苏ICP备112451047180号-6
基于单片机的智能水位控制系统
摘要：基于单片机的智能水位控制系统。本文主要研究了一种利用单片机，超声波传感器等来实现水位的监测与自动控制，由超声波传感器，AT89C51单片机，电机驱动，LED显示屏，电源，蜂鸣器，A/D转换以及控制部分构成。以超声波传感器，AT89C51单片机为核心，将通过超声波传感器测量液位高度，并将数据传入单片机模块，并将实时的液位高度显示在屏幕上。由单片机模块来判断液面的高度是否处于一个安全的状态。当液位高度低于设定的安全值时，这时报警模块就会报警。同时单片机就会控制电机向水箱内注水，让液位达到一个安全值。若页面高度高于安全值，这时单片机就控制电机停止注水。这样就能达到水位的实时监测与控制的目的。
关键词：AT89C51单片机；电机控制;超声波传感器
Intelligent Water Level Control Systems Based on MCU
Abstract: Intelligent control system of water level based on single chip microcomputer. This paper mainly studies the use of a microcontroller, ultrasonic sensors to achieve the monitoring and automatic control of water level, the ultrasonic sensor,AT89C51 single chip, motor drive, keyboard, LED display, A/D power conversion and control part. The ultrasonic sensor, AT89C51 single chip as the core, through the ultrasonic sensor to measure the height of liquid level, and data into the microcontroller module, and the real-time liquid level is displayed on the screen. By the microcontroller module to determine the height of the liquid is in a safe state. When the liquid level is lower than the value of the security setting, the alarm module will alarm. At the same time, the microcontroller will control the motor water to the water tank, so that the liquid level reaches a safe value. If the page is higher than the safety value, then the SCM control motor to stop water injection. So that we can achieve real-time monitoring and control the water level of the objective.
Keywords: AT89C51 microcontroller; motor control; ultrasonic sensor
参考文献
[1]王静霞. 单片机应用技术：C与语言版[M]. 北京：电子工业出版社，2009.5
[2]张晓乡. 89C51单片机实用教程[M]. 北京：电子工业出版社，2010.8
[3]倪虹霞 张磊 Altium Designer 09 教程：原理图、PCB设计与仿真[M]. 北京：电子工业出版社，2014.1
[4]杨加国 单片机原理与应用及C51程序设计[M]. 北京：清华大学出版社，2008.3
[5]常慧玲.传感器与自动检测[M]. 北京：电子工业出版社，2012.7
[6]董晓红．单片机原理及接口技术[M]．西安：西安电子科技大学出版社，2004.5
[7]何希才．传感器及其应用实例[M]．北京：机械工业出版社，2004.6
[8]贺廉云．单片机液位控制系统[J]．山东：德州学院机电工程系，2008.8
[9]丁明亮.单片机原理及应用—基于Keil.c与Proteus[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009.2
[10] 百度百科，百度文库等.
摘要：基于单片机的智能水位控制系统。本文主要研究了一种利用单片机，超声波传感器等来实现水位的监测与自动控制，由超声波传感器，AT89C51单片机，电机驱动，LED显示屏，电源，蜂鸣器，A/D转换以及控制部分构成。以超声波传感器，AT89C51单片机为核心，将通过超声波传感器测量液位高度，并将数据传入单片机模块，并将实时的液位高度显示在屏幕上。由单片机模块来判断液面的高度是否处于一个安全的状态。当液位高度低于设定的安全值时，这时报警模块就会报警。同时单片机就会控制电机向水箱内注水，让液位达到一个安全值。若页面高度高于安全值，这时单片机就控制电机停止注水。这样就能达到水位的实时监测与控制的目的。
关键词：AT89C51单片机；电机控制;超声波传感器
Intelligent Water Level Control Systems Based on MCU
Abstract: Intelligent control system of water level based on single chip microcomputer. This paper mainly studies the use of a microcontroller, ultrasonic sensors to achieve the monitoring and automatic control of water level, the ultrasonic sensor,AT89C51 single chip, motor drive, keyboard, LED display, A/D power conversion and control part. The ultrasonic sensor, AT89C51 single chip as the core, through the ultrasonic sensor to measure the height of liquid level, and data into the microcontroller module, and the real-time liquid level is displayed on the screen. By the microcontroller module to determine the height of the liquid is in a safe state. When the liquid level is lower than the value of the security setting, the alarm module will alarm. At the same time, the microcontroller will control the motor water to the water tank, so that the liquid level reaches a safe value. If the page is higher than the safety value, then the SCM control motor to stop water injection. So that we can achieve real-time monitoring and control the water level of the objective.
