1、 1 / 29湖南科技工业职业技术学院毕业设计论文设计课题： 水位监控系统 班 级： 姓 名： 学 号： 专 业： 机电一体化 教 研 室： 指导老师： 杨可以 联系电话： E-mail： (水位监测系统)2 /29水位监控系统目录摘要31 前言41.1 课题背景41.2 国内外研究的现状41.3 使用单片机实现水体液位控制的优点51.4 系统的总体研究方案51.4.1 系统硬件总体方案51.4.2 系统软件总体方案61.4.3 设计的研究进程62 系统硬件设计72.1 核心芯片 AT98C51 单片机72.2 液位传感器设计102.3 压力传感器的基本特性 132.4 ADC0832 A/D
2、 转换器162.4.ADC0832 转换芯片182.5.LED 显示管的设计203 软件的设计223.1 软件设计流程图 233.2 水位检测的主程序. 244 结论26致谢27参考文献 28毕业设计论文3 / 29科工的学弟，只能借鉴，你老师那里有档案。摘要本文主要设计了一种液位控制器，它以 AT89C51 作为控制器，通过AT89C51 单片机和模数转换器等硬件系统和软件设计方法，实现具有液位检测报警和控制双重功能，并对液位值进行显示。本系统是基于单片机的液位控制，在设计中主要有水位检测、按键控制、水位控制、显示部分、故障报警等几部分组成来实现液位控制。主要用水位传感器检测水位，用六个控制
3、按键来实现按健控制，用三位 7 段 LED 显示器来完成显示部分，用变频器来控制循环泵的转速，并且通过模数转换把这些信号送入单片机中。把这些信号与单片机中内部设定的值相比，以判断单片机是否需要进行相应的操作，即是否需要开启补水泵或排水泵，来实现对液面的控制,从而实现单片机自动控制液面的目的。本设计用单片机控制，易于实现液位的控制,而且有造价低、程序易于调试、一部分出现故障不会影响其他部分的工作、维修方便、等优点。关键词： AT89C51 单片机; 模数转换; 水位控制; 自动控制1 前言1.1 课题背景液位控制系统是以液位为被控参数的控制系统，它在工业生产的各个领域都有广泛的应用。在工业生产过
4、程中，有很多地方需要对容器内的介质进行液位控制，使之高精度地保持在给定的数值，如在建材行业中，玻璃窑炉液位的稳定对窑炉的使用寿命和产品的质量起着至关重要的作用。液位控制一般指对某一液位进行控制调节，使其达到所要求的控制精度。液体的液位的自动控制,是近年来新开发的一项新技术,它是微型计算机软件、硬件、自动控制等几项技术紧密结合的产物,工程作业采用的是微机控制和原有的仪表控制,微机控制有以下明显优势:1)直观而集中的显示各运行参数,能显示液位状态。(水位监测系统)4 /292)在运行中可以随时方便的修改各种各样的运行参数的控制值,并修改系统的控制参数,可以方便的改变液位的上限、下限。3) 具有水体
5、控制过程的自动化处理以及监控软件良好的人机界面，操作人员在监控计算机上能根据控制效果及时修运行参数，这样能有效地减少工人的疲劳和失误，提高生产过程的实时性、安全性综合以上的种种优点可以预见采用计算机控制系统是行业的大势所趋。单片机是在一块芯片上集成了一片微型计算机所需的 CPU、存储器、输入、输出等部件。单片机自问世以来,性能不断提高和完善,体积小、速度快、功耗低的特点使它的应用领域日益广泛。一般,工业控制系统的工作环境差,干扰强,利用单片机控制就能克服这些缺点,因此单片机在控制领域得到广泛的应用,使用单片机控制液体液位是很好的选择。1.2 国内外研究的现状目前我国在单片机测控装置研究、生产、
6、应用中,取得了很大的成绩,总结了很多经验,但是各行业仍处于发展期,经调查,更多科研究所在这方面开展的工作更看重的是理论和算法,数年来这方面的研究的论文较多,着重生产实际的很少。在上海,新型的单片机测控装置与系统研究的生产基础较雄厚,在生产过程中需要新型的测控装置与系统,因此在不断的努力研究与开发。上海的工程技术研究人员更着重的是生产实际研究,对理论、算法和成果的论文较少;深圳在研制新型的测控装置与系统领域也比较有成就,尽管与其他国家比较尚有差距,但是,深圳的高校、研究院所的最大的特点就是实际,与生产实际应用项目无关的问题基本不去考虑,主要考虑选取什么材料,测控什么物理量,优点是什么,与机器设备
