水位水温检测系统的设计与制作要点

本科毕业论文(设计)

题目：水位水温检测系统的设计与制作

学院：物理与电子科学学院

班级：

姓名：

指导教师：卢玉和职称：教授

完成日期： 2014 年 5 月 25 日

水位水温检测系统

摘要：此系统的设计主要是采用了STC89C52这种单片机，还有其它设备如：单总线温度传感器DS18B20，三极管与少量的上拉电阻，串口与并口功能兼具的液晶示出器LCD12864，以及发声器等，要做出具有可以出示容器内水位水温的小型仪器。此系统包含硬件与软件两大部分，硬件部分又包含五小部分：单片机、DS18B20监测、三极管，上拉电阻装置、显示部分、发声提醒装置。这样的设计就能使那些需要具备这些功能的水容器有了可行的仪器，而这种仪器是简单耐用的，是容易移动的，是价格低廉的。

关键词：芯片STC89C52；传感器DS18B20；发声提醒器。

目录

1 绪论 ····························································································- 1 - 1.1 背景 ·······················································································- 1 -

1.2研究与发展前景 ········································································- 1 -

2 设计水位水温系统的目的与内容 ························································- 1 - 2.1 设计的目的 ··············································································- 1 -

2.2 设计的内容 ··············································································- 2 -

3 水位水温系统的硬件分析 ·································································- 2 -

4 硬件部分介绍 ················································································- 2 - 4.1主控芯片单片机 ········································································- 2 - 4.2DS18B20测温装置 ····································································- 4 - 4.3测水位装置 ··············································································- 6 - 4.412846测温装置·········································································- 6 -

4.5 发声装置 ·················································································- 7 -

5 硬件工作情况介绍 ··········································································- 7 -

6 软件部分介绍 ················································································- 8 - 6.1仿真电路 ·················································································- 8 - 6.2 软件程序 ·················································································- 9 -

6.3软件检测 ·················································································- 9 -

7 实物与功能检查 ··········································································· - 10 -

8 总结 ·························································································· - 11 - 参考文献 ······················································································· - 12 - The detection system of Water level and temperature ···································· - 13 - 致谢 ····························································································· - 14 -

1 绪论

1.1背景

近年来由于科学技术的高速发展，可以说科技产品已经走进了寻常百姓家，现在的人们对生活的质量要求越来越高，家用电器作为生活不可缺少的部分显得至关重要。为了符合大众的要求，电器产品也变得更加便利化与舒适化。这更加推动了科学技术的不断发展与创新，传统的水容器没有任何可以显示温度和水位的装置，人们只能通过打开水容器的盖子才能知道其中的水位，对于水容器中水的温度更是只能猜测大约有多少度，非常的不方便以及非常不准确。而上面的种种问题用这个系统完全可以解决。而这种系统可以用于鱼缸、浴池、锅炉等。正是由于此系统的各种优点使得客户不仅用的放心，更用的实惠。

世界经济的快速发展，以及中国加入WTO，使得科技的竞争、人才的竞争变得异常激烈，生活节奏的加快使得世界各地的人对傻瓜式的产品需求开始呈对数形式上升，这也对从事电子的人的创新以及探索无形中提出了要求。

1.2研究与发展前景

本系统主要是对系统各功能的研究与实现，水容器内水位、水温的示出、水低于10%发声提醒这些功能可以合理的运用大学所学的软件C语言编程知识与硬件焊接制作相结合的办法来实现。每次加水的水量以及水温可根据环境需要由用户自由加热加水，用户不必费尽心思的想水容器内究竟有多少水，还要不要加水，水温究竟有多高，是不是达到要求了，这样就很大提高了工作与生活的效率。

