基于单片机的智能水箱温度液位控制系统设计
基于单片机的智能水箱温度液位控制系统设计
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1. 系统功能概述
本系统是一种基于51单片机控制的智能水箱温度与液位自动监测与控制系统，旨在实现家庭、实验室或工业场景中对水温与水位的自动化管理。系统以STC89C52单片机作为核心控制单元，采用DS18B20数字温度传感器测量水温，利用水位传感器监测液位高度，DS1302实时时钟模块提供精确的时间信息。LCD1602液晶屏用于实时显示温度、水位、日期和时间，用户可通过按键实现时间设置、水温阈值设定、定时加热等功能。
系统能够根据检测到的水位与温度信息自动进行控制：当水箱缺水时，蜂鸣器报警并启动电磁阀进行自动加水；当水位达到设定高度时，自动关闭电磁阀；当水温低于设定阈值时，自动启动加热装置；达到目标温度后自动关闭加热，形成闭环控制。整个系统运行稳定可靠，能有效提高生活与生产的自动化程度。
2. 系统电路设计
系统的电路设计由多个模块构成，包括主控单片机模块、温度检测模块、水位检测模块、实时时钟模块、显示模块、按键输入模块、加热与加水控制模块以及报警模块。各模块间通过数据与控制信号互联，形成完整的自动检测与控制系统。
2.1 主控单片机模块
系统的核心为STC89C52单片机，它是一款基于8051内核的高性能单片机，具有丰富的I/O接口、定时器、中断及串行通信功能。该模块主要负责：
- 采集温度与水位数据；
- 控制加热器、电磁阀等执行元件；
- 显示信息与按键处理；
- 管理DS1302时钟模块；
- 实现报警与阈值控制逻辑。
单片机外接12MHz晶振提供稳定的时钟信号，复位电路采用RC延时复位设计，确保系统上电初始化正常执行。
2.2 温度检测模块（DS18B20）
温度检测部分采用DS18B20数字温度传感器，其特点是测量精度高、通信方式简洁、无需外部A/D转换。DS18B20采用单总线接口，只需一根数据线即可实现与单片机通信。
在系统中，DS18B20的数据线连接到P3.7端口，通过单片机发出的时序信号完成温度读取。传感器内部已完成模数转换，返回的温度数据为16位数字信号，单片机通过运算将其转换为摄氏温度并显示在LCD上。DS18B20的测温范围为-55℃125℃，分辨率可设置为912位，系统中采用12位分辨率以提高测量精度。
2.3 水位检测模块
水位检测模块用于实时判断水箱中的液位高低。系统可选用浮球式液位开关或电极式水位传感器。浮球式水位传感器通过物理浮子随水位变化触发开关动作，从而输出高低电平信号；电极式传感器则通过导电液体形成电路通断来判断水位。
在本系统中，水位传感器分为三个等级：低水位、中水位与高水位，分别连接到单片机的P1.0、P1.1、P1.2引脚。当检测到低水位信号时，系统自动启动电磁阀进行加水；当检测到高水位时，自动关闭电磁阀，防止溢出。
2.4 实时时钟模块（DS1302）
DS1302是一款低功耗实时时钟芯片，能够提供精确的年、月、日、时、分、秒信息，并具备掉电后保持数据的能力。其内部集成涓流充电电路，可接外部电池实现时间持续计时。该模块通过三线接口（CE、SCLK、IO）与单片机通信，采用SPI时序方式传输数据。
在系统中，DS1302用于提供系统时间显示及定时加热功能的时间基准。用户可通过按键设置时间信息，单片机将修改后的时间写入DS1302寄存器中保存。
2.5 LCD1602显示模块
LCD1602是一种常用的字符型液晶显示器，能够显示两行16个字符。系统利用LCD1602实时显示：
- 当前水温；
- 当前水位状态；
- 当前日期和时间；
- 系统模式状态（加热中、加水中、报警中等）。
LCD的RS、RW、E及D0~D7分别连接至单片机P2口，显示内容通过程序定时刷新，以保证显示与实际数据同步。
2.6 按键输入模块
按键模块为用户提供操作接口，用于实现以下功能：
- 设置系统时间；
- 调整目标水温；
- 启用或关闭定时加热；
- 手动加水或停止。
每个按键均通过上拉电阻与单片机P3口相连，系统采用定时扫描与软件去抖算法识别按键状态，确保操作准确。设置完成后，单片机将参数存入EEPROM中保存，掉电后不丢失。
2.7 加热与加水控制模块
加热模块采用继电器控制电加热器通断，单片机通过P1.5输出信号控制继电器线圈。当检测到水温低于设定值时，单片机驱动继电器吸合，加热器开始工作；当水温达到阈值后自动断开。加水模块同样使用继电器控制电磁阀，实现自动加水与停止。
为了防止电磁阀频繁动作，程序中设计了延时与滞回机制：在高水位信号触发关闭后，系统延时数秒确认水位稳定，再进入待机状态。
2.8 报警模块
报警模块由蜂鸣器与红色LED组成。当系统检测到以下情况时触发报警：
- 水位过低；
- 温度传感器失效；
- DS1302通信错误；
- 超温或过流状态。
报警信号由单片机P1.7输出，蜂鸣器发出声音提示，LED闪烁提示异常。
3. 系统程序设计
系统软件采用模块化结构编写，包含主程序、温度采集模块、水位检测模块、时钟显示模块、LCD显示模块、按键扫描模块、加热与加水控制模块以及报警模块。程序整体采用循环查询结构，确保实时响应与逻辑清晰。
3.1 主程序设计
主程序实现系统的初始化、循环检测与控制逻辑。初始化包括LCD显示初始化、DS1302与DS18B20模块初始化、变量清零、定时器配置等操作。主循环中根据传感器采集数据进行判断，执行相应动作。
#include <reg52.h>
#include "lcd1602.h"