7、的通讯接口等等。一些发达国家在单片机新型系统研究、制造和应用上,已积累了很多经验,奠定了基础,进入了国际市场。我国在新型测控装置与系统研究、制造、应用和经验上,与其他发达国家相比还存在差距,但是我国的研究人员已经克服很多困难,并在不断的摸索中前进,有望在相关领域赶上甚至超过发达国家的技术水平,这是发展趋势。1.3 使用单片机实现水体液位控制的优点毕业设计论文5 / 29使用单片机实现水体液位控制具有较高的实用价值和稳定性好等特点。采用高亮二极管和光敏三级管所组成的液位传感器测量水位，可有效保证水位的自动控制，能更好地对水体水位进行自动化控制,避免了工作人员在现场进行检测操控,方便了人员对液位系
8、统的控制,控制方便且系统稳定性能好；单片机不仅有体积小，安装方便，功能较齐全等优点，而且有很高的性价比，应用前景广，同时有助于发现可能存在的故障，通过微机实现给水系统的自动控制与调节，维持稳定系统，保证安全经济运行。本文就是采用8051单片机为核心芯片的一种水体水位控制系统，具有较高的实用价值和优越性。本系统与PLC 控制系统相比大大降低了使用成本,提高了控制运行速度。根据仿真模拟运行的结果表明,该系统能很好的运行,将液位控制在给定的范围内,对过高和过低进行安全报警,稳定性能好,容易操作和控制,保证了生产的正常进行。1.4 系统的总体研究方案本设计是采用8051单片机为核心芯片,及其相关硬件来
9、实现的水体液位控制系统,在用液位传感器测液位的同时, CPU循环检测传感器输出状态,并用3位七段LED显示示液位高度,检测液位数据,实施报警安全提示,当水体液位低于用户设定的值时,系统自动打开泵上水,当水位到达设定值时,系统自动关闭水泵或打开排水泵。1.4.1 系统硬件总体方案系统的原理是采用高亮二极管和光敏三级管所组成的液位传感器对液面进行控制,通过四对传感器分别安装在现场的四个不同的位置，由上至下测量水体的液位值,。并把这四个液位状态通过模数转换器 ADC0809 传到单片机中,在通过 3 位七段 LED 显示器显示出液位的四种状态及报警安全提示。用 LED 显示是因为它具有显示清晰、亮度
10、高、使用电压低、光电转换效能高、寿命长等特点，根据当前的液位值和用户设定的水位决定是否进行开、关水泵,需要是否开启和关闭驱动阀门的电动机。本设计主要运用了液位传感器测液位,第三章将着重介绍。1.4.2 系统软件总体方案水位检测是通过四对由高亮二极管和光敏三极管所组成的液位传感器分别安装在四个不同的位置，由上至下四个输出端口分别接单片机的(水位监测系统)6 /29P1.0、P1.1、P1.2、P1.3口，实时对水位进行检测。当水位到达某一光敏三极管的位置时，其输出端口就向单片机输出高电平；当水位低于此光敏三极管的位置时，其输出端口就向单片机输出低电平。由上至下的第一个位置为水位上限报警线，即当水
11、位高于此位置时，开水阀控制系统就会自动报警，提醒工作人员注意，加水电磁阀有可能出故障；第二个位置是自动停止加水线，即当水位高于此位置时，控制系统会自动关闭加水电磁阀，停止加水；第三个位置是自动加水线，即当水位低于此位置时，控制系统会自动接通加水电磁阀，开始加水；第四个位置是水位下限报警线，即当水位低于此位置时，控制系统就会自动报警，提醒工作人员注意，加水电磁阀可能出故障。本系统所使用的传感器性能稳定,测量准确,大大简化现场安装,具有较高的性价比,有较大的工程应用价值,而且利用计算机与组态软件技术对工业生产过程进行自动控制有着重要的意义。其优越性主要在于：首先，通过对水体液位进行的简易方便的操纵
