參考-基于單片機和超聲波模塊的智能水位控制系統(tǒng)

1、鄭州大學本科畢業(yè)論文（設計） 題 目 水位控制系統(tǒng) 指導教師 忽曉偉 職稱 碩士學生姓名 張忠山 學號 20071521258專 業(yè) 電子信息工程 班級 電信2班院 （系） 電子信息工程學院完成時間 2011年4月23日水位控制系統(tǒng)摘 要本文采用AT89C52單片機系統(tǒng)實現(xiàn)了水塔水位的自動控制，設計出一種低成本、高實用價值的水塔水位控制器。該系統(tǒng)具有水位檢測、水位高度LCD顯示、低水位高水位報警以及自動加水等功能。本設計過程中主要采用了傳感技術、單片機技術、光報警技術以及弱電控制強電的技術。本設計傳感器使用了超聲波模塊，并且詳細闡述了超聲波測距測的原理，給出了系統(tǒng)構成框圖。此系統(tǒng)具有易控制、工

2、作可靠、測量精度高的優(yōu)點，可實時監(jiān)控液位。并采用52單片機系統(tǒng)控制整個電路的信號處理以及采用光電耦合和繼電器來實現(xiàn)弱電控制強電來實現(xiàn)加水系統(tǒng)的自動控制。它能自動完成水位檢測、光報警、上水停水的全部工作循環(huán)，保證液面高度始終處于較理想的范圍內，它結構簡單，制造成本低，靈敏度高，節(jié)約能源顯著，是用于各種高層液體儲存的理想設備。關鍵詞 單片機/超聲波模塊/自動監(jiān)測/LCD液晶/自動控制Water Level Control SystemABSTRACTAT89C52 microcontroller system using cooling towers to achieve the level of

3、 automation, design a low cost and high practical value of the water tower water level controller. The system has the water level detection, low water high water level alarm and automatic functions such as adding water. The design process mainly uses the sensor technology, single chip technology, op

4、tical technology and the weak control the strong police power technology. Detection system using simple system for detection of copper needles, resulting in the low and high sensitivity. 52 SCM system control by using the circuit of signal processing and the use of optical coupling and weak control

5、relays to achieve strong power to realize automatic control of water systems. It can automatically detect the water level, light alarm, SheungShui, all the work withoutwater cycle, to ensure better surface height is always within the context of its structuresimple,low cost, high sensitivity, signifi

6、cant energy is used in various kindof ideal equipment for high-level liquid storage.KEY WORDS SCM , Ultrasonic Module,Automatic monitoring,LCD,Circuit Control目 錄中文摘要I英文摘要II1緒論11.1研究現(xiàn)狀11.2液位測量技術概況11.2.1機械浮子類液位計21.2.2電子類液位傳感器21.2.3熱學式液位計31.2.4雷達液位傳感器31.2.5超聲波液位傳感器31.2.6同位素/放射性液位傳感器31.2.7液壓類液位計41.2.8光學

7、液位計41.3國內外液位傳感器的現(xiàn)狀51.4設計任務與計劃52總體方案的設計72.1設計思路72.2方案設計83硬件設計103.1系統(tǒng)方框圖103.2系統(tǒng)工作原理103.2.1單片機介紹114各部分電路設計154.1傳感器的選用154.2顯示模塊164.3單片機控制處理電路174.4光報警顯示統(tǒng)電路184.5繼電器控制電路的原理圖184.5.1光電耦合器簡介194.5.2繼電器簡介205軟件設計225.1水位控制系統(tǒng)程序流程圖225.2 水位控制系統(tǒng)主程序236系統(tǒng)仿真246.1程序編譯和加載246.2 Proteus系統(tǒng)仿真246.3系統(tǒng)仿真結果分析257結論26致 謝28參考文獻29附 錄

8、130附 錄 2311緒論1.1研究現(xiàn)狀在許多工業(yè)生產系統(tǒng)中，需要對系統(tǒng)的液位或物料位進行監(jiān)測，特別是對具有腐蝕性的液體液位的測量，傳統(tǒng)的電極法是采用差位分布電極，通過給電脈沖來檢測液面，電極長期浸泡在液體中，極易被腐蝕、電解、失去靈敏性，因而對測試設備的抗腐蝕性要求較高。超聲波液位檢測系統(tǒng)，利用了超聲波傳感技術的原理，采取一種非接觸式的測量方法，能夠實現(xiàn)對工業(yè)系統(tǒng)中液位或物料位的檢測；而且超聲波具有很好的指向性和束射特性，人耳聽不見，一般不會對人體造成傷害檢測工程方便、迅速、易做到實時控制，而且測量精度又能達到工業(yè)實用的要求，所以有廣泛的工業(yè)應用前景1。并且目前，我國住宅小區(qū)樓房自來水供水系

