基于亏单片机的水塔水位检测控制系统仿真设计

第一篇：基于亏单片机的水塔水位检测控制系统仿真设计

基于亏单片机的水塔水位检测控制系统仿真设计

时间：2009-06-23 09:47:04 来源：国外电子元器件 作者：马俊，陈靖 青海师范大学

摘要：设计一种基于单片机水塔水位检测控制系统。该系统能实现水位检测、电机故障检测、处理和报警等功能，实现超高、低警戒水位报警，超高警戒水位处理。介绍电路接口原理图，给出相应的软件设计流程图和汇编程序，并用Proteus软件仿真。实验结果表明，该系统具有良好的检测控制功能，可移植性和扩展性强。

关键词：单片机；水位检测；控制系统；仿真

l 引言

水塔供水的主要问题是塔内水位应始终保持在一定范围，避免“空塔”、“溢塔”现象发生。目前，控制水塔水位方法较多，其中较为常用的是由单片机控制实现自动运行，使水塔内水位保持恒定，以保证连续正常地供水。实际供水过程中要确保水位在允许的范围内浮动，应采用电压控制水位。首先通过实时检测电压，测量水位变化，从而控制电动机，保证水位正常。因此，这里给出以Atmel公司的AT89C5l单片机为核心器件的水塔水位检测控制系统仿真设计，实现水位的检测控制、电机故障检测、处理和报警等功能，并在Pmteus软件环境下实际仿真。实验结果表明，该系统具有良好的检测控制功能，可移植性和扩展性强。水塔水位控制原理

单片机水塔水位控制原理如图l所示，图中的虚线表示允许水位变化的上、下限位置。在正常情况下，水位应控制在虚线范围之内。为此，在水塔内的不同高度处，安装固定不变的3根金属棒A、B、C，用以反映水位变化的情况。其中，A棒在下限水位，B棒在上、下限水位之间，C棒在上限水位(底端靠近水池底部，不能过低，要保证有足够大的流水量)。水塔由电机带动水泵供水，单片机控制电机转动，随着供水，水位不断上升，当水位上升到上限水位时，由于水的导电作用，使B、C棒均与+5 V连通。因此b、c两端的电压都为+5 V即为“1”状态．此时应停止电机和水泵工作，不再向水塔注水；当水位处于上、下限之间时，B棒和A棒导通，而C棒不能与A棒导通，b端为“1”状态，c端为“0”状态。此时电机带动水泵给水塔注水，使水位上升，还是电机不工作，水位不断下降，都应继续维持原有工作状态；当水位处于下限位置以下时，B、C棒均不能与A棒导通，b、c均为“0”状态，此时应启动电机转动，带动水泵给水塔注水。

电路设计

水塔水位控制系统主要由CPU(AT89C51)、水位检测接口电路、报警接口电路、存储器扩展接口电路、复位电路、时钟振荡等部分组成，如图2所示。图3为系统硬件电路。

3．1 水位检测接口电路

为了便于实现水位检测功能，用一个两位的拨码开关模拟b、c端的状态（1、0)，正电极接+5 V电源，每个负电极分别通过4．7 kQ的电阻(尺1，R2)接地。将单片机的P1．0端口接开关1，P1．1端口接开关2。假设被水淹没的负电极都为高电平，此时开关置1；露在水面的负电极都为低电平，开关此时置为0。单片机通过负电极重复采集检测水位，当缺水时(此时两个开关均置0)，电机必须带动水泵抽水；若水位在正常范围内时，检测信号为高，低电平(此时开关1置1，开关2置0)；当水位过高时，检测信号为高电平(此时开关l和2都置1)，单片机检测到P1．0和P1．1为高电平后，立即停机。3．2 报警接口电路

为了避免系统发生故障时，水位失去控制造成严重后果，在超出、低于警戒界水位时，报警信号直接从高、低警界水位电极获得。单片机P1．7端口为启动电机命令输出端口，P1．7=0为低电平，经过非门后与电机的另一端接地导通，启动电机工作；P1．7=l为高电平，反之，电机停止工作。电机故障报警由单片机控制，电机故障报警信号由P1．0和P1．1输人．当P1．5为高电平时蜂鸣器报警。水位超过高警戒水位，单片机控制系统使电机停止转动，向水塔内供水工作也停止。3．3 存储器扩展接口电路

为了便于系统扩展，存放大容量应用程序，系统设计扩展一片程序存储器，用于存放源程序代码。74LS373用于锁存地址，单片机的P0．0～P0．7通过复用方式分别接锁存器74LS373的DO～D7和存储器2732的D0～D7端，地址锁存信号线ALE接锁存器的OE端，通过软件设置实现地址和数据信息的传输，锁存器的输出端OQ0～O7与存储器地址线A0～A7相连，剩余的3根地址线A8～A11接P2．0～P2．2．单片机选通引脚丽接存储器OE端，因只扩展一片存储器，片选端CE接地。系统软件设计

当水塔水位处于上、下限之间时，P1．0=l，P1．1=0，此时无论电机是在带动水泵给水塔供水使水位不断上升．还是电机没有工作使水位不断下降，都应继续维持原有工作状态；当水位低于下限时，P1．0=0，P1．1=0，此时启动电机转动，带动水泵给水塔供水。水位检测信号与输出控制操作关系如表1所列，图4为水塔水位控制程序流程。实验仿真结果

根据所设计系统的软件流程图，编写相应的程序在Pro-teus软件环境下实际仿真，实验结果表明，该系统能成功实现了水位检测、电机故障检测、处理和报警等功能，具有良好的检测控制功能，可移植性和扩展性强。通过制作PCB板子，该系统已成功运用于某实验水冷却系统。

结语

该系统设计是基于在单片机嵌入式系统而设计的，充分利用单片机强大控制功能和方便通信接口，该检测控制系统在实验室某实验水冷却系统得到成功实践，实现水位检测、电机故障检测、处理和报警等功能，提高了实验的自动控制能力。进一步优化系统软硬件设计，可为实时实现远端控制，因此，该系统在农村水塔，城市水源检测控制等领域有着广阔的应用前景

第二篇：基于plc水塔水位控制系统设计

实 训（习）报 告

课程名称：专 业 综 合 实 训

专 业： 生产过程自动化

班 级：

学 号：

姓 名：

指导教师： 成 绩：

完成日期：

目 录

1、PLC简介.........................................................................................................1 1.1、可编程控制器的产生..................................................................................1 1.2、PLC的发展..................................................................................................3 1.3、PLC的未来展望..........................................................................................4 1.4、PLC的特点..................................................................................................4 1.5、PLC的组成..................................................................................................5 1.5.1、中央处理单元(CPU)................................................................................6 1.5.2、存储器.......................................................................................................6 1.5.3、输入/输出模块..........................................................................................8 1.5.4、扩展模块...................................................................................................9 1.5.5、编程器.......................................................................................................9 1.5.6、电源.........................................................................................................11 1.6、PLC的工作原理........................................................................................11 1.6.1、扫描技术.................................................................................................12 1.6.2、PLC的I/O响应时间.............................................................................13 1.7、梯形图程序设计........................................................................................13

2、方案的论证...................................................................................................15 2.1、工艺过程分析............................................................................................15 2.2、PLC型号的选择........................................................................................15 2.3、工作控制方式............................................................................................15

3、水塔水位系统PLC硬件设计.....................................................................17 3.1、水塔水位系统控制电路............................................................................17 3.2、输入/输出分配...........................................................................................18 3.3、水塔水位系统的接线图............................................................................18

4、水塔水位控制系统PLC软件设计.............................................................19 4.1、程序流程图................................................................................................19 4.2、梯形图........................................................................................................20 4.3、系统程序的具体分析................................................................................21

4.4、水塔水位控制系统梯形图的对应指令表................................................22

5、总结...............................................................................错误！未定义书签。致

谢.............................................................................................................24 参考文献.............................................................................................................25

摘要

在工农业生产过程中，经常需要对水位进行测量和控制。水位控制在日常生活中应用也相当广泛，比如水塔、地下水、水电站等情况下的水位控制。而水位检测可以有多种实现方法，如机械控制、逻辑电路控制、机电控制等。本文采用PLC进行主控制，在水箱上安装一个自动测水位装置。利用水的导电性连续地全天候地测量水位的变化，把测量到的水位变化转换成相应的电信号，主控台应用MCGS组态软件对接收到的信号进行数据处理，完成相应的水位显示、故障报警信息显示、实时曲线和历史曲线的显示，使水位保持在适当的位置。

关键词： 水位控制、欧姆龙PLC

1、PLC简介

1.1、可编程控制器的产生

可编程控制器是二十世纪七十年代发展起来的控制设备，是集微处理器、储存器、输入/输出接口与中断于一体的器件，已经被广泛应用于机械制造、冶金、化工、能源、交通等各个行业。计算机在操作系统、应用软件、通行能力上的飞速发展，大大加强了可编程控制器通信能力，丰富了可编程控制器编程软件和编程技巧，增强了PLC过程控制能力。因此，无论是单机还是多机控制、是流水线控制还是过程控制，都可以采用可编程控制器，推广和普及可编程控制器的使用技术，对提高我国工业自动化生产及生产效率都有十分重要的意义。

可编程控制器(Programmable Controller)也可称逻辑控制器(Programmable Logic Controller),是一微处理器为核心的工业自动控制通用装置，是计算机家族的一名成员，简称PC。为了与个人电脑（也简称PC）相混淆通常将可编程控制器称为PLC。

可编程控制器的产生和继电器—接触器控制系统有很大的关系。继电器—接触器控制已经有伤百年的历史，它是一种弱电信号控制强电信号的电磁开关，具有结构简单、电路直观、价格低廉、容易操作、易于维修的有优点。对于工作模式固定、要求比较简单的场合非常使用，至今仍有广泛的用途。但是当工作模式改变时，就必须改变系统的硬件接线，控制柜中的物件以及接线都要作相应的变动，改造工期长、费用高，用户宁愿扔掉旧控制柜，另做一个新控制柜使用，阻碍了产品更新换代。

随着工业生产的迅速发展，市场竞争的激烈，产品更新换代的周期日益缩短，工业生产从大批量、少品种，向小批量、多品种转换，继电器—接触器控制难以满足市场要求，此问题首先被美国通用汽车公司（GM公司）提了出来。通用汽车公司为适合汽车型号的不断翻新，满足用户对产

