1、株洲師范高等專科學校物理與電子工程系畢業論文基于單片機的高塔水位監測報警控制系統姓 名： 王益南 指導老師： 肖利君 專 業： 應用電子技術 班 級： 07級應用電子班 學 號： 04207124 時 間： 2010-5-5至2010-5-28 摘 要 采用AT89單片機系統實現了水塔水位的自動控制，設計出一種低成本、高實用價值的水塔水位控制器。該系統具有水位檢測、低水位高水位報警以及自動加水等功能。本設計過程中主要采用了傳感技術、單片機技術、光報警技術以及弱電控制強電的技術。檢測系統采用銅針探測結構簡單制、造成本低、靈敏度高。并采用52單片機系統控制整個電路的信號處理以及采用光電耦合和繼電器

2、來實現弱電控制強電來實現加水系統的自動控制。 它能自動完成水位檢測、光報警、上水停水的全部工作循環，保證液面高度始終處于較理想的范圍內，它結構簡單，制造成本低，靈敏度高，節約能源顯著，是用于各種高層液體儲存的理想設備。關鍵詞：單片機 自動監測 自動控制 AT89C52 microcontroller system using cooling towers to achieve the level of automation, design a low cost and high practical value of the water tower water level controller.

3、 The system has the water level detection, low water high water level alarm and automatic functions such as adding water. The design process mainly uses the sensor technology, single chip technology, optical technology and the weak control the strong police power technology. Detection system using s

4、imple system for detection of copper needles, resulting in the low and high sensitivity. 52 SCM system control by using the circuit of signal processing and the use of optical coupling and weak control relays to achieve strong power to realize automatic control of water systems. It can automatically

5、 detect the water level, light alarm, Sheung Shui, all the work without water cycle, to ensure better surface height is always within the context of its structure simple, low cost, high sensitivity, significant energy is used in various kind of ideal equipment for high-level liquid storageKey words:

6、 SCM Automatic monitoring Circuit Control目 錄摘 要I第1章 緒 論1第2章 設計思路與方案32.1.設計思路32.2 方案設計32.3 方案論證4第3章 硬件設計53.1 系統方框圖53.2 系統工作原理5單片機介紹6第4章 各部分電路設計104.1 傳感器的選用104.2穩壓電路的設計104.3單片機控制處理電路114.4 光報警顯示統電路114.5繼電器控制水泵加水電路12繼電器控制電路的原理圖12光電耦合器簡介134.5.3 繼電器簡介13第5章 軟件設計155.1 程序流程圖155.2源程序16第6章 系統仿真186.1程序編譯和加載186.

7、2系統仿真186.3系統仿真結果分析19總結20參 考 文 獻21致 謝22附 錄23附錄一：系統的總的電路圖23附錄二 PCB版圖24第1章 緒 論一 研究現狀目前，我國住宅小區樓房自來水供水系統主要采用高塔供水，既在樓頂或者另外建設的高塔上面建個蓄水池以保證用戶水壓的恒定。在我們的指導老師的啟發之下，我們對住宅供水情況進行了調查，根據調查在城市興建的許多的房子現在都要實現自來水供水，所以在許多的家庭的樓頂都砌了一個高塔用來存儲用水，然后對整個房子的用水進行供給。調查的過程當中我們發現，目前大多數的住宅小區都是采用人工加水的辦法，即當水用完的時候，就人工開啟水泵進行加水，十分不便。引起了老百

8、姓的抱怨-水用完只前，不知道水已經很少，待用完后才知曉，如果是急需水的情況下，那就十分麻煩要等加水后才有水用；加水的過程當中，還需要人時刻檢查水位情況，以防止水量超過最高水位線；所以這一切問題的存在，都在呼喚一種簡單經濟的高塔水位檢測報警控制系統的誕生 。另外，現在許多的鍋爐系統、防洪系統也需要對水位進行控制，以能夠方便地控制水位，對不同的水位進行報警，所以如果研制了一種很好的水位控制裝置便能夠很好地造福人民。傳統的控制方式存在控制精度低、能耗大的缺點,而自動控制原理, 依據用水量的變化自動調節系統的運行參數,保持水壓恒定以滿足用水要求, 從而提高了供水系統的質量。而且成本低，安裝方便，經過多

