基于单片机的水位控制系统[1].doc

单片机高塔水位控制系统本课程设计要求：在高塔的内部我们设计一个简易的水位探测传感器用来探测三个水位，即低水位，正常水位，高水位低水位时送给单片机一个高电平，驱动水泵加水，红灯亮；正常范围的水位时，水泵加水，绿灯亮；高水位时，水泵不加水，黄灯亮本设计过程中主要采用了传感技术、单片机技术、光报警技术以及弱电控制强电的技术技术参数和设计任务：1、利用单片机 AT89C2051 实现对高塔进行水位的控制；2、把水位探测传感器探得高塔中的水位送给单片机以实现对水泵加水系统和显示系统的控制；3、光报警显示系统电路，采用不同颜色的发光二极管来表示不同的水位情况4、水泵加水电路由继电器进行控制；5、分析工作原理，绘出系统结构原理图及流程图；一、本课程设计系统概述1、系统原理当水位处于低水位的时候，传感器的低水位探测线没被+5V 的电源导通进入稳压电路经过处理在稳压电路的输出端有一个高电平，送入单片机的 P1.0 口，另一个稳压电路输出的高电平进入单片机的 P1.1 口单片机经过分析，在 P1.2口输出一低电平，驱动红灯亮，P1.5 出来一个信号使光电耦合器 GDOUHE 导通，这样继电器闭合，使水泵加水；当水位处于正常范围内时，水泵加水，在 P1.3引脚出来一个低电平，使绿灯亮；当水位在高水位区时，传感器的两根探测线均被导通，均被+5V 的电源导通，送入单片机，单片机经过分析，在 P1.4 引脚出来一个低电平，使黄灯亮，在 P1.5 端出来一个低电平不能使光电耦合器导通，这样继电器不能闭合，水泵不能加水；当三灯闪烁表示系统出现故障。

2、系统结构图电源电路水塔模型水箱水泵加水系统显示系统水位检测传感器稳压电路单片机A T 8 9 C 2 0 5 1图 1 系统结构图采用单片机 AT89C2051 作为我们的控制芯片,主要工作过程是当高塔中的水在低水位时,水位探测传感器送给单片机一个高电平,然后单片机驱动水泵加水和显示系统使红灯变亮;当水位在正常范围内时,水泵加水 ,绿灯亮,; 当水位在高水位时,单片机不能驱动水泵加水,黄灯亮3、控制方案说明这个方案中使用了单片机处理，单片机技术是信息时代用于精密测量的一种新技术此系统使用过程中采用稳压电路能够准确地把输入的电平送给单片机不会产生误判的情况,由于 AT89C2051 单片机有四端口，20 引脚能够非常方便地设计显示系统4、系统组成及原理本系统由电源电路、水位探测传感电路、稳压电路、单片机系统、光报警显示电路、继电器控制水泵加水电路、以及高塔模型组成主电气原理图如下：RST1 (RXD)P3.02(TXD)P3.13 XTAL24XTAL15 (INT0)P3.26(INT1)P3.37 (T0)P3.48(T1)P3.59 GND10VC 20P1.7 19P1.6 18P1.5 17P1.4 16P1.3 15P1.2 14P1.1(AIN1) 13P1.0(AIN0) 12P3.7 1U1AT89C2051Q5NPNQ4NPNR1310KR1210R12KP1.1+5VP1.1Q5NPNQ4NPNR610KR510R42KP1.0+5VD6DIODED5DIODE123K2CON3+5VR21K R31K+5VR11KC310uFSW-PBY112MHZC23pF C13pF+5V D10YELOWD9GREDD8REDR161KR141KR151K+5VD4D2 C50.1uF C60.1uFC70.01uF123J1CON3Vin1 GND2Vout 3U27805Vin1 GND2Vout 3U17812C4100uFU3GDOUHE JUMP RELAY-SPDTV1VSIND3D1GND5V12V123K1CON3R91KR82KR72KR1010KD7Q3NPN+5V+5VQ0 12Q1 9Q2 8Q3 1MS16 MS27MR12 MR23CLK014 CLK1U27490C147uFC40.1uFTRIG6CVolt3R4XDCC145DIS 1THR 2GND7U3ANE56R210KR110k R44.7kR6 1kR51kR310k+5V+5VC30.01uFA1 B2 Y 3UIA7432C20.01uFU407-02-01P1.6RESET工作原理：当水位处于低水位的时候，传感器的低水位探测线没被+5V 的电源导通进入稳压电路经过处理在稳压电路的输出端有一个高电平，送入单片机的 P1.0 口，另一个稳压电路输出的高电平进入单片机的 P1.1 口单片机经过分析，在 P1.2 口输出一低电平，驱动红灯亮，P1.5 出来一个信号使光电耦合器 GDOUHE 导通，这样继电器闭合，使水泵加水；当水位处于正常范围内时，水泵加水，在 P1.3 引脚出来一个低电平，使绿灯亮；当水位在高水位区时，传感器的两根探测线均被导通，均被+5V 的电源导通，送入单片机，单片机经过分析，在 P1.4 引脚出来一个低电平，使黄灯亮，在 P1.5 端出来一个低电平不能使光电耦合器导通，这样继电器不能闭合，水泵不能加水；当三灯闪烁表示系统出现故障。

