基于單片機的水位檢測

1、編號： 課程設計說明書題 目： 基于單片機的水位檢測 院 （系）： 信息與通信學院 專 業(yè)： 電子信息工程 學生姓名： 胡 強 學 號： 1300220512 指導教師： 嚴素清 2016 年12月23 日摘 要本水位監(jiān)測報警器使用5V低壓交流電源就可以對水位進行監(jiān)測用數碼管顯示并蜂鳴器發(fā)出報警。主要采用單片機AT89C52芯片,將控制程序寫進單片機中,使其發(fā)揮相應的功能,再加上蜂鳴器、數碼管、電阻、電容這些器件組成一個簡單而靈敏的監(jiān)測報警電路,操作簡單,接通電源即可工作。因為電路采用單片機技術,所以本水位監(jiān)測報警器還具有電路簡易、耗能低、準確性高的特點。 關鍵詞:單片機控制；報警電路；監(jiān)測電

2、路。 AbstractThe water level alarm used to monitor low voltage 5V DC power supply (can also use 5 batteries instead of three) can be on the monitoring of water level, with light-emitting diode display, and can no longer be within this range, the water level alarm . Main use SCM AT89C52 chip, will cont

3、rol program written into the microcomputer, to play the corresponding functions, together with a buzzer, light-emitting diodes, resistors, capacitors, these devices form a simple and sensitive alarm function, simple operation, then power can work through. Because the circuit chip technology, so the

4、water level monitoring alarm circuit also has a simple, low energy consumption and high accuracy. Keywords: microprocessor;controlled ; alarm circuit ; monitoring circui.目 錄引言11 方案選擇11.1 利用超聲波水位傳感器實現11.2 利用自制水位監(jiān)測裝置實現21.3 方案總結22 水位監(jiān)測報警系統(tǒng)的硬件設計22.1單片機的選擇22.2 系統(tǒng)硬件設計框圖及原理圖32.2.1 晶振電路42.2.2 復位電路42.2.3報警電路

5、42.2.4 水位監(jiān)測及總電路53. 軟件程序及設計64 硬件調試及結果分析94.1硬件調試與分析94.2工作狀態(tài)測試95 結論12謝 辭13參考文獻14附 錄15引言水位控制在日常生活及工業(yè)領域中應用相當廣泛，如作為城市、鄉(xiāng)村生活用水儲備，太陽能熱水器儲水設備等，又比如水塔、地下水、水站等情況下的水位控制。而以往水位的檢測是由人工完成的，值班人員全天候對水位的變化進行監(jiān)測，然后進行后續(xù)的操作。很顯然上述重復性的工作無論是從人員、時間、還是資金上都將造成很大的浪費。同時也容易造成差錯。目前大多數住宅小區(qū)采用人工加水的方式，當水用完時，需要人工開啟水泵加水，十分不方便。以至于水用完之前不知道水量

6、的多少，等到用完了才知道沒有水，如果急需用水，那就十分麻煩了，要等到加完水后才能用水；加水過程中還要時刻關注水位是否溢出。以上的問題都在期待一種簡單、經濟的水位控制系統(tǒng)的誕生。本文采用所學的知識，設計以單片機水位采集系統(tǒng)。主要實現以下功能：1. 監(jiān)測水位變化，分為3檔水位2每一檔水位都用數碼管顯示3每一檔水位對應一種報警聲本文采用單片機系統(tǒng)控制，監(jiān)測儲水罐的水位變化，在儲水罐內部放置自制的水位傳感器來檢測水位。單片機內編程控制數碼管和蜂鳴器。傳感器檢測到水位時，單片機就控制數碼管顯示相應的數值，并且控制蜂鳴器發(fā)出報警 1 方案選擇 經過考慮有兩種方法實現水位檢測利用超聲波和自制一個簡單的裝置。

