单片机的水位检测与控制系统的设计
【摘要】现如今工农业生产常常都需要用到测量液位。随着如今工业的快速发展液位的自控技术也被应用到石油、医疗、食品等各个行业中，在各种低温液体自控也有广泛的应用。本文详细的介绍基于单片机的液位自控系统，先利用水的导电性将数据采集，通过模数转换将模拟信号转换成数字信号送入到51单片机处理。当水位不正常时因配置蜂鸣器可进行报警，液晶屏可高精准显示水位。笔者进行多次调试、改进，现具有较高的精准配合以继电器控制的水泵可实现对水位的控制。在硬件系统和软件系统方面也进行优化，以最少的器件、最低的成本构成最完整的硬件系统。如投向市场，可大大降低这种产品的成本。
目录
引言 1
（一）研究背景 1
（二）国内外研究现状 1
（三）主要研究内容 2
一、系统的组成 2
二、STC89C51单片机介绍 3
三、硬件系统设计 4
（一）单片机最小系统设计 4
（二）信号采集电路设计 5
（三）液晶显示电路设计 6
（四）报警电路设计 7
（五）按键电路设计 7
（六）控制电路设计 8
四、软件系统设计 8
（一）系统的主程序设计 8
（二）传感器子程序设计 10
（三）液晶显示器子程序设计 10
（四）控制子程序设计 11
（五）模数转换器子程序设计 12
结束语 13
参考文献 15
致 谢 16
附录一 原理图 17
附录二 源程序 18
引言
（一）研究背景
随着人类对电子技术以及智能技术的广泛开发，生活中几乎大多数电器、设备或者检测仪器已经被电子系统所代替，就如水位检测与控制器这种本来完全依靠传统结构来实现的常用模块，在其长长的发展历程中，许多新的功能被添加到其内部结构中，已经不在是传统意义上仅仅能够实现水位粗略检测等基本功能。在最近几十年时间内，传感器、微处理器以及新型半导体的出现使得水位检测与控制器的概念得到了重新的定义，水位高清晰度识别检测、历史数据分析以及控制算法快速确立等功能不断地被融入到
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水位检测与控制器系统中，颠覆了原先人们对于传统水位检测与控制器的想象，同时这些新功能的增加也使得它能够更好地为人们带来生活、工作以及生产上的便利，这是传统水位检测与控制器所无法企及的。由于人们对于新型水位检测与控制器的需求和要求与日俱增，近几年来水位检测与控制器的研究呈现了如火如荼的景象，控制系统中的关键部分当属内部的微处理器部分，在电子水位检测与控制器刚进入人们生活之时，微处理器还停留在8位数据处理能力的状态，因此那时候只能够实现一些简单功能的水位检测与控制器，仅仅能够实现水位大体的自动检测；而随着近些年32位微处理器的技术与日成熟，水位深度、超声波探测、激光探测等智能功能都能够在水位检测与控制器系统中得到实现，这种高技术的智能技术使得对于水位的控制更加完善。水位检测与控制器系统的发展与人类社会的经济发展也是息息相关的，在经济繁荣时人们对于日常生活也提出了更高的质量，人机友好、智能生活等概念深入人们的潜意识里，传统落后技术已经无法在满足人类对美好生活的追求，微处理器智能控制技术使得这一切都得以实现，智能水位检测与控制器在很大程度上迎合了人们对优质生活的审美观，本课题在对智能水位检测与控制器进行了大量的调研和对比后，考虑到目前市面上相关产品处于刚刚起步阶段，无论是在硬件还是软件上都存在这很多的不足之处，因此高智能的水位检测与控制器系统还不能够实现普及，因此本文将以大学期间所学的专业知识结合课外学习经验作为基础，选用高性价比器件，设计一款智能水位检测与控制器，突破目前市面上相关产品所存在的普遍弊端，降低水位检测与控制器的总体设计成本，正确取代市场上相当大一部分水位检测与控制器产品。
（二）国内外研究现状
