水位报警器毕业设计 (3) (1)

《水位报警器毕业设计》

题目：水位报警器毕业设计

学生姓名：学号：

专业：电子工程

院（系）：物理工程学院

完成时间：2015年5月20日

2015年5 月20日

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序言 (3)

第一章水位报警器设计的基本方案 (4)

§1.1设计的目的和要求 (4)

§1.2系统设计的基本方案 (5)

第二章水位报警器硬件系统方案论证与选择 (5)

§2.1水位报警器电源设计 (5)

§2.2水位报警器各模块方案的选择和论证 (6)

§2.3系统硬件设计与实现 (7)

第三章水位报警器软件系统设计 (12)

§3.1 软件设计 (12)

§3.2 软件的调试 (13)

第四章水位报警器的抗干扰措施 (14)

§4.1 抗干扰措施 (14)

第五章电路板的安装与调试 (15)

§5.1硬件的安装调试 (15)

§5.2水位报警器系统的测试 (15)

第六章水位报警器功能与扩展 (16)

§6.1水位报警器扩展 (16)

全文总结 (17)

致谢 (17)

参考文献： (18)

摘要

本系统主要由5V直流稳压电源、水位报警控制模块、报警指示和负载控制模块等几部分构成。其中直流稳压电源采用三端稳压芯片LM7805实现，而水位报警控制模块主要由单片机89C2051通过编程实现。单片机89C2051与报警指示和控制之间用光耦进行隔离，报警指示和控制中带有继电器，可以用来控制强电系统，包括电机等进行水位控制。本系统经测试成功地达到预期设计的各项技术指标。

Abstract: the water level alarm system consists of 5V DC source, control module, alarm indicator and load control modules of several parts. DC stabilized voltage source with LM7805 three-terminal regulator chip implementation, and is mainly composed of single-chip microcomputer water level alarm control module 89C2051 programmatically. SCM 89C2051 opt coupler isolation with the alarm indication and control, with alarm indicator and control relays can be used to control power systems, including electrical and water level control. This system has been tested successfully achieved the desired design of the technical indicators

关键词：水位报警，单片机，89C2051，继电器

Key words: water level alarm, microcontroller, 89C2051, relay.

序言（序言和摘要是不是重复了？可以把这部分加到论文里

面再增加一些内容，可以作为三级标题“水位报警器国内外研究

现状”）

水位报警器在水位控制方面起关键性的作用，设计一套性能优良、维护简单、运行可靠的水位报警器，具有非常大的现实意义。

国内外水位报警器繁多，但大多价格昂贵，维护和修理也不方便，并且市场上大多数的水位报警器也都功能单一，不适合对其功能进行拓展。市场上当然也有些水位报警器价格比较便宜，但功能简单，体积比较大，容易出现故障。通常锅炉上采用极点式，

水塔多采用浮球式，水槽多采用压力变送式，以及家用太阳能热水器多采用极点式电阻变压式等。其中极点式属于简易型但其价格低，运行可靠，选用性广等优点，开发具有现意义。为此，我们便着手设计一种使用方便，体积小，但是又能方便带大负载，维修简单的极点式水位报警器。

该水位报警器使用方便，使用范围广，维护和维修也相对简便，下面我将介绍整个水位报警器的设计与制作。

第一章水位报警器设计的基本方案

§1.1设计的目的和要求

本设计是在学完数电、模电、单片机原理及其他课程之后综合利用所学知识完成的一个系统设计。该设计的主要任务是通过设计和制作水位报警器来巩固和加强对三年来所学的理论知识和锻炼自己的动手能力，基本掌握单片机应用电路的一般设计方法，提