品多样性的需求，公开对外招标，要求制造一种新的工业控制装置，取代传统的继电器—接触器控制。其对新装置性能提出的要求就是著名的GM10条，编程方便，现场可修改程序； 维修方便，采用模块化结构；可靠性高于继电器控制装置；体积小于继电器控制装置； 数据可直接送入管理计算机；成本可与继电器控制装置竞争； 输入可以是交流115V； 输出为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀，接触器等；在扩展时，原系统只要很小变更；用户程序存储器容量至少能扩展到4K。

这十项指标就是现代PLC的最基本功能，值得注意的是PLC并不等同于普通计算机，它与有关的外部设备，按照“易于与工业控制系统连成一体”和“便于扩充功能”的原则来设计。

用可编程控制器代替了继电器—接触器的控制，实现了逻辑控制功能，并且具有计算机功能灵活、通用性等有点，用程序代替硬接线，并且具有计算机功能灵活、通用性能强等优点，用程序代替硬接线，减少了重新设计，重新接线的工作，此种控制器借鉴计算机的高级语言，利用面向控制过程，面向问题的“自然语言”编程，其标志性语言是极易为IT电器人员掌握的梯形图语言，使得部熟悉计算机的人也能方便地使用。这样，工作人员不必在变成上发费大量地精力，只需集中精力区考虑如何操作并发挥改装置地功能即可，输入、输出电平与市电接口，市控制系统可方便地在需要地地方运行。所以，可编程控制器广泛地应用于各工业领域。

PLC问世时间不长，但是随着微处理器的发展，大规模、超大规模集成电路不断出现，数据通信技术不断进步，PLC迅速发展。PLC进入九十年代后，工业控制领域几乎全被PLC占领。国外专家预言，PLC技术将在工业自动化的三大支柱（PLC、机器人和CAC/CAM）种跃居首位。

我国在八十年代初才开始使用PLC，目前从国外应进的PLC使用较为普遍的由日本OMRON公司C系列、三菱公司F系列、美国GE公司GE系列和德国西门子公司S系列等。

1.2、PLC的发展

虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模，超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC也迅速发展，其发展过程大致可分为三各阶段：

早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。这是的PLC多少由电继电器控制装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。它在硬件上 以计算机的形式出现，在I/O接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求。装置种的器件主要采用分离元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。在软件编程上采用广大电器工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式—梯形图。因此，早期的PLC的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指示，能重复使用等。其中PLC特有的编程语言—梯形图一直沿用至今。

在七十年代，微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化。美国，日本，德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元（CPU）。

这样，使PLC的功能大大增强。在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。再硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量快、远程I/O模块、各种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量，是各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC的应用范围得以扩大。

进入八十年代中、后期，由于插大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商纷纷开发研制了专用逻辑处理芯片。这样使得PLC软、硬功能发生了巨大变化。

1.3、PLC的未来展望

21世纪，PLC会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统DCS（Distributed Control System）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。

1.4、PLC的特点 可靠性高，抗干扰能力强

高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。配套齐全，功能完善，适用性强

PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。易学易用，深受工程技术人员欢迎

PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造

PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。体积小，重量轻，能耗低

以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

1.5、PLC的组成

PLC的硬件主要是由中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元，通信接口、扩展接口电源等部分组成。其中，CPU是PLC的核心，输入单元与输出单元是连接现场输入/输出设备与CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。典型PLC组成框图如图1.1所示。

图1.1 典型PLC组成框图

1.5.1、中央处理单元(CPU)中央处理单元(CPU)是PLC控制中枢。它PLC系统程序赋予功能接收并存储从编程器键入用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器状态，并能诊断用户程序中语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描方式接收现场各输入装置状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，命令解释后按指令规定执行逻辑或算数运算结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区各输出状态或输出寄存器内数据传送到相应输出装置，如此循环运行，直到停止运行。

进一步提高PLC可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU表决式系统。这样，某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。

1.5.2、存储器

存放系统软件存储器称为系统程序存储器。存放应用软件存储器称为用户程序存储器。

1、PLC常用存储器类型

（1）RAM（Random Assess Memory）这是一种读/写存储器(随机存

储器)，其存取速度最快，由锂电池支持。

（2）EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory）这是一种可擦除只读存储器。断电情况下，存储器内所有内容保持不变。紫外线连续照射下可擦除存储器内容)。

（3）EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)这是一种电可擦除只读存储器。使用编程器就能很容易对其所存储内容进行修改。

2、PLC存储空间分配

各种PLCCPU最大寻址空间各不相同，PLC工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域：

（1）系统程序存储区

（2）系统RAM存储区（包括I/O映象区和系统软设备等）（3）用户程序存储区

系统程序存储区：系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统系统程序。包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序等。由制造厂商将其固化EPROM中，用户不能直接存取。它和硬件一起决定了该PLC性能。

系统RAM存储区：系统RAM存储区包括I/O映象区以及各类软设备，如：逻辑线圈；数据寄存器；计时器；计数器；变址寄存器；累加器等存储器。

（1）I/O映象区：PLC投入运行后，输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据，输出刷新阶段才将输出状态和数据送至相应外设。它需要一定数量存储单元(RAM)以存放I/O状态和数据，这些单元称作I/O映象区。一个开关量I/O占用存储单元中一个位（bit），一个模拟量I/O占用存储单元中一个字（16个bit）。整个I/O映象区可看作两个部分组成：开关量I/O映象区；模拟量I/O映象区。

（2）系统软设备存储区 ：I/O映象区区以外，系统RAM存储区还包括PLC内部各类软设备（逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器和累加器等）存储区。该存储区又分为具有失电保持存储区域和无失电保持存储区域，前者PLC断电时，由内部锂电池供电，数据不会遗失；后者当PLC

断电时，数据被清零。

用户程序存储区：主要用来存放用户的应用程序。所谓用户程序时指使用户根据工程现场的的产生过程和工艺要求编写的控制程序。次程序由使用者通过编程器输入到PLC机的RAM存贮器中，以便于用户随时修改。也可将用户程序存放在EEPROM中。

1.5.3、输入/输出模块

输入/输出模块是可编程控制器与工业生产设备或工业生产过程连接的借口。现场的输入信号，如按钮开关，行程开关、限位开关以及传感输出的开关量或模拟量（压力、流量、温度、电压、电流）等，都要通过输入模块送到PLC。由于这些信号电平各式各样，而可编程控制器CPU所处理的信息只能是标准电平，所以输入模块还需将这些信号转换成PLC能够接受和处理的数字信号。输入模块的作用是接收中央处理器处理过的数字信号，并把它转换成现场执行部件所能接收的控制信号，以驱动如电磁阀、灯光显示、电机等执行机构。可编程控制器有多种输入/输出模块其类型有数字量输入/输出模块和模拟量输入/输出模块。这些模块分直流和交流、电压和电流类型，每种类型又有不同的参数等级，主要有数字量输入/输出模块和模拟量输入输出/模块，部件上都设有接线端子排，为了滤除信号的噪声和便于PLC内部对信号的处理，这些模块上都带有滤波、电平转换、信号锁存电路。数字量输入模块带有广电耦合电路，其目的是把PLC与外部电路隔离起来，以提高PLC的抗干扰能力。数字两输出有继电器输出、晶体管输出和可控硅输出三种方式。模拟量输入/输出模块主要用来实现模拟量与数字量之间的转换，即A/D或D/A转换。由于工业控制系统中有传感器或执行机构有一些信号是连续变化的模拟量，因此这些模拟量必须通过模拟量输入/输出模块与PLC的中央处理器连接。模拟量输入模块A/D转换后的二进制数字量，经光电耦合器和输出锁存器宇PLC的1/0总线挂接。现在标准量程的模拟电压主要是0—5伏和0—10伏两种。模拟量输入模块接收标准量程的模拟电压或电流猴，把它转换成8未、10未或12位的二进制数字信号，送给中央处理器进行处理。模拟量输出模块将中央处理器的二进制数字信号转换成标准量程的电压或电流输出信号，提供给

执行机构。

1.5.4、扩展模块

当一个PLC中心单元的I/O点数不够用时，就要对系统进行扩展，扩展接口就是用于连接中心基本单元与扩展单元的。模块随着可编程控制器在工业控制中的广泛应用和发展，使可编程控制器的功能更加强大和完善。只能I/O接口模块种类很多，例如高速计数模块、PLCA控制模块、数字位基于PLC的变频恒压供水系统的设计置译码模块、阀门控制模块、智能存贮弄快以及智能I/O模块等。

1.5.5、编程器

它的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。有的编程器还可与打印机或磁带机相连，以将用户程序和有关信息打印出来或存放在它的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。有的编程器还可与打印机或磁带机相连，以将用户程序和有关信息打印出来或存放在磁带上，磁带上的信息可以重新装入PLC。

目前编程器主要有以下三种类型：

1.便携式编程器(也叫简易编程器)；2.图形编程器；3.用于IBM—PC及其兼容机的编程器。

便于携带的特点，一般只能用指令形式编程，通过按键输入指令，通过数码管或液晶显示器加以显示、这种编程器适合小型可编程控制器的编程要求。

图形编程器以液晶显示器(LCD)或阴极射线管(CRT)作屏幕，用来显示编程内容和提供如输入、输出、辅助继电器的占有情况、程序容量等各种信息，还可在调试程序、检查程序执行时显示各种信号状态、出错提示等。

使用图形编程器可以月多种编程语言编程，梯形图显示在屏幕上十分直观。图形编程器还可与打印机、录音机、绘画仪等设备连接，有较强的监控功能。但它的价格高，适用于中、大型可编程控制器的编程要求。

用于IBM—PC及其兼容机的编程器是个人计算机加上适当的硬件接口和软件包作为编程器，也可直接编制成梯形图，其监控功能也很强。编程器工作方式主要有编程和监控两种，编程工作方式是在PLC机处于停机状态

时可以进行编程，它的功能主要是输入新的程序，或者对已有的程序予以编辑和修改。

监控工作方式可以对运行中的控制器工作状态进行监视和跟踪，一般可以对某一线圈或触点的工作状态进行监视，也可以对成组器件的工作状态进行监视，还可以跟踪某一器件在不同时间的工作状态，除搜索、监视、跟踪外，还可以对一些器件进行操作。因此编程器的监控方式对控制器中新输入程序的调试与试运行是非常有用和方便的。编程器的结构一般包括显示部分与键盘部分。显示一般用液晶显示器，主要的显示内容包括地址、数据、工作方式、指令执行情况及系统工作状态等。键盘有单功能键和双功能键，在使用双功能键的时候键盘中都备有一个选择键，以选择其中一种方式工作。

