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1、基于AVR单片机的水塔水位控制系（分院）： 电子信息工程系 专业班 级： 电子XXXX 学生姓名： XXX 学 号： 081592XX 指导教师： 谢婷 二一二年 五月 十日摘 要本水塔水位控制系统是我国住宅小区广泛应用的供水系统,不仅给人们带来了极大的方便，又能节约水资源，有利于社会的正常生活和可持续发展。为了解决经常停水和有效地避免水资源的浪费,节约能源,本文设计了一个适用于城镇居民楼房,特别是农村住宅楼房生活用水水塔的水位控制器。本设计是以开关电位来模拟水塔的水位，利用自制5V电源来稳定供电，通过液晶显示水塔系统的状态，并由蜂鸣器来发声，发光二极管发光来报警。关键词：Atmega48；水
2、塔水位控制；5V电源；液晶显示；报警电路目 录1绪论11.1水位控制技术的发展现状11.2单片机技术的发展趋势11.3本课题的研究内容和意义21.3.1本课题的研究内容21.3.2本课题的研究意义22系统功能说明33系统总体设计43.1应用系统结构设计43.2设备选型43.2.1报警43.2.2显示54硬件设计64.1Atmega48单片机的特点74.1.1速度快74.1.2性能价格比高74.1.3系统内从新编程（ISP In-System Programming) 功能74.1.4工作电压范围宽（2.7-6V）、抗干扰能力强84.2电源部分设计84.3单片机最小系统部分设计94.4 输入部分
3、电路设计94.5显示部分电路设计104.6 报警电路设计114.6.1报警电路114.6.2 报警复位电路124.7 水泵控制部分电路设计124.8 ISP下载口的设计134.9 PCB设计135软件设计145.1系统程序结构145.1.1主程序145.1.2中断程序156系统测试166.1测试结果16致 谢17参考文献18作品使用说明书：19 1绪论1.1水位控制技术的发展现状目前，市场上有很多比较先进的水塔水位控制仪，如台湾雷达牌水塔水位开关ST-70AB,它适用于工厂及家庭的自备水泵、水井及贮水池和水塔、水箱等供水系统的水位自动控制。又如连云港新港电力辅机有限公司出品的汽液两相流自调节水
4、位控制器，它是基于“汽液两相流”原理，利用汽液变化的自调节特性控制容器出口液体而设计的一种新型水位控制器。摈弃了传统的浮球式、气动式、电动式液位控制设备的缺点，自动调节容器出口液体的流量，从而达到更为稳定的液位。其基本原理是:疏水由阀体入口进入阀腔，相变管（信号管）根据液位高低采集汽相、液相信号直接进入阀腔，与疏水混合后流经特定设计的喉部。当液位上升时，汽相信号减少，因而疏水流量增加；当液位下降时，汽相信号增加，减少喉部有效通流面积，疏水流量降低，达到有效阻碍疏水的目的。1.2单片机技术的发展趋势以上这些都是当今在水塔水位控制领域研究出来的比较先进的产品，其势头还将一路发展下去，本领域的研究还
5、将不断地进行，也必将会有更多、更加先进、经济的产品问世。据统计，我国的单片机年容量已达13亿片，且每年以大约16%的速度增长，但相对于世界市场我国的占有率还不到1%。这说明单片机应用在我国才刚刚起步，有着广阔的前景。单片机是自动控制、仪器仪表、通讯、家用电器等领域中应用最广、性能价格比最高的核心控制部件之一。新型单片机采取的宽系列、多品种，片内集成OPT型ROM或Flash存储器甚至EEPROM、精简指令集、高速、低功耗的发展新思路，正是迎合了现代众多产品要求的：智能化、低功耗、电池供电、便携，以及缩短研制开发到批量生产的周期；低成本、快速的产品更新换代等，电子技术应用新的发展需求，从而进一步
