基于单片机的超声波水箱液位检测系统

吉林建筑大学城建学院电气信息工程系毕业设计共31页第1页第1章绪论1.1课题研究的意义大型水箱是很多公司生产过程中必不可少的部件，它的性能和工作质量的优良不仅仅对生产有着巨大的影响，而且也关系着生产的安全。在过去，大量的对水箱操作是由相应的人员进行操作的，这样的人工方式带来了很大的弊端，比如水位的控制，时刻监控水箱的环境，夜间的监控等等，操作员稍有疏忽，或者简易的监则器件损坏，将带来无法弥补的损失，更严重的会危机到生产人员的人身安全等。所以，对水箱控制，如果能够使用精密的而且完全会严格按照生产规定运行的自动化系统，可以最大限度的避免事故的几率，同时也能节省资源并能有效提高生产的效率。从水资源节约方面考虑，以往的人工控制在很多情况下，造成资源不必要的浪费，大部分原因是水箱内部水位没有及时的反馈信息到操作员，从而使控制上有一定的延迟，从而造成了水量过多或者没能及时补水而导致资源的浪费或生产出现异常。而对水箱水位的监控以及自动化的引入可以很好的改善补水过多和及时补水的情况，可以很好的节约资源有效的降低成本。单片机，一小块芯片上集成了一个微型计算机的各个组成部分，它的诞生使众多自动化控制系统得以实现。80C51以它功能强大，设计简单，制造廉价，支持指令集较多。所以应用到众多嵌入式系统开发中。综上所述，可以看出对本课题水箱液位检测系统的设计的研究有着重要的意义。1.2研究现状目前，水箱控制系统已不仅仅局限于大型的电厂、煤炭、钢铁等大型企业领域，它以自身的自动化控制系统的安全优势，已经慢慢深入到一些民用水箱产品。但是目前阶段，它的成本还很高。比如把一台纯手工家用水箱设计成自动化控制的水箱，从硬件的设计和铺设，对于民用化产品实施的性价比较高。因此大规模的使用仍受到经济上的限制。但是，从长远来看，随着自动化技术的改进和硬件成本的降低，以及人们对资源浪费的重视。水箱控制系统仍然有大规模推广的前景。我国仍然处于生产型发展中国家，所有几乎在能源相关的所有领域中，水箱是比不可少的部件，即使是发达国家也不例外。它性能的优良与否关系直接关系吉林建筑大学城建学院电气信息工程系毕业设计共31页第2页到企业的生产安全和效益。随着我国嵌入式技术的发展，我国控制系统技术已经达到国际水平，但是在中小型企业以及民用产品，大量的水箱控制任然通过专职的人员进行控制。随着我国单片机开发技术的逐渐成熟，以及单片机生产成本的下降，基于单片机的水箱控制系统应用到中小型以及民用产品有着交大的发展空间。而且越来越多的水箱生产厂商开始聘用单片机开发人员和电路设计人员，将控制系统成为水箱设计的一部分，以提高自身产品的安全性能和科技含量来提高产品在市场中的竞争力。一些发达国家在单片机新型系统研究、制造和应用上，已经积累了很多的经验，奠定了基础，进入了国际市场。我国在新型测控装置与系统研究、制造、应用和经验上，与其他发达国家相比还存在差距，但是我国研究人员已经克服很多困难，并在不断摸索中前进，有望在相关领域赶上甚至超越发达国家的技术水平，这是发展趋势。1.3主要研究内容和要求一个水箱液位检测系统，本文以单片机为主控制器，将受到的信号送到单片机中进行处理，能够对水箱的静态或动态液位进行实时测量，显示被测液位值，当液位超限后进行声光报警，提醒工作人员进行手动控制。本设计的要求：1.液位测量范围0.0-24.0cm；2.制作简易的液位测量装置；吉林建筑大学城建学院电气信息工程系毕业设计共31页第3页第2章系统的方案论证2.1方案论证方案一：本设计是以单片机为核心的，利用传感器来采集水位信号。利用水的导电性，有水则导电的特性，在固定水位高度安插节点。如图2-1所示：图2-1水箱节点示意图电路共有五个发光二极管，如果发光二极管全部亮，表示水箱中的水已充满。