河南机电高等专科学校。
单片机原理及应用。
课程设计报告。
课题名称： 基于单片机的水位控制系统设计。
专业机电一体化技术。
班级机电102
学号100212203
姓名蒋茂。成绩。
2024年 06 月 5 日。
设计任务书。
一、设计任务。
1、利用单片机at89c2051实现对高塔进行水位的控制；
2、把水位探测传感器探得高塔中的水位送给单片机以实现对水泵加水系统和显示系统的控制；
3、光报警显示系统电路，采用不同颜色的发光二极管来表示不同的水位情况。
4、水泵加水电路由继电器进行控制；
5、分析工作原理，绘出系统结构原理图及流程图；
二、设计方案及工作原理。
2.1 系统设计方案比较。
对于水位进行控制的方式有很多，而应用较多的主要有2种，一种是简单的机械式控制装置控制，一种是复杂的控制器控制方式。两种方式的实现如下：
(1)简单的机械式控制方式。其常用形式有浮标式、电极式等，这种控制形式的优点是结构简单，成本低廉。存在问题是精度不高，不能进行数值显示，另外很容易引起误动作，且只能单独控制，与计算机进行通信较难实现。
(2)复杂控制器控制方式。这种控制方式是通过安装在水泵出口管道上的压力传感器，把出口压力变成标准工业电信号的模拟信号，经过前置放大、多路切换、a／d变换成数字信号传送到单片机，经单片机运算和给定参量的比较，进行pid运算，得出调节参量；经由d／a变换给调压／变频调速装置输入给定端，控制其输出电压变化，来调节电机转速，以达到控制水位的目的。
本设计利用单片机设计一个水位控制系统，要求选择合适的水位传感器及电磁阀，当设定完水位后，系统根据水位情况控制电磁阀的开启和关断。
2.2 系统设计总框图。
2.3工作原理。
基于单片机实现的水位控制器是以at89c51芯片为核心，由键盘、数码显示、a／d转换、传感器，电源和控制部分等组成。工作过程如下：当水位发生变化时，引起连接在水位底部软管管内的空气气压变化，气压传感器在接收到软管内的空气气压信号后，即把变化量转化成电压信号；该信号经过运算放大电路放大后变成幅度为0～5 v标准信号，送入a／d转换器，a／d转换器把模拟信号变成数字信号量，由单片机进行实时数据采集，并进行处理，根据设定要求控制输出，同时数码管显示液位高度。
通过键盘设置液位高、低和限定值以及强制报警值。该系统控制器特点是直观地显示水位高度，可任意控制水位高度。
目录。第一章系统设计要求和解决方案。
第二章硬件系统。
第三章软件系统。
第四章实现的功能。
第五章缺点及可能的解决方法。
第六章心得体会。
附录一参考文献。
附录二硬件原理图。
附录三程序流程图。
第1章系统设计要求和解决方案。
设计要求：在高塔的内部我们设计一个简易的水位探测传感器用来探测三个水位，即低水位，正常水位，高水位。低水位时送给单片机一个高电平， 驱动水泵加水，红灯亮；正常范围的水位时，水泵加水，绿灯亮；高水位时，水泵不加水，黄灯亮。
解决方案：传感技术、单片机技术、光报警技术以及弱电控制强电的技术。
系统结构图：
第二章硬件系统。
2.1系统硬件方案
系统方案设计液位控制是利用把液位的状态转换成模拟信号，再通过模数转换器at89c51把输出状态直接接到单片机的i/o接口，单片机经过运算控制，输出数字信号，输出接口接led进行显示，实现液位的报警和键盘的显示与控制；图2即是液位控制系统：
图2液位控制系统。
由上图可观察到传感器通过对液面进行测量，输出模拟信号，再通过模数转换器把输入的模拟信号转换成数字信号，通过at89c51单片机的运算控制，在通过led进行显示，通过报警装置进行报警，报警显示之后再通过对阀门的开启实现对水体的液位进行调节控制，阀门的驱动设备是电动机。
2.2 核心芯片at89c51单片机。
at89c51是一种带4k字节flash存储器（fperom—flash programmable and erasable read only memory）的低电压、高性能cmos 8位微处理器，俗称单片机。at89c2051是一种带2k字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。
