智能水塔水位控制系统(改).docx

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1、智能水塔水位控制系统(改)智能水塔水位限制系统 学生姓名：_学生学号：_院（系）：电气信息工程学院 年级专业：电子信息工程指导老师：- 助理指导老师:二 一五年五月本科毕业设计（论文）摘要 I 摘要 随着人们生活水平的不断提高，资源短缺的现象渐渐凸显，其中水资源的 短缺尤为严峻，然而水资源是人们日常生产和生活所不行或缺的，长时间的断 水会给人们的生活带来极大的不便，而水塔的出现能够从肯定程度上解决人们 储水和用水的问题，更好的节约和利用水资源。为更好的解决对水位的实时检测和限制，本文主要论述了基于单片机的智 能水塔水位限制系统的设计。该系统以 STC89C52R 为核心，通过对硬件和软件 部分

2、的设计来达到对水塔水位进行实时监测的要求。其中硬件部分包括液位检 测模块、中心处理模块、显示模块、报警模块、限制模块等的设计；软件部分 主要是依据系统的设计思想画出主程序和子程序流程图， 并利用 keil uVision4 进行 C 语言编程，以实现各部分的编程要求。通过一系列的理论分析和仿真实 验，达到利用单片机对水塔水位进行实时监测， 并显示水位和自动限制的功能。基于本论文中对各模块的基本要求，本系统采纳 STC89C52R 单片机为主控 芯片，利用超声波传感器实时检测水位，并通过 LCD1602 显示。若水位超出设 定的正常范围值，则单片机做出相应的处理，限制继电器驱动电机进行模拟控 制

3、操作，同时通过按键可进行水塔水位上下限的设置，以达到限制系统的设计 目的。关键词 STC89C52R 单片机,超声波传感器 丄 CD1602攀枝花学院本科毕业设计（论文）ABSTRACT II ABSTRACT With the continuous improvement of living standards,the phenonment of the shortage of resources has highlighted.However,the water resources is an in dispe nsable part of peoples daily life and p

4、roduct ion. The lack of water resources will bring inconvenient to people s life.The tower water can solve this problem,and make people save and utilize water resources. In order to detect and control water level,this paper mainly discuss water towers water level con trol system,a n in tellige nt sy

5、stem which can be used to con trol water level .The system uses STC89C52RC as the core, through the part of the design of hardware and software to meet the needs of real-time monitoring.Hardware part in cludes the mode of liquid level detect ing , the mode of the cen tral process ing, and the mode o

6、f displayi ng ,and so on .Besides software part is main ly based on the system desig n thought draw a flow chart of main program and subrouti nes, and in order to realize the programming of each part,the keil uVision4 for C Ianguage program ming is bee n used.Accord ing to theory an alysis and simul

7、ati on show,the system can use STC89C52RC to con trol water tower s water level,a nd not only can it achieve the goals of mani festi ng, but also it can be con trolled automatically. Based on the basic requirements of this paper, the system for the use of ultrasonic sensor module for water level con

8、trol, and the LCD1602 will display them. If water level beyond the normal range,the single chip microcomputer to make corresp onding process in g,a nd to simulate the con trol relay drive the motor operation.Then the buttons set the water level. After that, according to the circuit of relay, it will

9、 drive the control circuit in order to achieve the design of the control system of purpose. Keywords STC89C52RCSingle chip microcomputer,Ultrasonic sensors,LCD1602本科毕业设计（论文）书目 书目 摘要 . I ABSTRACT .II 1 绪论 . 1 1.1 课题背景 . 1 1.2 国内外探讨现状、水平. 1 1.3 本课题的发展趋势 . 2 2 系统总体设计方案. 3 2.1 系统总体设计方案简述. 3 2.1.1 系统基本功能

10、. 3 2.1.2 主要技术参数 . 3 2.2 系统的工作原理. 3 2.3 本课题的设计预期目标. 4 3 系统的硬件设计 . 6 3.1 单片机的选择与其性能分析. 6 3.1.1 单片机概述 . 6 3.1.2 单片机 STC89C52RC 勺介绍. 6 3.1.3 单片机最小系统的介绍. 7 3.2 传感器的选择与其性能分析. 8 3.2.1 超声波传感器 HC-SR04 简介 . 8 3.2.2 HC-SR04 水位检测工作原理. 9 3.3 数据采集电路的设计. 10 3.3.1 水位采集电路 . 10 3.3.2 水位集中采集的理论探讨. 10 3.4 键盘电路与显示部分. 1