12V电源送到水箱底部的水中，晶体管(T1～T5)只要得到基极电压，就会导通并点亮相应的发光二极管(LED1～LED5)。当水箱中的水到达最低水位C时，晶体管T1导通，LEDl点亮；当水位上升到水箱的1/4时，晶体管T2导通，LEDl与LED2点亮；当水位升到水箱的一半时，晶体管T3导通，则LEDl、LED2和LED3点亮；当水位升到水箱的3/4时，晶体管T4导通，则LEDl～LED4均点亮；当水箱的水充满，晶体管T5导通，五个发光二极管全亮，同时使蜂鸣器发出报警声响。因此从发光二极管点亮的状态，就能知道水箱中的水位。发光二极管与水箱中的水位对应关系如下表2.1所示。发光二极管应安装在容易监视的位置。此方案，器件易于腐蚀，易产生误差。吉林建筑大学城建学院电气信息工程系毕业设计共31页第4页表2.1二极管和水位的对应关系水箱中的水位发光的LED最高水位LED1、LED2、LED3、LED4、LED543水位LED1、LED2、LED3、LED421水位LED1、LED2、LED341水位LED1、LED2最低水位LED1方案二：浮子式水位传感器其主要产品有上海精浦机电有限公司的GEMPLEGPH500，正天科技的FYC-3型浮子式水位传感器等。工作原理：它利用液体浮力测液位的原理，靠浮子随水面升降的位移反映水位变化。漂浮通过绳索经滑轮与编码器相连，编码器的数字输出即为水位高度。为防止错码的出现，其编码器的编码为格雷码。机械浮子式和光电浮子式都是来用机械齿轮减速产生进位和退位的办法来形成编码。其工作示意图如图2-2所示:图2-2浮子式水位计工作示意图其主要技术参数：测量范围：5m10m20mm40mm80mm分辨率：1cm1mm精度：±1cm回差：≤±1cm使用环境：温度-5℃---+50℃根据其参数此方案适合测量范围大的，且测量误差比较大。吉林建筑大学城建学院电气信息工程系毕业设计共31页第5页方案三：基于超声波的水位传感器超声波水位传感器是利用空气声学回声测距原理来进行水位变化测量的新型水位测量仪器。由收发共用换能器发射一声脉冲、经声管传声遇水界面产生反射，回波经由同一换能器接收。测得声波在空气中的传播时间及现场声速，算出换能器发射面至水面的距离，依据换能器安装基准面及水位零点得到水位值。特点是非接触测量，无需建造水位测井，安装方便，自动测量；具有声速补偿；RS-485数据输出。其水位测量原理如图2-3所示：图2-3水位测量原理图方案四：电子类液位传感器测量原理是把液位的变化转化为电气参数的变化，利用一定的测量电路将电参数检测出来，从而达到测量液位的目的。其中最常用且最成熟的是电容式液位传感器。电容式液位计它是利用空气和液体作电容器两极极板间的电介质，将液位变化转换成静电电容变化，用电子学方法测量电容值，从而探测液体高度信息。它结构简单，精度较高，而且量程广，适合于测量各种介质(导电介质、非导电介质)的液位，但是要求液体具有相同、稳定的介电常数，需要有温度的补偿。尤其用长电缆连接时，对电缆中的干扰和寄生电容很敏感，精度较差，且对导电介质或粘性介质，误差较大、易受干扰，严重影响测量结果。电阻式液位计探测器在空气中的阻值要比它浸在液体中的阻值大得多，通过电子学方法测量液体容器底部与顶部之间的电阻，从中可探知液位信息。其测量精度受液体污染情况的影响较大，探针的污染和沉积物，会导致错误的输出，在吉林建筑大学城建学院电气信息工程系毕业设计共31页第6页直流工作时会产生电解，响应速度慢。对比以上几个方案，方案三安装方便，操作简单符合设计要求。2.2总体系统框图根据系统的设计要求，采用单片机为主控芯片，该系统主要由传感器模块，液晶显示器模块，控制键盘，报警电路等模块组成，其系统框图如图2-4所示：模块功能：1.超声波传感器模块：发送与接收信号。2.