基于单片机的水箱液位监测控制系统设计论文毕设论文

摘要

液位监测系统在很多的地方都会用到，例如在工厂的生产当中，液位控制是否得当就会影响生产产品的质量和美观，在生活当中，我们离不开水的利用，常常需要对水箱或水塔水位的监测，液位监测系统也与我们的生活息息相关，它关系着我们生活的品质和效率，所以我们要对液位进行连续的监测和控制。

本文的设计的是利用AT89C51单片机实现对水箱液位监测，通过分析领域条件下，在其系统中通过液位变送器获取信息（4-20mA），其采集电流太小而不容易测量，所以需要用放大电路对其放大，通过处理后，由模数转换变换为二进制数传入单片机，它可以对数据进行实时的处理。并在本文的软件设计当中介绍了本次系统的电路原理图和软件编写时所需的流程图，然后通过显示电路把采集到的液位高度值显示给我们。

最后通过Keil C51软件编写出本次系统所需要的程序，同时在Proteus软件里进行仿真，实现了对液位监测。通过该设计的运用，满足了间接测量，自动的控制及其管理的目的。

关键词：单片机；液位控制；Proteus仿真

Abstract

Liquid level monitoring system are used in many places, such as in the production of the factory, liquid level control properly will affect the production of products, the quality and appearance, in the life, we can use of water, often need to the water tank or water tower water level monitoring, liquid level monitoring system is closely related with our life, it relates to the quality and efficiency of our lives, so we have to continuously monitor and control the liquid level.

The design is implemented by AT89C51 SCM of water level monitoring, through the analysis of field conditions and in the system through the liquid level transmitter (20mA) to obtain information, the current collection is too small and not easily measured, so it is necessary to amplifier circuit for amplifying the, through processing, by the modulus transform as a binary number of incoming MCU, it can real time of data processing. And in the design of software in this article introduced flow chart of the system circuit schematic diagram and software compiling, and through the display circuit the collected liquid height values are shown to us.

At last, the program of the system is written by C51 Keil, and the simulation is carried out in the Proteus software, and the liquid level monitoring is realized. Through the application of this design, it can meet the indirect measurement, and the purpose of the control and management.

Keywords：SCM; liquid level control; Proteus simulation

目录

第一章绪论 (1)

1.1课题研究目的及意义 (1)

1.2国内外研究及发展现状 (1)

1.3课题研究方案 (2)

第二章液位检测技术及工作原理 (4)

2.1液位检测技术的概述和传感器种类 (4)

2.2传感器选型及其工作原理 (5)

第三章系统的硬件电路设计 (7)

3.1单片机 (7)

3.2前置放大器电路 (8)

3.3A/D转换器电路 (9)

3.4晶振 (11)

3.5看门狗电路 (12)

3.6键盘电路 (13)

3.7显示电路 (14)

第四章软件设计 (16)

4.1软件结构流程图 (16)

4.2显示计算 (17)

4.3P ROTEUS仿真及结果 (17)

第五章总结 (19)

参考文献 (20)

谢辞 (27)

第一章绪论

在现代化的生产中的每个生产细节中都会运用到对水位高低的监测，随着技术的发展，我们对它的精度要求也越来越高了，而且还要适应于不一样的环境里面，例如高温、高压、强腐蚀等环境，其中它的精度也影响着工业生产的质量，所以液位监测控制系统对于我们工业生产当中起着很大重要的作用，对这个系统的研究也慢慢的得到我们重视。液位的监测和控制是以物理学、控制理论、电子技术、硬件所结合的一门自动化技术，也是随着适应现代工业生产而运应而生的产物。

自从计算机技术在二十世纪九十年代在我国得到很快的发展之后，性能不断提高，计算机技术也广泛的运用于我国工厂的生产里面，使我们国家的工业生产省出很多人力和生产出的产品更加优质，同时随着科学技术的发展，一些高精度的液位变送器也随之出现，增强了我们对液体的测量水平。

例如本文介绍的单片机技术在大规模集成电路的发展后，单片机技术变得更加的完美，它具有强大的应用手段、低成本、体积小等特点，其强大的性价比和便宜的控制手段吸引着越来越多的客户，计算机的发展也提供给我们更多的控制方式，同时也提高了控制的效率和精度。

1.1 课题研究目的及意义

本课题来自于现实的生产当中，液位是各个行业生产中很重要的被控参数。在实际生产中，监测与控制的精度直接关系着我们的生产水平、成本、经济收益和设备的安全系数。那么，对液位监测系统的研究和开发在生产当中就显得非常的重要和关键。本课题是基于单片机实现对水箱里水的高度的控制，不仅对于工厂各种环境有着很好的适应性，而且还能进行远距离传输，随时对液位进行计算机控制，这样很大程度上减小人工方法的失误，同时也提高在工厂生产过程里的安全性和效率，而且也能对液位这个参数也能进行了精确且智能的监测。

