毕业设计论文水塔智能水位控制系统设计

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1、水塔智能水位控制系统设计摘 要水塔水位的控制系统是我国供水系统较为常用的，水塔供水的主要问题是塔内水位应该始终保持在一定的范围内，避免“空塔”、“溢塔”现象发生。传统的控制方式存在控制精度低、能耗大的缺点，而智能控制系统的成本低，安装方便，灵敏性好，是节约水源，方便生活的水塔水位控制的理想装置。本设计介绍的是一种由AT89C51单片机为主控元件的电压传感器的水塔水位测量系统。压力传感器一般由弹性敏感元件和位移敏感元件组成。弹性敏感元件的作用是使被测压力作用于某个面积上并转换为位移或应变，然后由位移敏感元件或应变计转换为与压力成一定关系的电信号。测量时首先由安装在塔底的压力传感器感应被测水位高度

2、并将其转换成电信号，经过信号调理电路进行滤波、放大，输出相应的直流电压信号，然后输入到串行的A/D转换器中进行模-数转换，模-数转换以后得到的数字信号直接送入单片机，经过单片机分析处理后根据相应的结果通过继电器对水泵电机进行控制，从而进行对水位的控制，于此同时将测量结果显示出来。关键词:单片机;压力传感器;水位控制Water towers intelligent water level control system designAbstract Water towers water level control system is relatively commonly used in the

3、Chinese water supply system; the main problem of the water towers water supply is the water level in the water tower should always remain within a certain range, to avoid the “empty tower”, “overflow” tower phenomenon. Traditional control mode exist the shortcoming of control precision low, energy c

4、onsumption big, and the cost of intelligent control system is low, easy installation, and good sensitivity, it is the ideal device to save water, to facilitate the life of the water towers water level control. This design introduces is AT89C51 microcontroller as a master component of the voltage sen

5、sor of the water towers water level measurement system. The pressure sensor is generally composed by the elastic sensing element and displacement sensitive components. The role of the elastic sensing element is to make tested pressure in a certain area and converted to displacement or strain, then t

6、he displacement sensitive components or strain gauge is converted to a certain relationship with the pressure of the electrical signals. First the pressure sensor installed in the bottom of the sensor measured the height of water level measurements and converted into electrical signals, after the si

7、gnal conditioning circuit filtering，amplification, output DC voltage signal, the enter the serial A/D converter for analog-digital conversion, after analog-digital conversion, the digital signal directly into the microcontroller, after microprocessor analysis processing according to the results thro

8、ugh a relay to control the pump motor, thus control of water level, at the same time the measurement results are displayed.Key words: SCM; pressure sensor; water level control目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1水塔水位的产生背景11.2水塔水位的研究现状11.3单片机的发展趋势及应用31.4设计中水泵的工作方式31.5本次设计的内容4第2章 方案论证52.1 采样模块62.1.1 继电器开关式62.1.

9、2 压力传感器72.2 模数转换72.2.1 AD转换器的分类72.2.2 串并行AD转换器的选取72.2.3 AD转换器芯片型号的选取82.3 控制模块82.3.1 继电器的介绍82.3 显示模块102.3.1 LED显示器102.3.2 LCD显示器10第3章 硬件方案设计123.1 单片机AT89C51123.1.1 主要特性133.1.2 管脚说明143.2 压力传感器183.2.1 技术参数183.2.2 特点193.2.3 工作原理与电路图203.3 A/D转换器TLC0834203.3.1 TLC0834主要特点203.3.2 工作特点213.3.3 引脚功能223.4 LCD显

10、示器233.4.1 1602显示器主要技术参数243.4.2 1602LCD特性243.4.3引脚功能243.5 继电器输出253.6 报警263.7 电子狗及复位273.7.1 X25045引脚图273.7.2复位电路283.7.3 单片机与电子狗、复位电路图283.8稳压电源293.8.1 稳压电源工作原理293.8.2 LM7805303.9时钟电路31第4章 软件方案设计334.1 水塔水位控制主程序334.2 中断报警程序344.3 看门狗程序35第5章 总结37参考文献38致 谢39附 录40 V第1章 绪论1.1水塔水位的产生背景从古至今，洗衣做饭、灌溉农田，水资源一直都在人们日