现在产品越来越模块化，可编程控制器也不例外，它的结构紧密、坚固，外形小巧，CPU本身只提供了一定数量的数字输入和输出点数。不同厂家、不同型号的PLC的输入／输出点数也不同，有的大型机输入／输出点数可达16K，而很多小型机仅有10来点，而且CPU本身不带模拟输入与输出，但CPU一般都带有扩展接口。因此，用户选型后，所需的输入或输出点数不够时，就需对系统做出必要的扩展，各个厂家也生产了专用于扩展用的各模板供用户选用。扩展模板的外形一般也小巧、坚固，有易于接线的端子排，带有扩展总线或通过总线连接器与CPU相连。主要有数字输入／输出模板，模拟输入／输出模板，热电阻、热电偶扩展模板，还有智能模板等许多具有专用功能的特殊模板。

用扩展模板来扩展系统具有以下的优点：

用户可根据自己时间控制系统的要求，选用各种合适的扩展模块对PLC作硬件组态，以求达到各种功能或控制精度，同时节省开支，减少不必要的投资。

当已运行的系统需要改造或扩充时，PLC可以随时进行升级或改版，所作的工作仅仅是替换或增加扩展模板和修改相应的控制软件。特殊模板及智能模板的开发将进一步扩展可编程控制的功能，专用模板的开发不仅扩大了可编程控制系统的控制功能，而且将进一步提高控制质量与可靠性。

1.5.6、电源

PLC中的电源一般有三类：

1、+5V、±15V直流电源：供PLC中TTL芯片和集成运放使用；

2、供输出接口使用的高压大电流的功率电源；

3、锂电池及其充电电源。

考虑到系统的可靠性以及光电隔离器的使用，不同类型的电源其地线也不同。

目前PLC的发展非常迅速，型号众多，各种特殊功能模板不断涌现。通常根据其I/O点的数量将 PLC分为三大类：

小型机：256点以下（无模拟量）；

中型机：256 ~ 2048点（64 ~ 128路模拟量）；

大型机：2048点以上（128 ~ 512路模拟量）。

具体实现时，通常采用模板式结构，以便用户根据实际应用需求进行配置。但一些小型机常制作成一体机，其配置固定，主要供定型成套设备使用；而一些大型机一般在电源、或者CPU，甚至两者都作了热备份。

1.6、PLC的工作原理

最初研制生产的PLC主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置，但这两者的运行方式是不相同的：

继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点（包括其常开或常闭触点）在继电器控制线路的哪个位置上都会立即同时动作。而PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点(包括其常开或常闭触点)不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。

为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式---扫描技术。这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC

与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。

1.6.1、扫描技术

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。如图2.2所示：

图1.2 PLC 扫描周期

1、输入采样阶段：在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

2、用户程序执行阶段 ：在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。

3、输出刷新阶段：当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。

1.6.2、PLC的I/O响应时间

为了增强PLC的抗干扰能力，提高其可*性，PLC的每个开关量输入端都采用光电隔离等技术。为了能实现继电器控制线路的硬逻辑并行控制，PLC采用了不同于一般微型计算机的运行方式（扫描技术）。以上两个主要原因，使得PLC得I/O响应比一般微型计算机构成的工业控制系统满的多，其响应时间至少等于一个扫描周期，一般均大于一个扫描周期甚至更长。所谓I/O响应时间指从PLC的某一输入信号变化开始到系统有关输出端信号的改变所需的时间。

1.7、梯形图程序设计

梯形图编程语言是一种图形化编程语言，它沿用了传统的继电接触器控制中的触点、线圈、串并联等术语和图形符号，与传统的继电器控制原理电路图非常相似，但又加入了许多功能强而又使用灵活的指令，它比较直观、形象，对于那些熟悉继电器一接触器控制系统的人来说，易被接受。继电器梯形图多半适用于比较简单的控制功能的编程，绝大多数PLC用户都首选使用梯形图编程。

指令是用英文名称的缩写字母来表达PLC的各种功能的助记符号，类似于计算机汇编语言。由指令构成的能够完成控制任务的指令组合就是指令表，每一条指令一般由指令助记符和作用器件编号组成，比较抽象，通常都先用其它方式表达，然后改写成相应的语句表，编程设备简单价廉。

通常微、小型PLC主要采用继电器梯形图编程，其编程的一般规则有：

1、梯形图按自上而下、从左到右的顺序排列。每一个逻辑行起始于左母线然后是触点的各种连接，最后是线圈或线圈与右母线相连，整个图形

呈阶梯形。梯形图所使用的元件编号地址必须在所使用PLC的有效范围内。

2、梯形图是PLC形象化的编程方式，其左右两侧母线并不接任何电源，因而图中各支路也没有真实的电流流过。但为了读图方便，常用“有电流”、“得电”等来形象地描述用户程序解算中满足输出线圈的动作条件，它仅仅是概念上虚拟的“电流”，而且认为它只能由左向右单方向流：层次的改变也只能自上而下。

3、梯形图中的继电器实质上是变量存储器中的位触发器，相应某位触发器为“l态”，表示该继电器线圈通电，其动合触点闭合，动断触点打开，反之为“o态”。梯形图中继电器的线圈又是广义的，除了输出继电器、内部继电器线圈外，还包括定时器、计数器、移位寄存器、状态器等的线圈以及各种比较、运算的结果。

4、梯形图中信息流程从左到右，继电器线圈应与右母线直接相连，线圈的右边不能有触点，而左边必须有触点。

5、继电器线圈在一个程序中不能重复使用：而继电器的触点，编程中可以重复使用，且使用次数不受限制。

6、PLC在解算用户逻辑时，是按照梯形图由上而下、从左到右的先后顺序逐步进行的，即按扫描方式顺序执行程序，不存在几条并列支路同时动作，这在设计梯形图时，可以减少许多有约束关系的联锁电路，从而使电路设计大大简化。所以，由梯形图编写指令程序时，应遵循自上而下、从左到右的顺序，梯形图中的每个符号对应于一条指令，一条指令为一个步序。

当PLC运行时，用户程序中有众多的操作需要去执行，但CPU是不能同时去执行多个操作的，它只能按分时操作原理每一时刻执行一个操作。这种分时操作的过程称为CPU对程序的扫描。扫描从0000号存储地址所存放的第一条用户程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按存储地址号递增顺序逐条扫描用户程序，也就是顺序逐条执行用户程序，直到程序结束。每扫描完一次程序就构成一个扫描周期，然后再从头开始扫描，并周而复始。

2方案的论证

2.1、工艺过程分析

水塔水位控制系统过程分析：设水塔、水池初始状态都为空着的,此时S4,S3,S2,S1均为ON。当系统启动时，扫描到水池为液位低于水池下限位时，电磁阀Y打开(10.02通电)，开始往水池里进水，如果进水超过4S，而水池液位没有超过水池下限位（传感器S4仍为ON），说明系统出现故障，系统故障指示灯闪烁（10.03闪烁）。若4S后只有水池液位按预定的超过水池下限位（传感器S4变为OFF），说明系统在正常的工作。此时只有水池下限位有水，系统检测到此信号时，由于水塔液位低于水塔水位下限（S2为ON），故水泵M（10.04通电）开始工作，向水塔供水，当水池的液位超过水池上限液位时（传感器S3变为OFF），电磁阀Y就关闭（10.02失电）。但是水塔现在还没有装满，水泵M继续工作，在水池抽水向水塔供水，水塔装满时（传感器S1变为OFF），水泵M停止供水（10.04失电），此次给水塔供水完成。

2.2、PLC型号的选择

输入:系统启动按钮一个,系统停止按钮一个,液位传感器四个分别表示为S4,S3，S2和S1。输入一共有6个，考虑到留有15％～20％的余量即6×（1＋15％）＝6.9取整数7，所以共需7个输入点。

输出:Y阀,故障指示灯 ,水泵M。输出共有3个，3×（1＋15％）＝3.45取整数4，所以共需4个输出点。可以选OMRON公司的CPM1A/CPM2A型PLC就能满足此例的要求。

2.3、工作控制方式

采用工控机作为上位机、PLC系统作为下位机的两级控制模式。PLC控制系统是该程控系统的核心，工控机作为监控机械手的运行状态使用。

1、上位机：计算机作为上位机，用于完成状态显示、打印输出、向PLC发送分类控制信号等功能，从而实现对控制系统的实时监控。同时，计算机还是图象处理的核心。

2、下位机：PLC作为下位机，用来完成状态判别、输出控制等工作。它直接控制电磁阀、继电器，从而实现对各执行元件的控制。本系统采用价格适中、可靠性高、维护方便且抗干扰能力强的可编程控制器欧姆龙CPM2A型PLC来实现水塔水位控制系统工艺的控制要求的。欧姆龙PLC是由电源、中央处理器和I/O元件组成的严密高速的程序控制器，配有丰富的指令系统，易于用户编程，具有丰富的特殊模块和通信能力，可以满足生产自动化的多级要求。本系统采用CPM2A是一种功能完善的紧凑型PLC，大程序容量和存储单位。另外CPU单元带RS-232C接口，具有PPI、MPI等通信协议可实现程序传送，数据通信等功能。

欧姆龙公司C系列的小型机CPM2A型PLC 20点输入/输出，配有CX-Programmer软件用于控制部分编程时使用。

3、通信方式：CPM2A CPU支持多样的通信协议：点到点（Point-to-Point）接口（PPI）、多点接口（Multi-Point）（MPI）。这些都基于系统内通信结构模型，都是异步、基于字符的协议。其中PPI方式是非常简单方便的通信协议，只需要一根RS-232C线进行数据信号的传递，不需要额外再配置模块或软件。因此，本系统选择PPI方式，简单且能满足通信要求。CPM2A型PLC上配有RS-232C的通信接口，因此在不增加任何硬件的情况下，可以很方便地将PLC和计算机互联。

上位机与下位机之间通过RS-232连接构成HOST LINK协议进行通信。RS-232又称为EIA-232C或RS-232C，是最通用的一种串行通讯标准。它是一种点到点的通信方式，只能连接两个通信设备。19200波特率时，最大距离为75米；9600波特率时，最大距离为900米。计算机的串口即为标准的RS-232接口。使用RS-232转换器可以免掉一个RS-422串行接口板。