6、拓宽了单片机的应用领域和范围，减少了应用系统体积、功耗和成本，是应用系统的性能价格比得到进一步的提高。当然，这些新型单片机（特别是IO口较少的单片机）的推出也有赖于诸如：采用IIC总线技术的存储器的大量涌现；串行高速，廉价的A/D和D/A不断推出；可编程并行扩展接口等技术的成熟。自进入二十一世纪以来，各国的科学家，大公司对单片机的研究非常的重视，由于单片机的特点，使其在各方面的应用中都得到了一个很好的发展与完善。各种类型通用，专用的单片机如雨后春笋般不断扩大，它们相应得硬件电路不断得到完善，而且他们的适用范围不断扩大。1.3本课题的研究内容和意义1.3.1本课题的研究内容本课题的核心是设计出一
7、个模拟水塔水位控制系统。本设计要求掌握液晶显示原理，键盘扫描原理，5V电源的设计。本水塔水位系统是由单片机来控制的，上限下限出错等状态由液晶来显示，蜂鸣器来报警。1.3.2本课题的研究意义在人们日常生活供水中,房顶水塔水位大都未能实现自动控制,水箱中水位的高低通常由水电管理人员进行控管,非常麻烦,并且时常出现高层楼房断水和水箱溢水事故。这给居民的生活带来了极大的不便,同时也造成了不必要的水资源流失。随着人民生活水平的逐步提高, 对供水系统的要求也越来越高, 国家在对各种建筑物的规划及设计中, 规定供水系统不仅可以正常供水，还要能自动控制水位，合理用水。水塔水位控制系统是我国住宅小区广泛应用的供
8、水系统,给人们带来了极大的方便，又能节约水资源，有利于社会的正常生活可持续发展。因此，研究水塔水位的自动控制及其扩展功能有非常重要的意义。2系统功能说明水塔水位控制系统作为我国住宅小区广泛应用的供水系统,要合理控制水塔内的多少，节约用水，就要知道即时水位情况，具有人性化操作设置。图2-1中A导体接电源即为高电平，虚线代表即时水位情况，根据水可导电的性质，BCDE四个导体在水的连接下与A导体导通，即变为高电平。在水塔内读取EDCB的电平就知道水位的即时情况。水位可分为五种情况，如图2-1所示：图2-1 水位情况实现的功能如表2-1所示：表2-1 实现功能4个拨码由低到高分别代表4个水位B,C,D
9、,EE D C B状态液晶显示人工处理0 0 0 0下限报警Alarm:Low报警复位S2，显示Water:Normal0 0 0 1水泵进水Water:Input随时进水S3,显示不变0 0 1 1保持状态Water:Normal0 1 1 1水泵停止Water:stop1 1 1 1上限报警Alarm:High报警复位S2，显示Water:Normal其他出错报警Alarm:ERRO报警复位S2，显示Water:Normal3系统总体设计3.1应用系统结构设计根据功能说明，水位控制系统主要由模拟水位模块，控制模块，报警模块和显示模块组成，其系统结构如图3-1所示：Atmega48复位电路水
10、位模拟报警电路水泵控制显示报警复位图3-1水位控制系统结构框图3.2设备选型本设计采用Atmel公司的高性能低功耗AVR单片机Atmega48作为控制系统的核心。按照图3-1所确定的系统结构，选择合适的功能部件，以完成完整的系统控制电路设计。控制系统需要选择报警单元和显示单元。3.2.1报警报警器件-蜂鸣器：可分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器。主要差别为：有源蜂鸣器和无源蜂鸣器的根本区别是产品对输入信号的要求不一样；有源蜂鸣器工作的理想信号是直流电，通常标示为VDC、VDD等。因为蜂鸣器内部有一简单的振荡电路，能将恒定的直流电转化成一定频率的脉冲信号，从面实出磁场交变，带动钼膜片振动发音。但是在某些
11、有源蜂鸣器在特定的交流信号下也可以工作，只是对交流信号的电压和频率要求很高，此种工作方式一般不采用。而无源蜂鸣器没有内部驱动电路，有些公司和工厂称为讯响器，国标中称为声响器。无源蜂鸣器工作的理想信号方波。如果给预直流信号蜂鸣器是不响应的，因为磁路恒定，钼膜片不能振动发音。根据实际情况，为了减少使用I/O口，将声音报警和发光报警共用一个I/O口来控制，所以本系统选用有源蜂鸣器。详细的设计见硬件设计一节。3.2.2显示通常人机界面模式有LED指示，数码管显示，LCD液晶显示，但为了更直观的显示人机界面，且本设计需要英文和字母显示，所以本设计采用通用型液晶LCD1602。图3-2通用型液晶LCD16
