基于单片机的水位控制系统设计.docx
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基于单片机的水位控制系统设计
.
课程设计任务书
题目水位控制器设计
专业、班级学号姓名
主要内容、基本要求、主要参考资料等:
一、主要内容:
①熟悉单片机应用系统的设计方法和规范,达到综合的目的。
②学习文件检索和查找数据手册的能力。
③学习protel软件的使用。
④学会整理和总结设计文档报告。
二、基本要求:
①以MCS-51系列单片机为核心,组成一个水位自动控制系统。
②六区间式水位显示。
③全自动位式进水。
④满水、低水水位报警。
⑤水位传感器故障自检及报警提示。
⑥能延时恢复的报警消音。
三、主要参考资料:
①张毅坤等单片微型计算机原理及应用西安西安电子科技大
学出版社
②李建忠编著单片机原理及应用西安西安电子科技大
学出版社
完成期限:
指导教师签名:
课程负责人签名:
2013年12月16日
.
.
摘要..................................................I
1、概述...................................................1
1.1、系统原理.....................................................................................1
1.2、系统结构图.................................................................................1
1.3、控制方案说明.............................................................................2
1.4、系统组成及原理.........................................................................2
2、硬件设计...............................................4
2.1、单片机最小系统电路设计.........................................................4
2.2、水位检测传感器的选用.............................................................5
2.3、稳压电路的设计.........................................................................6
2.4、光报警电路的设计.....................................................................7
2.5、水泵的介绍.................................................................................9
2.6、继电器控制水泵加水电路.......................................................12
2.7、电源电路...................................................................................13
2.8、看门狗技术...............................................................................14
3、软件设计..............................................17
3.1、系统总原理图...........................................................................17
3.2、系统程序清单...........................................................................18
总结.....................................................20
参考文献.................................................21
附录.....................................................22
.
.
摘要
设计一种基于单片机水塔水位检测控制系统。
该系统能实
现水位检测、电机故障检测、处理和报警等功能,实现超高、
低警戒水位报警,超高警戒水位处理。
调查的过程当中发现,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。
引起了老百姓的抱怨----水用完之前,不知道水已
经很少,待用完后才知晓,如果是急需水的情况下,那就十分
麻烦要等加水后才有水用;加水的过程当中,还需要人时刻检
查水位情况,以防止水量超过最高水位线;所有这一切问题的
存在,都在呼唤一种简单经济的水位控制系统的诞生。
另外,现在许多的锅炉系统、防洪系统也需要对水位进行
控制,以能够方便地控制水位,对不同的水位进行报警,所以
如果研制了一种很好的水位控制装置便能够很好地造福人民。
相信本次的设计一定能够给老百姓的生活带来方便,也一
定会具有广阔的市场前景,一定能够使我们电子设计能力得到
很好的锻炼,使我们的理论和现实生活联系起来!
关键词:
单片机;水位检测;控制系统
.
.
1、概述
1.4、系统原理
当水位处于低水位的时候,传感器的低水位探测线没被
+5V的电源导通进入稳压电路经过处理在稳压电路的输出端
有一个高电平,送入单片机的P1.0口,另一个稳压电路输出
的高电平进入单片机的P1.1口单片机经过分析,在P1.2口输
出一低电平,驱动红灯亮,P1.5出来一个信号使光电耦合器
GDOUHE导通,这样继电器闭合,使水泵加水;当水位处于
正常范围内时,水泵加水,在P1.3引脚出来一个低电平,使
绿灯亮;当水位在高水位区时,传感器的两根探测线均被导通,
均被+5V的电源导通,送入单片机,单片机经过分析,在P1.4
引脚出来一个低电平,使黄灯亮,在P1.5端出来一个低电平
不能使光电耦合器导通,这样继电器不能闭合,水泵不能加水;
当三灯闪烁表示系统出现故障。
1.5、系统结构图
显示系统
电源电路
单片机
水泵加水AT89C2051
系统
稳压电路
水位检测水塔模型
传感器水箱
图1-1系统结构图
.
.
采用单片机AT89C2051作为我们的控制芯片,主要工作过
程是当高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,然后单片机驱动水泵加水和显示系统使红灯变亮;当
水位在正常范围内时,水泵加水,绿灯亮,;当水位在高水位时,单
片机不能驱动水泵加水,黄灯亮。
1.6、控制方案说明
这个方案中使用了单片机处理,单片机技术是信息时代用
于精密测量的一种新技术。
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
AT89C2051单片机有四端口,20引脚能够非常方便地设计显
示系统。
1.7、系统组成及原理
本系统由电源电路、水位探测传感电路、稳压电路、单
片机系统、光报警显示电路、继电器控制水泵加水电路、以及
高塔模型组成。
主电气原理图如下:
.
.