11、常生活和生产中起着至关重要的作用，突然断水，不仅会给人们的生活带来大大的不便，而且如果长时间缺水，则很有可能造成严重的自然灾害甚至更大的损失。因此，供水系统往往是建筑、生产或企业中最重要的基础设备之一。然而，随着社会经济的飞速发展，人口密度的不断增加，水资源的利用率与节约用水意识就相对越发重要了。在工业与民用建筑中，水塔是一种比较常见而又特殊的建筑，水塔是用于储水和配水的高耸结构，用来保持和调节给水网中的水量和水压，如果水塔的施工质量不好，轻则会造成渗漏水浪费水资源，重则报废不能使用。针对水塔的工作过程和性质，水塔水位的检测与控制是其重中之重，用水者使用水会导致水塔水位的下降，为了保证用户的用

12、水需求不会造成断水现象，水塔内应始终存有足够量的储水，这时需将水塔内设置一个水位下限值，当水塔内水位达到下限值时就需要向水塔内注水；但同时水塔内的水位又不能使水溢出水塔造成水资源浪费，这时候又需要给水塔设置一个水位上限，当水位达到水塔上限值时应立即停止向水塔注水。在这个不断循环的过程中，如果通过人工监测水位控制水塔内水量会浪费大量的人力资源，因此，在现代水塔供水系统中采用智能水位控制是不可避免的趋势。1.2水塔水位的研究现状在水塔供水系统中，水塔必须满足两个前提：第一，保证水塔内水量，不能造成缺水现象；第二，保证水塔内蓄水不溢塔，造成水资源浪费。而现阶段的水塔智能控制系统设计中采用三种手段可实

13、现上述功能：（1）PLC水塔水位控制系统：设计在蓄水池和水塔分别各自采用一个液位传感器，以为量取其各自的高低水位。他们传输的数据传往PLC（可编程逻辑控制器），然后经由PLC进行数据处理、比较，最后输出控制水泵和电磁阀。系统通过PLC启动后，当水池液位低于水池传感器下线液位时，电磁阀打开，开始往水池里注水，过5S以后，若水池液位没有超过水池传感器下线液位时，则系统发出警报。待水位开始上升并被相应的液位传感器检测到时自动熄灭报警。若系统正常，此时水池传感器下限液位向PLC输入一个固定值，表示现在水位高于下限水位。当水位液面高于上限水位时，电磁阀关闭停止向水池注水；当水塔水位低于水塔下限时，则水塔

14、传感器下限水位检测不到有水，水泵开始工作，向水塔供水，当10S以后，若水塔液位没有超过水塔传感器下线液位时，则发出警报。（2）单片机智能水塔水位控制：该系统中，单片机是控制的核心模块，分析处理传感器检测的数据，接收或发送数据等，除此之外，该系统还包括了以差压传感器为主的信号采集模块，以水泵为主的注水启停驱动模块，及报警、显示模块等。首先通过传感器实时检测水塔水位，然后把水位数据传送到水塔处的单片机，单片机把数据与所设定的水位上下限作比较，如果水位低于下限，则启动抽水机抽水，保证水塔的水足够，如果水位达到了上限，则及时停止抽水，防止“溢塔”而浪费水，并且水位的上下限随时可以根据实际情况由拨码开关

15、进行调整；同时该单片机控制无线发送器把水位数据发送到中央控制室的单片机处显示，实现实时监测目的。（3）光纤传感器在水塔水位检测中的应用研究：该方案的检测系统分别由中央控制式的中央监控单元和现场采集单(或数据采集单元)组成。现场采集单元对水塔的水位信号进行数据的实时采集，同时完成数据统计、存贮；中央监控单元可以定期或不定期地从现场采集单元获取数据并完成图像监测、数据统计、报表、打印及数据库管理。而中央监控单元和现场采集单元之间通过CAN总线连接在一起，在这个网络中，中央监控单元处于主控位置，而现场采集单元可以随时响应中央监控单元的命令。其现场采集单元由单片机8C552及采集、存储、显示、遥控和通

16、信模块组成，每个现场采集单元可与光纤液位传感器及光纤液位报警器等16个设备相接。之所以应用CAN总线网络结构是由于CAN网络具有方便灵活、突出特性，抗干扰性、可靠性、实时性等特点。所有的光纤液位传感器及光纤液位报警器都可以通过一对双绞线串接在一起，节省了空间、简化了布线。1.3单片机的发展趋势及应用单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管它的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入

17、输出系统集成在一块芯片上。单片机也被称为微控制器（Microcontroller），是因为它最早被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。1.4设计中水泵的工作方式本次设计中水泵先向水塔供水，再由水塔向用户供水。水塔的合理高度是要求水塔最低水位略高于供水系统所需要压力。水塔注满后水泵停止，水塔水位低于某一位置时再启动水泵。水泵处于断续工作状态中。这种供