该器件采用atmel高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的mcs-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位cpu和闪烁存储器组合在单个芯片中，atmel的at89c51是一种高效微控制器，at89c2051是它的一种精简版本。at89c单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
外形及引脚排列如图3所以。
图3 at89c5引脚图。
2.3、水位检测传感器的选用。
传感器是一种能感受被测物体物理量并将其转化为便于传输或处理的电信号的装置，在现代科技领域中，传感器得到了广泛应用，各种信息的采集离不了各种传感器，传感器的基本功能在于能感受外界的各种“刺激”并作出迅速反映。本设计当中我们采用的水位探测传感器简单易做，经济实惠。其外形轮廓如下：
图3 水位探测传感器外观图。
a为接+5v电源的线与水一直保持连通，b线为低水位控制线，当水位到达低水位的时候它不导通，水在正常范围内时，它导通。c线为高水位控制线，当它导通时，表示水已经为高水位。
本设计中采用了细铜线作为我们的传感器的材料。主要考虑了(1)细铜线的电阻率比较低，这样就可以避免由于电阻过大而使输出的电平过低，以致不能很好地驱动单片机工作(2)传电性能比较好，传电速率比较快，也就是说灵敏性非常好。(3)细铜线便宜易找。
本传感器的尺寸是a线是30cm，b线是20cm，c线是15cm，铜线直径是15mm。
2.4、稳压电路的设计。
本电路的主要作用是使从传感器输出的电平能够稳定地输入单片机中，主要由三极管的两极放大稳定电路组成，其工作过程是水位探测传感器把探测到的电信号送给r12,如果送入的是高电平则r11、q5、d3、q4导通把低于1.4v的低电平稳定地送给单片机。如果是低电平送给r12则r11、q5、d3、q4均不能导通二是r13导通将把高于1.
4v的高电平稳定的送给单片机。
我查找了相关资料以及我们自己在设计过程当中免去此稳定电路，发现有时候也能实现我们的设计目的，但是也有很多时候发生水位误判的情况，产生不稳定现象，所以我们认为此电路是不可缺少的。既然是控制系统，当然就要控制精确。
图4 稳压电路原理图。
2.5、光报警电路的设计。
发光二极管（led）是用半导体材料制作的正向偏置的pn结二极管。其发光机理是当在pn结两端注入正向电流时，注入的非平衡载流子（电子－空穴对）在扩散过程中复合发光，这种发射过程主要对应光的自发发射过程。按光输出的位置不同，发光二极管可分为面发射型和边发射型。
发光二极管的发光原理同样可以用pn结的能带结构来解释。制作半导体发光二极管的材料是重掺杂的，热平衡状态下的n区有很多迁移率很高的电子，p区有较多的迁移率较低的空穴。由于pn结阻挡层的限制，在常态下，二者不能发生自然复合。
，而当给pn结加以正向电压时，沟区导带中的电子则可逃过pn结的势垒进入到p区一侧。于是在pn结附近稍偏于p区一边的地方，处于高能态的电子与空穴相遇时，便产生发光复合。这种发光复合所发出的光属于自发辐射，辐射光的波长决定于材料的禁带宽度eg。
本电路采用不同颜色的发光二极管来表示不同的水位情况。即红灯亮，他两灯不亮表示是低水位状态，此时需要启动水泵加水；绿灯亮，其他两灯不亮表示在正常的水位线内；黄灯发亮，其他两灯不亮为高水位状态，水泵停止加水，三灯闪烁表示系统出现故障。
图5 光报警电路的原理图。
此电路采用的是共阳极的，所以只有当单片机给发光二极管为低电平时才能推动发光二极管点亮。其中r14、r15、r16为上拉电阻起限压控流作用。
2.6、水泵的介绍。
水泵是每个家庭必不可少的生活工具，虽然大多数人并没有认识到这一点， 但这确是事实。很多人对水泵一无所知。
