水位自动控制系统设计
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1
水位自动控制系统设计
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。
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..............................................................................................................20 七、附录......................................................................................................................21
4
水位自动控制系统设计
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
5
水位自动控制系统设计
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。
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：
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
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，Fra Baidu bibliotek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。
2.3 蜂鸣器报警电路原理
6
水位自动控制系统设计
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。
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
考查学期
考查方式
姓
名
学
号
专
业
成
绩
指导教师
《微型机控制技术》 2013/2014 学年 第 2 学期
课程论文
应用电子
水位自动控制系统设计
摘要................................................................................................................................2 一、设计内容：............................................................................................................3 二、硬件电路设计........................................................................................................3
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。
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。
关键词：水位控制；单片机；模糊PID控制
2
水位自动控制系统设计
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。
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。
3
水位自动控制系统设计
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
水位自动控制系统设计
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。
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..............................................................................................................20 七、附录......................................................................................................................21
4
水位自动控制系统设计
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
5
水位自动控制系统设计
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。
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：
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
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，Fra Baidu bibliotek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。
2.3 蜂鸣器报警电路原理
6
水位自动控制系统设计
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。
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
考查学期
考查方式
姓
名
学
号
专
业
成
绩
指导教师
《微型机控制技术》 2013/2014 学年 第 2 学期
课程论文
应用电子
水位自动控制系统设计
摘要................................................................................................................................2 一、设计内容：............................................................................................................3 二、硬件电路设计........................................................................................................3
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。
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。
关键词：水位控制；单片机；模糊PID控制
2
水位自动控制系统设计
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。
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。
3
水位自动控制系统设计
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