水塔水位控制系统报告

摘要

供水是一个关系国计民生的重要产业。随着社会的发展和人民生活水平的提高，人们对供水提出了更高的要求，要满足及时、准确、安全保证充足供水，如果仍然沿用人工方式，劳动强度大，工作效率低，安全性难以保障，为此必须进行水塔水位控制自动化系统的改造。

本论文是采用单片机技术设计的，以80C51单片机为核心控制一般水塔的水位，如果为达到更节能的目的，提高供水系统的质量，可以考虑采用继电器和传感器技术，设计出一套适用的水位控制方案。方案在硬件基础上配合软件实现了地警戒水位报警，并可切换手动自动两种工作方案。由于条件有限，本次设计只是用了普通的金属棒作为检测信号的产生。

该系统操作方便，性能良好，比较符合中小型电厂水系统控制的需要。本文还详细的给出了相关的硬件框图和软件流程图，并编制了该汇编语言程序。

关键词报警单片计机水位控制

目录

第一章引言 (3)

第二章单片机的结构及工作原理 (3)

2.1 单片机的概述 (3)

2.2单片机的基本结构 (4)

2.3 单片机的工作原理 (4)

2.3.1 单片机执行程序的过程示意图 (5)

2．3．2 执行指令过程 (5)

2.4 80C51单片机的引脚及功能 (6)

2.4.1 MS-C51的引脚介绍 (6)

2.4.2 MS-C51的引脚功能描述 (6)

第三章设计目的实现 (7)

3.1 水塔水位介绍 (7)

3.2 设计任务及要求 (8)

3.3 设计思想论证 (8)

3.4 水位智能检测系统设计原理 (8)

3.5 该水位智能检测系统原理 (9)

第四章水位控制软硬件设计 (10)

4.1 硬件接线图 (10)

4.2 程序流程图 (10)

4.3 水位控制程序清单 (12)

4.4 调试 (13)

第五章总结 (14)

参考文献 (15)

第一章引言

现代传感技术、电子技术、计算机技术、自动控制技术、信息处理技术和新工艺、新材料的发展为智能检测系统的发展带来了前所未有的奇迹。在工业、国防、科研等许多应用领域，智能检测系统正发挥着越来越大的作用。检测设备就像神经和感官，源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信息，成为人们认识自然、改造自然的有力工具。

现代的水塔水位自动控制系统应包括一切以计算机（单片机、PC机、工控机、系统机）为信息处理核心的检测设备。因此，水塔水位自动控制系统包括了信息获取、信息传送、信息处理和信息输出等多个硬、软件环节。从某种程度上来说，水塔水位自动控制系统的发展水平表现了一个国家的科技和设计水平。

水位控制在日常生活及工业领域中应用相当广泛，比如水塔、地下水、水电站等情况下的水位控制。而以往水位的检测是由人工完成的，值班人员全天候地对水位的变化进行监测，用有线电话及时把水位变化情况报知主控室。然后主控室再开动电机进行给排水。很显然上述重复性的工作无论从人员、时间和资金上都将造成很大的浪费。同时也容易出差错。因此急需一种能自动检测水位，并根据水位变化的情况自动调节的自动控制系统。

水位检测可以有多种实现方法，如机械控制、逻辑电路控制、机电控制等。本论文采用单片机进行主控制，在水池上安装一个自动测水位装置。利用水的导电性连续地全天候地测量水位的变化，把测量到的水位变化转换成相应的电信号，主控台应用单片微机对接收到的信号进行数据处理，完成相应的水位显示、控制及故障报警等功能。

第二章单片机的结构及工作原理

2.1 单片机的概述

微型计算机SCMC，简称单片机，又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。它的体积小、质量轻、价格便宜。这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，可进行简单运算和控制。因为它体积小，通常藏在被控机械的“肚子”里。它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、导航系统、家用电器等。虽然单片机只有一个芯片，但无论从组成还是从功能上看，它已具备了计算机系统的属性，是一个简单的微型计算机。

本文对单片机水塔水位控制系统进行设计，完成单片机水塔水位控制系统硬件接线

图和流程图以及单片机的控制程序设计，并完成了指令编程。

2.2单片机的基本结构

微型计算机由硬件系统和软件系统两大部分组成，一般把二者构成的系统称为

微型计算机系统。

微型计算机的硬件主要是由CPU(运算器和控制器)、存储器、I/O接口和I/O设

备组成，各组成部分之间通过地址总线AB (Address Bus)、数据总线DB (Data Bus)、

控制总线CB (Control Bus)联系在一起。

微型计算机的软件包括系统软件和应用软件两大类。软件与硬件相辅相成，共

同构成微型计算机系统，缺一不可。下图为微型计算机的系统结构框图:

(图1－微型计算机的系统结构框图)

