基于單片機(jī)的水位檢測

1、編號(hào)： 課程設(shè)計(jì)說明書題 目： 基于單片機(jī)的水位檢測 院 （系）： 信息與通信學(xué)院 專 業(yè)： 電子信息工程 學(xué)生姓名： 胡 強(qiáng) 學(xué) 號(hào)： 1300220512 指導(dǎo)教師： 嚴(yán)素清 2016 年12月23 日摘 要本水位監(jiān)測報(bào)警器使用5V低壓交流電源就可以對(duì)水位進(jìn)行監(jiān)測用數(shù)碼管顯示并蜂鳴器發(fā)出報(bào)警。主要采用單片機(jī)AT89C52芯片,將控制程序?qū)戇M(jìn)單片機(jī)中,使其發(fā)揮相應(yīng)的功能,再加上蜂鳴器、數(shù)碼管、電阻、電容這些器件組成一個(gè)簡單而靈敏的監(jiān)測報(bào)警電路,操作簡單,接通電源即可工作。因?yàn)殡娐凡捎脝纹瑱C(jī)技術(shù),所以本水位監(jiān)測報(bào)警器還具有電路簡易、耗能低、準(zhǔn)確性高的特點(diǎn)。 關(guān)鍵詞:單片機(jī)控制；報(bào)警電路；監(jiān)測電

2、路。 AbstractThe water level alarm used to monitor low voltage 5V DC power supply (can also use 5 batteries instead of three) can be on the monitoring of water level, with light-emitting diode display, and can no longer be within this range, the water level alarm . Main use SCM AT89C52 chip, will cont

3、rol program written into the microcomputer, to play the corresponding functions, together with a buzzer, light-emitting diodes, resistors, capacitors, these devices form a simple and sensitive alarm function, simple operation, then power can work through. Because the circuit chip technology, so the

4、water level monitoring alarm circuit also has a simple, low energy consumption and high accuracy. Keywords: microprocessor;controlled ; alarm circuit ; monitoring circui.目 錄引言11 方案選擇11.1 利用超聲波水位傳感器實(shí)現(xiàn)11.2 利用自制水位監(jiān)測裝置實(shí)現(xiàn)21.3 方案總結(jié)22 水位監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)22.1單片機(jī)的選擇22.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖及原理圖32.2.1 晶振電路42.2.2 復(fù)位電路42.2.3報(bào)警電路

5、42.2.4 水位監(jiān)測及總電路53. 軟件程序及設(shè)計(jì)64 硬件調(diào)試及結(jié)果分析94.1硬件調(diào)試與分析94.2工作狀態(tài)測試95 結(jié)論12謝 辭13參考文獻(xiàn)14附 錄15引言水位控制在日常生活及工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用相當(dāng)廣泛，如作為城市、鄉(xiāng)村生活用水儲(chǔ)備，太陽能熱水器儲(chǔ)水設(shè)備等，又比如水塔、地下水、水站等情況下的水位控制。而以往水位的檢測是由人工完成的，值班人員全天候?qū)λ坏淖兓M(jìn)行監(jiān)測，然后進(jìn)行后續(xù)的操作。很顯然上述重復(fù)性的工作無論是從人員、時(shí)間、還是資金上都將造成很大的浪費(fèi)。同時(shí)也容易造成差錯(cuò)。目前大多數(shù)住宅小區(qū)采用人工加水的方式，當(dāng)水用完時(shí)，需要人工開啟水泵加水，十分不方便。以至于水用完之前不知道水量

6、的多少，等到用完了才知道沒有水，如果急需用水，那就十分麻煩了，要等到加完水后才能用水；加水過程中還要時(shí)刻關(guān)注水位是否溢出。以上的問題都在期待一種簡單、經(jīng)濟(jì)的水位控制系統(tǒng)的誕生。本文采用所學(xué)的知識(shí)，設(shè)計(jì)以單片機(jī)水位采集系統(tǒng)。主要實(shí)現(xiàn)以下功能：1. 監(jiān)測水位變化，分為3檔水位2每一檔水位都用數(shù)碼管顯示3每一檔水位對(duì)應(yīng)一種報(bào)警聲本文采用單片機(jī)系統(tǒng)控制，監(jiān)測儲(chǔ)水罐的水位變化，在儲(chǔ)水罐內(nèi)部放置自制的水位傳感器來檢測水位。單片機(jī)內(nèi)編程控制數(shù)碼管和蜂鳴器。傳感器檢測到水位時(shí)，單片機(jī)就控制數(shù)碼管顯示相應(yīng)的數(shù)值，并且控制蜂鳴器發(fā)出報(bào)警 1 方案選擇 經(jīng)過考慮有兩種方法實(shí)現(xiàn)水位檢測利用超聲波和自制一個(gè)簡單的裝置。