高电子电路的设计和动手能力，加深对单片机软硬件知识的理解，获得初步的应用经验，为以后从事生产和科研工作打下一定的基础。

水位报警器的设计要求：

1．能够对水位的过高和过低做出报警指示。

2．做出报警指示的同时具有一定的带负载能力，比如带动电机控制水位或其他功能。

3．设计的水位报警器不能误报警。

§1.2系统设计的基本方案

根据设计要求，系统可分为四部分，第一部分是辅助电源模块部分，第二部分是水位检测部分，第三部分是水位信号的处理部分，最后一部分是水位报警指示与控制部分。为实现各模块的功能分别做了几种不同的设计方案进行了论证。

第二章水位报警器硬件系统方案论证与选择

§2.1水位报警器电源设计

方案一：串联式稳压源。串联式稳压电源具有较宽的输出电压调节范围，合理地选择元器件可以达到较高的性能指标，如：电压调整率、负载调整率、纹波电压等，但效率较低，需增设保护电路使调整管在输出电流过大或短路时不致损坏。

方案二：并联式稳压电源。并联式稳压电源电路简便易行，所用元器件相对较少，当负载电流恒定时稳定性较好。最突出的优点是可承受输出端短路。但效率低于串联式稳压电源，输出电压小调节范围较小。

方案三：开关电源。开关电源的调整管工作在截止和饱和区，自身功耗很小。电源效率较高，但电路复杂，且纹波较大。

方案四：采用三端集成稳压78系列的稳压管可得到所需的工作电压，如图2.1所示，选用该方法方便简单，工作稳定可靠。

图2.1

§2.2水位报警器各模块方案的选择和论证

（1）水位检测部分

方案一：采用连续信号输出方式进行水位检测，例如超声波探测变送等。这种采用这种探头检测精度比较高，但是价格昂贵，成本太高，而且大部分探头都已成为成品，不适合本设计开发。

方案二：采用ON/OFF输出方式用电极点做水位检测，在水中给予一定的电势，当导线接触到水时电势会发生改变，这种方法设计简单，成本低廉也有一定的精度，能够满足设计要求。

综上所述，我们选用方案二。

（2）水位信号处理部分

方案一：用PLC可编程控制器进行信号处理。PLC可编程控制器控制精度高，但是体积大,价格昂贵,维护也不方便。

方案二：采用简单的模拟电路进行报警控制(如图2.2),这种方案成本低，但是控制报警的可靠性不高,容易误报警，实用性不强。

图2.2 图2.3

方案三：采用单片机进行报警控制,单片机有体积小,控制精度高,不易误报警，且外围电路简单,价格低廉等优点,且方便对水位报警器的功能进行拓展。

综上所述，我们选用方案三。 （3）水位报警指示部分

方案一：采用简单的模拟电路进行报警,这种方案成本低，但是带负载能力差,也不容易进行功能扩展，实用性不强。

方案二：采用继电器和发光二极管进行水位报警指示（如图2.3），继电器控制报警方便进行改装，也可在继电器上带大功率负载包括电机。继电器的后面可以接电机对水位进行控制，也就是说该水位报警器，不单单可以进行水位报警，有需要的话可以很方便的进行改装和带负载。

§2.3 系统硬件设计与实现

经过仔细分析和论证，决定了系统各模块的最终方案如下： （1）稳压电源模块：采用三端稳压7805产生+5V 给系统供电。 （2）水位检测模块：采用导线做水位检测，同时将水用一根导线接地。

（3）水位信号处理模块：采用单片机89C2051进行报警控制, 89C2051单片机有体积小,我们采用p1.5和p1.6进行水位检测，p1.2、p1.3和p1.4进行水位报警信号的输出。

C

89C2051是由ATMEL 公司推出的一种小型单片机。其主要特点为采用Flash 存贮器技术，降低了制造成本，其软件、硬件与MCS-51完全兼容，其程序的电可擦写特性，使得开发与试验比较容易。 1 引脚

89C2051共有20条引脚，详见图2.4从图中可见，2051继承了8031最重要引脚：

P1口共8脚，准双向端口。P3.0～P3.6共7脚，准双向端口，并且保留了全部的P3的第二功能，如P3.0、P3..1的串行通讯功能，P3.2、P3..3的中断输入功能，P3.4、

