智能水塔水位控制系统 学生姓名：
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学生学号：
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院（系）：
电气信息工程学院 年级专业：
电子信息工程
指导教师：- 助理指导教师:
二 ◦ 一五年五月
本科毕业设计（论文）
摘要 I
摘要 随着人们生活水平的不断提高，资源短缺的现象逐渐凸显，其中水资源的 短缺尤为严重，然而水资源是人们日常生产和生活所不可或缺的，长时间的断 水会给人们的生活带来极大的不便，而水塔的出现能够从一定程度上解决人们 储水和用水的问题，更好的节约和利用水资源。
为更好的解决对水位的实时检测和控制，本文主要论述了基于单片机的智 能水塔水位控制系统的设计。该系统以 STC89C52R 为核心，通过对硬件和软件 部分的设计来达到对水塔水位进行实时监测的要求。其中硬件部分包括液位检 测模块、中央处理模块、显示模块、报警模块、控制模块等的设计；软件部分 主要是根据系统的设计思想画出主程序和子程序流程图， 并利用 keil uVision4 进行 C 语言编程，以实现各部分的编程要求。通过一系列的理论分析和仿真实 验，达到利用单片机对水塔水位进行实时监测， 并显示水位和自动控制的功能。
基于本论文中对各模块的基本要求，本系统采用 STC89C52R 单片机为主控 芯片，利用超声波传感器实时检测水位，并通过 LCD1602 显示。若水位超出设 定的正常范围值，则单片机做出相应的处理，控制继电器驱动电机进行模拟控 制操作，同时通过按键可进行水塔水位上下限的设置，以达到控制系统的设计 目的。
关键词 STC89C52R 单片机,超声波传感器 丄 CD1602
攀枝花学院本科毕业设计（论文）
ABSTRACT II
ABSTRACT With the continuous improvement of living standards,the phenonment of the shortage of resources has highlighted.However,the water resources is an in dispe nsable part of people"s daily life and product ion. The lack of water resources will bring inconvenient to people s life.The tower water can solve this problem,and make people save and utilize water resources. In order to detect and control water level,this paper mainly discuss water tower"s water level con trol system,a n in tellige nt system which can be used to con trol water level .The system uses STC89C52RC as the core, through the part of the design of hardware and software to meet the needs of real-time monitoring.Hardware part in cludes the mode of liquid level detect ing , the mode of the cen tral process ing, and the mode of displayi ng ,and so on .Besides software part is main ly based on the system desig n thought draw a flow chart of main program and subrouti nes, and in order to realize the programming of each part,the keil uVision4 for C Ianguage program ming is bee n used.Accord ing to theory an alysis and simulati on show,the system can use STC89C52RC to con trol water tower s water level,a nd not only can it achieve the goals of mani festi ng, but also it can be con trolled automatically. Based on the basic requirements of this paper, the system for the use of ultrasonic sensor module for water level control, and the LCD1602 will display them. If water level beyond the normal range,the single chip microcomputer to make corresp onding process in g,a nd to simulate the con trol relay drive the motor operation.Then the buttons set the water level. After that, according to the circuit of relay, it will drive the control circuit in order to achieve the design of the control system of purpose. Keywords STC89C52RCSingle chip microcomputer,Ultrasonic sensors,LCD1602
本科毕业设计（论文）
目录
目录 摘要 .................................................................... I ABSTRACT .............................................................................................................
II 1 绪论 ............................................................... 1 1.1 课题背景 ...................................................................... 1 1.2 国内外研究现状、水平