单片机：记录从超声波传感器发送信号到超声波传感器接收信号的时间及主体控制。3.LCD显示器：显示所测液面到瓶口（超声波传感器）的液位值。4.报警电路：低于设定值的最低限或高于设定值的最高限时，发生声光报警。5.控制键盘：设定初始值及控制液位值。单片机LCD显示电路电路控制键盘图2-4液位检测系统框图报警电路超声波传感器吉林建筑大学城建学院电气信息工程系毕业设计共31页第7页第3章系统硬件电路的设计3.1单片机最小系统3.1.1STC89C52单片机STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外STC89X52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。3.1.2STC89C52的管脚说明吉林建筑大学城建学院电气信息工程系毕业设计共31页第8页图3-1单片机引脚P0.1～P0.7：P0口8位双向口线。P1.0～P1.7：P1口8位准双向口线。P2.0～P2.7：P2口8位准双向口线。P3.0～P3.7：P3口8位准双向口线。EA访问程序存储器控制信号：当EA信号为低电平时，对ROM的读操作限定在外部程序存储器；而当EA信号为高电平时，则对ROM的读操作是从内部程序存储器开始，并可延至外部程序存储器。ALE地址锁存控制信号：在系统扩展时，ALE用于控制把P0口输出低8位地址锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。此外由于ALE是以晶振六分之一的固定频率输出的正脉冲，因此可作为外部时钟或外部定时脉冲作用。PSEN外部程序存储器读选取通信号：在读外部ROM时PSEN有效（低电平），以实现外部ROM单元的读操作。XTAL1和XTAL2外接晶体引线端：当使用芯片内部时钟时，这两个引线端用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于拉外部的时钟脉冲信号。RST复位信号：当输入的复位信号延续2个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作。VSS：电源地。VCC：+5V电源。3.1.3P3口的第二功能吉林建筑大学城建学院电气信息工程系毕业设计共31页第9页P3口的第二功能表如下所示：表3-1P3口的第二功能表口线第二功能替代的专用功能P3.0RXD串行输入口P3.1TXD串行输出口P3.20INT外部中断0P3.31INT外部中断1P3.4T0定时器0的外部输入P3.5T1定时器1的外部输入P3.6WR外部数据存储器写选通3.2单片机复位电路设计复位电路是使单片机的CPU或系统中的其他部件处于某一确定的初始状态，并从这上状态开始工作。3.2.1单片机常见的复位电路通常单片机复位电路有两种：上电复位电路，键盘复位电路。上电复位电路：上电复位是单片机上电时复位操作，保证单片机上电后立即进入规定的复位状态。它利用的是电容充电的原理来实现的。键盘复位电路：它不仅具有上电复位电路的功能，同时它的操作比上电复位电路的操作要简单的多。如果要实现复位的话，只要按下RESET键即可。它主要是利用电阻的分压来实现的。在此设计中，采用的键盘复位电路，键盘复位电路如图3-2所示:吉林建筑大学城建学院电气信息工程系毕业设计共31页第10页图3-2复位电路3.2.2复位电路工作原理上电复位要求接通电源后，单片机自动实现复位操作。上电瞬间RST引脚获得高电平，随着电容的充电，RST引脚的高电平将逐渐下降。RST引脚的高电平只要能保持足够的时间（2个机器周期），单片机就可以进行复位操作。上电与键盘均有效的复位电路不仅在上电时可以自动复位，而且在单片机运行期间，利用键盘也可