计控水塔水位检测系统设计.docx
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计控水塔水位检测系统设计
计算机控制技术论文
——基于51单片机的水塔水位检测
姓名：
张孟娜
学号：
B10040806
系别：
电气工程与自动化系
专业：
自动化
基于51单片机的水塔水位检测
摘要
水塔水位控制系统的基本要求是能够在无人临控的情况下自动进行工作，在水塔中的水位到达水位下限时自动启动电机，给水塔供；在水塔水位达到水位上限的时候自动关闭电机，停止供水。
并能在供水系统出现异常的时候能够出警报，以及时排除故障，随时保证水塔的对外的正常供作用。
因此，这里给出AT89C5l单片机为核心器件的水塔水位检测控制系统仿真设计，实现水位的检测控制、电机故障检测、处理和报警等功能，并在Proteus软件环境下实际仿真。
实验结果表明，该系统具有良好的检测控制功能，可移植性和扩展性强。
关键词：
单片机，水位检测，控制系统，仿真
SimulationdesignofwatertowerwaterleveldetectionsystembasedonMCU51
ABSTRACT
Watertowersarebasicrequirementsofthecontrolsystemcanbetargetedinoneofthecircumstances,beinthewaterunderthewatertanksarrivewithinautomaticallystartmotor,givetowersfor,intheupperreachesofthewaterleveloftowers,whentostopwaterautomaticallyclosedmotor.Andinthewatersupplysystemoftheabnormalwarning,andcanwhenfaults,keepthenormalsupplyofforeigntowers.Awatertowerwaterleveldetectionsystemisdesignedinthispaper.Thissystemcanrealizewatersourcedetection,motorfailuredetection,processingandalarming.Theindependentdetectioncircuitcanrealizethesuperelevation,thelowwarningwaterlevelcanreporttothepoliceandsuperelevationwarningwaterlevelprocess.Ontheprincipleofinterfacecircuits,softwaredesignisthecorrespondingflowchartandthecorrespondingcompilationofthemainprogram,atthesametimecarriesonthesimulationwiththeproteussoftware.Theresultindicatesthatthissystemfeaturesgoodexaminationcontrolfunction,theprobabilityandextendibility.
KEYWORDS:
chipmicrocomputer,waterlevelexamination,controlsystem,simulation
目 录
第1章绪论----------------------------------------------------------------5
1.1选题的背景与意义---------------------------------------------5
1.1.1选题背景--------------------------------------------------5
1.1.2选题意义--------------------------------------------------5
1.1.3控制原理--------------------------------------------------5
第2章系统总体设计---------------------------------------------------7
2.1方案的选择-----------------------------------------------------7
2.2系统总体设计（要求有框图）------------------------------8