18、水方式，水泵工作在额定流量额定扬程的条件下，水泵处于高效区。这种方式显然节能省电，其节电率与水塔容量、水泵额定流量、用水不均匀系数、水泵的开、停时间比、开、停频率等有关。供水压力比较稳定。1.5本次设计的内容水塔智能水位控制系统是一个完整的液位控制系统，它包括采样、处理、控制等部分组成，论文将论述整个系统的设计思想、基本结构框架、主要硬件设计与软件程序这几部分问题。水塔智能水位控制系统对水位的监控具有严格的要求，所以如何设计水塔水位的检测将是本次设计的关键因素。本论文各章节的安排如下：第1章：介绍了水塔水位的研究现状,并且介绍了部分重要组件的应用。第2章：从设计成本及实现智能控制角度，给出总体

19、设计框图及方案，介绍系统各组成模块的功能。第3章：对系统各个组成部分进行详细的硬件选型设计，及各个组成部分之间的连接方式。第4章：水塔智能水位控制系统的软件设计及软件程序流程图。第5章：对本次论文的所有设计进行了总结。第2章 方案论证本次对水塔智能水位控制系统的设计采用以51单片机为核心，由采样模块、控制模块、显示模块、电源模块、时钟复位等组成，其结构原理如图2.1所示。图2.1 水塔智能水位控制系统结构原理框图测量时首先由安装在塔底的压力传感器感应被测水位高度并将其转换成电信号，经信号调理电路进行滤波、放大，输出相应的直流电压信号，然后输入到串行的A/D转换器中进行模-数转换，模-数转换后得

20、到的数字信号直接送入单片机，经单片机分析处理后根据相应的结果通过继电器对水泵电机进行控制，从而进行对水位的控制，于此同时将测量结果显示出来。2.1 采样模块对于水塔水位有多种测量方式：继电器开关式、电容式、超声波式、压力传感器式等。根据不同的系统要求、技术上的可行性及成本的经济性等多方面的考虑来选择不同的测量方法。随着自动控制技术、计算机技术及信息技术的高速发展，数字化、智能化产品的应用开发日趋广泛，液位的检测与控制也早已进入数字化控制世界。 2.1.1 继电器开关式1、杠杆式利用液体的浮力，通过杠杆传动，水位上升至一定高度使触头发生切换，从而达到控制水位的目的，这种方法最简单、经济。2、电极

21、式利用水的导电性，设置上限位电极与下限位电极，当水位浸没上线位电极时，上、下电极导通而引起继电器动作，使用这种方法时为了防止电极在水中长期通直流电发生极化腐蚀，应该采用交流源取样电路。 3、电容式在水中放入两根平行的电极，其中一根电极表面敷有绝缘层，这样在两根电极间便构成一个电容C，其容量与电极没入水中的深度成正比。用C构成的振荡器周期T也跟水深成正比。4、超声波式由超声波发射装置和超声波接受装置组成，发射装置发射恒定的40KHz超声波信号，当超声波遇到水位表面反射回来被超声波接受装置接受。根据水位不同，接受的信号强弱就不同，距离远的信号弱，距离近的信号强。 2.1.2 压力传感器将压力转换为

22、电信号输出的传感器。通常把压力测量仪表中的电测式仪表称为压力传感器。压力传感器一般由弹性敏感元件和位移敏感元件（或应变计）组成。弹性敏感元件的作用是使被测压力作用于某个面积上并转换为位移或应变，然后由位移敏感元件或应变计转换为与压力成一定关系的电信号。有时把这两种元件的功能集于一体。本次设计中将压力传感器安装于水塔的底部，根据流体的性质，传感器检测的压力大小只与水塔中水位的高度成正比，而与水塔的截面积无关。压力传感器与智能数字仪表或计算机系统组成的控制系统可精确控制液位的高度，并可以实时显示各测点液位的数值，所以压力传感器是当今应用较为广泛的一种，也是自动化工程的宠儿。所以本次设计采用的是压阻

23、式应变压力传感器。2.2 模数转换当压力传感器检测出水塔的液位高度转换成电信号输出时，此信号为模拟信号仍然不能直接送给单片机进行分析比较，需要在送单片机之前进行模数转换（AD转换）,将模拟信号转换成数字信号再传送给单片机。 2.2.1 AD转换器的分类（1）按数字输入方式可分为并行AD转换器和串行AD转换器。（2）按工作原理及特点可分为积分型、逐次逼近型、并行比较型/串并行型、-调制型、V-F变换型等。（3）按输出极性可分为单极性和双极性。 2.2.2 串并行AD转换器的选取串行AD转换器比并行AD转换器节约串口资源，没有并行8位通道间的相互干扰，现在已被越来越广泛的应用于电子设计中，故本次设

