搜索
单片机高塔水位控制系统本课程设计要求：在高塔的内部我们设计一个简易的水位探测传感器用来探测三个水位，即低水位，正常水位，高水位。低水位时送给单片机一个高电平，驱动水泵加水，红灯亮；正常范围的水位时，水泵加水，绿灯亮；高水位时，水泵不加水，黄灯亮。本设计过程中主要采用了传感技术、单片机技术、光报警技术以及弱电控制强电的技术。技术参数和设计任务：1、利用单片机AT89C2051实现对高塔进行水位的控制；2、把水位探测传感器探得高塔中的水位送给单片机以实现对水泵加水系统和显示系统的控制；3、光报警显示系统电路，采用不同颜色的发光二极管来表示不同的水位情况4、水泵加水电路由继电器进行控制；5、分析工作原理，绘出系统结构原理图及流程图；一、本课程设计系统概述1、系统原理当水位处于低水位的时候，传感器的低水位探测线没被+5V的电源导通进入稳压电路经过处理在稳压电路的输出端有一个高电平，送入单片机的P1.0口，另一个稳压电路输出的高电平进入单片机的P1.1口单片机经过分析，在P1.2口输出一低电平，驱动红灯亮，P1.5出来一个信号使光电耦合器GDOUHE导通，这样继电器闭合，使水泵加水；当水位处于正常范围内时，水泵加水，在P1.3引脚出来一个低电平，使绿灯亮；当水位在高水位区时，传感器的两根探测线均被导通，均被+5V的电源导通，送入单片机，单片机经过分析，在P1.4引脚出来一个低电平，使黄灯亮，在P1.5端出来一个低电平不能使光电耦合器导通，这样继电器不能闭合，水泵不能加水；当三灯闪烁表示系统出现故障。2、系统结构图电源电路水塔模型水箱水泵加水系统显示系统水位检测传感器稳压电路单片机AT89C2051图1系统结构图采用单片机AT89C2051作为我们的控制芯片,主要工作过程是当高塔中的水在低水位时,水位探测传感器送给单片机一个高电平,然后单片机驱动水泵加水和显示系统使红灯变亮;当水位在正常范围内时,水泵加水,绿灯亮,;当水位在高水位时,单片机不能驱动水泵加水,黄灯亮。3、控制方案说明这个方案中使用了单片机处理，单片机技术是信息时代用于精密测量的一种新技术。此系统使用过程中采用稳压电路能够准确地把输入的电平送给单片机不会产生误判的情况,由于AT89C2051单片机有四端口，20引脚能够非常方便地设计显示系统。4、系统组成及原理本系统由电源电路、水位探测传感电路、稳压电路、单片机系统、光报警显示电路、继电器控制水泵加水电路、以及高塔模型组成。主电气原理图如下：RST1(RXD)P3.02(TXD)P3.13XTAL24XTAL15(INT0)P3.26(INT1)P3.37(T0)P3.48(T1)P3.59GND10VCC20P1.719P1.618P1.517P1.416P1.315P1.214P1.1(AIN1)13P1.0(AIN0)12P3.711U1AT89C2051Q5NPNQ4NPNR13100KR12100R112KP1.1+5VP1.1Q5NPNQ4NPNR6100KR5100R42KP1.0+5VD6DIODED5DIODE123K2CON3+5VR21KR31K+5VR11KC310uFSW-PBY112MHZC233pFC133pF+5VD10YELLOWD9GREEDD8REDR161KR141KR151K+5VD4D2C50.1uFC60.1uFC70.01uF123J1CON3Vin1GND2Vout3U27805Vin1GND2Vout3U17812C41000uFU3GDOUHEJUMPRELAY-SPDTV1VSIND3D1GND5V12V123K1CON3R91KR82KR72KR1010KD7Q3NPN+5V+5VQ012Q19Q28Q311MS16MS27MR12MR23CLK014CLK1U27490C147uFC40.1uFTRIG6CVolt3R4XDCC145DIS1THR2GND7U3ANE556R210KR110kR44.7kR61kR51kR310k+5V+5VC30.01uFA1B2Y3UIA7432C20.01uFU407-02-01P1.6RESET工作原理：当水位处于低水位的时候，传感器的低水位探测线没被+5V的电源导通进入稳压电路经过处理在稳压电路的输出端有一个高电平，送入单片机的P1.0口，另一个稳压电路输出的高电平进入单片机的P1.1口单片机经过分析，在P1.2口输出一低电平，驱动红灯亮，P1.5出来一个信号使光电耦合器GDOUHE导通，这样继电器闭合，使水泵加水；当水位处于正常范围内时，水泵加水，在P1.3引脚出来一个低电平，使绿灯亮；当水位在高水位区时，传感器的两根探测线均被导通，均被+5V的电源导通，送入单片机，单片机经过分析，在P1.4引脚出来一个低电平，使黄灯亮，在P1.5端出来一个低电平不能使光电耦合器导通，这样继电器不能闭合，水泵不能加水；当三灯闪烁表示系统出现故障。二、硬件设计1、单片机最小系统电路设计AT89C2051是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含2kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大at89c2051单片机可为您提供许多高性价比的应用场合。本设计中单片机采用AT89C2051，它是一种高性能低价格单片机。引脚(20个)和指令系统与8031单片机完全兼容。片内有2K字节的闪速程序存储器(采用电擦除编程,可重复编程1000次,数据可保10年),除没有P0口、P2口外,具有8031所有功能结构,即一片AT89C2051相当于8031、373、2716组成的最小系统。用它构成的测量、控制系统具有电路简单、可靠性好、体积小和成本低等优点。AT89C2051的P1口为八位双向I/O口,P1.2～P1.7有内部上拉电阻,P1.0与P1.1无内部上拉电阻。P1.0与P1.1具有第二功能,分别作为片内精密比较器的同相、反相输入端。P1口输出驱动器能提供20mA的灌电流驱动能力,其锁存器写1时可作为输入口。AT89C2051的P3口为七位双向I/O口,有内部上拉电阻,P3口输出驱动器能提供20mA灌电流驱动能力,其锁存器写1时可作输入口。P316作为输入线与片内精密比较器输出端在片内相连,故无引出线,但可读该位的值。P310～P315的第二功能与8031P3口相应口线的第二功能完全相同。综上所述,P1和P3口中的各口线可直接驱动发光二极管,不用再配置发光二极管驱动电路,P1.0与P1.1具有第二功能,不用再配置比较器,从而简化了控制电路的结构。RST1(RXD)P3.02(TXD)P3.13XTAL24XTAL15(INT0)P3.26(INT1)P3.37(T0)P3.48(T1)P3.59GND10VCC20P1.719P1.618P1.517P1.416P1.315P1.214P1.1(AIN1)13P1.0(AIN0)12P3.711U1AT89C2051+5VR11KC310uFSW-PBY112MHZC233pFC133pF+5V图2最小系统电路图2、水位检测传感器的选用传感器是一种能感受被测物体物理量并将其转化为便于传输或处理的电信号的装置，在现代科技领域中，传感器得到了广泛应用，各种信息的采集离不了各种传感器，传感器的基本功能在于能感受外界的各种“刺激”并作出迅速反映。本设计当中我们采用的水位探测传感器简单易做，经济实惠。其外形轮廓如下：+5vAB图3水位探测传感器外观图A为接+5V电源的线与水一直保持连通，B线为低水位控制线，当水位到达低水位的时候它不导通，水在正常范围内时，它导通。C线为高水位控制线，当它导通时，表示水已经为高水位。本设计中采用了细铜线作为我们的传感器的材料。主要考虑了(1)细铜线的电阻率比较低，这样就可以避免由于电阻过大而使输出的电平过低，以致不能很好地驱动单片机工作(2)传电性能比较好，传电速率比较快，也就是说灵敏性非常好。