第3章硬件设计----------------------------------------------------------9
3.1硬件选型---------------------------------------------------------9
3.2引脚功能---------------------------------------------------------9
3.3硬件电路设计（按模块）-------------------------------------9
3.3.1水位检测接口电路------------------------------------10
3.3.2报警接口电路------------------------------------------10
3.3.3存储器的扩展接口电路------------------------------10
第4章软件设计--------------------------------------------------------10
4.1系统流程（流程图）--------------------------------------------10
第五章系统仿真----------------------------------------------------------11
结 论（心得体会）-----------------------------------------------12
参考文献--------------------------------------------------------------13
附 录------------------------------------------------------------------14
第1章绪论
1.1选题的背景与意义
1.1.1选题背景
水在人们正常生活和生产中起着重要的作用,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、水塔水位的自动控制有设计低成本、高实用价值的控制器。
随着科学技术的发展，单片机作为嵌入式微控制器在工业测控系统，智能仪器和家用电器中得到广泛应用。
在实时检测和自动控制的单片机应用系统中,单片机往往是作为一个核心部件来使用。
水塔水位控制系统的基本要求是能够在无人监控的情况下自动进行工作，在水塔中的水位到达水位下限时自动启动电机，给水塔供水；在水塔水位达到水位上限的时候自动关闭电机，停止供水。
并能在供水系统出现异常的时候能够发出警报，以及时排除故障，随时保证水塔的对外的正常供水作用。
水塔是在日常生活和工业应用中经常见到的蓄水装置，通过对其水位的控制对外供水以满足需要，其水位控制具有普遍性。
该设计采用分立的电路实现超高、低警戒水位处理,实现自动控制,而达到节能的目的,提高了供水系统的质量。
1.1.2选题意义
在人们的日常生活中，水塔水位大都未能实现自动控制，水塔中水位的高低常由水电管理人员进行控制。
不仅浪费人力又会造成不必要的资源浪费，这在一些不注意节约用水的单位显得尤为突出。
为了解决经常停水和有效的避免水资源的浪费，节约能源。
设计了一个适用于一般水塔水位的检测控制系统。
本系统以AT89C51单片机为核心控制部件的水塔水位检测控制系统仿真设计，实现水位的检测控制、电机故障检测、处理和报警等功能，并在proteus软件环境下实现仿真。
该系统操作方便、性能良好，比较符合一般单位用水系统控制的需要。
1.1.3控制原理
单片机水塔水位控制原理如图l-1所示，图中的虚线表示允许水位变化的上、下限位置。
在正常情况下，水位应控制在虚线范围之内。
为此，在水塔内的不同高度处，安装固定不变的3根金属棒A、B、C，用以反映水位变化的情况。
其中，A棒在下限水位，B棒在上、下限水位之间，C棒在上限水位（底端靠近水池底部，不能过低，要保证有足够大的流水量）。
水塔由电机带动水泵供水，单片机控制电机转动，随着供水，水位不断上升，当水位上升到上限水位时，由于水的导电作用，使B、C棒均与+5V电源连通。
因此b、c两端的电压都为+5V，即为“1”状态。
此时应停止电机和水泵工作，不再向水塔注水；当水位处于上、下限之间时，B棒和A棒导通，而C棒不能与A棒导通，b端为“1”状态，c端为“0”状态。
此时电机带动水泵给水塔注水，使水位上升，还是电机不工作，水位不断下降，都应继续维持原有工作状态；当水位处于下限位置以下时，B、C棒均不能与A棒导通，b、c均为“0”状态，此时应启动电机转动，带动水泵给水塔注水。
图1-1水塔水位控制原理图
第2章系统总体设计
2.1方案的选择
对于水位进行控制的设计方式有很多，而应用较多的主要有3种，