#include "ds18b20.h"
#include "ds1302.h"
#include "key.h"
#include "relay.h"
#include "buzzer.h"float temperature;
unsigned char hour, min, sec;
bit addWater = 0;void main()
{LCD_Init();DS18B20_Init();DS1302_Init();Relay_Init();Key_Init();Buzzer_Init();while(1){temperature = DS18B20_ReadTemp();DS1302_ReadTime(&hour, &min, &sec);LCD_ShowString(0,0,"T:");LCD_ShowFloat(0,2,temperature,2);LCD_ShowString(1,0,"Time:");LCD_ShowNum(1,5,hour,2);LCD_ShowChar(1,7,':');LCD_ShowNum(1,8,min,2);Water_Check();Temp_Control();Key_Process();delay_ms(200);}
}
3.2 温度采集模块（DS18B20驱动）
DS18B20通过单总线协议与单片机通信。单片机发出复位脉冲后等待响应，然后向其发送命令码读取温度数据。程序读取的原始数据经过换算后得到实际温度值。
float DS18B20_ReadTemp(void)
{unsigned int temp;unsigned char low, high;DS18B20_Start();DS18B20_WriteByte(0xCC);DS18B20_WriteByte(0x44);delay_ms(750);DS18B20_Start();DS18B20_WriteByte(0xCC);DS18B20_WriteByte(0xBE);low = DS18B20_ReadByte();high = DS18B20_ReadByte();temp = (high << 8) | low;return temp * 0.0625;
}
3.3 水位检测模块
程序定时读取P1口的水位信号输入，根据检测结果判断是否需要加水或停止。为了防止误触发，检测结果需连续采样两次相同才确认有效。
void Water_Check(void)
{if(LowLevel == 0){Relay_WaterOn();Buzzer_On();}else if(HighLevel == 0){Relay_WaterOff();Buzzer_Off();}
}
3.4 DS1302时间管理模块
DS1302模块提供当前时间信息，并支持通过按键设置时间。系统通过SPI方式与DS1302通信。
void DS1302_ReadTime(unsigned char *h, unsigned char *m, unsigned char *s)
{*h = DS1302_Read(0x85);*m = DS1302_Read(0x83);*s = DS1302_Read(0x81);
}
3.5 按键扫描模块
按键扫描模块用于识别用户操作命令。通过去抖延时确保按键输入稳定可靠。
unsigned char Key_Scan(void)
{if(KEY1 == 0) { delay_ms(10); if(KEY1==0) return 1; }if(KEY2 == 0) { delay_ms(10); if(KEY2==0) return 2; }if(KEY3 == 0) { delay_ms(10); if(KEY3==0) return 3; }return 0;
}
3.6 加热与加水控制模块
系统根据温度和水位判断控制继电器，确保水箱温度与液位在安全范围内。
void Temp_Control(void)
{if(temperature < 30)Relay_HeaterOn();else if(temperature > 40)Relay_HeaterOff();
}
3.7 报警模块
当系统检测到水位过低或传感器异常时，蜂鸣器与LED同时启动报警。
void Alarm_Handle(void)
{if(Sensor_Error || LowLevel == 0){Buzzer_On();LED_Flash();}else{Buzzer_Off();LED_Off();}
}
4. 系统工作原理分析
系统通电后，单片机首先完成各模块初始化，LCD显示当前时间与温度、水位状态。主程序循环运行，周期性读取温度与水位信号。当检测到水温低于设定阈值时启动加热器，加热至目标温度后自动停止；当水位低于最低液位时，电磁阀自动打开加水，直至水位达到上限后关闭。
同时，系统根据DS1302时钟信息显示当前时间，并在用户设定的时间段内自动执行加热任务。用户可通过按键修改时间与温度阈值，系统实时保存设置。
若传感器异常或水位过低，系统立即触发报警，蜂鸣器发声并闪烁提示灯，提醒用户检查设备。
5. 系统总结
基于单片机的智能水箱温度液位控制系统实现了水温与水位的双参数监测与自动控制，结合实时时钟与人机交互设计，使系统更具智能化与实用性。通过DS18B20、DS1302、LCD1602等模块的配合，系统能够精准采集环境参数，自动完成加热与加水过程，并具备良好的可扩展性与稳定性，适用于家庭热水系统、小型实验设备及自动供水控制领域。