基于单片机的水位控制系统

1 绪论

单片机应用发展迅速而广泛。在过程控制中，单片机既可作为主计算机，又可作为分布式计算机控制系统中的前端机，完成模拟量的采集和开关量的输入、处理和控制计算，然后输出控制信号。单片机广泛用于仪器仪表中，与不同类型的传感器相结合，实现诸如电压、功率、频率、湿度、流量、速度、厚度、压力、温度等物理量的测量；在家用电器设备中，单片机已广泛用于电视机、录音机、电冰箱、电饭锅、微波炉、洗衣、高级电子玩具、家用防盗报警等各种家电设备中。在计算机网络和通信、医用设备、工商、金融、科研、教育、国防、航空航天等领域都有着十分广泛的应用。

随着科技的发展，液位测量技术趋于智能化、微型化、可视化。本设计思想是用单片机做下位机，PC机做上位机，单片机和PC机相结合对水箱液位进行测量和监控。该设计要求具有一定的智能化，可操作性和稳定性好。

1．1 课题背景与研究意义

在工农业生产中，常常需要测量液体液位。随着国家工业的迅速发展，液位测量技术被广泛应用到石油、化工、医药、食品等各行各业中。低温液体（液氧、液氮、液氩、液化天然气及液体二氧化碳等）得到广泛的应用，作为贮存低温液体的容器要保证能承受其载荷；在发电厂、炼钢厂中，保持正常的锅炉汽包水位、除氧器水位、汽轮机凝气器水位、高、低压加热器水位等，是设备安全运行的保证；在教学与科学研究中，也经常碰到需要进行液位控制的实验装置。

1．2 国内外研究现状及发展

液位测量的方法比较多，依据测量方式的不同可分为接触式与非接触式两种类型。

●接触式测量法

接触式测量法是指测量用传感器直接与容器内存储液体相接触，从而获得测量参数的方法。

本方法所使用的电容通常由两块圆柱形极板或一个探极与罐壁构成。当液位不同时，电容器的介电常数就不同，故电容量也不同。在此基础上可以把电容量转化为电压、相移、频率、脉宽等物理量，再进行测量。

电容式液位测量装置通常结构简单、灵敏度高、稳定性好、动态响应快，适合于恶劣的工作环境，生产成本也不高；但电容液位测量器需要考虑温度补偿，且介质的成分、水分、温度、密度等不确定变化因素直接影响测量结果的准确性，另外检测电路比较复杂，尤其是检测微小电容量的变化。

●非接触式测量法

非接触式测量法包括超声波法、调制型光学法、微波法等。其特点是测量手段并不采用浮子之类的固态物，而是利用声、光、射线、磁场等的能量。液位传感器不和被测介质接触，不受被测介质影响，也不影响被测介质，故适用范围广泛。特别是接触式测量装置不能适用的特殊场合，如高粘度、强腐蚀性、污染性强，易结晶的介质。

●光纤测量法

光纤液位检测是近年来出现的一种新技术。根据光导纤维中光在不同介质中传输特性的改变对液位进行测量。

光纤液位测量有以下优点：精度高、灵敏度好、抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好、检测现场无电、光路有抗扰性以及便于与计算机连接，便于与光纤传输系统组成网络等。

目前，市面上进行液位测量的仪表种类繁多，但是同时具有测量、监控、数据记录及处理的液位测量装置并不多。在某些工业控制系统中，数据的测量这一基本功能已不能满足现代工业的要求，往往需要对大批数据进行记录，对其进行后期处理分析，实现差错控制、工艺改善、资源优化等一系列工作。为了获得大批量的数据，得到可靠的分析资料，往往需要长期、多网点的监控记录。在液位测量这一领域中，如江河湖海、城市用水等方面，大量数据长时间，多网点的采集记录分析具有普遍的意义。液位的变化分析，有助于人们进一步对自然环境、天气变化甚至是灾害预警提供可靠的支持。

