基于单片机的水位自动显示控 摘要摘要 本设计是以 AT89C51 为核心，用于显示与控制水位的实用型智能化的仪器； 分为自动控制和手动控制两大部分。 自动控制部分中通过软件程序来实现水位的自动显示、检测与控制；手动 控制部分中通过人为的需要进行按键，同时由软件判断最低电极和最高电极的 转换电位及按键状态，当发现最低电极转换电位为 1 时，继电器吸合，开启水 泵；最高电极的转换电位为 0 时继电器释放，关闭水泵。当检测到启动按键按 下时或停止按键按下时可随时启动或停止供水，以得到要求的任意水位。 本设计对水位显示控制器的测控原理、硬件设计和软件设计等方面进行了 详尽的论述。 本装置采用成本低廉的电极式传感器配以单片机检测，具有电路简单，功 能完善，实用性强，性价比高，电极寿命长等一系列优点。可广泛用于工农业 生产，家庭生活等对储水罐、无压锅炉、太阳能热水器的水位显示与控制等。 关键词：关键词：单片机 AT89C51 水位控制 水位显示 检测 目目 录录 第 1 章 绪论 - 1 - 1.1 课题背景概述.- 1 - 1.2 课题目的意义.- 2 - 1.3 系统设计要求.- 2 - 1.3.1 控制要求 .- 2 - 1.3.2 设计要求 .- 2 - 1.3.3 设计目标 .- 3 - 1.3.4 主要技术 .- 3 - 第 2 章 硬件设计 - 4 - 2.1 测控原理.- 4 - 2.2 主要元件简介.- 5 - 2.2.1 AT89C51 单片机 - 5 - 2.2.2 双色 LED 发光二极管- 6 - 2.3 AT89C51 单片机时钟电路- 6 - 2.4 AT89C51 单片机复位电路- 7 - 2.5 降压、整流、稳压环节.- 7 - 2.6 设计原理.- 8 - 第 3 章 软件设计 - 9 - 3.1 软件流程设计.- 9 - 3.1.1 主程序流程设计.- 9 - 3.1.1 显示与控制子程序设计- 10 - 3.2 程序设计.- 12 - 3.2.1 主程序 .- 12 - 3.2.2 键盘子程序设计 .- 13 - 第 4 章 结论 - 15 - 4.1 项目特色 - 15 - 4.2 项目创新点 - 15 - 4.3 项目实用性 - 15 - 致谢 - 16 - 参考文献 - 17 - 第第 1 章章 绪论绪论 1.1 课题背景概述课题背景概述 现代传感技术、电子技术、计算机技术、自动控制技术、信息处理技术和 新工艺、新材料的发展为智能检测系统的发展带来了前所未有的奇迹，在工业、 国防、科研等许多应用领域，智能检测系统正发挥着越来越大的作用。检测设 备就像神经和感官，源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信息，成为 人们认识自然、改造自然的有力工具。 在工农业生产、日常生活的许多场合需要用容器储水，如储水罐、太阳能 热水器等，如何得知内部水位的高低，实现自动水位控制是摆在人们面前的现 实问题。 因此急需一种能自动检测水位，并根据水位变化的情况自动调节的自动控 制系统，我们所研究的就是这方面的课题。 在现在生活与工作中，我们常常会遇到水位测量、控制等方面的问题，在 现代社会中，测量水位的方法很多，可分为直接测量和间接测量。直接测量较 为简单，在此我们不做研究。间接测量一般都需使用传感器。在现今市场中， 具有代表性的测量水位的传感器有压力变送器和超声波传感器。 压力变送器测量水位时，一般安装于储水箱、锅炉等最底部。通过不同的 水位，不同的压强来测定（压强公式 P= 水 gh） ，用压力表示，再通过核心器 件转换器把压力信号转换成电信号在显示器上显示水位的深度。此系统为闭环 系统，当水位发生变化时，显示器则显示不同的数值。压力变送器测量的液位 范围大，精度高，而且测量的数值可为连续值，可惜的是它的系统复杂，成本 较高，一台压力变送器一般价格为几千元，一些具有专业功能的压力变送器价 格更是不菲，由于成本高，系统复杂，因而限制了它的应用范围，其一般用于 工业测量中，如油井的油位测量，或是需要高精度测量环境恶劣的场所的研究 中。 