7、 1.1 利用超聲波水位傳感器實現 超聲波水位傳感器是利用空氣聲學回聲測距原理來進行水位變化測量的新型水位測量儀器，是在SCA6-1型聲學水位計基礎上的改進設計。由收發(fā)共用換能器發(fā)射一聲脈沖、經聲管傳聲遇水界面產生反射，回波經由同一換能器接收。測得聲波在空氣中的傳播時間及現場聲速，算出換能器發(fā)射面至水面的距離，依據換能器安裝基準面及水位零點得到水位值。特點是非接觸測量，無需建造水位測井，安裝方便，自動測量，具有聲速補償，RS-485數據輸出。應用于沿海水文臺站的常規(guī)長短期潮位觀測，江河湖泊的水位連續(xù)自動測量以及港工水文調查、港口調度、船舶航行等部門的水位測量。目前智能水位傳感器由聲學傳感器、溫

8、度傳感器、聲管、測量電路、信號傳輸電纜組成。 超聲波傳感檢測電路是利用40kHz的超聲波發(fā)生器實現40kHz的振蕩是很容易的，并且方法有多種，取液位計與水面的距離為適當的高度，可令超聲波發(fā)出去后能有效地返回，讓接收器收到信號，送到微處理器，經微處理器處理所得的數據，即可算出水位高度。超聲波在空氣中一般可以實現有效傳播，只要外部的環(huán)境不是特別的惡劣，所受的干擾并不是很大，測量結果不會有太大的誤差。整個系統(tǒng)的核心是AT89S52。所選用是超聲波傳感器，它的工作電壓是40kHz的脈沖信號，這可很容易地用軟件編程使AT89S52的P1口中的第0位產生40KHz方波的方法來實現。并在第一個脈沖產生時開始

9、啟動計時。40kHZ的脈沖方波信號經放大后即可驅動超聲波傳感器工作，使其向水面垂直發(fā)出40kHz的超聲波。 所選的超聲波傳感器是雙用型傳感器，即發(fā)送和接收集成于一體。當超聲波遇到水面時發(fā)生反射，反射波回到超聲波傳感器，超聲波接收器將超聲波調制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?。再將所得的交變電壓信號放大，輸人到音調譯碼器中，音調譯碼器的輸出由高電平躍變?yōu)榈碗娖?，作為中斷信號輸人到AT89S52單片機的INT1管腳。INT1端產生一個中斷請求信號，單片機響應外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務子程序，停止計時，取得超聲波往返的時間差。通過計算式s=340t/2算出液位計離水面的距離，從而計算出水位的高度。這些都可以

10、通過對51單片機編程實現。計算出水位高度以后，單片機將所算出的結果通過P2口輸出到七段LED數碼管顯示出來。 1.2 利用自制水位監(jiān)測裝置實現 本水位監(jiān)測報警器使用5V低壓交流電源就可以對水位進行監(jiān)測，用數碼管顯示并發(fā)出報警。主要采用單片機AT89C52芯片，將控制程序寫進單片機中，使其發(fā)揮相應的功能再加上蜂鳴器、數碼管、電阻、電容這些器件組成一個簡單而靈敏的監(jiān)測報警電路，操作簡單接通電源即可工作。因為電路采用單片機技術，所以本水位監(jiān)測報警器還具有電路簡易、耗能低、準確性高的特點。1.3 方案總結綜上所述，本設計選擇第二種方案，第一種方案制作成本高，程序和結構比較復雜，第二種方案成本不但低，而

11、且也能達到想要的結果。本設計當中采用的水位檢測傳感器簡單易做，經濟實惠。 2 水位監(jiān)測報警系統(tǒng)的硬件設計2.1單片機的選擇AT89系列單片機在我國得到了極其廣泛的應用。由于AT89C52具有強大的功能，可以使我的設計更方便也更人性化。而且它很好的兼容MCS-51系列單片機的指令系統(tǒng)和引腳功能。它片內還含有Flash Memory，Flash Memory是一種電擦除和電寫入的閃速存儲器，記為FPEROM在系統(tǒng)開發(fā)過程中可以很容易地進行程序修改，使開發(fā)和調試更為簡單。 AT89C52的功能介紹：AT89C52是ATMEL公司生產的一個低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內含8k bytes的可反

12、復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數據存儲器RAM器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，功能強大的AT89S52單片機可為您提供許多較復雜系統(tǒng)控制應用場合。 AT89C52有32個外部雙向輸入/輸出I/O端口同時內含2個外中斷口，3個16位可編程定時計數器,2個全雙工串行通信口2個讀寫口線，AT89C52可以按照常規(guī)方法進行編程。其將通用的微處理器和Flash存儲器結合在一起，特別是可反復擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。 AT89C52為40腳雙列直插封裝的8位通

