水位自动控制系统设计-参考模板

华南师范大学增城学院课程论文题目：水位自动控制系统设计课程名称《微型机控制技术》考查学期2013/2014 学年第 2学期考查方式课程论文姓名学号专业应用电子成绩指导教师摘要 (2)一、设计内容： (3)二、硬件电路设计 (3)2.1 系统框图设计 (3)2.2 单片机最小系统 (4)2.4 水位传感器的电路 (7)2.5 液晶1602显示设计 (8)2.6 键盘功能设计 (11)2.7 电机驱动电路 (11)2.8 报警电路设计 (12)三、软件程序设计 (13)3.1 主程序流程图 (13)3.2 键盘控制流程图 (15)3.3 显示流程图 (15)3.4 水位测量流程图 (16)3.5 PWM 电机驱动程序 (17)3.6 水位报警程序 (18)四、调试过程 (18)五、心得体会 (19)六、参考文献 (21)七、附录 (22)摘要水塔是在日常生活和工业应用中经常见到的蓄水装置，在我们的生活中起到了重要的作用，而水塔里面的水位控制是一个水塔发挥作用的关键。

基于单片机的水塔水位控制系统使水塔水位自动保持在一定的位置，通过对其水位的控制对外供水，以满足需要。

该系统使用水位传感器对水塔水位进行检测并将检测到的信号传给单片机来进行处理，通过调整定时器的定时时间来增大或者缩小占空比，并编写程序加以控制，从而实现电机的调速。

最后，使用液晶屏显示当前水位状态以及电动机的转速。

该系统通过了报警模块来实现了过低水位蜂鸣器鸣笛报警、过低警戒水位自动处理、正常水位蜂鸣器鸣笛报警以及正常水位处理。

本系统适应在不同的用水场合下的用水速度需要，节省工作时间，提高了整体工作的效率，实现水塔水位的自动控制。

液位控制是工业控制中的一个重要问题，针对液位控制过程中存在大滞后、时变、非线性的特点，为适应复杂系统的控制要求，人们研制了种类繁多的先进的智能控制器，模糊PID控制器便是其中之一。

模糊PID控制结合了PID控制算法和模糊控制方法的优点，可以在线实现PID参数的调整，使控制系统的响应速度快，过渡过程时间大大缩短，超调量减少，振荡次数少，具有较强的鲁棒性和稳定性，在模糊控制中扮演着十分重要的角色关键词：水位控制；单片机；模糊PID控制一、设计内容：这设计课程是为了确保水位在水塔的允许的范围内浮动，采用了水位传感器测量水位变化，从而控制电动机，保证水位正常。

因此，这里给出以STC89C52单片机为核心器件的水塔水位检测控制系统，该系统能实现水塔水位检测、LCD1602显示当前水位功能以及蜂鸣器鸣笛报警，手动按键调整PWM电机调速功能，实现过低和正常警戒水位报警、过低和正常警戒水位处理的系统要求。

按下电源按钮后，灯会闪烁几下，然后是常亮状态，蜂鸣器会响。

电机不会转的，此时系统在待机状态，且为正常状态。

要先选择好电机的抽水速度是哪个档位，共有4个档位。

档位越高，速度越快。

在电机转的时候，按下选择档位，电机立马会停止的，这个是一个软件安全冗余的设计理念。

电机在水位模拟传感器端口（低水位）按下后，说明水位太低，电机转动，此时蜂鸣器会响一下，灯会闪烁几下，以此表示报警，并且液晶也会显示水位太低。

当水位模拟传感器端口（正常水位）按下后，说明水位已经到正常状态，电机停转，此时蜂鸣器也会响一下，灯一样会闪烁，以此表示报警，且液晶屏也会显示水位正常。

而PWM 速度调整就是档位的选择，必须在电机停止的状态下去选择电机输出的速度。

二、硬件电路设计2.1 系统框图设计系统的总体框图主要由主控芯片基本电路、按键电路、电动机和蜂鸣器驱动电路、液晶显示电路组成。

除主控芯片电路外，其他的都是外围功能性电路。

蜂鸣器和电动机电路驱动原理基本相同，都为三极管驱动电路，按键电路为平常的独立按键电路，液晶电路参考设计手册既可。

电路设计框图如图2.1所示：图2.1水塔水位控制系统总框图2.2 单片机最小系统STC89C52是一款完全兼容8051内核指令的芯片，是宏晶科技公司的新一代增强性的8051单片机[9]。