12、02实物图4硬件设计水塔水位控制器的硬件电路如图4-1所示，下面对各单元电路分别予以说明。图4-1水塔水位控制器电路4.1Atmega48单片机的特点Atmega48是AVR单片机中内部接口丰富，功能齐全，性价比较高的产品，它具有如下特点：4.1.1速度快 AVR单片机在单一时钟周期内执行功能强大的指令，每MHz可实现阶段MIPS的处理能力，是具有最高MIPS/mW能力的确良8位单片机。 AVR单片机采用了大型快速存取寄存器文件和快速单周期指令。其快速存取RISC寄存器文件由32个通用工作寄存器组成。AVR用32个通用寄存器代替累加器，避免了传统的累加器与存储器之间的数据传送，可在一个时钟周期
13、内执行一条指令来访问两个独立的寄存器，代码效率比常规CISC微控制器快十倍。AVR单片机是用一个时钟周期执行一条指令的，即在执行前一条指令时就取出下一条指令，然后以一个周期执行指令（与DSP类似），是8位单片机中第一种真的RISC单片机。 4.1.2性能价格比高 AVR单片机中既有引脚少的器件（8脚），也有存储容量较大、引脚较多的器件，给用户以充分的选择余地。 AVR单片机采用Harvard结构，程序存储器和数据存储器是分开的，可以直接访问8M字节程序存储器和8M的数据存储器。 AVR单片机片内资源丰富。包括：1K-128K字节可下载的Flash存储器、64-4K字节EEPROM、128-4K
14、字节RAM、5-32条通用的I/O线，32个通用工作寄存器、摸拟比较器、定时器/计数、可编程异步串行口、内部及外部中断、带内部晶振的可编程看门狗定时器、为下载程序而设计的SPI串行口、10位AD转换器、以及闲置摸式和掉电摸式2个可选择的省电摸式等。 AVR单片机具有高度保密性。程序存储器FLASH具有多重密码保护锁死（LOCK）功能，绝不可能解密。 4.1.3系统内从新编程（ISP In-System Programming) 功能 AVR单片机片内可下载FLASH存储器，可以通过SPI串行接口或一般的编程器进行系统内重新编程（ISP In-System Programming)，给新产品的开
15、发、老产品的升级和维护带来极大的方便。 4.1.4工作电压范围宽（2.7-6V）、抗干扰能力强 总之，AVR单片机在一个芯片内将增强性能的RISC 8位CPU与可下载的FLASH相结合使其成为适合于许多要求、具有高度灵活性和低成本的嵌入式高效微控制器。4.2电源部分设计本系统的电源共有+12V和+5V两种，其中+12V电源由220V经过变压器变压，整流桥整流，电容滤波后得到，主要用于水泵控制部分中继电器的控制，变压器用220V/9V规格的，经过整流后乘以，得到12V左右的电压。控制系统的5V电源由固定值三端稳压管7805对+12V降压得到，它为单片机及其接口系统提供电源。电源的连接图如图4-2
16、所示。图4-2电源部分电路4.3单片机最小系统部分设计本设计单片机选用Atmega48，它内部含有Flash程序存储器和SRAM数据存储器，故在一般情况下不需要扩展存储器。在Atmega48单片机的XTAL1和XTAL2之间加上8M的晶振，并通过20P左右的电容接地为单片机提供工作时钟，在引脚加上低电平复位的复位电路并为单片机加上5V电源后，Atmega48单片机即可以正常工作，这样构成了Atmega48单片机的最小系统如图4-3所示。图4-3单片机最小系统电路4.4 输入部分电路设计由于水可导电，导电后能得到高电平，所以为了方便起见，本设计采用理想化模拟水位的思路，与单片机连接的电路如图4-