1.2 国内外研究及发展现状

液位监测控制系统在我国虽然起步比较晚，但是随着我国经济的快速发展，国家增加了各个基础行业的金钱投入，相应的技术也得到了很大的发展。例如在

上海星伸仪表有限公司生产的UYB-2000系列射频电容物位计，不仅测量液体变化的精度达到错误！未找到引用源。，而且探头的对温度、压力适应范围也非常的大，同时其变送器在工作当中能够正常使用在电导率不低于10-3s/m的工作环境当中，其功能非常的强大。另外在上海自动化仪表五厂所生产的UYZ-5002电容式液位变送器、RF-9400型物位计也相当的出色，量程精度能够达到0.3～0.5%，通过并达到国际测试的各项指标，在国际上取得承认。目前，我们国家的变送器的市场集中度较高，主要技术都聚集在北上广等发达城市，但是在整个市场来说占主导地位的是以美国DREXELBROOK公司、日本松岛等公司为代表的国外品牌产品，据统计，全世界的工厂正在使DREXELBROOK公司的液位传感器达到三万多个。与这些发达国家相比，他们起步早，资金雄厚，在早期积累了很多各个方面的经验，例如在美国，在早期就投入大量的资金和人力，现在生产出的变送器不仅功能完善、性能可靠、自动化程度高，而且相对国内精度高上许多。在美国的DREXEALBROOK公司研发Universall液位变送器精度达到0.1%，量程达到3000pF，并且能够通过通信协议与其他的变送器仪表组成网络，实现整体的控制[1]。

近些年来，经过一些科研人员的不懈努力，技术得到不断的提高和成本的下降，使我国的产品在国际上市场的份额也越来越高，从2005年的19%左右提高到41%左右。同时我国经济的飞速发展，刺激着工业自动化的增长，给变送器行业提供了更大的舞台。液位检测控制技术在未来的工业发展当中一定会朝着高精度、集成化的发展，除了能消除粉尘、强腐蚀等恶劣环境对检测的影响外，还要能实现通讯协议更加齐全、稳定性越来越高等。

1.3 课题研究方案

研究方案如图1-1所示，在这个系统中用到的是以AT89C51单片机为控制基础，其外围有信号采集、处理、显示等组件。其具体的研究方案为液位变送器在0-10m内进行连续测量，并且要求测量精度达到±0.5%。当液位发生变化时，液位变送器可将液位的变化线性的转成4-20mA的直流信号送入前置运算放大电路中，经过前置运算放大电路对直流信号进行处理，使4-20mA的电流线性的转变为0-5V的电压，然后通过A/D转换器把液位变送器采集到的数据转化成系统可识别的二进制数字。并在系统中设计复位、晶振、键盘以及显示等电路与单片机

相连接，其中复位电路是在运行故障时进行复位，使系统恢复正常的工作，在整个系统的工作当中需要晶振提供工作时所需的脉冲信号。经过一系列的计算之后，把变送器采集到的液位高度以数字的方式表现到LED显示屏中，其中键盘电路可以在系统的运行当中设置参考液位值，并能够实现功能的切换和加减的操作，从而达到对水高度变化的连续监测，并把监测到的高度数值显示到显示数码管上。

图1-1 系统结构框图

第二章液位检测技术及工作原理

2.1 液位检测技术的概述和传感器种类

液位检测是对被测液体的变化量进行监测，它应用于各个行业当中，其液位都是不可或缺的参数，液位高度及变化要被记录下来，以保证生产当中的安全和产品的质量，所以在企业当中，需要对液位的监测及控制。

目前，为了适用于各种环境和需求的精度，国内外研究出很多方法和产品，大致有以下的几种方法：

（1）压力式液位传感器

压力式液位传感器是采用静压测量的原理，它的测量方法可以分为差压法和压力法，差压法是适用于在密闭的容器中，因为在密闭的容器中或多或少都会保留住气体，那么这些被保留在容器里的气体的压力会随着液位的变化发生改变，然而在敞口的容器中，大多都是采用压力法，不同的液位会给传感器正面不同的压力，受到的压力会被导气不锈钢管传入正压室，其中大气压被传入负压室，以此来背面受到的压力就会被消除。压力式传感器被使用的时候，其被测介质的密度必须要保持均匀，否则会很大的影响测量的精度，其中压力式传感器的功能特点是经济耐用、安装简便、寿命长等特点，在使用时稳定性好，安装的时候接反后它也不会被损害，因为它可以自动的把电流控制在一定范围之内。

