摘要
随着人类社会的不断进步与发展，人类逐步进入了工业社会时代。在工业社会时代广袤的生产过程中，大多都有对特定罐体内液位高度控制的需求。但这些液位控制系统针对的控制对象大多是较为大型的控制对象，控制方式多为人力警戒与PLC大机组控制，缺乏灵活性与便利性。针对该问题，本文设计了一种基于小型微控制器的多功能罐体水位控制系统。该系统主要包括罐体液位传感器、微控制器、电控阀门、人机输入按钮、人机交互显示器几部分组成。该系统能根据设定的液位自动调用出液电磁阀与入液电磁阀，从而达到控制液位高度的目的。同时系统还具备显示系统，用户可根据显示系统远程观测罐内液位的高度；在要改变罐体液位设定时，本系统提供了用户交互按钮，用户可根据交互按钮重新设定液位高度，从而达到自由控制的目的。本文设计的多功能液位控制系统拟基于STC15W4K48S4微型控制器，该控制器从传统8051单片机改良而来，具有执行速度快、功耗低、片上外设丰富、外围电路简单的优点，满足本设计的需求场景。
关键词：STC15W4K48S4微型控制器；电阻式液位传感器；自动控制
第一章引言
1.1研究意义
水位调节系统在我国得到了广泛的应用.供水之中的主要问题是，为了防止“无水”和“溢出”，水箱的水位必须保持在一定的限度内。传统的控制方式存在控制精度低、功率和流量不稳定的缺点，自动控制原理取决于用水量变化自动调整系统运行参数，以保持恒定水压满足用户需求，提高供水系统质量。智能控制系统的简单，成本低，灵敏度高，节约资源.的特点是方便目标用户操作的理想装置。
1.2应用方向
控制液面高度需要先测量液面，静压投入式液位变送器是一种解决办法，通过实时测量液面加上系统的控制，可以实现多种复杂功能。
工业生产过程中有一类常见的问题是对液位的控制，在很多行业过程中的饮料食品的加工、饮料灌装需要控制灌装量，还有化工生产中流液罐的监控、溶液过滤等等都要及时对各种液体液位进行适当的及时控制以保证产品的质量和纯度等参数。而以PLC作为基础来设计这种控制系统则能以比人工更加精确的控制这个工业流程。
基于上述思路,本文设计开发了基于STC15W4K48S4单片机的液位控制系统。该系统的实现方式较为简单，可以实现对流体罐内液位的控制。
适当地运用可以在控制简化操作的流程，更加的提高可靠性。可以为节约了劳动力,以及之间的时间。将使得我们的生活、生产都带来改变。
很久之前我国民间就已经为了控制水位想了很多解决方案，比如古代就有利用铁链将水提升高度从而取井水的方法。自动化是工业发展的趋势，早期引进的技术之中就有相关的技术，比如在锅炉液位控制,车辆油箱水箱液位的控制，以及其他种种。
1.3微控核心
微控制器处理,又称微控制器或嵌入式控制单元,是微控制器(嵌入式处理器)设备的核心。
一般来说，计算机总共有1000多种。流行的系统结构是将大约30个基本部件微型化并集成到芯片中形成微系列，其中8051系统仍然占全国的一半。根据分类方法的不同，微控制器可以分为不同的系统总线。随着社会的发展，市场的需求和分支机构的类型。分类数据总线的宽度,可以分成4位机,技术进步中8位的功能模块集成芯片的单片机越来越位机、机16位、32位机;根据指令的结构进行分类可以分为越来越多的功能集。
集中式指令集微控制器(CISC)和简化指令集微控制器(RISC)具有体积小、功耗低、功能强大、性价比高的特点;视各个点的储存方法高、易于推广方案及其他特征,在自动化设备、智能乐器类、供应链管理可以分为非计数器MASKROM EPROM阶级、阶级、过程监控、通讯、家电和其他许多领域争取课堂教室项目(编程),罗少,ROM闪存用于广泛的应用。查看我们当前生活的所有领域，从(MTPROM)五个类;根据日常生活中广泛使用的各种IC卡、电子玩具中的程序存储器和数据存储器，即是否分开分类，分为哈佛结构单片机和一般操作的智能仪器;计算机网络通信与普林斯顿微控制器结构。