P3.5的定时器输入功能。

图2.4

2 电源

在引脚的驱动能力上面，89C2051

可达到20mA.相比之下，89C51/87C51定

9脚电流之和小于71mA.强，使得它可以直接驱动LED 在内部构造了一个模拟信号比较器，其输入端连到P3.6对应寄存器，（P3.6在2051外部无引脚）， 量门限的调节，IN 端接输入模拟信号。

89C2051有很宽的工作电源电压，可为2.7～6V ,当工作在3V 时，电流相当于6V 工作时的1/4。89C2051工作于12MHz 时，动态电流为5.5mA ，空闲态为1mA,掉电态仅为20nA 。这样小的功耗很适合于电池供电的小型控制系统。标准工作电压为5V ，本设计中89C2051工作于12MHZ 。 3 存储器

89C2051片内含有2k 字节的Flash 程序存储器，128字节的片内RAM,与80C31内部完全类似。由于2051内部设计全静态工作，所以允许工作的时钟为0～20MHz,

也就是说，允许在低速工作时，不破坏RAM内容。相比之下，一般8031对最低工作时钟限制为3.5MHz，因为其内部的RAM是动态刷新的。89C2051不允许构造外部总线来扩充程序/数据存储器，所以它也不需要ALEPSEN、RD、WR一类的引脚。

4 内部I/O控制

89C2051在内部I/O控制上继承了MCS51的特性：5路2级优待中断，串等口，2路定时器/计数器，内部组成参见图2.6。

图2.6

5 程序保密

89C2051设计有2个程序保密位，保密位1被编程之后，程序存储器不能再被编程除非做一次擦除，保密位2被编程之后，程序不能被读出。

6 性能价格比

下面就目前国内全胜较多的两种单片机，讨论一下2051的性能价格比。

与80C31系统相比较

如果需要构成一个80C31的最小系统的话，除了CPU之外，至少需要一片27C64,而系统的有效引脚和89C2051基本相同。从元器件的成本，电路板的面积和加密性来看，使用89C2051都是合算的。

与PIC单片机比较

目前，国内小型的单片机全胜较多的有PIC系列，89C2051与PIC相对应芯片比较有如下特点：

89C2051的价格高于PIC的OTP型号，但大大低于PIC的EPROM型，89C2051

片内不含Watch Dog，这是89C2051的不足之处，中断系统堆栈结构、串等通讯笔

定时器系统都大大强于PIC系统。由于PIC芯片中无标准串等口，所以在单片机的

联网应用上面，PIC不太适合。

与PIC相比2051更适合于较复杂的应用场合，适合一些软件需要多次修改的应

用。

因此，我最选择了89C2051单片机作为信号处理的核心。

（4）水位报警指示部分：报警采用继电器和发光二极管进行水位报警指示，

为了能使输出带的继电器能控制强电又不影响单片机的工作，在设计时我们单片机和继电器之间又光耦进行隔离，考虑到光耦流过的最大电流只有50mA，流过的最大电流为120mA的光耦在我们现在的市场买不到，因此我们在光耦的后面加上了三极管进行扩大电流的输出，使其能够有足够大的电流来控制继电器的吸合（如图2.7）。继电器的输出端有一个常开开关和一个常闭开关，我们把一个常开开关用插座引出来以便带负载时使用。当然，另一个常闭开关也同样可以引出用来控制负载。最后得出的水位报警部分电路图如图2.8所示。

图2.7 图2.8 报警指示一共有三路输出，p1.2是控制水位过低报警，p1.3是控制水位检测出错报警，p1.4是控制水位过高报警。整个系统的硬件部分原理图也就设计完成了，原理图如图2.9所示。

图2.9

第三章水位报警器软件系统设计)

