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1、 论文题目： 基于单片机高层建筑水箱水位的控制 基于单片机高层建筑水箱水位的控制摘 要：本单片机系统设计的目的是应用单片机控制技术，以AT89C51单片机为核心控制高层建筑的水箱的水位，并实现了报警和手动、自动切换功能。该系统操作方便、性能良好，比较符合现代小区生活用水的需要。本文还详细的给出了相关的硬件框图和软件流程图，并编制了该汇编语言程序。关键词：单片机；水位；控制；报警随着现代生活的不断发展,城市高层建筑的生活和工作用水往往会因自来水的水压低而受影响, 为此多数单位利用浮漂式机械水位控制器或电极式水位控制器控制电动水泵,将水从地面水箱抽到楼(塔) 顶水箱, 从而解决供水问题。但浮漂式机
2、械水位控制器体积大、机械故障多、可靠性差, 电极式水位控制器因电极长期浸泡在水中, 会因生锈腐蚀而经常失控。本文从实用性和经济性出发，设计了一种水位自动控制装置。该装置由AT89C51单片机控制,具有水源缺水保护、断相保护和过载保护功能，而且具有结构简单、维护方便、工作可靠、抗干扰能力强，性价比高的特点，同时在不同程度上克服了其他方法的一些缺点，并提供了自动报警功能，在多种场合下均可采用。1 系统构成1.1系统结构及工作原理水箱由两台给水泵机组，三个水位传感器组成，其系统结构如图1所示。图1 系统结构其中M1、M2为给水泵机组，LG、LZ、LD分别为水位高、水位中、水位低的水位传感器。当水箱水
3、位低（小于50%）时，LD闭合,同时起动M1、M2，当水位上升到50%以上70%以下时，LZ闭合,停M2，M1继续运行到水位上升到90%以上(即LG闭合)时才停止工作。经过调试系统，测得以下数据：水位在50%70%之间，两台泵运行需要约10分钟；水位在70%90%之间，一台泵运行需要约15分钟。水箱的水位一般保持在70%90%之间。 整个系统由电动机主电路、+ 5V 电源电路和控制电路三部分组成。电动机主电路由三相交流电源开关(如三相自动开关) 、交流接触器常开主触头和三相交流异步电动机组成。接触器的三个常开主触头串接在三相交流电源开关与电动机之间的三根相线上； + 5V 电源电路由变压器、单
4、相桥式整流器、电容滤波器和三端稳压器(如LM7805) 等组成。控制电路主要由单片机AT89C51、水位监测电路、交流负载驱动电路和光电报警电路等组成(图2所示)。图2 系统框图1.2 硬件原理图图3为水箱水位控制系统的电路图，其中P1.0P1.2接水位监测电路；P1.3为手动与自动模式的转换按钮，低电平有效；P1.4和P1.5控制水泵电动机电路；P3.0P3.2接水位报警电路，当水位到达相应的位置时，发光二极管亮；P3.4P3.7为手动模式下控制水泵电动机的按键电路。图3 系统电路图1.3 系统各功能部件说明（1）单片机AT89C51AT89C51 是控制电路的控制中心, 它通过P1口的P1
5、.0P1.2不断读取监测电路的状态, 分析判断后通过P1 口的P1.4P1.7和P3.0口的P3.0P3.2向输出电路发出控制命令, 如报警、开关水泵等。AT89C51 是一种高性能低价格单片机，片内有4KB字节的Flash存储器和256B的RAM，用它构成的测量、控制系统具有电路简单、可靠性好、体积小和成本低等优点。（2）水位监测电路水位监测电路由AC 三个水位传感器和三个5k电阻组成, 水位传感器及其连线密封在竖立于水箱中的管内随水位的升降进行通断。例如水位传感器A平时处于断开状态, 但当随水位上升到A 处时水位传感器A就闭合。AT89C51 通过P1 口的P1.0P1.2读取AC三个水位
6、传感器的状态。由图可知, 当某个水位传感器闭合或断开时, 相应的I/ O 口线就要动作。AT89C51 根据P1.0 P1.2的值, 作出相应的处理。本设计采用的是LM系列水位传感器，它采用了316L不锈钢膜片及PVC塑料螺纹头相结合，可测量水、其他液体及气体液位。该传感器可适用于需要高性能、小尺寸的压力和真空系统。传感器标准输出为0.54.5V，供电为5V。图4 水位传感器（3）交流负载驱动电路 水箱的控制器由AT89C51系统构成，由于接触器线圈、蜂鸣器等交流负载的控制均需一定的驱动功率, 同时为了安全及防止交流干扰，应把强弱电隔离。MOC2A60 -5是担当此任的理想器件。MOC2A60
7、-5 是美国MOTOROLA公司近几年研制的零交叉双向晶闸管输出功率光电隔离器(如图5所示)，输入端为一个砷化镓红外发光二极管, 输出端由零交叉双向晶闸管驱动器及一个功率双向晶闸管组成, 输入与输出间采用光耦合，隔离电压可达3750V。当输入端VL 正向导通(电流为550mA) , 且输出端的交流电压过零时, 功率双向晶闸管导通。它能直接驱动交流20 280V、0.012A 的负载(功率因数为0.31) 。由MOC2A60-5 工作原理可知: 当P1.4和P1.5 输出为0 时, 交流接触器线圈加电, 接触器的常开主触头闭合, 水泵电动机M1和M2工作 , 自来水流入水箱。 当P1.4和P1.