传统的单片机问世差不多已半个世纪,但仍然颇受欢迎，这与其能在复杂环境下能可靠地工作十年、二十年都很少出现问题有关。随着疫情的发展,芯片类产品产量下滑,促使开发人员发掘其更合理的使用方式。
1.4发展趋势
不同的应用场景有着不同的需求，单片机总的发展同样会适应这种需求：
1.生产环节
由于需要满足CMOS（overall的CMOS）的低能耗需求，制造商已逐渐在新的MCU产品中取代CHMOS工艺。例如，在McS－51，8031系列上市时的功耗就因为没有采用新技术而高达630mW，采用新技术后的单片机普遍都降低到原来的两成左右。新工艺单片机因为低功耗的优势抢占了旧工艺单片机的市场。CMOS（互补金属氧化物半导体工艺）已基本被所有单片机制造商采用。
80C51也都改用了高密度金属氧化物半导体工艺（HMOS）和互补的高密度金属氧化物半导体工艺（CHMOS）。而CHMOS改进了CMOS运行速度无法提高的问题，使其具有了高速运行时功耗低的特点，更适合使用电池提供电源的布线不便的场景。
可以预测，由于制程工艺的进步，未来低制程工艺的产品会淘汰竞争产品。
2.内容模块
我们提到的SOC单片机之中集成了非常多的模块，比如：随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、并行和串行通信接口、系统中断电路、定时器电路[2]、时钟电路和中央处理单元（CPU）等很多模块都集成在小小的单片机上。
然而用户的使用场景常常需要据项目要求在外围扩展设计一些功能电路，随着集成电路技术的快速迭代，必然会将这些常用的功能包含进来，芯片的集成度也将越来越高。
许多单片机制造商在设计之初都会考虑用户的需求。芯片中集成了一些常用的模块，如PWM（脉冲发生器）和LCD（液晶）驱动器，以及a/D和D／A转换器，这样，整个单片机包含了更多的电路，节省了一些需要在外部频繁拼接的部件，降低了布线的难度。例如，微机系统和应用系统被集成到芯片系统中。单片机制造商可以根据实际需要设计和生产一些特定用途的单片机芯片。
此外，当前的大多数产品都应该朝着轻量化和小型化方向发展，MCU也朝着这一方向发展
微控制器有多种包装形式，其中表面包装最为流行，这使得组件系统的外观越来越小型化。虽然单片机的种类比较复杂，各有特点，但主流的单片机仍以80C51为核心，其他产品与其结构和指令系统兼容。因此，以C8051为核心的单片机占一半以上。此外，精简指令集（RISC）的前景也很好。
单片机的价格总体呈下降趋势，但受疫情影响仍有较大波动。再加上反复流行，价格波动将在可预见的时间内加剧。市场需求的多样性必然导致单片机在全球的垄断，多样化的产品有着巨大的市场。
3.大容量和高性能
集成电路发展之初，由于系统要在复杂情况下根据各种不同情况作出相应的动作，需要存储大量的控制命令，而当时的设备本身不足以完成这些，必须从外部扩展。为了解决这一方面问题的痛点，必须发展新的技术制造大容量的存储器。据报道，微控制器的ROM射程已经超过了之前的1KB至4KB，高达64KB，RAM射程也从64增至128B至2KB
