本发明属于能水位控制技术领域，尤其涉及一种具有报警功能的水位自动控制系统及方法。
背景技术：
目前，业内常用的现有技术是这样的：
不论社会经济如何飞速，水在人们正常生活和生产中起着重要的作用。一旦断了水，轻则给人民生活带来极大的不便，重则可能造成严重的生产事故及损失，从而对供水系统提出了更高的要求，满足及时、准确、安全充足的供水。如果仍然使用人工方式，劳动强度大，工作效率低，安全性难以保障，由此必须进行自动化控制系统的改造。从而实现提供足够的水量、平稳的水压、水位的自动控制有设计成本低、高实用价值的控制器。
水位自动控制报警系统是我国广泛应用的供水系统，传统的控制方式存在控制精度低、能耗大的缺点，而自动控制的原理，是用水量的变化自动调节协同的运行参数，保持水位在所要位置以满足用水要求，从而提高了供水系统的质量。而且成本低，安装方便，经过多次的实验证明，灵敏性好，是节约水源，方便家庭和单位控制水塔水位的理想装置。目前市场上主流采用的水位控制系统主要有单片机控制类的和plc控制类的。单片机控制类主要是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，主要应用于家庭、学校等小型需要控制的场所；plc控制类的因其功能强大、可靠性高，主要运用于工业方面。
水位自动控制报警系统在当今工业化的时代中应用比较广泛，在日常生活和生产中发挥着重要作用。在工业生产中，水位经常被用来作为参考对象，通过测量水位的高低，来实现对其控制和报警的功能。随着社会的发展、科技的进步以及人们生活水平的逐步提高，各种方便于人们生活的自动控制系统慢慢的进入了人们的视线，以单片机为核心的水位控制系统就是其中之一。它实用性强，功能齐全，技术先进，使人们相信这是科技进步带来的好处。
综上所述，现有技术存在的问题是：
现有水位自动控制系统集测量、报警、自动控制于一体的实用效果差；不能实时显示运行时间及运行状态。
技术实现要素：
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种具有报警功能的水位自动控制系统及方法。
本发明是这样实现的，一种具有报警功能的水位自动控制系统，所述具有报警功能的水位自动控制系统包括：
单片机最小系统、液晶显示模块、按键模拟水位模块、时钟控制模块和继电器控制电机模块；所述液晶显示模块、按键模拟水位模块、时钟控制模块和继电器控制电机模块均与单片机最小系统连接。
进一步，所述单片机最小系统包括：
电源；用于提供能源
复位电路，用于使中央处理器cpu以及其他功能部件都恢复到确定的初始状态，并从这个状态重新开始工作；
晶振电路，使用外部振荡器时外部振荡信号直接加到xtal1，xtal2悬空；
进一步，所述液晶显示模块采用1602液晶显示，用于液晶显示时间以及电机的状态。
进一步，按键模拟水位模块采用八个按键；选用独立式键盘。
进一步，时钟控制模块集成有
进一步，继电器控制电机模块，较小的电流去控制较大电流。
本发明另一目的在于提供一种具有报警功能的水位自动控制方法，包括：
对数据的初始化，并且判断用户是使用自动模式还是手动模式，根据用户的具体需求：
若用户选择自动模式，则程序调用自动化子程序；
若用户选择手动模式，则程序调用手动子程序；
在完成上电对采集信号进行处理后，当确认水位改变到当前设定值时，系统就执行对采集好的信号进行实时处理和显示，在相应阶段控制继电器完成对电机的控制作用。
本发明另一目的在于提供一种实现所述具有报警功能的水位自动控制方法的计算机程序。
本发明另一目的在于提供一种搭载有所述计算机程序的计算机。
本发明另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的具有报警功能的水位自动控制方法。
本发明的优点及积极效果为：
本发明是以stc89c51单片机为核心控制水位，实现测量、报警、自动控制于一体的功能。当自动水位控制报警系统要求在当系统在接通电源时，主电路通过1602液晶显示欢迎界面，随后又显示时间星期和电机状态。显示时间日期星期等信息，可以通过四个按键进行调节。电机的控制，有自动和手动两种方式。在自动模式下,根据水位控制电机的启停；在手动方式下，可以通过启停键进行电机的启动和停止。最大程度上方便人们的需要。
本发明结构简单，制造成本低，灵敏度高，节约能源显著，适用于各种高层液体储存的理想设备。
通过本发明减少了人员开支和节约水资源，采用了自动化的结构形式，实现对水位的自动控制和报警。
系统以单片机89c51为核心部件，单片机系统完成对水位信号的采集、处理、等功能；运行程序该系统的主要特点是:
1)工作运行稳定，抗干扰能力强。能在多种不同环境中运行。保证了该系统的可靠性。
2)在无需人工干预的情况下，能有效地进行水位自动控制，减少了劳动力，减少了用电量，降低了成本。