12、，可以准确得控制水泵进行添加水或放水以适应工作的需要，操作简单，经济效益好。其次，水体控制过程的自动化处理以及监控软件良好的人机界面，操作人员在监控计算机上能根据控制效果及时修运行参数，这样能有效地减少工人的疲劳和失误，提高生产过程的实时性、安全性。随着计算机控制技术应用的普及、可靠性的提高及价格的下降，工业以及其他方面的微机控制必将得到更加广泛的应用。1.4.3 设计的研究进程本设计第二章对系统进行硬件分析,主要介绍了本设计所使用的核心芯片AT89C51,重要对其端口进行介绍,介绍其功能与用途,还介绍了液位传感器、数模转换ADC0832、执行设备、LED显示和报警装置,介绍了他们的原理、结构
13、和电路连接，另外我着重介绍了本设计所使用的传感器,因为传感器的性能在整个系统中起着非常重要的作用,尤其对检测精确度起着重要的作用。第三章我介绍了整个系统的软件设计。2 系统硬件设计广泛的液位控制系统包括对水体的液位，压力等的控制，本系统只侧重于介毕业设计论文7 / 29绍液位的控制。液位控制是利用由高亮二级管和光敏三级管所组成的液位传感器，把液位的状态转换成模拟信号,再通过模数转换器ADC0832把输出状态直接接到单片机的I/O 接口，单片机经过运算控制，输出数字信号，输出接口接LED进行显示,实现液位的报警和键盘的显示与控制；下图即是液位控制系统：图 2-1 基于单片机的液位控制系统 由上图
14、可观察到传感器通过对液面进行测量，输出模拟信号，再通过模数转换器把输入的模拟信号转换成数字信号，通过 AT89C51 单片机的运算控制，在通过 LED 进行显示 ,通过报警装置进行报警 ,报警显示之后再通过对阀门的开启实现对水体的液位进行调节控制,阀门的驱动设备是电动机。计算机芯片 MCS-51 是一个电脑晶片,英特尔公司生产系列。它是在 MCS-48系列的基础上发展的高性能的 8 位单片机。所出的系列产品有8051、8031、8751。其代表就是 AT89C51。其他系列的单片机都以它为核心,所以本设计采用的核心芯片是 AT89C51 单片机。CPU 是它的核心设备,从功能上看,CPU 包括
15、两个部分:运算器和控制器 ,它执行对输入信号的分析和处理。控制执行装置CPULED 显示其他装置传感器(水位监测系统)8 /29整个系统电控部分以 ATMEL 公司的 AT89C51 为核心芯片，控制信号采集、处理、输出三个过程。这种芯片内置 4KEPROM，因为系统要求控制线较多，如果采用 AT89C51 外置 EPROM 程序控制结构，则造成控制线不够；而 AT89C51却可以利用 P0、P2 口作控制总线，大大简化了硬件结构，并可以直接控制键盘参数输入、LED 数据显示，方便现场调试和维护，使整个系统的通用性和智能化得到了很大的提高。系统的原理是采用液位式传感器测量液体的液位值,通过单片
16、机的转换与分析在 LED 上显示及输出控制;根据当前的液位值和用户设定的水位决定是否进行开关电动机，否到达危险高、低水位,需要关闭电动机。2.1 核心芯片 AT89C51 单片机单片机是早期 Single Chip Microcomputer 的直译，它反映了早期单片机的形态和本质。然后，按照面向对象，突出控制功能，在片内集成了许多外围电路及外设接口，突破了传统意义上的计算机结构，发展成 microcontroller 的体系结构，目前国外已普遍称之为微控制器MCU（Microcontroller Unit） 。鉴于它完全作嵌入应用，故又称为嵌入式微控制器(Embedded Microcont
17、roller)。大多数单片机采用哈佛（Harvard）结构体系，即数据存储空间与程序存储空间相互独立的结构体系。它不同于一般通用计算机系统结构，即程序和数据共用一个空间的冯诺伊曼(Von Neumann)结构。AT89C51 单片机温度测控仪采用 Atmel 公司的 AT89C51 单片机，采用双列直插封装（DIP ） ，有 40 个引脚。该单片机采用 Atmel 公司的高密度非易失性存储技术制造，与美国 Intel 公司生产的 MCS51系列单片机的指令和引脚设置兼容。其主要特征如下：8 位 CPU内置 4K 字节可重复编程 Flash，可重复擦写 1000 次完全静态操作：0Hz24Hz