24、计选用的就是串行模数转换器。 2.2.3 AD转换器芯片型号的选取串行AD转换器的集成芯片也是种类繁多，其中TLC0832与TLC0834都是被广泛应用的芯片。TLC0832是美国德州仪器公司生产的串行控制模数转换器，有两个多路选择的输入通道，与单片机或控制器通过三线接口连接，具有8位分辨率，5V单电源供电，输入与输出电平与TTL和CMOS兼容等特点。而TLC0834同样是8位分辨率，5V单电源供电，输入输出电平与TTL和CMOS兼容的串行逐次逼近型AD转换器，但是TLC0834在模数转换过程中采用光电隔离方式，使其具有较强的抗干扰性能，故本次水塔水位智能控制系统设计中采用的是TLC0834芯

25、片。2.3 控制模块本文对水塔水位所设计控制模块主要包括以单片机为核心的，通过继电器控制的水泵的工作过程的设计。对水泵电机控制的设计虽然多种多样，但是考虑继电器的特点是小电流控制大电流，不仅是一种可以自动控制的电器，而且对系统线路还兼有保护作用，同时，通过继电器控制电机启停技术已被广泛应用于此类设计中，相对安全可靠，深受设计者喜爱。 2.3.1 继电器的介绍继电器是具有隔离功能的自动开关元件，在本次设计当中主要来做自动控制作用，系统采用+5V的直流电来控制220V的交流电，以达到控制水泵的作用，因为是在这里是以一种弱电来控制强电，所以安装和使用的过程当中一定要注意用电安全注意事项。磁式继电器一

26、般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。常用的继电器可分为电流继电器、电压继电器、中间继电器、时间继电器、热继

27、电器以及干簧继电器等。（1）热继电器是一种通过电流简介反应被控电器发热状态的防护器件。（2）干簧继电器是一种新型密封触点的继电器，它既能导磁又能导电，兼有普通电磁继电器的触点和磁路系统的双重作用，具备快速动作、灵敏度高、稳定可靠和消耗功率低等优点。（3）时间继电器是在电路中对动作时间起控制作用的继电器。（4）中间继电器具有触点多、触点电流大和动作灵敏等特点，常用于某一电器与被控电路之间，以扩大电器的控制触点数量和容量。（5）电流继电器和电压继电器属于常用的电磁继电器之一。如果继电器是按通入线圈的电流的大小而动作的，就是电流继电器，电流继电器是串联在负载中使用的，其线圈匝数少、内阻低，可以保护线

28、路不因电流过大而收到损坏；如果继电器是按照施加到线圈上的电压大小来动作的，就是电压继电器，电压继电器与负载电路并联工作，所以线圈匝数较多、阻抗较高。故本次对于水泵电机的控制选用的是电流继电器。2.3 显示模块测控系统中常用的测量数据的显示器有发光二极管显示器（LED）和液晶显示器（LCD）两种。 2.3.1 LED显示器LED显示器通常是由多位LED数码管排列而成，每位数码管内部有8个半导体发光二极管，其中七个发光二极管摆成七笔字形“”，还有一个发光二极管用来显示小数点。这种显示块有共阴极和共阳极两种，八个二极管的阴极并接成一个公共端称为共阴极；八个二极管的阳极并接成一个公共端，称为共阳极。其

29、主要是通过这些发光二级管的亮灭来显示字符。为了在LED上显示数字，必须将要显示的数字转换成相应的段选码，这可通过硬件译码或软件译码来实现，硬件译码电路由锁存器、译码器、驱动器组成，锁存器用于所存每位要显示数字的四位二进制代码或BCD码，译码器通过驱动器与LED显示器的8个发光二极管相连，使相应段的二极管点亮，显示出数字或字符。 2.3.2 LCD显示器液晶显示品种多，内部结构复杂，字符型液晶显示电路板有两种点阵显示字符：57和510；每种点阵又分为1行、2行和4行三类，没行有8、16、20、40、80等多种字符位长度，LCD液晶显示器主要是在两片平行的玻璃当中放置液态的晶体，它兼有液体的流动性

30、和晶体的光学特性，两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线，透过通电与否来控制杆状水晶分子改变方向，将光线折射出来产生显示画面。LCD显示器具有低压功耗小，显示信息量大，寿命长等特点。 在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点：1、显示质量高由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。2、数字式接口液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。3、体积小、重量轻液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积

