基于单片机的水位控制系统设计

题 目 名 称      单片机水位控制系统课程设计     

课 程 名 称                                     

学 生 姓 名                                     

学       号                                     

系 、专  业                                     

指 导 教 师                                     

                                年   月    日

任务书

2．此表1式3份，学生、指导教师、教研室各1份。

四、参考资料和现有基础条件（包括实验室、主要仪器设备等）

1、THKSCM-1行单片机试验系统实验指导书、KEIL软件，WAVE软件

附件3

评阅表

学生姓名                                      学    号                                 

系                                            专业班级                             

题目名称                                      课程名称                                                 

一、学生自我总结

     经过这次的编程学会很多平时没注意的东西。在这次的编程中也看到自己的不足，作为一个初学者有很多的不明白处。毕竟所掌握的有限，知道的不多。在此次编程中遇到很多的问题，通过与同学的协商合作一一解决。很高兴这次的编程给了机会，能够提高自己的实力。看到自己的不足之处……….

                                学生签名：                            

2、表中的“评分项目”及“权重”根据各系的考核细则和评分标准确定。

摘   要.......................................................................................................6

0引言........................................................................................................6

1、几种方案的比较..................................................................................6

1.1 简单的机械式控制方式  ............................................................6

1.2   复杂控制器控制方案...............................................................6 

1.3通过水位变化上下限的控制方式..............................................6

2、水塔水位控制原理 ..............................................................................6

3、电路设计

    3.1 水位检测接口电路.....................................................................8

    3.2报警接口电路..............................................................................8

    3.3  存储器扩展接口电路.................. ............................................9

4、系统软件设计......................................................................................9

4.1  流程图.........................................................................................9

4.2程序............................................................................................10

5、实验仿真.............................................................................................11

6、结语….................................................................................................11

7、参考文献….............................................................................................11

0摘要

随着微电子工业的迅速发展，单片机控制的智能型控制器广泛应用于电子产品中，为了使学生对单片机控制的智能型控制器有较深的了解。经过综合分析选择了由单片机控制的智能型液位控制器作为研究项目，通过训练充分激发学生分析问题、解决问题和综合应用所学知识的潜能。另外，水位控制在高层小区水塔水位控制，污水处理设备和有毒，腐蚀性液体液位控制中也被广泛应用。通过对模型的设计可很好的延伸到具体应用案例中。设计一种基于单片机水塔水位检测控制系统。该系统能实现水位检测、电机故障检测、处理和报警等功能，实现超高、低警戒水位报警，超高警戒水位处理。介绍电路接口原理图，给出相应的软件设计流程图和汇编程序，并用Proteus软件仿真。实验结果表明，该系统具有良好的检测控制功能，可移植性和扩展性强。

关键词：单片机；水位检测；控制系统；仿真

引言

     水塔供水的主要问题是塔内水位应始终保持在一定范围，避免“空塔”、“溢塔”现象发生。目前，控制水塔水位方法较多，其中较为常用的是由单片机控制实现自动运行，使水塔内水位保持恒定，以保证连续正常地供水。实际供水过程中要确保水位在允许的范围内浮动，应采用电压控制水位。首先通过实时检测电压，测量水位变化，从而控制电动机，保证水位正常。因此，这里给出以Atmel公司的ATC5l单片机为核心器件的水塔水位检测控制系统仿真设计，实现水位的检测控制、电机故障检测、处理和报警等功能，并在Proteus软件环境下实际仿真。实验结果表明，该系统具有良好的检测控制功能，可移植性和扩展性强。

1设计方案比较说明系

      对于水位进行控制的设计方式有很多，而应用较多的主要有3种，三种方式的实现如下：

1.1简单的机械式控制方式。

其常用形式有浮标式、电极式等，这种控制形式的优点是结构简单，成本低廉。存在问题是精度不高，不能进行数值显示，另外很容易引起误动作，且只能单独控制，与计算机进行通信较难实现。

   1.2复杂控制器控制方式。

这种控制方式是通过安装在水泵出口管道上的压力传感器，把出口压力变成标准工业电信号的模拟信号，经过前置放大、多路切换、A／D变换成数字信号传送到单片机，经单片机运算和给定参量的比较，进行PID运算，得出调节参量；经由D／A变换给调压／变频调速装置输入给定端，控制其输出电压变化，来调节电机转速，以达到控制水塔水位的目的。

1.3通过水位变化上下限的控制方式。

这种控制方式通过在水塔的不同高度固定不动的3根金属棒ABC，以感知水位的变化情况。其中，A棒处于下限水位，C棒处于上限水位，B棒在上﹑下限水位之间。A棒接+5V电源，B棒﹑C棒各通过一个电阻与地相连。 

针对上述3种控制方式，以及设计需达到的性能要求，这里选择第三种控制方式。最终形成的方案是，利用单片机为控制核心，设计一个对供水箱水位进行监控的系统。当水塔水位下降至下限水位时，启动水泵；水塔水位上升至上限水位时，关闭水泵；水塔水位在上、下限水位之间时，水泵保持原状态；供水系统出现故障时，自动报警；故障解除时，水泵恢复正常工作。