在操作方面，为加快了指令的运行速度和系统的响应速度和可靠性，必须提高CPU的性能。由新技术中的高山结构和自动管线技术的应用，使其运行速度大大提高。每秒数百万条指令的处理速度增强了各种指令的响应速度，例如位处理、中断和定时控制。放在一起运行时很明显，该指令集的应用大大提高了其运行速度和效率。
当单片机的指令速度较高时，可以用软件模拟1／0效应。通过这种方式，开发了虚拟外围设备。单片机常见结构中有对外围设备进行串行扩展的结构。之后的低成本OTP（一次性可编程）和各种专用芯片的出现，以及外围接口不断集成到芯片中，进一步加速了单片机的特性。特别是，PC和SPI总线的引入减少了复杂的引脚设计，使单片机系统的结构更加标准化和简洁。
第二章任务设计思路
2.1液位控制逻辑
液位控制系统是一种专门设计用来控制罐内液体液位的系统。这些系统的主要目的是控制泵（或电磁继电器）向箱内输送液体的速率，从而使液面能够达到箱内所需的液位。
液位系统的目的是保持罐内液体的特定液位。液位控制系统在工业过程中有重要的应用。例如为下游提供一个稳定的液压或者液体流速，保证罐内液体的流动性以防止诸如变性、分层、聚集、凝固等各种问题。
基于上述两点系统能够执行受控动作而设计的控制系统。
2.2系统控制过程
系统中的控制器产生控制信号，该信号被执行器转换成所需的信号，并被送入设备以执行所需的动作。
控制系统的闭环操作允许反馈信号与参考输入进行比较，从而提供被控制的动作。液位系统利用了这一工作原理。
在水位系统的工作中需要的关键组成部分如下:
1.液位传感器
2.电磁阀
3.微控制器
4.显示屏
5.流体罐
6.其他控制部分
第三章方案设计及论证
3.1理论验证
水流可通过控制阀连续流入储液罐，同时通过另一个阀连续流出储液罐。
用户可以使用输入调节阀控制流入，Qi和输出负载阀控制输出Qo。那么，控制水位H可以反映流入和流出之间的差异。
在稳态时用Li代表液体输入流量ΔLi代表输入水流的变化，Lo代表输出流量的稳态值，ΔLo代表输出流量的变化。H代表液位高度，ho代表液位的稳态值，ΔH代表液位的增量，设储液罐的有一个平均压力。根据物料平衡关系，在正常工作状态下，初始时间设定为平衡状态：Lo=Li，H=ho。当调节阀的改变时[4]，液位也会发生一定程度的变化[5]，罐内压力也会随之发生变化。当流出端阀门开度保持不变时，液位的变化将导致供液状态发生变化。因此，有必要实时监测液位变化信息和动态控制调节阀开度，以防止发生偏差。
3.2系统总体设计
本项目是基于“单片机的多功能水位控制系统”的主要功能为控制一特定罐体内的液位高度，系统示意图如上图所示。在系统中，入液口与出液口负责提升、降低罐体中液位的高度。液位传感器负责反馈罐体中实时的液位高度，为微控制器的决策提供数据支持。
微控制器负责采集传感器数据、分析传感器数据、接受人工控制数据、显示系统信息、存储系统信息等功能，是本系统的中枢。显示屏部分负责对外显示系统参数与报警信息，供操作人员监视、参考。设计框架如图3.1所示。
图3.1系统设计框图
第四章系统硬件设计
在系统电路设计与验证方面，本文采用了基于Proteus的电路绘制与仿真平台。Proteus仿真是基于SPICE仿真方法，因为Proteus除了支持基本的电路仿真外，还支持单片机相关的复杂电路仿真，适合本文的应用场景。硬件框架原理如图4.1。
图4.1硬件框架原理图
4.1人工控制部分
人工控制部分主要包括若干自锁按钮，这些自锁按钮功能为将人的肢体输入转变为电压信号，从而控制单片机程序的运行方向。
当锁定按钮没按下的情况下按下面的入液出液，则进行人工控制阀门操作。
当锁定按钮按下的情况下按下出液和入液的作用则是设定默认液面高度的操作。如图4.2。
