基于單片機的水箱水位控制系統(tǒng)

基于單片機的水箱水位控制系統(tǒng)【摘要】水箱水位控制系統(tǒng)在工業(yè)、生活等領(lǐng)域有著非常普遍的應用。是一種以檢測水箱水位高度來實現(xiàn)水箱水量的自動化控制和調(diào)節(jié)。水箱控制系統(tǒng)在生活及工業(yè)用水儲存，及其他液體儲存監(jiān)測控制上的主要作用是保持水箱液體恒定的儲備量。系統(tǒng)可以做到不間斷、自動化的用水或液體的供給。與其相關(guān)的控制系統(tǒng)還有常用于工業(yè)作業(yè)的儀表控制或微機控制。本次設計的水箱水位控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對水箱內(nèi)水位進行自動化控制，并具有水位的顯示功能和警報功能。在操作上，更為便捷，可以實現(xiàn)自動化控制，該系統(tǒng)可以在各種復雜環(huán)境化運行，且穩(wěn)定性良好?！娟P(guān)鍵詞】：單片機；水位控制系統(tǒng)；水泵目錄TOC\o"1-2"\h\u引言 1一、水位控制系統(tǒng)現(xiàn)狀及特點 2（一）國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀 2（二）優(yōu)勢及特點 2二、水箱水位控制系統(tǒng)的設計 2（一）設計目的及核心內(nèi)容 2（二）系統(tǒng)方案 3三、系統(tǒng)硬件設計 5（一）單片機概況 5（二）單片機最小系統(tǒng)電路圖 6（三）起振電路設計 7（四）水位傳感器 7（五）繼電器 8四、系統(tǒng)軟件設計 8（一）系統(tǒng)主程序設計 8（二）水位檢測程序流程圖 10五、系統(tǒng)安裝與調(diào)試 10（一）實物焊接 10（二）程序燒錄 11（三）系統(tǒng)功能測試 11總結(jié) 12致謝 13參考文獻 14附錄 16PAGEPAGE17引言水箱水位控制系統(tǒng)在工業(yè)、生活等領(lǐng)域有著非常普遍的應用。是一種以檢測水箱水位高度來實現(xiàn)水箱水量的自動化控制和調(diào)節(jié)。水箱控制系統(tǒng)在生活及工業(yè)用水儲存，及其他液體儲存監(jiān)測控制上的主要作用是保持水箱液體恒定的儲備量。系統(tǒng)可以做到不間斷、自動化的用水或液體的供給。與其相關(guān)的控制系統(tǒng)還有常用于工業(yè)作業(yè)的儀表控制或微機控制。單片機作為一種新型電子技術(shù)，它是集合了微型計算機所需的CPU、存儲器、輸入、輸出等部件，可以進行較為簡易的信息處理和輸出輸入等工作。單片機在機械和電子應用領(lǐng)域十分寬泛，隨著科技的發(fā)展，單片機技術(shù)的提升，在性能、運行速度提升上不斷突破，將會使單片機的應用前景更加廣泛。單片機自出現(xiàn)以來，具有體積小巧、低功耗等多種優(yōu)勢。部分設備在技術(shù)提升上，已經(jīng)發(fā)展出很強的抗干擾性、環(huán)境適應性高的產(chǎn)品。由于工業(yè)生產(chǎn)所需要的控制系統(tǒng)的工作環(huán)境相對較差，通過使用單片機進行控制可以很好的減少人工成本，而且準確性和穩(wěn)定性也都十分出色。一、水位控制系統(tǒng)現(xiàn)狀及特點（一）國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀近些年，我國的單片機生產(chǎn)技術(shù)正以快捷高能的速度逐步發(fā)展中，尤其在測控設備的生產(chǎn)、應用方面都有著很好的成果。但相比國外歐美等發(fā)達國家，我國的技術(shù)水平還有很多方面遠遠不足。