采用最新的加密技术解决了全球89系列单片机都被解密的困惑。

并且管脚完全兼容，性能更好，驱动力更强，功耗更低，价格也比传统的89系列低[10]。

STC89C52的引脚说明图如图3-1图3-2 STC89C52的引脚图说明图3-4 最小系统原理图此图是单片机工作的最小系统原理图，在这个电路中又可以分为复位电路和晶振电路，如图3-4和图3-5所示：图3-5复位电路复位电路可以分为上电复位和手动按键复位两种。

在系统上电的一瞬间单片机上电复位，原理是利用电容两端的电压不能突变，在一上电的瞬间电容好比短路，所以加在第九脚RST的电平是高电平，虽然时间很短，但是足以让单片机系统复位。

手动按键复位的原理是，在系统正常工作的过程中可以手动触动按键使单片机复位。

具体原理是，按下S1按键，因此5V电压经过一个200欧姆的电阻分压后加到系统的RST上，手动按键按下到抬起的过程足以使系统复位。

图3-6晶振电路对于单片机系统而言，晶振电路就好比是人的心脏一样，是一个跳动的动力来源，18,19号引脚接的是11.0592M的晶振。

2.3蜂鸣器报警电路原理图3-7蜂鸣器报警功能电路蜂鸣器报警功能电路使用的是三极管8550驱动，三极管8550是PNP三极管，射极接电源+5V,基极通过一个电阻连接到P1.0口，集电极接蜂鸣器，当P1.0为高电平时，三极管截止，蜂鸣器没有不响，当P1.0为低电平时，三极管导通，蜂鸣器发出响声。

2.4 水位传感器的电路按键是现阶段电子设计中最常用、最实用的输入设备。

按键能够成为最普遍的输入设备，主要是其具备了以下几个优点：工作原理、硬件电路连接简单、操作实用性强、价格便宜，程序编写简单。

缺点：机械抖动比较严重、外型不够美观。

按键部分实现的主要原理是单片机读取与按键相连接的I/O口状态，来判定按键是否按下，达到系统参数设置的目的。

键盘在单片机应用系统中的作用是实现数据输入、命令输入，是人工干预的主要手段。

独立式按键就是按键相互独立，每个按键单独占用一根I/O口线，每根I/O 口线的按键的工作状态，不会影响其他I/O口线上的工作状态。

各按键开关均需要采用了上拉电阻，是为了保证在按键断开时，各I/O有确定的高电平。

当输入口线内部已有上拉电阻，外电路的上拉电阻可省去。

因此，通过检测输入线的电平状态就可以很容易判断是哪个按键被按下了。

优点：电路配置灵活，软件结构简单。

缺点：每个按键需占用一根I/O口线，在按键数量较多时，I/O口浪费大，电路结构显得复杂。

因此，此键盘适用于按键较少或操作速度较高的场合。

矩阵式键盘适用于按键数量多的场合，它通常由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上。

单片机的键盘检测通常有三种方式：查询、中断、定时扫描。

查询和中断方式同普通的 I/O 传送是一致的，定时扫描方式是利用单片机内部定时器产生定时中断，在中断服务程序中对键盘进行扫描获得键值。

在本设计中采用的是 4 行*4 列键盘，其电路图如图 3.12所示，列线由P2.4-P2.7口控制，行线由 P2.0-P2.3口控制。

电路中共 16个按键，包括设置键、3 个温度参数和时间设置键、1个增加键、1个减小键。

系统在程序初始化时控制键盘行线的 P2.0-P2.3口输出高电位，控制键盘列线的P2.4-P2.7口输出低电位，在判断电路是否有按键按下时，读 P2.0-P2.7端口值，若端口值不是11110000，则说明电路中有按键按下。