微型计算机系统采用总线结构形式。总线结构的主要优点：设计简单、灵活性

好、易于扩展、便于故障检测和维修。

2.3 单片机的工作原理

指令是对计算机发出的一条条工作命令，命令它执行规定的操作，程序是实现

既定任务的指令序列。

把程序和数据送到具有记忆功能的存储器中保存起来，计算机工作时只要给出

程序中第一条指令的地址，控制器就可依据存储程序中的指令顺序周而复始地取出

指令、分析指令、执行指令，直到执行完全部指令为止。

微型计算机执行程序的过程就是逐条执行指令的过程。由于执行每一条指令，

都包括取指令与执行指令两个基本阶段，所以，微机的工作过程，也就是不断地取

指令和执行指令的过程。

例如：17+15的加法运算程序如下：

存储地址机器语言程序汇编语言程序注释

0000H 74 11 MOV A,#11H ;数11H送入累加器A

0002H 24 0F ADD A,#0FH ;数0FH与累加器A中的11H

相加,和送入累加器A

0004H 80 FE SJMP ＄ ;暂停

(图2－执行程序的过程示意图)

2．3．2 执行指令过程

执行第一条指令的过程（一）

开始执行程序时，必须先给程序计数器PC赋以第1条指令的首地址0000H，然后就进入第一条指令的取指令阶段。取第一条指令的步骤：①把程序计数器PC的内容0000H送到地址寄存器AR。②程序计数器PC的内容送入AR后，PC自动加1，即由0000H变为0001H。此时AR的内容并没有变化。③把地址寄存器AR的内容0000H通过地址总线AB送至存储器，经地址译码器译码，选中存储器相应的0000H 单元。④ CPU控制器发出读命令。⑤在读命令控制下，把所选中的0000H单元中的内容即第1条指令的操作码74H读到数据总线DB上。⑥把读出的内容74H经数据总线DB送到数据寄存器DR。⑦因取出的是指令的操作码，故把数据寄存器DR 的内容74H送到指令寄存器IR，然后再送到指令译码器ID。这就完成了第一条指令的取指令阶段，然后转入第一条指令的执行阶段。

执行第一条指令的过程（二）

经过对操作码74H译码后，CPU识别出这个操作码是把下一个存储单元中的操作数送入累加器A的双字节指令，所以，执行第一条指令就必须把指令第2字节中的操作数取出来。取第一条指令操作数的步骤：①把程序计数器PC的内容0001H送到地址寄存器AR。②程序计数器PC的内容送到AR后，PC自动加1，变为0002H。此时AR中的内容并没有变化。③把地址寄存器AR的内容0001H通过地址总线AB 送至存储器，经地址译码器译码，选中存储器相应的0001H单元。④ CPU控制器发出读命令。⑤在读命令控制下，将选中的0001H单元的内容11H读到数据总线DB 上。⑥把读出的内容11H经数据总线DB送到数据寄存器DR。⑦因CPU已知这时读出的是操作数，且指令要求把它送到累加器A，故把数据寄存器DR的内容11H经内

部数据总线送到累加器A中，于是第一条指令执行完毕，进入第二条指令的取指令阶段。

2.4 80C51单片机的引脚及功能

MCS-51单片机的封装形式有两种，一种是双列直插式(DIP)封装，另一种是方形封装。

8051的40个引脚可分为：

电源引脚2根

时钟引脚2根

控制引脚4根

I/O引脚32根

由于80C51单片机是高性能的单片机，同时受到引脚数目的限制，所以有部分引脚具有第二功能。

2.4.1 MS-C51的引脚介绍

8051引脚如图所示:

(图3－MSC-51双列直插式封装引脚图)

2.4.2 MS-C51的引脚功能描述

8051引脚的功能描述（一）

电源引脚(2根)

VCC(40脚)：电源端，接+5V电源。

VSS(20脚)：接地端。

时钟引脚(2根)

XTAL1(19脚)：接外部晶振和微调电容的一端。采用外部时钟电路时，对HMOS 型工艺的单片机，此引脚应接地；对CHMOS型而言，此引脚应接外部时钟的输入端。XTAL2(18脚)：接外部晶振和微调电容的另一端。使用外部时钟时，对HMOS型工艺的单片机，此引脚应接外部时钟的输入端；对CHMOS型而言，此引脚悬空

8051引脚的功能描述（二）

控制引脚(4根)

RST/VPD(9脚)：复位信号/备用电源输入引脚。

当RST引脚保持两个机器周期的高电平后，就可以使8051完成复位操作。该引脚的第二功能是VPD，即备用电源的输入端，具有掉电保护功能。若在该引脚接+5V 备用电源，在使用中若主电源VCC掉电，可保护片内RAM中的信息不丢失。