9、統(tǒng)主要采用高塔供水，既在樓頂或者另外建設的高塔上面建個蓄水池以保證用戶水壓的恒定。目前大多數(shù)的住宅小區(qū)都是采用人工加水的辦法，即當水用完的時候，就人工開啟水泵進行加水，十分不便。所以這一切問題的存在，都在呼喚一種簡單經(jīng)濟的高塔水位檢測報警控制系統(tǒng)的誕生。傳統(tǒng)的控制方式存在控制精度低、能耗大的缺點,而自動控制原理, 依據(jù)用水量的變化自動調節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù),保持水壓恒定以滿足用水要求, 從而提高了供水系統(tǒng)的質量。而且成本低，安裝方便，經(jīng)過多次實驗證明，靈敏性好，是節(jié)約水源，方便家庭和單位控制水塔水位的理想裝置。1.2液位測量技術概況液位傳感器是指檢測液體高度信息的儀器，液位測量技術在工程領域有著極

10、為廣泛的應用。在一般的生產工藝加工過程中，通常只需要對物料的表面位置進行記錄和儲存，以作為確保生產工藝、安全等方面的需要。隨著生產自動化程度的不斷提高，必須首先對液位測量數(shù)據(jù)進行控制與調節(jié)，以保證自動化生產能夠自動控制在最佳狀態(tài)。在現(xiàn)代化的企業(yè)生產過程中，采用計算機控制系統(tǒng)對生產進行各種綜合控制與管理的普及，控制系統(tǒng)的智能化、統(tǒng)一化，要求測量的對象要廣、測量的精度要高、可靠性要好、實用性要強、且適用于特殊測量環(huán)境等，這些對液位測量技術也提出了更高的要求。尤其是當液面具有波動和存在氣泡，或液面高度隨時間改變的動態(tài)測量，或被測介質具有粘滯性、導電性，或需要考慮容器的密封性以及介質是否含有腐蝕物、毒

11、性和易爆性等情況下，選擇合適的液位測量技術就顯得尤為重要2。目前國內外工業(yè)生產中普遍采用的液位測量方法有19種以上，主要有以下幾大類: 1.2.1機械浮子類液位計測量原理是利用傳動裝置把與液位同高度的浮子高度信息轉換成脈沖信號或連續(xù)信號，轉換器是一些機械舌簧、磁鐵、電子或光電設備。此類液位計可以進行連續(xù)測量，其問題是積聚在傳動機械臂上的污物(如水垢沉積)會限制浮子運動，從而產生故障。1.2.2電子類液位傳感器測量原理是把液位的變化轉化為電氣參數(shù)的變化，利用一定的測量電路將電參數(shù)檢測出來，從而達到測量液位的目的。其中最常用且最成熟的是電容式液位傳感器。電容式液位計它是利用空氣和液體作電容器兩極極

12、板間的電介質，將液位變化轉換成靜電電容變化，用電子學方法測量電容值，從而探測液體高度信息。它結構簡單，精度較高，而且量程廣，適合于測量各種介質(導電介質、非導電介質)的液位，但是要求液體具有相同、穩(wěn)定的介電常數(shù)，需要有溫度的補償。尤其用長電纜連接時，對電纜中的干擾和寄生電容很敏感，精度較差，且對導電介質或粘性介質，誤差較大、易受干擾，嚴重影響測量結果。電阻式液位計探測器在空氣中的阻值要比它浸在液體中的阻值大得多，通過電子學方法測量液體容器底部與頂部之間的電阻，從中可探知液位信息。其測量精度受液體污染情況的影響較大，探針的污染和沉積物，會導致錯誤的輸出，在直流工作時會產生電解，響應速度慢。1.2

13、.3熱學式液位計由熱敏電阻發(fā)出的信號可用來指示這類元件是否浸在液體中。它結構小，適用于圓筒容器、玻璃柱、管道等，但這種方法僅能進行點測量，而不能用于液位的連續(xù)測量。1.2.4雷達液位傳感器雷達傳感器就是利用發(fā)射一反射一接收的原理來測量距離的，因此可用于有毒、有害的惡劣環(huán)境下。雷達液位傳感器的傳輸信號是一種特殊形式.的電磁波，其物理特性與可見光相似。雷達信號是否可以被反射取決于被測介質的導電性和被測介質的介電常數(shù)兩個因素。所有導電介質都能很好地反射雷達信號，導電性不太好的介質也能被很準確地測量。雷達波不易受干擾，巨能穿透塑料容器或玻璃容器進行測量，無需在容器上開孔，能實現(xiàn)非接觸測量，即使在飛灰、

14、粉塵強烈并有很強旋渦的環(huán)境下也能進行準確測量。然而雷達傳感器的測量信號運行時間極短，這給信號分析處理提出了極高的要求，造成它的價格昂貴、技術實施困難。1.2.5超聲波液位傳感器超聲波液位傳感器發(fā)展很快、應用也很廣泛，常用于測量明渠液位及開口容器內液位。由超聲換能器發(fā)射的超聲脈沖經(jīng)空氣在被測介質上反射，再返回接收換能器，測量該超聲脈沖往返時間，就能得到超聲換能器輻射面到被測液面的距離。根據(jù)換能器安裝高度，就能得出液位高度。1.2.6同位素/放射性液位傳感器它是利用放射性同位素射線(如a射線、p射線、Y射線)的穿透和反射能力，當a射線、p射線、Y射線到達被測液體時，通過檢測其透射或反射射線信號的強