31、的传统显示器要轻得多。4、功耗低相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。所以本次设计针对水塔水位高度的显示选用了LCD显示器。此次显示水位用的是57点阵2行16位字符长度的1602液晶显示器。 第3章 硬件方案设计3.1 单片机AT89C51与87C51相比，AT89系列的优越性在于其片内闪电存储器的编程与擦除完全用电实现；数据不易挥发，可保存10年；编程/擦除速度快，全4K字节编程只需时3s，擦除时间约用10ms；AT89系列可实现在线编程。如图3.1所示为本次设计采用的AT89C51单片机，AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压

32、、高性能CMOS 8位单片机，片内含4K bytes 闪烁可编程可擦除只读存储器（PEROM）和128 bytes 的随机存储数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度非易失存储器制造技术制造，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大，可用于许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。AT89C51是用静态逻辑来设计的，其工作频率可下降到0 Hz，并提供两种可用软件来选择的省电方式空闲方式（Idle Mode）和掉电方式（Power Down Mode）。在空闲方式中，CPU停止工作，而RAM、定时器/计数器、串行口和中断系

33、统都继续工作。在掉电方式中，片内振荡器停止工作，由于时钟被“冻结”，使一切功能都暂停，只保存片内RAM中的内容，直到下一次硬件复位为止。 图3.1 AT89C51单片机引脚图 3.1.1 主要特性（1）与MCS-51兼容（2）4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环 数据保留时间：10年（3）全静态工作：0Hz-24Hz（4）三级程序存储器锁定（5）128*8位内部RAM（6）32可编程I/O线（7）两个16位定时器/计数器（8）5个中断源（9）可编程串行通道（10）低功耗的闲置和掉电模式（11）片内振荡器和时钟电路 3.1.2 管脚说明 （1）VCC：供电电源（2）GND：接地（3

34、）P0口：P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，每个引脚可吸收8个TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。（4）P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4个TTL门电流。P1口管脚写1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。（5）P2口：P2口为一个内部上拉电阻的

35、8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。（6）P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输

36、入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如表3.1所示： 表3.1 P3口线的第二功能口管脚备选功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2/INT0（外部中断0）P3.3/INT1（外部中断1）P3.4T0（计时器0外部输入）P3.5T1（计时器1外部输入）P3.6/WR（外部数据存储器写选通）P3.7/RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。（7）RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 （8）ALE/PR

37、OG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。（9）/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外

38、部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 （10）/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 （11）XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 （12）XTAL2：来自反向振荡器的输出。如图3.2所示为AT89C51内部结构图，其重要包括中央处理器CPU、内部数据存储器、内部程序存储器、定时器/计数器、并行I/O口、串行口、中断控制电路、

39、时钟电路等几部分组成。图3.2 AT89C51内部结构图3.2 压力传感器LDN500系列压力传感器选用没过进口的高精度、高稳定性、隔离式敏感组件，该组件把固态集成工艺与隔离膜片技术结合在一起，产品可在恶劣环境下工作，扔保持优良的灵敏度、线性度和稳定性，因此，在本次对于水塔水位的检测中选用了该系列的压力传感器。LDN500 系列传感器、变送器的核心是美国高性能的隔离式传感器组件，该组件的敏感元件是利用单晶硅的压阻效应，在单晶硅上扩散一个惠斯登电桥，然后利用先进的膜片和充硅油隔离技术封装而成。被测介质压力通过隔离膜片及密封硅油传递到硅膜片上，参考端的压力（大气压、真空或密封压）作用于硅膜片的另一

40、侧。两边的差压使硅膜片的一侧受压缩，一侧受拉伸，由于压阻效应，四个桥臂电阻的阻值发生变化，电桥失衡，敏感元件输出一个对应压力变化的电信号。 输出的电信号，经过差分放大，电压电流转换，变换成相应的电流信号，通过放大和非线性矫正环路的补偿，以及精密的二次温度补偿，产生与输入压力成线性关系的420mADC二次制标准信号。LDN500系列产品在070的温度范围内，温度误差小于0.5%FS，传感器信号经精密温度补偿，放大处理转换成420mADC（或15VDC）标准信号，可与DDZ-III、DDZS系列仪表以及工业计算机或集散系统接口，实现自动测量和控制。 3.2.1 技术参数（1）量程：010kPa -

41、 040MPa（2）压力类型：表压（及负压），绝压，密封压（3）最大过载：2倍极限压力（4）测量介质：与302不锈钢兼容的各种液体（5）使用温度：-4085（6）补偿温度：070（7）储存温度：-55125（8）振力：10g（202000Hz）（9）冲击：100g 11mS（10）非线性：0.1%FS（11）重复性、迟滞：0.05%FS（12）长期稳定性：0.1%FS/年（13）零位温漂：0.2%FS（14）满度温漂：0.2%FS（15）电源电压：恒流1.5mADC或恒压12VDC供电（16）电磁兼容/射频干扰：10伏/米（17）抗雷击（18）反向保护：加反压45VDC安全（19）外壳材料：3

