畢業(yè)設計(論文)-基于AT89C2051單片機的水塔水位的自動控制系統(tǒng)設計

PAGEIV摘要采用AT89C2051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、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。檢測系統(tǒng)采用銅針探測結構簡單制、造成本低、靈敏度高。并采用AT89C2051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：單片機自動監(jiān)測自動控制

AbstractAT89C2051microcontrollersystemusingcoolingtowerstoachievethelevelofautomation,designalowcostandhighpracticalvalueofthewatertowerwaterlevelcontroller.Thesystemhasthewaterleveldetection,lowwaterhighwaterlevelalarmandautomaticfunctionssuchasaddingwater.Thedesignprocessmainlyusesthesensortechnology,singlechiptechnology,opticaltechnologyandtheweakcontrolthestrongpolicepowertechnology.Detectionsystemusingsimplesystemfordetectionofcopperneedles,resultinginthelowandhighsensitivity.AT89C2051SCMsystemcontrolbyusingthecircuitofsignalprocessingandtheuseofopticalcouplingandweakcontrolrelaystoachievestrongpowertorealizeautomaticcontrolofwatersystems.

Itcanautomaticallydetectthewaterlevel,lightalarm,SheungShui,alltheworkwithoutwatercycle,toensurebettersurfaceheightisalwayswithinthecontextofitsstructuresimple,lowcost,highsensitivity,significantenergyisusedinvariouskindofidealequipmentforhigh-levelliquidstorage.Keywords:SCMAutomaticmonitoringCircuitContr

目錄第1章緒論 11.1研究背景 11.2研究的目的及意義 h31.3國內外發(fā)展現(xiàn)狀 4第2章總體方案論證 62.1設計思路 6HYPERLINK\l"_Toc294039245"2.2系統(tǒng)方案論證 62.3方案論證 8第3章各單元電路設計 93.1系統(tǒng)工作原理 93.2單片機的選擇 93.2.1單片機選擇 93.2.2最小系統(tǒng)電路 PAGEREF_Toc294039251\h143.3傳感器的選擇 183.4穩(wěn)壓電路的設計 203.5光報警顯示電路 213.6繼電器控制水泵加水電路 233.6.1功率驅動電路中的光電隔離 233.6.2光電耦合器簡介 243.6.3繼電器簡介 243.6.4水泵的介紹 253.7電源電路 263.8看門狗電路 27第4章軟件設計 324.1程序流程圖 324.2源程序 33總結 35致謝 36參考文獻 37HYPERLINKIC卡，民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng)，錄像機、攝像機、全自動洗衣機的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機。更不用說自動控制領域的機器人、智能儀表、醫(yī)療器械以及各種智能機械了。因此，單片機的學習、開發(fā)與應用將造就一批計算機應用與智能化控制的科學家、工程師。單片機廣泛應用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設備、航空航天、專用設備的智能化管理及過程控制等領域，大致可分如下幾個范疇：1.在智能儀器儀表上的應用單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點，廣泛應用于儀器儀表中，結合不同類型的傳感器，可實現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力等物理量的測量。采用單片機控制使得儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化，且功能比起采用電子或數(shù)字電路更加強大。例如精密的測量設備（功率計，示波器，各種分析儀）。