9、次實驗證明，靈敏性好，是節約水源，方便家庭和單位控制水塔水位的理想裝置。二 設計任務與計劃第2章 設計思路與方案2.1.設計思路2.2 方案設計 方案一：本方案采用555電路進行控制，即當水位探測傳感器探測到低水位時送一個低于1/3VCC的低電平給NE555芯片,555的輸出即為高電平驅動水泵加水;當在正常的水位時候,送給NE555為1/3VCC-2/3VCC的電平,即保持前一個水泵不加水的狀態;當水位居于高水位時,給NE555電路一個高電平,這時NE555輸出電平翻轉為低電平,不能驅動水泵,水泵停止加水。圖2.2.1 方案一方框圖方案二：本方案采用單片機80C52作為我們的控制芯片,主要工作

10、過程是當高塔中的水在低水位時,水位探測傳感器送給單片機一個高電平,然后單片機驅動水泵加水和顯示系統使紅燈變亮;當水位在正常范圍內時,水泵加水,綠燈亮,;當水位在高水位時,單片機不能驅動水泵加水,黃燈亮。單片機80C52電源電路水位檢測傳感器水泵加水系統水塔模型水箱顯示系統穩壓電路圖2.2.2 方案二方框圖2.3 方案論證第一種方案設計使用起來比較方便也簡單,不用編程等軟件方面的設計，但是沒有穩壓電路,使輸入NE555芯片的電平十分不穩定,容易發生誤判水位引起混亂的情況,且NE555電路只有一個輸出端,不能接顯示系統,所以不能完成顯示功能。第二種方案中使用了單片機處理，單片機技術是信息時代用于精

11、密測量的一種新技術。此系統使用過程中采用穩壓電路能夠準確地把輸入的電平送給單片機不會產生誤判的情況,由于80C52單片機有四端口32引腳能夠非常方便地設計顯示系統。綜上,我們已經清楚地看到了兩種方案的優劣,要能夠很好地完成本次設計的各個指標和達到設計的目的,我們選擇第二種方案作為我們的設計方案。第3章 硬件設計3.1 系統方框圖本系統由電源電路、水位探測傳感電路、穩壓電路、單片機系統、光報警顯示電路、繼電器控制水泵加水電路、以及高塔模型組成。主電氣原理框圖如下。單片機80C52電源電路水位檢測傳感器水泵加水系統水塔模型水箱顯示系統穩壓電路圖3.1.1系統框圖3.2 系統工作原理當水位處于低水位

12、的時候，傳感器的低水位探測線沒被+5V的電源導通進入穩壓電路經過處理在穩壓電路的輸出端有一個高電平，送入單片機的P1.0口，單片機經過分析，在P2.3口輸出一低電平，驅動紅燈亮，P2.0出來一個信號使光電耦合器GDOUHE導通，這樣繼電器閉合，使水泵加水；當水位處于正常范圍內時，水泵加水，綠燈亮；當水位在高水位區時，傳感器的兩根探測線均被導通，均被+5V的電源導通，送入單片機，單片機經過分析，在P2.2引腳出來一個低電平，使黃燈亮，在P2.0端出來一個低電平不能使光電耦合器導通，這樣繼電器不能閉合，水泵不能加水；當三燈閃爍表示系統出現故障。 （1） 單片機介紹我們選用AT89C52作為我們的控

13、制芯片其引腳圖如3.2.180C52是INTEL公司MCS-52系列單片機中最基本的產品，它采用NTEL公司可靠的CHMOS工藝技術制造的高性能8位單片機，屬于標準的MCS-52的HCMOS產品。它結合了HMOS的高速和高密度技術及CHMOS的低功耗特征，它繼承和擴展了MCS-48單片機的體系結構和指令系統.（2） 80C52的封裝 80C52的封裝如圖3.3所示圖3.2.1AT89C52引腳圖 圖3.2.2 80C52封裝圖（3） AT89C52各引腳功能及管腳電壓第4章 各部分電路設計4.1 傳感器的選用傳感器是一種能感受被測物體物理量并將其轉化為便于傳輸或處理的電信號的裝置，在現代科技領

14、域中，傳感器得到了廣泛應用，各種信息的采集離不了各種傳感器，傳感器的基本功能在于能感受外界的各種“刺激”并作出迅速反映。本設計當中我們采用的水位探測傳感器簡單易做，經濟實惠。其外形輪廓如下：圖4.1.1 水位探測傳感器外觀圖A為接+5V電源的線與水一直保持連通，B線為低水位控制線，當水位到達低水位的時候它不導通，水在正常范圍內時，它導通。C線為高水位控制線，當它導通時，表示水已經為高水位。我們經過反復思考與實驗，采用了細銅線作為我們的傳感器制作材料。主要考慮了(1)細銅線的電阻率比較低，這樣就可以避免由于電阻過大而使輸出的電平過低，以致不能很好地驅動單片機工作(2)傳電性能比較好，傳電速率比較