11、1 3.4.1 键盘部分 . 11 3.4.2 显示部分 . 12 3.5 报警电路设计. 13 3.5.1 蜂鸣器简介 . 13 3.5.2 蜂鸣器的设计 . 14 3.5.3 蜂鸣器和 LED 灯报警 . 14 3.6 限制部分电路分析 . 15 3.6.1 继电器原理简介 . 15 3.6.2 限制系统的设计原理. 16 3.6.3 限制系统电源电路设计. 17 3.7 单片机与 PC 机的通信接口. 18 3.8 系统总体电路设计. 19 4 软件设计 . 20 4.1 编程语言介绍. 20 4.1.1 C 语言简介 . 20 4.1.2 C 源程序结构特点. 20 4.2 整体设计思

12、想 . 20本科毕业设计（论文）书目 4.3 系统的主要程序框图. 22 4.4 主要程序模块 . 22 4.3.1 水位检测模块程序流程图. 22 4.3.2 数据显示模块程序流程图. 23 5 仿真设计与结果分析 . 24 5.1 仿真软件的简介. 24 5.1.1 仿真软件 Proteus 的简介. 24 5.1.2 keil uVision4 编程开发工具的简介. 24 5.2 本系统的 Proteus 仿真设计 . 25 5.2.1 仿真设计的预期目标. 25 5.2.2 仿真设计的实现 . 25 6 PCB 设计 . 28 6.1 PCB 设计软件. 28 6.1.1 PCB 原理

13、图设计. 28 6.1.2 PCB 板制作方法. 28 6.2 PCB 的 EMC 设计 . 29 6.2.1 元器件布局的基本原则. 29 6.2.2 布线设计原则 . 30 6.3 印制电路板 . 30 6.3.1 印制电路板的结构. 30 6.3.2 印制电路板的种类. 31 6.3.3 印制电路板制作流程. 31 7 组装与调试 . 33 7.1 系统组装 . 33 7.2 硬件调试 . 33 7.3 软件调试 . 34 7.4 硬件软件联合调试. 34 7.5 调试结果 . 34 结论 . 35 参考文献 . 36 附录 1 ：智能水塔水位限制系统源程序代码. 37 附录 2：整体电

14、路图 . 52 附录 3：PCB 原理图 . 51 附录 4: PCB 图 . 51 附录 5 :元件清单 . 53 致 谢 . 错误 ！未定义书签。本科毕业设计（论文）1 绪论 1 1 绪论 1.1 课题背景 随着经济的快速发展，人们生活水平的不断提高，资源短缺的现象渐渐凸 显，其中水资源的短缺尤为严峻，然而水资源是人们日常生产和生活所不行或 缺的，长时间的断水会给人们的生活带来极大的不便，如何更好的节约和利用 水资源成为了亟待解决的问题。水塔的出现能够从肯定程度上解决储水的问题， 而水塔作为了一种重要的储水工具， 一般修建在一些居民区里，以备时常之需 ，同时它也是水厂生产工艺的一个重要组成

15、部分。本课题设计的智能水塔水位控 制系统，正是基于对水塔水位的限制和实时监测的要求， 水位过低，易出现空 塔现象,导致无法正常供水；而水位过高，则会出现溢塔现象，造成水资 源的奢侈。传统的水塔水位限制器多采纳浮球水位限制器 ， 一般运用缆浮球与分管式 浮球,缆浮球适合污水 ， 管式浮球适合清水及粘度不大的液体 ， 其优点是价格适 中,但它属于开关量限制 ， 无法给出实际水位，且浮球上易粘附污物 ， 全部浮球都 有触点接触不良现象 ， 这就可能导致系统失控 ， 调整限制点很不便利。为克服传 统水塔水位限制器的缺点，本课题利用单片机来对水塔水位进行自动限制和实 时监测，大大降低了人工耗费，既节约了

16、利用水塔储水的成本，又使得水塔水 位限制的智能化。水塔水位的限制和检测在水塔的工作过程中尤为重要，水塔储水意在要保 持塔内始终有足够量的储水，以避开空塔和溢塔的出现，该设计即是针对这一 问题，设计出了能够实现对水塔水位的自动检测，实时显示和上下限报警等多 功能的智能水塔水位限制系统。既能够避开运用人工检测水位时耗费的人力也 可以更好的限制水位实现储水功能，因而，在现代水塔供水系统中采纳智能水 位限制是不行避开的趋势。1.2 国内外探讨现状、水平 随着科学技术的不断发展，集成电路规模日益困难化、大型化， 各种困难的 液位限制系统已经成为一个探讨的热点， 并在各个领域得到广泛应用，是生产控 制过程

