单片机水塔水位控制系统的设计
目录
一、绪论 1
（一）课题研究的意义及作用 1
（二） 课题研究的背景及发展现状 1
二、系统方案分析与设计 2
（一）系统方案分析 2
（二）水位测量方式的选择 2
（三） CPU模块的选择 2
（四） 电动机及驱动方案 2
（五） 显示器的选择 3
（六） 系统总体方案设计 3
（七）设计要求 3
三、硬件电路设计 4
（一）水塔水位系统整体设计框图 4
（二） 传感器模块 4
（三）单片机及其外围电路 4
（四） LCD1602显示电路 6
（五） L298芯片模块 8
（六）报警指示模块 9
（七）水塔水位总系统设计 9
四、软件设计 10
（一） 主程序设计 10
（二） 显示模块设计设计 11
（三） L298电机驱动软件设计 13
（四） 水塔水位报警指示软件设计 13
（五） 水塔水位设计仿真图 15
五、总结 15
附录 17
附录1原理图 17
附录2 PCB图 18
附录3仿真图 19
附录四源程序 20
参考文献 26
致谢 27
一、绪论
（一）课题研究的意义及作用
在我国很多的住宅楼房中，自来水供水主要采用的是高塔供水系统，在屋顶或另在高塔上面建个蓄水池以保证终端水压的恒定。目前，绝大多数的住宅小区楼房都是采取人工加水的方法，即当水用完的时候，就 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
手动开启水泵进行注水，运作不便。当有这个问题的存在，就在呼唤一种简单的经济的高塔水位检测报警控制系统的诞生。
传统的控制方式存在一些问题，例如：控制精度低、能耗大等问题,而自动控制原理, 可根据用水量的变化自动调节系统的运行参数,保持水压恒定来满足用水的要求, 从而改善了大家的生活水平。这个系统成本低，安装方便，经过多次的实验发现，它灵敏性好，能节约水资源，方便操控家庭与单位水塔水位的完美装置。
在工农业生产过程中，常常有对水位进行测量和控制的需要。传统的水位检测系统一般通过有线方式与监控中心取得联系，在一般的情况下，测量的水池或水塔和监控中心都会有产生很长的距离，这样就会需要架起较长距离的控制电路，这种方法不但成本较高，而且需要专门人员进行维护与调控，测量和控制有着很大的不便。因此，设计一个简易的基于单片机无线液位检测系统，不仅能远程实时方便得了解水位，维护方便，而且可以提高生产效率节约成本，具有很好的研究价值和使用前景。
（二） 课题研究的背景及发展现状
对于水塔液位测控系统的研究，国外的此项液位测量技术起步较早，而且投入了雄厚的资金，发展速度快，截止到现在，国外不少公司都有着研发能力，研发的产品自动化程度较高，并且功能齐全、精准高。虽然我国在这个方面起步较晚，与国外相比有一定的差距，但目前所开发出的产品在性能指标和功能上都比之前有了很大程度上的提高，基本满足了现在工农生产中的需要。
水塔是日常生活及工业生产中经常常用的蓄水设备，通过对水塔水位的控制，了解对外供水的量来控制需求，其水位控制起着重要的步骤。基于单片机水塔水位的控制系统，实际中在铁路、油田、化工等工农事业中有着广泛的应用。水位控制在日常生活和工业领域中的应用相当的广泛，自动检测水位的检测系统能根据水位变化的情况自动调节。水塔供水的主要问题是塔内水位应始终确保在一个稳定的范围内，避免“空塔”、“溢塔”现象的发生。在水塔中的水位到达它的下限时自动启动电机，给水塔供水；在其水位到达其上限水位的时候电机自动关闭，停止供水。而且该系统能在供水出现异常的时候能够及时的发出警报，以及时通知来排除故障，起着保证水塔的对外的正常供水的作用。
二、系统方案分析与设计
（一）系统方案分析
单片机的水塔水位系统的设计，以单片机为核心，用水位传感器采集水塔水位的液位情况，并把采集到的数据传送给单片机，单片机接收到信号后，把水位的情况，通过LCD1602显示器显示出来。在指示电路中，实时对水塔液位指示，当水位异常时，指示灯闪烁，并且音量报警。当有异常时，启动水泵给水塔供水，消除警报。根据实际应用中的需求，本系统所使用的主要模块选择如下：
（二）水位测量方式的选择
水位测量方式比较多，常见的有电容式水位传感器、压阻式压力传感器、超声波水位传感器等，从性价比和技术成熟度的情况来看，选择压阻压力传感作为液位测量方式比较合适。
（三） CPU模块的选择
方案一：PLC模块
