基于MCS-51单片机的水塔水位控制器的设计 正文+开题报告+任务书+文献综述

1绪论1.1课题背景水塔是用于储水和配水的高耸结构，用来保持和调节给水管网中的水量和水压。

水塔也是自来水设备中用来增高水的压力的装置，它是一种高耸的塔状建筑物，主要由水柜、基础和连接两者的支筒或支架组成，顶端有一个大水箱，箱内储水，塔越高，水的压力越大，也就能把水送到更高的建筑物上。

水塔的作用有两个，一是蓄水，在供水量不足之时，起着调节补充的作用。

二是利用水塔的高势，自动送水，使自来水有一定的水压扬程。

水塔按建筑材料分为钢筋混凝土水塔、钢水塔、砖石支筒与钢筋混凝土水柜组合的水塔。

水柜也可用钢丝网水泥、玻璃钢和木材建造。

过去欧洲曾建造过一些具有城堡式外形的水塔。

法国有一座多功能的水塔，在最高处设置水柜，中部为办公用房，底层是商场。

中国也有烟囱和水塔合建在一起的双功能构筑物。

按水柜形式分为圆柱壳式和倒锥壳式。

在中国这两种形式应用最多，此外还有球形、箱形、碗形和水珠形等多种。

支筒一般用钢筋混凝土或砖石做成圆筒形。

支架多数用钢筋混凝土刚架或钢构架。

水塔基础有钢筋混凝土圆板基础、环板基础、单个锥壳与组合锥壳基础和桩基础。

当水塔容量较小、高度不大时，也可用砖石材料砌筑的刚性基础[1]。

1.2 研究本课题的现实意义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器，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。

1.3本论文计划完成的任务本论文计划采用单片机，利用水的导电性传递电压信号给单片机，实现单片机的水塔水位自动控制。

所需要完成的工作主要是：1．设计水塔水位控制器的控制原理，完成控制原理图。

2．选取设计水塔水位控制器所用的硬件设备，完成软件程序。

2单片机特点及应用领域2.1引言本文设计的是用单片机对水塔水位的自动控制，对该系统的硬件部分和软件部分进行了设计。

主要内容是结合单片机的优点，利用水的导电特性，来实现水塔水位的自动控制。

课题中单片机需要扩展外部存储器，还要连接锁存器，这就是本文大体要研究的内容。

2.2单片机的发展情况以及特点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。

概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。

它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。

同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。

单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价格低廉，一般不超过10元即可。

我们可以用它来作为控制核心开发多种多样的自动检测控制装置和些控制电器。

我们现在生活中应用的许多全自动家用电器，比如，全自动滚筒洗衣机、排烟罩、DVD以及智能儿童玩具等，都以单片机作为核心控制部件[2]。

它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别。

单片机是靠程序运行的，单片机控制系统软件程序必须结合硬件电路来编制，因此单片机的程序具有特殊性，专用性，可移植性差的特点。

通过不同的程序结合适当的硬件电路实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，如果仅用硬件方法控制，改变硬件的接线和匹配关系需要费很大力气才能做到的。

一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来设计实现的话，电路一定是一块大PCB板！但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别！只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！由于单片机对成本是敏感的，所以目前占统治地位的软件还是汇编语言，它是除了二进制机器码以上最低级的语言了，既然这么低级为什么还要用呢？很多高级的语言已经达到了可视化编程的水平为什么不用呢？原因很简单，就是单片机没有家用计算机那样的CPU，也没有像硬盘那样的海量存储设备。

一个可视化高级语言编写的小程序里面即使只有一个按钮，也会达到几十K的尺寸！对于家用PC的硬盘来讲没什么，可是对于单片机来讲是不能接受的。

单片机在硬件资源方面的利用率必须很高才行，所以汇编虽然原始却还是在大量使用。

一样的道理，如果把巨型计算机上的操作系统和应用软件拿到家用PC 上来运行，家用PC的也是承受不了的。

可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。

不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。

它由主机、键盘、显示器等组成。

还有一类计算机，大多数人却不太熟悉。

这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器）。

顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。

因为它体积小，通常都藏在被控机械的“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、通讯设备、导航系统、家用电器等。

各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词——“智能型”，如智能型洗衣机等。

现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。

究其原因，关键问题可能就出在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上[4]。

2.3单片机应用领域单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：1.控制系统在线应用：一提起单片机，大家会不约而同的联想到它的控制功能。