3、水塔水位系统PLC硬件设计

水塔水位控制系统结构图如图3.1所示

图3.1 水塔水位自动控制示意图

3.1、水塔水位系统控制电路

图3.2 水塔水位控制系统电路图

3.2、输入/输出分配

水塔水位控制系统I/O分配表见表3.1。

表3.1 水塔水位自动控制系统I/O分配表

输入

操作功能 启动按钮 停止按钮 液位传感器s4 液位传感器s3 液位传感器s2 液位传感器s1

地址 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

Y阀

输出

操作功能 故障指示灯 水泵M

地址 10.02 10.03 10.04 3.3、水塔水位系统的接线图

水塔水位控制系统的I/O接线图如3.3 所示：

图3.3 水塔水位控制系统接线图

4、水塔水位控制系统PLC软件设计

4.1、程序流程图

水塔水位控制系统的流程图，根据设计要求控制流程图如图5.1：

图4.1 水塔液位自动控制系统流程图

4.2、梯形图

PLC控制程序用CX-Programmer编程软件开发。CX-Programmer是OMRON公司PLC的软件编程﹑调试的工具程序，其运行在Windows操作系统下，具有丰富、简捷的操作环境和强大的编程、调试功能。可实现梯形图的编程、监视和控制等功能，尤其擅长于大型程序的编写，弥补了手编程器编程效率低的不足[1]。CX-Programmer编程软件支持模块化设计，在程序编写时可以直接将编写好的程序通过RS-232C传送到PLC来控制现场设备。根据程序流程图设计的梯形图如5.2所示：

图4.2 水塔水位控制系统梯形图

4.3、系统程序的具体分析

PLC采用循环扫描的的工作方式，这种工作方式是在系统软件控制下，顺次扫描各输入点的状态，按用户程序进行运算处理，然后顺序向各输出点发出相应的控制信号，任一时刻它只能执行一条指令，这就是说PLC是以“串行”方式工作的，它能有效地避免继电接触器控制系统中易出现的触点竞争和时序失配的问题。

PLC执行用户程序是从梯形图左母线开始由上至下，由左向右逐个扫描每个梯级的每个元素，进行运算，此时CPU只是与映象区进行数据交换，读取输入数据，送出输出信号。当CPU执行到END指令时，表示程序段结束，则此次扫描用户程序结束。PLC控制程序分析

实现功能：当按下00000系统启动按钮,中间继电器20001得电并自锁,系统处于等待状态并一直保持。按下00001停止按钮系统的运行停止。

实现功能：当水池水位低于水池低水位界（S4为ON表示），阀Y打开进水(Y为ON),当S3为ON后，阀Y关闭（Y为OFF）。

实现功能：当Y打开进水（Y为ON）定时器开始定时，4秒后，如果S4还不为OFF，那么阀Y指示灯闪烁，表示阀Y没有进水，出现故障。

实现功能：当S4为OFF时（表示水池水位高于水池低水位界），且水塔水位低于水塔低水位界时S2为ON，电机M运转抽水。当水塔水位高于水塔高水位界时电机M停止。

4.4、水塔水位控制系统梯形图的对应指令表

水塔水位控制系统指令表如图4.3所示：

图4.3 水塔水位控制系统的指令表

总结

五个星期的PLC实训很快结束了，在这短暂的实训时间里，经过老师、同学的指导，我获益匪浅，学习了不少关于自己专业方面的知识。

在完成项目期间，我们组的分工明确，有负责编程的，有负责报告找资料，有负责画电路图的……虽说分工明确，但在完成项目过程中遇到些麻烦的话组员之间还是相互配合相互帮助尽量让每个学员学到更多的专业知识，使每个组员更上一个层次。实训期间，我主要负责编程、报告及找资料，但这并不是说我在其他组员做他们任务时置之不理，与我无关。我在旁边和组员一起，参与其中的讨论分析，并会不时帮助他们完成任务。而同样我在做我的任务时，他们也会经常帮我解决一些我无法解决的问题。这样，我们组在完成这两个项目还是比较顺利的。

我做的这个题目是有关与PLC系统理论与实践相结合的设计。在此时对以前学习的知识的挑战与突破。在对这个设计的材料搜索进行独立搜索时，对于办公软件的应用有了进一步的提高。同时在对搜集的材料进行整核，结合所学理论知识，以及实际应用操作的情况下，提高了实际操作和独立解决问题的能力。

通过这次设计实践。让我更熟练的掌握了PLC软件的简单编程方法，对于PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在理论的运用中，也提高了我的工程素质。刚开始学习PLC软件时，由于我对一些细节的不加重视，当我把自己想出来的一些认为是对的程序运用到梯形图编辑时，问题出现了。转换成指令表后则显示不出很多正确的指令程序，这主要是因为我没有把理论和实践相结合，缺乏动手能力而造成的结果，最后通过老师的纠正和自己的实际操作，终于把正确的结果做了出来，同样也看清了自己的不足之处。

如今设计是做完了，可是我的学习之路还没有完，这次实训让不仅学习了不少与自己专业相关的知识，而且还懂得了团队的力量，并且让自己更相信一分努力一分收获，积极的学习态度在以后的学习、工作中是永远缺少不了的！并明白人这一辈子不能仅仅局限于那一点点满足感，要放眼望去，通过去参与各种实践，提升自己的动手能力，创造属于自己的未来。

致

谢

本文是在指导老师悉心指导下完成的。从论文的选题到相关材料的收集，从论文框架的设计到具体内容遣词造句，每一章节都凝聚着指导老师的心血。在此，学生表示最诚挚的谢意。在老师严谨的治学态度、积极的人生观、学术上孜孜追求的精神以及对学生无微不至的关怀，都给我留下了终生难忘的印象，必然将对我以后的学习和生活产生重要影响。

在完成整个论文期间，对各位老师、同学、朋友、亲人辛勤劳动以及他们在治学和人品上给予我的深刻影响，我同样铭记在心，并表示由衷的感谢。

在此，我向所有在学业上、生活上帮助、理解、支持我的老师、同学、朋友和亲人致以最真诚的谢意。

最后，感谢各位专家、学者在百忙之中审阅我的拙作。

参考文献

[1] 廖常初．《PLC基础及应用》．北京 机械工业出版社，2004 [2] 王兆义．《可编程序控制器教程》．北京机械工业出版社 2005 [3] 张万忠.《可编程控制器应用技术》.北京：化学工业出版社，2001 [4] 方承远.《工厂电气控制技术》.北京：机械工业出版社，2007 [5] 肖峰.《PLC编程100例》.北京：中国电力出版社，2009 [6] 张桂香.《电气控制与PLC应用》.北京：化学工业出版社，2003 [7] 吕景泉．《可编程序控制器技术教程》．北京：高等教育出版社，2000 [8] 李俊季、赵黎明.《可编程控制应用技术实训指导》.北京：化学工业出版社，2001

第三篇：基于单片机的水塔水位监测报警控制系统概要

错误！未找到引用源。

株洲师范高等专科学校物理与电子工程系毕业论文 基于单片机的水塔水位监测报警控制系统 姓 名： 刘治标 指导老师：

专 业： 应用电子技术 班 级： 07级应用电子班 学 号： 04207108 时 间：

错误！未找到引用源。摘 要

本设计从分析水塔水位报警器的原理和设计方法入手，主要基于单片机的硬件电路和语言程序设计, 实现一种能够实现水位自动控制、具有自动保护、自动声光报警功能的控制系统。本控制系统由A/D转换部分、单片机控制部分、数码显示部分、电机驱动部分、电机控制部分等构成。同时对各个部分进行了详细的论述，并给出了主要的流程图和软件设计程序。这是个简单而灵敏的监测报警电路，操作简单，接通电源即可工作。因为大部分电路采用数字电路，所以本水位监测报警器还具有耗能低、准确性高的特点。

关键词：单片机 ；水位自动控制

From the analysis of the design of the towers level alarm principle and design method of the main based on single-chip microcomputer hardware circuit and

programming language, achieve a level to realize automatic control, automatic protection and automatic control system of the audible and visual alarm function.This system consists of A/D conversion parts and single-chip microcomputer control section, digital display section, motor drive, motor control parts etc.For each part discussed in detail, and gives the main flow chart and design of the software program.This is a simple and sensitive monitoring alarm circuit, simple operation, turn on the power can work.Because most of the circuit USES digital circuit, so the water monitoring alarm also has low energy consumption and high accuracy.目录 摘

要..............................................................................................................................................I 第一章 绪

论.............................................................................................................................1 第二章 水位控制硬件设计...........................................................................................................2 2.1 基本要求............................................................................................................................2 2.2 硬件设计............................................................................................................................2 2.2.1 电路总体框架图设计.............................................................................................2 2.2.3 水塔水位控制电路.................................................................................................5

2.3 数码管与LED 显示..........................................................................................................6 2.3.1 相关芯片简介.........................................................................................................7 2.3.2 显示部分工作原理.................................................................................................7 2.4模数转换.............................................................................................................................9 第三章．软件设计.........................................................................................................................12 3.1整体设计...........................................................................................................................12 3.3.1主程序流程图........................................................................................................12 3.4.2 数据采集程序.......................................................................................................15 结

论..............................................................................................................................................24 参考文献.........................................................................................................................................25

致谢................................................................................................................................................26 第一章 绪 论 在工业生产中, 对温度控制系统的要求, 主要是保证炉温按规定的温度工艺曲线变化, 超调小或者求不高。无超调, 稳定性好, 不振荡, 对系快速性要求不高。本文浅析了单片机电阻控温系统设计过程及实现方法。热电偶将炉温变换为模拟电压信号, 经低通滤波滤掉干扰信号后送放大器, 信号放大后送模/数转换器转换为数字量送单片机。同时, 热电偶的冷端温度也由IC 温度传感器变为电压信号, 经放大和转换后送单片机。

通过检测锅炉温度的来实现自动控制外部设备的运行, 如当传感器检测到水温过高时, 转换成电压经过模/数转换送入单片机, 通过比较程序输出信号控制光电耦合器的通短来控制继电器的输入电流通短, 再通过继电器来控制外部设备如水泵的运行情况。温度过低时关闭输出, 而关闭水泵的输入即减少了冷水吸收热量, 当温度升高后又打开水泵, 这样实现循环控制.而通过数码显示我们可以观看锅炉各个点的温度, 来判断运行是否正常.同时通过各点的温度的纪录和出产品的纪录可以计算出该系统在某段时间是否起到了节能的作用.所以本设计对节能控制有着很大的意义.设计的控制任务要求用单片机实现, 数码管显示.单片机是将RAM,ROM, 定时器/计数器以及输入/输出(I/O接口电路等计算机主要部件集成在一块芯片上, 这样所组成的芯片级微型计算机称为单片微型计算机, 简称单片微机或单片机.由于单片机的硬件结构与指令系统都是按工业控制要求设计的, 常用于工业的检测和控制当中, 因而也称为是微控制器或嵌入式控制器.单片机的特点:1.具有优异的性能价格比;2.集成度高, 体积小, 可靠性高;3.控制功能强;4.低电压, 底功耗.在设计过程中我们采用了软件和硬件双结合的的设计方法，而软件的设计简化了硬件要求。在本设计中软件主要有五个方面的应用，它们分别为：数据采集，显示程序，键盘控制和水泵控制。数据采集主要完成温度的采集和数据的处理，显示