......................................................... 1 1.3 本课题的发展趋势 .............................................................. 2 2 系统总体设计方案
................................................... 3 2.1 系统总体设计方案简述
......................................................... 3 2.1.1 系统基本功能
......................................................... 3 2.1.2 主要技术参数 ............................................................ 3 2.2 系统的工作原理
............................................................... 3 2.3 本课题的设计预期目标
......................................................... 4 3 系统的硬件设计 ........................................................ 6 3.1 单片机的选择与其性能分析
..................................................... 6 3.1.1 单片机概述 ............................................................ 6 3.1.2 单片机 STC89C52RC 勺介绍
........................................... 6 3.1.3 单片机最小系统的介绍
................................................. 7 3.2 传感器的选择与其性能分析
..................................................... 8 3.2.1 超声波传感器 HC-SR04 简介 .............................................. 8 3.2.2 HC-SR04 水位检测工作原理
............................................. 9 3.3 数据采集电路的设计
.......................................................... 10 3.3.1 水位采集电路 ......................................................... 10 3.3.2 水位集中采集的理论研究
................................................ 10 3.4 键盘电路与显示部分
.......................................................... 11 3.4.1 键盘部分 ............................................................... 11 3.4.2 显示部分 ............................................................... 12 3.5 报警电路设计
................................................................ 13 3.5.1 蜂鸣器简介 ........................................................... 13 3.5.2 蜂鸣器的设计 ........................................................... 14 3.5.3 蜂鸣器和 LED 灯报警 .................................................... 14 3.6 控制部分电路分析 ............................................................. 15 3.6.1 继电器原理简介 ....................................................... 15 3.6.2 控制系统的设计原理
.................................................... 16 3.6.3 控制系统电源电路设计
................................................ 17 3.7 单片机与 PC 机的通信接口
.................................................... 18 3.8 系统总体电路设计
............................................................ 19 4 软件设计 ............................................................ 20 4.1 编程语言介绍
............................................................... 20 4.1.1 C 语言简介 ............................................................. 20 4.1.2 C 源程序结构特点
..................................................... 20 4.2 整体设计思想 ................................................................. 20
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目录
4.3 系统的主要程序框图
......................................................... 22 4.4 主要程序模块 ................................................................ 22 4.3.1 水位检测模块程序流程图
