基于單片機(jī)的液位控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　二十一世紀(jì)是高科技時(shí)代，科技正在發(fā)展，一些傳統(tǒng)的測控方式也會(huì)隨著科技的發(fā)展而改革更新?，F(xiàn)代的工業(yè)、農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)中不僅要求液位控制系統(tǒng)更精準(zhǔn)，更穩(wěn)定，還要求其更新自動(dòng)化程度快和性價(jià)比高。基于單片機(jī)的液位控制系統(tǒng)具有測量精準(zhǔn)度高、性能穩(wěn)定可靠、能量消耗低而使用壽命較長的特點(diǎn)，將科學(xué)與液位測量相結(jié)合，而達(dá)到合理調(diào)配資源，降低能源消耗的目

2、的。</p><p>　　超聲波能在不同媒質(zhì)中傳播，且方向性強(qiáng)，傳播距離遠(yuǎn)，消耗能量緩慢，碰到障礙物會(huì)產(chǎn)生反射，形成反射回波。所以超聲波常常被用于測量距離。本設(shè)計(jì)采用超聲波模塊測量液面的高度，并把數(shù)據(jù)傳送給AT89C51單片機(jī)。單片機(jī)處理數(shù)據(jù)信息后判斷是否開啟水泵抽水來實(shí)現(xiàn)水位的基本控制功能。本系統(tǒng)由LCD1602顯示器、鍵盤、傳感器、電源和水泵組成。</p><p>　　關(guān)鍵詞：單片機(jī)；

3、超聲波；LCD1602；傳感器 </p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　21st century is the era of high technology, technology is being developed, some of the traditional measures will be updated with th

4、e development and reform of science and technology. Modern industry and agriculture requires not only a more intuition and stable performance, but also fast update automation and high cost-effective with the cost in redu

5、cing production equipment requirements. Liquid level control system based on microcontroller with its high control accuracy, reliable performance, lo</p><p>　　Ultrasonic propagation in different media, and s

6、trong direction, transmission distance, slow energy, obstacles will produce reflection to form echo. Ultrasound is often used to measure distance. This design uses ultrasonic to measure the height of liquid level, then s

7、ent the data to AT89C51 microcontroller. Microcontroller determines whether to open the pump after processing the data from ultrasonic wave distance measurement module to achieve the basic level control. The system consi

8、sts of LCD16</p><p>　　Keywords: AT89C51 Ultrasonic wave LCD1602 sensor</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1選題的背景和意義1&l

9、t;/p><p>　　1.2國內(nèi)外發(fā)展形勢1</p><p>　　1.3本系統(tǒng)主要完成的任務(wù)2</p><p>　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3</p><p>　　2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)3</p><p>　　2.2 AT89C51單片機(jī)模塊3</p><p>　　2.3 超聲波測距模塊5<

10、/p><p>　　2.3.1超聲波簡介5</p><p>　　2.3.2 HC-SR04超聲波傳感器6</p><p>　　2.3.3 HC-SR04超聲波傳感器測距原理7</p><p>　　2.3.4 HC-SRO4超聲波模塊電路圖8</p><p>　　2.4 LCD1602顯示模塊8</p>

11、<p>　　2.4.1 LCD1602顯示器介紹8</p><p>　　2.4.2 1602LCD指令說明及其時(shí)序10</p><p>　　2.5 電源模塊11</p><p>　　2.6 按鍵模塊11</p><p>　　2.7 報(bào)警模塊12</p><p>　　2.8 抽水系統(tǒng)模塊13<

12、;/p><p>　　2.9 整體電路圖13</p><p>　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)17</p><p>　　3.1 系統(tǒng)工作原理17</p><p>　　3.2 主程序流程圖17</p><p>　　3.3 超聲波測距模塊設(shè)計(jì)18</p><p>　　3.3 按鍵模塊設(shè)計(jì)20</p&

13、gt;<p>　　3.4報(bào)警模塊設(shè)計(jì)20</p><p>　　4 軟件制作與調(diào)試22</p><p>　　4.1 軟件制作22</p><p>　　4.2 軟件調(diào)試22</p><p>　　5 硬件制作與調(diào)試24</p><p>　　5.1 硬件制作24</p><p>

14、;　　5.2 硬件調(diào)試24</p><p><b>　　總結(jié)28</b></p><p><b>　　致謝29</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)30</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p><p

15、>　　1.1選題的背景和意義</p><p>　　二十一世紀(jì)是高科技時(shí)代，科技正在發(fā)展，一些傳統(tǒng)的測控方式也會(huì)隨著科技的發(fā)展而改革更新。在我們的工業(yè)、農(nóng)業(yè)、副食品業(yè)等許多行業(yè)里，常常會(huì)碰到液位或者是液體流量的控制問題。比如，化工廠化工液體的使用，飲料及食品加工、自來水廠蓄水等許多行業(yè)的生產(chǎn)或者加工的中，蓄液池是一必不可少的工具。蓄液池中儲(chǔ)蓄液體的液面通常都需要保持到一定的高度，既不能超過上限高度，也不能低于

16、下限高度，否則，原液過多而造成的浪費(fèi)或者原液太少而無法達(dá)到要求。因此，控制液面的高度對工業(yè)控制來說很重要。特別是在液體動(dòng)態(tài)工作的狀態(tài)下又要保證液面高度保持在一定的范圍內(nèi)，此時(shí)采用科技成果來對液位進(jìn)行檢測和控制，能夠達(dá)到事半功倍的效果。</p><p>　　隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展與進(jìn)步，液位控制系統(tǒng)成為現(xiàn)代生產(chǎn)生活中必不可少的科技輔助器件，對液位的實(shí)時(shí)測量和控制效果直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量，而且也關(guān)系到生產(chǎn)的安全。以前，是

