及PIC單片機，但是由于單片機的種類好多，功能各不一樣，我們不需要多先進，功能多強大的單片機，我們設(shè)計的要求就是夠用即可，由于性能低劣了，系統(tǒng)功能實現(xiàn)不了，并且系統(tǒng)的穩(wěn)定性很差，用的單片機性能太好了，由于高性能的單片機不只是價錢昂貴，且有好多資源都不會用到，這樣造成了很大的浪費。因此我們選用目前市場上用到比較多的、且可以滿足系統(tǒng)設(shè)計要求的51單片機。

由于Atmel公司的51單片機需要專門的編程器，這樣無形中加重了系統(tǒng)的成本，而STC公司單片機不僅支持ISP,還支持IAP等多種下載程序的方式，并且STC公司單片機工作在寬電壓范圍內(nèi)，電壓的波動對系統(tǒng)的影響不大，這樣提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，另外STC單片機的加密性能也由于其他單片機，并且STC的單片機是加強型的51單片機[8]。因此我們選用STC89C52單片機作為系統(tǒng)的主控芯片。

2.3.2顯示模塊選擇方案論證

顯示模塊是系統(tǒng)的人機交互模塊，增加了顯示模塊增加了系統(tǒng)的交互性。目前市場上用到的顯示模塊有好多種，有數(shù)碼管顯示，還有液晶顯示，由于數(shù)碼管只是顯示數(shù)字，不能顯示字符，而此系統(tǒng)需要用到顯示當前的水位狀態(tài)。這樣就必需要用到字符顯示的液晶顯示器，液晶顯示器也有好多種，但根據(jù)系統(tǒng)的需要我們選用的是LCD1602,很大程度上增加了系統(tǒng)的人機交互功能，讓使用者可以得到更多系統(tǒng)工作的信息，更便利的使用此系統(tǒng)。

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3系統(tǒng)的硬件設(shè)計

3.1電路設(shè)計框圖

系統(tǒng)的總體框圖主要由主控芯片基本電路、按鍵電路、電動機和蜂鳴器驅(qū)動電路、液晶顯示電路組成。除主控芯片電路外，其他的都是外圍功能性電路。蜂鳴器和電動機電路驅(qū)動原理基本一致，都為三極管驅(qū)動電路，按鍵電路為平常的獨立按鍵電路，液晶電路參考設(shè)計手冊既可。電路設(shè)計框圖如圖3-1所示：

圖3-1電路設(shè)計框圖

3.2MCU主控芯片簡介3.2.1主控制器芯片STC89C52概述

STC89C52是一款完全兼容8051內(nèi)核指令的芯片，是宏晶科技公司的新一代加強性的8051單片機[9]。采用最新的加密技術(shù)解決了全球89系列單片機都被解密的困惑。并且管腳完全兼容，性能更好，驅(qū)動力更強，功耗更低，價格也比傳統(tǒng)的89系列低[10]。STC89C52的引腳說明圖如圖3-1。STC89C52單片機的特點如下：

1.加強性6時鐘/機器周期，12時鐘/機器周期8051CPU2.工作電壓：5.5v-3,4v（5v單片機）/3.8V-2.0V(3V單片機)

3.工作頻率范圍：0-40MHZ,相當于普通8051的0-80MHZ，實際工作頻率可達48MHZ

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4.用戶應(yīng)用程序空間4K/8K/13K/16K/20K/32K/64K,字節(jié)片上集成1280字節(jié)/512字節(jié)RAM

5.通用I/O口（32//36個），復(fù)位后為：P1/P2/P3/P4是準雙向口/若上拉（普通8051傳統(tǒng)I/O口。P0口是開漏輸出，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為I/0口用時，需要上拉電阻。

6.ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP(在應(yīng)用可編程)，無需專用編程器/仿真器可通過串口（P3.0/P3.1）之下載用戶程序，8K程序3秒即可完成一片。

7.共三個16位定時器/計數(shù)器，其中定時器0還可以當成2個8為定時器使用8.外部中斷4路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷，PowerDown模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒

9.通用異步串行口（UART）,還可用定時器軟件實現(xiàn)多個UART.

10.內(nèi)部Flash擦寫次數(shù)為100,000次以上，STC89C51RC/RD+系類單片機加密性強，出廠時就已經(jīng)加密。

圖3-2STC89C52的引腳圖說明

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speaker=0;//蜂鳴器鳴響一聲delay(1000);speaker=1;

//定時0，定時時間為150us，工作在方式2//開總中斷

//開定時器0的中斷//定時器0不啟動

TMOD=0X02;TL0=TH0;EA=1;ET0=1;}

voidmain()//主函數(shù){init();while(1)}

voidtimre_0()interrupt1{time_count++;

if(time_count==pwmT)//和PWM脈寬的時間比較，時間到了定時器清零，重新開始

{time_count=0;}

if(time_count{

monter=0;}{

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TH0=(256-150)%6;

TR0=0;

{

key_scan();

check_water_level();//檢測水位是否正常函數(shù)}

//定時器0的中斷子函數(shù)

else

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}

monter=1;

}

voidcheck_water_level()//檢測水位是否正常函數(shù){uchari;