2.在工業(yè)控制中的應用用單片機可以構成形式多樣的控制系統(tǒng)、HYPERLINK"/view/2102581.htm"數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。例如工廠流水線的智能化管理，電梯智能化控制、各種報警系統(tǒng)，與計算機聯(lián)網(wǎng)構成二級控制系統(tǒng)等。3.在家用電器中的應用可以這樣說，現(xiàn)在的家用電器基本上都采用了單片機控制，從電飯煲、洗衣機、電冰箱、空調機、彩電、其他音響視頻器材、再到HYPERLINK"/view/287613.htm"電子秤量設備，五花八門，無所不在。4.在計算機網(wǎng)絡和通信領域中的應用現(xiàn)代的單片機普遍具備通信接口，可以很方便地與計算機進行數(shù)據(jù)通信，為在計算機網(wǎng)絡和通信設備間的應用提供了極好的物質條件，現(xiàn)在的通信設備基本上都實現(xiàn)了單片機智能控制，從手機，電話機、小型程控交換機、樓宇自動通信呼叫系統(tǒng)、列車無線通信、再到日常工作中隨處可見的移動電話，集群移動通信，無線電對講機等。5.單片機在醫(yī)用設備領域中的應單片機在醫(yī)用設備中的用途亦相當廣泛，例如醫(yī)用呼吸機，各種分析儀，監(jiān)護儀，超聲診斷設備及病床呼叫系統(tǒng)等等。6.在各種大型電器中的模塊化應用某些專用單片機設計用于實現(xiàn)特定功能，從而在各種電路中進行模塊化應用，而不要求使用人員了解其內部結構。如音樂集成單片機，看似簡單的功能，微縮在純電子芯片中（有別于磁帶機的原理），就需要復雜的類似于計算機的原理。如：音樂信號以數(shù)字的形式存于存儲器中（類似于ROM），由微控制器讀出，轉化為模擬音樂電信號（類似于聲卡）。在大型電路中，這種模塊化應用極大地縮小了體積，簡化了電路，降低了損壞、錯誤率，也方便于更換。在大型電路中，這種模塊化應用極大地縮小了體積，簡化了電路，降低了損壞、錯誤率，也方便于更換7.單片機在汽車設備領域中的應用單片機在汽車電子中的應用非常廣泛，例如汽車中的發(fā)動機控制器，基于CAN總線的汽車發(fā)動機智能電子控制器，GPS導航系統(tǒng)，ABS防抱死系統(tǒng)，制動系統(tǒng)等等此外，單片機在工商，金融，科研、教育，國防航空航天等領域都有著十分廣泛的用途。1.2研究的目的及意義目前，我國住宅小區(qū)樓房自來水供水系統(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。在我們的指導老師的啟發(fā)之下，我們對住宅供水情況進行了調查，根據(jù)調查在城市興建的許多的房子現(xiàn)在都要實現(xiàn)自來水供水，所以在許多的家庭的樓頂都砌了一個高塔用來存儲用水，然后對整個房子的用水進行供給。調查的過程當中我們發(fā)現(xiàn)，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。引起了老百姓的抱怨水用完只前，不知道水已經(jīng)很少，待用完后才知曉，如果是急需水的情況下，那就十分麻煩要等加水后才有水用；加水的過程當中，還需要人時刻檢查水位情況，以防止水量超過最高水位線；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。另外，現(xiàn)在許多的鍋爐系統(tǒng)、防洪系統(tǒng)也需要對水位進行控制，以能夠方便地控制水位，對不同的水位進行報警，所以如果研制了一種很好的水位控制裝置便能夠很好地造福人民。傳統(tǒng)的控制方式存在控制精度低、能耗大的缺點,而運用單片機的自動控制原理,利用水的導電性連續(xù)地全天候地測量水位的變化，依據(jù)用水位的變化自動調節(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的自動化裝置。遠古時代，人們逐水而居。水在人們正常生活和生產(chǎn)中始終如一的起著至關重要、無可取代的作用。如若沒有了水，輕則給人們的生活帶來極大地不變，重則可能造成重大的生產(chǎn)事故及損失。因此滿足及時、準確、安全、充足的供水成為人們對供水系統(tǒng)提出了新的要求。如若依舊采用傳統(tǒng)的方式，不但勞動強度大，工作效率低下，而且安全性難以保障。由此運用單片機對控制系統(tǒng)進行改造，進而實現(xiàn)安全、充足、自動化的供水，具有很高的實際應用價值，對人們的日常生產(chǎn)生活具有重大意義。1.3國內外發(fā)展現(xiàn)狀從半導體集成技術及微電子設計技術的發(fā)展，可以預見到未來單片機技術的發(fā)展趨勢。1、主流機型發(fā)展趨勢在未來較長一段時期內，8位單片機仍是主流機型，許多廠家還會不斷改進與完善8位機，使8位機不斷保持其活力；在滿足高速數(shù)字處理方面，32位機會發(fā)揮重要作用；16位機空間有可能被8位機、32位機擠占。2、全盤CMOS化趨勢。3、RISC體系結構的大發(fā)展。4、大力發(fā)展專用型單片機。5、OTPROM、FlashROM成為主流供應狀態(tài)。