单片机的液位控制系统的设计
目 录
引言 1
（一）研究背景 1
（二）国内外发展现状 1
（三）研究意义 2
一、系统组成 2
二、单片机介绍 2
三、硬件系统设计 4
（一）复位电路 4
（二）时钟电路 5
（三）液位测量电路 5
（四）显示电路 9
（五）进水/排水控制电路 10
四、软件系统设计 11
（一）主程序设计 11
（二）LCD1602显示子程序设计 12
（三）液位测量子程序设计 13
（四）ADC0832转换子程序设计 14
结束语 14
参考文献 16
致谢 17
附录一 原理图 18
附录二 源程序 19
引言
（一）研究背景
所谓液位控制系统指的是能够通过传感器的液位采集作用而实现也为自动控制的电子控制系统，通常情况下这种系统由微处理器、液位传感器、水泵、排水装置、终端按键、显示器以及报警器等部分组成，在这种系统的作用下，工业生产或者家居生活能够实现在无人管理情况下的自动运行，会节省大量的人力物力，并且大幅度提高企业生产效率。传统的液位控制已经延续了数百年，在古代的一些作坊或者小型加工厂中能够常常看到通过人工的方式实现生产加工中的液位管理，添加水通过水桶加注，换水也是通过人工操作，这就是最为原始的液位管控制系统。几百年后随着工业技术的发展，自来水进入了千家万户方便了人们的日常生活，在工业活动中对于液位控制作业也享受到了自来水管道的便利，因为工人们再也不用提着水桶去完成加水放水的劳累体力活了，只需要在现场看紧也为高度，管理好自 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
来水龙头的开关，防止水溢出来。再到后来出现了现代化工业生产，此时电子技术以及微处理器技术广泛发展，涌现除了一大批用于辅助工业活动的电子控制系统，在液位控制系统中，最著名的就是采用PLC作为主控核心的管理系统，由于这里面采用了PLC作为控制器，因此基本实现液位高低的自动管理，基本无需人为干预，通过液位传感器来实现水箱中液位的采集，将采集到的信息传送到PLC进行处理，接着PLC根据也为情况来相应的启闭水泵或者排水阀的工作，以此来达到液位的自动化管理。这种PLC系统用在干扰情况较为严重的工控场合能够表现出非常高的稳定度，内部程序在运行过程中基本不会出现运行错误等情况，因此成本也非常高。近几年来的单片机技术日益完善，单片机控制系统逐渐渗透到工业领域的各个角落，单片机的稳定性跟过去相比已经取得了质的飞跃，在水位控制系统方面，目前市面上已经出现了多种类型的以单片机作为主控核心的自动控制系统，这些产品主要分为超声波探测式、电磁波探测式、激光探测式以及机械浮子式几类，根据液位探测的精度以及准确度区分，激光探测式性能最佳，而已使用广泛度以及成本来看，机械浮子式数第一。由于单片机的成本远低于PLC系统，并且目前单片机的性能和稳定度在不断提升，已经有和PLC持平的趋势，因此如果采用单片机作为也为控制系统的主控器，那么将大幅度降低其生产成本。
（二）国内外发展现状
目前国内外对于液位控制系统的研究已经取得了丰硕的成果，绝大多数的高性能系统在控制速度和响应时间上都能够达到非常高的指标，由于液位控制系统主要用于工业生产领域，因此随着工业生产活动的日益复杂化和环境不断的恶化，要求水位控制系统能够在日益严重的电磁干扰环境中保持稳定工作，这就得要求主控器件的稳定性非常高，足以在强电磁干扰环境下维持正常工作，目前国内一些厂家以ARM内核的单片机作为主控，设计了一批又一批稳定性极高的液位控制系统，稳定性不输于PLC系统。
（三）研究意义
本文以液位控制系统为研究目标，设计了一款通过液位传感器实现液位采集，并通过单片机的控制作用实现液位自动控制的电子系统。在本文开始主要对系统的设计方案以及元器件进行了选择和介绍，接着对硬件系统进行了设计，最后主要对软件系统进行了设计，本课题涉及到大学期间所学的单片机课程、电子技术课程、模拟电路技术、PCB制图等课程，因此本课题是对大学期间所学知识的一个总结。由于本课题采用了AT89C51单片机作为主控核心并且以集成度极高的LM1042型传感器作为液位检测模块，降低总体的系统成本。
一、系统组成