13、用微處理器，采用工業(yè)標準的C51內核在內部功能及管腳排布上與通用8xc52相同，其主要用于會聚調整時的能控制。功能包括對會聚主IC 內部寄存器、數據RAM及外部接口等功能部件的初始化會聚調整控制，會聚測試圖控制，紅外遙控信號IR的接收解碼及與主板CPU通信等。主要管腳有XTAL119 腳和XTAL218腳為振蕩器輸入輸出端口外接12MHz 晶振。RST/Vpd9 腳為復位輸入端口外接電阻電容組成的復位電路。VCC40腳和VSS20 腳為供電端口，分別接+5V電源的正負端。P0P3 為可編程通用I/O 腳，其功能用途由軟件定義，在本設計中P0 端口3239 腳被定義為N1功能控制端口，分別與N1

14、的相應功能管腳相連接13 腳定義為IR輸入端10 腳和11腳定義為I2C總線控制端口，分別連接N1的SDAS18腳和SCLS19腳端口12腳、27腳28腳定義為握手信號功能端口，連接主板CPU的相應功能端，用于當前制式的檢測及會聚調整狀態(tài)進入的控制功能。2.2 系統(tǒng)硬件設計框圖及原理圖蜂鳴器報警電源單片機AT89C52數碼管顯示水位檢測頭圖2.1系統(tǒng)硬件設計框圖水塔水位檢測報警系統(tǒng)硬件設計框圖如圖2.1所示它包括單片機電源水位檢測傳感器顯示報警聲音報警。本設計中用銅絲作為水位檢測傳感器適當調整銅絲的長度，可自行設置水位的范圍。利用單片機,將控制程序寫進單片機中，經過對輸入口信號的分析，在單片機

15、的輸出端口給出相應的信號。自行設定報警數值，若到達指定數值則蜂鳴器報警LED燈亮。本設計采用AT89C52的P2.4-P2.4作為我們水位的信號輸入口，單通過軟件的控制不斷的檢測P0端口的輸入電平，一旦發(fā)現探針電平與主探針電平同為高電平時，則執(zhí)行相應的控制程序，從P2輸出不同的信號來告知水位情況，測試之前先設定報警數值低水位時，就驅動數碼管顯示數值1，以此類推，是高水位時就驅動數碼管顯3，到達設定的數值時蜂鳴器報警并且LED燈亮。2.2.1 晶振電路本次設計用到的是內部振蕩方式，這種方式下在X1和X2兩端跨接石英晶體及兩個電容，如下圖所示，這樣就和內部的反響放大器構成穩(wěn)定的自己振蕩器。電容C1

16、和C2通常取30pF可穩(wěn)定頻率并對正當頻率有微調作用。接線圖如下： 圖2.2 晶振電路2.2.2 復位電路復位電路的基本功能是：系統(tǒng)上電時提供復位信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復位信號。為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經一定的延時才撤銷復位信號，以防電源開關或電源插頭分-合過程中引起的抖動而影響復位。圖1所示的RC復位電路可以實現上述基本功能，圖3為其輸入-輸出特性。但解決不了電源毛刺（A點）和電源緩慢下降（電池電壓不足）等問題 而且調整 RC常數改變延時會令驅動能力變差。 圖2.3 復位電路2.2.3報警電路蜂鳴器報警電路通過一個9013三極管驅動蜂鳴器。三極管的基極與P27口

17、相連接，集電極與連接到VCC，射極與蜂鳴器相連。當P27為高電平時，三極管導通。蜂鳴器響，為低電平時不響。通過控制P27的電平高低變化來控制三極管導通，進而改變蜂鳴器的發(fā)聲頻率。實現不同聲音的報警。 圖2.4 報警電路2.2.4 水位監(jiān)測及總電路接5V交流電源，高電平與低電平交替發(fā)出，防止水被電解，由于腐蝕問題，采取交流電源，這樣腐蝕會很慢，一般這種監(jiān)測裝置最少也能用幾年，到時候正好檢修，所以完全可以用在現實檢測中。2線為低水位控制線，當單片機檢測到1線的電平與線2發(fā)出的電平相同為高點平時，表示是1擋水位了。以此類推，3為高水位控制線，當單片機檢測到3的電平與單片機發(fā)出的電平相同時，表示是高水