Keywords: AT89C51 microcontroller; motor control; ultrasonic sensor
目录
1 引言 3
2 总体方案设计 4
2.1 方案选择 5
2.2 设计思路 4
3 硬件电路设计和论证 6
3.1水位检测模块 6
3.2单片机模块 9
3.3显示模块 10
3.4报警电路模块.12
3.5电机驱动模块 13
3.6电源模块 14
4 软件设计 15
4.1主程序流程图 15
4.2显示模块子程序流程图 16
4.3电机控制子程序流程图17
5 系统仿真与调试18 5.1 仿真软件18
5.2 程序调试19
5.3 结果分析19
6总结.20
致谢21
参考文献22
附录23
电路原理图.23
源程序24
国内外的研究现状：在国外的一些发达国家中对于水位监测与控制具有差异性，有些国家已经达到国际领先的水平。而且随着社会的进步，科学技术的不断发展，在水位监测与控制这一块已经融入了更多的技术。其中有些国家研发的产品已经进入国内的市场。例如美国的一些产品在实现水位监测与控制的基础上，还添加一些其他参数（PH值、浊度等）的监测，监测的数据直接传入电脑中，数据显示仪器可以直接显示并存储相关数据。而荷兰与日本的产品也能实现上述相关参数的监测，但是却有着不同的工作方式。如前者可以通过传感器将采集的数据通过串行传输线传入到计算机中，而后者则通过现场原位监测的方式进行工作。国内的也有一些水位监测仪，例如压力传感器式水位仪、浮筒式水位仪、以及超声波水位仪等等。虽然这些水位仪在使用过程中的稳定性上以及相关功能齐全上比不上国际上的产品，与同类型国际产品可能也存在着一些差距，但是基本可以满足日常生活以及工业生产的使用。这几种类型的产品也有着不同的工作方式，例如超声波式水位计就需要通过人工操作，数字显示。浮筒式水位计则通过记录笔自记自记水位或者通过数码盘来进行记数。而压力传感器式液位仪多为通过数字显示，需要人工来记录，也有少量的可以进行自动采集和自动打印。
本课题主要研究解决人工监测水位的不足，不能有效的达到节水的效果。利用超声波传感器与AT89C51单片机实现水位的监测、报警、控制等。研究的主要内容有：介绍水位智能控制的方法，研究各种方法的可行性，并最终给出最佳解决方案。利用模块化的电子系统的理念与开发方法，分模块设计其硬件系统并讨论其工作原理。利用给出的方案来设计出相应的电路，并编写程序，到预期的效果。
本课题预期达到的目标：随着我国电子科学技术的发展，越来越多的企业以及用户都偏向自动化控制。传统的人工有很多的缺点与不具有实用性，自动化控制也是目前的一种趋势。我们的目标是实现水位的智能监测与控制，利用超声波传感器测量液位，并将数据实时显示在屏幕上，利用单片机控制电机驱动实现相关水位的控制。
2.1方案选择
方案一：采用AT89C51作为系统主控制器。AT89C51是一种高性能、低功耗CMOS 8位微控制器，具有128字节的内部RAM，有16个I/O口线，两个16位的定时/计数器，一个全双工串口通信口，一个5向量两级中断结构，时钟电路及片内振荡器。具有4K 系统可编程Flash存储器。其成本低，低电压，运算功能强大，软件编程灵活，自由度大，可通过软件实现各种算法和逻辑控制。AT89C51可以降至0Hz静态逻辑操作，能够支持两种软件可选的节电工作方式，空闲时间可以允许CPU停止工作，但是可允许定时/计数器、中断系统、RAM、串口通信继续工作。掉电振荡器停止工作RAM中的内容可以保存。AT89C51单片机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。
方案二：采用MPS430作为系统主控制器。采用MPS430作为系统主控器。MPS430是一种16位超低功耗混合信号处理器。可针对不同实际应用的需求将多个不同电路的数字电路、模拟电路以及微处理器集中在同一个芯片中，这个系列的芯片多应用于需要电池供电的便携式设备中。其采用RISC精简指令集，相同的晶振，速度较51系列快12倍，同时其片上资源非丰富，处理能力强，功耗也比较低，开发环境也比较方便高效，但其成本较高。
分析以上两种方案，考虑本文所要实现的功能性问题，51系列足以满足。故选用AT89C51作为系统主控制器。