则是把要显示的温度用七段数码显示出来，而键盘程序则是使其相应的键完成相应的工作和要求，水泵控制则是检测水泵的运行和水位。

第二章 水位控制硬件设计 2.1 基本要求

控制水箱的水位去趋近指定目标值，水位指定范围为10—5CM，控制精度0.4C 实测水位用十进制数码显示。

2.2 硬件设计

2.2.1 电路总体框架图设计

图2.2.1 控制原理图

虚线表示允许水位变化的上下限。水塔由电机带动水泵供水，单片机控制电机转动以达到对水位控制的目的。

①当水位上升，达到上限时，因水导电，B、C 棒连通+5V。b、c 均为“1”，应停止电机和水泵的工作，不再供水；

②当水位降到下限时，B、C 棒都不能与A 棒导电。b、c 均为“0”，应启动电机，带动水泵工作，给水塔供水；

③当水位处于上下限之间时，B 与A 棒导通。b为“1”，c为“0”，无论怎样都应维持原有的工作状态。

上下限水位信号由P1.0和P1.1输入，这2个信号共有4种组合状态： 2 控制信号由P1.2端输出，去控制电机。为了提高控制的可靠性，使用了光电耦合；

由P1.3输出报警信号，驱动一支发光二极管进行光报警。图2.2.2控制电路图 0：电机工作 1：电机停止 2.2.2 80C51芯片功能与引脚介绍

下面是8051单片机引脚图及引脚功能介绍：

图2.2.2 80C51的引脚图

40个引脚按引脚功能大致可分为4个种类：电源、时钟、控制和I/O引脚。⒈ 电源: ⑴ VCC接地端；

注：用万用表测试单片机引脚电流一般为0v 或者5v，这是标准的TTL 电平，但有时候在单片机程序正在工作时候测试结果并不是这个值而是介于0v-5v 之间，其实这之是万用表反映没这么快而已，在某一个瞬间单片机引脚电流还是保持在0v 或者5v 的。

⒉ 时钟:XTAL1、XTAL2-晶体振荡电路反相输入端和输出端。⒊ 控制线:控制线共有4根，⑴ ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM 编程脉冲 ① ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址

② PROG功能：片内有EPROM 的芯片，在EPROM 编程期间，此引脚输入编程脉冲。

⑵ PSEN:外ROM 读选通信号。⑶ RST/VPD:复位/备用电源。

① RST（Reset）功能：复位信号输入端。② VPD功能：在Vcc 掉电情况下，接备用电源。

⑷ EA/Vpp:内外ROM 选择/片内EPROM 编程电源。选择端。

② Vpp功能：片内有EPROM 的芯片，在EPROM

① EA功能：内外

ROM

编程期间，施加编程电源Vpp。⒋ I/O线

80C51共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。

2.2.3 水塔水位控制电路

这里有一个水塔模型，如图2.2.3所示，水箱是用透明有机玻璃胶合而成（或用现成的透明塑料盒），箱内插入一块金属板（代表箱体的金属外壳），金属板上装有两根塑料包皮的硬导线，分别作为高、低液位的探针，图中的“1”、“2”、“3”三端分别与高、低液位探针和金属板相通，“4”、“5”是离心式水泵模型电动机的接线端。

图2.2.3 水塔模型

水塔水箱里的水位由继电器来控制，这只继电器的原理结构如图2.2.4所示，它的线圈有放大作用，将6、7两端放入水中而不直接接触，继电器线圈即可导通而使衔铁动作。继电器的衔铁可以控制两把闸刀，每刀都有常开、常闭触点各一对。图2.2.4 继电器的原理结构图

设计连接好电路，使得水塔水位低于低液位探针时，抽水机工作；当水位上升到高液位探针时，抽水机停止工作；当水位下降时仍不工作，直到水位低于低液位探针时，重又工作。

图2.2.5 继电器线圈放大电路如图 2.3 数码管与LED 显示

模拟水位高度由15个双色发光二极管（LED）来完成，共分为4组。在某一特定时刻，每组LED 与一个数码管一起被选通（4组LED 对应4个数码管），两个8位的移位寄存器741S164级联，将单片机送出的2个字节串行数据转化为16位并行数据，分别送选通的LED 和数码管。在不同时刻，系统对4组LED 和数码管快速地循环扫描，就完成了面板显示的功能。

2.3.1 相关芯片简介

显示部分用到的芯片包括数据缓冲器74LS244以及多路开关CD4051。数据缓冲器74LS244。74LS244 缓冲器常用作三态缓冲或总线驱动，+5V供点，其高电平时输出最大电流可达15mA, 低电平输出时最大电流可达24mA, 足以驱动数码管和LED 工作。74LS244共8个输入输出通道，通过门控端G1和G2来选择其通断，其功能原理及引脚如图2.3.2所示。

图2.3.1 74LS244内部结构及引脚图

从图中可以看出，当引脚1G 为低电平时，输入通道1A~1A4与输出通道1Y1~1Y4连通；当引脚1G 为高电平时则截止。同理引脚2G 控制着输入通道2A1~2A4与输出通道2Y1~2Y4的通断。

2.3.2 显示部分工作原理

首先介绍一下双色二极管的功能和用法。表2.3.2所示，1个双色二极管有3个引脚，引脚1、2均为信号“+”端，引脚3为GND 端（信号“—”端）。引脚电平（TTL 电平）与LED 显示颜色如图2.3.2所示。

表2.3.2 双色二极管功能表 7 图2.3.2 双色二极管外观图

数码管及LED 显示电路如图2.3.3所示，RC5口作为串行数据的同步时钟端，与74LS164的数据输入端相连；RC3口作为串行数据的同步时钟端，与74LS164的同步时钟输出端均与SPI 方式时端口一样；实际应用中，若不用SPI 方式，而用第5章中提到的模拟数据串行口时，可以用任何普通I/O端口代替）。两片移位寄存器74LS164的并行数据输出端则分别与两片数据缓冲器74LS244的输入端相连，RD7口作为数据缓冲器74LS244的门控信号输出端，控制74LS 244的通断。

图2.3.3 数码管和LED 显示电路

每4个双色二极管和1个数码管一组，二极管的8个信号“+”端分别与第一片74LS244的8位数据输出端相连，数码管的8位数据输入端分别与第二片74LS244的8位数据输入端相连，每组二极管和数码管的GND 端都与CD4051的1个输入通道相连，CD4051的输出端与系统的“地”相连。RE0～RE1口作为地址译码输出端口，用于多路开关CD4051的4路通道选择，每一时刻只有一组共4个二极管和1个数码管被选通，其GND 端同系统的“地”构成通路，其他的二极管与数码管则不能构成通路。

每向74LS164传送完两个字节共16位数据，通过RD7口使能74LS244，将 8

数据送到二极管和数码管的输入口，然后通过RE0～RE1口打开一条通道，则被选通的数码管和二极管就会按照接收的数据进行相应的显示。不断地发送新数据并利用CD4051循环的扫描4个通道，则所有的二极管和数码管 就会持续的发光显示。

另外由一个双色二极管作为报警灯，RD5口与二极管的引脚1相连，RD4口与二极管的引脚2相连。

2.4模数转换近年来.微机测控系统.特别是单片机在工业自动化，生产过程控制，智能化仪器仪表等领域的应用越来越深入和广泛。这使得传感器的应用更为显著, 测温传感器就是将温度信息转换成易于传递和处理的电信号的传感器, 测温传感器的选择及合理使用是微机测温系统中设计的关键。同理液位传感器是将液位信号转换成易于传递和处理的电信号。

A/D转换器件的选择主要取决与温度的控制精度，本设计中的A/D转换由集成电路ADC0809完成。A/D转换器分类及性能指标。A/D

转换器是将模拟量转换成数字信息接口电路, 按工作原理分为:逐位比较型, 并行比较型, 双积分型, 电压频率型及计数比较型等ADC0809转换器的内部结构如下：

图2.4.1 ADC0809转换器的内部结构

1）ADC0809是逐次逼近型8位转换芯片, 具有8路模拟输入端口，ADC0809芯片采用多路模拟开关, 允许8路模拟量分时输入, 共享一个A/D转换器完成转换。模拟输入通道选择地址及转换结果均有锁存译码器。下图为引脚图： 图2.4.2 ADC0809转换器的引脚 它的主要引脚及功能如下： INO-IN7: 8个模拟通道输入端 D0-D7: 8位数字量转换结果输出端 ADDA,ADDB,ADDC :模拟通道选择路地址 ALE: 路地址锁存信号输入端

START:启动转换信号输入端，加上正脉冲后，A/D开始转换

EOC:转换结束输出信号，转换开始后EOC 信号变低；转换结束时，EOC 信号返回

高电平

OE:输出允许控制端，高电平时打开三态输出锁存器，输出转换结果 CLK:芯片工作时钟信号

VREF(+与VREF(-：芯片工作参考电压输入端 2）.ADC0809转换器的特点

ADC0809 芯片性能特点:是一个逐次逼近型的A/D转换器, 外部供给基准电压;单通道转。换时间116us 分辨率8位, 带有三态输出锁存器, 转换结束时, 可由CPU 打开三态门。读出8 位的转换结果;8个模拟量的输入端, 可引入8 路待转换的模拟量。ADC0809的数据输出结构是内部有可控的三态缓冲器, 所以它的数字量输出信号线。可以与系统的数据总线直接相连。内部的三态缓冲器由OE 控制,OE 为高电平时三态。缓冲器打开, 将转换结果送出;当OE 为低电平时, 三态缓冲器处于阻断状态, 内部数据对。外部的数据总线没有影响。因此, 在实际应用中, 如果转换结束, 要读取转换结果, 则只要在OE 引脚上加一个正脉冲,ADC0809 就会将转换结果送到数据总线上。在本系统中，ADC0809 在电路中的连接如下图所