根据前不久的一份行业前景研究报告显示，目前水位检测与控制器已经渗透到了人们生产生活的各个角落，各种不同智能程度的水位检测与控制器影响着人们的日常生活以及工业生产，对于水位检测与控制器的研究和开发现状，国内外都已经达到了一个很高的境地，然而国外由于对智能水位检测与控制器系统的研发起始时间更早，因此在智能方面，国外做的更加突出，国内外目前都能够实现微秒级的水位自动稳定性能，水位高度在受到干扰后通过高性能的水泵、微处理器以及排水阀进行多方修复，在成本以及系统稳定度上，要想追赶上国外，国内研究者还有很长一段路需要走。
（三）主要研究内容
本课题在经过对当前市面上相关产品的大量调研后，结合自身的专业知识掌握程度，最终确立了如下的设计研究内容：
1.使用STC89C51单片机作为主控芯片，结合其他模块构建一个51单片机最小系统，实现一款能够实现水箱水位快速检测以及控制功能的水位检测与控制器系统；
2.系统采用直流正5V电压进行供电，具有较低的功率消耗；
3.通过水位传感器的工作，实现对水位高低的快速检测，检测数据以模拟电压信号进行输出；
4.通过模数转换器芯片的工作，实现对水位传感器输出的模拟电压信号进行采集，并将其转换为数字信号送入单片机进行处理，以此获得实时的水位数据；
5.通过继电器实现对水泵的启闭，实现为水箱注水；
6.配置蜂鸣器电路，实现水位过低时进行报警；
7.配置液晶屏电路，实现水位高低的精确数据显示。
一、系统的组成
硬件结构框图的设计主要是对水位检测与控制器系统的硬件结构中各模块的连接关系以及信号传递方式通过图片方式进行简要描述，笔者使用了Visio软件绘制了如下图所示的水位检测与控制器结构框图，下面对框图中的各模块进行简要介绍。
按照从“控”到“被控”的传递关系进行介绍，框图中的主控器件为51单片机芯片，该芯片以每单位时间处理8位二进制数据的处理能力对其周围的各模块进行检测、驱动以及接收外部信号，其完成正常工作的前提是时钟电路以及复位电路能够向其提供时钟信号和复位信号；水位传感器用于实现对水箱水位的实时快速检测，并通过输出模拟电压信号来表示水位大小；A/D模块采用ADC0832模数转换器，用于实现将水位传感输出的模拟电压信号转换为数字信号并送入单片机；报警器模块采用蜂鸣器，用于实现当水位过低时进行报警；继电器模块用于在单片机的控制下实现对水泵的启闭，从而实现对水箱的注水；显示模块使用了LCD1602液晶屏进行系统参数的显示，提升控制系统的性能。
图1 系统框图
目录
引言 1
（一）研究背景 1
（二）国内外研究现状 1
（三）主要研究内容 2
一、系统的组成 2
二、STC89C51单片机介绍 3
三、硬件系统设计 4
（一）单片机最小系统设计 4
（二）信号采集电路设计 5
（三）液晶显示电路设计 6
（四）报警电路设计 7
（五）按键电路设计 7
（六）控制电路设计 8
四、软件系统设计 8
（一）系统的主程序设计 8
（二）传感器子程序设计 10
（三）液晶显示器子程序设计 10
（四）控制子程序设计 11
（五）模数转换器子程序设计 12
结束语 13
参考文献 15
致 谢 16
附录一 原理图 17
附录二 源程序 18
引言
（一）研究背景
随着人类对电子技术以及智能技术的广泛开发，生活中几乎大多数电器、设备或者检测仪器已经被电子系统所代替，就如水位检测与控制器这种本来完全依靠传统结构来实现的常用模块，在其长长的发展历程中，许多新的功能被添加到其内部结构中，已经不在是传统意义上仅仅能够实现水位粗略检测等基本功能。在最近几十年时间内，传感器、微处理器以及新型半导体的出现使得水位检测与控制器的概念得到了重新的定义，水位高清晰度识别检测、历史数据分析以及控制算法快速确立等功能不断地被融入到