............................................... 22 4.3.2 数据显示模块程序流程图
............................................... 23 5 仿真设计与结果分析 ................................................... 24 5.1 仿真软件的简介
............................................................. 24 5.1.1 仿真软件 Proteus 的简介
............................................. 24 5.1.2 keil uVision4 编程开发工具的简介
....................................... 24 5.2 本系统的 Proteus 仿真设计 .................................................... 25 5.2.1 仿真设计的预期目标
.................................................... 25 5.2.2 仿真设计的实现 ...................................................... 25 6 PCB 设计 ........................................................... 28 6.1 PCB 设计软件
.............................................................. 28 6.1.1 PCB 原理图设计
...................................................... 28 6.1.2 PCB 板制作方法
...................................................... 28 6.2 PCB 的 EMC 设计 ........................................................... 29 6.2.1 元器件布局的基本原则
............................................... 29 6.2.2 布线设计原则 ........................................................ 30 6.3 印制电路板 .................................................................. 30 6.3.1 印制电路板的结构
................................................... 30 6.3.2 印制电路板的种类
................................................... 31 6.3.3 印制电路板制作流程
................................................. 31 7 组装与调试 ......................................................... 33 7.1 系统组装 ................................................................... 33 7.2 硬件调试 .................................................................... 33 7.3 软件调试 .................................................................... 34 7.4 硬件软件联合调试
........................................................... 34 7.5 调试结果 .................................................................... 34 结论 .................................................................. 35 参考文献 .............................................................. 36 附录 1 ：智能水塔水位控制系统源程序代码
............................... 37 附录 2：整体电路图 ..................................................... 52 附录 3：
PCB 原理图 ................................................... 51 附录 4: PCB 图 ........................................................ 51 附录 5 :元件清单 ....................................................... 53 致 谢 ................................................... 错误 ！
未定义书签。
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1 绪论 1
1 绪论 1.1 课题背景 随着经济的快速发展，人们生活水平的不断提高，资源短缺的现象逐渐凸 显，其中水资源的短缺尤为严重，然而水资源是人们日常生产和生活所不可或 缺的，长时间的断水会给人们的生活带来极大的不便，如何更好的节约和利用 水资源成为了亟待解决的问题。水塔的出现能够从一定程度上解决储水的问题， 而水塔作为了一种重要的储水工具， 一般修建在一些居民区里，以备不时之需 ，
同时它也是水厂生产工艺的一个重要组成部分。本课题设计的智能水塔水位控 制系统，正是基于对水塔水位的控制和实时监测的要求， 水位过低，易出现“空 塔”现象,导致无法正常供水；而水位过高，则会出现“溢塔”现象，造成水资 源的浪费。