示，在模拟量之前加入滤波电路是为了使采集数据更加准确，对于模拟输入通道，还需要采用一些消除干扰的措施，这点在应用时需注意.11 第三章．软件设计 3.1整体设计 3.3.1主程序流程图 3.4.1主程序： ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0003H LJMP INTA 图3.3.1 主程序流程图 ORG 0013H LJMP INTB ORG 0030H 初始化； MAIN:MOV SP,#60H MOV A,#00H 清零 MOV 30H,A 12

MOV 31H,A MOV 32H,A MOV 33H,A MOV 34H,A MOV 35H,A MOV 36H,A MOV 37H,A MOV 38H,A MOV 39H,A MOV 40H,A MOV 41H,A MOV 42H,A MOV 43H,A MOV 44H,A 单元清0处理； MOV 36H,#01H 进烟温度高八位； MOV 37H,#09H 进烟温度低八位 ； MOV 38H,#250 进烟温度下限值； MOV 39H,#100 水温上限值； MOV 40H,#70 水温下限值；

CLR RS0 13 CLR RS1 选择工作寄存器组R0； LP3: LJMP LP1 LJMP LP2 LJMP LP3 跳入子程序和中断程序； SJMP$ END 14 3.4.2 数据采集程序 LP1:MOV DPTR,#0EFF0H MOV R1 ,31H MOV R7,#04H 设置通道数； 15

LOOP:MOVX @DPTR,A 启动A/D转换器； MOV R6,#20H DJNZ R6,$ 延时等待；

DLAY:JB P3.3,DLAY 查寻EOC，EOC=1则等待转换 MOVX A,@DPTR INC DPTR INC R1 DJNZ R7,LOOP MOV A,31H MOV B,#05H

MOVL AB MOV 31H,A MOV 30H,B MOV R0,32H MOV R2,#03H LOOP1:MOV B,#05H MOV B,#05H MOV A,@R0 结束； 读取转换结果； 转存在片内RAM 当中；指向下一通道；判断是否采集完毕； 数据转换； MOV @R1,A MUL AB MOV @R0,A INC R0 DJNZ R4,LOOP1 MOV A,36H CJNZ A,30H,LOOP2 MOV A,37H SUBB A,31H JB C,LOOP3

修改数据指针；

MOV A,30H JNE LOOP4 MOV A,31H SUBB A,38H JB C,LOOP3 SUBB A,34H JB C,LOOP3 MOV A,34H 17 数据比较； 进烟温度上下限比较；水温上下限值比较；C,LOO3 LOOP4:MOV A,39H SUBB A,40H JB C,LOOP3 LJMP LOOP5 LOOP3:MOV P2 LOOP5:RET 3.4.3 显示程序： LP2：MOV A,35H MOV B,#100 DIV AB

CLR C LOOP2:JB MOV 41H,A MOV A,B MOV B,#10 DIV AB MOV 42H,A MOV 43H,B MOV 44H,30H MOV 44H,36H MOV A,45H MOV A,43H 18 报警； 返回；ADD A,#06H MOV B,#10 DIV AB MOV 43H,B ADD A,42H ADD A,#05H MOV B,#10 DIV AB

数据BCD 转换 判断高位上否有值，否转 JZ LOP1

MOV 42H,B ADD A,41H ADD A,#02H LOP1:ORL 41H,#10H ORL 42H,#20H ORL 43H,#40H MOV R0,40H MOV R1,#03H MOV P1,A MOV R3,#02H AGAIN:MOV R4,#0F8H 19 显示数据 LOP2:MOV A,@R0 DELAY:DJNZ R4,DELAY DJNZ R3,AGAIN RET 返回 3.4.4键盘程序：

INTA:PUSH ACC 保护现场 PUSH PSW PUSH DPH

PUSH DPL JB P2.0,L0 判断流览键是否按下 MOV 35H,32H 中间温度显示 LJMP LP2 调用显示子程序 L1:JB P2.0,L0 MOV 35H,33H 出烟温度显示 LJMP LP2 L2:JB P2.0,L1 MOV 35H,34H 产品水温度显示 LJMP LP2 JB P2.0,L2 LJMP L16 L0:JB P2.1,L16 判断设定键是否按下 20 L6:JB P2.2,L4 CLR C MOV A,37H 进烟上下限设定 ADD 36H,#01H ADDC A,#00H

MOV 37H,A MOV 35H,37H LJMP LP2 L4:JB P2.3,L5 CLR C MOV A,37H SUBBC 36H,#01H SUBBC A,#00H MOV 37H,A MOV 35H,37H LJMP LP2 L5:JB P2.4,L6 L9:JB P2.2,L7 INC 38H MOV 35H,38H 21 L7:JB P2.3,L8 DEC 38H MOV 35H,38H

LJMP LP2 L8:JB P2.4,L9 INC 39H MOV35H,39H LJMP LP2 L10:JB P2.3,L11 DEC 39H MOV 35H,39H LJMP LP2 L11:JB P2.4,L12 L15:JB P2.2,L13 INC 40H MOV 35H,40H LJMP LP2 L13:JB P2.3,L14 产品水上下限设定 L12:JB P2.2,L10 MOV 35H,40H LJMP LP2 L14:JB P2.4,L15

L16:POP DPL 恢复现场POP DPH POP PSW POP ACC RETI 返回 结 论

由于许多数据采集、显示的实时性要求不是很高，因此单片机的执行速度相对于这些过程要快得多，若分时选通各个采样或显示通道，虽然单片机对各个通道的处理是依次进行的，但是只要这一过程大到一定速度，总的看来几乎同时执行，不断重复这一过程，就产生了循环扫描的思想，它在单片机系统设计中得到了广泛的应用。

在当今越来越趋向于自动化的社会，该系统的可用性及简易性更加能取得广泛的应用。通过这次竞赛我们从中学到了许多东西，也了解到在电子制作方面的很多独特发明。他们得发明并不是偶然取得，而是通过长期的学习积累，我们也学到了他们那种坚决不放弃得制作精神。这次毕业设计让自己懂得了，做任何学问都要一丝不苟，对出现的任何问题和偏差都不能轻视，要通过正确的途径区解决，做事情的时候要有耐心和毅力，不要一遇到困难就打退堂鼓，只要坚持下去就能找到解决问题的思路和办法，在工作中要学会与人合作，认真听取别人的意见，这样做事也会事半功倍。当然整个实验过程中自己也收获颇多，对电路的设计有一大致的了解并能自己动手完成一些简单的电路设计、制板及调试的过程，极大地提高了自己的动手能力，也让自己懂的了实践才是检验真理的唯一标准，当然也是检验学习成果的标准。

在经过一段时间的学习之后，我们需要了解自己的所学应该如何应用在实践中，因为任何知识都源于实践，归于实践，所以要将所学的知识在实践中来检验。通过这次写课程论文，我感觉有很大的收获：首先，通过学习使自己这学期对课本上的专业知识可以应用于实际，使得理论与实际相结合，加深自己对课本知识的更好理解，同时短学期也锻炼了自己个人的动手能力；能够充分利用图书馆、网络资源去查阅相关资料，增加了许多课本以外的知识，慢慢地能达到学以致用。对我们学生来说，理论与实际同样重要，但对于我们非师范类学生，毕业以后，掌握一定 的技术，有一定的动手能力，才是我们今后走向社会所要具备的，这也我们以后在工作中说明自己能力的一个重要标准。

参考文献 [1]胡汉才编《单片机原理及其接口技术》第2版 清华大学出版社； [2]求是科技编 《单片机典型模块设计实例导航》第5版人民邮电出版社； [3]原著 邱关源 修订 罗先觉 《电路》（第5版）2006年5月第5版，北京：高等教育出版社

[4]康华光.《电子技术基础》数字部分（第五版）2006年1月第5版，北京：高等教育出版社。

[5]胡宴如 耿苏燕 《高频电子线路》 2004年12月第1版，北京：高等教育出版社

[6]张洪建，蒙建波.自动检测技术与装置[M].北京：化学工业出版社，2004 [7]芯片速查手册．中国自动化技术公司出版[M]，1995 [8]牛峰霞.水电站集水井水位自动控制[J].河北水利水电技术，2002 [9]王新房，夏建明.模糊控制在灌区水位自动控制中的应用[J].微电子学与计算机

[10]赵利明，张广辉.水塔水位自动控制系统[J].重庆电力高等专课学校学报，2000.[11]吴今哲，金永镐，崔叙进.水位自动控制器的研究[J].延边大学学报（自然科学版），2004，[12]刘刚 《弹片机原理及应用》 中国林业出版社主编； 致谢

这次毕业设计得到了很多老师、同学和同事的帮助，其中我的导师肖利君老师对我的关心和支持尤为重要，每次遇到难题，我最先做的就是向肖老师寻求帮助，而肖老师每次不管忙或闲，总会抽空来给我们大家上课面谈，然后一起商量解决的办法。在这里再次谢谢肖老师您辛苦了！

感谢在整个毕业设计期间和我密切合作的伍远露、秦雄、高阳等同学，特别是伍远露同学，他在本次设计中给予我的无私帮助和厚爱，不只一次地帮助我，倾尽了他的所有心血给我提供技术上的指导，在这里再次谢谢伍远露同学，伍远露同学你辛苦了！和曾经在各个方面给予过我帮助的兄弟们，在大学生活即将结束的最后的日子里，我们再一次演绎了团结合作的童话，把一个比较复杂的，从来没有上手的课题，圆满地完成了。正是因为有了你们的帮助，才让我不仅学到了本次课题所涉及的新知识，更让我感觉到了知识以外的东西，那就是团结的力量。

这次毕业论文能够最终顺利完成，归功于各位任课老师三年间的认真负责，使我能够很好的掌握专业知识，并在毕业论文中得以体现。也正是你们长期不懈的支持和帮助才使得我的毕业论文最终顺利完成。最后，向湖南工业大学物理与电子工程系的全体老师们再次表示衷心感谢：谢谢你们，谢谢你们三年的辛勤栽培！

第四篇：水塔水位PLC控制系统的设计

水塔水位PLC控制系统的设计

摘要：通过设计采用计算机网络技术、信息处理技术、PLC控制技术等多种先进技术组成的水塔水位控制系统，实现信息的实时监控、信息的集成和应急辅助等功能，从而为学生的综合知识的学习提供更好的教学设备。

