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基于单片机的水塔水位控制系统设计及仿真 基于单片机的水塔水位 控制系统设计及仿真 IMB standardization office 佳木斯大学毕业论文 基于单片机的水塔水位控制系统设计及仿真学院信息电子技术 专业通信工程 班级12级2班 学籍号 姓名李方鹏 指导教师周经国 佳木斯大学 2022年6月10日 摘要 随着社会的进步，生产工艺和生产技术的发展，人们对液位检测提出了更高的要求。由于新型电子技术、微电子技术和微型计算机被广泛的应用，单片机控制系统以其控制精度高，性能稳定可靠，设置操作方便，造价低等诸多特点，被应用到液位系统的控制中来。 单片微机在许多过程控制设备和产品中都得到广泛的应用。由于其体积小，价格低，具有逻辑判断、定时计数、程序控制等多种功能，在各个领域、各个行业都得到了广泛应用。本文介绍了以LM型液位传感器，A/D转换芯片ADC0809，以及AT89C51单片机作为主控元件的液位检测系统的设计方法。 通过软件和硬件的联合调试，实现了在一定范围内对水位的调节，动态显示出水位结果，实现报警，完全实现了任务书上的要求。 关键词：液位检测；A/D转换；LM型液位传感器；超限报警 Abstract Associetyadvances,thedevelopmentofproductionprocessesandproductiontechnologies,目录摘要 (i) Abstract (ii) 第1章绪论 (1) 液位检测系统的概况 (1) 国内外研究动态 (1) 本次毕业设计的意义 (2) 本次毕业设计的任务 (2) 第2章硬件电路设计 (4) 硬件电路工作原 (4) 硬件电路设计 (4) 系统总体设计框图 (4) 核心芯片的介绍 (5) 硬件电路各模块设 (10) 电源电路设计 (10) 单片机最小系统电路设计 (10) 显示电路设计 (11) 液位传感器的接口电路设计 (13) 与A D C0809的接口电路设计 (13) 报警电路设计 (15) 硬件电路总结 (15) 第3章软件设计 (17) 的I/O口应用 (17) 口的信号输入 (17) 口的信号输入 (17) 口的信号输入 (17) 口的信号输入 (18) 软件模块设计 (19) 主程序的设计 (19) 转换的设计 (20) 显示子程序的设计 (21) 报警子程序的设计 (24) 软件设计总结 (25) 第4章联机调试 (26) 仿真电路调试 (26) 硬件电路调试 (27) 硬件电路调试出现的问题及解决方法 (28) 软件程序调试 (28) 软件程序调试出现的问题及解决方法 (29) 联机调试总结 (29) 第5章结论 (25) 致谢 (26) 参考文献 (27) 附录 1 (28) 附录 2 (30) 附录 3 (31) 附录 4 (32) 附录 5 (33) 第1章绪论 随着人们生活水平和工业标准的提高，液位的检测越来越受到人们重视，检测的精度和实时性要求也越来越高，另外还要求系统能提供对液位的自动控制功能。今后液位的监测和控制系统的研究将是一个重要的课题。 液位检测系统的概况 在日常生产和生活中经常遇到液位的检测和控制问题。尤其在许多工业生产系统中，需要对系统的液位或物料位进行检测和控制，特别是对具有腐蚀性的液体液位的测量，传统的电极法是采用差位分布电极，通过给电脉冲来检测液面，电极长期浸泡在液体中，极易被腐蚀、电解、失去灵敏性，因而对测试设备的抗腐蚀性要求较高。LM型液压传感器采用316L不锈钢膜片及PVC塑料螺纹头相结合，可测量水、其它液体及气体液位。LM型液压传感器采用拥有专利技术的低成本不锈钢传感器，其安装在PVC塑料过程接头内。监控工程实施方便、迅速、易做到实时控制，而且测量精度又能达到工业实用的要求，所以有广泛的应用前景。为了降低工人的劳动强度，改善工人的工作环境，节省财力、物力，避免资源的浪费，特别是对一些具有高温、高压、低温、低压、有辐射性、毒性、易挥发易爆等液体，就要对液位进行检测，而且液位的检测显得尤为重要。今后液位的监测和控制系统的研究将是一个重要的课题。 国内外研究动态 在当今社会经济高速增长的同时，水在人们的生活、生产中起着重要的作用。一旦出现缺水，轻则给人们生活带来极大的不便，重则出现造成严重的生产事故并造成不可挽救的经济损失。液面检测和控制技术的要求也越来越严格。为了解决生产中的测量问题，一方面是新测量原理的采用，新的仪器仪表水平的发展，扩大了检测方法，而另一方面需要对电脑化和智能化方向发展。近年来，微电子技术的发展使得水塔液位检测技术已经彻底改变。