图4.2人工控制部分原理图
4.2自动控制部分
在无人工干预的情况下系统自动执行已设定好的程序。相应的动作反馈会动态刷新至显示屏上，直观地为人提供系统工作状态的信息。
4.2.1显示屏部分
显示屏的主要职责是向操作员显示系统状态和提示报警信息。为了实现这两个目的需要可以显示字符移动和闪烁功能，本次毕业设计的显示屏采用的LCD型号为LM016L。对应的采用了HD44780控制器，和MCU之间的通信可以8位或4位并行传输。
4.3显示部分原理图
hd44780控制器由IR、Dr、BF、两个8位寄存器、显示编号RAM（DDRAM）、字符生成器ROMA（CGO、ROM）、字符生成器RAM（CGRAM）和地址计数器RAM（AC）组成。
IR被用来存放指令代码，只能写数据。DR用于存储数据。数据通过内部操作自动写入DDRAM、GRAM，或临时存储从DDRAM和CGRAM读取的数据[7]。BF为1时，液晶模块以内部模式工作，不响应外部操作说明和数据信息。DDTAM储存显示字符，可储存80个字符的代码。CGROM由8位字符代码组成[8]，与字符相对应。
4.2.2微控制器部分
本毕业设计中的微控制器具有系统中枢的重要功能,基于该要求,在选型时应选择可靠性高、集成度高的型号。综合考虑，系统决定使用STC公司生产的STC15系列MCU。STC15W4K32S4系列单片机是在89C52核的基础上改进的，具有较宽的电源电压要求（2.4～5.5V），可直接与USB接口通信。它集成了高精度的R／C振荡器和power on复位电路，后者只需向芯片添加电源即可自动运行程序。它可以在线编程和模拟，还可以集成程序存储器和EEPROM的大容量数据。除基本功能组件外，还集成了A／D转换器、PCA、比较器、PWM专用模块、SPI等多种功能接口，简化了系统外围电路，使系统设计更简单，提高了可靠性，降低了设计难度。
4.2.2单片机原理图
4.2.3液位控制部分
本毕业设计具有入液口与出液口两个液位控制部分,主要功能为控制液体的流入与流出。根据功能分析,最接近本毕业设计应用形态的器件为电磁阀。考虑到易用性、空间大小、流量等因素,本毕业设计拟采用KVE21PS12N2N651A型号的直流电磁阀。管道中的流体必须与模型中校准的介质一致。管道中流体的温度不得超过电磁阀的标定温度。电磁阀的工作原理是：通电时，电磁线圈产生的电磁力超过弹簧力，可以抬起关闭件部分，阻塞阀座上的流体，打开阀门。同样，当需要关闭时，只需断开电源，将关闭件部分压回阀座，断开液体流动。
图4.3液位控制部分原理图
4.2.4液位传感器部分
液位传感器主要分为接触式和非接触式。其中接触式的传感器通常视用于供液中对液体进行连续、准确地检测。非接触式的传感器使用限制就比较小。在本文中选用的是一种电阻式的传感器，它的的工作原理是，被测液体的液位下压力会随液体深度度成比例的变化。
这类传感器的传感元件材料通常是采用隔离式扩散硅传感元件或陶瓷电容式压力传感传感器。该传感器能把将液位下的压力转换为电信号，然后通过温度补偿和线性校正将压力信息转换为系统能够处理的电信号。
在电力、石油化工、给排水、环保制药、冶金等系统和行业中都是要对各种液体介质的液位进行测量的。
在使用中为了确保基准压力室与环境压力之间的连接以及传感器的密封性，还需要一根带通风管的特殊密封电缆，以确保测量的高精度和稳定性。
本文看重该传感器结构精巧，只需简单调整即可灵活安装在工作场所，用户能根据需要选择各种标准信号的输出方式的优点。传感器如图4.3中所示。
图4.4液位传感器部分原理图