三种方式的实现如下：
（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PID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，以达到控制水塔水位的目的。
（3）通过水位变化上下限的控制方式
这种控制方式通过在水塔的不同高度固定不动的3根金属棒ABC，以感知水位的变化情况。
其中，A棒处于下限水位，C棒处于上限水位，B棒在上﹑下限水位之间。
A棒接+5V电源，B棒﹑C棒各通过一个电阻与地相连。
针对上述3种控制方式，以及设计需达到的性能要求，这里选择第三种控制方式。
最终形成的方案是，利用单片机为控制核心，设计一个对供水箱水位进行监控的系统。
当水塔水位下降至下限水位时，启动水泵；水塔水位上升至上限水位时，关闭水泵；水塔水位在上、下限水位之间时，水泵保持原状态；供水系统出现故障时，自动报警；故障解除时，水泵恢复正常工作。
2.2系统总体设计（要求有框图）
水塔水位控制系统主要由CPU（AT89C51）、水位检测接口电路、报警接口电路、存储器扩展接口电路、复位电路、时钟振荡等部分组成，如图2-1所示。
图2-2为系统硬件电路。
图2-1水塔水位控制系统结构框图
图2-2系统硬件电路图
第3章硬件设计
3.1硬件选型
（1）电源的选择电源选择+5V的直流电源
（2）电阻的选择电阻选择两个4.7K，一个10K的
（3）单片机的选择单片机选择常见的AT89C51，其中：
P1．0端口接开关1，P1．1端口接开关2，电机故障报警信号由P1．0和P1．1输人；
P1．5接蜂鸣器报警装置，高电平有效；
P1．7端口为启动电机命令输出端口，经过非门后控制电机；
P0．0～P0．7通过复用方式分别接锁存器74LS373的DO～D7和存储器2732的D0～D7端，地址锁存信号线ALE接锁存器的OE端，通过软件设置实现地址和数据信息的传输，锁存器的输出端Q0～O7与存储器地址线A0～A7相连，剩余的3根地址线A8～A11接P2．0～P2．2．单片机选通引脚丽接存储器OE端，因只扩展一片存储器，片选端CE接地。
（4）水泵的选择选择水泵的一般原则为:
满足流量和扬程的要求；水泵机组在长期运行中，水泵工作点的效率最高；按所选的水泵型号和台数设计的水泵站，要求设备和土建的投资最小；便于操作维修，管理费用少。
而一般的水塔供水系统中水塔高度都在30米以上，所用水泵电机在向水池抽水时消耗的能量较大，同时因两水泵互为备用，故综合考虑后将两水泵电机额定功率都选为11KW，型号为Y2-160L-6，其重要参数有额定电流为24.23A，额定转速为970r/min。
水泵扬程为40米，流量为35立方米/小时。
（5）锁存器的选择锁存器74LS373的输出端
O0~O7 可直接与总线相连。
当三态允许控制端 OE 为低电平时，O0~O7 为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。
当 OE 为高电平时，O0~O7 呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。
当锁存允许端 LE 为高电平时，O 随数据 D 而变。
当 LE 为低电平时，O 被锁存在已建立的数据电平。
当 LE 端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善 400mV。
引出端符号：
D0～D7 数据输入端OE 三态允许控制端（低电平有效）LE 锁存允许端O0~O7 输出端。
（6）存储器的选择存储器2732以 HMOS-E（高速NMOS硅栅）工艺制成，24脚双列直插式，，2732为4KB容量，地址线12条A0～A11；，数据线8条D0～D7，远为片选端，低电平有效，OE／VPP是输出允许信号，低电平有效，该引脚在编程时也作为编程电压VPP的输入端。
VCC为十5V电源，GND为地。
元器件清单如表3-1所示。
表3-1元器件清单
名称
型号
数量
备注
单片机
AT89C51
1
锁存器
74LS373
1
存储器
2732
1
电阻
RES
3
4.7K,4.7K,10K
晶振
CRYSTAL
1
电容
CAP
3
4pF,4pF,10uF
按键
BUTTON
1
喇叭
SPEAKER
1
水泵
MOTOR
1
开关
DIPSW_2
1
非门
NOT
1
电源
VCC
2
5V
接地
GND
6
3.2引脚功能
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
3.3硬件电路设计（按模块）
3.3.1水位检测接口电路