传统的水塔水位控制器多采用浮球水位控制器 ， 一般使用缆浮球与分管式 浮球,缆浮球适合污水 ， 管式浮球适合清水及粘度不大的液体 ， 其优点是价格适 中,但它属于开关量控制 ， 无法给出实际水位，且浮球上易粘附污物 ， 所有浮球都 有触点接触不良现象 ， 这就可能导致系统失控 ， 调整控制点很不方便。为克服传 统水塔水位控制器的缺点，本课题利用单片机来对水塔水位进行自动控制和实 时监测，大大降低了人工耗费，既节约了利用水塔储水的成本，又使得水塔水 位控制的智能化。
水塔水位的控制和检测在水塔的工作过程中尤为重要，水塔储水意在要保 持塔内始终有足够量的储水，以避免空塔和溢塔的出现，该设计即是针对这一 问题，设计出了能够实现对水塔水位的自动检测，实时显示和上下限报警等多 功能的智能水塔水位控制系统。既能够避免使用人工检测水位时耗费的人力也 可以更好的控制水位实现储水功能，因而，在现代水塔供水系统中采用智能水 位控制是不可避免的趋势。
1.2 国内外研究现状、水平 随着科学技术的不断发展，集成电路规模日益复杂化、大型化， 各种复杂的 液位控制系统已经成为一个研究的热点， 并在各个领域得到广泛应用，是生产控 制过程的重要手段。从 20 世纪 80 年代开始 ， 一些发达国家就借助于微电子、计 算机、超声波、光纤等高科技技术使水位检测呈现出集功能、精度和现场于一体 的新水平，使水位检测技术逐步趋于智能化，并在工业部门和检测部门中得到广 泛的应用。
水塔水位检测系统主要是对水塔内水位的检测和控制。我国传统的水塔系统 大都采用精度不高的浮子式水位控制器进行水位的检测， 虽然其价格低廉，但因 无法给出实际的水位且易导致系统失控， 因而为提高水位检测的准确度，在水塔 水位控制系统设计中常采用非接触式水位检测方法， 利用超声波传感器对水塔水 位进行实时检测，并进行简单的人工控制，现阶段主要采用 PLC 水塔水位控制系 统和单
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1 绪论 2
片机水塔水位控制系统。一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动 化、无人化的方向发展。
1.3 本课题的发展趋势 水塔水位控制系统已与早期 20 世纪 80 年代在国外掀起设计风潮，而后产生了 利用传感器进行水位检测并利用单片机和 PLC 空制的系统，该系统主要由两部分 组成，第一部分是水塔水位检测系统，第二部分是水塔水位控制系统，以及产生 了水位独立控制系统和水位智能控制系统等， 在水塔水位应用方面取得了不凡的 成绩。目前，为提高水位检测的准确度和精度， 多采用非接触式水位检测法，即 采用超声波检测法、雷达检测法、射线检测法等。
随着现代科技的不断发展，微型单片机已普遍应用于各领域的水位检测系统 中。在水塔水位控制系统中，采用单片机控制，能够更好的实现其智能化。其控 制系统由中央控制装置、终端控制设备和传感器等组成。先根据实际情况设置出 水塔水位的上下限，存储于单片机中。超声波传感器实时监测水塔水位并向中央 控制装置输送检测到的数据信息，根据中央控制装置的指令输出控制信号，使电 器机械设备执行动作，实现水塔水位的智能控制。当水塔内水位低于设定的下限 时，继电器控制抽水机自动抽水；当水塔水位高于设定的上限时，继电器控制抽 水机停止抽水，这样就能够避免“空塔”和“溢塔”现象。水位的控制主要是以 51 单片机为核心，通过超声波传感器对水位进行实时监测， 并通过液晶显示器显 示当前水位和已设定的水位上下限。
当此系统上电工作后，用户首先通过键盘输 入水塔水位的上下限，单片机系统将用户设置的上下限值保存于芯片中，进入主 程序后，开始以查询的方式检测超声波传感器并将相应的数值通过显示装置显示 输出。当测得的水位小于 （ 或大于 ）
设置的下限（或上限）时，单片机将通过控 制输出接口使抽水机开始工作，使水塔内始终有足够的储水。2 系统总体设计方案 2.1 系统总体设计方案简述 本课题的水位控制系统是由数据采集和处理系统、报警系统和显示系统组 成，由超声波传感器，报警电路与显示器等组成。通过对信号的采集、分析、处 理，然后输出信号来使执行部件进行动作， 使水塔内的水位始终保持在一定的范 围内，以满足储水的要求。
2.1.1 系统基本功能 本设计基本功能实现如下：
1. 利用超声波传感器实时检测水塔内水位的值；
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2 系统总体设计方案 3
2. 利用 LCD 液晶显示装置显示当前水塔内水位的值； 3. 利用键盘电路设定水塔内水位的正常范围， 如果检测到的水位低于（或高 于）所设定的下限 （ 或上限）值则进行蜂鸣器报警操作，同时 LED 报警灯亮； 4 „水位上下限的设定可根据实际情况利用按键控制，同时超声波传感器到 水塔底部的距离也可通过按键调整，并在显示器上显示； 5.根据所测水位值进行后续控制：当水塔内的水位低于设定的水位下限时， 安装在水塔一侧的继电器控制抽水机进行自动抽水， 以避免“空塔”给人们日常 生活用水带来的不便；当水塔内水位高于设定的上限时， 继电器断开，抽水机停 止抽水操作，以避免“溢塔”造成水资源的浪费。对抽水机的控制采用自动和手 动两种控制方法，当利用单片机进行自动控制时，若单片机控制出现异常，则断 开自动控制信号，采用手动控制，以保证水塔内有足够的储水。
2.1.2 主要技术参数 水位检测范围 ：
10%-90%（根据实际水塔高度而定）
；
检测精度 ：
土 2% 控制方式 ：
手动/自动可切换； 参数调整 ：
手动设定/程序控制。
2.2 系统的工作原理 智能水塔水位控制系统能完成数据的采集和处理、 数据显示、实时报警、输 出控制信号等多种功能。此系统分别由传感器检测、数据分析、 微机控制、后续 控制等四大主要部分组成。该控制系统具有实时检测（检测水塔内的水位值）
、 实时处理（对检测到的水位值与所设定的水位上下限进行比较分析， 而后进行下 一步的控制进程）、实时控制（根据数据分析的结果发出控制指令，指挥被控对 象执行动作）的功能。主要硬件包括超声波传感器， STC89C52R（单片机、数据 采集电路、液晶显示器 LCD1602 报警器、控制模块。其原理结构图如下图 2.1 所示。
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2 系统总体设计方案 4
图 2.1 系统的原理结构图设计 首先根据实际的水塔高度，设定水塔内水位的正常范围（可通过按键进行调 整后显示），并将设定好的水位上下限预先存储于单片机中。系统的数据采集部 分是将超声波传感器置于水塔上方，测出塔内的水位值，并将测得的数据送入 STC89C52R 单片机中，然后通过 LCD 液晶显示器显示出水塔水位的测量值和上 下限值。单片机将预先设定好的上下限值与测量值进行比较， 若水位低于下限值， 则单片机控制继电器触点在主电路中闭合， 指示灯亮，控制抽水机进行自动抽水； 若所测水位高于上限值，则单片机控制继电器触点断开，抽水机停止抽水，同时 蜂鸣器进行报警，LED 报警灯亮。在单片机控制出错时切换至手动控制，以避免 “空塔”和“溢塔”现象，使水塔内水位始终保持在正常范围内，保证正常的用 水需求。