15、度來達到測量液位的目的。射線的強度會隨液位的高度變化而變化，在放射線輻射源與檢測器之間有吸收物質時，檢測器的輸出與液位的高度有關，通過對被測物質吸收能量大小的檢測，再經(jīng)過信號轉換，即可得出被測液位的高度。由于放射性射線本身的特點所決定，它可以用于腐蝕性、有毒性、大粘性和易燃易爆的場合。而且介質對丫射線的吸收只與介質密度有關，因此它可以測量不同密度的液體分界面、氣體與固體或液體與固體的分界面。但射線易受到衰減，檢測信息的能量易于損失，測量精確度不理想，有輻射作用，對人體有害等。1.2.7液壓類液位計此類液位計可以進行連續(xù)測量。氣泡式液位計將被測液位值轉換為空氣壓力值，測定該壓力值后，利用該被測壓

16、力與液位高度成正比的原理測量液位。壓力式傳感器它是利用液面高度變化時容器底部或側面某點上的壓力也隨之而變化的原理來設計的。在測量開放的容器時，大多采用直接測量底部某點壓力來測量。這類液位傳感器的精度主要受到壓力表精度的限制，同時還要求被測液體的密度是已知的，而且要求液體的密度要恒定不變。1.2.8光學液位計光學液位計主要是光纖液位傳感器，它結合了光纖作為敏感器件的優(yōu)點，尤其是在復雜的應用場合，測量現(xiàn)場全光無電，安全性能好，同時調制方法多種多樣，是一種新型的液位傳感器3。 光學液位計，它利用浮子的磁耦合原理來設計，經(jīng)光碼盤對光纖的檢測，再經(jīng)由放大整形電路，以及光電轉換來形成規(guī)則的脈沖信號，最后由

17、單片機來實現(xiàn)液位顯示。本文主要采用這個方案來設計。此方案設計比較簡單，測量精度比較高，也非常適合目前我國的生產力狀況。1.3國內外液位傳感器的現(xiàn)狀對于液位測量傳感器的研究，國外的液位測量技術起步較早且投入資金雄厚，發(fā)展非常迅速。到目前為止國外許多公司都研制出很多功能齊全、自動化智能程度高、精度高的測量體系與產品系列。如美國DREXELBROOK公司研制的Universall II TM連續(xù)液位變送器(其精度可達0.1，量程最大15米，4-20mA電流輸出，上下限位報警，疊加智能通訊協(xié)議HART, Honeywell等)。美國Milltronics公司研制的多量程超聲波液位監(jiān)測系統(tǒng)具有測量液位、

18、液位差的能力，其采用的非接觸式超聲波傳感器，可監(jiān)視30cm到14m范圍的液位變化。典型的產品還有美國Foxboro公司、Texas儀器公司、Varec公司、Rosemount公司以及Moore公司生產的HTG靜壓式計量系統(tǒng)，所用傳感單元是高精度的壓力變送器，將其放在油罐的底部，通過檢測液體的壓力獲得其它參數(shù)的信息。還有其它國家和公司研制的液位傳感器等產品，廣泛應用于工業(yè)、食品等行業(yè)，并大量地進入我國液位測量領域4。在我國，液位傳感器的研制開發(fā)技術比較落后，在液位測量技術、測量方法上均遠遠落后于其它發(fā)達國家。對于新型的光纖液位傳感器，1990年國內公開了一項傳感器專利，是一種浮子式光電型編碼帶液

19、位計，它利用與浮子同步運動的一條絕對式光電型編碼帶和透射式光纖信號檢測頭作為檢測液位高度的傳感器。1991年南京航空學院研制的一種光纖液位傳感器，是利用光纖構成的一種小型化開關式傳感器。2004年清華大學光纖傳感中心與總后合作研制開發(fā)的光纖油罐液位與溫度測量系統(tǒng)，己經(jīng)安裝運行。從總體來看，國內研制的測量系統(tǒng)的自動化程度不高，精度、可靠性、功能等多方面都不如國外同類產品，這都不能滿足現(xiàn)代生產的需要。1.4設計任務與計劃通過調查和研究我們決定設計一款簡單實用，經(jīng)濟的高塔水位檢測報警控制系統(tǒng)。在高塔的內部我們設計超聲波模塊用來探測水位，并且把水位分成三個等級，即低水位，正常水位，高水位。低水位時送給

20、單片機一個高電平，驅動水泵加水，紅燈亮；正常范圍的水位時，水泵加水，綠燈亮；高水位時，水泵不加水，黃燈亮。當檢測到水位低于正常水平時，P2.0出來一個信號使光電耦合器GDOUHE導通，這樣繼電器閉合，使水泵加水；當達到正常水位時，給P1.0一個低電平綠燈亮，到達高水位時黃燈亮在P2.0端出來一個低電平不能使光電耦合器導通，這樣繼電器不能閉合，水泵不能加水；當三燈閃爍表示系統(tǒng)出現(xiàn)故障。通過這樣一個簡單使用的電路系統(tǒng)從而實現(xiàn)對水位的自動監(jiān)測與控制。本文主要完成以幾點工作：1）檢測電路硬件的設計：完成檢測所需光電信號轉換電路的設計及探測機理的分析；2）顯示電路硬件的設計：完成以單片機等為核心的信號處