+5V
+5V
+5V
SW-PB
C3
10uF
R1
1K
Y1
1
2
3
4
5
U1
RST
(RXD)P3.0
(TXD)P3.1
XTAL2
XTAL1
VCC
P1.7
P1.6
P1.5
P1.4
20
19
18
17
16
D10
YELLOW
D9
GREED
R16
1K
R14
1K
+5V+5V
R9R10
U3
1
2
3
CON3
K1
C2
33pF
6
7
C18
33pF
9
(INT0)P3.2
P1.3
P1.2
(INT1)P3.3
(T0)P3.4P1.1(AIN1)
(T1)P3.5P1.0(AIN0)
15
14
13
12
D8
RED
R15
1K
1K
GDOUHE
10K
R7
2K
Q3
NPN
D7
12MHZJUMPRELAY-SPDT
R8
1011
GNDP3.7
2K
+5V+5V
AT89C2051
U4
R6
07-02-01
C4
1k
+5V
R6
100K
R13
100K
1.8uF
R5
R4
2K
R11
2K
1k
P1.0D6P1.1
D5
U2DIODE
4
4
1
+5V
6
7
2
3
MS1
MS2
MR1
MR2
Q0
Q1
Q2
Q3
12
9
8
11
C3
2.8uF
1
2
UIA
A
B
7432
3
YRESET
DIODE
Q5
NPN
Q4
NPN
Q5
NPN
Q4
NPN
6
RC
TRIG
C
X
U3A
5
R2
10K
14
CLK0
CLK1
7490
R3
10k
DIS
1
R5
100
R12
100
+5V
3
D
2
CVolt
THR
N
R1
G
10kR4
NE556
3.2k
C2
7
C10.01uF
P1.6
U1
7812
U2
7805
P1.1
R2
1K
R3
1K
K2
1
2
3
CON3
D2D3
1
Vin
D
N
G
Vout
3
1
Vin
D
N
G
Vout
3
47uF
C7
C4
1000uF
C5
0.1uF
2
C6
0.1uF
2
0.1uF
J1
V1
VSIN
12V
5V
GND
1
2
3
CON3D1D4
图1-2原理图
工作原理:
当水位处于低水位的时候,传感器的低水位探
测线没被+5V的电源导通进入稳压电路经过处理在稳压电路
的输出端有一个高电平,送入单片机的P1.0口,另一个稳压
电路输出的高电平进入单片机的P1.1口单片机经过分析,在
P1.2口输出一低电平,驱动红灯亮,P1.5出来一个信号使光
电耦合器GDOUHE导通,这样继电器闭合,使水泵加水;当
水位处于正常范围内时,水泵加水,在P1.3引脚出来一个低
电平,使绿灯亮;当水位在高水位区时,传感器的两根探测线
均被导通,均被+5V的电源导通,送入单片机,单片机经过分
析,在P1.4引脚出来一个低电平,使黄灯亮,在P1.5端出来
一个低电平不能使光电耦合器导通,这样继电器不能闭合,水
泵不能加水;当三灯闪烁表示系统出现故障。
.
.
2、硬件设计
1.9、单片机最小系统电路设计
AT89C2051是美国ATMEL公司生产的低电压、高性
能CMOS8位单片机,片内含2kbytes的可反复擦写的只
读程序存储器(PEROM)和128bytes的随机数据存储器
(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存
储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8
位中央处理器和Flash存储单元,功能强大at89c2051单片
机可为您提供许多高性价比的应用场合。
本设计中单片机
采用AT89C2051,它是一种高性能低价格单片机。
引脚(20个)
和指令系统与8031单片机完全兼容。
片内有2K字节的闪速
程序存储器(采用电擦除编程,可重复编程1000次,数据可保
10年),除没有P0口、P2口外,具有8031所有功能结构,即一片
AT89C2051相当于8031、373、2716组成的最小系统。
用它
构成的测量、控制系统具有电路简单、可靠性好、体积小和成
本低等优点。
AT89C2051的P1口为八位双向I/O口,P1.2~
P1.7有内部上拉电阻,P1.0与P1.1无内部上拉电阻。
P1.0与
P1.1具有第二功能,分别作为片内精密比较器的同相、反相输
入端。
P1口输出驱动器能提供20mA的灌电流驱动能力,其
锁存器写1时可作为输入口。
AT89C2051的P3口为七位双
向I/O口,有内部上拉电阻,P3口输出驱动器能提供20mA
灌电流驱动能力,其锁存器写1时可作输入口。
P316作为输
入线与片内精密比较器输出端在片内相连,故无引出线,但可
.
.