17、由人工來對液位進(jìn)行相關(guān)的監(jiān)測與控制，在這樣的人工操控方式下，精確度得不到保證，而且有一定的隱患。比如化工廠硫酸液位的控制，操作員操控的誤差如果比較大，或者操作員所持的監(jiān)控儀器有小部件掉落或損壞，可能會(huì)造成化學(xué)反應(yīng)的失敗，給工廠帶來一定的損失，更給生產(chǎn)人員的人身安全帶來了相當(dāng)大的潛在威脅。因此，精確的液位自動(dòng)控制真的很重要。</p><p>　　1.2國內(nèi)外發(fā)展形勢</p><p>　　使用

18、單片機(jī)為控制核心的測控裝置性能好而價(jià)格低廉，所以許多國家包括我國在測控裝置的研究與生產(chǎn)中，采取單片機(jī)來作為控制核心，研制出了許多優(yōu)秀的測控系統(tǒng)，發(fā)表了很多學(xué)術(shù)文章。</p><p>　　隨著技術(shù)的不斷更新進(jìn)步，在單片機(jī)測控裝置方面不斷出現(xiàn)了新型的測量方法，這些方法種類繁多，形成了一個(gè)大規(guī)模的復(fù)雜系統(tǒng)。從上世紀(jì)七十年代開始，很多國家把現(xiàn)代控制理論和優(yōu)化與控制相結(jié)合，其目的就是優(yōu)化這些復(fù)雜的系統(tǒng)，使其變得更容易控制，

19、進(jìn)而發(fā)展成了如今的大系統(tǒng)理論。</p><p>　　液位測量的方法在測量方式上可分為接觸式與非接觸式兩種類型。</p><p><b>　?。?）接觸式測量法</b></p><p>　　用傳感器與容器內(nèi)被測液體直接相接觸，從而獲得測量數(shù)據(jù)的方法叫接觸式測量法。</p><p>　　接觸式測量法通常使用電容作為傳感器。電

20、容器的介電常數(shù)會(huì)隨著液位的改變而發(fā)生有規(guī)律的改變，所以其電容量也會(huì)發(fā)生規(guī)律性的改變。由此可以把實(shí)時(shí)電容量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓、頻率等物理量來進(jìn)行測量。</p><p>　?。?）非接觸式測量法</p><p>　　利用聲波、光線、電場、磁場等不直接與被測液體相接觸，從而獲得測量數(shù)據(jù)的方法叫做非接觸式測量法。</p><p>　　非接觸式測量法通常使用超聲波、光線、電場、

21、磁場等作為測量的工具。其特點(diǎn)是不像浮子之類的與被測介質(zhì)直接相接觸。這些無形的物質(zhì)既不受被測介質(zhì)影響，也不影響被測介質(zhì)。該方法適用范圍非常廣泛，特別是在強(qiáng)腐蝕性、強(qiáng)污染性或者粘度高等介質(zhì)中，非接觸式測量法的優(yōu)勢更為突出。</p><p>　　1.3本系統(tǒng)主要完成的任務(wù)</p><p>　　（1）進(jìn)行液位監(jiān)測與控制的整體研究與設(shè)計(jì)。</p><p>　?。?）利用超聲波

22、傳感器測量液面高度。</p><p>　?。?）通過采集液面高度的數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確的判斷當(dāng)前值是否在設(shè)定范圍之間，如果大于設(shè)定最大值，則水泵開始工作，直到液面高度值達(dá)到最大值時(shí)，水泵停止工作。如果液面高度值小于最小值時(shí)，則蜂鳴器報(bào)警。</p><p>　?。?）利用LCD1602顯示器對當(dāng)前液位值進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。</p><p><b>　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)<

23、;/b></p><p>　　2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) </p><p>　　本設(shè)計(jì)用到的元件有：51單片機(jī)、電解電容、瓷片電容、發(fā)光二極管、電源接頭、開關(guān)、蜂鳴器、LCD1602顯示器、超聲波模塊、下載器、三極管、電阻、按鍵、晶振以及水泵。整個(gè)系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計(jì)，總體系統(tǒng)由單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、超聲波模塊、鍵盤設(shè)定模塊、1602顯示模塊、報(bào)警模塊組成。硬件結(jié)構(gòu)由傳感器和單片機(jī)、蜂鳴器，

24、LED燈，顯示器及抽水裝置組成。</p><p>　　該設(shè)計(jì)的整體系統(tǒng)框圖如圖2-1所示</p><p>　　圖2-1 整體系統(tǒng)框圖</p><p>　　2.2 AT89C51單片機(jī)模塊</p><p>　　美國愛特梅爾（ATMEL）公司生產(chǎn)的AT89C51是一種高性能CMOS 8位微處理器。它的啟動(dòng)工作電壓低，且自帶4K字節(jié)FLASH存儲(chǔ)器

25、，可擦除只讀存儲(chǔ)器（ROM）反復(fù)擦除次數(shù)能達(dá)到一千次以上。該微處理器也被稱為51單片機(jī)。AT89C51單片機(jī)采用了ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，具有很強(qiáng)的兼容性，不管是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集，還是輸出管腳，都能兼容。AT89C51單片機(jī)將多功能CMOS 8位處理器與4K字節(jié)的FLASH存儲(chǔ)器組合在了單個(gè)芯片中，而成為一種高效的微控制器，其靈活性高，價(jià)格便宜的特點(diǎn)被很多嵌入式控制系統(tǒng)選擇使用。</p>&l