主要对液位控制系统的硬件部分进行设计，下图为本系统的硬件原理框图，以51单片机芯片、复位电路以及晶振电路作为控制系统的核心部分，负责液晶屏的驱动、AD转换模块的信号处理、按键的感应以及继电器的驱动等。
按键用于设定液位高度，当设置完毕后单片机将水泵的继电器开启，水泵向水箱内注水。液位传感器用于采集水箱内液位的实时高度，并以输出直流模拟电压的形式来表示也为高低，AD模块是用来采集液位传感器输出的直流模拟电压大小，然后以数字信号的形式将采集值传送给单片机。当液位高于设定水位时，单片机驱动继电器将排水阀打开放水，液晶显示器用于对控制系统的运行状态进行参数显示。
图1 整体系统框图
二、单片机介绍
单片机（Microcontrollers）是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的300M的高速单片机。要实现单片机系统的正常工作，首先要对单片机最小系统电路进行设计。通常情况下所有单片机的最小系统都由单片机芯片、复位电路以及时钟电路组成，个别高级单片机内部集成了时钟电路。本文所使用的51单片机由于没有集成，因此需要对时钟电路以及复位电路进行设计。
Pin1-Pin8 为P1.0-P1.7的信号输出输入端口；
Pin10-Pin17为P3.0-P3.7的信号输入端;
初始化完成后，用户通过系统的终端按键对液位进行设置，设置完毕后51单片机在P2.1管脚输出高电平，然后将水泵的继电器开关打开，水泵开始向水箱内注水。在注水过程中，液位传感器不断对水箱液位进行采集，将采集到的也为高度以模拟直流电压形式传送给AD模块进行模数转换（液位越高则输出电压越高，反之则越低），AD模块将数据转换完毕后传送给51单片机，51单片机得到也为高度后，与设置液位进行对比，当液位低于设定值时，继续保持P2.1管脚为高电平，注水动作继续。当水位一旦超过设定液位，那么P2.1立即变为低电平，水泵停止工作。而当液位高于设定值时，P2.2管脚输出高电平，排水阀打开，水箱放水。与此同时，单片机会将系统的运行参数发往液晶屏显示。
引言 1
（一）研究背景 1
（二）国内外发展现状 1
（三）研究意义 2
一、系统组成 2
二、单片机介绍 2
三、硬件系统设计 4
（一）复位电路 4
（二）时钟电路 5
（三）液位测量电路 5
（四）显示电路 9
（五）进水/排水控制电路 10
四、软件系统设计 11
（一）主程序设计 11
（二）LCD1602显示子程序设计 12
（三）液位测量子程序设计 13
（四）ADC0832转换子程序设计 14
结束语 14
参考文献 16
致谢 17
附录一 原理图 18
附录二 源程序 19
引言
（一）研究背景
所谓液位控制系统指的是能够通过传感器的液位采集作用而实现也为自动控制的电子控制系统，通常情况下这种系统由微处理器、液位传感器、水泵、排水装置、终端按键、显示器以及报警器等部分组成，在这种系统的作用下，工业生产或者家居生活能够实现在无人管理情况下的自动运行，会节省大量的人力物力，并且大幅度提高企业生产效率。传统的液位控制已经延续了数百年，在古代的一些作坊或者小型加工厂中能够常常看到通过人工的方式实现生产加工中的液位管理，添加水通过水桶加注，换水也是通过人工操作，这就是最为原始的液位管控制系统。几百年后随着工业技术的发展，自来水进入了千家万户方便了人们的日常生活，在工业活动中对于液位控制作业也享受到了自来水管道的便利，因为工人们再也不用提着水桶去完成加水放水的劳累体力活了，只需要在现场看紧也为高度，管理好自 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
