基于单片机的四点位水位控制与报警系统设计
1. 基于单片机的四点位水位控制与报警系统设计
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1.1 系统功能概述
本系统是一种基于单片机的智能水位控制与报警系统，主要用于储水罐、蓄水池、化工液体罐等液位检测与自动控制场合。系统采用四对由高亮二极管和光敏三极管组成的液位传感器，分别安装在四个不同的高度位置，用于检测液面的实时高度。单片机根据检测结果自动判断水位状态，实现自动加水、停止加水以及上限、下限报警等功能。
整个系统具有以下主要功能特点：
- 多点液位检测：通过四个光电液位传感器实现四个不同高度点的实时检测，获取完整的液位信息。
- 自动控制功能：系统可根据液位状态自动开启或关闭电磁阀，实现无人值守的智能加水功能。
- 声光报警功能：当水位超过上限或低于下限时，系统自动触发报警模块，发出声光提示，提醒用户处理。
- LED数码显示：通过三位七段LED数码管显示水位等级或报警信息，便于用户直观了解当前状态。
- 高可靠性与低成本：电路采用常用的STC89C52单片机和ADC0832模数转换芯片，具有成本低、稳定性好、抗干扰能力强等特点。
2. 系统电路设计
整个系统的硬件部分主要由以下几个模块组成：
- 单片机最小系统模块
- 液位检测传感器模块
- 模数转换模块（ADC0832）
- 数码管显示模块
- 报警控制模块
- 电磁阀驱动控制模块
- 电源模块
下面将对各个模块进行详细介绍。
2.1 单片机最小系统模块
系统的核心控制器采用 STC89C52 单片机，该芯片属于 8051 系列增强型单片机，具有 8KB Flash 存储空间、256B RAM、丰富的 I/O 接口资源以及定时器和中断功能，适合用于本类小型自动控制系统。
最小系统包括以下部分：
- 晶振电路：采用12MHz晶振与两个30pF电容组成振荡电路，保证单片机正常工作频率。
- 复位电路：由按键、电阻和电容构成上电复位与手动复位电路，确保上电初始化稳定。
- 电源输入：提供稳定的+5V直流电压，供单片机及外围模块使用。
该模块的主要功能是负责整个系统的数据处理与逻辑控制，包括液位判断、数码管显示控制、报警输出以及电磁阀动作控制。
2.2 液位检测传感器模块
系统采用四对高亮发光二极管与光敏三极管构成四组光电液位检测器，分别安装于水箱的上限、停止加水线、启动加水线和下限位置。
- 当水面未达到传感器位置时，光线可直接照射到光敏三极管，使其导通，输出低电平；
- 当水面上升遮挡光线时，光敏三极管截止，输出高电平。
这四个信号分别对应单片机的P1.0～P1.3引脚，代表四种水位状态：
| 传感器位置 | 对应引脚 | 电平状态 | 功能说明 |
|---|---|---|---|
| 第一点（上限） | P1.0 | 高电平 | 超出上限报警 |
| 第二点（停止加水线） | P1.1 | 高电平 | 停止加水 |
| 第三点（加水线） | P1.2 | 低电平 | 启动加水 |
| 第四点（下限） | P1.3 | 低电平 | 低水位报警 |
通过这四个传感器的逻辑组合，单片机能够判断当前的液位状态，并进行相应控制。
2.3 模数转换模块（ADC0832）
ADC0832 是一款双通道 8 位分辨率的 A/D 转换芯片，采用串行接口与单片机通信。虽然光电传感器输出为数字信号，但部分情况下水面遮挡可能产生模拟电压变化，因此系统引入ADC0832进行模数转换，使系统在需要时可精确采集水位模拟信号。
ADC0832 采用三线接口（CS、CLK、DIN/DOUT）与单片机通信。单片机通过控制时序信号读取水位模拟电压值，经判断后得出水位状态。这一设计为系统的扩展提供了可能，例如未来可增加液位线性测量功能。
2.4 数码管显示模块
系统选用 三位共阴极七段数码管，用于显示水位状态或报警信息。
显示逻辑如下：
| 显示内容 | 含义说明 |
|---|---|
| “0” | 水位低于下限，报警 |
| “1” | 水位位于加水线以下，开始加水 |
| “2” | 水位达到停止加水线，关闭阀门 |
| “3” | 水位达到上限，报警 |
| “Err” | 传感器异常或信号错误 |
显示模块通过P2口与单片机连接，单片机采用动态扫描方式轮流点亮数码管，实现节省I/O资源与功耗优化的目的。
2.5 报警控制模块
报警模块由蜂鸣器与高亮LED组成，当检测到上限或下限异常状态时，单片机输出高电平信号驱动三极管导通，点亮LED并启动蜂鸣器。
为了避免报警频繁触发，程序中设置了状态判定延时与报警锁定机制，确保报警只在状态稳定后触发。
2.6 电磁阀驱动控制模块
为实现自动加水与停止加水功能，系统使用一个继电器驱动电路控制电磁阀。
当单片机检测到水位低于加水线时，输出高电平信号至驱动电路，三极管导通，继电器吸合，电磁阀开启加水。
当水位高于停止线时，单片机输出低电平，继电器释放，电磁阀关闭。
电磁阀控制信号与报警输出相互独立，避免误触发。
2.7 电源模块
电源部分采用稳压芯片 7805 提供 +5V 电压，输入端可接9～12V直流电源。为保证系统稳定，电源端加装了滤波电容和保护二极管。
同时，在数码管与继电器部分设计了电源分流与反向保护措施，避免电磁干扰对单片机的影响。