可以预见在未来的工作与生活中，该系统以绝对的优势用在各种需要的水容器中，前途一片大，而由此带来的社会效益、经济效益是不能预计的。

2 设计水位水温系统的目的与内容

2.1 设计的目的

此设计的目的是为了让用户对所使用的水容器中水位水温有一个明白的认识。例如鱼缸里水的温度与水容量对鱼的生活环境很重要，浴池内水的温度与水位对洗浴的人来说也很重要等。而设计的实物能够帮助用户知道容器内的水容量、水温的多少与高低，此系统可以被安置在厨房、鱼缸、水池等对水位水温有要求的地方。水容量低于10%以下即发声提醒，而且人们也可以通过出示地水温来改变水的温度，通过发出声音提醒人们往容器内加水。使这两项都达到工业生产与日常生活所需的要求。

2.2 设计的内容

系统的内容对后期实物的制作有很大的影响，决定着实物是否能顺利完成。这里对设计的内容做简单介绍：此系统主要是利用了单片机。单片机简单易操作的优点使得各个功能的实现没想象中那么难；水位检测装置是固定在水容器壁内位置不同的十根彩排线还有少量三极管以及少量上拉电阻，通过彩排线端的金属片构成接触点接触水面如果导通将传到三极管的基级完成信息传送再由C语言编程指令的处理转化成可示的信息，如果不导通将不传送任何信息；水温检测装置是由单总线防水温度传感器的金属探头接触水面获取信息，也经C语言程序处理转化成可示信息；发声装置主要是简单的蜂鸣器。在系统设计完成后可以进行简单检查，而生活中的容器随处可见，而功能能不能正常运行一目了然。这种设计可以满足低消耗、低投资、零排放的优点。

3水位水温系统的硬件分析

本系统分硬件与软件设计，两者对设计能否成功都很重要，所以对这两部分的介绍都必不可少。下面首先对硬件部分做简单介绍可以用一个简单的图来概括水位水温系统设计的原理图如下所示。

图3-1 水位水温系统设计原理图

4硬件部分介绍

4.1主控芯片单片机

89C52是STC公司生产出来的。由于其兼容性好可以与好多其它器件配合使

用，也容易理解，入手也快，所以使用起来非常方便[2]。

该系统用到了晶体振荡电路，所以这里对其工作情况简单陈述一下：与芯片的XTAL1、XTAL2这两个引脚连接。晶体振荡电路4-1所示。

图4-1 晶体振荡电路

1. 单片机的显著特点

1. 工作电压为5V 电压小、功率低

2. 工作频率可以达到50MHz

3. 该芯片中C代表商业级芯片

4. 该芯片内存为8K

5. 发展空间比较大

6. 有五个外部中断，一个总中断控制

2. 简单的个引脚介绍

VCC为电源电压引脚

VS S为接地引脚

P0 端口：它包括P0.0到P0.7，是从第39脚开始到第32脚，P0即可以作为输入输出口使用，也可以作为地址或者数据总线使用。本系统主要使用P0口的输入输出功能。

P1 端口：它包括P1.0到P1,7，是从第一个引脚开始到第八个引脚结束。除此之外，它其中的两个引脚P1.0 和P1.1 还可以作为触发输入和外部技术输入。

P2 端口：它包括P2.0到P2.7，是从第21脚到第28结束。对C语言和汇编语言都适用，与此同时P2也接收一些控制信号。

P3 端口：它包括P3.0到P3.7，是从第10脚到第17脚。P3的每个引脚都有

两个功能。

RST是第九个引脚是复位输入引脚。属于单片机的复位初始化引脚，能够将处于其它状态的芯片都初始化为方便可操作状态。两个周期电平输入后有高电平才能工作。

P3的第二功能如图4-2所示

图4-2 P3口的第二功能表

4.2DS18B20测温装置

温度传感器即是大众化的产品，又是现代世界科研的高端发展前景好的产业，在生产生活中使用比较普遍，如军事领域、商业领域、医疗领域等都有它的身影，随着科研的进步，在未来的生活中的应用也应该增加如鱼缸、厨房、浴池、煲汤锅等。如果这样的话生活将会更舒适[4]。