26、t;p>　　AT89C51單片機(jī)的主要特性如下：</p><p>　　兼容性較好，能與MCS-51兼容</p><p>　　可編程閃速存儲(chǔ)器自帶4K字節(jié)</p><p>　　全靜態(tài)工作的頻率：0Hz-24MHz</p><p>　　可擦除ROM反復(fù)擦除次數(shù)可達(dá)到一千次以上</p><p>　　數(shù)據(jù)保留時(shí)間可達(dá)十年

27、</p><p><b>　　三級程序存儲(chǔ)器鎖定</b></p><p><b>　　內(nèi)部帶有6個(gè)中斷源</b></p><p>　　128×8位內(nèi)部隨機(jī)存取存儲(chǔ)器</p><p>　　32位可編程輸入/輸出端口線</p><p>　　內(nèi)部含有兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)

28、器</p><p><b>　　帶有可編程串行通道</b></p><p>　　低功耗閑置與掉電模式</p><p>　　內(nèi)部自帶振蕩器和時(shí)鐘電路</p><p>　　AT89C51芯片的引腳圖如圖2-2所示：</p><p>　　圖2-2 AT89C51的引腳圖</p><p

29、><b>　　引腳功能說明：</b></p><p>　　VCC：電源電壓（+5V）</p><p><b>　　GND：電源地</b></p><p>　　P0口：P0端口是一個(gè)8位雙向輸入/輸出端口。P0口的引腳寫入1時(shí)，代表高阻輸入。P0端能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)或地址的低八位可以用P0端來定義。P0口

30、在flash編程時(shí)，被作為原碼輸入口，當(dāng)flash進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0端必須接上拉電阻才可以作為原碼輸出。</p><p>　　P1口：P1端口是一個(gè)8位雙向輸入/輸出端口，端口內(nèi)部帶有上拉電阻。P1口引腳寫入1時(shí)，管腳被內(nèi)部上拉電阻上拉呈高電平，作為輸入使用，同時(shí)P1口被外部下拉呈低電平，輸出電流。 當(dāng)flash進(jìn)行編程和校驗(yàn)時(shí)，P1端口可作為低八位地址的接收。</p><p>　　P2口：

31、P2端口是一個(gè)8位雙向輸入/輸出端口，端口內(nèi)部帶有上拉電阻。P2口引腳寫入1時(shí)，管腳被內(nèi)部上拉電阻上拉呈高電平，作為輸入使用，同時(shí)P2口被外部下拉呈低電平，輸出電流。P2端口被用于外部程序存儲(chǔ)器或地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出地址的高八位。當(dāng)flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P2端口作為高八位地址信號和控制信號的接收。</p><p>　　P3口：P3端口是八個(gè)雙向輸入/輸出端口，端口內(nèi)部帶有上拉電阻。P3口引腳

32、寫入1時(shí)，管腳被內(nèi)部上拉電阻上拉電阻上垃呈高電平，作為輸入使用，同時(shí)，P3口被外部下拉呈低電平，輸出電流。P3端口也可作為AT89C51單片機(jī)的一些特殊功能口，如：串行輸入/輸出口、外部中斷、計(jì)時(shí)器外部輸入、外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀/寫選通、接收一些控制信號等。</p><p>　　RST：復(fù)位輸入。振蕩器工作時(shí)，該引腳會(huì)發(fā)出兩個(gè)機(jī)器周期的高電平信號使單片機(jī)復(fù)位。</p><p>　　ALE/PR

33、OG：訪問外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，接低電平，該端口用于鎖存地址的低8位字節(jié)，目的是隔離地位地址和數(shù)據(jù)。不訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，此引腳可作為內(nèi)部時(shí)鐘，輸出頻率為晶振振蕩頻率的1/6的正脈沖信號。接高電平時(shí)，該端口作為燒錄時(shí)鐘（編程脈沖）的輸入端。</p><p>　　PSEN：當(dāng)CPU從外部存儲(chǔ)器讀取指令時(shí)，該端口產(chǎn)生負(fù)脈沖，作為外部程序存儲(chǔ)器的選通信號，PSEN引腳低電平有效。</p><p>　　

34、EA/VPP：片內(nèi)/片外程序存儲(chǔ)器命令執(zhí)行切換。接高電平時(shí)，CPU執(zhí)行片內(nèi)程序存儲(chǔ)器指令。接低電平時(shí)，CPU執(zhí)行片外程序存儲(chǔ)器指令。</p><p>　　2.3 超聲波測距模塊</p><p>　　2.3.1超聲波簡介</p><p>　　振動(dòng)頻率高于20000Hz的聲波稱之為超聲波，而我們?nèi)祟惗淠苈牭降穆暡l率范圍是20～20000赫茲，所以我們是聽不到超聲波的

35、。</p><p><b>　　超聲波有以下特性：</b></p><p>　　超聲波可在氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)、熔融狀態(tài)等介質(zhì)中有效傳播。</p><p>　　超聲波會(huì)產(chǎn)生反射、干涉、疊加和共振現(xiàn)象。</p><p>　　超聲波可傳遞很強(qiáng)的能量。</p><p>　　超聲波在液體中傳播時(shí)可在液體臨界面