很多領(lǐng)域的發(fā)展空間還很長遠。根據(jù)近些年調(diào)查，我國在科技領(lǐng)域研究上還有很多發(fā)展弊端和限制。就以單片機技術(shù)為例，目前大多科研機構(gòu)的研究方向和目標都還是著重算法和理論知識。在科研及論述上多以此為重。只有少量發(fā)達地區(qū)開始注重實際及生產(chǎn)需求。比如上海及深圳、北京等。這些地區(qū)多有高科技產(chǎn)品的基礎生產(chǎn)基地，電子科技競爭大，產(chǎn)品更新?lián)Q代速度高?？蒲袡C構(gòu)的研發(fā)實力和經(jīng)驗比較豐富，所以在產(chǎn)品的實際用途例如功能性、產(chǎn)品質(zhì)量、材質(zhì)、產(chǎn)品優(yōu)勢、應用項目等方面尤為重視。（二）優(yōu)勢及特點本次設計的水箱水位控制系統(tǒng)在水位測量上，使用了2個水位傳感器一個安裝在水箱上端一個安裝在水箱下端，用來監(jiān)測水箱內(nèi)的水量情況。這樣的設計可以讓水位的控制實現(xiàn)自動化，便于管理者的操作與管理。本次設計的基于單片機的水箱控制系統(tǒng)有著便于控制，實用性強的良好特性。管理者可以不用進行現(xiàn)場操控，該系統(tǒng)還具有良好的穩(wěn)定性。單片機系統(tǒng)一直以來都以小巧且功能強大、性價比高、便于安裝的優(yōu)點備受使用者們青睞，有著廣袤的發(fā)展前景。單片機系統(tǒng)排障性能強，系統(tǒng)檢測性能高，故障率低，可以連接電腦實行供水系統(tǒng)的調(diào)控，并可以維護其安全運行，保障系統(tǒng)穩(wěn)定。本次設計是基于單片機的水箱水位控制系統(tǒng)的設計，使用了AT89C51型號單片機作為核心芯片，該型號單片機不僅有著不錯的性能和穩(wěn)定性，性價比也十分的出眾。二、水箱水位控制系統(tǒng)的設計（一）設計目的及核心內(nèi)容本次設計的水箱水位控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對水箱內(nèi)水位進行自動化控制。在操作上，更為便捷，可以實現(xiàn)自動化控制，該系統(tǒng)可以在各種復雜環(huán)境化運行，且穩(wěn)定性良好。系統(tǒng)核心內(nèi)容有：當水箱內(nèi)的上端水位感應器檢測到水位低于80%時水泵自動啟動對水箱內(nèi)進行供水，當上端水位感應器檢測到水位高于80%時水泵停止供水。當下端水位感應器檢測到水位低于30%時，水箱水位控制系統(tǒng)將會開啟報警程序，指示燈會亮起用于提醒水箱當前水位過高或過低。見下圖2-1所示=水位傳感器1水位傳感器2水箱單片機進水單片機預警燈繼電器預警燈繼電器水泵圖2-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計圖（二）系統(tǒng)方案1.系統(tǒng)設計分析水箱水位控制系統(tǒng)的是以水箱內(nèi)設計的2個水位傳感器進行判定，一個水位傳感器安裝在水箱80%的位置，一個水位傳感器安裝在水箱30%的位置，當水位傳感器檢測到水箱內(nèi)的水低于80%時，會將數(shù)據(jù)傳輸給單片機，單片機接收到數(shù)據(jù)后會對其進行處理，隨后控制其他設備完成相關(guān)任務。當水位傳感器檢測到水箱內(nèi)的水低于30%時，會觸發(fā)報警程序，水箱水位控制系統(tǒng)的預警燈會亮起。本次設計的水箱水位控制系統(tǒng)通過感知水箱內(nèi)水的位置，從而控制單片機執(zhí)行對應的操作，最終達到檢測并控制水箱內(nèi)水位高度?；趩纹瑱C的水箱水位控制系統(tǒng)主要由單片機、水泵、水位傳感器幾個設備組成。詳細可參考設計圖2-2中所示。