3)该控制器具有小巧、经济、可靠、实用和节能降耗的特点。
附图说明
图1是本发明实施例提供的有报警功能的水位自动控制系统示意图。
图中：1、单片机最小系统；2、液晶显示模块；3、按键模拟水位模块；4、时钟控制模块；5、继电器控制电机模块。
图2是本发明实施例提供的复位电路图。
图3是本发明实施例提供的晶振电路图。
图4是本发明实施例提供的液晶显示电路原理图。
图5是本发明实施例提供的按键模块原理图。
图6是本发明实施例提供的继电器控制电机模块电路图。
图7是本发明实施例提供的系统主程序原理框图。
图8是本发明实施例提供的系统主程序流程图。
图9是本发明实施例提供的上电仿真之前电路图。
图10是本发明实施例提供的上电欢迎界面图。
图11是本发明实施例提供的上电显示时间，电机状态图。
图12是本发明实施例提供的上电，改变水位，电机开启图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明结构简单，制造成本低，灵敏度高，节约能源显著，适用于各种高层液体储存的理想设备，故采用单片机来作为本发明的核心控制器件。要求它能自动完成上水停水的全部循环，保证液面高度处于较理想的范围内。
本发明以模拟水箱水位为例，实现了报警和手动、自动切换功能。主要通过两个按键模拟水位高低，来完成对水位的采集。假如水位1是低水位，水位2是高水位，水位按下为0，松开为1；那么两个按钮都为1，也就是相当于两个水位传感器都检测到信号了，也就是说水满了，不需要加了，就停止电机转动；水位2为1，水位1为0，也就是说高水位能检测到水，低水位检测不到，就会错误报警，电机停转。本系统要求工作在直流5v±0.5v，300ma±50ma的环境下运行。
下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
1、水位自动控制器的设计：
原理：
为形象的模拟水位情况，本发明用到传感器的地方就用按键来模拟检测水位，假如按键1为低水位，按键2为高水位，只有两个按键都检测不到水位的时候，电机才能得到信号送水；当高水位检测不到，但是低水位能检测得到的时候，电机维持原态；当高水位能检测到水，但是低水位检测不到的时候，会产生错误报警通知工作人员，且电机停转；当都检测到水位的时候，说明水位正常或注水完毕。
对于水位进行控制的方式有很多,而应用较多的主要有2种,一种是简单的机械式控制装置控制,一种是复杂的控制器控制方式。两种方式的实现如下：
(1)简单的机械式控制方式。其常用形式有浮标式、电极式等,这种控制形式的优点是结构简单,成本低廉。存在问题是精度不高,不能进行数值显示,另外很容易引起误动作,且只能单独控制,与计算机进行通信较难实现。
(2)复杂控制器控制方式。这种控制方式是通过安装在水泵出口管道上的压力传感器,把出口压力变成标准工业电信号的模拟信号,经过前置放大、多路切换、a/d变换成数字信号传送到单片机,经单片机运算和给定参量的比较,进行运算,得出调节参量；经由d/a变换给调压/变频调速装置输入给定端,控制其输出电压变化,来调节电机转速,以达到控制水位的目的。
本发明是设计一个水位控制系统，要求选择合适的水位传感器及电机，当设定完水位后，系统根据水位情况控制电机的开启和关断。
根据要求，可以用plc做设计，也可以用单片机来设计。
1)plc控制方案的设计
1.1)plc的产生与定义
plc是一种集计算机技术、自动控制技术和通信技术于一体的新型自动控制装置。其功能强大、可靠性高、使用简单、体积小巧，近年来在工业生产及日常生活中得到了广泛的应用，被誉为当代工业自动化的三大支柱之一。
1.2)plc的主要特点
(1)灵活性和通用性强；
(2)抗干扰能力强、可靠性高；
(3)编程语言简单易学；
(4)与外设连接简单；
(5)plc功能强、扩展方便；
(6)控制系统设计、调试时间短；
(7)体积小、重量轻，易于实现机电一体化。
1.3)设计思路
首先需要一个plc，这个设计最重要的核心部分是传感器，水位是个模拟量，plc控制需要数字量，然而之间就需要传感器，同时也需要a/d转化，这样才能将信号传送到plc，才能实现控制。plc控制电机这一方面还应该注意弱电和强电之间的转变。
2单片机控制方案
设计思路
同样的，用单片机做水位控制报警器这个设计的核心也是传感器[5]，因为用传感器的话，proteus不能仿真，本发明这里就用按键来模拟水位的情况，将信号传送到单片机，单片机再将信号输出给电机，来完成设计的要求工作。
3控制方案的选取
两种方案都很好，从性能上说，plc要好，假如是工厂，我相信大部分都会选择plc来控制，但是因为这次控制简单，不易出错，而且从经济方面来讲，单片机便宜，所以这次本发明选用单片机来完成设计。
下面结合具体分析对本发明作进一步描述。