关键词：MCGS组态；PLC；触摸屏；水位传感器

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）04-0004-01

水塔水位的控制在现实生活中占有着很重要的位置，随着高位生活用水的逐渐增多，?λ?塔水位的控制要求也越来越高。例如：要求对水位采集监控，并具有实时显示功能；由计算机进行实时数据的采集和保存；打印历史水位数据；水位过高、过低的报警设置等功能。为了满足这功能，我们可以利用MCGS开发界面环境，PLC开发控制环境，传感器采集水塔水位，从而实现水塔水位的自动控制。学生通过水塔水位的模拟控制，能对专业知识的综合应用达到一个新的高度[1]。系统所要达到的控制要求

（1）水箱里面有4个液位传感器，SQ1、SQ2、SQ3、SQ4，与之相对应有四个输出口，可以与PLC的输入信号相连接。（2）水塔下方有一个电机来控制水位，并有一个输出口与PLC的输出连接，还有2个报警指示灯分别用来高液位报警和低液位报警。（3）当水位上升时，浮标式传感器会根据水位的升高而升高，当浮标浮起，信号会接通，信号会传输到PLC，从而控制水泵的启停。（4）如果水位过高或者过低时，模拟站的报警指示灯会点亮。（5）当水位到达高液位时，水泵在设定时间内会保持工作状态，让水位充分到达高液位，计时结束后水泵会停止，水位慢慢下降，当水位下降到低液位时，水泵会自动启动，无限循环，直至按下停止按钮。（6）控制程序利用三菱FX3U系列的PLC编写；利用MCGS组态软件编辑触摸屏控制界面，要求实时监控水位，并能远程控制水泵的动作。水塔模型图1所示。控制系统的制作分为两部分

2.1 PLC控制系统的设计

整个设计过程包括：熟悉控制要求；梳理输入、输出分配；完成外围电路；进行程序设计。在实际教学过程中，可以让学生自行分析并设计控制程序。水塔上设有4个液位传感器，安装位置由低到高依次分别为SQ1（X030）、SQ2（X031）、SQ3（X032）、SQ4（X033）[2]。凡是液面高于传感器安装的位置，则传感器接通（ON）。凡是液面低于传感器安装位置时则传感器断开（OFF）。其中SQ2和SQ3则作为水位控制信号，而SQ1和SQ4作为水位的上下限信号，起到保护作用。按下SB1（X034）后，水泵（Y022）开始运行，直到收到SQ3信号并保持2秒以上，确认水位到达高液位时停止运行；当水塔水位下降到低水位即SQ2接通时则重新开启水泵。一旦传感器SQ3失灵，则水位会继续上升至SQ4位置，此时SQ4发出信号，点亮高液位报警指示灯（Y021），水泵停止工作；而若传感器SQ2一旦失灵，则在收到SQ1信号时，点亮低液位报警指示灯（Y020），水泵停止工作。按下启动按钮SB1时，将报警指示灯复位，可重新开始工作。按下停止按钮SB2（X035），可立即停止整个控制程序。

2.2 MCGS组态界面的设计

MCGS水塔水位控制需要读取PLC实时数据，在将数据通过屏幕显示出来，并且将信号输入到PLC，如启动、停止信号等。在开始组态工程之前，先对该工程进行剖析，以便从整体上把握工程的结构、流程、需实现的功能及如何实现这些功能。结合实际环境进行仿真界面的设计，变量的组态和连接，设备的组态等[3]。结语

经过对整个系统进行连接和运行调试发现，该系统能很好的完成一个短距离内的水位监控。但在实际应用过程中，其实是远程控制，这时我们采用现场总线的方式，来实现上下位机的联合运行即可。水塔水位的控制模型能更好的让学生对专业知识的综合应用有更清晰地认识，有着很好的实际应用价值。

参考文献

[1]王传艳.MCGS触摸屏组态控制技术[M].北京师范大学出版社，2015.[2]张伟林，郭艳萍.三菱PLC、变频器与触摸屏综合应用实训[M].电力出版社，2011.[3]文杰.三菱PLC电气设计与编程自学宝典[M].电力出版社，2015.

第五篇：基于51单片机的水塔水位检测_课程设计_论文资料

基于51单片机的水塔水位检测_课程设计_论文资料.txt6宽容润滑了彼此的关系，消除了彼此的隔阂，扫清了彼此的顾忌，增进了彼此的了解。本文由工作龙龙龙贡献

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河北科技师范学院

课 程 设 计 说 明 书

题

目：

水塔水位监测装置 机电系 09 电气专 0426090126 张海龙 马继伟

学院（： 学院（系）年级专业： 年级专业： 学 号：

学生姓名： 学生姓名： 指导教师： 指导教师：

一、引言

随着科学技术的发展，单片机作为嵌入式微控制器在工业测控系统，智能仪器和家用电器中得到广泛应用。在实时检测和自动控制的单片机应 用系统中,单片机往往是作为一个核心部件来使用。水塔水位控制系统的基本要求是能够在无人监控的情况下自动进行 工作，在水塔中的水位到达水位下限时自动启动电机，给水塔供水；在水 塔水位达到水位上限的时候自动关闭电机，停止供水。并能在供水系统出 现异常的时候能够发出警报，以及时排除故障，随时保证水塔的对外的正 常供水作用。水塔是在日常生活和工业应用中经常见到的蓄水装置，通过 对其水位的控制对外供水以满足需要，其水位控制具有普遍性。不论社会经济如何飞速，水在人们正常生活和生产中起着重要的作 用。一旦断了水，轻则给人民生活带来极大的不便，重则可能造成严重的 生产事故及损失，从而对供水系统提出了更高的要求，满足及时、准确、安全充足的供水。如果仍然使用人工方式，劳动强度大，工作效率低，安 全性难以保障，由此必须进行自动化控制系统的改造。从而实现提供足够 的水量、平稳的水压、水塔水位的自动控制有设计低成本、高实用价值的 控制器。该设计采用分立的电路实现超高、低警戒水位处理,实现自动控 制,而达到节能的目的,提高了供水系统的质量。

二、摘要

水位控制在日常生活及工业领域中应用相当广泛，比如水塔、地下水、水电站等情况下的水位控制。自动检测水位的检测系统能根据水位变化的 情况自动调节。本次课题采用单片机进行主控制，利用水的导电性测量水 位的变化，把测量到的水位变化转换成相应的电信号，用单片机对接收到 的信号进行数据处理，完成水位的检测、控制及故障报警等功能。

三、关键词：水位 单片机 A/D 转换 2

四、硬件设计 4.1 总体设计方案

分析课题可知应分两个电路来实现系统的功能，一是水位控制电路，二是水质检测电路，并且对于整个系统我们采用顺序控制。首先进行水位控制，水位电路根据输入不同的模拟量，转换为不同的 数字量，经过和设定的值进行比较，通过 P1.2 口对电机进行控制。水位 控制电路完成其预定功能后，便自动转到延时子程序，系统经过一定的预 定延时（本设计设定值为 10S）之后，转去执行水质检测电路。检测电路 根据不同的模拟量的输入，转换为不同的数字量，经过和设定的值进行比 较后，由单片机产生不同的驱动信号，从而使对应的二极管发光，以显示 不同的水质状态。水质检测结束，系统自动返回到主程序的入口处，继续 进行水位的检测和控制。如此往复循环达到对水塔水位的自动控制和对水 塔水质的检测和显示，从而满足水位和水质的要求。硬件设计方框图如图 1 所示。开始

水位控制

延时

水质检测 图1 3 4.2 系统组成

水位检测电路可以通过两个 51 单片机的管脚来感知水位的变化，产 生不同的逻辑组合来控制是否进水或是停止进水。输出端可由一个端口来 控制电机的运行状态，进而控制水泵的工作。水质检测的电路主要由 A/D 转换器组成。通过 A/D 转换为数字量作 用于单片机，从而控制水质状况的显示。本次设计采用 ADC0808 芯片。用 LED 灯来显示水位的高低。ADC0808 有 8 路模拟量的输入端口，本次设 计只要用其中一个，8 路模拟开关无需进行切换选通。设计通过 A/D 转换 为数字量作用于单片机，进而控制电机的运转。本次设计采用可调电阻器 来控制模拟电信号的输入。通过对电阻器的调节来模拟输入量的变化。通 过对比数字量来进行进行判断水位的高低，不同颜色的信号指示灯显示不 同的水质。进而通过输出口对电机进行开关控制。4.3 ADC0808 的简要介绍

ADC0808 有 8 路模拟量的输入端口，本次设计只要用其中一个，8 路 模拟开关无需进行切换选通。ADC0808 的 8 路模拟输入 8 路数字输出的逐 次逼近法 A/D 器件。其主要技术指标和特性为： 1.分辨率为 8 位。2.转换时间取决于芯片时钟频率。本次单元电路仿真采用 640KHZ 的 时钟方波信号。3.单一电源+5V。模拟输入电压范围单极性 0-5V,双极性 ± 5V 或 ± 10V。本次课程设计由于只有一个模拟输入量，且电压变化都为正值，故采用单 极性电源接法。4.启动转换控制方式为脉冲式（正脉冲），上升沿使内部所有寄存器 清“0”，下降沿使 A/D 转换开始。主要管脚说明： 4 CLK:为时钟信号输入端，决定 A/D 转换的速度，转换一次为 64 各时 钟周期。ALE:地址锁存允许信号，高电平有效。当此信号有效时，A、B、C 三 位地址信号被锁存，译码选通对应模拟通道。START:为启动转换信号，正脉冲有效。此信号通常与系统信号相连，控制 AD 转换器的启动。EOC:转换结束信号，高电平有效，表示一次 AD 转换已完成。可作为 中断触发信号，也可用程序查询的方法检测转换是否结束。OE:输出允许信号，高电平有效，可与系统读选通信号 RD 相连。当计 算机发出此信号时，ADC0808 的三态门被打开，此时可通过数据线读到正 确的转换结果。DC0808 的逻辑结构及引脚功能如图 2 所示 START CLK EOC IN7～IN0 8 路 模拟 开关