超声波传感器一般安装于储水箱、锅炉、水库等的上方，它工作时，可发 出一定频率的电磁波，发出的电磁波通过接受装置接收，通过每次接收时时间 的差别来计算出水位的变化值，再根据原水位（水库、水箱的高度也可）来算 出水位高度，其测量原理与雷达、声纳等相似，它的测量精度也较高，然而其 成本也不低，一般用于对测量精度要求较高的场所，如大型储水箱、高压锅等。 通过对上述两种传感器的分析，大体可以看出当前水位测量的市场技术状 况。技术含量较高，测量精度高，然而性价比却不高，通俗讲就是不易找到物 美价廉的产品，而我的设计只是针对储水箱、无高压锅炉、太阳能热水器等的 水位自动检测与控制，因而精度也无需那么高，只需取 4-5 根长度不一的铜棒自 制一个电极式传感器就可以了，再配以双色 LED 发光二极管连接在电路中，通 过双色 LED 发光二极管红、绿灯点亮的数目来显示出水位的大致高度，然而其 分辨率低，但是其成本极低，并且本设计的要求也不是很苛刻，因而此方案可 行。 1.2 课题目的意义课题目的意义 本设计的目的在于用成本低廉的电极式传感器配以单片机技术对生产实际 中的储水箱、无压锅炉、太阳能热水器等的水位进行自动检测与控制。 本装置电路简单、实用性强、性价比高、电极寿命长（只在检测的瞬时通 电，其他时间断电） ，水位控制灵活，显示直观醒目。可广泛应用于工、农业生 产，家庭生活等对储水罐、无压锅炉、太阳能热水器的水位显示与控制。具有 良好的市场前景。 1.3 系统设计要求系统设计要求 1.3.1 控制要求控制要求 1、能够循环检测水位并能显示水位 2、无水时自动开启水泵加水，水满时自动停止 3、当水位处在最低和最高水位之间时，可由手动启动或停止上水 1.3.2 设计要求设计要求 水位由潜入储水容器不同深度的水位电极和潜入容器底部的公共电极（导 线）检测；并由五个双色 LED 发光二极管显示：无水亮红灯，有水时改亮绿灯， 通过观察绿灯点亮的数量可识别水位的高低，这里取 5 段显示，也可根据需要 进行增减。 自动水位控制：当水位低至最低设定限度时，自动开启水泵供水，当水位 达到设定的最高限度时，自动停泵；随着水的使用，当水位再次低至最低水位 限度时，又开启水泵。如此循环工作。若水源有压力，可将水泵改成电磁阀。 手动水位控制：水位的高低也可根据需要人为控制，通过按下启动、停止 按钮可随时供水或停止供水，以达到所要求的任意水位。但无论如何，当水位 达到设定的上限时会自动停止；当水位达到设定的下限时会自动开泵。 为便于观察，演示时以量筒为储水容器，用微型水泵供水；以停泵时供水 管虹吸倒流来模拟用水。 1.3.3 设计目标设计目标 1、水位由双色 LED 发光二极管分 5 段显示； 2、按设定值自动控制水位高低； 3、手动可任意控制水位高低，实现自动控制与手动控制兼容。 1.3.4 主要技术主要技术 对于水位的控制不仅需要对水位的测量，而且需要对水质的检测和改善， 众所周知：当电极式传感器中的铜片通电导通时，则形成一个电解池，电解时， 阳极逸出氧气，阴极逸出氢气，氧气具有氧化性，对铜片具有腐蚀作用 （2Cu+O2=2CuO） ，如果是自来水，则腐蚀性更强（因为自来水中含有氯元素， 氯为卤族元素其氧化性更强， （2Cl-2e-=Cl2,Cl2+Cu=CuCl2）如何解决此问 题，有人说减小电流大小或是缩短通电时间，但是如何才能减小电流、如何缩 短通电时间呢？一般方法只能是扬汤止沸，延长电极寿命也有限，有的人说用 碳棒来代替铜棒，但此方法同时也污染了水质，若是饮用水，此法无疑是饮鸩 止渴。 本设计中我们采用单片机控制，只在动作的瞬间有电流其他时间无电流， 单片机编写程序时每 15 秒产生一个触发脉冲，用以探测水位的大概高低，而每 个脉冲仅需 10 微秒，这样操作，本来一根铜棒的寿命仅有两三天，而现在可以 提高三四年，因此，可彻底解决水质问题。