3. 程序设计
本系统的软件设计以 C 语言为主，基于 Keil 平台开发。程序主要包括以下几个部分：
- 主程序框架设计
- 液位检测与状态判断模块
- 显示模块程序设计
- 电磁阀控制逻辑
- 报警逻辑设计
下面将详细说明各部分的设计思路与实现方法。
3.1 主程序框架设计
主程序负责系统的总体流程控制，包括初始化、数据采集、逻辑判断、显示与报警控制。系统运行流程如下：
- 系统上电初始化（I/O、定时器、ADC等）
- 读取四个传感器信号
- 判断水位状态
- 根据状态控制电磁阀与报警
- 更新数码管显示
- 延时后进入下一轮检测
主程序代码示例如下：
#include <reg52.h>
#include "adc0832.h"#define uchar unsigned char
#define uint unsigned intsbit VALVE = P3^0; // 电磁阀控制口
sbit BUZZER = P3^1; // 蜂鸣器控制口
sbit LED_ALARM = P3^2; // 报警指示灯uchar level;void delay(uint t) {uint i, j;for(i = 0; i < t; i++)for(j = 0; j < 125; j++);
}void main() {while(1) {level = P1 & 0x0F; // 读取P1.0~P1.3输入状态Display_Level(level); // 显示函数Control_Logic(level); // 控制逻辑delay(500);}
}
3.2 液位检测与状态判断模块
本模块负责实时读取传感器信号，并将电平状态转换为系统可识别的液位等级。
当四个输入口的电平组合变化时，系统根据判断逻辑确定当前水位位置。
uchar Get_Level(void) {uchar input = P1 & 0x0F;switch(input) {case 0x01: return 3; // 上限case 0x03: return 2; // 停止加水case 0x07: return 1; // 加水线以下case 0x0F: return 0; // 下限报警default: return 9; // 异常}
}
3.3 显示模块程序设计
数码管采用动态扫描显示方式，通过位选与段选控制水位状态信息。不同的水位等级显示对应数字或错误信息。
void Display_Level(uchar level) {switch(level) {case 0: Show_Num(0); break;case 1: Show_Num(1); break;case 2: Show_Num(2); break;case 3: Show_Num(3); break;default: Show_Error(); break;}
}
其中 Show_Num() 为具体显示函数，通过查表方式输出段码数据。
3.4 电磁阀控制逻辑
系统的自动加水与停止加水功能通过继电器控制实现。程序逻辑如下：
- 当液位低于加水线时，启动电磁阀加水；
- 当液位达到停止加水线时，关闭电磁阀；
- 其余状态保持不变。
void Control_Valve(uchar level) {if(level == 1) VALVE = 1; // 加水else if(level >= 2) VALVE = 0; // 停止加水
}
3.5 报警逻辑设计
系统设计了上限与下限两种报警机制：
- 上限报警：防止溢出；
- 下限报警：防止水泵干转或缺水。
报警模块包括蜂鸣器与LED指示灯，由单片机控制输出。程序如下：
void Alarm_Control(uchar level) {if(level == 0 || level == 3) {BUZZER = 1;LED_ALARM = 1;} else {BUZZER = 0;LED_ALARM = 0;}
}
在主程序中周期性调用该函数，实现实时报警控制。
3.6 主控制逻辑整合
综合以上功能模块，系统主循环逻辑如下：
void Control_Logic(uchar level) {Control_Valve(level);Alarm_Control(level);
}
系统通过每500ms检测一次水位变化，实现对水位状态的动态控制与稳定显示。
4. 系统工作原理总结
系统通过四个光电液位传感器对水位进行分层检测，并将电平信号输入单片机。单片机根据当前的水位状态执行相应动作：
- 当水位低于下限时，触发低水位报警；
- 当水位低于加水线时，自动启动加水阀；
- 当水位达到停止加水线时，关闭加水阀；
- 当水位超过上限时，触发溢出报警。
整个系统实现了**“自动加水—自动停止—超限报警”**的闭环控制逻辑，具有可靠性高、结构简单、可扩展性强的特点。
5. 结论
本文设计的基于单片机的四点位水位控制与报警系统，利用STC89C52单片机作为核心控制单元，通过光电液位检测、模数转换、数码管显示及报警输出，实现了从水位检测到自动控制的全过程。系统不仅结构简单、成本低廉，而且具有较高的自动化程度与实用性。通过合理的软件逻辑与硬件防护设计，可广泛应用于家庭水箱、水塔、工业储液罐等自动控制场合，对提高资源利用率、避免人工操作失误具有重要意义。