17、4所示，D2,D3,D4,D5分别代表B,C,D,E 4个水位。图4-4输入部分电路4.5显示部分电路设计本设计采用LCD1602来显示，其中可调变阻器R8是调节液晶输出分辨率的，与单片机连接的电路如图4-5所示。图4-5显示部分电路LCD1602的引脚排列,如图4-6所示。图4-6 LCD1602的引脚排列4.6 报警电路设计4.6.1报警电路本设计报警电路采用双向报警输出，即LED亮和蜂鸣器响2中报警输出共存。蜂鸣器采用有源蜂鸣器，当PC1给它高电平，FMQ2端加了5V电压即可报警，同时LED也亮。如图4-7所示。图4-7报警电路4.6.2 报警复位电路如图4-8所示：当报警后，人收到信息
18、，人想关闭报警，只要按下S2，即可复位。由于I/O口数量限制，所以这里与ISP下载口共用了1个I/O口，当下载程序的时候，要保证此电路断开。图4-8报警复位电路4.7 水泵控制部分电路设计本设计通过控制继电器开关来控制水泵工作，PC0给它高电平三极管饱和导通，继电器闭合，从而控制J6端有电使水泵工作。同事还有一个人性化设计，即当单片机没有送给PC0高电平的时候，而人想水泵工作，那么只要闭合开关S3就可以使三极管饱和导通，使继电器闭合导致水泵工作。如图4-9所示。图4-9水泵控制电路4.8 ISP下载口的设计如图4-10所示。图4-10ISP下载口电路4.9 PCB设计PCB设计如图4-11所示
19、。图4-11基于AVR单片机的水塔水位控制PCB5软件设计5.1系统程序结构 水位控制系统的软件采用模块化设计方法，整个软件系统可分为“主程序”和“中断程序”2个部分。5.1.1主程序系统主程序主要完成系统各部分的初始化操作，此外，在系统开始运行之后，在LCD1602上显示当前的状态信息。其流程图如图5-1所示。 开始CPU内部资源初始化LCD1602初始化主循环将要显示的数据写入LCD1602执行报警复位NY执行水位是否报警复位 图5-1 主程序流程图5.1.2中断程序在系统中，按键的处理程序设置为单片机外部中断INT0的中断服务程序，每当有按键按下时便执行该程序，完成按键的识别和处理工作。
20、按键中断处理程序的流程图如图5-2所示。执行水位检测开始执行按键检测显示的时间处理返回图5-2中断处理程序6系统测试6.1测试结果水位控制系统需要测试模拟水位拨码，LCD液晶显示，继电器，报警，报警复位，单片机复位和手动进水开关情况，测试结果如表6-1所示。表6-1测试结果水位E D B C（水位由低到高，然后由高到底）液晶显示继电器报警0000Alarm：LowMode:A-Input开开0001Water:InputMode:A-Input开关0011Water:NormalMode:A-Input开关0111Water:stopMode:M-Input关关1111Alarm：HighMo
21、de:M-Input关开0111Water:stopMode:M-Input关关0011Water:NormalMode:M-Input关关0001Water:InputMode:A-Input开关0000Alarm：LowMode:A-Input开开其他Alarm：ERROMode:M-Input关开报警复位（在报警的前提下）Water：NormalMode：保持先前状态保持先前状态关单片机复位程序重新运行手动进水开关不影响其他功能，只是继电器常开致 谢本设计（水塔水位控制器）是根据目前社会上大量的需求而进行设计的，希望我的本次设计能够为社会带来好的经济效应，适应市场的需求，因而使其具有广阔