然后根据程序进行去抖动处理和计算键值。

图2.4矩阵式键盘电路图2.5 液晶1602显示设计液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用[12]。

字符型液晶模块是一种用5×7点阵图形来显示字符的液晶显示器，根据显示的容量可以分为1行16个字、2行16个字、2行20个字等等。

字符型液晶显示模块是一类专用于显示字母、数字、符号等的点阵型液晶显示模块。

之所以称字符型液晶显示模块是因为其液晶显示器件的电极图形是由若干个5×8或5×11点阵块组成的字符块集。

每一个字符块是一个字符位，每一位都可以显示一个字符，字符位之间空有一个点距的间隔起着字符间距和行距的作用，这是其一；其二是这类模块使用的是专用于字符显示控制与驱动的IC芯片[13]。

这两种因素确定了这类模块的应用范围仅局限于字符而显示不了图形，所以称其为字符型液晶显示模块。

字符型液晶显示驱动控制器广泛应用于字符型液晶显示模块上。

目前最常用的字符型液晶显示驱动控制器是HD44780U，也出现使用HD667O1或HD66702等字符型液晶显示驱动控制器单片控制的字符型液晶显示模块。

液晶显示驱动器为HD44100及其替代品。

字符型液晶显示模块在世界上是比较通用的，而且接口格式也是比较统一的，其主要原因可能是各制造商所采用的模块控制器都是HD44780U及其兼容品，不管它的显示屏的尺寸如何，它的操作指令及其形成的模块接口信号定义都是兼容的。

所以会使用一种字符型液晶显示模块，就会通晓所有的字符型液晶显示模块。

液晶1602有三条控制线，RS/数据命令端，RW/读写选择端、EN/使能端，一个8位的数据端口。

常用指令说明如表3-1：表3-1常用指令说明工作方式设置0 0 1 DL NF * *CGRAM地址设置0 1 A5 A4 A3A2 A1 A0DDRAM地址设置1 A6 A5 A4 A3A2 A1 A0读BF和AC 01BF AC6 AC5 AC4 AC3AC2 AC1 AC0写数据 1数据读数据 11数据图3-10液晶1602显示电路图液晶1602从左到右依次有16根引脚，每个引脚定义不同。

有三根控制引线和八根信号线，必须注意的一点是3号引脚是背光电源指示端。

背光电阻选择的不同有不同的结果。

我们这里选择2.7k电阻做为背光电阻。

2.6 键盘功能设计图3-9按键功能电路按键功能电路里面有两种按键，一种按键是模仿水塔水位开关的功能按钮，一种是电机PWM输出的调整按钮。

原理是通过一个10k的电阻接到+5v电源线上，当按键没有按下时，按键没有导通，所以没有电流，但对于连到引脚上的那一端来讲是高电平。

当按键按下时，因为电路导通，有电流流过，和单片机引脚接触的那一端接地，所以是低电平。

因此能检测到信号的变化，交给程序处理后做出相关的动作。

2.7 电机驱动电路图3-8电机驱动电路电机驱动电路和蜂鸣器的电路基本相同，同样使用8550三极管驱动，三极管的基极接P1.1，当P1.1为高电平时，电机不转动，当P1.1为低电平时，电机转动。

2.8 报警电路设计图3-7蜂鸣器报警功能电路蜂鸣器报警功能电路使用的是三极管8550驱动，三极管8550是PNP三极管，射极接电源+5V,基极通过一个电阻连接到P1.0口，集电极接蜂鸣器，当P1.0为高电平时，三极管截止，蜂鸣器没有不响，当P1.0为低电平时，三极管导通，蜂鸣器发出响声。