XX學(xué)院單片機系統(tǒng)設(shè)計三級工程設(shè)計說明書〔2023/2023學(xué)年第二學(xué)期〕題目：基于單片機的水位檢測報警系統(tǒng)_專業(yè)班級：XXXXXXXX學(xué)生姓名：XXXXX學(xué)號：XXXXX指導(dǎo)教師：XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX設(shè)計周數(shù)：XXXXXXXXX設(shè)計成績：XXXX年XX月XX日XX學(xué)院單片機系統(tǒng)設(shè)計三級工程任務(wù)書一、題目：基于單片機基于單片機的水位檢測報警系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)二、參與工程班級：XXXXXXXXXXXXXX三、工程起止時間：XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX四、原始數(shù)據(jù)及主要任務(wù)：原始數(shù)據(jù)：水位傳感器；51單片機；揚聲器。主要任務(wù)：⑴根據(jù)技術(shù)要求和現(xiàn)有開發(fā)環(huán)境，分析設(shè)計題目；⑵設(shè)計系統(tǒng)實現(xiàn)的方案；⑶設(shè)計并繪制電路原理圖；⑷畫出功能模塊的程序流程圖；⑸使用匯編語言(或C語言)編寫實現(xiàn)程序；⑹結(jié)合硬件調(diào)試、修改并完善程序；⑺編寫工程報告。五、技術(shù)要求：⑴利用單片機及揚聲器、水位傳感器等器件設(shè)計；⑵將探測到的水位變化信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)調(diào)理電路整形處理為TTL電平送入單片機；⑶單片機對送入的信號進行數(shù)據(jù)處理，在LED或LCD上進行水位顯示，超出水位警戒線時發(fā)出報警提示。學(xué)生〔簽字〕：系主任〔簽字〕：指導(dǎo)教師〔簽字〕：院長〔簽字〕：目錄1．工程設(shè)計要求與任務(wù)32．工程設(shè)計正文32.1課題背景及研究意義分析32.2課題現(xiàn)狀42.3設(shè)計思路及方案42.3.1水位傳感方式的選擇42.3.2水位傳感器的特點及應(yīng)用52.4系統(tǒng)的組成62.4.1系統(tǒng)工作原理62.4.2穩(wěn)壓電路62.4.3水位顯示電路72.4.4振蕩電路和復(fù)位電路82.4.5自動報警電路83．水位檢測系統(tǒng)的整體電路仿真圖93.1硬件連接實物圖94.各種水位下的仿真圖104.1高水位狀態(tài)下仿真圖104.2低水位狀態(tài)下仿真圖105.通信單元硬件設(shè)計116．上位機顯示單元116.1上位機接受局部窗體控件127.工程設(shè)計總結(jié)148.參考文獻15附錄1161設(shè)計要求與任務(wù)設(shè)計要求：⑴利用單片機及揚聲器、水位傳感器等器件設(shè)計；⑵將探測到的水位變化信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)調(diào)理電路整形處理為TTL電平送入單片機；⑶單片機對送入的信號進行數(shù)據(jù)處理，在LED或LCD上進行水位顯示，超出水位警戒線時發(fā)出報警提示。原始數(shù)據(jù)：水位傳感器；51單片機；揚聲器。主要任務(wù)：⑴根據(jù)技術(shù)要求和現(xiàn)有開發(fā)環(huán)境，分析設(shè)計題目；⑵設(shè)計系統(tǒng)實現(xiàn)的方案；⑶設(shè)計并繪制電路原理圖；⑷畫出功能模塊的程序流程圖；⑸使用匯編語言(或C語言)編寫實現(xiàn)程序；⑹結(jié)合硬件調(diào)試、修改并完善程序；⑺編寫工程報告。2工程設(shè)計正文2.1課題背景及研究意義分析：在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，常常需要測量液體液位。隨著國家工業(yè)的迅速開展，液位測量技術(shù)被廣泛應(yīng)用到石油、化工、醫(yī)藥、食品等各行各業(yè)中。低溫液體〔液氧、液氮、液氬、液化天然氣及液體二氧化碳等〕得到廣泛的應(yīng)用，作為貯存低溫液體的容器要保證能承受其載荷；在發(fā)電廠、煉鋼廠中，保持正常的鍋爐汽包水位、除氧器水位、汽輪機凝氣器水位、高、低壓加熱器水位等，是設(shè)備平安運行的保證；在教學(xué)與科學(xué)研究中，也經(jīng)常碰到需要進行液位控制的實驗裝置。本設(shè)計是利用STC89C52單片機設(shè)計一種水位控制系統(tǒng)。