2.3 本课题的设计预期目标 本课题旨在设计出一个基于单片机的水塔水位控制系统， 即为单片机智能控 制系统，通过按键可进行水塔内水位正常范围的设置 （水位上下限值）以及塔底 距超声波传感器的距离，当水位超过正常范围时（低于水位下限值或高于水位上 限值）进行蜂鸣器报警和报警灯亮操作，再通过单片机控制继电器的断开和闭合 来控制抽水机运转，使水塔水位始终保持在正常范围内。
此系统既可以对一个水塔的水位进行控制，也可以扩展为对某区域内的多个 水塔进行控制（涉及到信息的无线发送和接收，在本论文的后半部分会简述）分 别在每个水塔处安装无线发送模块， 在中央控制室中安装无线接收模块，利用单 片机进行相应的控制，以实现节约资源的目的。本课题的设计中对水位的检测采 用超声波传感器 HC-SR04 超声波模块检测到的水位值，可直接传送至单片机中 进行数据处理。水塔水位的显示则利用 LCD 液晶显示屏，进行实时显示水位值和 水位上下限。对于输入部分，则利用键盘电路，选择 3 个按键，分别是“设置”、 “增加”、“减
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2 系统总体设计方案 5
少”键，通过这些案件进行水塔水位正常范围的调整。为更好的 实现单片机与计算机之间的信息交换，这里利用 STC89C52R 单片机的标准串行 接口，通过一些简单的外围接口电路，就可以很方便地实现单片机与计算机之间 的数据通信。由于本设计中对数据通信无特殊要求， 因此选择 RS-232 串行通信。
在接口电路和计算机接口芯片中大都为 CMO 或 TTL 电平,所以在数据通信时 , 需 进行电平的转换 , 而 MAX23 芯片可以实现 RS-232 电平和 TTL 电平之间的互转， 因此在串行通信中多采用 MAX232 对控制部分而言，主要是对水塔水位进行测 量后，与预先设定的正常范围的水位进行比较， 并采取一些后续控制。后续控制 模块主要由两部分组成：1.当水塔水位低于设定的水位下限时，由单片机控制继 电器闭合同时，从而控制抽水机自动抽水，以保证水塔内有足够的储水。2.当水 塔水位高于上限值时，由单片机控制继电器断开，从而控制抽水机停止抽水，以 防止由于塔内储水的溢出而导致的水资源的浪费。
图 2.2 系统设计概述图
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3 系统的硬件设计 6
3 系统的硬件设计 3.1 单片机的选择与其性能分析 3.1.1 单片机概述 单片机是一种集成电路芯片，它是一种把具有数据处理能力的中央处理器 CPU 随机存储器 RAM 只读存储器 ROM 多种 I/O 口和中断系统、定时器/计时 器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。单片机也称为单 片微型计算机（Single Chip Microcomputer ）。为了方便使用，它把组成计算机 的一些主要功能部件：中央处理器（CPU、数据存储器（RAM、程序存储器（ROM EPROMUPRO 或FLASH、定时/计数器和各种输入/输出接口电路等都集成在一 块半导体芯片上，构成了一个完整的计算机系统。与通用的计算机不同，单片机 的指令功能是按照工业控制的要求设计，因此它又被称为微控制器 （Microc on troller ）。
3.1.2 单片机 STC89C52R 的介绍 STC89C52R 是由 STC 公司生产的新一代的高速度、抗干扰强、低功耗的单 片机，它能够完全兼容传统的 51 单片机且其容量更大，价格更加低廉，所以在 实际应用中常常使用。其工作频率一般在 0-40MHZ 之内，相当于一般 51 单片机 的 0-80MHZ 但实际的工作频率可达到 48MHz 左右，用户的应用程序空间在 8K 字节，片上集成 512 字节 RAM 同时该单片机无需专用的编程器和仿真器，可通 过串口直接下载用户程序。STC89C52R 单片机的工作模式如下：
① 正常工作模式：典型功耗为 4mA-7mA ② 空闲模式：典型功耗为 2mA STC89C52R 单片机各管脚分配图如图 3.1 所示。
图 3.1 STC89C52RC 管脚图T2EM/P1. 1 P1. 2 P1. 3 P1. 4 P1. 7 RST 筈）
CD/FS. 0 TXB/P3, 1 MT0/?3. 2 J>Ti/P3- 3 TO/P3. 4 T1^3. | 雪 e RD/P3. T rTALI KTAL1 vss hauALILLaARAilrmlnnmnn
*0193s57騎：跖幹3i30MS527齢肝烈532?卸
FO. PO. 2/AD2 POL 3/AliJ FO. 4/AS1 PO. E/AD& Fh. ST 皮 PL 5/A31 P2-. P2. 3 Ml I F2-. 2/A-JCI P2. HHTS
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3 系统的硬件设计 7
各引脚功能简单介绍如下：
1. VCC:供电电压； 2. GND 接地； 3. P0 口：
P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口。作为输出端口，每个管脚 可驱动 8 个 TTL 负载，对 P0 口写“ T 时，可以作为高阻抗输入。
4. P1 口：
P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 口的输出缓 冲器能驱动（输出或者吸收电流方式）4 个 TTL 输入。
5. P2 口：
P2 口为一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口的输出缓 冲器可驱动（输出或者吸收电流方式）4 个 TTL 输入，当 P2 口写“1”时，其管 脚电位被内部上拉电阻拉高，且作为输入口。作为输入口使用时， P2 口的管脚 电位被外部拉低，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
6. P3 口：
P3 口是一个带内部上拉电阻的 8 为双向 I/O 端口，其输出缓冲器 可驱动（输出或者吸收电流方式）4 个 TTL 输入。
7. RST:复位输入。当输入两个连续机器周期以上高电平时为有效，用来完 成单片机的复位初始化操作。
8. ALE / PROG :当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存 低 8 位地址的输出脉冲。