36、上產(chǎn)生沖擊和空化的現(xiàn)象。</p><p>　　超聲波能在不同媒質(zhì)中傳播，且方向性強(qiáng)，傳播距離遠(yuǎn)，能量集中。超聲波對液體、固體的穿透力強(qiáng)，特別是在不透明的固體中，穿透的深度可達(dá)幾十米。超聲波碰到障礙物會(huì)產(chǎn)生反射，形成反射回波，即使是微小的障礙物，也能發(fā)生反射，碰到運(yùn)動(dòng)中的物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。</p><p>　　超聲波是一種波長短，頻率高、衍射現(xiàn)象小，能夠成為射線而定向傳播的機(jī)械波，具有機(jī)

37、械波的通性。超聲波能夠用電壓激勵(lì)換能晶片，晶片發(fā)生振動(dòng)而產(chǎn)生。超聲波傳感器根據(jù)超聲波的物理特性研制而成。</p><p>　　超聲波時(shí)序圖如圖2-3所示</p><p>　　圖2-3 超聲波時(shí)序圖</p><p>　　由超聲波時(shí)序圖不難看出，提供大于10us的TTL脈沖觸發(fā)信號，超聲波模塊內(nèi)部將會(huì)連續(xù)發(fā)出8個(gè)頻率為40kHz周期的高電平信號并檢測回波。超聲波接收探頭

38、檢測到有回波信號后，模塊根據(jù)回響信號時(shí)間間隔可以計(jì)算得到距離。</p><p>　　2.3.2 HC-SR04超聲波傳感器</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用了HC-SR04超聲波測距模塊，該模塊由超聲波發(fā)射器（發(fā)射探頭）、接收器（接收探頭）與控制電路構(gòu)成，測距范圍是2cm-400cm，測量精度為±3mm。</p><p>　　HC-SR04超聲波傳感器有四個(gè)

39、引腳，依次是VCC、TRIG、ECHO、GND。在TRIG端口施加一個(gè)持續(xù)10us以上的高電平信號，芯片就會(huì)自動(dòng)發(fā)出八個(gè)頻率為40kHz的方波，然后檢測有沒有信號返回，如果有，則通過ECHO端口輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間為超聲波發(fā)射到接收到回波的時(shí)間。</p><p>　　HC-SR04芯片引腳圖如圖2-4所示。</p><p>　　圖2-4 HC-SR04引腳圖</p>

40、<p><b>　　引腳功能說明：</b></p><p>　?。?）VCC：電源電壓（+5V）</p><p>　　（2）Trig：觸發(fā)信號輸入</p><p>　?。?）Echo：回響信號輸出</p><p><b>　?。?）Gnd：接地</b></p><p

41、>　　HC-SR04超聲波芯片的電氣參數(shù)見表2-1 </p><p>　　表2-1 HC-SR04超聲波芯片電氣參數(shù)</p><p>　　2.3.3 HC-SR04超聲波傳感器測距原理</p><p>　　超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波，方向朝探頭指向方向。在發(fā)射后開始計(jì)時(shí)，延時(shí)可以設(shè)定為1us左右，目的是避免剛開始發(fā)射的超聲波干擾接收探頭。超聲波在空氣中按固定方向

42、傳播，途中碰到障礙物就會(huì)立即返彈回來，超聲波接收器接收到反彈的回波后，就停止計(jì)時(shí)。超聲波屬于機(jī)械波在空氣中的傳播速度和一般機(jī)械波相同，為340m/s.該模塊會(huì)記錄從發(fā)射到接收超聲波的過程所需的時(shí)間t，根據(jù)公式（2-1），計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物之間的距離s，即：</p><p>　　s=0.5×vt 公式（2-1）</p><p>　　式中s 一

43、發(fā)射點(diǎn)到障礙物之間的距離；</p><p>　　v 一 聲音在空氣中傳播的速度；</p><p>　　t 一計(jì)時(shí)器記錄超聲波發(fā)出到接收的時(shí)間。</p><p>　　超聲波液位測量示意圖如圖2-5所示。</p><p>　　圖2-5超聲波測量液位示意圖</p><p>　　2.3.4 HC-SRO4超聲波模塊電路圖<

44、;/p><p>　　該模塊的發(fā)射電路圖如圖2-6所示。</p><p>　　圖2-6 HC-SR04模塊發(fā)射電路圖</p><p>　　其接收電路圖如圖2-7所示。</p><p>　　圖2-7 HC-SR04接收電路圖</p><p>　　2.4 LCD1602顯示模塊</p><p>　　2.4

45、.1 LCD1602顯示器介紹</p><p>　　LCD1602顯示器屬于字符型LCD顯示器，格式為16×2行，能顯示2行每行為16字符的數(shù)字、字母或者符號。它是一種專門用于顯示字符的點(diǎn)陣式LCD，目前常用的LCD有16×1行、16×2行、20×2行、40×2行的模塊。其引腳圖如圖2-8所示。</p><p>　　圖2-8 LCD1602

46、引腳圖</p><p>　　引腳功能說明如表2-2</p><p>　　表2-2 LCD1602引腳功能表</p><p>　　LCD1602主要參數(shù)見表2-3</p><p>　　表2-3 LCD1602參數(shù)表</p><p>　　2.4.2 1602LCD指令說明及其時(shí)序</p><p>　

47、　1602液晶模塊內(nèi)部的控制器共有11條控制指令，詳見表2-4</p><p>　　表2-4 LCD1602指令說明表</p><p>　　讀寫操作時(shí)序圖分別見圖2-9與2-10</p><p>　　圖2-9 讀取操作時(shí)序圖</p><p>　　圖2-10 寫入操作時(shí)序圖</p><p><b>　　2.5