15、快，也就是說靈敏性非常好。(3)細銅線經濟容易尋找，對我們在實驗室做模型來說十分方便。在制作的過程當中我們用PVC塑料管包扎起來，在外部不要露出銅線，而是采用插針的辦法接到PCB版上去。這樣做有幾個好處主要是(1)非常美觀漂亮，讓線路隱藏。(2)能夠讓各線路緊湊，不會互相產生干擾，接觸的地方都讓絕緣膠布包扎好了。 本傳感器的尺寸是A線是CM，B線CM，C線是CM，銅線直徑是15MM.4.2穩壓電路的設計我們設計的穩壓電路如下:圖4.2 .1穩壓電路原理圖本電路的主要作用是使從傳感器輸出的電平能夠穩定地輸入單片機中，主要由三極管的兩極放大穩定電路組成，其工作過程是水位探測傳感器把探測到的電信號送

16、給R12,如果送入的是高電平則R11、Q5、D3、Q4導通把低于1.4V的低電平穩定地送給單片機。如果是低電平送給R12則R11、Q5、D3、Q4均不能導通二是R13導通將把高于1.4V的高電平穩定的送給單片機。我們查找了相關資料以及我們自己在設計過程當中免去此穩定電路,發現有時候也能實現我們的設計目的,但是也有很多時候發生水位誤判的情況,產生不穩定現象,所以我們認為此電路是不可缺少的。既然是控制系統,當然就要控制精確。4.3單片機控制處理電路 本設計當中，我們主要采用了P1.0、P1.1的靈活的I/O端口作用作為我們的低水位和高水位信號輸入口，單片機通過軟件的控制不斷檢測這個端口的輸入電平，

17、一旦發現則執行相應的控制程序，輸出不同的信號給P2.3、P2.2、P2.1來告知水位情況即紅、黃、綠分別表示水位在低水位狀態，高水位狀態，正常水位狀態。然后，根據不同的水位決定是否通過P2.0口驅動水泵加水還是停止加水。4.4 光報警顯示統電路本電路采用不同顏色的發光二極管來表示不同的水位情況。即紅燈亮，其他兩燈不亮表示是低水位狀態，此時需要啟動水泵加水；綠燈亮，其他兩燈不亮表示在正常的水位線內；黃燈發亮，其他兩燈不亮為高水位狀態，水泵停止加水，三燈閃爍表示系統出現故障。圖4.4.1光報警電路的原理圖此電路采用的是共陽極的，所以只有當單片機給發光二極管為低電平時才能推動發光二極管點亮。其中R1

18、4、R15、R16為上拉電阻起限壓控流作用。4.5繼電器控制水泵加水電路繼電器控制電路的原理圖該電路由繼電器RL1和閉合開關、光電耦合器、水泵R7、R8、R9、R10Y以及D2、Q3等組成。當水位在低水位時單片機給P2.0送一個高電平導通光電耦合器然后光電耦合器驅動Q3導致繼電器閉合從而讓220V的交流電接通使水泵加水。繼電器控制水泵加水電路的原理圖光電耦合器簡介其外觀如圖：圖4.5.2光電耦合器外觀圖光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號的一種電一光一電轉換器件。它由發光源和受光器兩部分組成。把發光源和受光器組裝在同一密閉的殼體內，彼此間用透明絕緣體隔離。發光源的引腳為輸入端，受光器的引腳為輸出端

19、，在本設計當中發光源為發光二極管，受光器為光敏三極管。本設計當中我們采用光電耦合器組成開關電路的作用，能夠很好地將單片機信號穩定地送給繼電器驅動繼電器閉合。4.5.3 繼電器簡介 繼電器是具有隔離功能的自動開關元件，在我們設計當中主要來做自動控制作用，我們采用+5V的直流電來控制220V的交流電，以達到控制水泵的作用，因為是在這里是以一種弱電來控制強電所以安裝和使用的過程當中我們一定要注意用電安全注意事項。電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產生電磁效應，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶

20、動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。當線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）吸合。這樣吸合、釋放，從而達到了在電路中的導通、切斷的目的。對于繼電器的“常開、常閉”觸點，可以這樣來區分：繼電器線圈未通電時處于斷開狀態的靜觸點，稱為“常開觸點”；處于接通狀態的靜觸點稱為“常閉觸點”。圖4.5.3常用繼電器 第5章 軟件設計5.1 程序流程圖： 開始(P1)=#00H?延時0.5秒YP2.0=0 P2.1=0P2.2=1 P2.3=1水泵抽水，紅燈亮圖流程圖5.2源程序程序如下： ORG 0000H LJMP STARTSTA

21、RT: SETB P1.0 SETB P1.1RESTART: MOV A,P1 ANL A,#00000011B CJNE A,#00H,LOOP1 ;在低水位之下，開啟電動機，亮紅燈 SETB P3.2 SETB P3.3 CLR P3.0 CLR P3.1 LCALL DELAY LJMP RESTARTLOOP1: CJNE A,#01H,LOOP2 ;當超過低水位，并且未達到高水位時，保持電動機轉動，亮綠燈 SETB P3.2 SETB P3.1 CLR P3.0 CLR P3.3 LCALL DELAY LJMP RESTARTLOOP2: CJNE A,#02H,LOOP3 ;

22、系統故障（達到高水位，卻沒達到低水位）紅，黃，綠燈均閃爍 SETB P3.0 CLR P3.3 CLR P3.2 CLR P3.1 LCALL DELAY SETB P3.3 SETB P3.2 SETB P3.1 LCALL DELAY LJMP RESTARTLOOP3: CJNE A,#03H,RESTART ;當達到高水位時，停止電動機，亮黃燈 SETB P3.1 SETB P3.0 SETB P3.3 CLR P3.2 LCALL DELAY LJMP RESTARTDELAY: MOV R0,#250DELAY3: MOV R1,#200DELAY2: MOV R2,#5DELAY

23、1: DJNZ R2,DELAY1 DJNZ R1,DELAY2 DJNZ R0,DELAY3 RET END第6章 系統仿真6.1程序編譯和加載 點菜單SourceAdd/Remove source Files”在出現的對話框中，選擇ASEM51編輯器，將上面的匯編源程序添加，點菜單SourceBuild ALL編譯匯編源程序，生成目標代碼文件。在編輯環境左擊單片機然后右擊，將編譯生成的HEX文件加載到芯片中，設單片機的時鐘工作頻率為12MHZ。6.2系統仿真點全速運行按鍵，得到圖5.1所示的仿真結果,圖中是處于低水位狀態,水泵處于運行狀態。圖6.1低水位狀態仿真結果圖6.1故障狀態仿真結果

24、6.3系統仿真結果分析總結以往，人們由于自己的樓頂水塔中的水位不清楚，加水不方便而感到苦惱，現在我們順應大家的需要研制了這款簡單經濟實用的高塔水位控制系統，相信能夠給廣大的老百姓的生活帶來方便，帶來開心，以后大家再也不用親自跑到樓頂加水啦！本系統主要由水位探測傳感器，單片機控制系統，水位顯示系統，繼電器驅動電路，水泵加水系統組成，系統簡單，安裝方便，建議廣大用戶嘗試使用，我相信大家在用了之后一定會感到滿意的。本系統采工作過程是當水位處于低水位的時候，傳感器的低水位探測線沒被+5V的電源導通進入穩壓電路經過處理在穩壓電路的輸出端有一個高電平，送入單片機的P1.0口，單片機經過分析，在P2.3口輸

25、出一低電平，驅動紅燈亮，P2.0出來一個信號使光電耦合器GDOUHE導通，這樣繼電器閉合，使水泵加水；當水位處于正常范圍內時，水泵加水，綠燈亮；當水位在高水位區時，傳感器的兩根探測線均被導通，均被+5V的電源導通，送入單片機，單片機經過分析，在P2.2引腳出來一個低電平，使黃燈亮，在P2.0端出來一個低電平不能使光電耦合器導通，這樣繼電器不能閉合，水泵不能加水，當系統出現故障時，三燈閃爍。實現自動監測、自動加水。本系統設計過程中主要采用了傳感技術、單片機技術、光報警技術以及弱電控制強電的技術它能自動完成水位檢測、光報警、上水停水的全部工作循環，保證液面高度始終處于較理想的范圍內，它結構簡單，制造成本低，靈敏度高，節約能源顯著，是用于各種高層液體儲存的理想設備。我也相信本設計當中一定會存在很多不足，請廣大用戶和相關行業人員，多多批評，多多指教！ 參 考 文 獻1趙貞圖感器集成電路手冊M2002年4月1版化學工業出版社.2何希才感器及其應用實例M2004年