(3)细铜线便宜易找。本传感器的尺寸是A线是30CM，B线是20CM，C线是15CM，铜线直径是15MM。3、稳压电路的设计本电路的主要作用是使从传感器输出的电平能够稳定地输入单片机中，主要由三极管的两极放大稳定电路组成，其工作过程是水位探测传感器把探测到的电信号送给R12,如果送入的是高电平则R11、Q5、D3、Q4导通把低于1.4V的低电平稳定地送给单片机。如果是低电平送给R12则R11、Q5、D3、Q4均不能导通二是R13导通将把高于1.4V的高电平稳定的送给单片机。我查找了相关资料以及我们自己在设计过程当中免去此稳定电路,发现有时候也能实现我们的设计目的,但是也有很多时候发生水位误判的情况,产生不稳定现象,所以我们认为此电路是不可缺少的。既然是控制系统,当然就要控制精确。Q5NPNQ4NPNR13100KR12100R112KD3DIODEP1.0图4稳压电路原理图4、光报警电路的设计发光二极管（LED）是用半导体材料制作的正向偏置的PN结二极管。其发光机理是当在PN结两端注入正向电流时，注入的非平衡载流子（电子－空穴对）在扩散过程中复合发光，这种发射过程主要对应光的自发发射过程。按光输出的位置不同，发光二极管可分为面发射型和边发射型。发光二极管的发光原理同样可以用PN结的能带结构来解释。制作半导体发光二极管的材料是重掺杂的，热平衡状态下的N区有很多迁移率很高的电子，P区有较多的迁移率较低的空穴。由于PN结阻挡层的限制，在常态下，二者不能发生自然复合。，而当给PN结加以正向电压时，沟区导带中的电子则可逃过PN结的势垒进入到P区一侧。于是在PN结附近稍偏于P区一边的地方，处于高能态的电子与空穴相遇时，便产生发光复合。这种发光复合所发出的光属于自发辐射，辐射光的波长决定于材料的禁带宽度Eg。本电路采用不同颜色的发光二极管来表示不同的水位情况。即红灯亮，他两灯不亮表示是低水位状态，此时需要启动水泵加水；绿灯亮，其他两灯不亮表示在正常的水位线内；黄灯发亮，其他两灯不亮为高水位状态，水泵停止加水，三灯闪烁表示系统出现故障。D10YELLOWD9GREEDD8REDR161KR141KR151K+5VP1.4P1.3P1.2图5光报警电路的原理图此电路采用的是共阳极的，所以只有当单片机给发光二极管为低电平时才能推动发光二极管点亮。其中R14、R15、R16为上拉电阻起限压控流作用。5、水泵的介绍水泵是每个家庭必不可少的生活工具，虽然大多数人并没有认识到这一点，但这确是事实。很多人对水泵一无所知。(1)水泵的分类水泵一般多以泵的结构和作用原理来分类，有时根据需要也按使用部门、用途、动力类型和泵的水力性能等进行分类。1）按使用部门分有农业用泵（农用泵）、工作用泵（工业泵）和特殊用泵等。2）按用途分有水泵、砂泵、泥浆泵、污水泵、污物泵、井用泵、潜水电泵、喷灌泵、家用泵、消防泵等。3）按动力类型分有手动泵、畜力泵、脚踏泵、风力泵、太阳能水泵、电动泵、机动泵、水轮泵、内燃水泵、水锤泵等。4）按工作原理分有离心泵、混流泵、轴流泵、旋涡泵、射流泵、容积泵（螺杆泵、活塞泵、隔膜泵）、链条泵、电磁泵、液环泵、脉冲泵等。（2）选择水泵的主要参数水泵参数是指泵工作性能的主要技术数据，包括流量、扬程、转速、效率和比转数等。1）流量（Q）泵的流量是指单位时间内所排出的液体的数量。通常泵的流量用体积计算，以Q表示，单位为米3/时（m3/h）、米3/秒（m3/s）、升/秒（1/s），也可用重量计，以G表示，单位为吨/时（t/h）、吨/秒（t/s）、千克/秒（kg/s）。G与Q的关系：G=r×Qr-液体重度（千克/米3）因水的重量近似1000千克/米3，故1升/秒=3.6米3/时=3.6吨/时2）扬程（H）泵的扬程是指单位重量的液体通过泵所增加的能量。以H表示，实质上就是水泵能够扬水的高度，又叫总扬