本系统选用DS18b20这种型号的传感器便于携带、便于操作、单总线设计、感应灵敏、有集成库、读取数据方便、便于理解等，适合低温与高温的测量，集成库里温度取值比较小，而且数据比较全面。由于本设计是测量水的温度，需要大面积的接触水，所以防水显得很必要。本系统选用的就是不锈钢单总线防水型温度传感器，它具有独特的单线总线接口，而且准确度高、操作简单，在它的内部使用了集成库科技技术可进行文字表达。现在一切带湿度的检测都用到它如蔬菜大棚、食品房、果库的温度监测等系统中[5]。

单总线BS18b20的数据库图如下所示

图4-3 单总线DS18B20数据库图单总线DS18B20工作流程图如下所示

图4-4工作流程图

DS18B20的详细特点总结：它的输出三根引线：红色，黄色，绿色；也是5.0V 供电；有防水，防潮，防生锈的功能；不需要任何外部元件，具有简单的一个数据接口；具有9~12可调分辨率；可以测量的温度由上图可以看出来。

DS18B20的结构图如图4-5所示。

图4-5 DS18B20的简单结构图

4.3测水位装置

水位的设计最初有三个方案

（1）用滑动变阻器和浮球来实现水位的测量，即水位的变化推动滑动变阻器的变化，然后再通过AD转化。

（2）采用超声波测量距离，即超声波感应水箱内水的变化来实现转化信号。

（3）将被侧量的容器分成十等份，将十根彩排线分别固定在容器内十等份的不同位置。通过三极管上拉电阻将电信号放大。

由于种种原因最终决定用方案（3）。由固定在水中的十根高低不同的彩排线的触电碰触水面与水底的一根电源线导通将变化传给与三极管上拉电阻相连接的单片机，最终呈现水容器内的水的水量，该系统巧妙的用三极管与导线与上拉电阻连接来制成简易准确的水位检测装置。

4.4 12864显示装置

刚开始做设计的时候试着用数码管，试着用字符显示器，但是这些显示器要么只能显示数字，不能显示文字，要么只能显示英文，这对中国用户来说非常不

方便。这样下来让系统有点不完美，没有达到预期效果，后来选择用12864显示。它有很多优点，最大的优点是里面有文字库、比较直观、使用与拿放比较方便，用户使用这些电子产品时感觉特别舒心，上面的各种操作也容易理解，例如：手机屏、电子计数器屏、IC公交刷卡器屏、液晶电视机、平板电脑、掌上型游戏机、复读机屏、电子广告屏等很多电子产品。

LCD12864共有64*128个点阵，它内部的文字库给用户减少了很多麻烦，一个汉字的生成，是需要256个的点数。而且界面的明亮程度还可以进行控制。它非常易懂而且容易操作，大大体现了它较与其它显示屏的优势，让用户很容易的就能看明白。下面对管脚做一个简单介绍

表4-1 LCD-12864 管脚介绍

管脚号管脚名称管脚作用

1 GND GND电源接地

2 VCC VCC电源电压+5V

3 V0 屏幕明暗程度显示

4 RS 数据与指令

5 RW 读写功能

6 E 使能端

7~14 DB0~DB7 数据接口

15 PSB 控制模块接口

17 RST 复位

19 BLA 暗光电源+5V

20 BLK 暗光电源0V

4.5发声装置

系统中P0.0与发声器的一个接口连接，另一个接口与电源连接。制作原理是电磁感应。它价格便宜而且好用，并且由于它能起到提醒报警的功能被广泛的应用于各行各业。

5 硬件工作情况介绍

单片机工作情况介绍：此设计主要是利用了单片机的P1、P2脚，还有少量的P0脚。主要是利用了输入输出功能，大部分P1引脚用于控制温度信号的输入以及转化后的输出，全部的P2引脚和少量的P1引脚用于控制水位信号转化后的输出。其中P0端口的一个引脚主导发生器发声的工作[3]。

防水型DS18b20的工作情况：它共有三条引出导线。那根红色导线是正极，绿色的是负极，黄色的是数据线，将它的正极与电源的正极连接，负极与负极连接，数据接头与单片机P1口的一个引脚连接，即采集温度的变化传给单片机，由