8、5输出为1 时, 交流接触器线圈失电，水泵电动机停止工作,停止自来水的流入。R (39) 、C (0.01F) 吸收过电压保护输出端的功率双向晶闸管。输入端与VL 串接330 电阻, 将正向输入电流限制在10mA 左右。 图5 MOC2A60-5结构图（4）水位报警电路当水位高与90%的时候，由传感器发送信号，LG闭合，系统水位高报警；当水位低于75%的时候，由传感器发送信号，LZ闭合，系统水位高报警；当水位低与50%的时候，由传感器发送信号，LD闭合，系统水位低报警（部分电路如图6所示）。图6 报警电路图（5）按键输入电路ON/OFF手动与自动转换按钮与P1.3连接，若没按下切换按钮，则进入
9、全自动模式，系统自动判断水位的状况，选择不同的工作状态。若按下切换按钮，则进入手动的模式，两台给水泵的运行控制可由人工自己操作。按键输入端RC电路用于消除按键抖动（如图7所示）。图7 按键电路图（6）稳压电源电路LM7805集成稳压器的电路如图8所示。由于R1、R2电阻网络的作用，使得输出电压被提高，提高的幅度取决于RP与R1的比值。调节电位器R2，即可一定范围内调节输出电压。当RP=0时，输出电压Uo等于7805稳压器输出电压；当RP逐步增大时，Uo也随之逐步提高。IC采用集成稳压器7805，C1、C2分别为输入端和输出端滤波电容。调节输出电压到5V,用于单片机、水位监测电路、交流负载驱动电
10、路和报警电路的电源。图8 电源电路（7）给水泵电机主控回路电机主电路采用2个交流接触器分别控制2台水泵电机，并使用了热继电器，使该回路具有欠压、失压和过载保护。图9 水泵主电路2 单片机引脚分配表根据系统的控制要求，单片机的引脚分配表如表1所示。表1 单片机的引脚分配表P1.0水位低输入信号P3.0水位低报警输出信号P1.1水位中输入信号P3.1水位中报警输出信号P1.2水位高输入信号P3.2水位高报警输出信号P1.3手动与自动转换输入信号P3.4手动起动M1输入信号，低电频有效动作P1.4M1起动KM1控制输出信号P3.5手动起动M2输入信号，低电频有效动作P1.5M2起动KM2控制输出信号
11、P3.6手动停M1输入信号，低电频有效动作P1.6M1开关状态输入信号P3.7手动停M2输入信号，低电频有效动作P1.7M2开关状态输入信号3 软件设计手动方式是利用交流接触器控制，可以在环境比较恶劣条件下工作，自动方式是利用单片机来控制。手动和自动的切换可专门设计一个转换开关在控制面板上（如图10）。自动运行方式由单片机来控制两台水泵电机自动运行。当转换开关打到自动时，系统根据水箱内液位传感器传出的信号执行事先编译好的程序：当水箱中无水或水位在低水位时，M1、M2两台水泵同时开启，对水箱进行加水；当水位到达中水位时，M2水泵先停止，M1水泵继续运行；当水位到达高水位时，M1水泵停止，报警器开
12、始报警（如图11）。手动运行方式由用户来控制交流接触器使两台水泵电机运行。当转换开关打到手动时，按下按钮S1，M1水泵运行向水箱注水。当用户用水使水箱水位较低时，电机M1和M2同时工作，使水量大幅上升，保持液位的高度（如图12）。图10 选择方式流程图图11 自动运行方式流程图图12 手动运行方式流程图根据系统控制要求，程序如下：ORG 0000HSJMP MAINORG 0060HMAIN：MOV P1, #1FH ； P1和P3口初始化置1MOV P3，#0FFHJB P1.3 ，AUT ；若按下切换按钮，跳到自动模式子程序SJMP MEN ；否则转到手动模式子程序SJMP MAINEND