（2）超声波液位传感器

超声波普遍运用于工业中的贮存容器，如玻璃钢罐、污水储罐等腐蚀性强的被测介质当中，它是利用超声波反射的原理来对介质进行测量的，当发射出去的超声波遇到介质反射回来后通过计算往返是时间来得出被测介质的高度。它的工作性能指标与工作的实际环境有关系，当一些温度不一样时，需要对其进行一些温度补偿，并且在一些高温、高压等的场合中，超声波也不能很好的进行检测，所以超声波检测出来的测量信号可靠性不是很好，但是由于超声波在液体和固体的穿透力很大，这种类型的传感器还在是在军事、医疗等行业中被普遍的运用。（3）雷达式液位传感器

该类型传感器与上述的传感器有很多类似地方，它是运用发射出的电磁波来测量物位的高度，可以用在有毒的环境当中，在测量时无需在容器上开孔，但是雷达式液位传感器信号处理非常复杂，造价也非常昂贵，所以限制了雷达传感器的发展。

（4）电容式液位传感器

这种传感器是根据电容感应原理，它是使用金属棒插入被测介质当中去，金属棒和容器壁作为两个级，当液体高度产生改变的时候就会促使两个级之间电容的改变。它主要由液位传感器、发射机和隔离电路构成，实现物理输入转变为相应的电信号输出，实现非电转换，该类型传感器在使用时需要被测介质保持电介质相同，在温度变化的环境中需要对其进行温度补偿，它在一些具有腐蚀性介质、高压等环境中能够正常使用，并且其造价低、安装简单[2]。

2.2 传感器选型及其工作原理

在本次设计里面采用上海星伸仪表有限公司生产的UYB-2000P型电容液位变送器，该变送器不仅精度很高、干扰对其影响小以及功能牢靠等优点外，而且与传统的变送器相比它的线性度好，温度漂移小等优点。其测量原理是运用电容量的变化来测量液体的具体位置，电极和容器的金属壁构成一个电容，如果所测量介质的容器壁为塑料等材料或容器壁为不规则时需要采用辅助电极来测量。变送器在工作的时候的原理是运用一定的频率电压进行激发，如果被测物的介质导电常数一致的时候，所流过的电流会随着液体高度的变化而发生改变（4-20mA）。

其结构原理图如图2-1所示。

图2-1 结构原理图

其测量原理是： ）

（0100/ln 2R R L C πε= （2-1） ）

（）（01010ln 2ln )(2R R H R R H L C H ----=πεπε （2-2） ）（0100/ln )H -(2 R R C C C H εεπ=

-=? （2-3） 其中0C 是测量水位高度是H=0时的电容量，H C 为检测的时候水的具体高度位置的电容量，C ? 是测量液体高度变化后的电容值。0ε是容器里空气的介质常数，ε为被测液体的介质常数，单位为错误！未找到引用源。。错误！未找到引用源。为导线和容器壁之间的半径，错误！未找到引用源。为导线的半径。由公式（2-1）、（2-2）、（2-3）可知错误！未找到引用源。、错误！未找到引用源。、错误！未找到引用源。、错误！未找到引用源。是恒定不变的参数，那么电容的变化量错误！未找到引用源。是随着H 的变化而发生变化，是呈线性的关系。由此在这次的设计系统的工作中，只要得出电容值的变化便能测量出液位的具体高度[3]。

第三章系统的硬件电路设计

3.1 单片机

在本次的系统中采用AT89C51单片机，它是一种用在低压情况下性能十分强大的八位的微型计算机，由美国公司所制造出来，它和工业标准的指令集及管脚相兼容，它可以灵活运用于各个需要控制的地方当中。在本次的设计中它的工作是对数字量进行处理，并通过与它外接的显示电路把检测到的液位显示出来。另外，它还外接晶振电路、复位电路、键盘电路构成的最小系统。在设计时它的P0口与显示电路相接，由于P0口它的电流过小，所以在设计时需要接一个上拉电阻。其引脚功能及电路图如图3-1。

图3-1 AT89C51引脚及电路图

如上图所示，它具有三十二个可编程的输入输出接口、一个全双工串行口、两个十六位字时/计数器、五个中断源，并具有控制能力较强的处理器。它的寻址范围是64K，它的工作特性是寿命长，1000写/擦循环，数据可保留10年，全静态工作是0Hz-24MHz，在工作时需要提供+5V的电压，拥有三级加密程序存储器，其具体的端口功能说明如表3-1所示。

表3-1 引脚功能

在AT89C51单片机中，P3口除了作为一个可编程的输入输出接口外还有另外一个非常重要的作用，其P3口另外一个作用如表3-2所示。

表3-2 P3口第二功能

在本次设计中采用的是LM358运算放大器，它在传感器放大、工业控制等场合中是我们常常用到的双运放放大器，在双电源或单电源时都能够对它正常的适用。其引脚功能图如3-2所示。它具有2个输出、4个输入、1个电源、1个接地8个引脚。