圖2-2系統(tǒng)框架圖2.單片機選擇方案一：使用DSP作為水箱水位控制系統(tǒng)的主控制元件，DSP是一種性能強大的微型處理器，可以控制數(shù)字信號完成對信息的處理工作。DSP所能實現(xiàn)的功能非常多，而且系統(tǒng)非常穩(wěn)定不容易被外部環(huán)境所影響，信號可用于頻率非常低的信號，能夠和處理器系數(shù)相互配合適應，便于對其進行調(diào)試。但它電路結(jié)構(gòu)較為復雜，價格也相對昂貴，而且耗電也非常的大。方案二：使用stc89c51單片機作為水箱水位控制系統(tǒng)的主控元件，現(xiàn)如今的單片機應用非常的廣泛而且功能也十分的強大，不僅運行時電壓相對較低，能量損耗也較低，而且stc89c51單片機的計算能力非常的強大，在進行軟件程序編寫方面也十分的方便，價格也較為低廉。通過對方案三：使用單片機當成是系統(tǒng)的控制器，因為單片機的功能性比較強，而且價格低廉，使用的電壓低，能量損耗比較低，同時單片機計算能力比較強，而且在軟件編程方面也十分的靈活自由，可以利用軟件完成各種邏輯功能的編輯，同時單片機自身就擁有定時器以及技術(shù)性，其體積比較小，通過對兩種方案的對比分析，選擇方案2，將stc89c52單片機當成是控制原件。3.傳感器的設計分析本次在進行水箱水位控制系統(tǒng)的設計時，考慮到水箱大都放置在樓頂，系統(tǒng)工作環(huán)境大都在室外，所以改系統(tǒng)的設計應盡可能的簡單可靠。本次設計的水箱水位控制系統(tǒng)使用了2個水位傳感器，分別安裝于水箱的80%位置和30%位置，上端的水位傳感器接觸不到水源后，水泵開始運行開始向水箱內(nèi)注水，上端的水位傳感器接觸到水源后，水泵停止向水箱內(nèi)注水。下端的水位傳感器接觸不到水源后，報警程序?qū)宇A警燈會打開。圖2-3水位傳感器電路4.單片機復位分析單片機的復位或初始化狀態(tài)是由RST/VPD來完成。單片機復位方式一般分為開關(guān)復位與上電復位。詳細可參考設計圖2-3中所示。由于本次水箱水位控制系統(tǒng)的設計服務區(qū)域為居民區(qū)，因此不免會出現(xiàn)停電情況，從而導致系統(tǒng)停止運行，這需要單片機能夠有自動復位的工能。因此選擇上開關(guān)復位為本次設計的復位方式。圖2-4復位電路5.單片機起振分析本次單片機的水箱控制系統(tǒng)中反向放大器的輸出入設計電路分別為XTAL1及XTAL2。作用于起振的振蕩器可以選擇石晶振蕩器和陶瓷振蕩器，或者外部時鐘源驅(qū)動器。本次設計選用的是更加便捷的片內(nèi)時鐘源驅(qū)動器。再配置電容的電路外接晶振，就能達到起振，并供給單片機對應的時鐘頻率，以實現(xiàn)單片機工作及運行。圖2-5起振電路6.水泵驅(qū)動方式本次基于單片機的水箱水位控制系統(tǒng)水泵驅(qū)動的方式為間接式。在設計上，單片機無法做到直接驅(qū)動電機，需要一個驅(qū)動模塊和一個交流接觸器作為媒介，才能實現(xiàn)驅(qū)動電機的功能。這樣，單片機就需要從輸出端連接驅(qū)動模塊，再到交流接觸器，最后驅(qū)動電機。驅(qū)動模塊可以說是一個集合分離元件的放大器電路。它也可以設計到單一芯片上，都可以發(fā)揮驅(qū)動交流接觸器的作用。鑒于其簡潔小巧，又具有便于調(diào)試及維修的優(yōu)點。本次將使用單一芯片來實現(xiàn)對交流接觸器的控制。圖2-6繼電器電路三、系統(tǒng)硬件設計（一）單片機概況STC89C51單片機是一款新型的微控制器，不僅運算速度得到了提升還大大降低了功耗，還具備了很強的抗干擾能力。STC89C51單片機內(nèi)部設計有3個16位的定時器，還擁有32個IO接口，一部分引腳還可以分時復用，顯著的增加了系統(tǒng)的容量。