Proteus仿真——《基于51单片机的水塔水位控制系统》

原理

本课题设计基于单片机的水塔水位控制系统，以AT89C单片机>51单片机为核心处理器设计单片机最小系统，外加数码管显示模块、液位传感器、AD转换电路、继电器电路与水泵、独立按键模块。系统的结构图如下：

系统实现原理

AT89C单片机>51单片机具有32个可编程的I/O口、定时器、外部中断等资源，可连接许多外设电路。本设计中通过液位传感器检测水位的信息，再经过ADC0832转换为电信号，然后送给单片机处理，最后液位信息显示在数码管上。单片机通过比较设定好的液位上下限，当液位低于下限时控制继电器吸合启动水泵进行加水，当加水到上限时，控制继电器断开，停止加水。同时，通过一个独立按键实现手动加水。

硬件选型

AT89C51,ADC0832,按键，数码管，继电器，舵机，LED，电阻，晶振

晶振电路

晶振：又叫晶体振荡器，其作用是为单片机系统提供基准的时钟信号，单片机的内部资源都是根据时钟信号来进行工作的。单片机>51单片机各个外围电路的运行都有一个基准信号，这个基准信号就是时钟信号。单片机时钟的频率影响单片机的运行速度，时钟电路的稳定性直接影响单片机工作的稳定性。单片机的时钟有内部时钟和外部时钟两种，本设计中采用单片机的内部时钟。AT89C52单片机的18脚和19脚是晶振引脚，设计中选择12MHz的晶振，外加两个的电容帮助晶振起振，并维持震荡信号的稳定。晶振电路如下图所示：

液位传感器

液位传感器（静压液位计/液位变送器/液位传感器/水位传感器）是一种测量液位的压力传感器。静压投入式液位变送器（液位计）是基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，采用隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号（一般为4～20mA/1～5VDC），适用于石油化工、冶金、电力、制药、供排水、环保等系统和行业的各种介质的液位测量。本设计的仿真中，使用一个变阻器来模拟液位传感器。

ADC0832

ADC0832 是美国国家半导体公司生产的一种8 位分辨率、双通道A/D转换芯片。由于它体积小，兼容性，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，已经有很高的普及率。

ADC0832 为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0~5V之间。芯片转换时间仅为32μS，具有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI 数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。电路图如下：

数码管模块

本设计中选用3位的共阴极数码管来显示水位信息。共阴数码管：指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管，共阴数码管在应用时应将公共极COM 接到地线GND 上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。数码管的位选端连接到单片机的P2口，段选端连接到单片机的P0口，通过给位选端低电平就可以选中某一位数码管点亮，在编程时使用动态扫描的方法点亮数码管。数码管电路如下图所示。

继电器电路

本系统设计中通过继电器控制水泵加水，继电器部分通过一个三极管控制，当单片机的IO口输出低电平时，三极管导通，工作指示灯点亮，继电器工作，继电器的衔片吸合，水泵电路导通，从而进行加水。当IO口输出高电平时，三极管截止，继电器断开，水泵不工作。电路图如下。

主程序设计

主程序的任务是完成系统的初始化，获取各个模块的信息并进行处理，控制各个模块实现相应的功能。流程图如下：

数码管显示程序设计

本设计中采用动态扫描的方法控制数码管显示，在while循环中，循环扫描数码管。将数码管要显示的3位数据放到一个数组中，在数据更新时时，只需要将该数组的值更新即可，程序会将数组中的值显示到数码管上。

数码管扫描代码如下：

P0=0x00;	//消隐        P2=0xfe;	//选中第一位数码管        P0=table[water/100];  //百位        delayus(100);        P0=0x00;	//消隐        P2=0xfd;	//选中第二位数码管        P0=table[(water%100)/10];  //十位        delayus(100);        P0=0x00;	//消隐        P2=0xfb;	//选中第三位数码管        P0=table[water%10];  //个位        delayus(100);3.3 按键扫描程序设计按键扫描部分程序控制手动加水，在while循环中一致扫描按键端口，如果检测到端口为低电平，则表示按键按下，然后进行约10ms的消抖，再次检测按键是否按下，如果按键为按下状态，则表示按键确实按下。然后控制水泵加水。代码如下：if(!key)		//扫描按键        {            if(!keyflag)		//判断按键状态            {                delayus(1000);	//延时消抖                if(!key)		//再次扫描按键                {                    keyflag=1;	//按键按下状态                    if(water<90)	//水位小于90开始加水                    {                        motor=0;	//启动水泵                        flag=1;		//表示在加水状态                    }                }            }        } else keyflag=0;  //按键松开状态

AD转换程序设计

使用ADC0832将液位的电信号转换为数字量。当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK 和DO/DI 的电平可任意。当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK 输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第1 个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示起始信号。在第2、3个脉冲下沉之前DI端应输入2 位数据用于选择通道功能。AD转换代码如下：

unsigned char ADC0832_Read(bit ch){    unsigned char i,dat;    CS=1;     //一个转换周期开始    CLK=0;    //为第一个脉冲作准备    CS=0;     //CS置0，片选有效    DIO=1;    //DIO置1，规定的起始信号    CLK=1;    //第一个脉冲    CLK=0;    //第一个脉冲的下降沿，此前DIO必须是高电平    DIO=1;    //DIO置1， 通道选择信号    CLK=1;    //第二个脉冲，第2、3个脉冲下沉之前，DI必须跟别输入两位数据用于选择通道，这里选通道CH0    CLK=0;    //第二个脉冲下降沿    DIO=ch;   //ch为几，则选择通道几    CLK=1;    //第三个脉冲    CLK=0;    //第三个脉冲下降沿    DIO=1;    //第三个脉冲下沉之后，输入端DIO失去作用，应置1    CLK=1;    //第四个脉冲    for(i=0; i<8; i++)//高位在前    {        CLK=1; //第四个脉冲        CLK=0;        dat<<=1;       //将下面储存的低位数据向右移        dat|=(unsigned char)DIO;   //将输出数据DIO通过或运算储存在dat最低位    }    CS=1;    //片选无效    return dat;    	 //将读出的数据返回}