9. PSEN 外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取址期间，每个 机器周期 PSEN 两次有效。但在访问内部数据存储器时，这两次有效的 PSEN 信号 将不会出现； 10. EA/VPP:当 EA 保持低电平时，访问外部 ROM 加密方式 1 时，EA 将内部 锁定为 RESET 当 EA 端保持高电平时，访问内部 ROM 在 FLASH 编程期间，此引 脚也用于施加 12V 编程电源（VPP）; 11. XTAL1:内部时钟工作电路和反向振荡放大器的输入端； 12. XTAL2:反向振荡器的输入端。
3.1.3 单片机最小系统的介绍 单片机最小系统 ， 或者称为单片机的最小应用系统 ， 是指用最少的元件组成 的单片机可以工作的系统。对 51 系列单片机来说，最小系统一般应该包括 ：
单片 机、晶振电路和复位电路。
复位电路：单片机中的复位电路就好像是电脑的重启部分， 当电脑在使用过 程中出现死机时，按下电脑的重启按钮即可恢复。
单片机在使用中也一样，当单 片机系统在运行过程中受到环境干扰出现程序出错的时候， 按下复位按钮即可使 内部的程序自动从头开始执行。晶振电路：
51 单片机最小系统晶振的振荡频率 直接影响单片机的处理速度，频率越大处理速度越快。在 51 单片机中，晶振输
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3 系统的硬件设计 8
出的脉冲周期为脉冲周期，12 个脉冲周期为机器周期，单片机工作时间的最小 值即为该单片机的机器周期。单片机的最小系统如图 3.2 所示。
图 3.2 单片机最小系统的电路图
3.2 传感器的选择与其性能分析 3.2.1 超声波传感器 HC-SR04 简介 本设计中对水塔水位的检测采用的是超声波传感器 HC-SR04 它可提供 2cm-400cm 的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到 3mm 模块包括超声波 发射器、超声波接收器与控制电路三部分。
本模块性能稳定，测度距离精确，模 块高精度，盲区小，能和国外的 SRF02 SRF05 等超声波测距模块相媲美。
HC-SR04 勺主要技术指标：
① 工作电压：直流 5V 电压； ② 工作电流：15mA ③ 工作频率：40HZ ④ 电平输出：高电平 5V,低电平 0V; ⑤ 探测距离：2cm-400cm ⑥ 感应角度：小于等于 15 度； ⑦ 输入触发信号：10us 的 TTL 脉冲； ⑧ 输出回响信号：输出 TTL 电平信号，与射程成比例； ⑨ 高精度：可达 3mm. HC-SR04 有四个引脚，Vcc 为外接电源输入端；GND fe 接地端；Trig 为触发 控制信号 I/O 端口； Echo 为回响信号输出端口。超声波模块的电路原理图如图 3.3 所示。
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3 系统的硬件设计 9
G7D
图 3.3 超声波模块电路原理图 3.2.2 HC-SR04 水位检测工作原理 超声波传感器 HC-SR04 水位检测的基本原理是：先由超声波传感器发出脉冲 信号，经空气传播，在遇到空气与液面的界面后被反射， 传感器接收到回波信号 后利用单片机内部时钟计算往返时间， 即可换算处水塔水位的高度。利用超声波 检测水位较其他检测方法而言有许多优点：⑴属于非接触式测量方法，无任何机 械传动部件，不怕电磁干扰，也不怕酸碱等强腐蚀性液体等，因而它具有性能稳 定、可靠性强以及寿命长等特点；⑵其响应时间短可方便的实现无滞后的实时检 测 。
本设计采用得到超声波传感器的工作频率为 40kHz,由传感器的发射端发射 超声波脉冲，设每分钟发射两次，接收器接收由水面反射回来的超声波， 用声波 在空气中的传播速度乘以来回所用的时间， 然后除以二来计算超声波传感器到水 面的距离，由于传感器距离水底的距离设为已知， 用已知距离减去超声波测出的 距离，得到的就是液位深度。至于时间的计算是由单片机内部的时钟来计时， 从 脉冲发出开始计时，到脉冲接收到计时结束，就这样计算时间差，从而来提供时 间变量。其计算公式为：
V 331.5 0.607T .............................. ① （式①中：V 为超声波在空气中传播速度；T 为环境温度。）
S V t/2 V t1 t0/2 ........................ ② （式②中：S 为传感器到水位的距离；t 为发射与接收超声波的时间差；t1 为接 收超声波时刻；t0 为超声波脉冲的发射时刻。）
（式③中：h 为传感器到水塔水底的距离。）
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3 系统的硬件设计 10
3.3 数据采集电路的设计 3.3.1 水位采集电路 本设计采用超声波传感器 HC-SR04!行水位采集，由于 HC-SR04 共有四个引 脚，分别为 VCC GND Trig、Echo,因而该模块与单片机的连接电路也非常简 单，在单片机与超声波模块的连接原理图中，将触发控制信号 I/O 端口 Trig 和 回响信号输出端口 Echo 分别于单片机的两个引脚连接，其中 VCC 端口需要接上 5V电源电压，GNC 端接地。其与单片机的连接原理图如图 3.4 所示。
RXD 10 P30<RXD P31/TXD P324NTO P33/1NTL P34fTO P35/T1 P37/RD 卩 3 VCC T TXD 11 Trig 12 Tnu Echo 13 Echo flaeCall 14
E 15
RW16
Heddei 4 - GND RS 17 图 3.4 单片机与 HC-SR04 连接原理图
3.3.2 水位集中采集的理论研究 在实际的应用中，为满足人们对用水的需求，经常需要对某一区域内的多个 水塔的水位进行实时检测，该系统主要是由水位检测、无线发射和无线接收三大 主要部分组成。其工作原理为：在水塔处安装单片机和水位检测和无线发送模块， 将水位检测传感器测得的数据传送给单片机，单片机进行分析和处理之后通过 LCD 显示器显示当前水位，并将数据经 NRF24L01 无线发送模块发送至中央控制 室的 NRF24L0 优线接收模块，将接收到的数据经单片机处理后由 LCD 显示器实 时显示水位，便于中央控制室进行实时监控。而水位检测与无线发送最多可扩展 至 125个，水位检测的无线接收部分只需要一个， 可实现水塔水位检测的多发一 收，从而实现多处水位采集，并集中控制。其系统总体框图如图 3.5 所示。
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无线发送器安装在水塔的单片机处，用来实时发送当前的水位数据；无线 接收器安装在中央控制室里的单片机处，用来实时接收无线发送模块发送来的水 位信号，以实现远程检测的目的。NRF24L01 属于无线数据传输单片射频收发芯 片，芯片内部有频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块。工 作于 2.4-2.5GHZISM 频段，其通信频道和输出功率可由程序进行配置， 且芯片能 耗较低。NRF24L01 是一个独立的模块，可通过 SPI 接口和外部的控制器件进行 数据交换，若外部控制器件没有 SPI接口，则可以采用 I/O 口模拟。单片机与 NRF24L0 啲连接图如图 3.6 所示。