6、ISP及基于ISP的開發(fā)環(huán)境。7、單片機中的軟件嵌入。8、實現(xiàn)全面功耗管理。9、推行串行擴展總線。10、ASMIC技術的啟動與發(fā)展。單片機以其卓越的性能，得到了廣泛的應用，已深入到各個領域。單片機應用在檢測、控制領域中，具有如下特點。1、小巧靈活、成本低、易于產(chǎn)品化。它能方便地組裝成各種智能式測、控設備及各種智能儀器儀表。2、可靠性好，適應溫度范圍寬。單片機芯片本身是按工業(yè)測控環(huán)境要求設計的，能適應各種惡劣的環(huán)境，這是其它機種無法比擬的。3、易擴展，很容易構成各種規(guī)模的應用系統(tǒng)，控制功能強。單片機的邏輯控制功能很強，指令系統(tǒng)有各種控制功能用指令。4、可以很方便地實現(xiàn)多機和分布式控制。我國開始使用單片機是在1982年，目前國內外主要使用的單片機主要有8051內核的單片機，如Inter公司的8051系列、Atmel公司的89系列、PHILIPS公司、TI公司、ST公司及華邦公司的單片機系列等。還有一些其他內核的單片機。近年來單片機在我國已經(jīng)得到了廣泛的應用，并且在各行各業(yè)的生產(chǎn)過程的自動過程中擔任著重要角色。通過單片機對程序設計，提高液位系統(tǒng)的控制水平，具有很高的應用價值，并且已經(jīng)在國內外企業(yè)及居民生活中得到廣泛應用。第2章總體方案論證2.1設計思路隨著時代的發(fā)展、社會的進步，人類物質生活水平的不斷提高，現(xiàn)在許多家庭都要求能夠進行家庭用水自動供水，基于調查我們決定設計一款簡單實用，經(jīng)濟的高塔水位控制系統(tǒng)。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系統(tǒng)方案論證方案一：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1/3VCC2/3VCC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。如圖2-1所示：圖2-1方案一方框圖方案二：本方案采用單片機AT89C2051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。如圖2-2所示：圖2-2方案二方框圖2.3方案論證第一種方案設計使用起來比較方便也簡單,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。第二種方案中使用了單片機處理，單片機技術是信息時代用于精密測量的一種新技術。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(chǎn)生誤判的情況,并且單片機引腳較多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。第3章各單元電路設計3.1系統(tǒng)工作原理本系統(tǒng)由單片機系統(tǒng)、水位探測傳感電路、電源電路、穩(wěn)壓電路、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。系統(tǒng)框圖2-2所示。當水位處于低水位的時候，傳感器的低水位探測線沒被+5V的電源導通進入穩(wěn)壓電路經(jīng)過處理在穩(wěn)壓電路的輸出端有一個高電平，送入單片機的P1.0口，另一個穩(wěn)壓電路輸出的高電平進入單片機的P1.1口單片機經(jīng)過分析，在P1.2口輸出一低電平，驅動紅燈亮，P1.5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；當水位處于正常范圍內時，水泵加水，在P1.3引腳出來一個低電平，使綠燈亮；當水位在高水位區(qū)時，傳感器的兩根探測線均被導通，均被+5V的電源導通，送入單片機，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P1.5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單片機的選擇3.2.1單片機選擇方案一：我們選用AT89C2051作為我們的控制芯片。AT89C2051（以下簡稱2051）是一種低功耗、高性能的8位CMOS微控制器芯片，片內帶2KB的快閃可編程及可擦除只讀存儲器（FPEROM）。它與MCS－51指令系統(tǒng)兼容，片內FPEROM允許對程序存儲器在線重新編程，也可用常規(guī)的EPROM編程器編程。ATMEL的205l將具有多種功能的8位CPU與FPEROM結合在同一芯片上，為很多嵌入式控制應用提供了高度靈活且價格適宜的方案。2051還增加了在零頻下工作的靜態(tài)邏輯方式及兩種軟件可選的省電模式。其中，在閑置模式下，CPU停止工作，但RAM、定時器／計數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)仍然在工作。在掉電模式下，只保存RAM的內容，振蕩器停振，關閉芯片的所有其他功能，直到下一次硬件復位為止。