水塔水位自动控制电路设计

四川信息职业技术学院

毕业设计说明书

设计(论文)题目:________________________ 水塔水位自动控制电路设计

专业: 应用电子技术

班级:

学号:

姓名:

指导教师:

二〇一三年十二月五日

目录

摘要 (1)

绪论 (2)

第1章方案论证与分析 (3)

1.1系统功能要求 (3)

1.2整体方案 (3)

1.2.1方案比较与论证 (3)

1.2.2方案论证 (5)

第2章硬件设计与分析 (6)

2.1单片机最小系统 (6)

2.1.1芯片介绍 (6)

2.1.2单片机时钟电路设计 (8)

2.1.3单片机复位电路设计 (9)

2.2超声波测水位电路 (10)

2.3指示电路 (11)

2.3.1显示电路 (11)

2.4报警电路 (12)

2.5交流接触器工作原理 (12)

2.6整机电路工作原理 (13)

第3章软件设计 (14)

3.1主程序流程图 (14)

3.2中断流程图 (14)

第4章系统仿真与调试 (16)

4.1常用调试工具 (16)

4.1.1Keil 软件 (16)

4.1.2Proteus软件 (16)

4.2系统调试 (17)

第5章实物制作与调试 (18)

5.1PCB板的制作 (18)

5.2元件的装配 (19)

5.3调试与性能检测 (20)

参考文献 (22)

附录1 整机电路原理图 (23)

附录2 源程序 (24)

附录3 元器件清单 (27)

摘要

采用低功耗单片机为控制核心、辅以超声波水位状态采集模块、二极管指示模块、电源供电模块、扬声器报警模块设计的自动水塔水位控制系统，通过一只中间继电器来接通大功率的交流接触器，控制水泵的运行成功实现水塔水位控制功能，它具有电路简单、功能齐全、制作成本低、性价比高等特点，是一种经济、实用的自动水塔水位控制系统。硬件部分主要由单片机指示灯、继电器、蜂鸣器等基本外围电子电路组成。它设计的优点是当水位达到一定的位置时报警器开始报警。因此在生活实践应用中具有一定的价值。

关键字超声波检测；水位控制

绪论

在我国尤其是人口高度密集的企业单位和学校，有90%以上是采用传统的抽水方法，用人工监控但是这种方法不仅浪费。人力资源且工作不方便而且，近几年来，随着农村饮水工程的。启动和乡村集镇化建设的发展，深井取水成为解决饮用水的主要方法如果采用人工监控抽水，不但浪费人力资源，而且还容。易发生干抽现象，而且水塔的水用完了还不知道，有时则抽满溢出来，浪费水资源和能源为了提高效率，节约资源，我们就如何实现智能抽水，采用单片机系统进行控制，给出了硬件电路和程序思路。其中运用比较多的主要在大众生活方面，以单片机为控制中心的智能小系统。在本设计中，我们采用了单片机控制多模块设计，便于检查和维修。该设计的基本原理为以51 单片机作为控制元，由软件系统和硬件系统两部分组成。

可靠性：系统应保证长期安全地运行。系统中的硬软件及信息资源应满足可靠性设计要求。安全性：系统应具有必要的安全保护和保密措施。实用性：注重采用经济而实用的技术，使系统建设的投入产出比最高，能产生良好的社会效益和经济效益。易操作性：贯彻面向最终用户的原则，使用户操作简单直观，易于掌握。广泛性：现在大多数企业以及农户为了节约成本都应用此种水塔控制，它的优越性被越来越多的人们所接受、使用。

第1章方案论证与分析

1.1系统功能要求

设计方案采用单片机作为核心部件，并配以时钟电路、复位电路、报警电路、通过扩展外围设备及接口电路完成整个控制系统对电机的控制。成功实现水塔水位显示功能，自动控制电机进行补水功能，从而达到设计要求。

1.2整体方案

1.2.1方案比较与论证

1．基于数字电路实现的电路方案

本设计电路专门用于自来水塔水位的控制。当水位低于最低水位时，自动将供水泵启动上水；当水位到达最高水位是，自动停住上水，不用人工控制。该电路的特点是通过一只中间继电器来接通大功率的交流接触器，控制上水水泵电动机的启动。这是由于555电路输出功率较小，不能驱动大功率的交流接触器它。

电路工作原理：电路中如图（1-1），NE555组成R-S触发器，作为主控电路。R1、R3与R4组成输入端分压偏置电路，它将R-S触发器的R端与S端分别偏置在既不大于2V/3，也不小于V/3的中间状态。当水塔中的水位处于满水时，电源电极A通过水电阻与B、C电极相连，使R-S触发器的R、S端均为高电平，R-S触发器输出端为低电平，继电器K通过吸合，通过常闭触点将交流接触K2的电源断开，上水水泵处于停歇状态。