主要是基于單片機的硬件設(shè)計以及程序設(shè)計,包括測量電路局部、鍵盤輸入控制局部、液位實時數(shù)顯輸出局部以及液位控制局部，還在此根底上添加報警器。本設(shè)計只是概念性設(shè)計了電路局部，并不涉及具體的數(shù)值設(shè)定，經(jīng)過了實際應(yīng)用檢測。該系統(tǒng)實現(xiàn)了水位監(jiān)測，水位控制，水位顯示，故障報警功能。在設(shè)計中主要采用了傳感技術(shù)、單片機技術(shù)、弱電控制強電技術(shù)、C語言編程等技術(shù)。本文還講述了水位控制系統(tǒng)工作的根本原理，介紹了電路接口原理圖，給出了相應(yīng)了設(shè)計流程圖和C語言程序。本文主要是為了更多得了解單片機，掌握單片機的組成局部和控制原理，最終到達設(shè)計出“單片機水位控制系統(tǒng)的〞的目的。實驗證明，單片機控制的水位控制系統(tǒng)的硬件電路簡單，軟件功能完善，控制系統(tǒng)可靠，充分發(fā)揮了單片機的性能，可以大大的提高單片機的開發(fā)效率。2.2課題現(xiàn)狀目前，市面上進行液位測量的儀表種類繁多，但是同時具有測量、監(jiān)控、數(shù)據(jù)記錄及處理的液位測量裝置并不多。在某些工業(yè)控制系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的測量這一根本功能已不能滿足現(xiàn)代工業(yè)的要求，往往需要對大批數(shù)據(jù)進行記錄，對其進行后期處理分析，實現(xiàn)過失控制、工藝改善、資源優(yōu)化等一系列工作。為了獲得大批量的數(shù)據(jù)，得到可靠的分析資料，往往需要長期、多網(wǎng)點的監(jiān)控記錄。在液位測量這一領(lǐng)域中，如江河湖海、城市用水等方面，大量數(shù)據(jù)長時間，多網(wǎng)點的采集記錄分析具有普遍的意義。液位的變化分析，有助于人們進一步對自然環(huán)境、天氣變化甚至是災(zāi)害預(yù)警提供可靠的支持。單片機是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨即存儲器RAM，只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器、計時器等功能集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。中央處理器CPU是單片微型計算機指揮、執(zhí)行中心，由它讀程序并執(zhí)行指令。CPU功能，是以不同方式來執(zhí)行各種指令。有的指令涉及到各個存放器之間的關(guān)系；有的指令涉及到單片機核心電路內(nèi)部各功能部件的關(guān)系；有的那么與外部器件發(fā)生關(guān)系?？偟膩碚fCPU是通過復(fù)雜的時序電路來完成不同的指令功能的。對于本設(shè)計單片機結(jié)構(gòu)簡單實用性強，功能齊全，技術(shù)先進，使實現(xiàn)這設(shè)計不難實現(xiàn)。同時，C語言是單片機的重要“組成〞，如果能掌握好C語言編程，這將很大程度上提高了開發(fā)效率。在設(shè)計過程中我們采用了軟硬件雙結(jié)合的方式，軟件設(shè)計的方法簡化了硬件的要求，為設(shè)計創(chuàng)造了條件。單片機采用的STC89C52的單片機。2.3設(shè)計思路及方案水位傳感方式的選擇簡單的控制方式有浮標(biāo)式、電極式等，這些控制方式的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，本錢低廉。但有很多問題存在，比方是精度不高，不能進行數(shù)值顯示，另外很容易引起誤查，且只能單獨控制，與計算機進行通信連接比擬難實現(xiàn)，很難快速準(zhǔn)確傳輸信號，所以不利于水位信號的傳送。2.3.2水位傳感器的特點及應(yīng)用水位浮球開關(guān)特點：1小型浮球液位開關(guān)是一種結(jié)構(gòu)簡單，使用方便的液位控制零件，它設(shè)有復(fù)雜的電路，不會受到干擾，只要材質(zhì)選擇正確，任何性質(zhì)液體、壓力、溫度皆可使用。液體介質(zhì)性質(zhì)與浮球關(guān)系：2液體比重不同時，浮球的動作位置將會有所變動，一般SG比水小時，浮球浸在液體中局部將相對增多。3浮球開關(guān)產(chǎn)品參考比重以水〔SG＝1〕所以使用時在選用浮球時須考慮液位的比重SG，一定大于浮球規(guī)格所標(biāo)示，否那么，浮球開關(guān)無法浮動。4粘度高不會干涸的液體，一般應(yīng)選用外徑較大的不銹鋼浮球。5浮球開關(guān)是使用磁鐵來感應(yīng)磁簧開關(guān)，因此被測液位應(yīng)無鐵屑，否那么鐵屑粘在浮球上面浮球浮不起來會影響浮球隊開關(guān)的動作。