基于單片機的水庫水位報警系統(tǒng)設計

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2015 屆本科生畢業(yè)論文（設計）本科生畢業(yè)論文（設計）題目：基于單片機水庫水位報警系統(tǒng) 學 院 電子信息工程學院 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 學 號 1108441069 姓 名 指導教師 助教 2015 屆本科生畢業(yè)論文（設計）I摘 要隨著世界與中國科技的日益發(fā)展進步，單片機技術和自動化早已經被廣泛應用在工作、科學研究等重要領域內，目前也擴展普及到我們的日常生活的各個領域中，扮演著十分重要的角色，為人們的生產生活帶來了許多方便。大到可用于水庫、湖泊、池塘水位的檢測，小的可以用于魚缸、鍋爐水位的檢測。水庫水位的檢測也可以用自動化來實現（本設計要實現的操作）。目前我國的監(jiān)測儀器已具有了一定的研究能力、開發(fā)力和生產力，但是我國的傳感和檢測儀器從技術、工藝、行業(yè)生產水平和專業(yè)化等方面來看，于發(fā)達國家相比還存在一定的差距，本設計從分析水庫水位（用簡易水杯模擬水庫）報警器的原理和設計方法入手，主要基于單片機 STC89C52 的硬件電路和實現電機自動運行為基礎，可以自動顯示水庫水位以及防護水位的過高所造成的危險?？刂葡到y(tǒng)由模數轉換系統(tǒng)的 A/D 轉換部分、單片機控制部分、數碼顯示部分、和光電報警部分構成。該電路采用簡單而靈敏的監(jiān)測報警電路，操作簡單方便，接通電源即可工作。該系統(tǒng)設計新穎、簡易，靈敏度高，工作穩(wěn)定，能夠自動檢測與顯示當前水位、高低水位報警等功能。關鍵詞： STC89C52 單片機；模數轉換器；數碼顯示管合肥師范學院 2015 屆本科生畢業(yè)論文（設計）IIAbstractWith the development of science and technology progress, MCU technology and automation has been widely used in scientific research, work, and other important areas, plays a very important role. Deep into the various fields, for the production and living of people brought a lot of convenience. the monitoring instrument in our country have a certain research, development, and productivity, but won the testing instrument from technology and technology in our country, from the level of industry production specialization, and other aspects, domestic water level monitoring instrument are mainly float type water level gauge, pressure sensor level meter,This design from the analysis of reservoir water level alarm (tank was used to simulate reservoir), the principle and design method of main hardware circuit and the implementation based on micro control machine STC89C52 motor run automatically