ALE/PROG (30脚)：地址锁存允许信号输出/编程脉冲输入引脚。当CPU访问片外存储器时，ALE输出信号控制锁存P0口输出的低8位地址，从而实现P0口数据与低位地址的分时复用。当8051上电正常工作后，自动在ALE端输出频率为fosc/6的脉冲序列(fosc代表振荡器的频率)。

该引脚的第二功能PROG是对8751内部4KB EPROM编程写入时，作为编程脉冲的输入端。

EA/VPP(31脚)：外部程序存储器地址允许输入端/编程电压输入端。

当EA接高电平时，CPU执行片内ROM指令，但当PC值超过0FFFH时，将自动转去执行片外ROM指令；当EA接低电平时，CPU只执行片外ROM指令。对于8031，由于其无片内ROM，故其EA必须接低电平。

该引脚的第二功能VPP是对8751片内EPROM编程写入时，作为21V编程电压的输入端。

PSEN(29脚)：片外ROM读选通信号端。

在读片外ROM时，PSEN有效，为低电平，以实现对片外ROM的读操作。

8051引脚的功能描述（三）

I/O引脚(4×8=32根)

P0.0～P0.7(39～32脚)：P0口的8位双向I/O口线。

P0口即可作地址/数据总线使用，又可作通用的I/O口使用。当CPU访问片外存储器时，P0口分时先作低8位地址总线，后作双向数据总线，此时，P0口就不能再作I/O口使用了。

P1.0～P1.7(1～8脚)：P1口的8位准双向I/O口线。

P1口作为通用的I/O口使用。

P2.0～P2.7(21～28脚)：P2口的8位准双向I/O口线。

P2口即可作为通用的I/O口使用，也可作为片外存储器的高8位地址总线，与P0口配合，组成16位片外存储器单元地址。

P3.0～P3.7(10～17脚)：P3口的8位准双向I/O口线。

P3口除了作为通用的I/O口使用之外，每个引脚还具有第二功能。

第三章设计目的实现

3.1 水塔水位介绍

水位控制在日常生活及工业领域中应用相当广泛，比如水塔、地下水、水电站等情况下的水位控制。自动检测水位的检测系统能根据水位变化的情况自动调节。

本次课题采用单片机进行主控制，利用水的导电性测量水位的变化，把测量到

的水位变化转换成相应的电信号，用单片机对接收到的信号进行数据处理，完成水位的检测、控制及故障报警等功能。本次课程设计对我有以下意义:

(1) 通过这次课程设计，加深对单片机理论方面的理解。

(2) 掌握单片机的内部模块的应用，如片内外存储器、I/O口、串行口通讯等。

(3) 了解和掌握单片机应用系统的软硬件设计过程、方法及实现，为以后设计和实现单片器应用系统打下良好基础。

(4) 通过简单课题的设计练习，了解必须提交的工程文件，也达到巩固、充实和综合运用所学知识解决实际问题的目的。

3.2 设计任务及要求

本人主要负责写程序、绘制系统电路图、仿真图和软件流程图及撰写课程设计报告等工作。

设计一个用单片机实现对水塔水位的自动控制系统，即低于某一水位时，能开启水泵进行补水，到预设水位时停泵，自检故障自动报警。水塔是在日常生活和工业应用中经常见到的储水装置，通过对其水位的控制对外供水以满足需要，其水位控制具有普遍性。

水位控制系统主要完成的功能是对水塔水位控制，完成其供水的作用。此系统主要是在水塔无人值班的情况下工作，所以它必须能自动对水塔水位进行采样对水位输入信号进行分析、比较，控制电机水泵的开启、停止电机实现自动调节水位正常工作功能。

3.3 设计思想论证

系统方案论证如下图：

（图4－水位控制系统原理框图）

3.4 水位智能检测系统设计原理

实验证明，纯净水几乎是不导电的，但自然界存在的以及人们日常使用的水都会含有一定的导电离子，本智能水位检测装置就是利用水的导电性完成的。检测装置控制图中的虚线表示允许水位变化设定的上下限。在正常情况下，应保持水位在虚线范围内。为此，在水塔的不同高度安装了3根金属棒，以感知水位变化情况。故C点接5V直流电源，这样A、B两点的电压信号位数字信号，不需要再进行数字

信号变换处理，可以直接输入给单片机处理。如下图所示：

（图5－水位检测原理图）

3.5 该水位智能检测系统原理

B 棒处于设定下限水位，A 棒处于设定上限水位，

C 棒接+5V 电源，A 棒、B 棒各通过一个阻值大约为4.7K 的电阻与地相连。水塔由电动机带动补水泵供水，单片机控制电机转动实现对水位的控制。单片机通过不断的采集A 、B 两点电压信号来检测水位的变化。控制过程如下：