STC89C51單片機內(nèi)部資源包含程序存儲空間，數(shù)據(jù)存儲空間和特殊功能寄存器。以前的單片機的程序存儲空間技術(shù)較為老舊，只能完成一次寫入非常的不方便。現(xiàn)如今隨著科技的發(fā)展，程序存儲空間技術(shù)得到了顯著的提升，已經(jīng)可以實現(xiàn)重復編寫，且數(shù)據(jù)不易丟失。單片機的數(shù)據(jù)存儲空間主要用來存儲運算中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的寫入速度非?？?，而且可以實現(xiàn)無限寫入。單片機的特殊功能寄存器用來存放程序執(zhí)行時的命令類數(shù)據(jù)。見下圖3-1所示。圖3-1STC89C51單片機引腳圖STC89C51單片機擁有3種工作模式：第一種、掉電模式：外部中斷運行，中斷結(jié)束后返回原程序繼續(xù)運行，功耗最低。第二種、空閑模式：外圍設備正常運行，單片機不運行，功耗低第三種、正常模式：所有功能全部運行，功耗較大。（二）單片機最小系統(tǒng)電路圖下圖3-2為STC89C51最小運行系統(tǒng)。該系統(tǒng)共由3部分所組裝，分別是復位電路和晶振電路還有電源。其中晶振電路內(nèi)擁有兩種電容大小都為30pF，還有配有平路為11.0592M的晶振。電容的作用是用來輔助晶振震動，電容的數(shù)值大小為15-33pF。由于 本次設計的水箱水位控制系統(tǒng)需要利用串口來進行數(shù)據(jù)的傳輸，所以選擇了為11.0592M的晶振，如果選擇使用率為12M的晶振極其容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸錯誤等現(xiàn)象。在設計時還需要將晶振位置放置在盡量靠近單片機。復位電路就像筆記本電腦的重啟鍵一樣，當筆記本電腦在運行時出現(xiàn)死機時，通過按下重啟鍵就可讓系統(tǒng)重新開始運行。本次復位電路由1個數(shù)值為10uF電容和一個數(shù)值為10K的電阻構(gòu)成，電容電壓不會發(fā)生突變現(xiàn)象，所以水箱水位控制系統(tǒng)通電后，RESET腳就會擁有一個高電平，同時提高電瓶，持續(xù)時間的長短是通過RC值所確定的。通常兩個機器周期就會執(zhí)行復位操作，通過控制RC的取值就能確保復位功能的可靠。圖3-2單片機最小系統(tǒng)（三）起振電路設計晶振起振后，隨著xtal2端口上3V正弦波的輸出，使得單片機內(nèi)的OSC電路和晶振以同樣頻率自發(fā)振蕩。OSC端的時鐘頻率在0.5MHz～16MHz之間，通常頻率為11.058MHz或12MHz或。C1和C2電容在此有著助力起振的作用，通常值為30pf。在這次系統(tǒng)設計中，取晶振頻率為12MHz，CI、C2值為30pf。電路圖可參見下圖3-3中所示。。圖3-3起振電路（四）水位傳感器WaterSensor水位傳感器是一款簡單易用、性價比較高的水位/水滴識別檢測傳感器，其是通過具有一系列的暴露的平行導線線跡測量其水滴/水量大小從而判斷水位。輕松完成水量到模擬信號的轉(zhuǎn)換，輸出的模擬值可以直接被開發(fā)板讀取，達到水位報警的功效。工作原理是有兩組暴露的導線，分別是A組B組，同組的導線均是相連的，電流由B經(jīng)過液體的導通流到A，暴露的導線可以感知是否有液體以及所接觸液體量的大小，量越大，則經(jīng)過導線并終到達回路的電流加大，并由三極管轉(zhuǎn)化為相應變化的模擬信號輸出。通過外部系統(tǒng)讀取輸出的模擬信號，則可以得知相應液位的變化。見下圖3-4所示。圖3-4水位傳感器（五）繼電器繼電器是常見的控制元件，它可以利用低電流或低電壓來控制大電流或大電壓的運行。