42、02不锈钢（20）隔离膜片材料：316不锈钢 3.2.2 特点（1）量程宽：010kPa - 040MPa（2）坚固可靠的不锈钢外壳（3）高精度、高稳定性（4）体积小、重量轻、安装方便（5）电路经特殊工艺处理，100%防水防潮（6）完备的电路功能 3.2.3 工作原理与电路图将压力传感器安装在水塔底部，水塔内水位液面与底部形成一定压力，水位液面越高，压力越大；水位液面低，压力越小。 图3.3 压力传感器及调理电路图3.3 A/D转换器TLC0834将水塔水位测量出的信号送给单片机进行比较之前，还需要将测量到的模拟信号转换成数字信号，即进行模数转换（AD转换）。 3.3.1 TLC0834主要特

43、点TLC0834是TI公司生产的8位逐次逼近模数转换器，具有输入可配置的多通道多路器和串行输入输出方式。其多路器可由软件配置为单端或差分输入，也可以配置为伪差分输入。另外，其输入基准电压大小可以调整。在全8位分辨率下，它允许任意小的模拟电压编码间隔。由于TLC0834采用的是串行输入结构，因此封装体积小，可节省51系列单片机IO资源，价格也较适中。其主要特点如下：（1）8位分辨率（2）易于和微处理器接口或独立使用（3）可满量程工作（4）可用地址逻辑多路器选通4输入通道（5）单5V供电，输入范围为05V（6）输入和输出与TTL、CMOS电平兼容（7）时钟频率为250kHz时，其转换时间为32s（

44、8）总调整误差为1LSB 3.3.2 工作特点TLC0834可通过和控制处理器相连的串行数据链路来传送控制命令，因而，可用软件对通道进行选择和输入端进行配置，其控制逻辑表如表3.2所列。输入配置可在多路器寻址时序中进行。多路器地址可通过DI端移入转换器。多路器地址选择模拟输入通道可决定输入是单端输入还是差分输入。当输入是差分时，应分配输入通道的极性，并应将差分输入分配到相邻的输入通道对中。例如通道0和通道1可被选为一对差分输入。另外，在选择差分输入方式时，极性也可以选择。一对输入通道的两个输入端的任何一个都可以作为正极或负极。通常TLC0834在输出以最高位（MSB）开头的数据流后，会以最低位

45、（LSB）开头重输出一遍（前面的数据流）。 表3.2 TLC0834多路器的控制逻辑表多 路 器 地 址通 道 号SGL/ODD/SELECT BITICH0 CH1 CH2 CH3LLHHLHLHLHLH + - + - + - - +HHHHLLHHLHLH + + + + 3.3.3 引脚功能如图3.4所示为TLC0834芯片引脚图。图3.4 TLC0834引脚图引脚功能：（1）CH0CH3为模拟输入端；（2）为片选端；（3）DI为串行数据输入，该端仅在多路器寻址时才被检测；（4）DO为AD转换结果的三态串行输出端；（5）CLK为时钟；（6）SARS为转换状态输出端，该端为高电平时，表示

46、转换正在进行，为低电平则表示转换完成；（7）REF为参考电压输入端；（8）VCC为电源；（9）DGTLGND为数字地，（10）ANGLGND为模拟地。3.4 LCD显示器字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1,16*2,20*2和40*2行等的模块，本次对于水塔水位的显示采用的就是长沙太阳人电子有限公司的1602字符型液晶显示器。图3.5 LCD 1602引脚图 3.4.1 1602显示器主要技术参数显示容量：162个字符芯片工作电压：4.5-5.5V工作电流：2.0mA（5.0V）模块最佳工作电压：5.0V字符尺寸：2.954.35（WH）mm

47、3.4.2 1602LCD特性（1）+5V电压，对比度可调（2）内含复位电路（3）提供各种控制命令，如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能（4）有80字节显示数据存储器DDRAM（5）内建有160个57点阵的字型的字符发生器CGROM（6）8个可由用户自定义的57的字符发生器CGRAM 3.4.3引脚功能 表3.2 1602 LCD引脚功能表引脚符号功能引脚符号功能1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光