21、理及顯示硬件電路的設計；3）系統(tǒng)軟件設計采用C語言完成相關信號處理運算等軟件的設計。2總體方案的設計2.1設計思路圖2-1 超聲波科學家們將每秒鐘振動的次數(shù)稱為聲音的頻率，它的單位是赫茲。我們人類耳朵能聽到的聲波頻率為2020000Hz。當聲波的振動頻率大于20KHz或小于20Hz時，我們便聽不見了。因此，我們把頻率高于20000赫茲的聲波稱為“超聲波”。通常用于醫(yī)學診斷的超聲波頻率為15兆赫茲。所謂超聲波就是指頻率高于20kHz的機械波，一般由壓電效應或磁致伸縮效應產生；它沿直線傳播，當頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強；它還具有強度大、方向性好等特點，為此，利用超聲波的這些性質就可制成

22、超聲波傳感器。超聲波傳感器是利用超聲波在超聲場中的物理特性和各種效應研制而成的傳感器。超聲波傳感器按其工作原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等5，其中以壓電式最為常用。壓電式超聲波傳感器常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷，它是利用壓電材料的壓電效應來工作的：逆壓電效應將高頻電振動轉換成高頻機械震動，從而產生超聲波，可作為發(fā)射探頭；而正壓電效應是將超聲波振動轉換成電信號，可作為接收探頭。超聲波測距的原理主要是由超聲波傳感器的發(fā)射探頭發(fā)射超聲波，當超聲波遇到障礙物時，會被反鼽利用單片機記錄超聲波發(fā)射的時間和接收到回波的時間，根據(jù)當前環(huán)境下超聲波的傳播速度，即可通過公式S=C*T2(S為被測距離，C為

23、空氣中聲速，T為回波時間，1r=_Tl+T2)計算出超聲波傳播的距離，也就得到了障礙物離測試系統(tǒng)的距離。在高塔的內部我們設計一個簡易的水位探測傳感器用來探測三個水位，即低水位，正常水位，高水位。低水位時送給單片機一個高電平，驅動水泵加水，紅燈亮；正常范圍的水位時，水泵加水，綠燈亮；高水位時，水泵不加水，黃燈亮。本設計過程中主要采用了傳感技術、單片機技術、光報警技術以及弱電控制強電的技術。2.2方案設計方案一：本方案采用555電路進行控制，即當水位探測傳感器探測到低水位時送一個低于1/3VCC的低電平給NE555芯片,555的輸出即為高電平驅動水泵加水;當在正常的水位時候,送給NE555為1/3

24、VCC-2/3VCC的電平,即保持前一個水泵不加水的狀態(tài);當水位居于高水位時,給NE555電路一個高電平,這時NE555輸出電平翻轉為低電平,不能驅動水泵,水泵停止加水。圖2-2 方案一方框圖方案二：本方案采用單片機80C52作為我們的控制芯片,主要工作過程是當高塔中的水在低水位時,水位探測傳感器送給單片機一個高電平,然后單片機驅動水泵加水和顯示系統(tǒng)使紅燈變亮;當水位在正常范圍內時,水泵加水,綠燈亮,;當水位在高水位時,單片機不能驅動水泵加水,黃燈亮。水泵控制電路顯示部分STC80C52單片機電源電路水塔供水系統(tǒng)超聲波傳感器圖2-3 方案二方框圖方案論證：第一種方案設計使用起來比較方便也簡單,

25、不用編程等軟件方面的設計，但是沒有穩(wěn)壓電路,使輸入NE555芯片的電平十分不穩(wěn)定,容易發(fā)生誤判水位引起混亂的情況,且NE555電路只有一個輸出端,不能接顯示系統(tǒng),所以不能完成顯示功能。另外，此方案不能精確測量出液位高度，銅絲長時間沁在水中表面會發(fā)生氧化，長時間會是系統(tǒng)的誤判率升高。第二種方案中使用了單片機芯片和超聲波傳感器，單片機控制和超聲波測距技術是信息時代用于精密測量的技術。此系統(tǒng)使用過程中采用穩(wěn)壓電路能夠準確地把輸入的電平送給單片機不會產生誤判的情況,由于80C52單片機有四端口32引腳能夠非常方便地設計顯示系統(tǒng)。綜上,我們已經(jīng)清楚地看到了兩種方案的優(yōu)劣,要能夠很好地完成本次設計的各個指

26、標和達到設計的目的,我們選擇第二種方案作為我們的設計方案。93硬件設計3.1系統(tǒng)方框圖本系統(tǒng)由電源電路、水位探測傳感電路、穩(wěn)壓電路、單片機系統(tǒng)、光報警顯示電路、繼電器控制水泵加水電路、以及高塔模型組成。主電氣原理框圖如下。LCD1 6 0 2電源電路STC80C52單片機超聲波測量模塊圖3.1.1系統(tǒng)框圖水泵控制電路水塔供水系統(tǒng)圖 3-1系統(tǒng)方框圖3.2系統(tǒng)工作原理當水位處于低水位的時候，超聲波傳感器測出的距離小于低水位，此時給P1.1口一個低電平，驅動紅燈亮，P2.0出來一個信號使光電耦合器GDOUHE導通，這樣繼電器閉合，使水泵加水；隨著水量的增加，當?shù)竭_正常水位時，送入單片機的P1.7口