as the foundation. Control system consists of A/D conversion part of the modulus conversion system, single-chip microcomputer control, digital display part, and photoelectric alarm. The circuit is simple and sensitive monitoring alarm circuit, the operation is simple, it starts working just by turning on the power supply. The system design is novel, simple, high sensitivity, stable work, can automatically detect and display the current level, high and low water level alarm, and other functions.KEY WORD：MCU-89C52 ，A/D conversion ,Digital display tube合肥師范學院 2015 屆本科生畢業(yè)論文（設計）III目 錄摘要 .IAbstract.II目錄III1 緒論 11.1 課題研究的背景 11.2 發(fā)展現狀和趨勢 11.3 課題內容與意義 22 水庫水位報警系統(tǒng)的系統(tǒng)概述22.1 該系統(tǒng)的工作原理 .22.2 系統(tǒng)結構圖 32.3 控制方案說明 42.4 系統(tǒng)組成與原理 42.5 本章小結 .43 硬件電路設計 53.1 設計背景 53.2 電路設計 53.2.1 探測電路 .53.2.2 電源開關的設計 73.2.3 時鐘復位電路設計 73.2.4 光電報警電路 83.2.5 顯示數碼管與功能 93.2.6 繼電器電路 .103.2.7 蜂鳴器電路 .103.3 本章小結 114 程序設計124.1 程序設計流程圖 124.2 水位判斷函數 134.3 顯示函數 134.4 本章小結 14合肥師范學院 2015 屆本科生畢業(yè)論文（設計）IV5 系統(tǒng)仿真與硬件調試 .155.1 調試軟件介紹 155.1.1 程序編輯軟件 155.1.2 仿真軟件 155.2 調試與運行 155.3 系統(tǒng)仿真 165.4 硬件調試 185.5 系統(tǒng)仿真與硬件調試結果分析 21結論 .22參考文獻 .23附錄 A 電路原理圖 .1附錄 B PCB 圖.1附錄 C 系統(tǒng)源程序 .12015 屆本科生畢業(yè)論文（設計）11 緒論1.1 課題研究的背景我國地大物博，水資源豐富，但對于水利資源的利用層面仍然有很多的缺陷。水庫是國家的重要資產，也于人們的生活息息相關，在水的管理方面具有著舉足輕重的作用, 我國各地仍有水災頻頻發(fā)生的現象，因此監(jiān)測湖泊、江河與水庫等的水位及這些區(qū)域的降雨量成為不可忽視的工作。這種監(jiān)測不但可以為及時預防水災、決策防汛提供可靠的數據和資料，同時還能夠為防洪搶險救災和保護人民生命財產安全發(fā)揮不可忽視的作用。水庫水位監(jiān)測以及報警系統(tǒng)是保證人們基本生活條件中不可或缺的部分，能夠為用戶提供充足的用水、保證日常生活、生產的需要。但是長期以來人們使用傳統(tǒng)人工控制方式管理水庫，這種管理方式存在著許多缺點，如：水資源的浪費、不能及時供水、影響生產效率等。隨著應用技術的不斷提高、計算機科學逐漸走向成熟，作為計算機應用的一部分，使用計算機對水資源進行管理有著老式手工管理所無法比擬的優(yōu)點。例如：節(jié)約水資源、及時、可靠性強、效率高、成本低等，這些優(yōu)點能夠極大地提高管理的效率。目前，我國水資源已經緊缺，高效率節(jié)約用水已成為程序設計制作的焦點，既要求蓄水池的水位保持一定高度，還要防止溢水。