7、 1.1 利用超聲波水位傳感器實(shí)現(xiàn) 超聲波水位傳感器是利用空氣聲學(xué)回聲測距原理來進(jìn)行水位變化測量的新型水位測量儀器，是在SCA6-1型聲學(xué)水位計(jì)基礎(chǔ)上的改進(jìn)設(shè)計(jì)。由收發(fā)共用換能器發(fā)射一聲脈沖、經(jīng)聲管傳聲遇水界面產(chǎn)生反射，回波經(jīng)由同一換能器接收。測得聲波在空氣中的傳播時(shí)間及現(xiàn)場聲速，算出換能器發(fā)射面至水面的距離，依據(jù)換能器安裝基準(zhǔn)面及水位零點(diǎn)得到水位值。特點(diǎn)是非接觸測量，無需建造水位測井，安裝方便，自動(dòng)測量，具有聲速補(bǔ)償，RS-485數(shù)據(jù)輸出。應(yīng)用于沿海水文臺(tái)站的常規(guī)長短期潮位觀測，江河湖泊的水位連續(xù)自動(dòng)測量以及港工水文調(diào)查、港口調(diào)度、船舶航行等部門的水位測量。目前智能水位傳感器由聲學(xué)傳感器、溫

8、度傳感器、聲管、測量電路、信號(hào)傳輸電纜組成。 超聲波傳感檢測電路是利用40kHz的超聲波發(fā)生器實(shí)現(xiàn)40kHz的振蕩是很容易的，并且方法有多種，取液位計(jì)與水面的距離為適當(dāng)?shù)母叨?，可令超聲波發(fā)出去后能有效地返回，讓接收器收到信號(hào)，送到微處理器，經(jīng)微處理器處理所得的數(shù)據(jù)，即可算出水位高度。超聲波在空氣中一般可以實(shí)現(xiàn)有效傳播，只要外部的環(huán)境不是特別的惡劣，所受的干擾并不是很大，測量結(jié)果不會(huì)有太大的誤差。整個(gè)系統(tǒng)的核心是AT89S52。所選用是超聲波傳感器，它的工作電壓是40kHz的脈沖信號(hào)，這可很容易地用軟件編程使AT89S52的P1口中的第0位產(chǎn)生40KHz方波的方法來實(shí)現(xiàn)。并在第一個(gè)脈沖產(chǎn)生時(shí)開始

9、啟動(dòng)計(jì)時(shí)。40kHZ的脈沖方波信號(hào)經(jīng)放大后即可驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器工作，使其向水面垂直發(fā)出40kHz的超聲波。 所選的超聲波傳感器是雙用型傳感器，即發(fā)送和接收集成于一體。當(dāng)超聲波遇到水面時(shí)發(fā)生反射，反射波回到超聲波傳感器，超聲波接收器將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?hào)。再將所得的交變電壓信號(hào)放大，輸人到音調(diào)譯碼器中，音調(diào)譯碼器的輸出由高電平躍變?yōu)榈碗娖?，作為中斷信?hào)輸人到AT89S52單片機(jī)的INT1管腳。INT1端產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，停止計(jì)時(shí)，取得超聲波往返的時(shí)間差。通過計(jì)算式s=340t/2算出液位計(jì)離水面的距離，從而計(jì)算出水位的高度。這些都可以