48、電源模塊</b></p><p>　　由于AT89C51單片機(jī)以及其他芯片均需要用直流電供電，所以本系統(tǒng)將直接采用直流電源供電，而避免了市電整流的麻煩，且直流電源供電具有能隨身攜帶的優(yōu)勢。電源模塊的電路圖如圖2-11所示。</p><p>　　圖2-11 電源模塊電路圖</p><p>　　PWR2.5為電源插座，可以插入2.5mm圓頭電源線。C1、C2

49、為濾波電容，使電源能夠平穩(wěn)供電。D1為發(fā)光二極管，其作用是做指示燈，當(dāng)電源模塊工作時(shí)，能直觀地讓人們知道系統(tǒng)電源工作正常。</p><p><b>　　2.6 按鍵模塊</b></p><p>　　按鍵的作用是設(shè)置液位的安全范圍，采用了3個(gè)按鍵開關(guān)連接到AT89C51單片機(jī)的P1口。其電路圖如圖2-12所示。</p><p>　　圖2-12 按

50、鍵模塊電路圖</p><p>　　按鍵開關(guān)S1連接到單片機(jī)的P1.3，其作用是在選擇上限高度或者下限高度中切換。按鍵開關(guān)S2連接到單片機(jī)的P1.4，其作用是增加高度數(shù)值，每次數(shù)值為1mm。按鍵開關(guān)S3連接到單片機(jī)的P1.5，其作用是減少高度數(shù)值，每次數(shù)值為1mm。</p><p><b>　　2.7 報(bào)警模塊</b></p><p>　　報(bào)警模

51、塊在控制系統(tǒng)乃至大多數(shù)智能系統(tǒng)中都是至關(guān)重要的。系統(tǒng)有了報(bào)警模塊，在非正常工作狀態(tài)或某些緊急情況下，發(fā)出報(bào)警，引起工作人員注意而及時(shí)處理。本系統(tǒng)的報(bào)警模塊使用了閃光和鳴音二位一體的報(bào)警系統(tǒng)。</p><p>　　報(bào)警裝置主體是由一個(gè)8550三極管、一個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)蜂鳴器組成。其電路圖如2-13所示。</p><p>　　圖2-13 報(bào)警模塊電路圖</p><p>

52、;　　D2是LED發(fā)光二極管，連接到單片機(jī)的P2.0。LS1是蜂鳴器，連接到單片機(jī)的P2.1。當(dāng)被測液體的液面高度高于設(shè)定的最大值或者低于設(shè)定的最小值時(shí)，單片機(jī)會(huì)發(fā)出一個(gè)信號經(jīng)三極管Q1放大后傳給蜂鳴器LS1，蜂鳴器會(huì)產(chǎn)生3kHz左右的蜂鳴聲音，并且LED報(bào)警燈閃爍。</p><p>　　2.8 抽水系統(tǒng)模塊</p><p>　　整個(gè)液位控制系統(tǒng)中，抽水系統(tǒng)起到一個(gè)直接操控液面高度的作用，

53、如果說單片機(jī)是大腦，那么抽水系統(tǒng)就是雙手，“大腦”判斷什么時(shí)候開始抽水，什么時(shí)候停止抽水，而“雙手”就是完成此命令的載體。它由一個(gè)水泵和一個(gè)8550三極管組成。其電路圖如圖2-14所示。</p><p>　　圖2-14 抽水模塊電路圖</p><p>　　B1為水泵，超聲波測距模塊收集到的數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)分析處理，如果液面高度低于設(shè)置的下限高度時(shí)，單片機(jī)則會(huì)發(fā)送一個(gè)信號經(jīng)三極管Q2放大后傳

54、給水泵后，水泵開啟抽水。直到液面高度達(dá)到設(shè)定范圍值時(shí)，水泵關(guān)閉。</p><p><b>　　2.9 整體電路圖</b></p><p>　　方案一：采用PCB覆銅板連接電路。用Altium Designer軟件將電路圖設(shè)計(jì)好后，只需將電路圖紙給廠家，由廠家來制作電路板。這種電路板的優(yōu)勢是電路連線都刷在板子上，我們只需要將需要的元件焊接到電路板對應(yīng)的位置，就可以啟動(dòng)電

55、路測試了。缺點(diǎn)是成本比較高，得不到動(dòng)手能力的鍛煉。方案一的電路圖如2-15所示。</p><p>　　圖2-15 方案一電路圖</p><p>　　方案二：把以上七大模塊進(jìn)行合理布局之后，在萬用電路板上進(jìn)行元件和電路的焊接。這種電路板上全是附有圓形銅片的洞洞，需要將元件焊接在電路板上，還要進(jìn)行電路焊接。這種電路板的優(yōu)點(diǎn)是電路可以隨時(shí)改動(dòng)，能鍛煉我的動(dòng)手能力。缺點(diǎn)是布局麻煩，焊接電路麻煩，虛

56、焊、短路的可能性更大。整體電路圖如圖2-16所示。</p><p>　　圖2-16 方案二電路圖</p><p>　　考慮到成本問題，我選擇了方案二的電路連接，而且方案二能更好的鍛煉我的布局思路以及焊接技術(shù)。我會(huì)盡可能的讓元件在萬用板上排列的緊湊，這樣會(huì)使設(shè)計(jì)更加小巧便攜。焊接好的實(shí)物電路圖如圖2-17所示。 </p><p>　　圖2-17 實(shí)物電路圖</p