用 220V 电源,耗电不大于 3W；由继 电器输出,可直接控制接触器(无压水源时带水泵)或电磁阀(有压水源)。 第第 2 章章 硬件设计硬件设计 2.1 测控原理测控原理 实验证明，纯净水几乎是不导电的，但自然界存在的以及人们日常使用的 水都会含有一定的 Mg2+、Ca2+等离子，它们的存在使水导电。本控制装置就是 利用水的导电性来完成的。 水位由潜入储水容器不同深度的水位电极和潜入容器底部的公共电极（导 线）进行检测；由单片机依次使各水位电极呈现高电平，由公共电极所接的三 极管进行电位转换，水位到达的电极，转换电位为低（0） ；水位没有到达的电 极，转换电位为高（1） ；每检测一位便得到一位数据，5 个电极检测一遍以后便 得到了 5 个串行数据，然后把这 5 个数据转化为字节一路送红色发光二极管； 另一路取反后送绿色发光二极管，无水亮红灯，有水亮绿灯实现水位显示。 同时由软件判断最低电极和最高电极的转换电位及按键状态，当发现最低 电极转换电位为 1 时，继电器吸合，开启水泵；最高电极的转换电位为 0 时继 电器释放，关闭水泵。当检测到启动按键按下时或停止按键按下时可随时启动 或停止供水，以得到要求的任意水位，硬件电路图如图 2-1 所示。 图 2-1 硬件电路图 2.2 主要元件简介主要元件简介 2.2.1 AT89C51 单片机单片机 AT89C51 是一个低功耗高性能 CMOS 8 位单片机，4k Bytes Flash 只读程序 存储器(ROM),512 Bytes 内部数据存储器(RAM),该微处理器采用 ATMEL 公司的 高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51 指令系统，引脚兼容 80C51 和 80C52 芯片，片内的 Flash 存储器可以像常规程序存储器一样进行烧写， AT89C51 片内总共有 256 字节的用户数据区，而 128 字节的内部扩展数据区需通过清 SFR(8EH)的 位 1 并用 MOVX 指令访问，片内置通用 8 位中央 处理器和 Flash 存储单元，另一个 256BytesRAM 区与 ATMEL 之 AT89 系列 8052 兼容的单片机是 一致的，AT89C51 结合通用的 8 位微处理器和 Flash 存储技术构成功能强大单片微处理器，可提 供许多高性能低价位的系统控制应用场合。 (1)AT89C51 主要特点 图 2-2 AT89C51 引脚图 40 个引脚，32kBytes 的程序存储器，32 个外部双向输入/输出（I/O）端口， 同时内含 2 个外中断口，3 个 16 位可编程定时计数器,2 个全双工串行通信口， 内置时钟振荡器,其 Flash 存储器，可反复擦写 1000 次的 Flash 存储器可有效地 降低开发成本。软件设置电源省电模式，睡眠其间，定时/计数器，串行口和中 断口均停止工作，RAM 中的数据被“冻结” ，直到下次被中断激活或硬件复位 方可恢复工作。 (2)AT89C51 主要组成 主要组成如表 2-1 所示。 表 2-1 AT89C51 主要核心部件 兼容 MCS51 指令系统32k 可反复擦写(1000 次）Flash ROM 32 个双向 I/O 口硬件看门狗 WDT 电路 3 个 16 位可编程定时/计数器时钟频率 0-33MHz 两个串行中断512x8bit 内部 RAM 2 个外部中断源内置时钟振荡器 中断激活睡眠模式3 级加密位 2.2.2 双色双色 LED 发光二极管发光二极管 发光二极管（LED）是一种由磷化镓（GaP）等半导体材料制成的、能直接 将电能转变成光能的发光显示器件。当其内部有一定电流通过时，它就会发光。 发光二极管也与普通二极管一样由 PN 结构成，也具有单向导电性。当 PN 结导 通时，它依靠少数载流子的注入以及随之的复合而辐射发光，因而属于电流控 制器件，是目前应用最广的一种半导体发光器件。常见的发光二极