48、源负极3.5 继电器输出在水塔水位控制系统中，水塔内的水位及液位面与水塔底部的压力必须依靠电机水泵的启停来维持，而电机水泵的启停又由继电器控制，其控制电路如下图图3.5所示。图3.6 继电器控制电路图在继电器控制电路中，当单片机P1.2端口输出低电平时，KM1导通，继电器吸合；当P1.2输出为高电平时，KM1截止，继电器不吸合。在继电器吸合到断开的瞬间，由于线圈中的电流不能突变，将在线圈产生下正上负的感应电压，使晶体管集电极承受很高电压，有可能损坏驱动三极管VT1，为此在继电器线圈两端并接一个续流二极管VD1，使线圈两端的感应电压被嵌位在0.7V左右。正常工作时，线圈上的电压上正下负，二极管V

49、D1截止，对电路没有影响。由于继电器由吸合到断开的瞬间会产生一定的干扰，当吸合电流比较大时，在单片机与继电器之间需要增加隔离电路，如光耦等，在图3.5中，7407是逻辑门驱动芯片，因为单片机的口线无法直接驱动光电耦合器，所以7407的作用就是加强驱动能力。3.6 报警为了防止水塔水位过高溢出水塔造成水资源，以及水塔水位过低蓄水不足导致供水短缺的现象不会发生，在设计水塔水位智能控制系统的过程中，设置了两处报警装置：上限报警MAX与下限报警MIN。本电路采用两种不同颜色的发光二极管（红、绿）表示不同的水位情况，即红灯亮的时候表示水位超上限，绿灯亮的时候表示水位低于下限。如图3.6为报警电路图。 图

50、3.7 上、下限报警电路图报警装置的设计思路是首先把上、下限报警值分别存在XMAX和XMIN单元中，然后取本次采样值Xi先与上限值MAX进行比较，如果大于上限报警值，单片机发出高电平信号，使继电器断开，水泵电机停止向水塔内注水，同时，单片机P1.1输出低电平，使LED1亮，进行上限报警；如果采样值Xi小于上限报警值，则继续讲采样值Xi与下限报警值想比较，若小于下限报警值，单片机送出低电平信号，这时继电器吸合，水泵电机开始向水塔内注水，同时，单片机P1.0输出低电平，使LED2亮，进行下限报警；如果采样值既不大于上限值也不小于下限值，则直接送采样值到显示模块进行实时液位显示。3.7 电子狗及复位

51、在由单片机构成的微型计算机系统中，由于单片机的工作常常会受到来自外界电磁场的干扰，造成程序的跑飞，而陷入死循环，程序的正常运行被打断，由单片机控制的系统无法继续工作，会造成整个系统的陷入停滞状态，发生不可预料的后果，所以出于对单片机运行状态进行实时监测的考虑，便产生了一种专门用于监测单片机程序运行状态的芯片，俗称看门狗。在系统运行以后也就启动了看门狗的计数器，看门狗就开始自动计数，如果到了一定的时间还不去清看门狗，那么看门狗计数器就会溢出从而引起看门狗中断，造成系统复位。X25045是美国Xicor公司生产的一种标准化8脚集成电路，它将EEPROM、看门狗定时器、电压监控三种功能组合在单个芯片

52、之内，大大简化了硬件设计，提高了系统的可靠性，减少了对印制电路板的空间要求，降低了成本和系统功耗，是一种理想的单片机外围芯片。 3.7.1 X25045引脚图如图3.7所示为X25045看门狗集成芯片引脚图。图3.8 X25045引脚图第1脚：芯片使能信号第2脚：串行数据输出脚，在一个读操作的过程中，数据从SO脚移位输出。在时钟的下降沿时数据改变。第3脚：当引脚为低时，芯片禁止写入，但是其他的功能正常；当引脚为高电平时，所有的功能都正常。第4脚：电源地第5脚：串行数据输入脚第6脚：串行时钟，控制总线上数据输入和输出的时序第7脚：复位信号端第8脚：电源正极 3.7.2复位电路为确保微机系统中电路

53、稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。一般微机电路正常工作需要供电电源为5V5%，即4.755.25V。由于微机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当VCC超过4.75V低于5.25V以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才被撤除，微机电路开始正常工作。单片机复位电路主要有四种类型：微分型复位电路、积分型复位电路、比较器型复位电路以及看门狗型复位电路。 3.7.3 单片机与电子狗、复位电路图如图3.8所示为单片机与电子狗、复位电路连接图。 图3.9 单片机与电子狗、复位电路连接图3.8稳压电源不稳定的电压会给设备造成误动作或者致命伤害，