1．3 本课题主要研究内容

利用单片机设计一个水位控制系统，要求选择合适的水位传感器及电磁阀，当设定完水位后，系统根据水位情况控制电磁阀的开启和关断。具体要求如下：

1、设计单片机工作电源模块及其复位电路

2、选择合适的水位传感器，单片机通过相应的调理电路采集当前水位值，设计相应的电磁阀控制电路，根据水位情况控制器开启和关断

3、通过键盘设置其预定水位

4、画出电路方框图，叙述主要模块的功能及他们之间的控制关系和数据传输，利用Visio软件绘制软件流程图

5、编制相应的控制程序，并用C语言或汇编语言对软件进行编译。并能通过调试。

6、利用protel进行原理图绘制，并利用Proteus进行仿真

2 系统设计方案

2.1 系统设计方案比较

对于水位进行控制的方式有很多,而应用较多的主要有2种,一种是简单的机械式控制装置控制,一种是复杂的控制器控制方式。两种方式的实现如下：

(1)简单的机械式控制方式。其常用形式有浮标式、电极式等,这种控制形式的优点是结构简单,成本低廉。存在问题是精度不高,不能进行数值显示,另外很容易引起误动作,且只能单独控制,与计算机进行通信较难实现。

(2)复杂控制器控制方式。这种控制方式是通过安装在水泵出口管道上的压力传感器,把出口压力变成标准工业电信号的模拟信号,经过前置放大、多路切换、A ／D变换成数字信号传送到单片机,经单片机运算和给定参量的比较,进行PID运算,得出调节参量;经由D／A变换给调压／变频调速装置输入给定端,控制其输出电压变化,来调节电机转速,以达到控制水位的目的。

本设计利用单片机设计一个水位控制系统，要求选择合适的水位传感器及电磁阀，当设定完水位后，系统根据水位情况控制电磁阀的开启和关断。

2.2 系统设计总框图

图2-1系统总体框图2.3 硬件设计方案

2.3.1 工作原理电机控制模块

A/D转换模块按键与显示模块时间模块

存储模块

通信模块单

片

机

主

控

模

块

基于单片机实现的水位控制器是以AT89C51芯片为核心,由键盘、数码显示、A ／D转换、传感器,电源和控制部分等组成。工作过程如下：当水位发生变化时,引起连接在水位底部软管管内的空气气压变化,气压传感器在接收到软管内的空气气压信号后,即把变化量转化成电压信号;该信号经过运算放大电路放大后变成幅度为0～5 V标准信号,送入A／D转换器,A／D转换器把模拟信号变成数字信号量,由单片机进行实时数据采集,并进行处理,根据设定要求控制输出,同时数码管显示液位高度。通过键盘设置液位高、低和限定值以及强制报警值。该系统控制器特点是直观地显示水位高度,可任意控制水位高度。

2.3.2 主控模块设计方案

单片机作为主控模块，使得在对单片机选型上有了较大的空间。单片机在30多年的发展历程中，形成了多公司、多系列、多型号“百家争鸣”的局面。因而，选择一个合适的单片机有时真的不太容易，要考虑的方面太多。大致总结出以下几点：

1) 单片机的基本参数。例如速度、程序存储器容量、I/O引脚数量等。

2) 单片机的增强功能。例如看门狗、双指针、双串口、RTC（实时时钟）、EEPROM、

扩展RAM、CAN接口、I2C接口、SPI接口、USB接口。

3) Flash和OTP（一次性可编程）。

4) 封装：DIP（双列直插）,PLCC（PLCC有对应插座）还是贴片。

5) 工作温度范围，工业级还是商业机。

6) 功耗。

7) 工作电压范围。例如设计电视机遥控器，2节干电池供电,至少应该能在

1.8~3.6V电压范围内工作。

8) 供货渠道畅通。

9) 价格。

10) 烧录器价格，能否ISP（在线系统编程）。

11) 仿真器。

12) 单片机汇编语言支持。

13) 资料尽量丰富。

14) 抗干扰性能好。

15) 和其他外设芯片放在一起的综合考虑。

单片机采用由Atmel 公司生产的双列40脚AT89C51芯片,如图2—2所示。其中,P0口用于A ／D 转换和显示;P1口连接一个3×5的键盘;P2口用于控制电磁阀和水泵动作;P3口用于上、下限指示灯,报警指示灯以及用于读写控制和中断等。

图2-2 AT89C51的管脚图

2.3.3 键盘显示模块设计方案

键盘显示电路主要是实现水位设定值的输入和显示实时水位的功能。键盘接口及其软件的设计任务主要包括：是否有键按下的检测并判断键值，有操作则进行延时去消抖，并根据键值计算出调整量送执行机构开启进水或排水阀，进行一系列的动作处理和执行。本系统采用4行4列的16键行列式键盘，占用单片机P1口的8个端口。显示采用4位LED 数码显示当前水位测量值。