用途：不銹鋼浮球液位開關(guān)專門用于各種中小型常壓和受壓儲液罐的液位檢測、信號遠傳、開關(guān)報警，可適用于各種衛(wèi)生、環(huán)保、有毒、帶濃酸堿腐蝕性強介液體使用。圖1水位浮球式傳感器及工作原理浮子開關(guān)是利用開關(guān)上面磁性浮子隨液位升或降，使開關(guān)檢測管內(nèi)設(shè)定位置的干簧管芯片動作，發(fā)出接點開〔關(guān)〕轉(zhuǎn)換信號。動作原理：在密閉的非導(dǎo)磁性管內(nèi)安裝有一個或多個干簧管，然后將此管穿過一個或多個中空且內(nèi)部有環(huán)形磁鐵的浮球，液體的上升或下降將帶動浮球一起上下移動，從而使該非導(dǎo)磁性管內(nèi)的干簧管產(chǎn)生吸合或斷開的動作，從而輸出一個開關(guān)信號，也叫做無源觸點信號。應(yīng)用范圍:我們常見的浮子開關(guān)一般水箱里面控制水位，用水箱高液位或者低液位報警作用。還可以用在飲水機、空調(diào)、加濕器、霧化器、空壓機、凈水器、水箱、熱水爐、水池、油箱、油罐、壓力罐、一些有酸堿液體的大小型設(shè)備。適用范圍廣、安裝形式多樣側(cè)裝、直裝、頂部和底部安裝、螺紋法蘭安裝到達多點液位報警效果。無源器件,性能穩(wěn)定可靠，平安方便，抗干擾能力強，結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，維護費用低。2.4系統(tǒng)的組成水位控制系統(tǒng)由電源電路、水位探測傳感電路、穩(wěn)壓電路、繼電器控制電機加水電路、水位顯示電路、單片機STC89C52組成。系統(tǒng)組成的方框圖如下：水位報警電路電源電路穩(wěn)壓電路水位傳感器水位報警電路電源電路穩(wěn)壓電路水位傳感器水位顯示單片機STC89C52圖2系統(tǒng)組成方框圖2.4.1系統(tǒng)工作原理當(dāng)水箱里的水位在低水位的時候傳感器傳給穩(wěn)壓電路一個低電平，低電平通過穩(wěn)壓電路里的NPN三極管、電容、電阻轉(zhuǎn)換成高電平。單片機收到高電平，表示水箱里沒有水了需要系統(tǒng)開始運作，給水箱加水，這時單片機通知紅燈緩慢閃爍，蜂鳴器報警。水位到達高水位時傳感器同時傳送給單片機一個低電平，紅燈閃爍頻率加快，蜂鳴器報警頻率加快。同理，水位從高水位下降時，水位離開高水位線時，高水位傳感器探頭與電源斷開，傳感器輸出高電平給單片機。當(dāng)水位下降到蓄水位時，紅燈閃爍變慢。2.4.2穩(wěn)壓電路圖3穩(wěn)壓電路圖本電路的主要作用是使從傳感器輸入的電平能夠穩(wěn)定的輸入到單片機中，，是由三極管9013、兩個電阻、和一個無極性電容組成。如果我們不使用此穩(wěn)壓電路也能實現(xiàn)我們的設(shè)計目的，但有時會產(chǎn)生水位誤判和不穩(wěn)定現(xiàn)象，所以我認為此電路是不可缺少的。2.4.3水位顯示電路圖4水位顯示電路圖本電路采用不不同顏色的LED作為顯示裝置，有單片機P2.0、P2.3口控制進行水位顯示。紅燈閃爍緩慢代表水位在低水位。紅燈閃爍急促表示在高水位以上。此電路采用的是共陽極的，所以只有單片機給發(fā)光二極管為低電平的時候才能是發(fā)光二極管點亮。R1，R4，為上拉電阻起限壓控流作用。LED〔LightEmittingDiode〕，發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。LED的心臟是一個半導(dǎo)體的晶片，晶片的一端附著LED燈株在一個支架上，一端是負極，另一端連接電源的正極，使整個晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。半導(dǎo)體晶片由兩局部組成，一局部是P型半導(dǎo)體，在它里面空穴占主導(dǎo)地位，另一端是N型半導(dǎo)體，在這邊主要是電子。但這兩種半導(dǎo)體連接起來的時候，它們之間就形成一個“P-N結(jié)〞。當(dāng)電流通過導(dǎo)線作用于這個晶片的時候，電子就會被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，然后就會以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)光的原理。而光的波長決定光的顏色，是由形成P-N結(jié)材料決定的。2.4.4振蕩電路和復(fù)位電路圖5振蕩電路和復(fù)位電路圖振蕩電路和復(fù)位電路是單片機不可缺少的局部，是單片機的重要組成，它們集成在單片機里，對于單片機穩(wěn)定工作有至關(guān)重要的作用。并且可以延長它的使用壽命。