1
P30 2 vcc
GND
7P37 F313 CE
6P36 P334 SCK
MOSI
5P35
MISO
IRQ
NFR24LO1 图 3.6 单片机与 NRF24L01 的连接图
3.4 键盘电路与显示部分 3.4.1 键盘部分 针对此次设计要求而言，共采用了五个按键，其中一个是电源按键，一个是 复位键，另外的三个按键主要用来实现水塔水位的初始设置， 即塔内水位的正常 范围设置，按键功能名称有“设置”按键、 “增加”按键和“减少”按键，通 过这三个按键即可实现对水位上下限的合理调整。
根据本次设计的实际情况，该 系统采用的是独立式键盘。独立式键盘的特点是：一键一线，各按键相互独立， 每个按键各接一个 I/O 口线，然后通过检测每个 I/O 输入线的电平状态，能够很 容易的判断出是哪个按键被按下，从而实现按键功能。这种键盘结构的优点是电 路简单，且每个按键的工作状态不会相互影响； 缺点是当按键的数量较多时占用 的 I/O 线的数量也较多。其超声波发送 超声波接收 抽水机控制 单 I 无线接收 => LCD 显示 机
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图 3.5 系统总体框图
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与单片机的连接电路图如图 3.7 所示。
单片机检测按键的原理是：单片机的 I/O 口既可作为输出也可作为输入使 用，检测按键是使用得是它的输入功能。
其中按键的一端接地，另一端与单片机 的 I/O 端口相连，开始时先给该 I/O 口赋一高电平，然后单片机不断检测该 I/O 端口是否变为低电平，当按键被按下时，即相当于该 I/O 口通过按键与地相连， 变为低电平，然后根据写好的程序执行相应的指令。
342 显示部分 本系统的显示部分选用了 LCD1602 液晶显示器，其为工业字符型液晶，可以 同时显示 16 X 2 即 32 个字符（16 列 2 行）。LCD1602 液晶显示器也叫 1602 字符 型液晶，它是一种专门用来显示数字、符号、字母等的点阵型液晶显示器，它由 若干个 5 X 11 或者 5 X 7 点阵字符位组成，其中每个点阵字符位均可显示一个字 符。但 LCD160 环能显示图形，n 1602LCD 是指显示的内容为 16 X 2:每行 16 个 字符液晶模块（显示字符和数字），可显示两行。n 目前市面上绝大多数基于 HD44780 液晶芯片的字符液晶，控制原理与 LCD1602 是完全相同的，因此基于 HD44780 写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。
LCD1602 液晶显示器微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧，常用在袖珍式 仪表和低功耗应用系统中。
LCD1602 管脚功能简介：
管脚 1 （Vss）:电源地； 管脚 2 （VDD：电源正极； 管脚 3（ V0）:液晶显示对比度调整端，接地电源时对比度最高，接正电源 时对比度最弱（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个 10K 的电位器调整对比度）； 管脚 4（ RS：数据/命名选择端（H/L ），当低电平 0 时选择指令寄存器，高 电平1 时选择数据寄存器； 管脚 5 （RV）：读写选择端（H/L），低电平时进行写操作，高电平时进行读 操作； 管脚 6 （E）:使能 （ enable）端；
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管脚 7-14 （ D0-D7）：
8 位双向数据口； 管脚 15-16 （BLA-BLK :背灯电源或者空脚，背光正极（15 脚），背光负极 （16 脚）。
主要技术参数：
① 显示容量：16x2 个字符； ② 芯片工作电压：4.5-5.5V ； ③ 工作电流：2.0mA ④ 模块最佳工作电压；5.0V.
图 3.8 图为 LCD1602 的管脚示意图 LCD1602 可以直接与单片机的引脚连接，进行相应的水塔水位显示。其与单 片机的连接电路图如图 3.9 所示。
图 3.9 LCD1602 与单片机 AT89C52 的连接电路图
3.5 报警电路设计 3.5.1 蜂鸣器简介 蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器， 采用直流电压供电，广泛应用于计 算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等 电子产品中作发声器件。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类 型。蜂鸣器在电路中用字母 H 或者 HA 表示。本设计使用蜂鸣器进行报警，当控 制设备出现故障或其他原因使水塔水位超过设定的水位正常范围时， 蜂鸣器会发
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出警报声，以提醒用户。在一些控制系统中，为了使生产安全，对于许多系统部 位或重要的参数，都会设置紧急状态报警系统，用来提醒工作人员采取紧急措施。
其方法是将计算机采集到的数据或通过计算机进行数据处理、 数据分析后，与该 参数预先设定的上下限值进行比较，如果低于下限值（或高于上限值）则进行报 警，否则即为采样正常值，并进行显示和后续控制。
3.5.2 蜂鸣器的设计 本设计采用峰鸣音报警电路。蜂鸣音报警接口电路的设计只需购买市面上的 压电式蜂鸣器，然后通过 AT89C52 的 1 根口线经驱动器驱动蜂鸣音发声。
压电式 蜂鸣器约需 10mA 勺驱动电流，可以使用 TTL 系列集成电路 7406 或 7407 低电平 驱动，也可以用一个晶体三极管驱动。在图中，当输出高电平“ 1”时，晶体管 导通，压电蜂鸣器两端获得约+5V 电压而鸣叫；当输出低电平“ 0”时，三极管 截止，蜂鸣器停止发声。由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，以致于单片机的 I/O 口是无法直接驱动的，所以要利用放大电路来驱动，一般使用三极管 8550 或 9013 来放大电流驱动蜂鸣器。此报警模块是在当温度和湿度有一个数值出现 异常情况时则会报警，所以加上四个非门和一个思路或非门构成。
蜂鸣器设计电 路如下图 3.10 所示。
图 3.10 蜂鸣器电路的设计图