新的应用程序级的检测原理和电子元件，这样可以更好地判断正变得越来越小型化，尤其是小场液位开关光纤液位计的快速发展，没有移动部件，因此，精确的测量，可以控制。同时，液位检测和控制也正朝着智能化的方向发展，在衡量微处理技术水平的领域被广泛应用，实现故障诊断和报警等功能，提高了测量精度，可靠性，安全性，性别和多功能。在应用设计水平和定时应尽量达到液位检测系统的精确测量，以改善恶劣环境性下的精确和可靠地在恶劣的环境中。 本次毕业设计的意义 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。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。单片机在许多过程控制设备和产品中都得到广泛的应用。由于其体积小，价格低，具有逻辑判断、定时计数、程序控制等多种功能，在各个领域、各个行业都得到了广泛应用。不仅有常用的8位机，而且4位单片机和16位单片机也得到了普及，随着过程控制精度要求的增加和运算速度的增快，单片机得到了进一步的应用。 本次毕业设计的任务 本文的主要任务是以单片机为主控制器，开发一个基于液位传感器的液位监控系统，可测量并显示液位高度。设定最高液位和最低液位，当液位高于最高液位或低于最低液位时发出报警信号，提醒工作人员液位信息。研究设计内容包括：（1）液位检测的基本原理与方法； （2）液位检测系统的整体方案设计； （3）模数转换电路的设计； （4）显示电路设计； （5）系统软件流程设计； （6）电源电路的设计； （7）PCB布线及硬件抗干扰设计。 设计完成之后提供一个可以应用于一般工业的液位检测及显示系统的设计方案，测量范围和测量精度满足一般工业应用需要。通过毕业设计的整个过程，可以综合运用传感器、单片机、电子电路和程序设计等方面的知识，锻炼和提高科研的能力。 第2章硬件电路设计 硬件电路工作原理 该系统以AT89C51作为核心控制部件，外加传感器，一片A/D转换芯片和数码管来完成系统的预期任务，即液位的检测、显示和超限报警。传感器实现液位信号到电压信号的转换，再由8位A/D转换芯片ADC0809将模拟信号转换为数字信号，实现液位信息的输入，AT89C51从ADC0809读取液位信息后进行数据处理和超限判断，随后将处理过的数据输出到数码管显示，设置最高液位和最低液位，若液位超限则由单片机报警1。 硬件电路设计 系统总体设计框图 图21系统总体设计框图 图2-1各部分功能： （1）电源部分提供+5V电压供系统各部分使用。 （2） LM传感器实现液位信息到电压信号的转换。 （3）ADC0809将传感器输出的电压信号经A/D转换后送到单片机。 （4）AT89C51为处理器，实现液位信息的接收、数据处理、和输出到数码管。 （5）蜂鸣器部分在单片机检测到液位超限是由单片机驱动LED灯亮灭报警。 （6）单片机对液位数据处理后输出，数码管显示。 核心芯片的介绍 （1）单片机AT89C51 单片机应用系统的基本构成： 图22单片机应用系统的基本构成 AT89C51主要参数： E2PROM 中的程序被非法复制。不用紫外线擦除，提高了编程效率。程序存储器E2PROM 容量可达20K 字节。 AT89C51是一种带4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8 位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将功能8位CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案2。 AT89C51主要特性： 与MCS-51兼容，4K 字节可编程闪烁存储器，寿命：1000写/擦循环，全静态工作：0HZ-24HZ ，三级程序存储器锁定8位CPU ；振荡频率;128个字节的片内数据存储器（片内RAM ）;21个专用寄存器；4KB 的片内程序存储器；8位并行I/O 口P0,P1,P2,P3;一个全双工串行I/O 口；2个16位定时器/计数器；5个中断源，分为2个优先级。 I/O 口引脚： P0口，双向8位三态I/O 口，此口为地址总线（低8位）及数据总线分时复用； P1口，8位准双向I/O 口 P2口，8位准双向I/O 口，与地址总线（高8位）复用； P3口，8位准双向I/O口，双功能复用。 （2）A/D转换器ADC0809 ADC0809是美国国家半导体公司生产的工艺8通道，8位逐次逼近式A/D。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据锁存后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。