27、低電平，驅動綠燈亮；當水位在高水位區(qū)時，單片機經(jīng)過分析，在P1.4引腳出來一個低電平，使黃燈亮，在P2.0端出來一個低電平不能使光電耦合器導通，這樣繼電器不能閉合，水泵不能加水；當三燈閃爍表示系統(tǒng)出現(xiàn)故障。3.2.1單片機介紹我們選用STC89C52作為我們的控制芯片其引腳圖如3-2。80C52是INTEL公司MCS-52系列單片機中最基本的產品，它采用NTEL公司可靠的CHMOS工藝技術制造的高性能8位單片機，屬于標準的MCS-52的HCMOS產品。它結合了HMOS的高速和高密度技術及CHMOS的低功耗特征，它繼承和擴展了MCS-48單片機的體系結構和指令系統(tǒng). 圖3-2 STC89C52引

28、腳圖STC89C52各引腳功能及管腳電壓概述：STC89C52為40 腳雙列直插封裝的8 位通用微處理器，采用工業(yè)標準的C51內核，在內部功能及管腳排布上與通用的8XC52 相同，其主要用于會聚調整時的功能控制。功能包括對會聚主IC 內部寄存器、數(shù)據(jù)RAM及外部接口等功能部件的初始化，會聚調整控制，會聚測試圖控制，紅外遙控信號IR的接收解碼及與主板CPU通信等。主要管腳有：XTAL1（19 腳）和XTAL2（18 腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 腳）為復位輸入端口，外接電阻電容組成的復位電路。VCC（40 腳）和VSS（20 腳）為供電端口，分別接+5V電源

29、的正負端。P0P3 為可編程通用I/O 腳，其功能用途由軟件定義，在本設計中，P0 端口（3239 腳）被定義為N1 功能控制端口，分別與N1的相應功能管腳相連接，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SDAS（18腳）和SCLS（19腳）端口，12 腳、27 腳及28 腳定義為握手信號功能端口，連接主板CPU 的相應功能端，用于當前制式的檢測及會聚調整狀態(tài)進入的控制功能。P0口P0 口是一組8 位漏極開路型雙向I/O 口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅動8 個TTL邏輯門電路，對端口P0 寫“1”時，可作為高阻抗輸

30、入端用在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉換地址（低8 位）和數(shù)據(jù)總線復用，在訪問期間激活內部上拉電阻。在Flash 編程時，P0 口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。P1 口P1 是一個帶內部上拉電阻的8 位雙向I/O 口， P1 的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4 個TTL 邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流(IIL)。與AT89C51 不同之處是，P1.0 和P1.1 還可分別作為定時/計數(shù)器2 的外部計數(shù)輸入（P

31、1.0/T2）和輸入（P1.1/T2EX），F(xiàn)lash 編程和程序校驗期間，P1 接收低8 位地址。表3-1 P1.0和P1.1的第二功能引腳號功能特性P1.0T2時鐘輸出P1.1T2EX定時/計數(shù)器2P2 口P2 是一個帶有內部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2 的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL 邏輯門電路。對端口P2 寫“1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流(IIL)。在訪問外部程序存儲器或16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX DPTR 指令）時，P2 口送出高8 位

32、地址數(shù)據(jù)。在訪問8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行MOVX RI 指令）時，P2 口輸出P2 鎖存器的內容。Flash 編程或校驗時，P2亦接收高位地址和一些控制信號。P3 口P3 口是一組帶有內部上拉電阻的8 位雙向I/O 口。P3 口輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL 邏輯門電路。對P3 口寫入“1”時，它們被內部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時，被外部拉低的P3 口將用上拉電阻輸出電流（IIL）。 P3 口除了作為一般的I/O 口線外，更重要的用途是它的第二功能 P3 口還接收一些用于Flash 閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。RST復位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出

33、現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。ALE/PROG當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8 位字節(jié)。一般情況下，ALE 仍以時鐘振蕩頻率的1/6 輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE 脈沖。對Flash 存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH 單元的D0 位置位，可禁止ALE 操作。該位置位后，只有一條 MOVX 和MOVC指令才能將ALE 激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應設置AL

34、E 禁止位無效。PSEN程序儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT89C52 由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次PSEN 有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次PSEN信號。EA/VPP外部訪問允許。欲使CPU 僅訪問外部程序存儲器（地址為0000HFFFFH），EA 端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1 被編程，復位時內部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU 則執(zhí)行內部程序存儲器中的指令。Flash 存儲器編程時，該引腳加上+12V 的編程允許電源Vpp，當然這必須是該器件是使用12V 編