§3.1 软件设计

软件的设计重要的是建立数学模型，确定算法和安排数据结构，是审查设计能否成功，是否精妙的关键。软件完成各部分的控制，下面介绍软件的设计方案。

1．软件功能

本系统的软件开发相对比较容易，主要是水位检测的扫描、控制报警信号的输出等。2．主程序流程图（见图3.1）

图3.1

3．软件开发与调试

本系统单片机程序采用MCS-C51编写。采用上海星研Star51L仿真器进行调试，同时定期用烧写器写到单片机进行实际测试。整个系统的软件如下：（其中P1.5是高水位检测口，P1.6是低水位报警。）

ORG 0000H

AJMP LOOP

ORG 0030H

MOV P1,#FFH ；P1口置位。

LOOP: ORL P1,#1CH

MOV A,P1

JB ACC.5,ONE ；P1.5=1转。

JNB ACC.6,TWO ；P1.6=0转。

BACK: ACALL D10S

AJMP LOOP ；延时程序，延时10S。

ONE: JNB ACC.6,THREE

CLR P1.3 ；P1.5=0，P1.6=1，故障报警。

AJMP BACK

THREE: CLR P1.2 ；P1.5=0，P1.6=0，水位过低报警。

AJMP BACK

TWO:CLR P1.4 ；P1.5=1，P1.6=1，水位过高报警。

AJMP BACK

D10S:MOV R3,#19H

LOOP3:MOV R1,#85H

LOOP1:MOV R2,#0FAH

LOOP2:DJNZ R2,LOOP2

DJNZ R1,LOOP1

DJNZ R3,LOOP3

RET

END

§3.2 软件的调试

与硬件相比较，软件的调试较为抽象更需要耐心和智慧。通常应该注意的问题有：拟定程序流程图，先调试短小的程序，例如：I/O的先通功能，数据计算子程序等；再调试系统程序，在调试程序的过程中有时要出现反复，因为系统由各个小程序或子程序连接在一起的，它们的联系可能出现相互排斥，需要耐心分析排除故障，以期得到良好的结果。而后，结合安装调试好的硬件电路再对软件进行调试直到简易DSO能按照自己想要的运行为止。

第四章水位报警器的抗干扰措施

§4.1 抗干扰措施

系统要求能够对水位的过高和过低做出报警指示同时具有一定的带负载能力，不能误报警因此抗干扰措施很重要。我们主要采取了以下措施：

1．一点接地。系统中分为数字地、模拟地、信号地，严格遵守一点接地的原则。在电流源的反馈控制回路中增加补偿网络，提高系统的稳定余量。

2．在单片机和带负载的继电器之间用光耦进行隔离。使带的负载不会对单片机的工作产生影响。

第五章电路板的安装与调试

§5.1硬件的安装调试

1．搭试电路

必须遵循从简单到复杂、从局部到整体的过程。在这个过程中必须注意四点：第一，理论设计的电路不一定就能立即实现，必须认真分析和排除各种影响因素方能行到预期的结果；第二，必须从单元件电路开始安装调试，不能急于求成。只有安装调试成功之后再逐步扩大范围，否则只能事倍功半；第三：电路和负载能力问题，后级电路是前一级的负载，前级电路应该有足够的带负载的能力，否则电路就不能正常工作。这个问题在分模块调试时是不会出现的，但联调时时有发生。在控制器中，数据、地址和控制总线的负载能力更需要仔细考虑，应该选择相应的缓冲器。实际上，负载能力问题，在设计电路时就应该给予足够的重视。第四，搭试电路有把握之后再做印刷电路板，因为印刷电路板一旦决定以后就难以改变了。

2．仔细设计印刷板

注意模拟电路和数字电路的地应该分开不可互相穿插，弱信号应该由弱到强依次排开，否则强信号要干扰弱信号。模拟电路和数字电路由各自的电源提供，各个芯片还要考虑安装电源滤波电容。要一点接地等。