57、><p><b>　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1 系統(tǒng)工作原理</p><p>　　本系統(tǒng)的核心是AT89C51單片機(jī)，數(shù)據(jù)的采集、傳輸、顯示、報(bào)警等等都要通過單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)。液面高度的數(shù)據(jù)采集通過HC-SR04超聲波測距傳感器來完成，再通過單片機(jī)把采集的數(shù)據(jù)傳輸給LCD1602顯示器并顯示在液晶屏上。當(dāng)采集的數(shù)據(jù)大設(shè)置的上

58、限時(shí)，蜂鳴器會(huì)實(shí)時(shí)報(bào)警，并伴隨著LED指示燈閃爍；小于設(shè)置的下限時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，LED指示燈閃爍，并且水泵開始工作抽水，直到液面高度值達(dá)到設(shè)定范圍內(nèi)。</p><p>　　3.2 主程序流程圖</p><p>　　本系統(tǒng)的主程序流程圖如圖3-1所示。</p><p>　　小于設(shè)定高度 大于設(shè)定高度&

59、lt;/p><p><b>　　Y</b></p><p>　　N Y</p><p>　　圖3-1 主程序流程圖</p><p>　　3.3 超聲波測距模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　首先把系統(tǒng)初始化，配置定時(shí)器T0和定時(shí)器T1的工作方式，對定時(shí)器T0的高

60、八位和低八位進(jìn)行清零，設(shè)置為方式1。定時(shí)器T1的高八位和第八位分別設(shè)為2ms定時(shí)。對定時(shí)器中斷進(jìn)行設(shè)置，然后開啟總中斷，當(dāng)定時(shí)器中斷任務(wù)結(jié)束之后關(guān)閉總中斷并讀取存儲(chǔ)的最大值與最小值。然后發(fā)出一個(gè)超聲波脈沖，延遲0.1ms后，打開外部中斷接收返回的超聲波信號，原因是避免超聲波從發(fā)射器發(fā)出直接傳送到接收器，造成采樣數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。由于采用晶振的振蕩頻率為12MHz的，其發(fā)出一個(gè)脈沖的時(shí)間為1/12微秒，所以1個(gè)機(jī)器周期為1us。當(dāng)主程序檢測到接收

61、成功的標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器T0中的數(shù)據(jù)按第二章里面的公式（2-1）計(jì)算就可測得被測物體與測距儀之間的距離，T0中的數(shù)就是超聲波從發(fā)射到接收所用的時(shí)間。</p><p>　　超聲波測距程序流程圖如圖3-2所示。</p><p>　　圖3-2 超聲波測距子程序流程圖</p><p>　　定時(shí)中斷子程序流程圖如圖3-3所示。</p><p>　　圖3

62、-3 定時(shí)中斷子程序流程圖</p><p>　　外部中斷子程序流程圖如圖3-4所示。</p><p>　　圖3-4 外部中斷子程序流程圖</p><p>　　3.3 按鍵模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　由于有了按鍵模塊，整個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)就可以重新設(shè)置。第一個(gè)按鍵的作用是切換上限或者下限。后兩個(gè)按鍵的作用是增加或者減少設(shè)置液面高度的數(shù)值，每按一次改

63、變的值為1mm。</p><p>　　按鍵模塊的程序流程圖如圖3-5所示。 </p><p><b>　　N</b></p><p><b>　　Y</b></p><p>　　圖3-5 按鍵程序流程圖</p><p><b>　　3.4報(bào)警模塊設(shè)計(jì)</b&g

64、t;</p><p>　　當(dāng)被測液體的液面高度高于設(shè)定的最大值或者低于設(shè)定的最小值時(shí)，單片機(jī)從P2.1口發(fā)出一個(gè)信號經(jīng)三極管放大后傳給蜂鳴器，蜂鳴器會(huì)產(chǎn)生3kHz左右的蜂鳴聲音。同時(shí)從P2.0口發(fā)出一個(gè)信號給LED發(fā)光二極管，LED燈閃爍報(bào)警。</p><p>　　報(bào)警程序的實(shí)現(xiàn)流程如圖3-6所示。</p><p><b>　　Y</b><

65、;/p><p><b>　　N</b></p><p><b>　　Y</b></p><p><b>　　N</b></p><p>　　圖3-6 報(bào)警程序流程圖</p><p><b>　　4 軟件制作與調(diào)試</b></p&g

66、t;<p><b>　　4.1 軟件制作</b></p><p>　　根據(jù)該設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)的功能，分模塊編寫C語言代碼。經(jīng)過KEIL軟件調(diào)試成功后，用51單片機(jī)開發(fā)板燒錄進(jìn)AT89C51單片機(jī)里。</p><p><b>　　4.2 軟件調(diào)試</b></p><p>　　把C語言代碼寫好后，用KEIL軟件編譯調(diào)

67、試，如圖4-1所示。</p><p>　　圖4-1 編譯調(diào)試1</p><p>　　點(diǎn)擊項(xiàng)目欄中的“d”圖標(biāo)，可以進(jìn)行翻譯成匯編語言，能更好的查看程序是如何運(yùn)行的。C語言翻譯成匯編語言的界面如圖4-2所示。</p><p>　　圖4-2 編譯調(diào)試2</p><p>　　編譯調(diào)試成功后，就可以用單片機(jī)開發(fā)板燒錄進(jìn)AT89C51單片機(jī)，然后就可以