1) 水泵的分类。
水泵一般多以泵的结构和作用原理来分类，有时根据需要也按使用部门、用途、动力类型和泵的水力性能等进行分类。
1）按使用部门分有农业用泵（农用泵）、工作用泵（工业泵）和特殊用泵等。
2）按用途分有水泵、砂泵、泥浆泵、污水泵、污物泵、井用泵、潜水电泵、喷灌泵、家用泵、消防泵等。
3）按动力类型分有手动泵、畜力泵、脚踏泵、风力泵、太阳能水泵、电动泵、机动泵、水轮泵、内燃水泵、水锤泵等。
4）按工作原理分有离心泵、混流泵、轴流泵、旋涡泵、射流泵、容积泵（螺杆泵、活塞泵、隔膜泵）、链条泵、电磁泵、液环泵、脉冲泵等。
2）选择水泵的主要参数。
水泵参数是指泵工作性能的主要技术数据，包括流量、扬程、转速、效率和比转数等。
1）流量（q）
泵的流量是指单位时间内所排出的液体的数量。通常泵的流量用体积计算，以q表示，单位为米3/时（m3/h）、米3/秒（m3/s）、升/秒（1/s），也可用重量计，以g表示，单位为吨/时（t/h）、吨/秒（t/s）、千克/秒（kg/s）。
g与q的关系： g=r×qr-液体重度（千克/米3）
因水的重量近似1000千克/米3，故1升/秒=3.6米3/时=3.6吨/时。
2）扬程（h）
泵的扬程是指单位重量的液体通过泵所增加的能量。以h表示，实质上就是水泵能够扬水的高度，又叫总扬程或全扬程。单位为米液柱高度，习惯上省去“液柱”，以米（m）表示。
泵的总扬程由吸水扬程与出水扬程两部分组成，因此总扬程=吸水扬程=出水扬程但由于水流经过管路时受到各种阻力而减少了泵的吸水扬程和出水扬程，因此：
吸水扬程=实际吸水扬程+吸水损失扬程。
出水扬程=实际出水扬程+出水损失扬程。
损失扬程=吸水损失扬程+出水损失扬程。
总扬程=实际扬程+损失扬程。
由于水泵铭牌上标明的扬程是上述水泵的总扬程，因此不能误认为铭牌上的扬程是实际扬程数值，水泵的实际扬程都比水泵铭牌上的扬程数值小。因此在确定水泵扬程时，这一点要特别注意。否则，如果只按实际扬程来确定水泵的扬程，订购来的水泵扬程就低了，那可能会降低水泵的效率，甚至打不上水来。
损失扬程与管路上的水管和附件种类（低阀、闸阀、逆止阀、直管、弯管）、数量、水管内径、管长、水管内壁粗糙程度以及水泵流量等都有密切关系，这一点在管路设计和选配水管和附件时也应注意。
3）允许吸上真空高度（hs）
允许吸上真空高度是指真空表读数吸水扬程，也就是泵的吸水扬程（简称泵的吸程），包括实际吸水扬程与吸水损失扬程之和。以hs表示，单位为米（m）。
允许吸上真空高度是安装水泵高度的重要参数，安装水泵时，应使水泵的吸水扬程小于允许吸上真空高度值，否则安装过高，就吸不上水或生产气蚀现象。如生产气蚀，不仅水泵性能变坏，而且也可能使叶轮损坏。
4）转速（n）
转速是指泵叶轮每分钟的转数，以n表示，单位为转/分（r/min）。每台泵都有一定的转速，不能随意提高或降低，这个固定的转素称为额定转速，水泵铭牌上标定的转速即为额定转速。如泵运转超过额定转速，不但会引起动力机超载或转不动，而且泵的零部件也容易损坏；转速降低，泵的效率就会降低，影响水泵的正常工作。
5）比转数（ns）
在前述水泵型号中，有些型号的组成部分有比转数这个参数。比转数与转速是两个概念，水泵的比转数，简称比速，常用符号为ns。水泵的比转数是指一个假想的所谓标准水泵叶轮的转数，这个假想的水泵与真实水泵的叶轮各部分都几何相似，而在消耗功率为0.
735千瓦、扬程为1米、流量为0.075立方米/秒时所具有的转数。叶轮形状相同或相似的水泵比转数相同，叶轮形状不相同或不相似的水泵比转数不相同。
如轴流泵比转数比混流泵大，混流泵比转数也是反映水泵特性的综合性指标。此外，要注意比转数大的水泵，其转速不一定高；比转数小的，转速不一定低。大流量、低扬程的水泵，比转数大，反之则小。
一般比转数较低的离心泵，其流量小、扬程高；而比转数较高的轴流泵，其流量大、扬程低。
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