水位控制

摘要

随着社会的发展和人民生活水平的提高，对水位控制提出了

更高的要求，要满足及时、准确、安全保证充足供水。如果仍然

沿用人工方式，劳动强度大，工作效率低，安全性难以保障。这

次课程设计学校要求我们设计一个简易水塔水位控制电路，我觉

得具有很大的现实意义。使用该系统时，可以手动选择一组上、

下限的组合，低于下限两个电机同时运转；水位在上、下限之间，

一个电机运转；高于上限，两个电机都停止运转。此外，该电路

还具有电机运转指示功能，显示水泵的工作状态。同时水深可以

通过数码管显示出来。

电路设计方案如下：

本方案以单片机做为控制器，通过压力传感器MPXV5050GP S2探测水深，并输出0——5V的线性电压。再经过一个电压跟随

器S3提高电路的输入阻抗。再经过一个串行输出的AD转换器PCF8591进行AD转换，转换后的数据送单片机进行处理。单片机

通过与片内设定的数据比较，判断并进行继电器的吸合、断开。

从而控制水泵的运行。由于本课程设计所采用的单片机为51单片机，其外部中断只有两个，因此需要进行中断的扩充。扩充中断

后可以通过四个按键控制水位范围即上下限的调整，最终的结果

送数码管显示。还可以通过观察LED灯的亮灭判断电机的转停。

整个电路采用直流电源供电。

由于采用单片机及集成压力传感器，该设计有较高的精度，

水深探测深度可达5米，精度可达0.02米。程序运用C语言编程，

主要由于C语言编程简单可移植性强等。

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1.电路设计原理

1.1水位监测电路和水位范围测量电路

图1.1水位监测电路和水位范围测量电路

此电路直接采用集成压力传感器MPXV5050检测水深，并经过一个电压跟随器以提高输入阻抗。压力传感器的电压由直流电源供给。其中MPXV5050系列压力传感器是一类被广泛应用的硅压力传感器，尤其适用于具有AD输入的微处理器，其输出电压为0.2——4.7V，故不需放大可直接送AD进行处理。AD转换器采用philips公司生产的八位串行AD转换器PCF8591。由于本设计外接数码管显示数值，故单片机的I/O口占用较多。故不能采用并行输出的AD转换器。PCF8591是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bit CMOS数据获取器件。PCF8591具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行I²C总线接口。PCF8591的3个地址引脚A0, A1和A2可用于硬件地址编程，允许在同个I²C总线上接入8个PCF8591器件，而无需额外的硬件。在PCF8591

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器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向I²C 总线以串行的方式进行传输。但本设计只采用一个输入通道。经AD转换后的数据直接送单片机执行。本系统可检测范围

1.2 单片机最小运行系统电路

图1.2单片机最小系统

单片机最小控制系统由复位电路、内部时钟产生电路、上拉电阻、电源组成。其中当单片机复位引脚加上大于两个机器周期（即24个时钟振荡周期）的高电平就可复位。本复位方式包含自动上电复位和手动复位。上电自动复位是通过外部复位电路给电容C充电加至RST引脚一个短的高电平信号，此信号随着Vcc对电容C 的充电过程而逐渐回落，即RST引脚上的高电平持续时间取决于电容C的充电时间。手动复位是通过按键在复位引脚上加一段持续的高电平。而自激振荡电路通过晶振与电容产生，构成单片机内部时钟方式。单片机P0口在使用时需外加上拉电阻。

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1.3水泵控制电路如下

图1.3水泵控制电路

本电路采用继电器控制交流电机运作，通过控制两个电机的停转来控制水位。两电机的电路接线图完全相同。由于单片机不能直接驱动继电器，所以要运用三极管来驱动继电器，继电器的两端加有保护二极管，用以防止继电器产生很大的感应电流而烧坏三极管。同时还加有led灯，当继电器吸合时led灯点亮。在三极管的基极加有限流电阻以保护三极管工作在安全状态。

1.4显示电路如下

本方案采用数码管显示。由于数码管价格低廉、容易使用，并且能够达到所需结果。四连数码管用PNP三极管来驱动，通过单片机的P0口控制段选，P2口的低四位控制位选，采用动态显示模式。

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5

图1.4显示电路

1.5外中断电路

图1.5

中断电路

S51单片机为用户提供两个外部中断请求输入端，实际的应用系统中，两个外部中断根本不够用，因此需要对外部中断源进行扩充。上面是其中的一种扩充方法。如上它们均为高电平请求

b 1

12

e 12d p 3c

4g 5b 4

6

b

7

b 38b 2

9f 10

a 11S1

s h u m a g u a n e d p c g b 4b

b 3b 2

f a b 1

P 20

+5

6

有效，不管哪一个按键请求（假设只有一个按键按下），单片机都会中断，再根据判断P24、P25、P26、P27判断具体哪一个中断。由此便可以对水位上下限进行调整，使之达到用户预期的结果。

图1.6电源电路

1.6电源电路模块

电源模块有变压器、整流桥、电容、稳压器、二极管等组成。其中变压器用于将220V 交流电转变为18V 输出。后接全波整流桥变为单方向的全波脉动波形。整流桥后边接了两个集成稳压器LM7812和LM7805，用以分别输出12V 和5V 电压。在稳压器的两端都接有二极管、电容和电解电容。电容用来实现频率补偿，防止稳压器产生高频自激振荡和抑制电路引入的高频干扰。电解电容用以减少稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰。其中二极管为保护二极管，当输入端短路时，给电解电容一个放电回路，防止电解电容两端电压作用于调整管的be 结击穿而损坏。

A C /220V

A C /18V