3.5.3 蜂鸣器和 LED 丁报警 本设计预先设定好了水位的上下限，并通过 LCD 显示器显示，水位上下限 值和超声波传感器距塔底的距离均可通过按键调整。利用超声波模块检测水位， 当计算出来的水位超过设定的水位上限时，蜂鸣器就会发出报警声同时 LED 红 灯亮，当计算出来的水位低于设定的下限时， 蜂鸣器也会发出报警声且此时 LED 黄灯亮，当测得的水位在正常值范围内时， LED 绿灯亮。蜂鸣器报警电路连接 图如图 3.11 所示。
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图 3.11 蜂鸣器报警电路连接图
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3.6 控制部分电路分析 3.6.1 继电器原理简介 继电器属于一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制 系统（又称输出回路），它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动 开关”通常应用于自动控制电路中。所以在电路中起着自动调节、安全保护、 转换电路等作用。继电器分为很多种，本设计使用的是小功率电磁继电器。
电磁式继电器一般由线圈、衔铁、铁芯、触点簧片等部分组成的。只要在线 圈两端加上一定的电压，线圈中就会有一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁会 在电磁力的吸引下被弹簧的拉力吸向铁芯， 从而带动衔铁的动触点与静触点（常 开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作 用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。这样吸合、 释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭” 触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点， 称为“常 开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。
1. JQC-3FF 型电磁继电器参数
2. JQC-3FF 型电磁继电器功率接口 对于电磁继电器功率接口一般有两种：
一种是采用功率接口集成电力，另一 种是采用分立晶体管驱动。
图 3.12 所示是采用功率管集成电路驱动的继电器接口电路。功率集成芯片 75452,其 loc=300mA,几乎能驱动任何型号的小型继电器。图中的二极管 D 是
外形 尺寸 外形及尺寸 线圈参数 L ____ »_J
Ml 胡 111
丄 4
触电参数 般参数 r 触点负载 绝缘电阻 10A 277V AC
10A 277V AC 100M Q , 500 VDC
环境温度 接触电阻 -40 C -85 C < 100m Q 机械寿命
1000 万次 触点与线圈间 电气寿命 耐压 1500V AC 10 万次 触点与触点间 质量 耐压 1000V AC < 20g
线圈电压 3-48V DC 线圈功耗 < 360mW
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专门为保护驱动器而设置的。在驱动器的输出由 0 变为 1 时，继电器的接通变为 关断时，由于它的线包是感性负载，所以会产生很高的感应电势，此时二极管提 供的泄流回路保护驱动器不被反电势击穿。
图 3.12 采用功率集成电路的继电器接口 另一种电磁继电器采用晶体管驱动的电路，如图 3.12 所示，当单片机接口 处接入为低电平时，继电器 J 吸合；为高电平时，继电器 J 释放。采用这种控制 逻辑可以使继电器在上电复位或单片机接受控制复位时不吸合。
继电器一般是由 普通晶体管 9013 驱动，可提供 300mA 勺驱动电流，适合于工作电流小于 300mA 的继电器线圈。其电压范围大约为6-30V,光电耦合器使用电流传输比不低于 50% 的TIL117。当继电器线圈工作电流为 300mA 寸，光电耦合器需要输出大于 6.8mA 的电流。只有当输入光电耦合器的电流大于 13.6mA 时，才能保证能为继电器提 供 300mA 勺电流。
3.6.2 控制系统的设计原理 在控制模块的电路图设计中，控制模块由继电器控制电机状态来表示后续控 制模块的操作，当测得的水塔内水位低于预设的水位下限值时单片机控制继电器 在主电路中闭合，从而控制抽水机进行抽水（此时位于继电器下方的指示灯亮）； 当水塔内水位高于预设的水位上限时单片机控制继电器在主电路中断开， 从而控 制抽水机停止抽水（此时指示灯不亮）。在控制电路中附加一个电机来模拟后续 操作模块的工作，利用电机代替抽水机（水泵），当继电器闭合时，电路接通， 带动电机转动；反之，若继电器断开，则电机停止转动。控制模块电路设计如下 3.13。
+12V 無测—
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图 3.13 控制模块电路图
3.6.3 控制系统电源电路设计 本系统中要使水塔水位控制系统能够正常工作， 必须要有一套完整的电源供 电系统。使各个子系统模块都能满足正常供电，进行正常运作。本设计主要采用 双电源供电，因为 220V 交流转 5V 直流稳压电源会更加安全和实用。
供电过程大 致为 220V交流电经 12V 变压整流后提供 12V 直流电源。再通过电源芯片 LM7805 稳压后为各子模块提供稳定的 5V 直流电源。此外系统电源提供一套备份电源， 当在没有 220V 交流电源的情况下可以使用 DC9Vf 电池供电。当接通交流电时， 电路自动切换到交流电供电，并且对干电池进行慢性充电。控制系统电源设计框 图如下图 3.14 所示。
图 3.14 控制系统电源设计框图
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3.7 单片机与 PC 机的通信接口 利用 STC89C52R 单片机的标准串行接口，通过简单的外围接口电路，可以 方便地实现单片机与 PC 机之间的数据通信。由于本文对数据通信无特殊要求， 因此选择RS-232 串行通信。在接口电路和计算机接口芯片中大都为 TTL 或 CMOS 电平,所以在通信时 , 必须进行电平转换 , 而 MAX232 芯片可以完成 RS-232 电平与 TTL 电平的互转。MAX232 芯片是由 MAXIN 公司生产的一种单电源、低功耗的双 RS232 发送/接收器，可以把输入的+5V 电源变换成 RS-232C 输出电平所需的土 10V 电压,所以采用此芯片接口的串行通信系统只要单一的 +5V 电源就可以。
MAX232 的管脚说明：C1+，C1-，C2+，C2-:外接电容...
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