68、進(jìn)行硬件的調(diào)試了。</p><p><b>　　5 硬件制作與調(diào)試</b></p><p><b>　　5.1 硬件制作</b></p><p>　　硬件的制作可以分為以下幾個(gè)過程：</p><p>　?。?）構(gòu)思系統(tǒng)需要哪些硬件的組成，這些硬件在系統(tǒng)中起什么作用，應(yīng)該如何連接，然后繪制電路圖，再根

69、據(jù)電路圖進(jìn)行連接各個(gè)硬件，完成基本的電路板，電路板上的硬件排列越緊湊越好，占用的空間小而發(fā)揮的功能一樣。</p><p>　?。?）完成基本的電路板的焊接后，需要檢查電路板有沒有虛焊、短路和斷路等不良現(xiàn)象。</p><p>　?。?）將編譯好的程序后，下載到電路板的單片機(jī)中，進(jìn)行硬件調(diào)試，并觀察調(diào)試的結(jié)果，對出現(xiàn)問題的地方進(jìn)行修改。</p><p>　　（4）當(dāng)整體

70、系統(tǒng)調(diào)試成功后，讓其工作一段時(shí)間，查看工作狀態(tài)是否正常，能否保持穩(wěn)定工作，保證設(shè)計(jì)的可靠性。</p><p><b>　　5.2 硬件調(diào)試</b></p><p>　　用萬用表檢查電路板，確認(rèn)沒有虛焊、短路、斷路等問題后，將本設(shè)計(jì)用usb電源線通電，按下電源開關(guān)，整個(gè)系統(tǒng)開始工作，如圖5-1。</p><p>　　圖5-1 系統(tǒng)工作調(diào)試<

71、/p><p>　　上圖中，我們給系統(tǒng)通電后，整個(gè)系統(tǒng)開始工作。電源指示燈點(diǎn)亮，說明電源正常工作。由于沒有盛水的容器，所以我們用一張A4紙作為被測物來代替水位。此時(shí)顯示屏中的“Now S：005.8CM”表示現(xiàn)在的距離：5.8cm；“Set H 009.0 L004.0”表示設(shè)置的上限距離：9cm，下限距離：4cm。因?yàn)楸粶yA4紙的距離為5.8cm，正好處于設(shè)置距離范圍內(nèi)，所以報(bào)警系統(tǒng)不報(bào)警。</p>&

72、lt;p>　　下面我們來測試報(bào)警系統(tǒng)是否正常工作，測試結(jié)果如圖5-2和5-3。</p><p>　　圖5-2 低水位報(bào)警調(diào)試</p><p>　　我們將A4紙的位置放得更遠(yuǎn)一些，此時(shí)顯示的距離為12.9cm，超出了4cm～9cm的范圍，所以LED報(bào)警燈高亮，蜂鳴器發(fā)出刺耳的聲音，水泵開始工作，是由于此時(shí)相當(dāng)于水位低于設(shè)定值，所以單片機(jī)發(fā)出指令給水泵開始抽水，直到水位到達(dá)指定高度。&l

73、t;/p><p>　　測試完低水位報(bào)警后，我們來測試高水位報(bào)警。如圖4-3。</p><p>　　圖5-3 高水位報(bào)警調(diào)試</p><p>　　我們將A4紙放置的位置離超聲波發(fā)射點(diǎn)更接近，模擬水位上升的過程。從顯示屏中我們讀出此時(shí)超聲波發(fā)射點(diǎn)與A4紙的實(shí)時(shí)距離為2.5cm，已經(jīng)低于了設(shè)置的最低距離，此時(shí)LED報(bào)警燈高亮，蜂鳴器鳴音。</p><p&g

74、t;　　接著我們來測試按鍵模塊是否能正常工作，測試結(jié)果如圖5-4。</p><p>　　圖5-4 按鍵功能調(diào)試</p><p>　　我們先按了第二個(gè)按鍵，增加鍵，每次增加1mm，按了39次后最大距離設(shè)置為12.9cm，正好與當(dāng)前A4紙的距離相同，LED報(bào)警燈和蜂鳴器組成的報(bào)警系統(tǒng)立即關(guān)閉。接著我們按下第一個(gè)按鍵，切換鍵，切換到了設(shè)置最低距離模式，然后按第三個(gè)按鍵，減少鍵，每次減少1mm，按

75、了10次后，最低距離設(shè)置為3.0cm。</p><p>　　經(jīng)過測試，這些功能都能實(shí)現(xiàn)，但是最重要的就是精度的問題。雖然以上功能都能夠?qū)崿F(xiàn)，但如果該系統(tǒng)的測量精度不好，也就是說從顯示屏中得到的數(shù)據(jù)是否就是真實(shí)的數(shù)據(jù)。接下來我們用直尺來測量A4紙的距離來作為一個(gè)對比。結(jié)果如圖5-5。</p><p><b>　　圖5-5 精度調(diào)試</b></p><

76、p>　　我們用直尺的零刻度線對準(zhǔn)超聲波發(fā)射點(diǎn)，然后再把A4紙放于直尺中大概7cm處，然后我們看顯示屏中的數(shù)據(jù)是否和直尺中的一致。</p><p>　　從顯示屏中我們讀出超聲波發(fā)射點(diǎn)與A4紙的實(shí)時(shí)距離為7.1cm。由于我們使用直尺作為測量工具，不知零刻度線是否恰好對準(zhǔn)了超聲波發(fā)射點(diǎn)，可能會(huì)有操作誤差。但是對比兩個(gè)測量工具的結(jié)果，很接近，說明我的設(shè)計(jì)的精確度還是挺精確的。對于人工用直尺測量，我更愿意相信超聲波測