本次设计中液位传感器的功能为感应罐体内的液面高度，将液面高度这一物理量转化为电信号，以供微控制器判断罐体液位的实际情况。本项目拟采用的液位传感器为YW01型电阻式液位传感器，该传感器具备0~1V的输出信号，能以正线性的关系反应液位高度。
第五章系统软件设计
本文涉及的软件设计主要包括单片机程序设计。在单片机程序设计方面，本文采用KeilC51作为软件开发平台。KeilC51是一个专门用于单片机的集成开发软件。该软件具有内置的代码编辑器、代码编译器、代码链接器、可执行生成器、模拟、调试器等许多软件开发中常用的工具。借助该软件,本文得以实现系统软件的一键式开发,极大的提高了本研究的软件开发效率。
本文所涉及的多功能单片机液位控制系统主要由两种软件逻辑构成，其中一种逻辑为正常执行逻辑，另一种逻辑为液位设置逻辑。其中正常执行逻辑是实现系统功能的主要逻辑。正常逻辑的程序流程图如下图所示：
图5.1正常模式流程图
在正常逻辑中，系统从上电状态开始从头执行程序，上电过程的最初阶段由硬件控制。在上电过程中，单片机从时钟电路部分开始运作。当系统电压跨越上电复位阈值时，单片机内部复位电路通过硬件设定的方式将单片机复位到初始状态，此时单片机的程序计数器指针将指向0000H单元，单片机从头开始执行内部程序。
完成上电阶段后单片机将在软件指令的指示下对系统各部分电路、外设实行初始化操作。初始化部分操作主要包括IO初始化、系统按键初始化、系统定时器初始化、系统AD传感器初始化、系统显示器初始化几部分[12]。IO初始化的主要功能为设定系统各外设IO的工作状态、为外设提供电路支持。系统按键初始化的主要功能为设置案件状态与功能，为用户输入做好准备。系统定时器初始化功能的主要作用为给单片机片上硬件定时器设置初值、设置相关标志位，让其正确定时。AD传感器初始化部分的主要功能为设置AD传感器相关寄存器初值、开启AD传感器内部模拟电源，让AD传感器进入采集就位状态。系统显示器初始化部分的主要功能为通过片选的方式启用显示器，随后通过IO并口向显示器内控制地址写入启用显示的信号，并设置显示器的显示模式。
图5.2手动调整模式
随后系统进入无限循环的运行模式，单片机首先通过片上AD传感器采集液位传感器测量到的液位信号，并将该信号转换为系统可读的液位高度信号。随后单片机系统通过内置逻辑判断液位相对参考液位的高与低。如果实际液位高于参考液位则打开出液口的阀门，降低液位高度；反之如果实际液位低于参考液位，则开启入液阀，提升液位高度。
除了正常控制逻辑本文设计的单片机液位控制系统还有一套人工控制的液位设置逻辑，该逻辑通过单片机中断系统实现。当检测到液位控制按钮被按下时，单片机进入液位设置模式。在此模式下单片机将不停的检测增减两个按钮的按下情况。用户只需按下增加或者减少键便可以调节设定的液位高度，每次按下按钮罐体内液位的参考平面高度都会变化1%。当用户释放锁定键时程序将推出液位设置模式，并重新进入之前程序执行的断点，继续主程序的执行。由于篇幅有限，代码部分作为附录放在了本文的附录A中。
第六章系统测试
在prteus中绘制原理图进行仿真。
6.1默认工作状态测试
6.1默认工作状态测试图
系统的默认工作状态如图6.1所示，在进行测试之前我们需要将单片机程序通过拖拽选择的形式载入仿真程序。在载入单片机程序后点击软件左下的开始仿真按钮，程序便从上电后开始执行。
上电后程序有一预设控制液位，该液位通过软件编程的方式固定在单片机的ROM中，该值可通过重新编程的方式修改，进而实现不同需求下的不同上电液位要求。