老式遠地觀測深水池水位裝置，如浮球彈簧管開關、水漂式上下水位控制開關、，只能控制一路水泵的控制器，這些均有接觸不良且不易控制多級水位和遠地觀測水位等缺點，而且不同程度存在如下兩個問題：一是通用性不夠強，僅適用于某單位，若作他用則另需修改；二則是功能不夠齊全，無法準確應用。1.2 發(fā)展現狀和趨勢早先，國內許多水文站監(jiān)測水位和降雨量仍采用人工方法。該方法不但存在測量時人身安全問題，而且還存在數據測量難以準確、監(jiān)測實時性不強以及不能及時反饋等問題，這些都會嚴重影響正常的工作效力。而正常的水位監(jiān)測合肥師范學院 2015 屆本科生畢業(yè)論文（設計）2需要對水位進行自動顯示、監(jiān)測和報警。傳統(tǒng)的水位檢測系統(tǒng)一般是通過有線方式與監(jiān)控中心取得接合，這種傳輸方式不但難以保護，而且在很大水平上限制了其在時空上的拓展性。近年來現場水位位監(jiān)測技術在國際上一些發(fā)達國家已經開始發(fā)展，如美國、日本等國家相繼研究出自動監(jiān)測設備。而且發(fā)達國家均具有較為先進產品，并已走進國際市場，而目前我國關于水位監(jiān)測技術的國情突出表現在：儀器設備昂貴、操作步驟復雜、質控程序繁瑣等方面。我們應采取有效措施揚長補短，將國外的先進技術引入國內，消化吸收建立即適合我國國情又和國際接軌的監(jiān)測方法。 1.3 課題內容與意義水況水位測量一直是水利部門的重要課題。為及時發(fā)現事故苗頭，防患于未然，經濟實用、可靠的水位監(jiān)測系統(tǒng)在此將發(fā)揮重要的作用。本設計基于單片機的水庫水位（用簡易水杯模擬水庫）監(jiān)測器主要由硬件與軟件兩部分組成。硬件是基于 AT89C52 芯片為核心的水位監(jiān)測，采用 AT89C52 單片機進行控制及數據處理。軟件設計中采用模塊化程序設計思想將軟件主要分為數據處理模塊和功能模塊兩大模塊，設計出了能精確測量水庫水位檢測器。此系統(tǒng)具有易控制、工作可靠、測量精度高的優(yōu)點，可實時監(jiān)測水位。本設計從分析水庫水位報警器的原理和設計方法入手，主要基于單片機的硬件電路和實現電機自動運行為基礎，可以自動防護水位的過高過低?？刂葡到y(tǒng)由模數轉換系統(tǒng)的 A/D 轉換部分、單片機控制部分、數碼顯示部分、和光電報警部分構成。因為大部分電路采用數字電路，所以本水位監(jiān)測報警器還具有耗能低、準確性高的特點。該系統(tǒng)設計新穎、簡易，靈敏度高，工作穩(wěn)定，能夠自動檢測與顯示當前水位、高低水位報警等功能。2 水庫水位報警系統(tǒng)的系統(tǒng)概述2.1 該系統(tǒng)的工作原理合肥師范學院 2015 屆本科生畢業(yè)論文（設計）3本水位監(jiān)測報警器使用 5V 低壓直流電源就可以對 210 厘米的水位進行監(jiān)測，用 LED 顯示和數碼管顯示水位，并可以對高于此范圍內的水位發(fā)出報警.Y1，Y2，Y3，Y4，COM 都安裝好，COM 是高電平，當水位在 Y1 位置，Y1 通過水和 COM 接通得到高電平，驅動三極管導通，使 P20 拉低，單片機讀取這個信號，驅動黃燈亮，同時驅動繼電器使其閉合。當水位達到 Y2 位置，Y2 通過水和 COM 接通得到高電平，驅動三極管導通，使 P23 拉低，單片機讀取這個信號，驅動綠燈亮，同時保持繼電器閉合，當水位達到 Y3 位置，Y3 通過水和COM 接通得到高電平，驅動三極管導通，使 P26 拉低，單片機讀取這個信號，驅動綠燈亮，同時保持繼電器閉合，當水位達到 Y4 位置，Y4 通過水和 COM 接通得到高電平，驅動三極管導通，使 P27 拉低，單片機讀取這個信號，驅動紅燈亮，同時使電繼電器斷開，并驅動蜂鳴器。