图3-2 LM358引脚功能图

LM358它的参数由表3-3所示。

表3-2 LM358参数

在本次系统的设计中由LM358所构成的前置运算放大电路是把电容式变送器所采集到的液位信息（4-20mA）经过260Ω的电阻转变为0-5V的电压。其电路图如图3-3所示。LM358里的输出端与模数转换的ANALOPG IN相连接。

图3-3 前置放大器电路

A/D转换器又叫模数转换器，在这里它是实现把电压值变为单片机能识别的二进制信号。随着技术的发展，大量功能各异的模数转换器也相应的被研发出来，根据它的工作特性可将其为直接型和间接型。在本次系统中采用的是10位串行输出、逐次比较型的模数转换器TLC1549。它具有两个数字输入端，一个片选（/CS）、1个I/O CLOCK端口、1个DATA OUT输出口，其最大误差仅为4.8mV。在工作时具有6个工作模式，其中四个快速模式和两个慢速模式，其中模式一是最常用的工作模式，它是10个时钟周期转换并且片选为高。其具体的引脚功能图如图3-4所示。

图3-4 TLC1549

TLC1549在工作当中有四种工作模式，在本次设计中，TLC1549采用模式一，模式一为快速工作模式，在这个工作方式当中片选变为高电平，在连续一段时间里每次传输的总是十个时钟脉冲。DATA OUT会随着片选的开始和结束脱离或恢复到高阻态，在DATA OUT恢复到高阻态时是在固定的时间内。其中，在片选上升沿禁止I/O CLOCK端需要一个启动时间和两个内部系统时钟周期[4]。其时序图如图3-5所示。

图3-5 TLC1549模式一时序图

在这个模块电路设计如图3-6，其中TLC1549中片选（/CS）端连接到P1.0口上，在数据输出时片选（/CS）为高电位，当片选(/CS)从高电位变为低电位时，器件回到初始的状态，但是在输出寄存器中仍然保存得有上次的结果。I/O CLOCK 端口连接单片机P1.1端口上，在软件编程时会使系统产生一个时钟信号。数据输出段（DATA OUT）连接在P1.2口上，经过前置运算放大器处理后的0-5V电压与ANALOG IN端相连接。

图3-6 A/D转换电路图

上图中运用LM336-5与TLC1549相连接。其LM336功能引脚图如图3-7所示，LM336-5内部是一个恒压源电路，它与TLC1549A/D转换器的REF+引脚和REF-引脚并连，它为TLC1549提供一个5V的基准电压，基准电压其功能是为A/D转换提供了一个绝对电压，和输入的值相比较以确定适当的数字信号输送。

图3-7 LM336-5

3.4 晶振

其设计的电路如3-8图所示，与单片机的晶振输入端和输出端相连接，它是由两个电容和一个振荡器构成，其工作原理是在把交变电压施加到晶片上时，晶

片会因为机械变形而震动，而晶片的震动也会产生交变的电压，在这种变化在物理中我们称作是压电效应。单片机工作时必须要有它所提供的脉冲信号，这个信号决定系统工作的速度，在本次设计的系统中设计了一个符合AT89C51单片机标准的晶振频率12MHz。

图3-8 晶振

3.5 看门狗电路

在使用单片机工作过程中，往往受到一些条件的干扰而发生程序读取错误出现死循环等死机的情况，这种情况出现时会导致系统无法正常工作或者更加严重的后果。那么，在系统运行时就需要一个“看门狗”来使系统出现不正常工作时进行重置。“看门狗”工作原理是系统正常工作的时候会向它输送一个脉冲，当单片机死机时，则不会向它输送脉冲，那么“看门狗”就会发送一个信号，让工作恢复正常。在本次设计中的“看门狗”是以IMP813芯片为核心，IMP813芯片在电路中起着计数器重定的工作。假如在1600ms内“看门狗”定时器没有被触发，那么IMP813引脚WDO将会输出一个低电位。其具体设计的复位电路可以分为：

（1）上电复位，上电复位的信号是由触发器产生，在产生时，它会对这个脉冲计时，当计时到达0.14秒后就会由复位发生器输送一个信号，这个信号就会让复位信号无效，若当电压小于4.63V，那么产生的这个脉冲则会使复位信号发生作用。

（2）手动复位，IMP813的/MR引脚与地相连，这个引脚在与地相接不超过错误！未找到引用源。时会就会有一个复位过程。

（3）自动复位，自动复位是IMP813芯片的WDI的端口在1600ms内没有