10、通過對(duì)51單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)。計(jì)算出水位高度以后，單片機(jī)將所算出的結(jié)果通過P2口輸出到七段LED數(shù)碼管顯示出來。 1.2 利用自制水位監(jiān)測裝置實(shí)現(xiàn) 本水位監(jiān)測報(bào)警器使用5V低壓交流電源就可以對(duì)水位進(jìn)行監(jiān)測，用數(shù)碼管顯示并發(fā)出報(bào)警。主要采用單片機(jī)AT89C52芯片，將控制程序?qū)戇M(jìn)單片機(jī)中，使其發(fā)揮相應(yīng)的功能再加上蜂鳴器、數(shù)碼管、電阻、電容這些器件組成一個(gè)簡單而靈敏的監(jiān)測報(bào)警電路，操作簡單接通電源即可工作。因?yàn)殡娐凡捎脝纹瑱C(jī)技術(shù)，所以本水位監(jiān)測報(bào)警器還具有電路簡易、耗能低、準(zhǔn)確性高的特點(diǎn)。1.3 方案總結(jié)綜上所述，本設(shè)計(jì)選擇第二種方案，第一種方案制作成本高，程序和結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，第二種方案成本不但低，而

11、且也能達(dá)到想要的結(jié)果。本設(shè)計(jì)當(dāng)中采用的水位檢測傳感器簡單易做，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。 2 水位監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)2.1單片機(jī)的選擇AT89系列單片機(jī)在我國得到了極其廣泛的應(yīng)用。由于AT89C52具有強(qiáng)大的功能，可以使我的設(shè)計(jì)更方便也更人性化。而且它很好的兼容MCS-51系列單片機(jī)的指令系統(tǒng)和引腳功能。它片內(nèi)還含有Flash Memory，F(xiàn)lash Memory是一種電擦除和電寫入的閃速存儲(chǔ)器，記為FPEROM在系統(tǒng)開發(fā)過程中可以很容易地進(jìn)行程序修改，使開發(fā)和調(diào)試更為簡單。 AT89C52的功能介紹：AT89C52是ATMEL公司生產(chǎn)的一個(gè)低電壓，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes的可反

12、復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的AT89S52單片機(jī)可為您提供許多較復(fù)雜系統(tǒng)控制應(yīng)用場合。 AT89C52有32個(gè)外部雙向輸入/輸出I/O端口同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口，3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口2個(gè)讀寫口線，AT89C52可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程。其將通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開發(fā)成本。 AT89C52為40腳雙列直插封裝的8位通

13、用微處理器，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的C51內(nèi)核在內(nèi)部功能及管腳排布上與通用8xc52相同，其主要用于會(huì)聚調(diào)整時(shí)的能控制。功能包括對(duì)會(huì)聚主IC 內(nèi)部寄存器、數(shù)據(jù)RAM及外部接口等功能部件的初始化會(huì)聚調(diào)整控制，會(huì)聚測試圖控制，紅外遙控信號(hào)IR的接收解碼及與主板CPU通信等。主要管腳有XTAL119 腳和XTAL218腳為振蕩器輸入輸出端口外接12MHz 晶振。RST/Vpd9 腳為復(fù)位輸入端口外接電阻電容組成的復(fù)位電路。VCC40腳和VSS20 腳為供電端口，分別接+5V電源的正負(fù)端。P0P3 為可編程通用I/O 腳，其功能用途由軟件定義，在本設(shè)計(jì)中P0 端口3239 腳被定義為N1功能控制端口，分別與N1

14、的相應(yīng)功能管腳相連接13 腳定義為IR輸入端10 腳和11腳定義為I2C總線控制端口，分別連接N1的SDAS18腳和SCLS19腳端口12腳、27腳28腳定義為握手信號(hào)功能端口，連接主板CPU的相應(yīng)功能端，用于當(dāng)前制式的檢測及會(huì)聚調(diào)整狀態(tài)進(jìn)入的控制功能。2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖及原理圖蜂鳴器報(bào)警電源單片機(jī)AT89C52數(shù)碼管顯示水位檢測頭圖2.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖水塔水位檢測報(bào)警系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2.1所示它包括單片機(jī)電源水位檢測傳感器顯示報(bào)警聲音報(bào)警。本設(shè)計(jì)中用銅絲作為水位檢測傳感器適當(dāng)調(diào)整銅絲的長度，可自行設(shè)置水位的范圍。利用單片機(jī),將控制程序?qū)戇M(jìn)單片機(jī)中，經(jīng)過對(duì)輸入口信號(hào)的分析，在單片機(jī)