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水位检测与控制器系统中，颠覆了原先人们对于传统水位检测与控制器的想象，同时这些新功能的增加也使得它能够更好地为人们带来生活、工作以及生产上的便利，这是传统水位检测与控制器所无法企及的。由于人们对于新型水位检测与控制器的需求和要求与日俱增，近几年来水位检测与控制器的研究呈现了如火如荼的景象，控制系统中的关键部分当属内部的微处理器部分，在电子水位检测与控制器刚进入人们生活之时，微处理器还停留在8位数据处理能力的状态，因此那时候只能够实现一些简单功能的水位检测与控制器，仅仅能够实现水位大体的自动检测；而随着近些年32位微处理器的技术与日成熟，水位深度、超声波探测、激光探测等智能功能都能够在水位检测与控制器系统中得到实现，这种高技术的智能技术使得对于水位的控制更加完善。水位检测与控制器系统的发展与人类社会的经济发展也是息息相关的，在经济繁荣时人们对于日常生活也提出了更高的质量，人机友好、智能生活等概念深入人们的潜意识里，传统落后技术已经无法在满足人类对美好生活的追求，微处理器智能控制技术使得这一切都得以实现，智能水位检测与控制器在很大程度上迎合了人们对优质生活的审美观，本课题在对智能水位检测与控制器进行了大量的调研和对比后，考虑到目前市面上相关产品处于刚刚起步阶段，无论是在硬件还是软件上都存在这很多的不足之处，因此高智能的水位检测与控制器系统还不能够实现普及，因此本文将以大学期间所学的专业知识结合课外学习经验作为基础，选用高性价比器件，设计一款智能水位检测与控制器，突破目前市面上相关产品所存在的普遍弊端，降低水位检测与控制器的总体设计成本，正确取代市场上相当大一部分水位检测与控制器产品。
（二）国内外研究现状
根据前不久的一份行业前景研究报告显示，目前水位检测与控制器已经渗透到了人们生产生活的各个角落，各种不同智能程度的水位检测与控制器影响着人们的日常生活以及工业生产，对于水位检测与控制器的研究和开发现状，国内外都已经达到了一个很高的境地，然而国外由于对智能水位检测与控制器系统的研发起始时间更早，因此在智能方面，国外做的更加突出，国内外目前都能够实现微秒级的水位自动稳定性能，水位高度在受到干扰后通过高性能的水泵、微处理器以及排水阀进行多方修复，在成本以及系统稳定度上，要想追赶上国外，国内研究者还有很长一段路需要走。
（三）主要研究内容
本课题在经过对当前市面上相关产品的大量调研后，结合自身的专业知识掌握程度，最终确立了如下的设计研究内容：
1.使用STC89C51单片机作为主控芯片，结合其他模块构建一个51单片机最小系统，实现一款能够实现水箱水位快速检测以及控制功能的水位检测与控制器系统；
2.系统采用直流正5V电压进行供电，具有较低的功率消耗；
3.通过水位传感器的工作，实现对水位高低的快速检测，检测数据以模拟电压信号进行输出；
4.通过模数转换器芯片的工作，实现对水位传感器输出的模拟电压信号进行采集，并将其转换为数字信号送入单片机进行处理，以此获得实时的水位数据；
5.通过继电器实现对水泵的启闭，实现为水箱注水；
6.配置蜂鸣器电路，实现水位过低时进行报警；
7.配置液晶屏电路，实现水位高低的精确数据显示。
一、系统的组成
硬件结构框图的设计主要是对水位检测与控制器系统的硬件结构中各模块的连接关系以及信号传递方式通过图片方式进行简要描述，笔者使用了Visio软件绘制了如下图所示的水位检测与控制器结构框图，下面对框图中的各模块进行简要介绍。
按照从“控”到“被控”的传递关系进行介绍，框图中的主控器件为51单片机芯片，该芯片以每单位时间处理8位二进制数据的处理能力对其周围的各模块进行检测、驱动以及接收外部信号，其完成正常工作的前提是时钟电路以及复位电路能够向其提供时钟信号和复位信号；水位传感器用于实现对水箱水位的实时快速检测，并通过输出模拟电压信号来表示水位大小；A/D模块采用ADC0832模数转换器，用于实现将水位传感输出的模拟电压信号转换为数字信号并送入单片机；报警器模块采用蜂鸣器，用于实现当水位过低时进行报警；继电器模块用于在单片机的控制下实现对水泵的启闭，从而实现对水箱的注水；显示模块使用了LCD1602液晶屏进行系统参数的显示，提升控制系统的性能。
图1 系统框图
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