AT89C205的引腳圖和封裝圖分別入3-1和3-2所示：圖3-1AT89C2051引腳圖圖3-2AT89C2051封裝圖AT89C2051主要性能與MCS－5l產(chǎn)品兼容。2KB的在線可重復編程快閃存儲器，壽命可達1000次寫／擦除周期。寬工作電壓范圍：2.7V～6V。全靜態(tài)工作方式：0Hz～24MHz。兩級程序存儲器加密。128×8位SRAM。15條可編程I／O線。2個16位定時器／計數(shù)器。5個中斷源?？删幊檀型ǖ馈？芍苯域寗覮ED。有片內精密模擬比較器，具備低功耗的閑置與掉電模式。內部結構及引腳2051的內部結構如圖3-3所示，引腳分布如圖3-1所示。引腳功能說明如下：Vcc——供電電源。GND——電路地。P1口——為雙向8位I／O端口。P1.2～P1.7引腳有內部上拉電阻，P1.0和P1.1需要外部上拉電阻。P1.0和P1.l還作為模擬比較的正輸入端和負輸入端，與片內精密模擬比較器相連。P1口輸出緩沖器能吸收20mA灌入電流并可直接驅動LED顯示器。當向端口P1寫入電平“1”時，可作為輸入引腳。因為P1.2～P1.7有內部上拉的作用，此時若有外電路作為輸入，引腳會向外灌電流（IIL）。P1口在快閃編程與校驗功能中還承擔數(shù)據(jù)代碼接收任務。P3口——P3口只有7位P3.0～P3.5和P3.7（其中P3.7引腳具有內部上拉電路）。P3.6為內部比較器輸出，無外部引腳。2051無RD和WR控制信號，P3.7為一般I／O線。P3口輸出緩沖器能吸收20mA灌入電流，當向端口P3寫入電平“1”時，可用作輸入端口。因為內部上拉作用當P3口有外部低電平做輸入時，引腳向外產(chǎn)生灌電流（IIL）。P3口也提供2051的第二功能，如表2-2所示。P3在快閃編程與校驗功能中還可接收某些控制信號。表3-1P3口提供的第二功能P3口線第二功能P3.0RXD(串口輸入)P3.1TXD(串口輸出)P3.2INT0(外部中斷0)P3.3INT1(外部中斷1)P3.4T0(外部定時輸入0)P3.5T1(外部定時輸入1)RST——復位輸入端。振蕩器工作時，該引腳上兩個機器周期的高電平可復位2051。每個機器周期為12個振蕩周期（或稱時鐘周期）。XTAL1——振蕩器反相放大器內部工作時鐘電路輸入端。XTAL2——振蕩器反相放大器的輸出端。AT89C2051的內部結構圖如圖3-3所示：圖3-3AT89C2051的內部結構圖方案二：選用8031作為我們的控制芯片。8031是INTER公司MCS-51系列單片機中最基本的產(chǎn)品，它采用INTER公司可靠地CHMOS工藝技術制造的高性能8位單片機，屬于標準MCS-51的HCMOS產(chǎn)品。它結合了HMOS的高速和高密度技術及CHMOS的低功耗特征，標準MCS-51單片機的體系結構和指令系統(tǒng)。8031內置中央處理器單元、128字節(jié)內部存數(shù)據(jù)儲器RAM、32個雙向輸入/輸出（I/O）口、2個16位定時/計數(shù)器和5個兩級中斷機構，一個全雙工串行通信口，片內時鐘振蕩電路，是一個集成度很高的微型計算機芯片，但8031片內并無程序存儲器，需外接ROM。8031單片機的引腳圖如圖3-4所示：圖3-48031引腳圖比較以上兩種方案，均可以滿足設計要求，并且都是以單片機為核心的系統(tǒng)。方案一采用AT89C2051，它是一種高性能低價格單片機。引腳(20個)和指令系統(tǒng)與8031單片機完全兼容。片內有2K字節(jié)的閃速程序存儲器(采用電擦除編程,可重復編程1000次,數(shù)據(jù)可保10年),除沒有P0口、P2口外,具有8031所有功能結構,即一片AT89C2051相當于8031、373、2716組成的最小系統(tǒng)。用它構成的測量、控制系統(tǒng)具有電路簡單、可靠性好、體積小和成本低等優(yōu)點。AT89C2051的P1口為八位雙向I/O口,P1.2～P1.7有內部上拉電阻,P1.0與P1.1無內部上拉電阻。P1.0與P1.1具有第二功能分別作為片內精密比較器的同相、反相輸入端。P1口輸出驅動器能提供20mA的灌電流驅動能力,其鎖存器寫1時可作為輸入口。AT89C2051的P3口為七位雙向I/O口,有內部上拉電阻,P3口輸出驅動器能提供20mA灌電流驅動能力,其鎖存器寫1時可作輸入口。P3.6作為輸入線與片內精密比較器輸出端在片內相連,故無引出線,但可讀該位的值。P3.0～P3.5的第二功能與8031P3口相應口線的第二功能完全相同。綜上所述,P1和P3口中的各口線可直接驅動發(fā)光二極管,不用再配置發(fā)光二極管驅動電路,P1.0與P1.1具有第二功能,不用再配置比較器,從而簡化了控制電路的結構。所以，本設計及制作采用了方案一的設計思想。3.2.2最小系統(tǒng)電路單片機時鐘電路通常有兩種形式：內部振蕩方式、外部振蕩方式。內部振蕩方式：MCS-51單片機內有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是放大器的輸入端和輸出端。把放大器與作為反饋元件的晶體振蕩器或陶瓷諧振器連接，就構成了內部自激震蕩器并產(chǎn)生振蕩時鐘脈沖。外部振蕩方式：外部振蕩方式就是把外部已有的時鐘信號引入單片機內。