二、硬件设计1、单片机最小系统电路设计AT89C2051 是 美 国 ATMEL 公 司 生 产 的 低 电 压 、 高 性 能 CMOS 8 位 单 片 机 ，片 内 含 2k bytes 的 可 反 复 擦 写 的 只 读 程 序 存 储 器 （ PEROM） 和 128bytes的 随 机 数 据 存 储 器 （ RAM） ， 器 件 采 用 ATMEL 公 司 的 高 密 度 、 非 易 失 性 存 储技 术 生 产 ， 兼 容 标 准 MCS-51 指 令 系 统 ， 片 内 置 通 用 8 位 中 央 处 理 器 和Flash 存 储 单 元 ， 功 能 强 大 at89c2051 单 片 机 可 为 您 提 供 许 多 高 性 价 比 的 应用 场 合 本设计中单片机采用 AT89C2051，它是一种高性能低价格单片机引脚(20个)和指令系统与 8031 单片机完全兼容片内有 2 K 字节的闪速程序存储器(采用电擦除编程, 可重复编程 1000 次,数据可保 10 年),除没有 P0 口、P2 口外,具有 8031 所有功能结构,即一片 AT89C2051 相当于 8031、373 、2716 组成的最小系统。

用它构成的测量、控制系统具有电路简单、可靠性好、体积小和成本低等优点AT89C2051 的 P1 口为八位双向 I/ O 口, P1.2～P1.7 有内部上拉电阻, P1.0 与 P1.1 无内部上拉电阻P1.0 与 P1.1 具有第二功能, 分别作为片内精密比较器的同相、反相输入端P1 口输出驱动器能提供 20mA 的灌电流驱动能力, 其锁存器写 1 时可作为输入口AT89C2051 的 P3 口为七位双向 I/ O 口, 有内部上拉电阻, P3 口输出驱动器能提供 20mA 灌电流驱动能力, 其锁存器写 1 时可作输入口P316 作为输入线与片内精密比较器输出端在片内相连, 故无引出线, 但可读该位的值P310～ P315 的第二功能与 8031 P3 口相应口线的第二功能完全相同综上所述, P1 和 P3 口中的各口线可直接驱动发光二极管, 不用再配置发光二极管驱动电路,P1.0 与 P1.1 具有第二功能, 不用再配置比较器, 从而简化了控制电路的结构RST1(RXD)P3.02(TXD)P3.13XTAL24XTAL15(INT0)P3.26(INT1)P3.37(T0)P3.48(T1)P3.59GND10VCC 20P1.7 19P1.6 18P1.5 17P1.4 16P1.3 15P1.2 14P1.1(AIN1) 13P1.0(AIN0) 12P3.7 11U1AT89C2051+5VR11KC310uFSW-PBY112MHZC233pFC133pF+5V图 2 最小系统电路图2、水位检测传感器的选用传感器是一种能感受被测物体物理量并将其转化为便于传输或处理的电信号的装置，在现代科技领域中，传感器得到了广泛应用，各种信息的采集离不了各种传感器，传感器的基本功能在于能感受外界的各种“刺激”并作出迅速反映。