控制与时序

比较器 SAR 三 存 态 输 缓 出 冲 器 锁 D7～D0 ADDA ADDB ADDC ALE 地址 锁存 与 译码

树状开关

电阻网络 Vcc GND REF（+）REF（-）OE 5 图2 4.4 水位检测电路

模拟量由模拟通道 IN1 输入，通过对可调电阻的调节，模拟输入不同 的电压量。数字量的输出端与单片机的 P0 口相连接。单片机可通过对 P0 口数据的采集和处理，发出相应的控制信号。P3.0 口和 P3.6 口通过逻辑 或非门后，输出端接 START 与 ALE 端口。P3.0 口和 P3.7 口也通过逻辑或 非门后，输出端接 OE 端。通过对 PO 的信号和设定的数值比较，得出水 位的高低而通过 P1.2 口对电机进行控制。同时 P0 口的信号转入 P2 口，通过 LED 灯的显示来显示水位的高低，灯光的不同来表示水塔的水位状 态。电路连接图如图 3 所示。

图3 4.5 水质检测电路

水质检测电路主要由 ADC0808 实现,通过 A/D 转换对比来判断水质 的 6 好坏。模拟量由模拟通道 IN0 输入，通过对可调电阻的调节，模拟输入不同 的电压量。数字量的输出端与单片机的 P0 口相连接。单片机可通过对 P0 口数据的采集和处理，发出相应的控制信号。P3.0 口和 P3.6 口通过逻辑 或非门后，输出端接 START 与 ALE 端口。P3.0 口和 P3.7 口也通过逻辑或 非门后，输出端接 OE 端。由于只需采用一个模拟输入通道（IN0），故可 将模拟通道地址选择端都就地，这样，转换出的数字量便全部为 IN0 口的 模拟量的对应值。输出端为 P1.5、P1.6、P1.7，分别接一发光二极管，用 以显示不同的水质的状态。电路连接图如图 4 所示。

图4 7

五、软件设计

一个应用系统，要完成各项功能，首先必须有较完善的硬件作保证。同时还必须得到相应设计合理的软件的支持，尤其是微机应用高速发展的 今天，许多由硬件完成的工作，都可通过软件编程而代替。甚至有些必须 采用很复杂的硬件电路才能完成的工作，用软件编程有时会变得很简单。以下为设计的具体程序 5.1 水位控制程序

通过对水位控制电路图的分析，做出以下水位控制程序流程图如图 5 所示。8 图 5 水位控制程序流程图 由以上流程图，可以得出水位控制程序清单如下： ORG 0000H AJMP ORG MAIN 0030H SJMP LOOP ORG 0050H MAIN: SETB P1.0 CLR P3.0 CLR P3.6 ACALL DELAY SETB P3.0 9 SETB P3.6 WAIT: JB P1.1,DONE1 SJMP WAIT DONE1 : CLR P3.0 CLR P3.7 MOV CLR C SUBB A,#0F4H JNC D1 MOV A,P0 SETB C SUBB A,#0003H JC D2 SJMP LOOP D1: CLR P1.2 SJMP BACK D2: SETB P1.2 SJMP BACK BACK: ACALL D10S SJMP LOOP A,P0;检测转换是否完成;等待转换完成

5.2 水质检测程序

通过对水质检测电路图的分析，做出以下水质检测程序流程图如图 6 所示。10 图 6 水质检测流程图 由以上流程图，可以得出水质检查系统程序清单如下： ORG 0000H SJMP MAIN ORG 0030 MAIN: CLR P3.0 CLR P3.6 ACALL DELAY SETB P3.0 11;调用延时子程序

SETB P3.6 WAIT: JB P2.7,DONE SJMP WAIT DONE: CLR P3.0 CLR P3.7 MOV A,P0 CLR C SUBB A,#0AAH JNC DONE1 MOV A,P0 SUBB A,#55H JNC DONE2 SETB P1.5 CLR P1.6 CLR P1.7 SJMP MAIN DONE1: SETB P1.7 CLR P1.6 CLR P1.5 SJMP MAIN DONE2: SETB P1.6 CLR P1.5 CLR P1.7 SJMP MAIN DELAY: MOV R5,#5 DL1: DL2: MOV R6,#10 MOV R7,#10 12;转换结束则转;未结束则等待;读取数据

;与设定值比较大小;大则转

;与设定值比较大小;大则转;控制红灯亮;控制绿灯亮;控制黄灯亮;延时子程序

DJNZ R7,$ DJNZ R6,DL2 DJNZ R5,DL1 RET END 5.3 使用说明与注意事项

该电路设计比较简单，功能稳定，适合于实际的水塔水位控制中使用。作为一个很实用的自动控制装置，为了工作人员的操作的方便，下面对其 使用方法与注意事项作如下简单描述： 使用水质和水位检测和调节功能是一个完全自动的过程，不过仿真电 路是需要人为改变输入量的变化，在水位的输入量就是通过浮标来改变输 入量电压的大小，通过 A/D 转换，利用浮力原理使浮标带动触头工作,进 而影响直流接触器动作,控制交流接触器工作,实现水塔无水时自动开启水 泵电动机,水满时自动关闭的自动控制目的，整个由单片机来实现对电机 的调节。本次设计中的电机调节电路简单的接了个 5V 的直流电机来实现 控制。水质检测系统的输入量是由一个能够接受发光二极管的感光器来完 成的。感光器对不同的水质会感应处不同的电压信号，这些不同的模拟电 信号经过 A/D 转换。由单片机驱动相应的水质指示灯，从而达到检测水质 的目的。绿灯表示水质为“良”，黄灯表示水质为“中”，当指示器为红色 时，水质等级为“差”，为保证人们的饮水安全，工作人员应立即停止供 水再进行检查确定感光器工作是否正常。若操作中水位控制和水质检测不是同时进行的，因为在软件上有一定 的时间差，不过在水塔水位和水质检测这种对时间的精确度要求不高的场 合，时间差可以忽略不计，一般它不会影响到系统的安全性能和时间特性。13

六、心得体会

随着科学技术的迅猛发展，单片机被广泛应用于人们生活的各个领 域，社会需要大量掌握单片机技术的人才，单片机的使用方法应该是我们 熟练掌握的内容，水塔水位的单片机控制系统水塔水位控制在铁路、油田、化工等部门有着广泛的应用。通过这次的课程设计，理论加上实践，我掌握了 80C—51 单片机的基 本工作原理和基本编程方法，熟悉了 A/D 转换器 ADC0808 的功能和使用 方法，还可以根据需要对单片机进行扩展。在此过程中我还熟悉了单片机 的软硬件开发环境，提高了综合演练单片机的编程能力，并且亲身体验了 单片机的开发成果。此次课程设计之后，我对单片机知识点了解了更多，脑海中能把一个 个分离的知识模块联系成整体，让后对其进行分析与比较。在单片机课程 中的部分知识学会了融会贯通，也让我深刻认识到 “学以致用” 的重要性。

七、参考文献 1.《单片机原理与应用》 王迎旭 主编 机械工业出版社 张洪润 易涛 编 2.《 单 片 机 应 用 技 术 教 程（第 三 版）》 清华大学出版社 3.《单片机初级教程》 张迎新 杜小平樊桂花 雷道振 编

北京航空航天大学出版社 4.《51 系列单片机应用与实践教程》 周向红 主编 北京航空航天大学出版社 5.《数字电子技术基础（第四版）阎石 主编 》 高等教育出版社 14

八、附录

8.1 源程序清单 ORG D5 D6 0000H EQU 33H;显示缓存区 33H-34H EQU 34H WEI1 EQU P1.3 WEI2 EQU P1.4;位选端口 P2.4P2.7 AJMP ORG MAIN 0030H SJMP LOOP ORG 0050H MAIN: SETB P1.0 CLR P3.0 CLR P3.6 ACALL DELAY SETB P3.0 SETB P3.6 WAIT: JB P1.1,DONE1 SJMP WAIT DONE1 : CLR P3.0 CLR P3.7 MOV CLR C SUBB A,#0F4H;与最高位比较 15;检测转换是否完成;等待转换完成 A,P0 JNC D1 MOVA,P0 SETB C SUBB A,#0003H JC D2 SJMP LOOP D1: CLR P1.2 SJMP BACK D2: SETB P1.2 SJMP BACK BACK: ACALL D10S SJMP LOOP D10S: MOV R3,#19H LOOP3: LOOP1: LOOP2: MOV R1,#85H MOV R2,#0FH DJNZ R2,LOOP2 DJNZ R1,LOOP1 DJNZ R3,LOOP3 RETI LOOP: MOV A,P0 MOV P2,A ACALL TRAN ACALL DISP CLR CLR CLR P1.0 P3.0 P3.6 16 ；与最低位比较

；电机停转

；电机转动

；

水位显示;水质检测

ACALL SETB SETB WAIT1: JB SJMP DONE: CLR CLR MOV CLR SUBB JNC MOV SUBB JNC SETB CLR CLR SJMP A1: SETB CLR CLR SJMP A2: SETB CLR CLR SJMP DELAY: DELAY P3.0 P3.6 P1.1,DONE WAIT1 P3.0 P3.7 A,P0 C A,#0AAH A1 A,P0 A,#55H A2 P1.5 P1.6 P1.7 MAIN P1.7 P1.6 P1.5 MAIN P1.6 P1.5 P1.7 MAIN;延时子程序 17;检测转换是否完成;等待转换完成;读取 P0 口数字量

;与设定值#0AAH 比较;若 A 值大，则绿灯亮

;与设定值 055H 比较;若 A 值大，则黄灯亮;其余情况，则红灯亮;绿灯亮子程序;黄灯亮子程序

MOV DL1: DL2: MOV MOV DJNZ DJNZ DJNZ RETI TRAN: MOV A,P2 R5,#5 R6,#10 R7,#10 R7,$ R6,DL2 R5,DL1 MOV B,#10H DIV AB MOV D5,A MOV D6,B RET DISP: MOV DPTR,#TAB SETB P1.3 MOV A,D5 MOVC A,@A+DPTR MOV P2,A ACALL DELAY1 CLR P1.3 SETB P1.4 MOV A,D6 MOVC A,@A+DPTR MOV P2,A ACALL DELAY1 CLR P1.4 18 MOV P2,#0FFH RET DELAY1:MOV R6,#5 D0: MOV R7,#200 DJNZ R7,$ DJNZ R6,D0 RET TAB:DB 28H DB 0EBH DB 32H DB 0A2H DB 0E1H DB 0A4H DB 24H DB 0EAH DB 20H DB 0A0H DB 60H DB 25H DB 3CH DB 23H DB 34H DB 74H DB 0D7H DB 0F7H DB 61H;0;1;2;3;4;5;6;7;8;9;A;B;C;D;E;F;-.;;H 19 DB 70H DB 0DFH DB 27H DB 0FFH END;P;.;O;全黑 20 8.2 总电路原理图 21 1