2.4.5自動報警電路以下二種情況發(fā)生系統(tǒng)報警：1當(dāng)水位到達上限極限水位時報警，水位到達上限極限水位時系統(tǒng)發(fā)出報警；2當(dāng)水位到達下限極限水位時報警，水位到達下限極限水位時系統(tǒng)發(fā)出報警；圖6自動報警電路的接線圖3水位檢測系統(tǒng)的整體電路仿真圖圖7水位控制系統(tǒng)仿真圖3.1實物圖圖8實物圖4各種水位情況下的仿真圖4.1高水位狀態(tài)加水水到達在蓄水位時：高水位警示燈紅燈閃爍急促，蜂鳴器快頻率鳴叫。仿真圖如下所示：圖9高水位仿真圖4.2低水位狀態(tài)水位減少到低水位時：低水位警示紅燈閃爍，蜂鳴器低頻率鳴叫。仿真圖如下所示：圖10低水位仿真圖5通信單元硬件設(shè)計MAX485僅有8個管腳，電路設(shè)計比擬簡單。圖11圖11MAX485引腳圖RO引腳接到單片機串口接收引腳RXD〔P3.0〕，DI引腳接到單片機串口發(fā)送引腳TXD〔P3.1〕。由于MAX485為半雙工通信方式，不能同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，只能通過控制RE和DE引腳的狀態(tài)來進行發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。為了節(jié)省單片機I/O口資源，將RE和DE引腳連在一起，輸入低電平時，MAX485處于接收狀態(tài)；輸入高電平時，其處于發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)。定義RE和DE連接在一起的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號為E，接入單片機P1口，用于發(fā)送與接收的轉(zhuǎn)換。A，B端為發(fā)送接收差分信號端，一般需在A,B端之間加匹配電阻，匹配電阻為120Ω。硬件電路如圖3-13：圖12串行通信模塊電路圖6上位機顯示單元上位機編程與下位機結(jié)合對應(yīng)，下位機發(fā)“0〞代表當(dāng)前水位為高水位，下位機發(fā)“1〞代表當(dāng)前水位為低水位。水位變化當(dāng)高水位發(fā)“0〞時上位機接受到對應(yīng)ASCII碼為48，此時上位機顯示“警戒！當(dāng)前水位為高水位！〞。水位變化當(dāng)高水位發(fā)“1〞時上位機接受到對應(yīng)ASCII碼為49，此時上位機顯示“警戒！當(dāng)前水位太低！〞。圖13上位機程序代碼6.1上位機接受局部控件窗體圖14水位檢測報警系統(tǒng)窗體7設(shè)計總結(jié)通過這次工程設(shè)計，上位機和下位機的編程中我對軟件開發(fā)有了進步的了解，把理論知識應(yīng)用于實驗中。也讓我重新熟悉了C語言和C#語言的相關(guān)內(nèi)容，加深了對C語言、C#語言知識的深化和用途的理解。在這次的工程設(shè)計過程中，我發(fā)現(xiàn)自己的根底知識和應(yīng)用能力都很差。剛接過工程，按照設(shè)計步驟走的時候，在很多都卡住了，原理的知識忘記了很多，以至于在設(shè)計開始時必須得先復(fù)習(xí)一下相關(guān)的根底知識。在老師和同學(xué)的幫助下我順利的完成了這次工程設(shè)計，對于我來說，收獲最大的是方法和能力；那些分析和解決問題的能力。在整個工程設(shè)計的過程中，我發(fā)現(xiàn)我們學(xué)生在經(jīng)驗方面十分缺乏，空有理論知識，沒有理性的知識；有些東西可能與實際脫節(jié)?？傮w來說，我覺得像課程設(shè)計這種類型的作業(yè)對我們的幫助還是很大的，它需要我們將學(xué)過的相關(guān)知識系統(tǒng)地聯(lián)系起來，從中暴露出自身的缺乏，以待改良！本次的工程設(shè)計，培養(yǎng)了我們綜合應(yīng)用設(shè)計工程及其他工程的理論知識和理論聯(lián)系實際，應(yīng)用生產(chǎn)實際知識解決工程實際問題的能力；在設(shè)計的過程中還培養(yǎng)出了我們的團隊精神，同學(xué)們共同協(xié)作，解決了許多個人無法解決的問題；在今后的學(xué)習(xí)過程中我們會更加努力和團結(jié)。我決定認真總結(jié)這次工程設(shè)計的經(jīng)驗，以及學(xué)習(xí)到的知識，來更加的充實自己的頭腦和完善自己的知識結(jié)構(gòu)。另外，我也在這次設(shè)計中看到了自己的許多缺乏之處，通過工程設(shè)計，發(fā)現(xiàn)自己在理論研究和實際工作能力等方面都得到了提高，同時在老師的指導(dǎo)和課題組同學(xué)的共同幫助下，及時總結(jié)研究成果，這些無疑會對我今后的工作和學(xué)習(xí)帶來很大的幫助?？傊?，這次的課程設(shè)計的順利完成使我受益匪淺。