17、的重要手段。从 20 世纪 80 年头起先 ， 一些发达国家就借助于微电子、计 算机、超声波、光纤等高科技技术使水位检测呈现出集功能、精度和现场于一体 的新水平，使水位检测技术逐步趋于智能化，并在工业部门和检测部门中得到广 泛的应用。水塔水位检测系统主要是对水塔内水位的检测和限制。我国传统的水塔系统 大都采纳精度不高的浮子式水位限制器进行水位的检测， 虽然其价格低廉，但因 无法给出实际的水位且易导致系统失控， 因而为提高水位检测的精确度，在水塔 水位限制系统设计中常采纳非接触式水位检测方法， 利用超声波传感器对水塔水 位进行实时检测，并进行简洁的人工限制，现阶段主要采纳 PLC 水塔水位限制系

18、 统和单本科毕业设计（论文）1 绪论 2 片机水塔水位限制系统。一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动 化、无人化的方向发展。1.3 本课题的发展趋势 水塔水位限制系统已与早期 20 世纪 80 年头在国外掀起设计风潮，而后产生了 利用传感器进行水位检测并利用单片机和 PLC 空制的系统，该系统主要由两部分 组成，第一部分是水塔水位检测系统，其次部分是水塔水位限制系统，以及产生 了水位独立限制系统和水位智能限制系统等， 在水塔水位应用方面取得了不凡的 成果。目前，为提高水位检测的精确度和精度， 多采纳非接触式水位检测法，即 采纳超声波检测法、雷达检测法、射线检测法等。随着现代科技的不断发展

19、，微型单片机已普遍应用于各领域的水位检测系统 中。在水塔水位限制系统中，采纳单片机限制，能够更好的实现其智能化。其控 制系统由中心限制装置、终端限制设备和传感器等组成。先依据实际状况设置出 水塔水位的上下限，存储于单片机中。超声波传感器实时监测水塔水位并向中心 限制装置输送检测到的数据信息，依据中心限制装置的指令输出限制信号，使电 器机械设备执行动作，实现水塔水位的智能限制。当水塔内水位低于设定的下限 时，继电器限制抽水机自动抽水；当水塔水位高于设定的上限时，继电器限制抽 水机停止抽水，这样就能够避开空塔和溢塔现象。水位的限制主要是以 51 单片机为核心，通过超声波传感器对水位进行实时监测，

20、并通过液晶显示器显 示当前水位和已设定的水位上下限。当此系统上电工作后，用户首先通过键盘输 入水塔水位的上下限，单片机系统将用户设置的上下限值保存于芯片中，进入主 程序后，起先以查询的方式检测超声波传感器并将相应的数值通过显示装置显示 输出。当测得的水位小于 （ 或大于 ）设置的下限（或上限）时，单片机将通过控 制输出接口使抽水机起先工作，使水塔内始终有足够的储水。2 系统总体设计方案 2.1 系统总体设计方案简述 本课题的水位限制系统是由数据采集和处理系统、报警系统和显示系统组 成，由超声波传感器，报警电路与显示器等组成。通过对信号的采集、分析、处 理，然后输出信号来使执行部件进行动作， 使

21、水塔内的水位始终保持在肯定的范 围内，以满意储水的要求。2.1.1 系统基本功能 本设计基本功能实现如下：1. 利用超声波传感器实时检测水塔内水位的值；本科毕业设计（论文）2 系统总体设计方案 3 2. 利用 LCD 液晶显示装置显示当前水塔内水位的值； 3. 利用键盘电路设定水塔内水位的正常范围， 假如检测到的水位低于（或高 于）所设定的下限 （ 或上限）值则进行蜂鸣器报警操作，同时 LED 报警灯亮； 4 „水位上下限的设定可依据实际状况利用按键限制，同时超声波传感器到 水塔底部的距离也可通过按键调整，并在显示器上显示； 5.依据所测水位值进行后续限制：当水塔内的水位低于设定的

22、水位下限时， 安装在水塔一侧的继电器限制抽水机进行自动抽水， 以避开空塔给人们日常 生活用水带来的不便；当水塔内水位高于设定的上限时， 继电器断开，抽水机停 止抽水操作，以避开溢塔造成水资源的奢侈。对抽水机的限制采纳自动和手 动两种限制方法，当利用单片机进行自动限制时，若单片机限制出现异样，则断 开自动限制信号，采纳手动限制，以保证水塔内有足够的储水。2.1.2 主要技术参数 水位检测范围 ：10%-90%（依据实际水塔高度而定）；检测精度 ：土 2% 限制方式 ：手动/自动可切换； 参数调整 ：手动设定/程序限制。2.2 系统的工作原理 智能水塔水位限制系统能完成数据的采集和处理、 数据显示