来水龙头的开关，防止水溢出来。再到后来出现了现代化工业生产，此时电子技术以及微处理器技术广泛发展，涌现除了一大批用于辅助工业活动的电子控制系统，在液位控制系统中，最著名的就是采用PLC作为主控核心的管理系统，由于这里面采用了PLC作为控制器，因此基本实现液位高低的自动管理，基本无需人为干预，通过液位传感器来实现水箱中液位的采集，将采集到的信息传送到PLC进行处理，接着PLC根据也为情况来相应的启闭水泵或者排水阀的工作，以此来达到液位的自动化管理。这种PLC系统用在干扰情况较为严重的工控场合能够表现出非常高的稳定度，内部程序在运行过程中基本不会出现运行错误等情况，因此成本也非常高。近几年来的单片机技术日益完善，单片机控制系统逐渐渗透到工业领域的各个角落，单片机的稳定性跟过去相比已经取得了质的飞跃，在水位控制系统方面，目前市面上已经出现了多种类型的以单片机作为主控核心的自动控制系统，这些产品主要分为超声波探测式、电磁波探测式、激光探测式以及机械浮子式几类，根据液位探测的精度以及准确度区分，激光探测式性能最佳，而已使用广泛度以及成本来看，机械浮子式数第一。由于单片机的成本远低于PLC系统，并且目前单片机的性能和稳定度在不断提升，已经有和PLC持平的趋势，因此如果采用单片机作为也为控制系统的主控器，那么将大幅度降低其生产成本。
（二）国内外发展现状
目前国内外对于液位控制系统的研究已经取得了丰硕的成果，绝大多数的高性能系统在控制速度和响应时间上都能够达到非常高的指标，由于液位控制系统主要用于工业生产领域，因此随着工业生产活动的日益复杂化和环境不断的恶化，要求水位控制系统能够在日益严重的电磁干扰环境中保持稳定工作，这就得要求主控器件的稳定性非常高，足以在强电磁干扰环境下维持正常工作，目前国内一些厂家以ARM内核的单片机作为主控，设计了一批又一批稳定性极高的液位控制系统，稳定性不输于PLC系统。
（三）研究意义
本文以液位控制系统为研究目标，设计了一款通过液位传感器实现液位采集，并通过单片机的控制作用实现液位自动控制的电子系统。在本文开始主要对系统的设计方案以及元器件进行了选择和介绍，接着对硬件系统进行了设计，最后主要对软件系统进行了设计，本课题涉及到大学期间所学的单片机课程、电子技术课程、模拟电路技术、PCB制图等课程，因此本课题是对大学期间所学知识的一个总结。由于本课题采用了AT89C51单片机作为主控核心并且以集成度极高的LM1042型传感器作为液位检测模块，降低总体的系统成本。
一、系统组成
主要对液位控制系统的硬件部分进行设计，下图为本系统的硬件原理框图，以51单片机芯片、复位电路以及晶振电路作为控制系统的核心部分，负责液晶屏的驱动、AD转换模块的信号处理、按键的感应以及继电器的驱动等。
按键用于设定液位高度，当设置完毕后单片机将水泵的继电器开启，水泵向水箱内注水。液位传感器用于采集水箱内液位的实时高度，并以输出直流模拟电压的形式来表示也为高低，AD模块是用来采集液位传感器输出的直流模拟电压大小，然后以数字信号的形式将采集值传送给单片机。当液位高于设定水位时，单片机驱动继电器将排水阀打开放水，液晶显示器用于对控制系统的运行状态进行参数显示。
图1 整体系统框图
二、单片机介绍
单片机（Microcontrollers）是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的300M的高速单片机。要实现单片机系统的正常工作，首先要对单片机最小系统电路进行设计。通常情况下所有单片机的最小系统都由单片机芯片、复位电路以及时钟电路组成，个别高级单片机内部集成了时钟电路。本文所使用的51单片机由于没有集成，因此需要对时钟电路以及复位电路进行设计。
Pin1-Pin8 为P1.0-P1.7的信号输出输入端口；
Pin10-Pin17为P3.0-P3.7的信号输入端;
初始化完成后，用户通过系统的终端按键对液位进行设置，设置完毕后51单片机在P2.1管脚输出高电平，然后将水泵的继电器开关打开，水泵开始向水箱内注水。在注水过程中，液位传感器不断对水箱液位进行采集，将采集到的也为高度以模拟直流电压形式传送给AD模块进行模数转换（液位越高则输出电压越高，反之则越低），AD模块将数据转换完毕后传送给51单片机，51单片机得到也为高度后，与设置液位进行对比，当液位低于设定值时，继续保持P2.1管脚为高电平，注水动作继续。当水位一旦超过设定液位，那么P2.1立即变为低电平，水泵停止工作。而当液位高于设定值时，P2.2管脚输出高电平，排水阀打开，水箱放水。与此同时，单片机会将系统的运行参数发往液晶屏显示。
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