本設計所采用的是內部振蕩方式，晶振選擇為12MHz，電容C1，C2大小選擇為33PF，其接線圖如圖3-4所示：圖3-4時鐘電路基本復位電路復位電路的基本功能是：系統(tǒng)上電時提供復位信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復位信號。為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時才撤銷復位信號，以防電源開關或電源插頭分-合過程中引起的抖動而影響復位。復位電路的連接方式有三種：一、上電復位——單片機接通電源時產(chǎn)生復位信號，完成單片機的啟動，確定單片機的起始工作狀態(tài)。如圖3-5所示。二、手動復位——手動按鍵產(chǎn)生復位信號，完成單片機啟動，確定單片機的初始狀態(tài)。通常在單片機工作出現(xiàn)混亂或者‘死機’時，使用手動復位可實現(xiàn)單片機的‘重啟’。如圖3-6所示。三、復合復位電路——將上電復位電路和手動復位電路結合到一起構成，通常使用的都是這種混合復位電路。如圖3-7所示。本設計采用混合復位電路。圖3-5上電復位電路圖3-6手動復位圖3-7復合復位最小系統(tǒng)電路要使單片機工作起來最基本的電路構成為電源電路：向單片機供電；時鐘電路：單片機工作的時間基準，決定單片機的工作速度；復位電路：確定單片機工作的起始狀態(tài)，完成單片機的啟動過程。最小系統(tǒng)電路如圖3-8所示：圖3-8最小系統(tǒng)電路圖3.3傳感器的選擇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。方案一：本設計當中我們采用的水位探測傳感器簡單易做，經(jīng)濟實惠。其外形輪廓如圖3-9所示： 圖3-9水位探測傳感器外觀圖A為接+5V電源的線與水一直保持連通，B線為低水位控制線，當水位到達低水位的時候它不導通，水在正常范圍內時，它導通。C線為高水位控制線，當它導通時，表示水已經(jīng)為高水位。我們經(jīng)過反復思考與實驗，采用了細銅線作為我們的傳感器制作材料。主要考慮了(1)細銅線的電阻率比較低，這樣就可以避免由于電阻過大而使輸出的電平過低，以致不能很好地驅動單片機工作(2)傳電性能比較好，傳電速率比較快，也就是說靈敏性非常好。(3)細銅線經(jīng)濟容易尋找，對我們在實驗室做模型來說十分方便。在制作的過程當中我們用PVC塑料管包扎起來，在外部不要露出銅線，而是采用插針的辦法接到PCB版上去。這樣做有幾個好處主要是(1)非常美觀漂亮，讓線路隱藏。(2)能夠讓各線路緊湊，不會互相產(chǎn)生干擾，接觸的地方都讓絕緣膠布包扎好了。本傳感器的尺寸是A線是100CM，B線80CM，C線是20CM，銅線直徑是15MM。方案二：傳感器使用SY-9411L-D型變送器。SY-9411L-D型變送器，它的內部含有一個壓力傳感器和相應的放大電路。壓力傳感器是美國SM公司生產(chǎn)的555-2型OEM壓阻式壓力傳感器，其有全溫度補償及標定（0~70℃），傳感器經(jīng)過特殊加工處理，用堅固的耐高溫塑料外殼封裝。其引腳分布如圖3-10所示。1腳為信號輸出（-）；2腳為信號輸出（-）；3腳為激勵電壓；4腳為地；5腳為信號輸出（+）；6腳為信號輸出（+）。在水箱底部安裝1根直徑為5mm的軟管，一端安裝在水箱底部；另一端與傳感器連接。水箱水位高度發(fā)生變化時，引起軟管內氣壓變化，然后把氣壓轉換成電壓信號，輸送到A/D轉換器。圖3-10SY-9411L-D型變送器引腳結構圖對以上兩種方案進行比較論證。方案一結構簡單，成本低廉，反應靈敏，系統(tǒng)也簡單易行，易于推廣，適合本設計的要求。方案二精度較高，但成本較高，且需要A/D轉換器，系統(tǒng)較復雜。綜合比較之選擇后，選擇方案一。3.4穩(wěn)壓電路的設計我設計的穩(wěn)壓電路如圖3-11所示：圖3-11穩(wěn)壓電路原理圖本電路的主要作用是使從傳感器輸出的電平能夠穩(wěn)定地輸入單片機中，主要由三極管的兩極放大穩(wěn)定電路組成，其工作過程是水位探測傳感器把探測到的電信號送給R12,如果送入的是高電平則R11、Q5、D3、Q4導通把低于1.4V的低電平穩(wěn)定地送給單片機。如果是低電平送給R12則R11、Q5、D3、Q4均不能導通,于是R13導通將把高于1.4V的高電平穩(wěn)定的送給單片機。我們查找了相關資料以及我們自己在設計過程當中免去此穩(wěn)定電路,發(fā)現(xiàn)有時候也能實現(xiàn)我們的設計目的,但是也有很多時候發(fā)生水位誤判的情況,產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象,所以我們認為此電路是不可缺少的。既然是控制系統(tǒng),當然就要控制精確。3.5光報警顯示電路發(fā)光二極管（LED）是用半導體材料制作的正向偏置的PN結二極管。其發(fā)光機理是當在PN結兩端注入正向電流時，注入的非平衡載流子（電子－空穴對）在擴散過程中復合發(fā)光，這種發(fā)射過程主要對應光的自發(fā)發(fā)射過程。按光輸出的位置不同，發(fā)光二極管可分為面發(fā)射型和邊發(fā)射型。