单片机的程序与时序进行转化，然后显示在显示屏上[6]。

水位监测装置的工作情况：首先将所选容器的容积按十等份良好，然后将十根彩排线固定在事先分好的容器壁，水底放置一根电源线，这十根导线分别接三极管的基级，而十个三极管的发射级接着十个上拉电阻，集电极与单片机相连。彩排线接触水三极管导通就有信号，单片机将这种信息转化为可以显示的数字与文字。以便让用户知道水箱里的水还剩下多少；如果触点不接触水面，电源导线不会导通，三极管反相偏置就无信号，这主要是利用了三级管的放大作用，上拉电阻具有保护三极管的作用。

显示装置工作情况：上表中标出的引脚与主控芯片相应引脚相连接，通过程序转化就可以将抽象的信息转化成直观的信息。即可以显示出水温与水位。

发声提醒装置工作情况：当水容器内的水量不足10%时容器可能处于危险状态，系统输出低电平就能促使发声器发出声音起到提醒作用。让人们意识到容器水量不足了。

6 软件部分介绍

软件部分内容：本系统设计的软件即C语言编程，KEIL进行调试、STC软件进行下载、Proteus软件进行虚拟仿真。

6.1仿真电路

在仿真软件仿真的电路如图6-1所示[7]：

图6-1 仿真电路图

6.2 软件程序

软件设计是严格按照硬件功能进行的，本设计整体软件部分采用C语言编程，因为在大学期间学过比较简单，并且易懂。有温度数据采集与转化程序、水位信息采集与转化程序、发声提醒指令、初始化显示程序、都烧在了单片机内。这些程序体现作用简单说明一下，程序的内容是先对DS18B20、12864进行初始化处理，然后将传感器探头采集的数据、十根彩排导线触头传达的信息，与10%水位比较然信息通过系统指令与程序转化，显示在显示屏上。以及发生器的反应上。完成后等待下一次的启动命令[8]。

本设计的整体软件流程如图6-2所示：

图6-2 系统总体流程图

6.3软件检测

本系统是用C语言编程，KEII软件进行程序调试，STC-ISP进行往单片机里下载，Proteus软件进行仿真的。编程的内容包含了库函数以及子程序的调用。子程序有显示子程序、延时子程序等，编好以后进行了调试刚开始显示的是别的文字，后来发现是延时太短，加长延时后文字正常显示。水位显示的不正确，明明水位很低却显示60%，经过反复检查是由于软件接口连接错误。经过反复的调试、检查，下载到单片机内部的程序终于能够正常的完成最初设定的任务了。由于仿真软件库里没有我选用的显示器，客观条件的限制所以仿真只进行了电路连接。但电路连接是非常正确的

7实物与功能检查

我在实验室进行了实物的制作[9]。选用了两个万用板，一个是用于电源正负级的连接，一个是用与水位测量的设计，即固定十个三极管，还有10K的上拉电阻。还有就是与单片机的连接，在实验室的焊接。实物做好后，便开始进行硬件调试，为了避免整体接起来后发生错误后在检查的麻烦，我是一个功能与一个功能分开检查的。在各个功能都检查后才进行的整体检测实现。在检查的过程中有很多问题，开始时水位显示不正确，而且显示屏出现着其它字，根本不显示水位这几个字符，我检查了接线，焊接口都没问题，既然不是硬件的问题那就是软件有问题果然发现程序初始化不对，改正后还能正常显示，又经过程序排除发现是延时太短。最终当温度水位等字符正确出现的时候，也意味着实物终于做出来了，然后进行功能检测，实验中将DS18B20放在水温不同的水容器中，测温装置能正确工作。把确定的容器内的水慢慢减少时，减到不足10%时能发声提醒而且非常精确，测水位装置能正常工作。在这一环节中人们也可以自由改变水的温度也可以自由加水，最终将水位水温改变成理想状态。我的设计终于实现了[10]。