§5.2水位报警器系统的测试

1．对自来水的测试

由于自来水中所含的电解质比较少，我们设计的水位报警器所用的电压只有5伏，导致报警的范围不是很大，水位差过大则不能准确的对水位过高进行报警。经测试水位差小于10cm的时候是可以准确报警的。

2．对井水的测试

该水位报警器对井水的测试让人比较满意，水位差在我们所测试的5米范围内都是能够准确报警的，井水中所含的电解质多是准确报警的主要原因。

通过测试，我认为该水位报警器完全达到了我们的设计要求，适合于用在水中含电解质较多的场合，比如井水、河水等水的水位报警及控制中。

第六章水位报警器功能与扩展

§6.1水位报警器扩展

我们设计的这个水位报警器是一个中央控制系统,它可以带大的负载,也可以用来控制电机等,比如我们可以将出错报警的继电器的常开开关接在单片机的复位端与复位电容并联,这样简单的一接,就可以让整个水位报警器在出错时能够自动复位,复位结束后可以自动重新进行正确的水位报警,每次报警出错不用人工去控制复位而是自动复位。

我们还可以将另两个过高输出端继电器常闭开关和过低输出端继电器的常开开关引出串接在电机的前面用来控制电机从而控制自动控制水位，当水位过低时，常开开关闭合，电机开始工作，使水位升高，当水位过高时，常闭开关断开，电机停止工作，这样可以自动使被控制的水的水位保持在一定的范围内。

另外还有别的扩展方法，这里就不一一介绍了。

全文总结

通过这次毕业设计使我学到了很多，也碰到了很多困难，但在老师和同学们的帮助下都一一克服了，而且还深深记得要注意的几点。买芯片一定要测一下各个引脚，还要一次买齐防止下次买得不一样。限流电阻不能过大。在这次调试过程中出现的很多问题都是干扰造成的，有来自电路本身也有外界的。因此在设计电路时我们就应该把电路的抗干扰也想进去。对元器件要一个个进行检查，观察哪里出错了，直到修改正确为止，这就需要培养耐心、细心。

通过这次毕业设计让我把三年来学到的东西融会贯通，对各个方面都有很大的促进，让我学会如何将基础理论知识与专业知识有机的结合在一起，学以致用，书本是死的，通过这次设计与制作让我学到了许多书本上学不到的东西，就拿买元件来说吧，同样是一个光耦，它有很多种，要用它，就必须先了解用的场合，有什么要求，电路中要通过的电流是多大，限流电阻要用多大，必须确定了具体的型号后再去买。通过这次毕业设计同时也增强了我的动手能力，提高了我将理论与实际相结合的能力。

这次毕业设计真的可以说三年来学的东西的一次大练兵，protel画图更是重中之重，原理图设计好了，不能布出好的PCB图，很可能导致最后失败。通过设计原理图和动手制作毕业设计，加强动脑、动手能力从作品中体现自己对所学专业知识的理解，领悟，应用与提高，培养自身的创新能力，发挥自身的创造潜力。

致谢

本文是在指导老师的悉心关怀和全面指导下完成的.老师渊博的学识,严谨的治学态度,认真负责的工作作风让我受益非浅,在与老师相处时间里,我们在理论水平、实践动手能力等方面都得到了很大的提高,在论文完成之际,向致以最诚挚的感谢和最崇高的敬意!

参考文献

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[2]张涛、电力电子技术、电子工业出版社、2003.8、170

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[4]刘树林、低频电子线路，电子工业出版社，2003.8、214

[5]中国计量出版社组委会、新编电子电路大全，中国计量出版社，2002.6、213

[6]方志豪、晶体管低噪声电路、科学出版社、1984.9、186

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[8]路而红、虚拟电子实验室、人民邮电出版社、2002.5、315

[9]周常森、电子电路计算机仿真技术、山东科学技术出版社、2001、248