2.3.4 A/D 转换模块设计方案

ADC0809是M 美国国家半导体公司生产的CMOS 工艺8通道，8位逐次逼近式A/D 转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D 转换。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D 芯片。

1、主要特性

（1）8路输入通道，8位A/D 转换器，即分辨率为8位。

（2）具有转换起停控制端。

（3）转换时间为100μs(时钟为640kHz 时)，130μs （时钟为500kHz 时）

（4）单个＋5V电源供电

（5）模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准。

（6）工作温度范围为-40～＋85摄氏度

（7）低功耗，约15mW。

2、内部结构和外部引脚

ADC0809的内部结构和外部引脚分别如下两图所示。内部各部分的作用和工作原理在内部结构图中已一目了然，在此就不再赘述，下面仅对各引脚定义分述如下：

（1）IN

0～IN

7

——8路模拟输入，通过3根地址译码线ADD

A

、ADD

B

、ADD

C

来选

通一路。

（2）D

7～D

——A/D转换后的数据输出端，为三态可控输出，故可直接和微处

理器数据线连接。8位排列顺序是D

7为最高位，D

为最低位。

（3）ADD

A 、ADD

B

、ADD

C

——模拟通道选择地址信号，ADD

A

为低位，ADD

C

为高位。

地址信号与选中通道对应关系如表11.3所示。

（4）V

R (+)、V

R

(-)——正、负参考电压输入端，用于提供片内DAC电阻网络的

基准电压。在单极性输入时，V

R (+)=5V，V

R

(-)=0V；双极性输入时，V

R

(+)、V

R

(-)

分别接正、负极性的参考电压。

（5）ALE——地址锁存允许信号，高电平有效。当此信号有效时，A、B、C三位地址信号被

锁存，译码选通对应模拟通道。在使用时，该信号常和START信号连在一起，以便同时锁存通道地址和启动A/D转换。

（6）START——A/D转换启动信号，正脉冲有效。加于该端的脉冲的上升沿使逐次逼近寄存止，重新从头开始转换器清零，下降沿开始A/D转换。如正在进行转换时又接到新的启动脉冲，则原来的转换进程被中。

地址

选中通道

ADD C ADD B ADD A

0 0 0 0 1 1 0

1

1

1

1

1

IN0

IN1

IN2

IN3

IN4

IN5

图2—3 ADC0809外部引脚图

7）EOC ——转换结束信号，高电平有效。该信号在A/D 转换过程中为低电平，其余时间为高电平。该信号可作为被CPU 查询的状态信号，也可作为对CPU 的中断请求信号。在需要对某个模拟量不断采样、转换的情况下，EOC 也可作为启动信号反馈接到START 端，但在刚加电时需由外电路第一次启动。

（8）OE ——输出允许信号，高电平有效。当微处理器送出该信号时，ADC0808/0809的输出三态门被打开，使转换结果通过数据总线被读走。在中断工作方式下，该信号往往是CPU 发出的中断请求响应信号。

2.3.5 电机控制模块设计方案

选用继电器作为电机控制的元件。

继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

继电器主要产品技术参数：

1) 额定工作电压。是指继电器正常工作时线圈所需要的电压。根据继电器的型号不同，可以是交流电压，也可以是直流电压。

2) 直流电阻。是指继电器中线圈的直流电阻，可以通过万能表测量。

3) 吸合电流。是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。在正常使用时，给定的电流必须略大于吸合电流，这样继电器才能稳定地工作。而对于线圈所加的工作电压，一般不要超过额定工作电压的1.5倍，否则会产生较大的电流而把线圈烧 1

1 1 1 0 1 IN 6

IN 7

毁。

4) 释放电流。是指继电器产生释放动作的最大电流。当继电器吸合状态的电流减小到一定程度时，继电器就会恢复到未通电的释放状态。这时的电流远远小于吸合电流。

5) 触点切换电压和电流。是指继电器允许加载的电压和电流。它决定了继电器能控制电压和电流的大小，使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器的触点。

根据以上的参数，结合设计的演示性，选用额定工作电压120VAC/24VDC，工作电流3A，控制电压5VDC的小型继电器。

3 硬件电路设计

3.1 AT89S52硬件设计

AT89S52引脚定义及功能介绍如图3-1。

图3-1 AT89S52引脚及网络标号

P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL 逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在FLASH编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。

P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下所示：

在FLASH编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。