单片机控制lcd1602显示时钟芯片ds1302的时间，并能通过按键调节；蜂鸣器在水位调节出现错误时报警(高水位能检测到水信号，低水位检测不到)；电机的控制，有自动和手动两种方式。在自动模式下，根据水位监测情况通过继电器控制电机的启停；在手动方式下，可以通过启停键进行电机的启动和停止。
水位通过水位1和水位2来控制。水位1和水位2的状态如下：
水位1水位2状态
00供水，电机转动
01维持原态
10错误报警，电机停转，液晶时间停止在报警时间上。
11注水完毕，电机停转
电机的控制通过继电器的通断来实现的。电机转，液晶上显示on；电机停止，液晶上显示off。
下面结合具有报警功能的水位自动控制系统硬件对本发明作进一步描述。
图1，是本发明实施例提供的有报警功能的水位自动控制系统系统，由单片机最小系统1、液晶显示模块2、按键模拟水位模块3、时钟控制模块4和继电器控制电机模块5组成。
1、单片机及单片机最小系统
单片微型计算机(singlechipmicrocomputer,scm)简称单片机，是把微型计算机的基本功能部件(中央处理器cpu、数据存储器ram、程序存储器rom、定时/计数器以及i/o接口等)集成在一块芯片上的一种微型计算机。
接下来，用最通俗的语言给出单片机的定义。单片机就是一块集成芯片，但这块集成芯片具有一些特殊的功能，而它的功能的实现要靠本发明自己来编程完成。本发明编程的目的就是控制这块芯片的各个引脚在不同时间输出不同的电平，来控制与单片机各个引脚相连接的外围电路的电气状态。
单片机最小系统主要由电源，复位电路和晶振组成。
电源：电源端vcc——第40脚，接地端gnd——第20脚；
如图2，复位电路，单片机在开机时或在工作中因干扰而使程序失控，或工作中程序处于某种死循环状态，在这种情况下都需要复位。复位的作用是使中央处理器cpu以及其他功能部件都恢复到一个确定的初始状态，并从这个状态重新开始工作。
晶振电路，xtal1—第19脚，xtal2——第18脚。xtal1是片内振荡器的反相放大器输入端，xtal2则是输出端，使用外部振荡器时外部振荡信号应直接加到xtal1，而xtal2悬空。晶振电路原理图如图3。
输入输出引脚，p0是输出显示屏显示，p1口为输入输出检则信号和控制信号,p2口是时钟模块和控制液晶的功能。
下面是芯片引脚具体分配：
p0端口为数据输出到lcd1602显示
p1.0：按键模拟水位控制
p1.1：按键模拟水位下降
p1.2：按键模拟水位上升
p1.3：按键模拟退出控制系统
p1.4：按键模拟启动控制系统
p1.5：通过采集输入信号，电机从此端口得到信号控制电机起停
p1.6：水位1的状态
p1.7：水位2的状态
p2.0:控制液晶屏lcd1602数据/命令选择
p2.1:控制液晶屏lcd1602读/写选择
p2.2:控制液晶屏lcd1602使能信号
p2.3:控制时钟芯片ds1302复位/片选线
p2.4:控制时钟芯片ds1302的同步时钟输入管脚
p2.5:控制时钟芯片ds1302的输入/输出
p2.6:自动和手动的切换
p2.7:报警器的控制。
2、液晶显示模块
液晶显示模块主要采用1602液晶显示，原理图如图4。
排阻具有限流的作用，而液晶显示时间以及电机的状态。
3、按键模拟水位模块
键盘分为独立式键盘和行列式键盘，独立式键盘接口电路配置灵活，硬件结构简单，工作可靠但每个按键必须占用一跟i/o接口线，i/o接口线浪费较大，在单片机应用系统中，有时只需要几个简单的按键向系统输入信息，可将按键直接在一根i/o接口线上，故只在按键数量不多时采用。而行列式键盘每条行线与列线在交叉处不直接相通，而是通过一个按键加以连接，当按键较多时可采用行列式键盘以节省i/o接口。本设计采用八个按键，所以这里选用独立式键盘。
按键设置在p1端口，具体设置如下：
p1.0：按键模拟水位控制；
p1.1：按键模拟水位下降；
p1.2：按键模拟水位上升；
p1.3：按键模拟退出控制系统；
p1.4：按键模拟启动控制系统；
p1.6：水位1的状态；
p1.7：水位2的状态；
按键模块原理图如图5。
其原理如下：
水位，按键按下为0，松开为1.水位通过水位1和水位2来控制。水位1和水位2的状态如下：
4、时钟控制模块
电路原理图中，ds1302与单片机的连线仅需要3条线：
5、继电器控制电机模块
继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统(又称输入回路)和被控制系统(又称输出回路)，通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。
其原理图如下图6所示。
下面结合单片机水位报警控制系统的程序设计对本发明作进一步描述。
1、控制系统程序原理
系统主程序原理如图7；