22、的市场开发前景。从方案设计、方案论证、PCB设计、电路板制作、电路焊接、软件设计、产品调试再到论文撰写的过程，足足用了四个月的时间，在这期间我查阅了许多的资料、书籍与相关网站，这给我原来的知识有了更大的拓展，更提高了独立解决问题的能力，开拓了自己的思维方式，把往日的创新思想用于实践中去。这次毕业设计不但是对我三年大学学习成果的检验，更是我对专业技能的一次考验。大学三年的学习和生活就要随着这篇论文的答辩而结束了。有许许多多的舍不得，也有许许多多的感谢要说。首先我要衷心感谢我的指导老师！在我学习期间不仅传授了我做设计的秘诀还教会了我自学的方法，更传授了我做人的准则。这些都将使我终生受益。无论是在理
23、论学习阶段，还是在论文的选题、资料查询、开题、研究和撰写的每一个环节，无不得到导师您的悉心指导和帮助。其次，要感谢公司里的同事王威，在软件设计过程中给我很大的帮助；最后，要感谢所有教育过我的老师！你们传授给我的专业知识是我不断成长的源泉，也是完成本论文的基础。我还要向关心和支持我学习的朋友们表示真挚的谢意！感谢他们对我的关心、关注和支持！ 大学的生活让我有了坚强的性格，冷静的头脑和永远乐观的态度。最重要的是让我有了责任感，对自己、对家人和对社会。我愿在未来的学习过程中，以更加丰厚的成果来答谢曾经关心、帮助和支持过我的所有领导、老师、同学和朋友。永远以一颗为人民服务的心来回报社会。参考文献1 汤
24、光华.水箱水位控制器的设计与实现J.湖南：湖南化工职业技术学院，2006.2 李克俭, 饶满和.水塔水位控制系统的设计与研究M.广西：广西工学院，2006.3 陈娟，陈志强.PLC在水塔水位控制系统中的应用J.安徽：安徽技术师范学院，2003.4 陈新昌，王万章，李祥付.单片机在水位控制中的应用J.河南：河南农业大学，2006.5 谢檬.水塔水位自动控制系统研究M.西安：西安工程大学，2007.6 陈文涛，鲁凯生.单片机水位控制系统的设计与实现J.武汉：武汉理工大学，2001.7 肖成定.多用途水位控制器N.广东：电子电路制作，2003.8 王朝阳.光控水塔水位控制器N.实用电子制作，2006
25、.9 邬丽娜.基于PLC的水塔水位控制设计J.江苏：苏州职业大学,2007.10四维.简便易制的水位控制器M.实用影音技术，2005.11姚远.简单易制的水塔水位控制器J.山东：高密市一中，2001.12方藕树.水塔水位的单片机控制系统J.天津：天津商学院，1998.13赵利明,张广辉.水塔水位自动控制系统J. 重庆:重庆电力高等专科学校,2000.14 AVR033.Getting started with the CodeVisionAVR C CompilerM.15 Wen-xi YAO, Xiao-yuan HONG, Zheng-yu LU.A novel current-shar
26、ing scheme based on magampM. Zhejiang University,2008.作品使用说明书：A特性：技术规格：电源规格：220VAC工作环境温度范围：050摄氏度主要功能介绍：4个指示灯指示5个水位状况4个拨码模拟水位状况可以选择不同水位进水功能具有手动进水功能高低水位错误报警功能具有声光同时报警功能具有报警复位功能具有液晶显示功能具有控制水泵工作的干节点机构说明：输入说明：输出说明： 4档模拟水位拨码输入 4个水位指示灯 按键输入 报警指示灯 报警蜂鸣器 液晶显示 继电器控制水泵工作B简易说明：1.水位控制：5个水位分别为缺水位（0000），低水位（0001），中水位（0011），高水位（0111），溢水位（1111）。2.水位指示：水位从缺水位到溢水位分别有4个对应指示灯组合来指示，对应的指示灯亮，表示该水位有水。3.继电器控制进水：当水位处于上升状态，高水位之前继电器都打开，水泵进水，高水位之后继电器闭合，水泵停止进水。当水位处于下降状态，低水位之前继电器都闭合，水泵不进水，低水位之后，继电器打开，水泵开始进水。4.报警：当水处于缺水位，溢水位和水位出错的情况下，执行报警功能，报警指示灯亮，蜂鸣器响。