54、影响生产，同时加速设备的老化，影响使用寿命甚至烧毁配件，会使用户面临需要维修的困扰或短期内就要更新设备，浪费资源，严重者甚至发生安全事故，造成不可估量的损失。 3.8.1 稳压电源工作原理如下图3.9所示为稳压电源工作原理图，工频交流电源经过变压器降压、整流、滤波后成为一稳定的直流电。图中其余部分是起电压调节，实现稳压作用的控制部分。电源接上负载后，通过采样点路获得输出电压，将此输出电压和基准电压进行比较。如果输出电压小于基准电压，则将误差值经过放大电路放大后送入调节器的输入端，通过调节器调节使输出电压增加，直到和基准值相等；如果输出电压大于基准电压，则通过调节器使输出减小。 图3.10 稳压

55、电源工作原理框图 3.8.2 LM7805LM7805三端稳压电源所需外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜，在电子制作中经常采用。图3.11 LM7805引脚图如上图图3.10所示，LM7805集成芯片有三个引脚：（1） 引脚1接输入（2） 引脚2接地（3） 引脚3接输出如表3.3所示为LM7805的相关参数表表3.3 LM7805参数表参数符号典型值单位输出电压V05.0V静态电流IQ8mA输出电压温漂V0/T0.8mV/输出阻抗R015m短路电流1SC230mALM7805的特点：（1）最大输出电流1.5A（2）输出电压5V（3）热过载保

56、护（4）短路保护3.9时钟电路本次设计中的时钟电路我选用的是晶振电路。在单片机系统里晶振作用非常大，全程叫晶体振荡器，他结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。高级的精度更高。有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器。晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯

57、系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。图3.12 时钟电路与单片机的连接图 第4章 软件方案设计程序设计的任务是制定微机化测控系统程序的纲要，而微机化测控系统的程序将执行系统定义所规定的任务。程序设计的通常方法是绘制流程图。这种方法以非常直观的方式对任务作出描述，因此，很容易从流程图转变为程序。在设计中，可以把测控系统整个软件分解为若干部分。这些软件部分各自代表了不同的分立操作，把这些不同的分立操作用方框表示，并按一定顺序用连线连接起来，表示它们的操作顺序。这种互相联系的表示图，称为流程图。功能流程图中的模块，只表示所要完成的功能或操作，并不表示具体的程序。在实际工

58、作中，我们总是要先画出一张非常简单的流程图，然后随着对系统各细节认识的加深，逐步对流程图进行补充和修改，使其逐渐趋于完善。程序流程图是功能流程图的扩充和具体化。例如，功能流程图中所列的“初始化”模块，如果写成程序流程图，就应写明清除哪些累加器、寄存器和内存单元等。程序流程图所列举的说明，都针对着微机化测控系统的机器结构，很接近机器指令的语句格式。因此，有了程序流程图，就可以比较方便的写出程序。在大多数情况下，程序流程图的一行说明，只用一条汇编指令并不能完成，而往往需要一条以上的指令。4.1 水塔水位控制主程序主流程图的内容是本次设计软件部分的主要内容，首先将单片机及各个期间进行初始化，然后软件

59、设定水位的基本上下限值和超限报警的上下限，之后启动压力传感器，将传感器获得的模拟信号经过A/D装换器进行数据采集，送入单片机中。首先，与报警的上下限值进行比较如果相等的话，就进行报警；如果不等的话，在将采集的数据与设定的基本上下限值进行比较，首先与上限值进行比较，当达到上限值时，就将水泵关闭，然后继续将采集的水位值与下限值比较，当等于下限值时，就开启水泵，进行供水，如此循环往复的检测水塔中的水位值，根据与设定值的比较进行对塔内水位浮动范围的基本控制。如图4.1所示为主程序流程图。 图4.1 主流程图4.2 中断报警程序 当水塔内的水位与设定的报警上下限值相等的时候，说明系统出现了故障，这时就申

60、请了中断，在中断中进行报警，这时就告诉工作人员根据相应的报警，进行人工增大进水量或者将排水阀加大快速排水。如图4.2所示为中断报警程序流程图。 图4.2 中断程序流程图4.3 看门狗程序 在51单片机中有两个定时器，我们就可以用这两个定时器来对主程序的运行进行监控。我们可以对T0设定一定的定时时间，当产生定时中断的时候对一个变量进行赋值，而这个变量在主程序运行的开始已经有了一个初值，在这里我们要设定的定时值要小于主程序的运行时间，这样在主程序的尾部对变量的值进行判断，如果值发生了预期的变化，就说明T0中断正常，如果没有发生变化则使程序复位。如图4.3所示为看门狗程序流程图。图4.3 看门狗程序流程图第5章 总结本次设计是通过单片机来实现的，所以查找了大量有关单片机的资料，最终选用了AT89C51单片机，通过设计软件程序确定水位的上下限值，根据到达上下限值用单片机来通过继电器的吸合与断开来控制水泵电机的启停，来实现水塔内水