發(fā)光二極管的發(fā)光原理同樣可以用PN結的能帶結構來解釋。制作半導體發(fā)光二極管的材料是重摻雜的，熱平衡狀態(tài)下的N區(qū)有很多遷移率很高的電子，P區(qū)有較多的遷移率較低的空穴。由于PN結阻擋層的限制，在常態(tài)下，二者不能發(fā)生自然復合。，而當給PN結加以正向電壓時，溝區(qū)導帶中的電子則可逃過PN結的勢壘進入到P區(qū)一側。于是在PN結附近稍偏于P區(qū)一邊的地方，處于高能態(tài)的電子與空穴相遇時，便產(chǎn)生發(fā)光復合。這種發(fā)光復合所發(fā)出的光屬于自發(fā)輻射，輻射光的波長決定于材料的禁帶寬度Eg。如圖3-12所示是本設計采用的光電報警電路：圖3-12光報警電路的原理圖本電路采用不同顏色的發(fā)光二極管來表示不同的水位情況。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，三燈閃爍表示系統(tǒng)出現(xiàn)故障。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。3.6繼電器控制水泵加水電路3.6.1功率驅動電路中的光電隔離在微機控制系統(tǒng)中，大量應用的是開關量的控制，這些開關量一般經(jīng)過微機的I／O輸出，而I／O的驅動能力有限，一般不足以驅動一些點磁執(zhí)行器件，需加接驅動介面電路，為避免微機受到干擾，須采取隔離措施。如可控硅所在的主電路一般是交流強電回路，電壓較高，電流較大，不易與微機直接相連，可應用光耦合器將微機控制信號與可控硅觸發(fā)電路進行隔離。在馬達控制電路中，可采用光耦來把控制電路和馬達高壓電路隔離開。電路如圖3-13所示：圖3-13繼電器控制水泵加水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、R10以及D7、Q3等組成。當水位在低水位時單片機給P1.1送一個高電平導通光電耦合器然后光電耦合器驅動Q3導致繼電器閉合從而讓220V的交流電接通使水泵加水。3.6.2光電耦合器簡介在電子電路系統(tǒng)中，不可避免地存在各種各樣的干擾信號，若電路的抗干擾能力差將導致測量、控制準確性的降低，甚至產(chǎn)生誤動作，從而帶來破壞性的后果。因此，若硬件上采用一些設計技術，破壞干擾信號進入測控系統(tǒng)的途徑，可有效地提高系統(tǒng)的抗干擾能力。事實證明，采用隔離技術是一種簡便且行之有效的方法。隔離技術是破壞“地”干擾途徑的抗干擾方法，硬件上常用光電耦合器件實現(xiàn)電→光→電的隔離，它能有效地破壞干擾信號的進入，可靠地實現(xiàn)信號的隔離，并容易構成各種功能狀態(tài)。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。其外觀如圖3-14所示：圖3-14光電耦合器外觀圖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。3.6.3繼電器簡介繼電器是具有隔離功能的自動開關元件，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，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(chǎn)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。這樣吸合、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”。圖3-15為常用繼電器實物圖。

圖3-15常用繼電器3.6.4水泵的介紹水泵是每個家庭必不可少的生活工具，雖然大多數(shù)人并沒有認識到這一點，但這確是事實。很多人對水泵一無所知。水泵的分類水泵一般多以泵的結構和作用原理來分類，有時根據(jù)需要也按使用部門、用途、動力類型和泵的水力性能等進行分類。按使用部門分

有農業(yè)用泵（農用泵）、工作用泵（工業(yè)泵）和特殊用泵等。按用途分

有水泵、砂泵、泥漿泵、污水泵、污物泵、井用泵、潛水電泵、噴灌泵、家用泵、消防泵等。按動力類型分

有手動泵、畜力泵、腳踏泵、風力泵、太陽能水泵、電動泵、機動泵、水輪泵、內燃水泵、水錘泵等。按工作原理分

有離心泵、混流泵、軸流泵、旋渦泵、射流泵、容積泵（螺桿泵、活塞泵、隔膜泵）、鏈條泵、電磁泵、液環(huán)泵、脈沖泵等。選擇水泵的主要參數(shù)水泵參數(shù)是指泵工作性能的主要技術數(shù)據(jù)，包括流量、揚程、轉速、效率和比轉數(shù)等。常見故障處理辦法不吸水或不出水，多由于底閥卡死，濾水部分淤塞；吸水的高度太高或吸水管漏氣；以及葉輪流道堵塞等所致，應分別采取相應辦法解決。管路漏水或漏氣，可能是安裝時螺栓沒擰緊。如果滲漏不嚴重，可在漏水或漏氣的地方涂水泥漿，并用板手擰緊螺帽；若漏水嚴重，則要重裝。水泵劇烈震動，可能是在電動轉子不平衡，或者聯(lián)軸器結合不良，軸承磨損、彎曲；也可能是由轉動部件松馳、破裂和管路支架不牢等引起。應視不同情況進行調整、加固、校直或更換。