（1）当水塔补水过程中水位达到上限时，由于水的导电作用，A 、B 棒连通+5V 。因此，A 、B 两端均为1状态，这是应停止电机和水泵工作，不再给水塔供水。

(2) 当A 为1，B 棒为0时，说明水塔内部有故障要报警，因为A 棒是检测水位上限的，也就是A 棒接通5V 电源，所以为1。

（3）当A 为0，B 为1时，说明A 棒水位下限，A 棒直接通过电阻接地，所以为0，此时要显示提示水位处于A 棒下限，准备加水工作。

（4）当水位在水位下限时，A 、B 棒都不能与A 棒导电。因此，A 、B 两端均为0状态。这时正常起动电机，并接通相关电路开关电源，带动水泵工作，给水塔供水。

（5）当水位处于上下限之间时，B 棒与A 棒导通，b 端为1状态。C 端为0状态。这时，无论是电机以带动水泵给水塔加水，水位在不断上升；或者是电机没有工作，用水使水位在不断的下降，都应继续维持原来的工作状态。单片机循环不断地采集水位信号以实现控制系统的性能指标要求。具体控制状态如下表：

（水位控制信号与水泵电机控制状态的对应关系表）

第四章水位控制软硬件设计

4.1 硬件接线图

（图6－水位控制系统硬件接线图）

说明：由于本次设计没有做实物图，因此在电路中用开关K1和K2来当水位检测信号使用。4.2 程序流程图

一个应用系统，要完成各项功能，首先必须有较完善的硬件作保证。同时还必须得到相应设计合理的软件的支持，尤其是微机应用高速发展的今天，许多由硬件完成的工作，都可通过软件编程而代替。甚至有些必须采用很复杂的硬件电路才能完成的工作，用软件编程有时会变得很简单。水位控制程序流程图如下：

（图7－水位控制流程图）

4.3 水位控制程序清单

org 0000h

ljmp main

org 1000h

main:mov p2,#00h ；开始使LED处于灭状态

mov p3,#00h

orl p1,#03h ；水位输入端做读入准备

mov a,p1 ；读入水位检测信号

jj:jnb p1.0,xsa ；P1.0=0,转到显示A

jb p1.0,ZBTZ ；P1.0=1,转到准备停止电机

tt:jnb p1.1,xsb ；P1.1=0,转到显示B，调用启动电机 dyys:lcall delay ；调用延时

SJMP main ；反回，重新检测

ZBTZ:JB P1.1,TZDJ ；P1.1=1,转到停止电机

SJMP bjd ；否则报警

mov r0,#255

bjd:clr p1.5 ；报警灯闪烁

lcall delay

setb p1.5

lcall delay

djnz r0,bjd ；未到255次，继续循环

mov r7,#255

bj:clr p1.4 ；方波产生开始

lcall delay

cpl p1.4

lcall delay

djnz r7,bj

sjmp dyys ；返回到延时，等待检测信号

qddj:clr p1.2 ；P1.2=0,启动电机

clr p1.3 ；打开电机工作指示灯

sjmp dyys

tzdj:setb p1.2 ；P1.2=1，停止电机

setb p1.3 ；关闭电机工作指示灯

sjmp jj

xsa:MOV P2,#1110111b ；水位A棒显示码

sjmp tt ；再判断P1.1＝0？

xsb:mov p3,#1111100b ；水位B棒显示码

sjmp qddj ；B棒水位下限，启动电机

org 0030h ；延时程序入口地址

delay:mov r1,#25

lp1:mov r2,#3

lp2:mov r3,#3

lp3:djnz r3,lp3

djnz r2,lp2

djnz r1,lp1

ret

END

4.4 调试

（1）当水池水位低于水位界时，电机的电磁阀打开进水。当水位高于水池高水位界，阀门关闭。当水塔水位低于水塔低位界时，电动机运转，开始抽水。当水塔水位高于水塔高水位界时，电动机停止。根据上述控制要求编制水塔水位自动控制程序，并上机仿真运行。

（2）当水池水位低于水位界时，电磁阀打开进水，调用延时指令，延时时间到，如果电机不能正常启动，表示阀没有进水，出现故障，此时启动蜂鸣器，发出报警信号。则根据上述控制要求编制水塔水位自动控制程序，并上机调试运行。

（3）在发生特殊情况某一时刻人为的要强行启动电机, 但又要通过单片机来控制, 可通过上调下限水位参数随时启动电机。当工作的电机出现异常情况可通过下调上限水位参数, 单片机控制电机立即停机等。

（4）调试并运行程序，观察结果。

第五章总结

参考文献

【1】单片机原理与应用技术/江力主编；蔡骏，王春艳，懂泽芳副主编.－北京：清华大学出版社，2006年

【2】胡寿松主编.自动控制原理.第四版.北京：科学出版社，2001年