35、程電壓Vpp。XTAL1振蕩器反相放大器的及內部時鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2振蕩器反相放大器的輸出端。特殊功能寄存器在STC89C52 片內存儲器中，80H-FFH 共128 個單元為特殊功能寄存器（SFE），SFR 的地址空間映象如表2 所示。并非所有的地址都被定義，從80HFFH 共128 個字節(jié)只有一部分被定義，還有相當一部分沒有定義。對沒有定義的單元讀寫將是無效的，讀出的數(shù)值將不確定，而寫入的數(shù)據(jù)也將丟失。不應將數(shù)據(jù)“1”寫入未定義的單元，由于這些單元在將來的產品中可能賦予新的功能，在這種情況下，復位后這些單元數(shù)值總是“0”。STC89C52除了與STC89C51所有的定時/計數(shù)器0

36、 和定時/計數(shù)器1 外，還增加了一個定時/計數(shù)器2。定時/計數(shù)器2 的控制和狀態(tài)位位于T2CON（參見表3）T2MOD（參見表4），寄存器對（RCAO2H、RCAP2L）是定時器2 在16 位捕獲方式或16 位自動重裝載方式下的捕獲/自動重裝載寄存器。4各部分電路設計4.1傳感器的選用傳感器是一種能感受被測物體物理量并將其轉化為便于傳輸或處理的電信號的裝置，在現(xiàn)代科技領域中，傳感器得到了廣泛應用，各種信息的采集離不了各種傳感器，傳感器的基本功能在于能感受外界的各種“刺激”并作出迅速反映。DYP-ME007超聲波測距模塊可提供3cm-3.5m的非接觸式距離感測功能，圖4-1為DYP-ME007外

37、觀，包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。其基本工作原理為給予此超聲波測距模塊一觸發(fā)信號后發(fā)射超聲波，當超聲波投射到物體而反射回來時，模塊輸出一回響信號，以觸發(fā)信號和回響信號間的時間差，來判定物體的距離。我們只需要提供一個周期大于10uS 的脈沖觸發(fā)信號。該模塊內部將發(fā)出8 個40kHz周期電平并檢測回波。一旦檢測到有回波信號則輸出回響信號?；仨懶盘柺且粋€脈沖的寬度成正比的距離對象?？赏ㄟ^發(fā)射信號到收到的回響信號時間間隔可以計算得到距離。公式: uS/58=厘米或者uS/148=英寸。我們的測量周期為60ms以上，以防止發(fā)射信號對回響信號的影響。時序圖如圖4-2。.圖4-1 超聲波水位探測模塊外

38、觀圖圖4-2 超聲波模塊時序圖4.2顯示模塊在日常生活中，我們對液晶顯示器并不陌生。液晶顯示模塊已作為很多電子產品的通過器件，如在計算器、萬用表、電子表及很多家用電子產品中都可以看到，顯示的主要是數(shù)字、專用符號和圖形。在單片機的人機交流界面中，一般的輸出方式有以下幾種：發(fā)光管、LED數(shù)碼管、液晶顯示器，如下圖4-3：圖4-3 1602字符型液晶顯示器實物圖單片機系統(tǒng)中應用晶液顯示器作為輸出器件有以下幾個優(yōu)點：顯示質量高     由于液晶顯示器每一個點在收到信號后就一直保持那種色彩和亮度，恒定發(fā)光，而不像陰極射線管顯示器（CRT）那樣需要不斷刷新新亮點。因

39、此，液晶顯示器畫質高且不會閃爍。數(shù)字式接口     液晶顯示器都是數(shù)字式的，和單片機系統(tǒng)的接口更加簡單可靠，操作更加方便。體積小、重量輕     液晶顯示器通過顯示屏上的電極控制液晶分子狀態(tài)來達到顯示的目的，在重量上比相同顯示面積的傳統(tǒng)顯示器要輕得多。功耗低     相對而言，液晶顯示器的功耗主要消耗在其內部的電極和驅動IC上，因而耗電量比其它顯示器要少得多。液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性， 通過電壓對其顯示區(qū)域進行控制，有電就有顯示，這樣即可以顯示出圖形。液晶顯示器具有

40、厚度薄、適用于大規(guī)模集成電路直接驅動、易于實現(xiàn)全彩色顯示的特點，目前已經(jīng)被廣泛應用在便攜式電腦、數(shù)字攝像機、PDA移動通信工具等眾多領域6。4.3單片機控制處理電路 本設計當中，我們主要采用了P1.0、P1.1的靈活的I/O端口作用作為我們的低水位和高水位信號輸入口，單片機通過軟件的控制不斷檢測這個端口的輸入電平，一旦發(fā)現(xiàn)則執(zhí)行相應的控制程序，輸出不同的信號給P2.3、P2.2、P2.1來告知水位情況即紅、黃、綠分別表示水位在低水位狀態(tài)，高水位狀態(tài)，正常水位狀態(tài)。然后，根據(jù)不同的水位決定是否通過P2.0口驅動水泵加水還是停止加水。4.4光報警顯示統(tǒng)電路本電路采用不同顏色的發(fā)光二極管來表示不同的