图1-1数电设计电路原理图

在上水过程中，当水位上升使电极A、B接触后，通过水电阻与R2将电源电压加至定时器的2脚，使R-S触发器的S端出现高电平，但这一高电平对电路不起触发作用。电路保持原状态，上水过程继续。当水位进一步上升使电极AC连通后，电源电压通过

水电阻与R1加至6脚，是R-S触发器的R端出现高电平。这一高电平作为R-S触发器的复位电平，使电路复位，输出端输出低电平，继电器K通电吸合，通过常闭触点K1-1将交流电接触器的电源断开，接触器断开水泵工作电源，上水停止。

2．基于单片机电路实现的电路方案

本设计方案采用内部含Flash存储器的单片机作为核心部件，并配以时钟电路、复位电路、显示电路、报警电路、超声波测距模块，通过扩展外围设备及接口电路完成整个控制系统对电机的控制．电机的控制有串行和并行两种方式，本系统采用串行控制，驱动系统中通过单片机输出控制信号，实现电机不同的控制。基于单片机实现的电路方案方框图如图1-2所示：

图1-2单片机设计电路原理框图

各模块的功能如下：

时钟电路：单片机的时钟信号用来提供单片机内各种微操作的时间基准，时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号。

复位电路：用于系统的正常初始化，当单片机系统在运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需要复位以使其恢复正常工作状态。

超声波水位控制及显示电路：用于控制水位的上升，同时显示水位，当水位超过警卫线时显示灯就会亮。

交流接触器电路：控制大功率水泵进行抽水工作。

报警电路：超过警卫线时，再加水就会实施报警，提醒人们无需再加水。

稳压滤波电源电路：主要是为给系统提供安全、稳定的电源电路。

1.2.2方案论证

以单片机为主体配以超声波测距模块，精确测出水位容量，且不会影响水质。电路具有高可靠性、功能强、高速度、超强抗干扰、低功耗、便于操作等优点，高可靠性、功能强、高速度。在系统中，应用超声波模块可以测出水位的高度和水即满的位置，在单片机的控制下，让超声波功能最大化。一直是衡量单片机性能的重要指标，也是单片机占领市场、赖以生存的必要条件，所以本次设计我们选用了以单片机为中心的设计，此方案的灵活性明显要高于数字电路构成的系统，即本次设计选择基于单片机电路实现的电路方案。

第2章硬件设计与分析

水塔自动供水系统由单片机最小系统、液位控制电路、水位指示电路、报警电路、交流接触器电路和稳压电源等组成，水塔自动供水系统电路原理图见附录1所示。2.1单片机最小系统

电路最小系统由AT89C51单片机、时钟电路、复位电路组成，它是电路工作的最基本的单元电路，任何单片机基于单片机的设计系统都离不开它。

2.1.1芯片介绍

单片机包含中央处理器、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线。

中央处理器：

中央处理器（CPU）是整个单片机的控制核心部件，完成运算和控制功能。CPU有运算器和控制器组成。它是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU 负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。

内部数据存储器（RAM）：

单片机内部共有256个RAM单元，其中有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。

内部程序存储器（ROM）：

单片机共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。

定时/计数器：

单片机有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。

并行输入输出(I/O)口共有4组8位I/O口（P0、P1、P2或P3），用于对外部数据的传输。

全双工串行口：

单片机内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。

中断系统：

单片机具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。

时钟电路：

单片机内置最高频率达12MHz 的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但单片机需外置振荡电容。

单片机的引脚说明：

单片机采用40Pin 封装的双列直接DIP 结构，下图是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O 口，中断口线与P3口线复用。其引脚排列如图2-1。

图2-1 单片机引脚图 控制引脚介绍： 1．ALE:系统扩展时，P0口是八位数据线和低八位地址先复用引脚，ALE 用于把P0口输出的低八位地址锁存起来，以实现低八位地址和数据的隔离。

2．PSEN ；低电平有效时，可实现对外部ROM 单元的读操作。

3．EA:当EA 信号为低电平时，对ROM 的读操作限制在外部程序存储器；而挡EA 为高电平时，对ROM 的读操作是从内部程序存储器开始的，并可延至外部单片

机

程序存储器。

4．RST:当输入的复位信号延续两个机器周期以上的高电平时即为有效，用以

完成单片机的复位初始化操作。

5．XTAL和1XTAL2：外接晶振引线端。

并行I/O端口介绍：

P0端口［P0.0-P0.7］P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口，端口置1（对端口写1）时作高阻抗输入端。作为输出口时能驱动8个TTL。