2 水塔水位控制原理

      单片机水塔水位控制原理如图l所示，图中的虚线表示允许水位变化的上、下限位置。在正常情况下，水位应控制在虚线范围之内。为此，在水塔内的不同高度处，安装固定不变的3根金属棒A、B、C，用以反映水位变化的情况。其中，A棒在下限水位，B棒在上、下限水位之间，C棒在上限水位(底端靠近水池底部，不能过低，要保证有足够大的流水量)。水塔由电机带动水泵供水，单片机控制电机转动，随着供水，水位不断上升，当水位上升到上限水位时，由于水的导电作用，使B、C棒均与+5 V连通。因此b、c两端的电压都为+5 V即为“1”状态．此时应停止电机和水泵工作，不再向水塔注水；当水位处于上、下限之间时，B棒和A棒导通，而C棒不能与A棒导通，b端为“1”状态，c端为“0”状态。此时电机带动水泵给水塔注水，使水位上升，还是电机不工作，水位不断下降，都应继续维持原有工作状态；当水位处于下限位置以下时，B、C棒均不能与A棒导通，b、c均为“0”状态，此时应启动电机转动，带动水泵给水塔注水。

3 电路设计

      水塔水位控制系统主要由CPU(ATC51)、水位检测接口电路、报警接口电路、存储器扩展接口电路、复位电路、时钟振荡等部分组成，如图2所示。图3为系统硬件电路。

3.1 水位检测接口电路

      为了便于实现水位检测功能，用一个两位的拨码开关模拟b、c端的状态(1、0)，正电极接+5 V电源，每个负电极分别通过4．7 kQ的电阻(尺1，R2)接地。将单片机的P1．0端口接开关1，P1．1端口接开关2。假设被水淹没的负电极都为高电平，此时开关置1；露在水面的负电极都为低电平，开关此时置为0。单片机通过负电极重复采集检测水位，当缺水时(此时两个开关均置0)，电机必须带动水泵抽水；若水位在正常范围内时，检测信号为高，低电平(此时开关1置1，开关2置0)；当水位过高时，检测信号为高电平(此时开关l和2都置1)，单片机检测到P1．0和P1．1为高电平后，立即停机。

   3.2 报警接口电路

      为了避免系统发生故障时，水位失去控制造成严重后果，在超出、低于警戒界水位时，报警信号直接从高、低警界水位电极获得。单片机P1．7端口为启动电机命令输出端口，P1．7=0为低电平，经过非门后与电机的另一端接地导通，启动电机工作；P1．7=l为高电平，反之，电机停止工作。电机故障报警由单片机控制，电机故障报警信号由P1．0和P1．1输人．当P1．5为高电平时蜂鸣器报警。水位超过高警戒水位，单片机控制系统使电机停止转动，向水塔内供水工作也停止。

 3.3 存储器扩展接口电路

      为了便于系统扩展，存放大容量应用程序，系统设计扩展一片程序存储器，用于存放源程序代码。74LS373用于锁存地址，单片机的P0．0～P0．7通过复用方式分别接锁存器74LS373的DO～D7和存储器2732的D0～D7端，地址锁存信号线ALE接锁存器的OE端，通过软件设置实现地址和数据信息的传输，锁存器的输出端OQ0～O7与存储器地址线A0～A7相连，剩余的3根地址线A8～A11接P2．0～P2．2．单片机选通引脚丽接存储器OE端，因只扩展一片存储器，片选端CE接地。

4系统软件设计

4.1  流程图 

     当水塔水位处于上、下限之间时，P1．0=l，P1．1=0，此时无论电机是在带动水泵给水塔供水使水位不断上升．还是电机没有工作使水位不断下降，都应继续维持原有工作状态；当水位低于下限时，P1．0=0，P1．1=0，此时启动电机转动，带动水泵给水塔供水。水位检测信号与输出控制操作关系如表1所列，图4为水塔水位控制程序流程。

  4.2程序

          ORG        0030H

LOOP:    ORL        R1 ﹐  #03H    ;为检查水位状态准备

          MOV       A  ﹐ P1

          JNB        ACC.0 ﹐ ONE    ；P1.0=0则转

          JB         ACC.1  ﹐ TWO    ； P1.1=1则转

BACK:    ACALL     D10S    ；延时10s

          AJMP      LOOP

ONE:      JNB       ACC.1 ﹐THREE    ；P1.1=0则转

           CLR       95H    ；0→P1.5,启动报警装置

           SETB      97H    ；1→P1.7,停止电机工作

FOUR:     SJMP      FOUR

THREE:    CLR       97H    ；启动电机

           AJMP      BACK

TWO:      SETB      97H    ；停止电机工作

           AJMP      BACK

     延时子程序D10S（延时10s）:

          ORG        0100H

D10S:     MOV        R3 ﹐  #19H

LOOP:     MOV       R1 ﹐  #85H

LOOP1:    MOV       R2 ﹐ #0FAH

LOOP2:    DJNZ       R2 ﹐ LOOP2

           DJNZ       R1 ﹐ LOOP1

           DJNZ       R3 ﹐ LOOP3

            RET           

5 实验仿真结果

      根据所设计系统的软件流程图，编写相应的程序在Proteus软件环境下实际仿真，实验结果表明，该系统能成功实现了水位检测、电机故障检测、处理和报警等功能，具有良好的检测控制功能，可移植性和扩展性强。通过制作PCB板子，该系统已成功运用于某实验的水冷却系统。

6 结语

      该系统设计是基于在单片机嵌入式系统而设计的，充分利用单片机强大控制功能和方便通信接口，该检测控制系统在实验室某实验水冷却系统得到成功实践，实现水位检测、电机故障检测、处理和报警等功能，提高了实验的自动控制能力。进一步优化系统软硬件设计，可为实时实现远端控制，因此，该系统在农村水塔，城市水源检测控制等领域有着广阔的应用前景。

7参考文献

  李朝青.单片机原理及接口技术（第三版）.北京：北京航空航天大学出版社，2005