为了便于实现水位检测功能，用一个两位的拨码开关模拟b、c端的状态（1、0），正电极接+5 V电源，每个负电极分别通过4．7 kQ的电阻（R1，R2）接地。
将单片机的P1．0端口接开关1，P1．1端口接开关2。
假设被水淹没的负电极都为高电平，此时开关置1；露在水面的负电极都为低电平，开关此时置为0。
单片机通过负电极重复采集检测水位，当缺水时（此时两个开关均置0），电机必须带动水泵抽水；若水位在正常范围内时，检测信号为高，低电平（此时开关1置1，开关2置0）；当水位过高时，检测信号为高电平（此时开关l和2都置1），单片机检测到P1．0和P1．1为高电平后，立即停机。
3.3.2报警接口电路
为了避免系统发生故障时，水位失去控制造成严重后果，在超出、低于警戒界水位时，报警信号直接从高、低警界水位电极获得。
单片机P1．7端口为启动电机命令输出端口，P1．7=0为低电平，经过非门后与电机的另一端接地导通，启动电机工作；P1．7=l为高电平，反之，电机停止工作。
电机故障报警由单片机控制，电机故障报警信号由P1．0和P1．1输人．当P1．5为高电平时蜂鸣器报警。
水位超过高警戒水位，单片机控制系统使电机停止转动，向水塔内供水工作也停止。
3.3.3存储器的扩展接口电路
为了便于系统扩展，存放大容量应用程序，系统设计扩展一片程序存储器，用于存放源程序代码。
74LS373用于锁存地址，单片机的P0．0～P0．7通过复用方式分别接锁存器74LS373的DO～D7和存储器2732的D0～D7端，地址锁存信号线ALE接锁存器的OE端，通过软件设置实现地址和数据信息的传输，锁存器的输出端OQ0～O7与存储器地址线A0～A7相连，剩余的3根地址线A8～A11接P2．0～P2．2．单片机选通引脚
接存储器OE端，因只扩展一片存储器，片选端CE接地。
第4章软件设计
4.1系统流程（流程图）
水位检测信号与输出控制操作关系如表4-1所列，当水塔水位处于上、下限之间时，P1．0=l，P1．1=0，此时无论电机是在带动水泵给水塔供水使水位不断上升．还是电机没有工作使水位不断下降，都应继续维持原有工作状态；当水位低于下限时，P1．0=0，P1．1=0，此时启动电机转动，带动水泵给水塔供水。
图4-1为水塔水位控制系统流程图。
图4-1控制系统流程图
表4-1水位检测信号与输出控制操作关系
P1.0（b）
P1.1（c）
P1.5
P1.7
输出控制操作
0
0
0
0
电机转动
0
1
1
1
电机停转，故障报警
1
0
0
1
状态不变
1
1
0
1
电机停转
第5章仿真结果
根据所设计系统的软件流程图，编写相应的程序在Proteus软件环境下实际仿真，实验结果表明，该系统能成功实现了水位检测、电机故障检测、处理和报警等功能，具有良好的检测控制功能，可移植性和扩展性强。
通过制作PCB板子，该系统已成功运用于某实验水冷却系统。
结 论（心得体会）
这次课程设计，我学到的东西很多！
可以说是先苦后甜，刚开始我先查阅了各个零件的资料，查阅了很多相关的程序进行了进一步的学习，整个过程就是从前期的懵懂-到一知半解，这个过程是艰难苦闷的，靠自己的学习和请教，请教了老师和同学终于在最后完成了这次课程设计。
在设计过程也遇到问题，在电路设计完仿真出现了问题，改了很多次电机依然没动，继续参阅程序，XX，思考哪里可能有问题，后来对虚拟器件进行参数设定后慢慢的一个一个的问题给解决，电机动起来的时候，那是发自内心真正的快乐！
一切变得都是值得的！
该系统设计是基于在单片机嵌入式系统而设计的，充分利用单片机强大控制功能和方便通信接口，该检测控制系统在实验室某实验水冷却系统得到成功实践，实现水位检测、电机故障检测、处理和报警等功能，提高了实验的自动控制能力。
进一步优化系统软硬件设计，可为实时实现远端控制，因此，该系统在农村水塔，城市水源检测控制等领域有着广阔的应用前景。
解决实际问题需要的不仅仅是理论知识，而且要求较强的理论联系实际的能力，完成本设计要求理清水塔水位控制的全过程。
才会对软件实现带来方便。
画出流程图可以帮助检查程序的错误以及对编程进行指导作用。
画出外部接线图也使我对一些绘图软件更加熟悉。
纵观整个设计过程，我所能独自完成的甚少，这也反映了所学知识的有限。
不能完全地将理论与实践相结合！
参考文献
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[8]周澜景.基于proteus电路及单片机系统设计与仿真[M]. 北京：
北京航空航天大学出版 社 2006.5
附 录
软件程序
ORG0030H
LOOP:
ORLP1 , #03H;为检查水位状态准备
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