6.2出入液控制测试
AD1所在的位置就是电阻式液位传感器。液位上涨时，电位器的电阻会下降，AD1电压也会下降；反之同理。两个LED表明入液与出液口电磁阀的状态。通过设置AD1电阻的大小便可模拟液位高低的变化，从而达到调试程序、展示功能的作用。
图6.2出入液控制测试图
在程序正常的执行流程中，如果我们通过调节AD1电位器的方式来改变液位高度，则该液位高度信息可反馈给单片机控制系统。单片机控制系统通过测量液位传感器反馈的电压的形式来判断液位高度。当液位高度偏低时，单片机将打开入液口的阀门，同时在屏幕与LED上提示液位过低的情报，方便工作人员注意。
图6.3液位低
同理，在程序处于默认状态时如果我们手动调节AD1电阻，使罐体内部的液位升高到超过设定液位的程度，则单片机此时将打开出液口的阀门将多余液体通过出液口排出。同时单片机将通过程序与LED的形式提醒工作人员罐体内的液位过高。
图6.4液位高
6.3设置默认液位测试
当用户按下锁定按钮时，系统通过中断的方式进入液位设置流程。在液位设置流程，系统通过监视两个按钮的方式来获悉用户需要提高参考液位，还是降低参考液位。在设置时单片机将通过屏幕向用户展示默认液位的设置结果。当用户完成液位设置时，用户释放锁定按钮，系统进入常态化的液位调节状态中。
图6.5设置默认液
第七章总结与反思
在后工业化时代与工业4.0发展浪潮下，人们越来越多地强调微型工业与精确控制，越来越多的强调万物互联与万物互通。本文研究的多功能液位控制系统在接下来的研究与改进中应当重视系统的互联互通能力。在下一阶段的研究中，本文认为该基于单片机的多功能液位控制器应该具备访问广域网的能力，通过广域网本系统可获得将数据上传到云服务器的能力，从而实现类似远动系统的远程管理功能。
此液位控制系统的提出与研究建立在社会需求调研的基础上，具有一定的实用性。在研究过程，大量的查阅了相关资料，本研究通过使用液位传感器与电磁阀实现了液位控制功能，通过人机按钮实现了液位设定功能。仿真与实现表明，该系统具有一定大规模应用的可行性。
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致谢
时光荏苒，岁月如梭，四年的大学生生涯即将终结。四年来，学校学风、严谨的科研氛围教会我认知，以其博大的包容胸襟、浪漫充实的校园生活教会我做人，让我不断地收获和成长。值此毕业论文完成之际，我谨向所有关心、爱护、帮助我的人们表示最诚挚的感谢与最美好的祝愿！
首先，最深的谢意献给我的导师，感谢学院的各位老师，近四年来对我的亲切关怀和悉心指导。从论文题目的选择、研究资料的收集，到论文结构的组织、论文主体的撰写，直至最后论文的反复修改、润色，每一个环节都凝聚了导师的大量心血，在老师的悉心指导和帮助下最终使论文得以顺利完成。在此，我向我的导师以及所有帮助我的老师表示深深的谢意与祝福！其次，感谢我的同事和室友，在我实习的时候给予了我非常多的帮助，在我论文写作给予我数据支持、方案建议，也是由于他们的帮助我们论文的以顺利完成。最后，感谢我的家人，谢谢父母对我的支持，让我有幸拥有更好的学习平台提升自己的能力，也是他们无私的爱、让我更加坚强勇敢。
在论文的最后，我衷心感谢为评阅本论文而付出宝贵时间和辛勤劳动的专家和教授们，感谢您们给了我一个审视自己学习成果的机会，感谢您们对论文的指导和提出的宝贵意见！在今后的岁月里，我将加倍努力，以期获得更多的成果回报您们、回报社会！
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