18、位了。傳感器選用細銅絲，因為細銅絲的電阻率比較低，這樣就可以避免由于電阻過大而使輸出的電平過低，以致不能很好的驅動單片機工作，細銅絲的傳電性能比較好，傳電速率比較快，也可以說是靈敏性很好，還有就是細銅絲經濟實惠便于我們取材。 圖2.5水位監(jiān)測電路 圖2.6 總電路3. 軟件程序及設計#define uint unsigned intvoid bell(uint num,uint f);void delay(uint n);sbit b=P27;sbit d1=P26;sbit d2=P25;sbit w1=P24;/最低水位 檢測器sbit w2=P23;/第二檔水位 檢測器sbit w3=P

19、22;/最高檔水位 檢測器int show=0xbd,0x14,0xe5,0xe9,0xd4 ;void main() b=0;d2=0; P1=show0; delay(2); d2=1;d1=0; P1=show4;delay(2); d1=1; while(w1=1&&w2=0&&w3=0)d2=0; P1=show1;delay(5);d2=1;d1=0;P1=show4;delay(5);d1=1;bell(1,1);while(w1=1&&w2=1&&w3=0) d2=0;P1=show2;delay(2);d2=1;

20、d1=0;P1=show4;delay(2);d1=1; bell(4,1);while(w1=1&&w2=1&&w3=1) /d2=0;P1=show3;delay(2);d2=1; d1=0;P1=show4;delay(2);d1=1;bell(7,1);void bell(uint num,uint f) int i;for(i=0;i<num;i+)b=1;delay(f);b=0;delay(f);void delay(uint n)uint i,j;for(i=0;i<n;i+) for(j=0;j<15;j+); 以上為水位監(jiān)測

21、的程序及軟件設計框圖，當電源接通時，LED燈亮，數碼管顯示0F，表示0水位，銅絲慢慢一點點接觸水面，數碼管顯示1F，表示1擋水位，繼續(xù)深入水位，看是否到達2擋水位值，是，則顯示2F，反之則還是顯示1F，以此類推，直到顯示3擋最高水位。4 硬件調試及結果分析4.1硬件調試與分析經過測試發(fā)現圖3中的R10、R11、R13三個電阻取值非常重要，如果這三個值取太小，則銅絲接觸到水時，單片機的P22、P23、P24三個不會被拉為高電平，這是因為bit銅絲（表示bit1、bit2、bit3之間的任意一根銅絲）與vcc銅絲之間的水的等效電阻相比下拉電阻大太多了，而且銅絲未接觸到水時，也不一定能將P22、P2

22、3、P24拉為低電平。如果取值太大，則在銅絲未接觸到水時，不能將P22、P23、P24拉為低電平。經過測試，發(fā)現R10、R11、R13三個電阻的阻值在2k到2.5k之間。本課程設計中R10、R11、R13阻值取2.2k。經過測試發(fā)現，在使用一個電阻和蜂鳴器串聯，蜂鳴器響聲不夠大，將電阻去除，用導線短接即可。4.2工作狀態(tài)測試當銅絲未接觸到水時，P22、P23、P24都近似為0v。工作狀態(tài)如圖9所示。圖4.1 工作在0檔時工作狀態(tài)圖水位在1檔時，P24的電壓為2.48v，工作狀態(tài)如圖10所示。圖4.2 工作在1檔時的工作狀態(tài)圖水位在2檔時，P23的電壓為2.36v，工作狀態(tài)如圖11所示。圖4.3 工作在2檔時的工作狀態(tài)圖水位在3檔時，P22的電壓為2.36v，工作狀態(tài)如圖12所示。圖3.4 工作在3檔時的工作狀態(tài)圖5 結論以往，由于人們不清楚儲水罐水位的情況，導致加水不方便。現在根據本設計制作出來的儲水罐水位監(jiān)測系統(tǒng)具有簡單、經濟、實用的特點。相信能夠給廣大人們群眾的生活帶來方便。本系統(tǒng)主要在使用的過程中，單片機會監(jiān)測水位的變化情況，對應著水位在四個檔位