15、的輸出端口給出相應(yīng)的信號(hào)。自行設(shè)定報(bào)警數(shù)值，若到達(dá)指定數(shù)值則蜂鳴器報(bào)警LED燈亮。本設(shè)計(jì)采用AT89C52的P2.4-P2.4作為我們水位的信號(hào)輸入口，單通過軟件的控制不斷的檢測P0端口的輸入電平，一旦發(fā)現(xiàn)探針電平與主探針電平同為高電平時(shí)，則執(zhí)行相應(yīng)的控制程序，從P2輸出不同的信號(hào)來告知水位情況，測試之前先設(shè)定報(bào)警數(shù)值低水位時(shí)，就驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示數(shù)值1，以此類推，是高水位時(shí)就驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯3，到達(dá)設(shè)定的數(shù)值時(shí)蜂鳴器報(bào)警并且LED燈亮。2.2.1 晶振電路本次設(shè)計(jì)用到的是內(nèi)部振蕩方式，這種方式下在X1和X2兩端跨接石英晶體及兩個(gè)電容，如下圖所示，這樣就和內(nèi)部的反響放大器構(gòu)成穩(wěn)定的自己振蕩器。電容C1

16、和C2通常取30pF可穩(wěn)定頻率并對(duì)正當(dāng)頻率有微調(diào)作用。接線圖如下： 圖2.2 晶振電路2.2.2 復(fù)位電路復(fù)位電路的基本功能是：系統(tǒng)上電時(shí)提供復(fù)位信號(hào)，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號(hào)。為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時(shí)才撤銷復(fù)位信號(hào)，以防電源開關(guān)或電源插頭分-合過程中引起的抖動(dòng)而影響復(fù)位。圖1所示的RC復(fù)位電路可以實(shí)現(xiàn)上述基本功能，圖3為其輸入-輸出特性。但解決不了電源毛刺（A點(diǎn)）和電源緩慢下降（電池電壓不足）等問題 而且調(diào)整 RC常數(shù)改變延時(shí)會(huì)令驅(qū)動(dòng)能力變差。 圖2.3 復(fù)位電路2.2.3報(bào)警電路蜂鳴器報(bào)警電路通過一個(gè)9013三極管驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。三極管的基極與P27口

17、相連接，集電極與連接到VCC，射極與蜂鳴器相連。當(dāng)P27為高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通。蜂鳴器響，為低電平時(shí)不響。通過控制P27的電平高低變化來控制三極管導(dǎo)通，進(jìn)而改變蜂鳴器的發(fā)聲頻率。實(shí)現(xiàn)不同聲音的報(bào)警。 圖2.4 報(bào)警電路2.2.4 水位監(jiān)測及總電路接5V交流電源，高電平與低電平交替發(fā)出，防止水被電解，由于腐蝕問題，采取交流電源，這樣腐蝕會(huì)很慢，一般這種監(jiān)測裝置最少也能用幾年，到時(shí)候正好檢修，所以完全可以用在現(xiàn)實(shí)檢測中。2線為低水位控制線，當(dāng)單片機(jī)檢測到1線的電平與線2發(fā)出的電平相同為高點(diǎn)平時(shí)，表示是1擋水位了。以此類推，3為高水位控制線，當(dāng)單片機(jī)檢測到3的電平與單片機(jī)發(fā)出的電平相同時(shí)，表示是高水

18、位了。傳感器選用細(xì)銅絲，因?yàn)榧?xì)銅絲的電阻率比較低，這樣就可以避免由于電阻過大而使輸出的電平過低，以致不能很好的驅(qū)動(dòng)單片機(jī)工作，細(xì)銅絲的傳電性能比較好，傳電速率比較快，也可以說是靈敏性很好，還有就是細(xì)銅絲經(jīng)濟(jì)實(shí)惠便于我們?nèi)〔摹?圖2.5水位監(jiān)測電路 圖2.6 總電路3. 軟件程序及設(shè)計(jì)#define uint unsigned intvoid bell(uint num,uint f);void delay(uint n);sbit b=P27;sbit d1=P26;sbit d2=P25;sbit w1=P24;/最低水位 檢測器sbit w2=P23;/第二檔水位 檢測器sbit w3=P