PLC使用范围性很广，在军用领域，民用领域，还有工业领域到处可见。它的特点很明显，控制简单，程序设计比较方便。在本电路设计中，控制水塔水位系统设计，虽然能够实现各个功能，但是设计成本太高，控制的电源比较大。所以，不予以考虑。
方案二：单片机模块
随着社会快速的发展，技术上的提高，单片机控制的技术越来越成熟，单片机的应用，也被推广到各个领域，用于不同系统的控制。单片机系统控制电源只要5V，驱动电压低，而且单片机的控制比较简单，线路上面连接方便，而且价格比较低廉，系统简单可靠。
综合比较以上两种方案，基于水塔水位的系统设计的要求采用方案二，用单片机作为控制模块较为合适
（四） 电动机及驱动方案
方案一：步进电机
步进电机主要是把电脉冲信号转换成输出轴的转角或转速，容易开启停止、正反转及变速,动态响应快。价格适中，控制精度较高，适用于较为精确的测量中，还可以有效提高输液速度的控制精度。步进电机每输入一个脉冲信号，转子就会转过一个角度，步进电机会输出特定的角位移或者线位移，其与输入脉冲数成正比例，步进电机的转速也与脉冲频率成正比例关系。本文以单片机为核心，控制了步进电机的工作，可以在一刹那实现启停动作，并且其步距角的降低较小，延时短，定位准确，精度高，可操作性较强。但本次设计不需要这么高精度，高定位的电机。
方案二：直流电机
直流电机的转矩小、没有抱死功能。只要5v的电压，提供一定的驱动电流，就能很好的控制电机的动作。价格低廉，技术可靠，是理想的选择。
综合比较以上两种方案，结合本设计的要求采用方案二较为合适
（五） 显示器的选择
方案一：采用数码管显示。
数码管在单片机的应用中，用处很多，结构和工艺都很可靠。而且数码管编程简单，但是显示的数据比较有限，一个数码管只能显示一个数据。因此要显示多个数据，就要加入好几个数码管，使用起来不方便。
方案二：采用(LCD)液晶显示屏。
虽然液晶显示屏有功耗小、轻巧较薄等优点，但编程较数码管难并且对于字符的要求较大，需要单独编译。在显示上，比较优化。电路结构比较清晰。综合比较以上两种方案，结合本设计的要求采用方案二较为合适。
图4 上电复位电路
（四） LCD1602显示电路
一、绪论 1
（一）课题研究的意义及作用 1
（二） 课题研究的背景及发展现状 1
二、系统方案分析与设计 2
（一）系统方案分析 2
（二）水位测量方式的选择 2
（三） CPU模块的选择 2
（四） 电动机及驱动方案 2
（五） 显示器的选择 3
（六） 系统总体方案设计 3
（七）设计要求 3
三、硬件电路设计 4
（一）水塔水位系统整体设计框图 4
（二） 传感器模块 4
（三）单片机及其外围电路 4
（四） LCD1602显示电路 6
（五） L298芯片模块 8
（六）报警指示模块 9
（七）水塔水位总系统设计 9
四、软件设计 10
（一） 主程序设计 10
（二） 显示模块设计设计 11
（三） L298电机驱动软件设计 13
（四） 水塔水位报警指示软件设计 13
（五） 水塔水位设计仿真图 15
五、总结 15
附录 17
附录1原理图 17
附录2 PCB图 18
附录3仿真图 19
附录四源程序 20
参考文献 26
致谢 27
一、绪论
（一）课题研究的意义及作用
在我国很多的住宅楼房中，自来水供水主要采用的是高塔供水系统，在屋顶或另在高塔上面建个蓄水池以保证终端水压的恒定。目前，绝大多数的住宅小区楼房都是采取人工加水的方法，即当水用完的时候，就 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
手动开启水泵进行注水，运作不便。当有这个问题的存在，就在呼唤一种简单的经济的高塔水位检测报警控制系统的诞生。
传统的控制方式存在一些问题，例如：控制精度低、能耗大等问题,而自动控制原理, 可根据用水量的变化自动调节系统的运行参数,保持水压恒定来满足用水的要求, 从而改善了大家的生活水平。这个系统成本低，安装方便，经过多次的实验发现，它灵敏性好，能节约水资源，方便操控家庭与单位水塔水位的完美装置。
在工农业生产过程中，常常有对水位进行测量和控制的需要。传统的水位检测系统一般通过有线方式与监控中心取得联系，在一般的情况下，测量的水池或水塔和监控中心都会有产生很长的距离，这样就会需要架起较长距离的控制电路，这种方法不但成本较高，而且需要专门人员进行维护与调控，测量和控制有着很大的不便。因此，设计一个简易的基于单片机无线液位检测系统，不仅能远程实时方便得了解水位，维护方便，而且可以提高生产效率节约成本，具有很好的研究价值和使用前景。