反過來，當水位降到 Y3 位置，Y3 通過水和 COM 接通得到高電平，驅動三極管導通，使 P26 拉低，單片機讀取這個信號，驅動綠燈亮，同時保持繼電器斷開，當水位降到 Y2 位置，Y2 通過水和 COM 接通得到高電平，驅動三極管導通，使 P23 拉低，單片機讀取這個信號，驅動綠燈亮，同時保持繼電器斷開， 當水位降到 Y1 位置，Y1 通過水和COM 接通得到高電平，驅動三極管導通，使 P20 拉低，單片機讀取這個信號，驅動綠紅亮，同時驅動繼電器使其閉合。2.2 系統(tǒng)結構圖采用單片機 AT89C52 作為本設計的控制芯片，主要工作過程是當水庫中的水在低水位時，水位探測傳感器送給單片機一個高電平，驅動三極管導通，單片機讀取這個信號，驅動黃燈燈亮；手動加水，當水位在正常范圍內時，單片機驅動綠燈燈亮；繼續(xù)加水，當水位在高水位時,單片機驅動紅燈燈亮。如圖2-1 為系統(tǒng)結構圖。合肥師范學院 2015 屆本科生畢業(yè)論文（設計）4A T 8 9 C 5 2 芯片水位 1 0 c m紅燈燈亮水位 = 2綠燈燈亮水位 10cm紅 燈 燈 亮 水 位 2綠 燈 燈 亮 水 位 2黃 燈 燈 亮圖4-2 水位判斷中斷子函數流程圖4.3 顯示函數顯示屏的主要功能是直觀顯示當前水位的高度，以便我們能過及時了解當前系統(tǒng)的工作狀態(tài)。其主要用到的接口是 P0和部分 P2，首先對接收口進行賦值然后分位顯示各個數值。其中斷子函數程序如圖4-3 所示：合肥師范學院 2015 屆本科生畢業(yè)論文（設計）15中斷子函數入口端口復位對百位進行賦值端口復位對十位進行賦值端口復位對個位進行賦值圖 4-3 顯示中斷子函數流程圖根據這些流程圖編寫出的最終源程序見附錄 C4.4 本章小結本章主要闡明了水庫（簡易模擬水杯）水位報警系統(tǒng)的軟件設計流程，通過將軟件程序錄入單片機內部的方式來實現對水庫（簡易模擬水杯）水位的報警系統(tǒng)。在程序的編寫過程中，需要通過與電路原理圖以及仿真程序不斷的調試已達到正確應用的過程，這個過程非常繁瑣，需要同學與老師的幫助與指導以達到預期的目的。合肥師范學院 2015 屆本科生畢業(yè)論文（設計）165 系統(tǒng)仿真與硬件調試5.1 調試軟件介紹軟件的仿真是為了為后面的實物制作做下鋪墊，是為了我們能更清楚的了結所做設計的性能與成功性。5.1.1 程序編輯軟件在本設計中我使用了在我們教學過程中所使用的 KEIL 軟件進行編程，根據設計的需要，在查閱資料和咨詢老師的情況下用 C 語言編寫能夠實現水庫水位報警系統(tǒng)的程序，加入 KEIL 的文件庫工程，實現正確的軟件編寫。軟件編輯的過程中可能會產生或多或少的錯誤，要不斷的調試以及糾錯，實現最終的 0錯誤。5.1.2 仿真軟件Proteus 是本設計用來實現電路分析實物的仿真軟件，它可用于仿真實驗電路，并支持含有單片機的電路運行，其中包含的元件庫豐富，使用簡單方便，在仿真軟件 Proteus 中可及時發(fā)現電路的錯誤以及需要改進的地方并及時改進，這樣的做法大大減少了操作實物電路過程中所產生的錯誤幾率，大大增加了設計的效率，有利于節(jié)約資源和成本。該軟件的特點如下：1. 能夠滿足我們提出的用來實現單片機軟件仿真系統(tǒng)的各種要求，具有不可多得的優(yōu)勢與便利。2. 它具有模擬電路仿真、單片機、數字電路仿真及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、RS 一 232 動態(tài)仿真、SPI 調試器、鍵盤和 LCD 系統(tǒng)仿真的功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器等。5.2 調試與運行1. 首先啟動 KEIL C51 軟件的集成開發(fā)環(huán)境合肥師范學院 2015 屆本科生畢業(yè)論文（設計）172. 建立工程文件。首先單片機應用系統(tǒng)軟件包含多個源程序文件，KEIL C51 使用實現建立好的工程，將這些參數設置和所需的所有文件都加在一個工程中。之前，需要建立一個工程文件，并為這個工程選擇 CPU，確定編譯，匯編，連接的參數，指定調試的方式。