19、22;/最高檔水位 檢測器int show=0xbd,0x14,0xe5,0xe9,0xd4 ;void main() b=0;d2=0; P1=show0; delay(2); d2=1;d1=0; P1=show4;delay(2); d1=1; while(w1=1&&w2=0&&w3=0)d2=0; P1=show1;delay(5);d2=1;d1=0;P1=show4;delay(5);d1=1;bell(1,1);while(w1=1&&w2=1&&w3=0) d2=0;P1=show2;delay(2);d2=1;

20、d1=0;P1=show4;delay(2);d1=1; bell(4,1);while(w1=1&&w2=1&&w3=1) /d2=0;P1=show3;delay(2);d2=1; d1=0;P1=show4;delay(2);d1=1;bell(7,1);void bell(uint num,uint f) int i;for(i=0;i<num;i+)b=1;delay(f);b=0;delay(f);void delay(uint n)uint i,j;for(i=0;i<n;i+) for(j=0;j<15;j+); 以上為水位監(jiān)測

21、的程序及軟件設(shè)計(jì)框圖，當(dāng)電源接通時(shí)，LED燈亮，數(shù)碼管顯示0F，表示0水位，銅絲慢慢一點(diǎn)點(diǎn)接觸水面，數(shù)碼管顯示1F，表示1擋水位，繼續(xù)深入水位，看是否到達(dá)2擋水位值，是，則顯示2F，反之則還是顯示1F，以此類推，直到顯示3擋最高水位。4 硬件調(diào)試及結(jié)果分析4.1硬件調(diào)試與分析經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)圖3中的R10、R11、R13三個(gè)電阻取值非常重要，如果這三個(gè)值取太小，則銅絲接觸到水時(shí)，單片機(jī)的P22、P23、P24三個(gè)不會(huì)被拉為高電平，這是因?yàn)閎it銅絲（表示bit1、bit2、bit3之間的任意一根銅絲）與vcc銅絲之間的水的等效電阻相比下拉電阻大太多了，而且銅絲未接觸到水時(shí)，也不一定能將P22、P2

22、3、P24拉為低電平。如果取值太大，則在銅絲未接觸到水時(shí)，不能將P22、P23、P24拉為低電平。經(jīng)過測試，發(fā)現(xiàn)R10、R11、R13三個(gè)電阻的阻值在2k到2.5k之間。本課程設(shè)計(jì)中R10、R11、R13阻值取2.2k。經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，在使用一個(gè)電阻和蜂鳴器串聯(lián)，蜂鳴器響聲不夠大，將電阻去除，用導(dǎo)線短接即可。4.2工作狀態(tài)測試當(dāng)銅絲未接觸到水時(shí)，P22、P23、P24都近似為0v。工作狀態(tài)如圖9所示。圖4.1 工作在0檔時(shí)工作狀態(tài)圖水位在1檔時(shí)，P24的電壓為2.48v，工作狀態(tài)如圖10所示。圖4.2 工作在1檔時(shí)的工作狀態(tài)圖水位在2檔時(shí)，P23的電壓為2.36v，工作狀態(tài)如圖11所示。圖4.3 工作在2檔時(shí)的工作狀態(tài)圖水位在3檔時(shí)，P22的電壓為2.36v，工作狀態(tài)如圖12所示。圖3.4 工作在3檔時(shí)的工作狀態(tài)圖5 結(jié)論以往，由于人們不清楚儲(chǔ)水罐水位的情況，導(dǎo)致加水不方便?，F(xiàn)在根據(jù)本設(shè)計(jì)制作出來的儲(chǔ)水罐水位監(jiān)測系統(tǒng)具有簡單、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的特點(diǎn)。相信能夠給廣大人們?nèi)罕姷纳顜矸奖?。本系統(tǒng)主要在使用的過程中，單片機(jī)會(huì)監(jiān)測水位的變化情況，對(duì)應(yīng)著水位在四個(gè)檔位