在電路中主要起到了調(diào)節(jié)的作用，繼電器控制電路的使用非常安全便捷。電磁式繼電器的本質(zhì)就是一個用于信號傳遞的電器，內(nèi)部主要由控制系統(tǒng)和被控制系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。電磁式繼電器工作原理是電磁效應，導體在磁場中切割線圈，從而產(chǎn)生電動勢和電流以及安培力。當繼電器在運行時隨著電流變化而動作的為動觸點，不動作的為靜觸點。銜鐵在磁場中由安培力的作用下，帶動觸點和靜觸點閉合。當電路中沒電的時候，動觸點和靜觸點就自動分開。通過這種原理，電磁繼電器即可作為電路通斷的開關(guān)。本次設計的水箱水位控制系統(tǒng)即通過使用電磁繼電器來控制水泵的抽水工作。見下圖3-5所示。圖3-5繼電器四、系統(tǒng)軟件設計（一）系統(tǒng)主程序設計本次設計的水箱水位控制系統(tǒng)使用的是STC89C51RC單片機作為核心，軟件部分的設計使用Keil4軟件進行程序的編寫。水箱水位控制系統(tǒng)通電后，程序會先完成初始化操作，隨后單片機控制水位傳感器開始工作，持續(xù)的傳輸水箱內(nèi)當前的水位數(shù)據(jù)。當系統(tǒng)檢測到水箱內(nèi)水位低于預設值時，預警燈會亮起，隨即控制水泵向水箱內(nèi)沖水，當水箱內(nèi)的水增加到預設值后則停止加水。水箱內(nèi)水位數(shù)據(jù)通過水位傳感器進行數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C進行處理分析。水箱水位控制系統(tǒng)運行時會進入while的死循環(huán)中，期間會不斷的檢測水箱內(nèi)的水位數(shù)據(jù)。圖4-1系統(tǒng)程序圖設計（二）水位檢測程序流程圖WaterSensor水位傳感器擁有A組導線和B組導線，同組的導線均是相連的，電流由B經(jīng)過液體的導通流到A，導線可以感知是否有液體以及所接觸液體量的大小，量越大，則經(jīng)過導線并終到達回路的電流加大，并由三極管轉(zhuǎn)化為相應變化的模擬信號輸出。通過該原理水位傳感器可以檢測到水箱當前的水位情況。見下圖4-2所示。圖4-2水位檢測程序流程圖五、系統(tǒng)安裝與調(diào)試（一）實物焊接本次設計的水箱水位控制系統(tǒng)由于比較簡單所以選擇萬能板進行制作，這樣不僅可以大大的制作成本，而且體積更小密度更高。在進行焊接時需要對照原理圖進行焊接，以便達到美觀實用的效果。在進行板子的焊接時，需要先核對好所需的元器件，避免出現(xiàn)遺漏現(xiàn)象。銜接時需要先焊接接口較多的配件，再焊接接口少的配件，這樣不僅可以大大提升焊接效率，還可以有效的避免出現(xiàn)錯誤。由于元器件設計的較為緊湊，焊接出現(xiàn)失誤后不方便修正。所以在進行焊接時需要避免出現(xiàn)漏焊、虛焊等情況。焊接完成后需要挨個檢查焊點是否標準飽滿，并使用萬用表確認接口之間電路通暢。圖5-1實物圖（二）程序燒錄本次設計的基于單片機的水箱水位控制系統(tǒng)使用了Keil軟件進行C語言程序的編寫。C語言是廣泛用于低級開發(fā)中的并且面向過程的抽象通用編程語言。C語言編譯和處理低級內(nèi)存的方式較簡單。C語言同樣也是一種高效的編程語言，C語言在運行過程中只需要使用少量的機器語言，并且支持多種操作環(huán)境。程序編寫完成并正常運行后，即可將文件轉(zhuǎn)換成.hex格式的目標文件，用于程序的燒錄。燒錄時需要先和目標板建立連接，連接完成后狀態(tài)欄會顯示已連接。接著選擇.hex目標文件將其錄入到板子內(nèi)。圖5-2程序?qū)懭氤晒Γㄈ┫到y(tǒng)功能測試首先為水箱水位控制系統(tǒng)進