本设计当中我们采用的水位探测传感器简单易做，经济实惠其外形轮廓如下：+ 5 vAB图 3 水位探测传感器外观图A 为接+5V 电源的线与水一直保持连通，B 线为低水位控制线，当水位到达低水位的时候它不导通，水在正常范围内时，它导通C 线为高水位控制线，当它导通时，表示水已经为高水位本设计中采用了细铜线作为我们的传感器的材料主要考虑了(1)细铜线的电阻率比较低，这样就可以避免由于电阻过大而使输出的电平过低，以致不能很好地驱动单片机工作(2) 传电性能比较好，传电速率比较快，也就是说灵敏性非常好3)细铜线便宜易找本传感器的尺寸是 A 线是 30CM，B 线是 20CM，C 线是 15CM，铜线直径是 15MM3、稳压电路的设计本电路的主要作用是使从传感器输出的电平能够稳定地输入单片机中，主要由三极管的两极放大稳定电路组成，其工作过程是水位探测传感器把探测到的电信号送给 R12,如果送入的是高电平则 R11、Q5、D3、Q4 导通把低于 1.4V的低电平稳定地送给单片机如果是低电平送给 R12 则 R11、Q5、D3、Q4 均不能导通二是 R13 导通将把高于 1.4V 的高电平稳定的送给单片机。

我查找了相关资料以及我们自己在设计过程当中免去此稳定电路,发现有时候也能实现我们的设计目的,但是也有很多时候发生水位误判的情况,产生不稳定现象,所以我们认为此电路是不可缺少的既然是控制系统,当然就要控制精确Q5NPNQ4NPNR13100KR12100R112KD3DIODEP1.0图 4 稳压电路原理图4、光报警电路的设计发光二极管（LED）是用半导体材料制作的正向偏置的 PN 结二极管其发光机理是当在 PN 结两端注入正向电流时，注入的非平衡载流子（电子－空穴对）在扩散过程中复合发光，这种发射过程主要对应光的自发发射过程按光输出的位置不同，发光二极管可分为面发射型和边发射型发光二极管的发光原理同样可以用 PN 结的能带结构来解释制作半导体发光二极管的材料是重掺杂的，热平衡状态下的 N 区有很多迁移率很高的电子，P 区有较多的迁移率较低的空穴由于 PN 结阻挡层的限制，在常态下，二者不能发生自然复合 ，而当给 PN结加以正向电压时，沟区导带中的电子则可逃过 PN 结的势垒进入到 P 区一侧于是在 PN 结附近稍偏于 P 区一边的地方，处于高能态的电子与空穴相遇时，便产生发光复合这种发光复合所发出的光属于自发辐射，辐射光的波长决定于材料的禁带宽度 Eg。

本电路采用不同颜色的发光二极管来表示不同的水位情况即红灯亮，他两灯不亮表示是低水位状态，此时需要启动水泵加水；绿灯亮，其他两灯不亮表示在正常的水位线内；黄灯发亮，其他两灯不亮为高水位状态，水泵停止加水，三灯闪烁表示系统出现故障D 1 0Y ELLO WD 9G R EEDD 8R EDR 1 61 KR 1 41 KR 1 51 K+ 5VP 1. 4P 1. 3P 1. 2图 5 光报警电路的原理图此电路采用的是共阳极的，所以只有当单片机给发光二极管为低电平时才能推动发光二极管点亮其中 R14、R15、R16 为上拉电阻起限压控流作用5、水泵的介绍水泵是每个家庭必不可少的生活工具，虽然大多数人并没有认识到这一点， 但这确是事实很多人对水泵一无所知1) 水泵的分类水泵一般多以泵的结构和作用原理来分类，有时根据需要也按使用部门、用途、动力类型和泵的水力性能等进行分类1）按使用部门分 有农业用泵（农用泵）、工作用泵（工业泵）和特殊用泵等2）按用途分 有水泵、砂泵、泥浆泵、污水泵、污物泵、井用泵、潜水电泵、喷灌。