（二） 课题研究的背景及发展现状
对于水塔液位测控系统的研究，国外的此项液位测量技术起步较早，而且投入了雄厚的资金，发展速度快，截止到现在，国外不少公司都有着研发能力，研发的产品自动化程度较高，并且功能齐全、精准高。虽然我国在这个方面起步较晚，与国外相比有一定的差距，但目前所开发出的产品在性能指标和功能上都比之前有了很大程度上的提高，基本满足了现在工农生产中的需要。
水塔是日常生活及工业生产中经常常用的蓄水设备，通过对水塔水位的控制，了解对外供水的量来控制需求，其水位控制起着重要的步骤。基于单片机水塔水位的控制系统，实际中在铁路、油田、化工等工农事业中有着广泛的应用。水位控制在日常生活和工业领域中的应用相当的广泛，自动检测水位的检测系统能根据水位变化的情况自动调节。水塔供水的主要问题是塔内水位应始终确保在一个稳定的范围内，避免“空塔”、“溢塔”现象的发生。在水塔中的水位到达它的下限时自动启动电机，给水塔供水；在其水位到达其上限水位的时候电机自动关闭，停止供水。而且该系统能在供水出现异常的时候能够及时的发出警报，以及时通知来排除故障，起着保证水塔的对外的正常供水的作用。
二、系统方案分析与设计
（一）系统方案分析
单片机的水塔水位系统的设计，以单片机为核心，用水位传感器采集水塔水位的液位情况，并把采集到的数据传送给单片机，单片机接收到信号后，把水位的情况，通过LCD1602显示器显示出来。在指示电路中，实时对水塔液位指示，当水位异常时，指示灯闪烁，并且音量报警。当有异常时，启动水泵给水塔供水，消除警报。根据实际应用中的需求，本系统所使用的主要模块选择如下：
（二）水位测量方式的选择
水位测量方式比较多，常见的有电容式水位传感器、压阻式压力传感器、超声波水位传感器等，从性价比和技术成熟度的情况来看，选择压阻压力传感作为液位测量方式比较合适。
（三） CPU模块的选择
方案一：PLC模块
PLC使用范围性很广，在军用领域，民用领域，还有工业领域到处可见。它的特点很明显，控制简单，程序设计比较方便。在本电路设计中，控制水塔水位系统设计，虽然能够实现各个功能，但是设计成本太高，控制的电源比较大。所以，不予以考虑。
方案二：单片机模块
随着社会快速的发展，技术上的提高，单片机控制的技术越来越成熟，单片机的应用，也被推广到各个领域，用于不同系统的控制。单片机系统控制电源只要5V，驱动电压低，而且单片机的控制比较简单，线路上面连接方便，而且价格比较低廉，系统简单可靠。
综合比较以上两种方案，基于水塔水位的系统设计的要求采用方案二，用单片机作为控制模块较为合适
（四） 电动机及驱动方案
方案一：步进电机
步进电机主要是把电脉冲信号转换成输出轴的转角或转速，容易开启停止、正反转及变速,动态响应快。价格适中，控制精度较高，适用于较为精确的测量中，还可以有效提高输液速度的控制精度。步进电机每输入一个脉冲信号，转子就会转过一个角度，步进电机会输出特定的角位移或者线位移，其与输入脉冲数成正比例，步进电机的转速也与脉冲频率成正比例关系。本文以单片机为核心，控制了步进电机的工作，可以在一刹那实现启停动作，并且其步距角的降低较小，延时短，定位准确，精度高，可操作性较强。但本次设计不需要这么高精度，高定位的电机。
方案二：直流电机
直流电机的转矩小、没有抱死功能。只要5v的电压，提供一定的驱动电流，就能很好的控制电机的动作。价格低廉，技术可靠，是理想的选择。
综合比较以上两种方案，结合本设计的要求采用方案二较为合适
（五） 显示器的选择
方案一：采用数码管显示。
数码管在单片机的应用中，用处很多，结构和工艺都很可靠。而且数码管编程简单，但是显示的数据比较有限，一个数码管只能显示一个数据。因此要显示多个数据，就要加入好几个数码管，使用起来不方便。
方案二：采用(LCD)液晶显示屏。
虽然液晶显示屏有功耗小、轻巧较薄等优点，但编程较数码管难并且对于字符的要求较大，需要单独编译。在显示上，比较优化。电路结构比较清晰。综合比较以上两种方案，结合本设计的要求采用方案二较为合适。
图4 上电复位电路
（四） LCD1602显示电路
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