3. 建立和添加源文件。使用菜單或者單擊工具欄的新建文件按鈕，出現文本便捷窗口，在該窗口中輸入新編制的源程序并保存該文件。首先編寫程序，然后仿真直到 0 錯誤，0 警告，最后生成 hex 文件以備后用。5.3 系統(tǒng)仿真點全速運行按鍵，分別可以得到水位在不同狀態(tài)的仿真結果：1. 當處于低水位狀態(tài)時，經過檢測，這時經過 ADC0808 的轉換送到單片機 89C52，經過單片機的轉換與處理，送出信號驅動黃燈等亮并且蜂鳴器無響聲。其圖入下圖 5-1 所示：MOT SPKSPKMOTXTAL218XTAL119ALE301PSN29RST9P0./AD039.1/18P0.2/AD237.3/36P0.4/AD435.5/54P0.6/AD63.7/72P1.0/T21./EX2P1.23.34P1.45.56P1.67.78P3.0/RXD10.1/TP3.2/IN012./IT13P3.4/014P3.7/RD17.6/W6.5/T15P2.7/A1528P2.0/A821.1/9P2./A023.3/14P2.4/A225.5/136.6/47U1AT89C52RL1G6B-14P-US-5D1N407R11kX1CRYSTALC130PC230P SW1SW-SPT-MO2SW-SPT-MO3SW-SPT-MO4SW-SPT-MOQ1PN Q2PNR210k BUZ1BUZERD2LED-BIY3LED-BIY4LED-BIYR310R410R510手 動 加 水手 動 停 止返 回水 位 1水 位 2水 位 3水 位 4圖 5-1 低水位仿真結果2. 當處于正常水位狀態(tài)時，經過檢測再經過 ADC0808 的轉換送到合肥師范學院 2015 屆本科生畢業(yè)論文（設計）18AT89C52，經過單片機的轉換和處理，送出信號驅動綠燈亮并且無響聲。其圖如下圖所示：MOT SPKSPKMOTXTAL218XTAL119ALE301PSN29RST9P0./AD039.1/18P0.2/AD237.3/36P0.4/AD435.5/54P0.6/AD63.7/72P1.0/T21./EX2P1.23.34P1.45.56P1.67.78P3.0/RXD10.1/TP3.2/IN012./IT13P3.4/014P3.7/RD17.6/W6.5/T15P2.7/A1528P2.0/A821.1/9P2./A023.3/14P2.4/A225.5/136.6/47U1AT89C52RL1G6B-14P-US-5D1N407R11kX1CRYSTALC130PC230P SW1SW-SPT-MO2SW-SPT-MO3SW-SPT-MO4SW-SPT-MOQ1PN Q2PNR210k BUZ1BUZERD2LED-BIY3LED-BIY4LED-BIYR310R410R510手 動 加 水手 動 停 止返 回水 位 1水 位 2水 位 3水 位 4圖 5-2 正常水位仿真結果3. 當處于高水位狀態(tài)時，經過再經過 ADC0808 的轉換送到 AT89C52，經過單片機轉換與處理，送出信號驅動紅燈亮和蜂鳴器發(fā)出斷續(xù)的高音的響聲。其圖入下圖 5-5 所示：合肥師范學院 2015 屆本科生畢業(yè)論文（設計）19MOT SPKSPKMOTXTAL218XTAL119ALE301PSN29RST9P0./AD039.1/18P0.2/AD237.3/36P0.4/AD435.5/54P0.6/AD63.7/72P1.0/T21./EX2P1.23.34P1.45.56P1.67.78P3.0/RXD10.1/TP3.2/IN012./IT13P3.4/014P3.7/RD17.6/W6.5/T15P2.7/A1528P2.0/A821.1/9P2./A023.3/14P2.4/A225.5/136.6/47U1AT89C52RL1G6B-14P-US-5D1N407R11kX1CRYSTALC130PC230P SW1SW-SPT-MO2SW-SPT-MO3SW-SPT-MO4SW-SPT-MOQ1PN Q2PNR210k BUZ1BUZERD2LED-BIY3LED-BIY4LED-BIYR310R410R510手 動 加 水手 動 停 止返 回水 位 1水 位 2水 位 3水 位 4圖 5-3 高水位仿真結果5.4 硬件調試根據系統(tǒng)原理圖與 PCB 所設計的實物需要經過實際的操作驗證是否滿足設計的正常需求，本設計的調試結果如下所示。