水位测量模块传感器的选择：水位测量按照其原理分类又可以分为多种。例如：直读水位计，电磁水位计，静压水位计，超声波水位计等。其中直读水位计是为最原始的一种且应用也比较广泛的一种水位测量仪表，而且测量精度一般为2mm的人为误差。这种测量方式也具有很多的优点：测量的过程较为简单易操作，相关的数据比较直观的显示在测量人的面前，成本也比较低。缺点是仅适合一般环境中的测量，并不能满足恶劣环境中测量的需求。电磁式水位计是将水位的变化量转换为电量的变化，这样就可以通过电量的变化得知水位的变化，从而实现对水位的间接测量。其中的电容由两块同心圆柱的极板组成。静压水位计是通过利用液柱对某定点产生压力，测量该点的压力或者改点的压力与另一参考点的压力差，通过压力差就能得到水位高度，达到间接测量水位的目的。这种测量液位的方式主要应用在那些对测量精度要求不高的场合。超声波式水位计是一种非接触式水位测量的方式，而且目前的发展速度较快。该技术主要是基于超声波在空气中的传播速度以及再遇到被测物体会反射的原理。这种测量方式的测量范围较广，不受其它因素的影响。由于是非接触式，这样就可以使他的使用寿命比一般的传感器寿命高，而且其成本也不高。能够满足大多数测量的需求，广泛应用于各个方面。
通过以上各种水位测量仪的分析再结合本次项目的需求，从成本性、易用性、适用性综合因素的考虑。超声波传感器能够满足此次的需求，因此选用超声波传感器作为水位测量与监测系统中的核心传感器。
2.2设计思路
本次毕业设计的任务是设计出一种基于AT89C51单片机的智能水位控制系统。在此提出设计的整体思路：利用超声波监测模块测量水位并将向相关数据传至单片机，并由单片机来执行控制电机驱动，实现水位的监测、控制与报警。且将实时数据显示在液晶显示屏上。
系统的总框图如图1示：
1 引言
随着社会的不断发展以及人们生活水平的提高，越来越多的人意识到节水的重要性。尤其在我国这样一个人口众多的国家，水资源就显得更加宝贵。在人们的日常生活中许多家庭都要求家庭的自来水能够实现自动的供水，同时各个行业也推动着自动化的进行，例如在工厂中的用水实现自动化供水，这样就能避免在生产中水的浪费，为企业节约了大量的成本，提高了水的利用率。从而替代传统的人工方式。这样就大大提高了效率。单片机技术也得到了很好的应用，利用这项技术能很好的监测水箱中水位的高低。代替传统的人工监测的不准确，效率低等问题。可以很好的节约人力成本。同时能很好的显示液位的高低，以及运行过程中的各种参数值，比较方便的修改一些参数值。由于目前单片机的技术比较成熟，在运行过程中出现一些问题也能快的解决。国内外的研究现状：在国外的一些发达国家中对于水位监测与控制具有差异性，有些国家已经达到国际领先的水平。而且随着社会的进步，科学技术的不断发展，在水位监测与控制这一块已经融入了更多的技术。其中有些国家研发的产品已经进入国内的市场。例如美国的一些产品在实现水位监测与控制的基础上，还添加一些其他参数（PH值、浊度等）的监测，监测的数据直接传入电脑中，数据显示仪器可以直接显示并存储相关数据。而荷兰与日本的产品也能实现上述相关参数的监测，但是却有着不同的工作方式。如前者可以通过传感器将采集的数据通过串行传输线传入到计算机中，而后者则通过现场原位监测的方式进行工作。国内的也有一些水位监测仪，例如压力传感器式水位仪、浮筒式水位仪、以及超声波水位仪等等。虽然这些水位仪在使用过程中的稳定性上以及相关功能齐全上比不上国际上的产品，与同类型国际产品可能也存在着一些差距，但是基本可以满足日常生活以及工业生产的使用。这几种类型的产品也有着不同的工作方式，例如超声波式水位计就需要通过人工操作，数字显示。浮筒式水位计则通过记录笔自记自记水位或者通过数码盘来进行记数。而压力传感器式液位仪多为通过数字显示，需要人工来记录，也有少量的可以进行自动采集和自动打印。
本课题主要研究解决人工监测水位的不足，不能有效的达到节水的效果。利用超声波传感器与AT89C51单片机实现水位的监测、报警、控制等。研究的主要内容有：介绍水位智能控制的方法，研究各种方法的可行性，并最终给出最佳解决方案。利用模块化的电子系统的理念与开发方法，分模块设计其硬件系统并讨论其工作原理。利用给出的方案来设计出相应的电路，并编写程序，到预期的效果。
本课题预期达到的目标：随着我国电子科学技术的发展，越来越多的企业以及用户都偏向自动化控制。传统的人工有很多的缺点与不具有实用性，自动化控制也是目前的一种趋势。我们的目标是实现水位的智能监测与控制，利用超声波传感器测量液位，并将数据实时显示在屏幕上，利用单片机控制电机驱动实现相关水位的控制。
2 总体方案设计
本设计以单片机为核心，设计出一种利用超声波传感器来实现水位的测量，并将相关数据传入单片机，单片机再将相关信号输出给电机，通过这一过程来完成设计的相关的工作。并且还要判断电机的是否运转以达到控制水位的目的。这时驱动显示电路会获取当前的水位状态，并将液位高度实时的显示在屏幕上。同时单片机也会对当前获得的水位信号进行判断，根据判断的结果，单片机就能输出相应的控制信号控制电机的运行或者停止。当水位达到设定的一个下限时，这时就需要启动电机向里面注水。若水位达到上限时，这时就应关闭电机，停止向里面注水。这样就能通过上述过程实现水位的智能监测、报警、与控制。2.1方案选择