23、、实时报警、输 出限制信号等多种功能。此系统分别由传感器检测、数据分析、 微机限制、后续 限制等四大主要部分组成。该限制系统具有实时检测（检测水塔内的水位值）、 实时处理（对检测到的水位值与所设定的水位上下限进行比较分析， 而后进行下 一步的限制进程）、实时限制（依据数据分析的结果发出限制指令，指挥被控对 象执行动作）的功能。主要硬件包括超声波传感器， STC89C52R（单片机、数据 采集电路、液晶显示器 LCD1602 报警器、限制模块。其原理结构图如下图 2.1 所示。本科毕业设计（论文）2 系统总体设计方案 4 图 2.1 系统的原理结构图设计 首先依据实际的水塔高度，设定水塔内水位的

24、正常范围（可通过按键进行调 整后显示），并将设定好的水位上下限预先存储于单片机中。系统的数据采集部 分是将超声波传感器置于水塔上方，测出塔内的水位值，并将测得的数据送入 STC89C52R 单片机中，然后通过 LCD 液晶显示器显示出水塔水位的测量值和上 下限值。单片机将预先设定好的上下限值与测量值进行比较， 若水位低于下限值， 则单片机限制继电器触点在主电路中闭合， 指示灯亮，限制抽水机进行自动抽水； 若所测水位高于上限值，则单片机限制继电器触点断开，抽水机停止抽水，同时 蜂鸣器进行报警，LED 报警灯亮。在单片机限制出错时切换至手动限制，以避开 空塔和溢塔现象，使水塔内水位始终保持在正常范

25、围内，保证正常的用 水需求。2.3 本课题的设计预期目标 本课题旨在设计出一个基于单片机的水塔水位限制系统， 即为单片机灵能控 制系统，通过按键可进行水塔内水位正常范围的设置 （水位上下限值）以及塔底 距超声波传感器的距离，当水位超过正常范围时（低于水位下限值或高于水位上 限值）进行蜂鸣器报警和报警灯亮操作，再通过单片机限制继电器的断开和闭合 来限制抽水机运转，使水塔水位始终保持在正常范围内。此系统既可以对一个水塔的水位进行限制，也可以扩展为对某区域内的多个 水塔进行限制（涉及到信息的无线发送和接收，在本论文的后半部分会简述）分 别在每个水塔处安装无线发送模块， 在中心限制室中安装无线接收模块

26、，利用单 片机进行相应的限制，以实现节约资源的目的。本课题的设计中对水位的检测采 用超声波传感器 HC-SR04 超声波模块检测到的水位值，可干脆传送至单片机中 进行数据处理。水塔水位的显示则利用 LCD 液晶显示屏，进行实时显示水位值和 水位上下限。对于输入部分，则利用键盘电路，选择 3 个按键，分别是设置、 增加、减本科毕业设计（论文）2 系统总体设计方案 5 少键，通过这些案件进行水塔水位正常范围的调整。为更好的 实现单片机与计算机之间的信息交换，这里利用 STC89C52R 单片机的标准串行 接口，通过一些简洁的外围接口电路，就可以很便利地实现单片机与计算机之间 的数据通信。由于本设计

27、中对数据通信无特别要求， 因此选择 RS-232 串行通信。在接口电路和计算机接口芯片中大都为 CMO 或 TTL 电平,所以在数据通信时 , 需 进行电平的转换 , 而 MAX23 芯片可以实现 RS-232 电平和 TTL 电平之间的互转， 因此在串行通信中多采纳 MAX232 对限制部分而言，主要是对水塔水位进行测 量后，与预先设定的正常范围的水位进行比较， 并实行一些后续限制。后续限制 模块主要由两部分组成：1.当水塔水位低于设定的水位下限时，由单片机限制继 电器闭合同时，从而限制抽水机自动抽水，以保证水塔内有足够的储水。2.当水 塔水位高于上限值时，由单片机限制继电器断开，从而限制抽

28、水机停止抽水，以 防止由于塔内储水的溢出而导致的水资源的奢侈。图 2.2 系统设计概述图本科毕业设计（论文）3 系统的硬件设计 6 3 系统的硬件设计 3.1 单片机的选择与其性能分析 3.1.1 单片机概述 单片机是一种集成电路芯片，它是一种把具有数据处理实力的中心处理器 CPU 随机存储器 RAM 只读存储器 ROM 多种 I/O 口和中断系统、定时器/计时 器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。单片机也称为单 片微型计算机（Single Chip Microcomputer ）。为了便利运用，它把组成计算机 的一些主要功能部件：中心处理器（CPU、数据存储器（RAM、程