P1端口［P1.0－P1.7］P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口。输出时可驱动4个TTL。端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。

对内部Flash程序存储器编程时，接收低8位地址信息。

P2端口［P2.0－P2.7］P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口。输出时可驱动4个TTL。端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。对内部Flash 程序存储器编程时，接收高8位地址和控制信息。在访问外部程序和16位外部数据存储器时，P2口送出高8位地址。而在访问8位地址的外部数据存储器时其引脚上的内容在此期间不会改变。

P3端口［P3.0－P3.7］P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口。输出时可驱动4个TTL。端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。

除此之外P3端口还用于一些专门功能，具体请看下表2-1。

表2-1 P3引脚的第二功能说明

2.1.2单片机时钟电路设计

单片机是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在

唯一的时钟信号控制下严格的按时序进行工作。时钟电路用于产生单片机的工作的

所修要的时钟信号。时钟可以由内部方式或外部方式产生。89C52内部方式时钟电路，是在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，

就能构成自激振荡电路。定时元件通常采用石英

晶体和电容组成的并联谐振电路。电容器C1和

C2主要起频率微调作用，电容值可选取为30pF

左右或40pF左右。89C52外部方式时钟电路是

XTAL1接外部振荡器，XTAL2悬空。对外部振荡

信号无特殊要求，只要保证脉冲宽度，一般采用

频率低于12MHz的方波信号。而此设计采用石英

图2-2时钟电路

晶体内部时钟电路。如图2-2所示。

XTAL1是片内振荡器的反相放大器输入端，XTAL2则是输出端，使用外部振

荡器时，外部振荡信号应直接加到XTAL1，而XTAL2悬空。内部方式时，时钟发

生器对振荡脉冲二分频，如晶振为12MHz，时钟频率就为6MHz。晶振的频率可以

在1MHz-12MHz内选择。电容取30pF左右。系统的时钟电路设计是采用的内部方式，即利用芯片内部的振荡电路。AT89C52单片机内部有一个用于构成振荡器的高

增益反相放大器。引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。这个

放大器

与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。外接晶体谐振器

以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值

虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、

起振的快速性和温度的稳定性。因此，此系统电路的晶体振荡器的值为12MHz，电

容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值约为30pF。

2.1.3单片机复位电路设计

复位是使单片机或系统中的其他部件处于某种确定的初始状态。单片机的工作就是从复位开始的，当在单片机的RST引脚引入高电平并保持2个机器周期时，单片机内部就执复位操作（若该引脚持续保持高电平，单片机就处于循环复位状态）。

实际应用中，复位操作有两种基本的形式：一种是上电复位，另一种是按键复位。由于本次设计采用的是按键复位，所以这里只介绍按键复位，如图2-1-3所示。按键复位要求按下按键后，单片机实现复位操作。常用的按键复位如图所示。按下按键瞬间

RST 引脚获得高电平，随着电容C 1的充电，RST 引脚的高电平将逐渐下降。

RST 引脚的高电平只要能保持足够的时间（2个机器周期），单片机就可以进行复位操作。该电路典型的电阻和电容参数为：晶振为12MHz 时，C 1为10uF ，R 1为8.2kΩ，晶振为6MHz 时，C 1为22uF ，R 1为1kΩ。

单片机的复位操作使单片机进入初始化状态。初

始化后，程序计数器PC=0000H 所以程序从0000H

地址单元开始执行。单片机启动后，片内RAM 为随

机值，运行中的复位操作不改变片内RAM 的内容。

特殊功能寄存器复位后状态使确定的。P0～P3

为FFH ，SP 为07H ，SBUF 不定，IP 、IE 和PCON

的有效值为0，其余的特殊功能寄存器的状态均为

00H 。 2.2 超声波测水位电路

超声波测水位的作用：一种是为了液体储藏量的管理，一种是为了液位的安全或自动化控制。有时需要精确的液位数据，有时只需液位升降的信息，超声波模块一共五个引脚，左边第一个引脚是VCC ，第二个引脚是控制端，第三个引脚是接收端，第四个引脚是信号输出端，第五个引脚是GND 。如图2-4所示。

超声波测水位的基本工作原理如图2-5所示。单片机发出的脉冲信号经过整形后，传到超声波换能器(中心频率为40 kHz)，通过超声波发射头将电能转换为机械能发射出去。脉冲信号采用高频低功耗非周期窄脉冲信号，因为其具有频率高，波长短，绕射现象小，方向性好，发射器体积小等优点。根据检测水位的要求进行升降调节，实际是一个测距的检测电路。当超声波检测到水位小于最短距离时，此时水位处于L ，就可以通过单片机控制水泵停止工作；当超声波检测到水位大于最短距离时，此时水位处于A 点图2-3 按键复位电路