主程序要实现的是，对数据的初始化，并且判断用户是使用自动模式还是手动模式，根据用户的具体需求：
若用户选择自动模式，则程序调用自动化子程序；
若用户选择手动模式，则程序调用手动子程序。
2、程序概要设计
汇编语言：效率高，对硬件的可操控性更强，体积小，不易维护，可移植性很差。
c语言：效率比较低，硬件可操控性比较差，目标代码体积大，容易维护，可移植性很好。
51/52的编程语言常用的有两种，一种是汇编语言，一种是c语言。汇编语言的机器代码生成效率很高但可读性并不强，复杂一点的程序就更难读懂，而c语言在大多数情况下其机器代码生成效率和汇编语言相当，但可读性和可移植性却远远超过汇编语言，而且c语言还可以嵌入汇编来解决高时效性的代码编写问题。对于开发周期来说，中大型的软件编写用c语言的开发周期通常要小于汇编语言很多。因此，选用c语言编写。
3、开发环境
使用c语言肯定要用到c编译器，以便把写好的c程序编译为机器码，这样单片机才能执行编写好的程序keiluvision4是众多单片机应用开发软件中优秀的软件之一，它支持众多不同公司的mcs51架构的芯片，它集编辑，编译，仿真于一体，同时还支持，汇编和c语言的程序设计，它的界面和常用的微软vc++的界面相似，界面友好，易学易用，在调试程序，软件仿真方面也有很强大的功能。因此很多开发51应用的工程师或普通的单片机爱好者，都对它十分喜欢。
keil软件提供丰富的库函数和强大的集成开发调试工具，全windows界面。另外重要的一点，只要开一下编译后生成的汇编代码，就能体会到keil生成的目标代码效率之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体会高级语言的优势。
第四节系统工作流程及工作原理
4、主程序
主程序在完成上电对采集信号进行处理后，当确认水位改变到当前设定值时，系统就执行对采集好的信号进行实时处理和显示，在相应阶段控制继电器完成对电机的控制作用。系统主程序流程如下图8所示.
5、延时子程序
延时子程序用于程序的延时，先设定单位延时为1ms，根据系统时间也可以进行设置。延时子程序如下：
下面结合系统调试对本发明作进一步描述。
完成了硬件的设计、制作和软件编程之后，要使系统能够按设计意图正常运行，必须进行系统调试。系统调试包括硬件调试和软件调试两个部分。不过，作为一个单片机系统，其运行是软硬件相结合的，因此，软硬件的调试也是绝对不可能分开的。
程序的调式应一个模块地进行，单独调试各功能子程序，检验程序是否能够实现预期的功能，接口电路的控制是否正常等；最后逐步将各个子程序连接起来总调。联调需要注意的是，各程序模块间能否正确传递参数，特别要注意各子程序的现场保护与恢复。调试的基本步骤如下：
将所要调试的程序输入keil中，然后进行编译，根据系统的提示查找原因将出错的地方调整正确。然后在keil中设计软件程序，形成.hex文件。
调试好程序之后，在proteus软件里面新建工程，按照原理图搭建电路。完毕后，在proteus电路图中，点击单片机8051芯片，选中，将keil里面生成的.hex文件下载到8051芯片内，进行仿真。
仿真过程的部分：
上电之前如图9.
上电时欢迎界面图如图10.
紧接着，显示时间以及电机状态如图11.
接下来，调节按键，电机状态改变开启，上电，改变水位，电机开启图如图12.
在调节按键的过程也就是模仿水位的改变情况，在途中可以看到，水位1和水位2都已经按下了，意味着高的水位和低的水位都检测不到水位了，所以此时供水电机会转。
最后，假如按键错误，蜂鸣器会报警，
在这个调试过程中，可以清晰的看到，高水位能检测到水，但是低水位检测不到水，这就意味着出现了错误的情况，系统处理不过来这种情况，蜂鸣器会报警，提醒人们注意。电机停转，意味着具有保护功能。
通过本发明减少了人员开支和节约水资源，采用了自动化的结构形式，实现对水位的自动控制和报警。
系统以单片机89c51为核心部件，单片机系统完成对水位信号的采集、处理、等功能；运行程序该系统的主要特点是:
1)工作运行稳定，抗干扰能力强。能在多种不同环境中运行。保证了该系统的可靠性。
2)在无需人工干预的情况下，能有效地进行水位自动控制，减少了劳动力，减少了用电量，降低了成本。
3)该控制器具有小巧、经济、可靠、实用和节能降耗的特点。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(dsl)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，dvd)、或者半导体介质(例如固态硬盘solidstatedisk(ssd))等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。