方案一：采用AT89C51作为系统主控制器。AT89C51是一种高性能、低功耗CMOS 8位微控制器，具有128字节的内部RAM，有16个I/O口线，两个16位的定时/计数器，一个全双工串口通信口，一个5向量两级中断结构，时钟电路及片内振荡器。具有4K 系统可编程Flash存储器。其成本低，低电压，运算功能强大，软件编程灵活，自由度大，可通过软件实现各种算法和逻辑控制。AT89C51可以降至0Hz静态逻辑操作，能够支持两种软件可选的节电工作方式，空闲时间可以允许CPU停止工作，但是可允许定时/计数器、中断系统、RAM、串口通信继续工作。掉电振荡器停止工作RAM中的内容可以保存。AT89C51单片机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。
方案二：采用MPS430作为系统主控制器。采用MPS430作为系统主控器。MPS430是一种16位超低功耗混合信号处理器。可针对不同实际应用的需求将多个不同电路的数字电路、模拟电路以及微处理器集中在同一个芯片中，这个系列的芯片多应用于需要电池供电的便携式设备中。其采用RISC精简指令集，相同的晶振，速度较51系列快12倍，同时其片上资源非丰富，处理能力强，功耗也比较低，开发环境也比较方便高效，但其成本较高。
分析以上两种方案，考虑本文所要实现的功能性问题，51系列足以满足。故选用AT89C51作为系统主控制器。
水位测量模块传感器的选择：水位测量按照其原理分类又可以分为多种。例如：直读水位计，电磁水位计，静压水位计，超声波水位计等。其中直读水位计是为最原始的一种且应用也比较广泛的一种水位测量仪表，而且测量精度一般为2mm的人为误差。这种测量方式也具有很多的优点：测量的过程较为简单易操作，相关的数据比较直观的显示在测量人的面前，成本也比较低。缺点是仅适合一般环境中的测量，并不能满足恶劣环境中测量的需求。电磁式水位计是将水位的变化量转换为电量的变化，这样就可以通过电量的变化得知水位的变化，从而实现对水位的间接测量。其中的电容由两块同心圆柱的极板组成。静压水位计是通过利用液柱对某定点产生压力，测量该点的压力或者改点的压力与另一参考点的压力差，通过压力差就能得到水位高度，达到间接测量水位的目的。这种测量液位的方式主要应用在那些对测量精度要求不高的场合。超声波式水位计是一种非接触式水位测量的方式，而且目前的发展速度较快。该技术主要是基于超声波在空气中的传播速度以及再遇到被测物体会反射的原理。这种测量方式的测量范围较广，不受其它因素的影响。由于是非接触式，这样就可以使他的使用寿命比一般的传感器寿命高，而且其成本也不高。能够满足大多数测量的需求，广泛应用于各个方面。
通过以上各种水位测量仪的分析再结合本次项目的需求，从成本性、易用性、适用性综合因素的考虑。超声波传感器能够满足此次的需求，因此选用超声波传感器作为水位测量与监测系统中的核心传感器。
2.2设计思路
本次毕业设计的任务是设计出一种基于AT89C51单片机的智能水位控制系统。在此提出设计的整体思路：利用超声波监测模块测量水位并将向相关数据传至单片机，并由单片机来执行控制电机驱动，实现水位的监测、控制与报警。且将实时数据显示在液晶显示屏上。
系统的总框图如图1示：
参考文献
[1]王静霞. 单片机应用技术：C与语言版[M]. 北京：电子工业出版社，2009.5
[2]张晓乡. 89C51单片机实用教程[M]. 北京：电子工业出版社，2010.8
[3]倪虹霞 张磊 Altium Designer 09 教程：原理图、PCB设计与仿真[M]. 北京：电子工业出版社，2014.1
[4]杨加国 单片机原理与应用及C51程序设计[M]. 北京：清华大学出版社，2008.3
[5]常慧玲.传感器与自动检测[M]. 北京：电子工业出版社，2012.7
[6]董晓红．单片机原理及接口技术[M]．西安：西安电子科技大学出版社，2004.5
[7]何希才．传感器及其应用实例[M]．北京：机械工业出版社，2004.6
[8]贺廉云．单片机液位控制系统[J]．山东：德州学院机电工程系，2008.8
[9]丁明亮.单片机原理及应用—基于Keil.c与Proteus[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009.2
[10] 百度百科，百度文库等.