系统实物连接图如图7-1、图7-2所示。

图7-1 产品显示图

图7-2 实物连线图

8总结

面对自己的作品，心中有说不出的高兴，这段时间我不断的思考，以前试过的方法还在眼前。刚开始想到用滑动变阻器与小浮球来感应水位的变化，后来发现浮球根本推不动滑动变阻器，后来又想到用超声波测距转化成水位，效果不是很好，因为超声波测距需要一个比较空旷的环境，而容器太小，影响感应，最后想到这个办法，结果证明很成功。在这段时间里我学到了很多，我渐渐觉得自己的电子专业是如此的奇妙，能做出各种各样的设计。其实这些知识我都学过，但我从来没有试着去做，以至于用到时会出现笨手笨脚的情况，以后要多尝试，这样才能对所学的知识不陌生。

在这次完成论文与毕业设计的过程中，我感受到了所学的书本知识和实际材料相必须会灵活的结合。大学期间学到的C语言在编程中起到了很大的作用，我以前只停留在书本上，认为要做出东西很难，可是现在我不再害怕做实物了，而且每次遇到生活中的问题我都会问用自己所学的能不能解决，并想着能不能有新

的突破与创新，是这次实物的设计让我觉得自己的长处与不足[11]。

参考文献

[1] 付蔚，电子工艺基础[M].北京：北京航天大学出版社，2011:10-14.

[2] 张毅刚，新编MC5-51单片机应用设计[M].北京：清华大学出版社，2008:20-35.

[3] 徐爱钧，单片机原理实用教程[M].北京：电子工业出版社，2011:68-83.

[4] 金发庆，传感器技术与工程应用[M].北京：机械工业出版社，2012:102-134.

[5] 刘畅生传感器简明手册与应用电路[M].西安：西安电子科技大学出版社，2006:54-88.

[6] R.F.graf Ecgclopedia Of Electronic.Science press.1986. 76-107.

[7] Jean J Debugging Techniques for Embedded Systems using Real-Time Sofetware Trace.2002 212-243.

[8] 潘松，黄继业电子设计与自动化[M].北京：科学出版社，2010:161-165.

[9] 马文华，邓耀华，汤秀春. 嵌入式系统设计与开发[M].北京：科学出版社，2011:120-127.

[10] 谭浩强. C语言程序设计[M]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2008:11-87.

The detection system of Water level and temperature

Abstract :This system is designed mainly uses this stc89C52 SCM, as well as other devices such as: single-bus temperature sensor DS18b20, with a small number of transistors on a pull-up resistor, both serial and parallel port functions is shown in the LCD12864, as well as sound, etc. to make the water level in the container with water can produce a small instrument. This system consists of two parts, hardware and software, the hardware section also contains five small parts: single chip, DS18B20 monitoring, transistors, pull-up resistor device, a display section, audible reminder. This design can make these functions come ture that the water container with the equipment available, and this instrument is simple, durable, easy to move, inexpensive.

Key word : c hip STC89C52; sensor DS18B20;audible reminder .

致谢

论文设计终于圆满完成了，在整个过程中我要感谢我的指导老师，因为从开始到结束的各个阶段都离不开老师的指导与帮助。卢教授一丝不苟的态度以及对细节之处的严格要求让我感触很深。在这过程中教授不仅给我讲解所用到的知识而且为我提供各种参考资料。帮我分析各种问题出现的原因。指导教师非常的细心，每次都会纠正我细节之处的问题，指导老师思维活跃、动手能力很强。而且善于引导我，鼓励我大胆去想去做。每当我有懒惰心里时老师都会督促我。我为有这样一位指导老师而感到无比荣幸。感谢我的大学有您这样好的老师。

我还要感谢我周围的所有朋友和同学，从该论文的前期的选题构思设计阶段，到中期的选购器件、具体用C语言编程、电子工艺焊接阶段，到最后的成品论文完善阶段，他们都给与我最大的帮助。因为有了他们的帮助，与与他们的讨论，使我懂得了很多，这也让我的论文设计能够更成功的完成。