29、序存储器（ROM EPROMUPRO 或FLASH、定时/计数器和各种输入/输出接口电路等都集成在一 块半导体芯片上，构成了一个完整的计算机系统。与通用的计算机不同，单片机 的指令功能是根据工业限制的要求设计，因此它又被称为微限制器 （Microc on troller ）。3.1.2 单片机 STC89C52R 的介绍 STC89C52R 是由 STC 公司生产的新一代的高速度、抗干扰强、低功耗的单 片机，它能够完全兼容传统的 51 单片机且其容量更大，价格更加低廉，所以在 实际应用中经常运用。其工作频率一般在 0-40MHZ 之内，相当于一般 51 单片机 的 0-80MHZ 但实际的工作

30、频率可达到 48MHz 左右，用户的应用程序空间在 8K 字节，片上集成 512 字节 RAM 同时该单片机无需专用的编程器和仿真器，可通 过串口干脆下载用户程序。STC89C52R 单片机的工作模式如下： 正常工作模式：典型功耗为 4mA-7mA 空闲模式：典型功耗为 2mA STC89C52R 单片机各管脚安排图如图 3.1 所示。图 3.1 STC89C52RC 管脚图T2EM/P1. 1 P1. 2 P1. 3 P1. 4 P1. 7 RST 筈）CD/FS. 0 TXB/P3, 1 MT0/?3. 2 Jgt;Ti/P3- 3 TO/P3. 4 T13. | 雪 e RD/P3. T

31、 rTALI KTAL1 vss hauALILLaARAilrmlnnmnn*0193s57騎：跖幹3i30MS527齢肝烈532?卸FO. PO. 2/AD2 POL 3/AliJ FO. 4/AS1 PO. E/ADamp; Fh. ST 皮 PL 5/A31 P2-. P2. 3 Ml I F2-. 2/A-JCI P2. HHTSALE/PF.tiG PSE!?j 厂一珂 A 沽本科毕业设计（论文）3 系统的硬件设计 7 各引脚功能简洁介绍如下：1. VCC:供电电压； 2. GND 接地； 3. P0 口：P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口。作为输出端口，每个管脚 可驱

32、动 8 个 TTL 负载，对 P0 口写 T 时，可以作为高阻抗输入。4. P1 口：P1 口是一个内部供应上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 口的输出缓 冲器能驱动（输出或者汲取电流方式）4 个 TTL 输入。5. P2 口：P2 口为一个内部供应上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口的输出缓 冲器可驱动（输出或者汲取电流方式）4 个 TTL 输入，当 P2 口写1时，其管 脚电位被内部上拉电阻拉高，且作为输入口。作为输入口运用时， P2 口的管脚 电位被外部拉低，将输出电流，这是由于内部上拉的原因。6. P3 口：P3 口是一个带内部上拉电阻的 8 为双向 I/O 端口，其输出

33、缓冲器 可驱动（输出或者汲取电流方式）4 个 TTL 输入。7. RST:复位输入。当输入两个连续机器周期以上高电平常为有效，用来完 成单片机的复位初始化操作。8. ALE / PROG :当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存 低 8 位地址的输出脉冲。9. PSEN 外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取址期间，每个 机器周期 PSEN 两次有效。但在访问内部数据存储器时，这两次有效的 PSEN 信号 将不会出现； 10. EA/VPP:当 EA 保持低电平常，访问外部 ROM 加密方式 1 时，EA 将内部 锁定为 RESET 当 EA 端保持高电平常，访问内部 RO

34、M 在 FLASH 编程期间，此引 脚也用于施加 12V 编程电源（VPP）; 11. XTAL1:内部时钟工作电路和反向振荡放大器的输入端； 12. XTAL2:反向振荡器的输入端。3.1.3 单片机最小系统的介绍 单片机最小系统 ， 或者称为单片机的最小应用系统 ， 是指用最少的元件组成 的单片机可以工作的系统。对 51 系列单片机来说，最小系统一般应当包括 ：单片 机、晶振电路和复位电路。复位电路：单片机中的复位电路就似乎是电脑的重启部分， 当电脑在运用过 程中出现死机时，按下电脑的重启按钮即可复原。单片机在运用中也一样，当单 片机系统在运行过程中受到环境干扰出现程序出错的时候， 按下复位按钮即可使 内部的程序自动从头起先执行。晶振电路：51 单片机最小系统晶振的振荡频率