读该位的值。
P310~P315的第二功能与8031P3口相应口线
的第二功能完全相同。
综上所述,P1和P3口中的各口线可直
接驱动发光二极管,不用再配置发光二极管驱动电路,P1.0与
P1.1具有第二功能,不用再配置比较器,从而简化了控制电路
的结构。
+5V
SW-PB
C3U1
120
+5VRSTVCC
10uF219
(RXD)P3.0P1.7
R1
318
(TXD)P3.1P1.61K
417
XTAL2P1.5
516
XTAL1P1.4
Y1
615
(INT0)P3.2P1.3
12MHZ714
(INT1)P3.3P1.2
C2
33pF
C1
33pF
813
(T0)P3.4P1.1(AIN1)
912
(T1)P3.5P1.0(AIN0)
1011
GNDP3.7
AT89C2051
图2-1最小系统电路图
1.10、水位检测传感器的选用
传感器是一种能感受被测物体物理量并将其转化为便于
传输或处理的电信号的装置,在现代科技领域中,传感器得到
了广泛应用,各种信息的采集离不了各种传感器,传感器的基
本功能在于能感受外界的各种“刺激”并作出迅速反映。
本设计
当中我们采用的水位探测传感器简单易做,经济实惠。
其外形
轮廓如下:
.
.
+5v
A
B
图2-2水位探测传感器外观图
A为接+5V电源的线与水一直保持连通,B线为低水位控
制线,当水位到达低水位的时候它不导通,水在正常范围内时,
它导通。
C线为高水位控制线,当它导通时,表示水已经为高
水位。
本设计中采用了细铜线作为我们的传感器的材料。
主要考
虑了
(1)细铜线的电阻率比较低,这样就可以避免由于电阻过
大而使输出的电平过低,以致不能很好地驱动单片机工作
(2)
传电性能比较好,传电速率比较快,也就是说灵敏性非常好。
(3)细铜线便宜易找。
本传感器的尺寸是A线是30CM,B线是20CM,C线是
15CM,铜线直径是15MM。
1.11、稳压电路的设计
本电路的主要作用是使从传感器输出的电平能够稳定地
输入单片机中,主要由三极管的两极放大稳定电路组成,其工
.
.
作过程是水位探测传感器把探测到的电信号送给R12,如果送
入的是高电平则R11、Q5、D3、Q4导通把低于1.4V的低电
平稳定地送给单片机。
如果是低电平送给R12则R11、Q5、
D3、Q4均不能导通二是R13导通将把高于1.4V的高电平稳
定的送给单片机。
我查找了相关资料以及我们自己在设计过程当中免去此
稳定电路,发现有时候也能实现我们的设计目的,但是也有很多
时候发生水位误判的情况,产生不稳定现象,所以我们认为此电
路是不可缺少的。
既然是控制系统,当然就要控制精确。
R11
R13
100K
2K
D3
P1.0
R12
100
DIODE
Q4
NPN
Q5
NPN
图2-3稳压电路原理图
1.12、光报警电路的设计
发光二极管(LED)是用半导体材料制作的正向偏置的
PN结二极管。
其发光机理是当在PN结两端注入正向电流时,
注入的非平衡载流子(电子-空穴对)在扩散过程中复合发光,
这种发射过程主要对应光的自发发射过程。
按光输出的位置不
同,发光二极管可分为面发射型和边发射型。
发光二极管的发
光原理同样可以用PN结的能带结构来解释。
制作半导体发光
.
.
二极管的材料是重掺杂的,热平衡状态下的N区有很多迁移
率很高的电子,P区有较多的迁移率较低的空穴。
由于PN结
阻挡层的限制,在常态下,二者不能发生自然复合。
,而当给
PN结加以正向电压时,沟区导带中的电子则可逃过PN结的
势垒进入到P区一侧。
于是在PN结附近稍偏于P区一边的地
方,处于高能态的电子与空穴相遇时,便产生发光复合。
这种
发光复合所发出的光属于自发辐射,辐射光的波长决定于材料
的禁带宽度Eg。
本电路采用不同颜色的发光二极管来表示不同的水位情
况。
即红灯亮,他两灯不亮表示是低水位状态,此时需要启动
水泵加水;绿灯亮,其他两灯不亮表示在正常的水位线内;黄
灯发亮,其他两灯不亮为高水位状态,水泵停止加水,三灯闪
烁表示系统出现故障。
+5V
D10
R16
P1.4
1K
YELLOW
D9
R14
P1.3
1K
GREED
D8
R15
P1.2
1K
RED
图2-4光报警电路的原理图
此电路采用的是共阳极的,所以只有当单片机给发光二极
管为低电平时才能推动发光二极管点亮。
其中R14、R15、R16
为上拉电阻起限压控流作用。
.
.