13、自动控制子程序AUT：JNB P1.2 , LG ；水位是否高JB P1.1 , LZ ；水位是否中CLR P3.1 ；水位中报警JB P1.0 , LD ；水位是否低CLR P3.0 ；水位低报警JNB P1.6 , Y1 ；M1电机是否启动CLR P1.4 ；启动M1电机Y1： JNB P1.7 , Y2 ；M2电机是否启动 CLR P1.5 ；启动M2电机Y2： LCALL DY60s ；延时1分钟 SJMP AUT ；返回自动模式LD ：JNB P1.6 ,Y3 ；单独运行M1CLR P1.4Y3： JB P1.7 ,Y2 ；M2电机是否停止 SETB P1.5 ；停止M2电机SJMP
14、 Y2LG： CLR P3.2 ；水位高报警 SETB P1.4 ；停止M1 SETB P1.5 ；停止M2LZ: SJMP MAIN ；返回主程序手动控制子程序：MEN：JNB P1.2 , MAIN ；水位是否高LCALL KEYCJNE A ,#0FH ,NN 是否有键按下；SJMP MENNN： JNB ACC.4 ,HM1 ；手动起动M1按键是否按下JNB ACC.5, HM2 ；手动起动M2按键是否按下JNB ACC.6 ,DM1 ；手动停止M1按键是否按下JNB ACC.7 ,DM2 ；手动起动M2按键是否按下SJMP MENHM1：JNB P1.6 ,MEN ；M1电机是否起动
15、CLR P1.4 ；启动M1电机SJMP MENHM2：JNB P1.7, MEN ；M2电机是否起动CLR P1.5 ；启动M2电机SJMP MENDM1：JB P1.6, MEN ；M1电机是否停止SETB P1.4 ；停止M1电机SJMP MENDM2：JB P1.7, MEN ；M2电机是否停止SETB P1.5 ；停止M2电机SJMP MENRET延时10ms子程序 ORG 0150HDY10ms： MOV R1, #10DEL2： MOV R2, #125DEL1： NOPNOPDJNZ R2, DEL1DJNZ R1, DEL2RET延时60s子程序ORG 0200HDY60s：
16、MOV R3, #100DEL3：LCALL DY10ms DJNZ R3, DEL3RET 有无键合子程序：KEY：MOV A ,P3 ；读键值，键闭合相应位为0 CPL A ；取反，键闭合相应位为1 ANL A ，#0FOH ；屏蔽低4位，保留有键值信息的高4位 JZ GRET ；全0，无键闭合，返回LCALL 10ms ；非全0，有键闭合，延时10ms，软件去抖动MOV A ,P3 ；重读键值，键闭合相应位为0CPL A ；取反，键闭合相应位为1ANL A ，#0F0H ；屏蔽低4位，保留有键值信息的高4位JZ GRET ；非全0，有键闭合，延时10ms，软件去抖动RETGRET：SJM
17、P MEN ；无键闭合，返回4 结束语由以上的设计可以看出，运用单片机设计的高层建筑水箱水位系统具有结构简单、维护方便、工作可靠、性价比高等特点。但是该系统在楼宇之间不能集中控制，如果运用现场总线进行远程管理，将使控制更为方便。参考文献：1、何立民 单片机应用系统设计 北京：北京航空航天大学出版社20092、楼然苗 51系列单片机设计实例 北京：北京航空航天大学出版社20033、何立民 单片机实验与实践教程. 北京：北京航空航天大学出版社20014、孙育才 MCS-51系列单片微型计算机及其应用 东南大学出版社 20085、吴金戌 沈庆阳 郭庭吉 8051单片机实践与应用 清华大学出版社 2002