A/D转换芯片ADC0809为8路模拟信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道抵制锁存用译码电路，其转换时间为100s左右。 ADC0809的内部结构： 图23ADC0809的内部逻辑结构图 图2-3中多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D 转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。地址锁存与译码电路完成对A、B、C3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连， 图24ADC0809的通道选择表图25ADC0809引脚图 ADC0809功能介绍： 分辨率为8位；最大不可调误差小于 1LSB；单一+5V供电，模拟输入范围05V；具有锁存控制的8路模拟开关；可锁存三态输出，输出与TTL兼容；功耗为15mw；不必进行零点和满度调整；转换速度取决芯片的始终频率，它的时钟为10kHZ.当时钟为500KHZ，转换速度为100us。 ADC0809的原理 ADC0809是一款8位AD转换器，数据获取的关键部分是它的8位模/数转换器。这个部分主要由N位逐次逼近寄存器SAR,D/A转换器，比较器，置数选择电路组成。转换过程如下： 选选置数电路置SAR的最高位为“1”，其余位为“0”，经D/A转换器转换成的模拟电压Uo与输入模拟电压Ui在电压比较器进行比较，若Ui大于等于Uo,则保留最高位“1”，若Ui小于Uo，则最高位为“0”。 置次高位为“1”，低位全为“0”，按上述步骤进行转换，比较，判断。 重复此过程，直到确定SAR的最低位的值取“1”，还是“0”为止。此时，SAR内容就是对应的输入模拟电压转换后的数字量。 （3）LM型液压传感器 LM系列液压传感器采用316L不锈钢膜片及PVC塑料螺纹头相结合，可测量水、其它液体及气体液位。LM系列液压传感器采用拥有专利技术的低成本不锈钢传感器安装在PVC塑料过程接头内。该设计可使传感器具有多种外形，方便客户应用于需要高性能、小尺寸的压力和真空系统。传感器标准输出为，供电为5V。 特点：螺纹接口式，-2085工作温度范围，±%非线性，±%总误差，固态结构应用：灌溉系统，RV和船舶水位保持，蓄水和水循环系统，小型罐体液位，冷却器&蒸气冷凝设备 类型：表压 量程：01,2,5,15,30,50,150(psi) 精确度：±5%(5Psi) 输出： 电气连接：电缆 工作温度：-3585 供电电源：5VDC图27LM系列液压传感器 特点：低成本，微量程（最佳量程1Psi15Psi），适于OEM客户批量应用。 典型应用：灌溉，RV和船用邮箱液位，水存储和水回收系统，小罐体液位，冷凝器，蒸发冷却塔 图28LM传感器尺寸外形图图29LM传感器电气连接图 硬件电路各模块设计 电源电路设计 系统供电为市电AC220v，经变压器TR1降为交流6v，经整流桥堆BR1整流后得到脉动直流电压6v，再经三端稳压器LM7805得到VCC(+5v), 图210电源电路 图2-10系统供电为市电AC220v，经变压器TR1降为交流6v，经整流桥堆BR1整流后得到脉动直流电压6v，再经三端稳压器LM7805得到VCC(+5v),其中电解电容C4、 C6、起滤波作用，C5、C7是旁路电容，起抑制干扰的作用3。 2.3.2单片机最小系统电路设计 复位电路，就是利用它把电路恢复到起始状态。就像计算器的清零按钮的作用一样，当你进行完了一个题目的计算后肯定是要清零的是吧！或者你输入错误，计算失误时都要进行清零操作。以便回到状态，重新进行计算。和计算器清零按钮有所不同的是，复位电路启动的手段有所不同。一是在给电路通电时马上进行复位操作；二是在必要时可以由手动操作；三是根据程序或者电路运行的需要自动地进行。篡位电路都是比较简单的大都是只有电阻和电容组合就可以办到了。再复杂点就有三极管等等配合程序来进行了。 RST：复位输入。在单片机工作期间，当此引脚上出现连接2个机器周期的高电平时可实现复位操作。复位电路除了具有上电复位功能外，还可通过复位键迫使RESET为高电平。当系统通电时，RESET引脚获得高电平，随着电容的充电，RESET引脚的高电平将逐渐下降。RESET的高电平只有保持足够的时间（2个机械周期），单片机才可以进行复位操作。 时钟电路采用12MHz的晶振，因为ADC0809的工作时钟最高允许值为12MHz,单片机ALE管脚2分频后为500KHz,可以作为ADC0809转换器的时钟信号CLK。XTAL1:反向放大振荡器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2:来自反向振荡器的输出。