1.13、水泵的介绍
水泵是每个家庭必不可少的生活工具,虽然大多数人并没
有认识到这一点,但这确是事实。
很多人对水泵一无所知。
(1)水泵的分类
水泵一般多以泵的结构和作用原理来分类,有时根据需要
也按使用部门、用途、动力类型和泵的水力性能等进行分类。
1)按使用部门分有农业用泵(农用泵)、工作用泵(工业
泵)和特殊用泵等。
2)按用途分有水泵、砂泵、泥浆泵、污水泵、污物泵、井
用泵、潜水电泵、喷灌泵、家用泵、消防泵等。
3)按动力类型分有手动泵、畜力泵、脚踏泵、风力泵、太
阳能水泵、电动泵、机动泵、水轮泵、内燃水泵、水锤泵等。
4)按工作原理分有离心泵、混流泵、轴流泵、旋涡泵、射
流泵、容积泵(螺杆泵、活塞泵、隔膜泵)、链条泵、电磁泵、
液环泵、脉冲泵等。
(2)选择水泵的主要参数
水泵参数是指泵工作性能的主要技术数据,包括流量、扬
程、转速、效率和比转数等。
1)流量(Q)
泵的流量是指单位时间内所排出的液体的数量。
通常泵
的流量用体积计算,以Q表示,单位为米3/时(m3/h)、米3/
秒(m3/s)、升/秒(1/s),也可用重量计,以G表示,单位为
吨/时(t/h)、吨/秒(t/s)、千克/秒(kg/s)。
G与Q的关系:
G=r×Qr-液体重度(千克/米3)
.
.
因水的重量近似1000千克/米3,故1升/秒=3.6米3/时=3.6
吨/时
2)扬程(H)
泵的扬程是指单位重量的液体通过泵所增加的能量。
以H
表示,实质上就是水泵能够扬水的高度,又叫总扬程或全扬程。
单位为米液柱高度,习惯上省去“液柱”,以米(m)表示。
泵的总扬程由吸水扬程与出水扬程两部分组成,因此总扬
程=吸水扬程=出水扬程但由于水流经过管路时受到各种阻力
而减少了泵的吸水扬程和出水扬程,因此:
吸水扬程=实际吸水扬程+吸水损失扬程
出水扬程=实际出水扬程+出水损失扬程
损失扬程=吸水损失扬程+出水损失扬程
总扬程=实际扬程+损失扬程
由于水泵铭牌上标明的扬程是上述水泵的总扬程,因此不
能误认为铭牌上的扬程是实际扬程数值,水泵的实际扬程都比
水泵铭牌上的扬程数值小。
因此在确定水泵扬程时,这一点要
特别注意。
否则,如果只按实际扬程来确定水泵的扬程,订购
来的水泵扬程就低了,那可能会降低水泵的效率,甚至打不上
水来。
损失扬程与管路上的水管和附件种类(低阀、闸阀、逆
止阀、直管、弯管)、数量、水管内径、管长、水管内壁粗糙
程度以及水泵流量等都有密切关系,这一点在管路设计和选配
水管和附件时也应注意。
3)允许吸上真空高度(Hs)
.
.
允许吸上真空高度是指真空表读数吸水扬程,也就是泵的
吸水扬程(简称泵的吸程),包括实际吸水扬程与吸水损失扬
程之和。
以Hs表示,单位为米(m)。
允许吸上真空高度是安装水泵高度的重要参数,安装水泵
时,应使水泵的吸水扬程小于允许吸上真空高度值,否则安装
过高,就吸不上水或生产气蚀现象。
如生产气蚀,不仅水泵性
能变坏,而且也可能使叶轮损坏。
4)转速(n)
转速是指泵叶轮每分钟的转数,以n表示,单位为转/分
(r/min)。
每台泵都有一定的转速,不能随意提高或降低,这
个固定的转素称为额定转速,水泵铭牌上标定的转速即为额定
转速。
如泵运转超过额定转速,不但会引起动力机超载或转不
动,而且泵的零部件也容易损坏;转速降低,泵的效率就会降
低,影响水泵的正常工作。
5)比转数(ns)
在前述水泵型号中,有些型号的组成部分有比转数这个参
数。
比转数与转速是两个概念,水泵的比转数,简称比速,常
用符号为ns。
水泵的比转数是指一个假想的所谓标准水泵叶
轮的转数,这个假想的水泵与真实水泵的叶轮各部分都几何相
似,而在消耗功率为0.735千瓦、扬程为1米、流量为0.075
立方米/秒时所具有的转数。
叶轮形状相同或相似的水泵比转
数相同,叶轮形状不相同或不相似的水泵比转数不相同。
如轴
流泵比转数比混流泵大,混流泵比转数也是反映水泵特性的综
合性指标。
此外,要注意比转数大的水泵,其转速不一定高;
.
.
比转数小的,转速不一定低。
大流量、低扬程的水泵,比转数
大,反之则小。
一般比转数较低的离心泵,其流量小、扬程高;
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- 基于 单片机 水位 控制系统 设计