实际上计算机的控制应用范围十分广泛，概括的可分为两个方面。

一是计算机在控制系统中的离线作用。

计算机的离线应用包括利用计算机实现对控制系统总体的分析，设计，仿真及建模等工作，也可以把这类计算机应用称为控制系统的计算机辅助设计，或简称系统控制系统CAD。

离线控制应用是针对大型复杂的控制系统，对计算机性能要求较高，需要计算机的软硬件资源较多，因此常使用微型机或小型机实现。

二是计算机在控制系统中的在线应用。

计算机的在线应用就是以计算机代替常规的模拟或数字控制电路，使计算机位于其中并成为控制系统，测试系统或信号处理系统的一个组成部分。

通常把这种带计算机的控制系统称为计算机控制系统。

计算机控制系统由于计算机要身处其中，因此对计算机有体积小，功耗低，价格低廉以及控制功能强等要求。

为满足这些要求，应当使用单片机。

然而在控制系统应用中由于单片机与控制对象联系密切，所以不但对单片机的性能要求高，而且对设计者的要求也很高，他们不但要熟练掌握单片机，而且还要了解控制对象，懂得传感技术，具有一定的控制理论知识等[6]。

2．软硬件结合：虽然单片机的引入使控制系统大大的“软化”，但与其他计算机应用问题相比，单片机控制应用中的硬件内容仍然较多，所以说单片机控制应用有软硬件相结合的特点，为此，在单片机的应用设计中需要软硬件统筹考虑，设计者不但要熟练掌握汇编语言的编程技术，而且还要具备较扎实的单片机硬件方面的理论和实践知识。

3．应用现场环境恶劣：通常单片机应用现场的环境比较恶劣，电磁干扰，电源波动，冲击震动，高低温等因素，都会影响系统工作的稳定。

此外，无人职守环境也会对单片机系统的稳定性和可靠性提出更高的要求。

所以稳定和可靠在单片机的应用中具有格外重要的意义。

在单片机芯片方面，大规模系统集成和总线机构是单片机稳定可靠的根本保障。

除此之外，为提高稳定性，单片机的允许电压变化范围很宽。

通常单片机使用5V电压，但是有的单片机芯片能在2.2V甚至0.9V到1.2V的低电压下正常工作。

在软件方面，软件固化也是系统可靠性的一个保证，因为固化的程序不能被修改，同时也可避免病毒的侵袭。

除了芯片本身的因素外，为提高单片机应用系统的稳定性和可靠性，还要在系统的设计和工艺中，有针对性的采用一些提高稳定性和可靠性的技术，例如：接地技术，屏蔽技术，隔离技术，滤波技术以及抑制反电势干扰技术等。

4．应用的广泛性及其重要意义：在生活和生产的各个领域中，凡是有自动控制要求的地方都会有单片机的身影出现；从简单到复杂，从空中，地面到地下，凡是能想象到的地方几乎都有使用单片机的需求。

现在，尽管单片机的应用已经很普遍了，但仍有许多可以用单片机控制而尚未实现的项目，因此，单片机的应用大有想象和拓展的空间。

单片机的应用有利于产品的小型化，多功能化和智能化，有助于提高劳动效率，减轻劳动强度，提高产品质量，改善劳动环境，减少能源和材料消耗，保证安全等。

但是单片机应用的意义却不仅限于它的广泛范围以及所带来的经济效益上，更重要的意义还在于：单片机的应用正从根本上改变着传统的控制系统设计思想和设计方法。

从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分控制工程，现在已能使用单片机通过软件方法实现了。

这种以软件取代硬件并能提高系统性能的控制系统“转化”技术，称之为微控制技术。

微控制技术是一种全新的概念，是对传统控制技术的一次革命。

随着单片机应用的推广普及，微控制技术必将不断发展，日益完善和更加充实。

现在单片机的应用已极为广泛，下面我们仅就一些典型方面进行介绍。

工业自动化方面：自动化能使工业系统处于最佳状态，提高经济效益，改善产品质量和减轻劳动强度。

因此，自动化技术广泛应用于机械，电子，电力，石油，化工，纺织，食品等轻重工业领域中，而在工业自动化技术中无论是过程控制技术，数据采集和测控技术，还是生产线上的机器人技术，都需要有单片机的参与。

在工业自动化的领域中，机电一体化技术将发挥愈来愈重要的作用，在这种机械，微电子和计算机技术于一体的综合技术，单片机将发挥越来越大的作用。

仪器仪表方面：现在仪器仪表的自动化和智能化要求越来越高，对此最好使用单片机来实现，而单片机的使用又将加速仪器仪表向数字化，智能化，多功能化和柔性化转变发展。

此外，单片机的使用还有助于提高仪器仪表的精度和准确度，简化结构，减少体积及重量而易于携带和使用，并具有降低成本，增强抗干扰能力，便于增加显示，报警和自诊断等功能。