41、水位情況。即紅燈亮，其他兩燈不亮表示是低水位狀態(tài)，此時需要啟動水泵加水；綠燈亮，其他兩燈不亮表示在正常的水位線內；黃燈發(fā)亮，其他兩燈不亮為高水位狀態(tài)，水泵停止加水，三燈一起閃爍表示系統(tǒng)出現(xiàn)故障。原理圖如下圖4-4：圖4-4光報警電路的原理圖此電路采用的是共陽極的，所以只有當單片機給發(fā)光二極管為低電平時才能推動發(fā)光二極管點亮。其中R14、R15、R16為上拉電阻起限壓控流作用7。4.5繼電器控制電路的原理圖該電路由繼電器RL1和閉合開關、光電耦合器、水泵R7、R8、R9、R10Y以及D2、Q3等組成。當水位在低水位時單片機給P2.0送一個高電平導通光電耦合器然后光電耦合器驅動Q3導致繼電器閉合從

42、而讓220V的交流電接通使水泵加水?？刂萍铀娐啡缦聢D4-5：圖圖4-5 繼電器控制水泵加水電路4.5.1光電耦合器簡介其外觀如圖4-6：圖4-6 光電耦合器外觀圖光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號的一種電一光一電轉換器件。它由發(fā)光源和受光器兩部分組成。把發(fā)光源和受光器組裝在同一密閉的殼體內，彼此間用透明絕緣體隔離。發(fā)光源的引腳為輸入端，受光器的引腳為輸出端，在本設計當中發(fā)光源為發(fā)光二極管，受光器為光敏三極管，如下圖4-7：圖4-7 光耦內部結構本設計當中我們采用光電耦合器組成開關電路的作用，能夠很好地將單片機信號穩(wěn)定地送給繼電器驅動繼電器閉合。4.5.2繼電器簡介繼電器是具有隔離功能的自動開關

43、元件，在我們設計當中主要來做自動控制作用，我們采用+5V的直流電來控制220V的交流電，以達到控制水泵的作用，常用繼電器如下圖4-8：. 圖4-8 常用繼電器因為是在這里是以一種弱電來控制強電所以安裝和使用的過程當中我們一定要注意用電安全注意事項。電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產生電磁效應，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。當線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）吸合8。這樣

44、吸合、釋放，從而達到了在電路中的導通、切斷的目的。對于繼電器的“常開、常閉”觸點，可以這樣來區(qū)分：繼電器線圈未通電時處于斷開狀態(tài)的靜觸點，稱為“常開觸點”；處于接通狀態(tài)的靜觸點稱為“常閉觸點”。內部結構如下圖4-9：圖4-9 繼電器內部結構255軟件設計5.1水位控制系統(tǒng)程序流程圖開始根據(jù)設計方案以及電路特點我采用C51語言編寫單片機程序畫出程序流程圖如圖5-1:初始化檢測水位返回Y綠燈亮判斷>50&&<=100N黃燈亮關閉水泵NY紅燈亮開啟水泵調用顯示程序判斷<=50CMNN圖 5-1程序流程圖5.2 水位控制系統(tǒng)主程序 本水位測試系統(tǒng)采用了STC89C52

45、單片機，用單片機C語言實現(xiàn)軟件編程，也可用匯編語言來實現(xiàn)。整個系統(tǒng)軟件功能的實現(xiàn)可以分為主程序、子程序、中斷子程序幾個部分組成。整個系統(tǒng)的流程如圖5-1所示，在初始化以及調用激發(fā)超聲波模塊程序后T1開始計時，等待接收信號完成后，激發(fā)外部中斷0，響應中斷子程序，T1計數(shù)停止，用公式S=t*340/2*1000mm計算出距離，再用L=163-S計算出水位，C語言主程序見附錄2。6系統(tǒng)仿真6.1程序編譯和加載點菜單SourceAdd/Remove source Files”在出現(xiàn)的對話框中，選擇ASEM51編輯器，將上面的匯編源程序添加，點菜單SourceBuild ALL編譯匯編源程序，生成目標代

46、碼文件。在編輯環(huán)境左擊單片機然后右擊，將編譯生成的HEX文件加載到芯片中，設單片機的時鐘工作頻率為12MHZ。6.2 Proteus系統(tǒng)仿真點全速運行按鍵，得到圖6-1所示的仿真結果,圖中是處于低水位狀態(tài),水泵處于運行狀態(tài)。圖 6-1低水位狀態(tài)仿真結果當水位處于故障時,仿真的結果如圖6.2所示.圖6-2故障狀態(tài)仿真結果6.3系統(tǒng)仿真結果分析在PROTEUS環(huán)境,運行高塔水位控制系統(tǒng),我們發(fā)現(xiàn),當水位處于低水位區(qū)時,紅燈亮,水泵處于運行狀態(tài),隨著水位的上升,水泵仍處于運行狀態(tài),當水位到達高位時,黃燈亮,水泵停止運行。隨著用戶使用,水位不斷下降,此時,水泵處于停止狀態(tài),當水位到達低位時,水泵起動,