图2-4 超声波测距模块

或者B 点，就可以控制水泵开始工作。同时通过显示器，可对供水系统进行控制。

超声波的测距公式：

声速（V ）*时间（T/2）=距离（S ）

2.3 指示电路 指示部分可由液晶显示屏、发光二极管等组成，考虑到成本和适用等问题，在此我们选用发光二极管作为本次设计地显示器件，发光二极管具有工作电流低、发光响应快、体积小、耐振动、耐冲击、驱动电路简单，适用于和集成电路配合等优点。当P2.7输出为高电平时，此时二极管D11亮，指示水塔水位处于A ；当P2.6为高电平时，二极管D10亮，指示水塔水位处于B ；当P2.7和P2.6都为高电平时，二极管D11和D10同时亮，预示水塔水位处于L 已将溢满不能再加水。如图2-6所示。

2.3.1 显示电路 本系统使用数码显示管显示水位的实际高度。一共12个引脚，4个位选，8个段选。从上面一排左边第一引脚开始，按顺时针顺序依次往下遍历所有引脚。1：左边第1个数码管的位选择端；2：a ；3：f ；4：左边数起第2个数码管的位选择端；5：左边数起第3个数码管的位选择端；6：b ；7：左边数起第4个数码管的位选择端；8：g ；9：c ；10：小数点dp ；11：d ；12：e 。如图2-7所示

图2-5 超声波测水位工作原理图

图2-6 指示电路

图2-7显示电路

2.4报警电路

报警电路实现的功能是：当水塔即将溢满时，指示灯亮扬声器开始发声报警，提示人们不能再加水了，防止水资源白白浪费。

工作原理是：当用户按下按键D时，P2.0将电流送至二极管D5和三极管Q1，二极管变亮扬声器开始报警。当用户按下断开D时，此时二极管D5变灭并且扬声器停止工作。如图2-8所示。

图2-8报警电路

2.5交流接触器工作原理

交流接触器主要有四部分组成：电磁系统,包括吸引线圈、动铁芯和静铁芯；触头系统,包括三组主触头和一至两组常开、常闭辅助触头,它和动铁芯是连在一起互相联动的；灭弧装置，一般容量较大的交流接触器都设有灭弧装置，以便迅速切断电弧，免于烧坏主触头；绝缘外壳及附件,各种弹簧、传动机构、短路环、接线柱等。

当线圈通电时，静铁芯产生电磁吸力，将动铁芯吸合，由于触头系统是与动铁芯联

动的，因此动铁芯带动三条动触片同时运行，触点闭合，从而接通电源。

当线圈断电时，吸力消失，动铁芯联动部分依靠弹簧的反作用力而分离，使主触头断开，切断电源。如图2-9所示。

2.6整机电路工作原理

为了节约水资源我们设计了基于单片机的水塔自动供水系统，更加快速的来控制水位的升降，在生活中起到了非常重要的作用。

整个水塔供水系统原理是：开启电源，水塔的水位不断上升，当水位位于B时指示灯D10亮，；当水位位于A时指示灯D11亮；当水位位于L时指示灯D11和D10同时亮，并且电动机开始减速直至停止，预示着水塔水位即将溢满；当水位位于L时此时指示灯D11和D10同时亮报警扬声器报警。当水位低于L时报警器停止报警，指示灯灭；当水位低于A时指示灯D11灭，电动机开始工作为水塔供水；当水位低于B时电动机正常工作为水塔供水。

图2-9交流接触器原理图

第3章软件设计

程序是使单片机系统按预定的操作方式运行，它是单片机系统程序的框架。系统上电后，对系统进行初始化。初始化程序主要完成对单片机内专用寄存器的设定，单片机工作方式及各端口的工作状态的规定。同时控制电机的运行达到升水的目的。系统功能是由软硬件共同实现的，由于软件的可伸缩性，终实现的系统功能可强可弱，差别可能很大。因此，软件是本系统的灵魂。软件采用模块化设计方法，不仅易于编程和调试，也可减小软件故障率和提高软件的可靠性。

3.1主程序流程图

主程序的功能是检测水塔的水位，提示、显示水塔的水位，以防水溢出来了，造成不必要的浪费。如图3-1所示主程序的流程图。

图3-1 主程序流程图

3.2中断流程图

在实时控制中，现场的各种参数、信息的变化是随机的。这些外界变量可根据要求随时向CPU发出中断申请，请求CPU及时处理，如中断条件满足，CPU马上就会响应，转去执行相应的处理程序，从而实现实时控制。如图3-2所示中断流程图。

图3-2定时器中断流程图