18、，可输出时钟信号三级加密程序存储器128B8 的片内数据存储器(RAM)32 根可编程 I/O 线2 个 16 位定时/计数器毕业设计论文9 / 29中断系统有 6 个中断源，可编为两个优先级一个全双工可编程串行通道可编程串行 UART 通道具有两种节能模式：闲置模式和掉电模式（1）单片机的基本组成 它由 CPU 、存储器（包括 RAM 和 ROM ）、 I/O 接口、定时 /计数器、中断控制功能等均集成在一块芯片上，片内各功能通过内部总线相互连接起来。 输入 / 输出引脚 P0、P1、P2、P3 的功能：图 2-1 为 AT89C51 的引脚图：图 2-1 AT89C51 的引脚图P0 口（
19、P0.0 -P0.7）：P0 口是一个 8 位漏极开路型双向 I/O端口。在访问片外存储器时，它分时作低 8 位地址和 8 位双向数据总线用。在 EPROM 编程时，由 P0 输入指令字节，而在验证程序时，则输出指令字节。验证程序时，要求外接上拉电阻。 P0 能以吸收电流的方式驱动 8 个 LSTTL 负载。在 Flash 编程时，P0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。(水位监测系统)10 /29P1 口（P1.0-P1.7（1-8 脚）: P1 口是一上带内部上拉电阻的8 位双向 I/O 口。在 EPROM 编程和验证程序时，由它输入低 8 位地址。
20、P1 能驱动 4 个 LSTTL 负载。 在 AT89C51 中， P1. 0 还相当于专用功能端 T2 ，即定时器的计数触发输入端； P1. 1 还相当于专用功能端 T2EX ，即定时器 T2的外部控制端。Flash 编程和程序校验期间，P1 接收低 8 位地址。P2 口（P2.0-P2.7（21-28 脚）：P2 也是一上带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平。在访问外部存储器时，由它输出高 8 位地址。在对EPROM 编程和程序验证时，由它输入高 8 位地址。 P
21、驱动 4 个LSTTL 负载。在访问外部程序存储器或 16 位地址的外部数据存储器（例如执行 MOVX DPTR 指令）时，P2 口送出高 8 位地址数据。在访问 8 位地址的外部数据存储器（例如执行 MOVX RI 指令）时，P2 口线上的内容（也即特殊功能寄存器 SFR 区中 R2 寄存器的内容），在整个访问期间不改变。Flash 编程或校验时，P2 亦接收高位地址和其它控制信号。P3 口 （ P3.0-P3.7（10-17 脚）：P3 口 是 一 组 带 有 内 部 上 拉 电阻 的 8 位 双 向 I/O 口 。 P3 口 输 出 缓 冲 级 可 驱 动 （ 吸 收 或 输 出 电 流
22、 ）4 个 TTL 逻 辑 门 电 路 。 对 P3 口 写 入 “1”时 ， 它 们 被 内 部 上 拉 电阻 拉 高 并 可 作 为 输 入 端 口 。 此 时 ， 被 外 部 拉 低 的 P3 口 将 用 上 拉 电阻 输 出 电 流 （ IIL） 。 P3 口 除 了 作 为 一 般 的 I/O 口 线 外 ， 更 重 要 的 用 途 是 它 的 第 二 功能 ， 如 表 1-1 所 示 ：表 1-1 AT89C51 的 P3 口特殊功能口管脚 备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断 0）P3.3 /INT1（外部中断 1）P3.4 T0（定时/计数器 0 外部输入）