當手動加水到低水位時，數碼 LED 顯示燈顯示數字為 1，此時表示低水位，并且黃燈燈亮。如圖 5-4 所示。繼續(xù)加水到正常水位是，數碼 LED 顯示燈顯示數字為 12,3 此時表示正常水位，并且綠燈燈亮。如圖 5-5、5-6 所示。再次加水到高水位時，數碼 LED 顯示燈顯示數字為 4.此時表示高水位，并且紅燈燈亮，并且伴有蜂鳴器的聲音出現。如圖 5-7 所示。合肥師范學院 2015 屆本科生畢業(yè)論文（設計）20圖 5-4圖 5-5合肥師范學院 2015 屆本科生畢業(yè)論文（設計）21圖 5-6圖 5-7合肥師范學院 2015 屆本科生畢業(yè)論文（設計）225.5 系統(tǒng)仿真與硬件調試結果分析在 PROTEUS 環(huán)境,運行水庫水位控制系統(tǒng),不難發(fā)現，當水位處于低水位區(qū)時,揚聲器不發(fā)聲且黃燈燈亮,人為手動開始加水,隨著水位的不斷上升當水位到達高位時,揚聲器發(fā)出斷續(xù)的高音且紅燈燈亮。隨著用戶使用,水位不斷下降,當達到低水位時，黃燈燈亮。（本設計可以實現但是實際操作中未實現）綜上所述，本設計達到了預期的設計目標，實現了水位自動控制。合肥師范學院 2015 屆本科生畢業(yè)論文（設計）23結 論通過本次畢業(yè)設計水庫水位水位控制系統(tǒng)的設計，使我從中學到許多知識。在做畢業(yè)設計的這段時間里，通過上網、在校圖書館查找資料，整理資料，我認真努力的完成了畢業(yè)設計。在本系統(tǒng)中出現的優(yōu)缺點歸納為以下幾點：1本系統(tǒng)具有及時、可靠性強、效率高、壽命長、成本低等優(yōu)點。2出現故障時，本系統(tǒng)維護簡單。3本系統(tǒng)中的顯示部分只是為維護或工作人員設計。在本次的設計過程中，從當初選題時的迷茫、不知所措，到后來逐漸的從點滴做起、慢慢學習、慢慢咨詢的過程中我學到了不少知識和寶貴的經驗，以前看起來的單門學科的知識，到了現在都能夠基本的運用并結合起來，在本設計中所運用的知識不僅都是平時所學習的內容，也是在日常生活中我們所需要的，這次的設計并不是一次普通的設計，而是大學四年來所學知識的綜合，是第一次知識的運用，但也可能是最后一次的運用，大學馬上就要畢業(yè)了，在這次畢業(yè)設計的過程中，我仍然有許多的困惑和不動的地方，在知識儲備的過程中有很多不足的地方，當我會努力的改進，不斷的學習爭取進步，爭取能夠準確合理的應用自己所學的知識。在此次設計的過程中，也感謝尹靜老師和王老師的指導，感謝同學們的幫助，希望大家在以后的工作和學習中會越來越好。合肥師范學院 2015 屆本科生畢業(yè)論文（設計）24參 考 文 獻1 王靜霞.單片機應用技術.電子工業(yè)出版社，20092 何立民.單片機高等教程.北京航空航天大學出版社，2000 3 雄建云.Protel99se EDA 技術及應用.北京機械工業(yè)出版社，20074 華永平.陳松編著.電子線路課程設計.東南大學出版社，20015 林春方.電子線路學習指導與實訓.北京電子工業(yè)出版社，20046 李珍主編.單片機原理與應用實例.西安電子科技大學出版社，20087 張存禮.韓愛娟主編.電子技術綜合實訓.北京師范大學出版社，20008 鄭應光.模擬電子線路（一）.東南大學出版社.，2005 年 3 月9 李秀忠.單片機應用技術.人民郵電出版社，2007 年 1 月10 金茂中.C 語言程序設計高級教程.北京航空航天大學出版社2002 年 3月合肥師范學院 2015 屆本科生畢業(yè)論文（設計）25