47、重復以上過程。上述仿真表明，本設計達到了預期的設計目標，實現(xiàn)了水位自動控制7結論水箱供水的主要問題是箱內水位應始終保持在一定范圍，避免“空箱”、“溢水”現(xiàn)象發(fā)生。本文采用單片機系統(tǒng)控制，使水箱內水位保持恒定，以保證連續(xù)正常地供水。實際供水過程中確保水位在允許的范圍內浮動，且設計了“溢水”，“缺水”報警功能，很好的解決了上述問題，達到智能控制的目的。本系統(tǒng)實現(xiàn)后對測量范圍在010700 m內的液體能進行有效的測量，其最大誤差小于2cm，且重復性好；可見基于單片機設計的數(shù)顯超聲波液位檢測系統(tǒng)具有硬件結構簡單、工作可靠、測量誤差小等特點。因此，此系統(tǒng)不僅可用于液位檢測，還可廣泛應用于諸如移動機器人精

48、確定位等各種檢測系統(tǒng)中。本系統(tǒng)主要由水位探測傳感器，單片機控制系統(tǒng)，水位顯示系統(tǒng)，繼電器驅動電路，水泵加水系統(tǒng)組成，系統(tǒng)簡單，安裝方便，建議廣大用戶嘗試使用，我相信大家在用了之后一定會感到滿意的。超聲波測距的算法設計原理為超聲波發(fā)生器T在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號，當這個超聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器R所接收到。這樣只要計算出從發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內部的定時器T0，利用定時器的計數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當收到超聲波反射波時，接收電路輸出端產生一個負跳變，在INT0或I

49、NT1端產生一個中斷請求信號，單片機響應外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務子程序，讀取時間差，計算距離9。本系統(tǒng)設計保證液面高度始終處于較理想的范圍內，結構簡單，制造成本低，靈敏度高，節(jié)約能源顯著，是用于各種高層液體儲存的理想設備。雖然我們的設計基本實現(xiàn)了我們計劃的功能，但是還是有很多的不足，比如說超聲波的抗干擾問題還有缺陷，若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來，則可提高抗干擾能力。另外，本系統(tǒng)還有的重要缺陷就是沒考慮到溫度對光速的影響，如能再做一個溫度補償電路，就可很好的減少系統(tǒng)誤差， 可這些不足正是我們去更好的研究更好的創(chuàng)造的最大動力，只有發(fā)現(xiàn)問題面對問題才有可能解決問題，不足和遺憾

50、不會給我打擊只會更好的鞭策我前行。34致 謝這次畢業(yè)設計得到了很多老師、同學和同事的幫助，其中我的導師忽曉偉老師對我的關心和支持尤為重要，每次遇到難題，我最先做的就是向忽老師尋求幫助，而忽老師每次不管忙或閑，總會抽空來給我上課面談，然后一起商量解決的辦法。在這里再次謝謝忽老師，忽老師您辛苦了！感謝在整個畢業(yè)設計期間和我密切合作的陳海濤、孫鵬等同學，特別是陳海濤同學，他在本次設計中給予我的無私幫助和厚愛，不只一次地幫助我，傾盡了他的所有心血給我提供技術上的指導，在這里再次謝謝陳海濤同學，陳海濤同學你辛苦了！和曾經(jīng)在各個方面給予過我?guī)椭男值軅?，在大學生活即將結束的最后的日子里，我們再一次演繹了團

51、結合作的童話，把一個比較復雜的，從來沒有上手的課題，圓滿地完成了。正是因為有了你們的幫助，才讓我不僅學到了本次課題所涉及的新知識，更讓我感覺到了知識以外的東西，那就是團結的力量。“不積跬步無以至千里”，這次畢業(yè)論文能夠最終順利完成，歸功于各位任課老師三年間的認真負責，使我能夠很好的掌握專業(yè)知識，并在畢業(yè)論文中得以體現(xiàn)。也正是你們長期不懈的支持和幫助才使得我的畢業(yè)論文最終順利完成。最后，向鄭州大學西亞斯國際學院電子信息工程學院的全體老師們再次表示衷心感謝：謝謝你們，謝謝你們三年的辛勤栽培！參考文獻1蘇長贊 紅外線與超聲波遙控人民郵電出版社 1993.72何希才 傳感器及其應用實例工業(yè)出版社 20

52、04.93 李廣弟 單片機基礎 北京航空航天大學出版社 2007.64王曉明 電動機的單片機控制北京航空航天大學出版社.2002年5月.5高吉祥 全國大學生電子設計競賽培訓系列教程電子工業(yè)出版社.2007年5月.6周瀾景 基于PROTEUS的電路及單片機系統(tǒng)設計與仿真北京航空航天大學出版社 2006.57何立民單片機高級教程北京航空航天大學出版社2004.7 8高明 技術與傳感器儀表技術與傳感器編輯部 2002.7.9李鐵峰 儀表技術與傳感器儀表技術與傳感器編輯部 2002.2附 錄1系統(tǒng)的總的電路圖圖參照PROTEUS文檔，更加直觀附 錄 2 系統(tǒng)C語言部分程序/*#include <

53、reg52.h> #define uchar unsigned char#define uint unsigned int/*/*void init()power=0;/power is oklcden=0;/low enblewrite_com(0x38);write_com(0x0c);/display open ,cursor off,blink off write_com(0x06);/pointer auto add 1write_com(0x01);/clear screen and pointerwrite_com(0x80);TMOD=0x10;/time1,16 bit