3.7電源電路電源電路雖然簡單，但需要功能可靠，所用采用兩個三端集成穩(wěn)壓器7812、7805，可以方便的實現(xiàn)此功能，電路如圖3-14所示：圖3-14電源電路3.8看門狗電路在由單片機構成的微型計算機系統(tǒng)中,由于單片機的工作常常會受到來自外界電磁場的干擾,造成程序的跑飛,而陷入死循環(huán),程序的正常運行被打斷,由單片機控制的系統(tǒng)無法繼續(xù)工作,會造成整個系統(tǒng)的陷入停滯狀態(tài),發(fā)生不可預料的后果,所以出于對單片機運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測的考慮,便產(chǎn)生了一種專門用于監(jiān)測單片機程序運行狀態(tài)的芯片,俗稱"看門狗"(watchdog)。看門狗電路的應用，使單片機可以在無人狀態(tài)下實現(xiàn)連續(xù)工作,其工作原理是:看門狗芯片和單片機的一個I/O引腳相連,該I/O引腳通過程序控制它定時地往看門狗的這個引腳上送入高電平(或低電平),這一程序語句是分散地放在單片機其他控制語句中間的，一旦單片機由于干擾造成程序跑飛后而陷入某一程序段進入死循環(huán)狀態(tài)時,寫看門狗引腳的程序便不能被執(zhí)行,這個時候,看門狗電路就會由于得不到單片機送來的信號,便在它和單片機復位引腳相連的引腳上送出一個復位信號,使單片機發(fā)生復位,即程序從程序存儲器的起始位置開始執(zhí)行,這樣便實現(xiàn)了單片機的自動復位.看門狗,又叫watchdogtimer,是一個定時器電路,一般有一個輸入,叫喂狗(kickingthedogorservicethedog),一個輸出到MCU的RST端,MCU正常工作的時候,每隔一端時間輸出一個信號到喂狗端,給WDT清零,如果超過規(guī)定的時間不喂狗,(一般在程序跑飛時),WDT定時超過,就回給出一個復位信號到MCU,是MCU復位。防止MCU死機.看門狗的作用就是防止程序發(fā)生死循環(huán)，或者說程序跑飛。工作原理：在系統(tǒng)運行以后也就啟動了看門狗的計數(shù)器，看門狗就開始自動計數(shù)，如果到了一定的時間還不去清看門狗，那么看門狗計數(shù)器就會溢出從而引起看門狗中斷，造成系統(tǒng)復位。所以在使用有看門狗的芯片時要注意清看門狗。系統(tǒng)軟件"看門狗"的設計思路：（1）看門狗定時器T0的設置。在初始化程序塊中設置T0的工作方式，并開啟中斷和計數(shù)功能。系統(tǒng)Fosc=12MHz，T0為16位計數(shù)器，最大計數(shù)值為(2的16次方)-1=65535，T0輸入計數(shù)頻率是。Fosc/12，溢出周期為(65535+1)／1=65536(μs)。（2）計算主控程序循環(huán)一次的耗時?？紤]系統(tǒng)各功能模塊及其循環(huán)次數(shù)，本系統(tǒng)主控制程序的運行時間約為16．6ms。系統(tǒng)設置"看門狗"定時器T0定時30ms(T0的初值為65536-30000=35536)。主控程序的每次循環(huán)都將刷新T0的初值。如程序進入"死循環(huán)"而T0的初值在30ms內未被刷新，這時"看門狗"定時器T0將溢出并申請中斷。（3）設計T0溢出所對應的中斷服務程序。此子程序只須一條指令，即在T0對應的中斷向量地址(000BH)寫入"無條件轉移"命令，把計算機拖回整個程序的第一行，對單片機重新進行初始化并獲得正確的執(zhí)行順序?？撮T狗電路如圖3-15所示：圖3-15看門狗電路本設計的看門狗電路主要采用了NE556芯片和7490芯片：NE556芯片簡介：NE556芯片是雙時基集成電路，NE556的內部有兩個555時基電路,由于它們封裝在一個芯片內,能獲得較好的一致性。另NE556為雙極型電路,其輸出驅動能力大,輸出電流可達到200MA,工作頻率范圍可達01001Hz～500kHz。如圖3-16所示，NE556內部的兩個555電路接成了間接反饋式無穩(wěn)態(tài)自激多諧振蕩器形式。圖3-16NE556內部結構圖7490芯片簡介：7490是二－五－十進制異步計數(shù)器，具有計數(shù)、保持、清零功能。7490芯片管腳圖如圖3-17所示：圖3-177490管腳圖7490管腳功能如表3-2所示：表3-27490管腳功能管腳功能管腳功能1計數(shù)脈沖B8計數(shù)輸出2清零9計數(shù)輸出3清零10地4空11計數(shù)輸出5電源12計數(shù)輸出6置913空7置914計數(shù)脈沖A第4章軟件設計4.1程序流程圖根據(jù)設計方案以及電路特點我采用匯編語言編寫單片機程序畫出程序流程圖如圖4-1所示：轉下頁接上頁圖4-1流程圖4.2源程序系統(tǒng)總程序如下：ORG0000HLJMPSTARTSTART:SETBP1.0SETBP1.1RESTART:MOVA,P1ANLA,#00000011BCJNEA,#00H,LOOP1;在低水位之下，開啟電動機，亮紅燈SETBP1.4SETBP1.3CLRP1.2LJMPRESTARTLOOP1:CJNEA,#01H,LOOP2;當超過低水位，并且未達到高水位時，保持電動機轉動，亮綠燈SETBP1.4SETBP1.2CLRP1.3LJMPRESTARTLOOP2:CJNEA,#02H,LOOP3;系統(tǒng)故障（達到高水位，卻沒達到低水位）紅，黃，綠燈均閃爍CLRP1.4CLRP1.3CLRP1.2LCALLDELAYSETBP1.4SETBP1.3SETBP1.2LJMPRESTARTLOOP3:CJNEA,#03H,RESTART;當達到高水位時，停止電動機，亮黃燈SETBP1.3SETBP1.2CLRP1.4LJMPRESTARTRETEND總結以往，人們由于自己的樓頂水塔中的水位不清楚，加水不方便而感到苦惱，現(xiàn)在我們順應大家的需要研制了這款簡單經(jīng)濟實用的高塔水位控制系統(tǒng)，相信能夠給廣大的老百姓的生活帶來方便，帶來開心，以后大家再也不用親自跑到樓頂加水啦！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。本系統(tǒng)采工作過程是當水位處于低水位的時候，傳感器的低水位探測線沒被+5V的電源導通進入穩(wěn)壓電路經(jīng)過處理在穩(wěn)壓電路的輸出端有一個高電平，送入單片機的P1.0口，單片機經(jīng)過分析，在P1.2口輸出一低電平，驅動紅燈亮，P1.5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；當水位處于正常范圍內時，水泵加水，在P1.3引腳出來一個低電平，使綠燈亮；當水位在高水位區(qū)時，傳感器的兩根探測線均被導通，均被+5V的電源導通，送入單片機，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P1.5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，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，三燈閃爍。實現(xiàn)自動監(jiān)測、自動加水。本系統(tǒng)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。我也相信本設計當中一定會存在很多不足,請廣大用戶和相關行業(yè)人員,多多批評，多多指教！致謝這次畢業(yè)設計得到了很多老師、同學和同事的幫助，其中我的導師李晶老師對我的關心和支持尤為重要，每次遇到難題，我最先做的就是向李老師尋求幫助，而李老師每次不管忙或閑，總會抽空來給我們大家上課面談，然后一起商量解決的辦法。在這里再次謝謝李老師，李老師您辛苦了！感謝在整個畢業(yè)設計期間和我密切合作的同學，他們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，在這里再次謝謝同學們，和曾經(jīng)在各個方面給予過我?guī)椭男值軅儯诖髮W生活即將結束的最后的日子里，我們再一次演繹了團結合作的童話，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?！安环e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四年間的認真負責，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，向長春工業(yè)大學人文信息學院自動化系的全體老師們再次表示衷心感謝：謝謝你們，謝謝你們四年的辛勤栽培。參考文獻[1]劉湘濤、江世明編《單片機原理與應用》[M].電子工業(yè)出版社，2006年8月[2]何希才.傳感器及其應用實例[M].2004年9月、第1版、機械工業(yè)出版社。[3]劉湘濤、江世明.《單片機原理與應用》[M].電子工業(yè)出版社，2006年8月[4]程學先．匯編語言程序設計[M]．武漢：武漢理工大學出版社，2003[5]徐建明．匯編語言程序設計[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2004[6]王萍．微機原理應用實踐[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2004[7]王曉明.《電動機的單片機控制》[M].北京航空航天大學出版社,2002年5月[8]丁元杰.單片微型計算機及其應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,1994.[9]何立民.MCS-51系列單片機應用系統(tǒng)設計系統(tǒng)配置與接口技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，1990.[10]趙貞圖.感器集成電路手冊[M].2002年4月1版.化學工業(yè)出版社[11]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[12]吳金戌.《8051單片機實踐與應用》清華大學出版社部[13]高明.技術與傳感器[M].2002年.第7期.儀表技術與傳感器編輯[14]李鐵峰.儀表技術與傳感器[M].2002年、第2期、儀表技術與傳感器編輯部[15]張毅剛.