77、距的測量數(shù)據(jù)。</p><p>　　最后一項(xiàng)測試是水泵能否根據(jù)單片機(jī)的指令而工作，水泵通電就能工作，但是我們更想要其智能化，不用人為操作，能通過微控制器的數(shù)據(jù)采集與分析從而使水泵工作。該模塊的測試結(jié)果如圖5-6。</p><p>　　圖5-6 抽水模塊調(diào)試</p><p>　　我們把水泵放入盛有水的容器中，打開系統(tǒng)電源后，此時(shí)從顯示屏中讀出當(dāng)前的距離為36.7cm，

78、而最大距離為12.9cm，此時(shí)處于低水位狀態(tài)，報(bào)警模塊發(fā)出警報(bào)，水泵開始工作抽水。</p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　本文是圍繞設(shè)計(jì)并制作完成的液位控制系統(tǒng)如何用單片機(jī)和傳感器去控制液位的一篇畢業(yè)論文。主要由硬件介紹和軟件介紹兩個(gè)部分組成。硬件介紹部分主要介紹了該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)哪些功能，以及需要哪些必備的硬件設(shè)備去實(shí)現(xiàn)這些功能，從而得到一份設(shè)計(jì)

79、方案，并通過方案將硬件焊接到萬用板，連接好電路后，用已經(jīng)學(xué)習(xí)過的C語言，根據(jù)每個(gè)硬件模塊要具備的功能，編寫程序，并燒錄進(jìn)51單片機(jī)中。從而硬件模塊在單片機(jī)的控制下就能得以實(shí)現(xiàn)其功能了。</p><p>　　用單片機(jī)來作為系統(tǒng)的核心，將傳感器采集到的數(shù)據(jù)信號通過LCD1602顯示屏進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，而且屏幕的上下限的數(shù)值，還能通過按鍵的來重新設(shè)定，再加上有了高低水位報(bào)警的鳴音、強(qiáng)光二位一體的報(bào)警系統(tǒng)，使得液位變得更容易

80、控制的同時(shí)大大提高了生產(chǎn)安全，特別是工作人員的人身安全。比如化工廠用的強(qiáng)酸強(qiáng)堿等腐蝕性強(qiáng)的液體，或者是具有爆炸危險(xiǎn)的硝酸甘油等等危險(xiǎn)的液體，用量過多或者用量過少，對工作人員都是一個(gè)很大的威脅。用單片機(jī)其造價(jià)低，程序易于調(diào)試，控制功能顯著、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)，在控制系統(tǒng)中廣為采用。以單片機(jī)為控制核心的液位控制系統(tǒng)，控制效果明顯，系統(tǒng)的抗干擾能力強(qiáng)，運(yùn)行比較穩(wěn)定，保證了液位的動(dòng)態(tài)運(yùn)行。</p><p><b>

81、　　致謝</b></p><p>　　這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)完成的比較成功。此時(shí)此刻，我無法表達(dá)我內(nèi)心的激動(dòng)。有很多很多我需要感激的人，他們給過我很多支持與幫助。</p><p>　　首先，我要感謝我的畢業(yè)設(shè)計(jì)導(dǎo)師xx老師。畢業(yè)設(shè)計(jì)是大學(xué)四年生活落幕的標(biāo)志，而王義老師能在這尾聲中對我悉心指導(dǎo)，嚴(yán)格要求，讓畢業(yè)設(shè)計(jì)成為我人生中一大美好的回憶。同時(shí)，我也要也感謝大學(xué)期間教過我知識的老師們，

82、讓我學(xué)到了很多基礎(chǔ)與專業(yè)知識，雖然這些點(diǎn)點(diǎn)滴滴的積累只是知識海洋中的一杯水，但是就是這一杯水給了我知識的地基，在畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)讓我能夠有一個(gè)正確的理論去完成設(shè)計(jì)。在畢業(yè)論文的寫作期間，由于有些知識是非常專業(yè)的，或是集成模塊電路比較復(fù)雜，或是芯片沒有接觸過，亦或是C語言編寫程序上的錯(cuò)誤，只要我問，老師們必定耐煩地指導(dǎo)我。沒有您們這樣的幫助與關(guān)懷，我的畢業(yè)設(shè)計(jì)就不可能完成的這么順利，在此，我向您們表示由衷的感激，謝謝可愛的你們。</p&g

83、t;<p>　　接著，我要感謝和我一起在大學(xué)里玩了四年，學(xué)習(xí)了四年，生活了四年的同學(xué)們。在做畢業(yè)設(shè)計(jì)的這最后一個(gè)學(xué)期里，我的很多比較好的思路都是你們給我的，給予了我不少幫助。在此也真心的感謝你們，特別是睡在一個(gè)屋檐下的室友。在這樣一個(gè)團(tuán)結(jié)友愛、積極向上、相互促進(jìn)的環(huán)境中，才有我今天的小小收獲。</p><p>　　最后，我最應(yīng)該感謝的是我的家人，爸爸媽媽，是他們含辛茹苦地把我養(yǎng)育成人，讓我從小就受到

84、良好的教育，并且在生活和學(xué)習(xí)上給予我無人能及的關(guān)懷與支持，才使我時(shí)刻充滿信心去克服成長道路上遇到的種種困難，跌倒了再爬起來繼續(xù)前進(jìn)。</p><p>　　還有許許多多在學(xué)業(yè)上鼓勵(lì)和幫助我的朋友，在此，對你們由衷地說一句：感謝你們！</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 高玉芹．單片機(jī)原理與應(yīng)用及C51編程技術(shù)

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