要做好一個工程的設(shè)計，就必須做到：在設(shè)計程序之前，對所用單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有一個系統(tǒng)的了解，知道該單片機有哪些資源；要有一個清晰的思路和一個完整的軟件流程圖；在設(shè)計程序時，不能妄想一次將整個程序設(shè)計好，反復(fù)修改、不斷改良是程序設(shè)計的必經(jīng)之路；要養(yǎng)成注釋程序的好習(xí)慣，這樣為資料的保存和交流提供了方便；在設(shè)計中遇到的問題要記錄，以免下次遇到同樣的問題。在這次的工程設(shè)計中，我真正的意識到，在以后的學(xué)習(xí)中，要理論聯(lián)系實際，把我們所學(xué)的理論知識用到實際當(dāng)中，學(xué)習(xí)單片機更是如此，程序只有在經(jīng)常寫與讀的過程中才能提高，這就是這次工程設(shè)計的最大收獲。8參考文獻[1]王祁.智能儀器設(shè)計根底[M].北京：機械工業(yè)出版社，2023.[2]張毅剛,彭喜元,董繼成.單片機原理及應(yīng)用[M].北京:高等教育出版社,2003.[3]蔡黎.一種基于單片機的水位控制系統(tǒng)設(shè)計[J].儀器儀表用戶,2007,14(4):44-45.[4]李書旗,沈金榮.液位測量傳感器系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機測量與控制,2023,17(11):2131-2133.[5]王洪君.單片機原理及應(yīng)用[M].濟南：山東大學(xué)出版社，2023[6]閻石.數(shù)字電子技術(shù)根底[M].北京：高等教育出版社，2006.[7]劉得營，張志霞等.單片機原理及接口技術(shù)[M].中國水利水電出版社2006.3-4[8]劉剛《單片機原理及應(yīng)用》中國林業(yè)出版社評語成績指導(dǎo)教師〔簽字〕年月日附錄1上位機程序設(shè)計水位檢測報警系統(tǒng)C#語言程序如下：usingSystem;usingSystem.Collections.Generic;usingSystem.ComponentModel;usingSystem.Data;usingSystem.Drawing;usingSystem.Linq;usingSystem.Text;usingSystem.Windows.Forms;usingSystem.IO.Ports;usingSystem.Threading;namespace水位檢測報警系統(tǒng)上位機控制{publicpartialclassForm1:Form{SerialPortport;publicForm1(){InitializeComponent();}privatevoidForm1_Load(objectsender,EventArgse){String[]PortNames=SerialPort.GetPortNames();comboBoxPort.Items.Clear();if(PortNames.Length>0){for(Int32i=0;i<PortNames.Length;i++){comboBoxPort.Items.Add(PortNames[i]);}comboBoxPort.SelectedIndex=0;comboBoxBaudRate.SelectedIndex=1;comboBoxData.SelectedIndex=0;comboBoxStop.SelectedIndex=1;}else{comboBoxPort.Text="無串口";}btnClosePort.Enabled=false;}publicdelegatevoidshowInfo(stringstr);byte[]cmd=newbyte[2];Threadt;privatevoidbtnOpenPort_Click(objectsender,EventArgse){port=newSerialPort();port.PortName=comboBoxPort.SelectedItem.ToString();port.BaudRate=Convert.ToInt32(comboBoxBaudRate.SelectedItem);port.Parity=Parity.None;port.DataBits=Convert.ToInt16(comboBoxData.SelectedItem);port.StopBits=StopBits.One;if(port.IsOpen==false){try{port.Open();t=newThread(newThreadStart(RecieveData));t.Start();listBox1.Items.Add("串口翻開成功！");btnClosePort.Enabled=true;btnOpenPort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