单片机水塔水位开题报告综述.docx
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单片机水塔水位开题报告综述
南京工程学院
毕业设计开题报告
课题名称：
基于单片机的水塔水位控制的软硬件设计
学生姓名：
学号：
指导教师：
所在院（系）部：
机械工程学院
专业名称：
机械电子工程
2014年03月06日
说明
1．根据南京工程学院《毕业设计（论文）工作管理规定》，学生必
须撰写《毕业设计（论文）开题报告》，由指导教师签署意见、教研
室审查，系教学主任批准后实施。
2．开题报告是毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审
查的依据材料之一。
学生应当在毕业设计（论文）工作前期内完成，
开题报告不合格者不得参加答辩。
3．毕业设计开题报告各项内容要实事求是，逐条认真填写。
其
中的文字表达要明确、严谨，语言通顺，外来语要同时用原文和中文
表达。
第一次出现缩写词，须注出全称。
4．本报告中，由学生本人撰写的对课题和研究工作的分析及描
述，应不少于2000字，没有经过整理归纳，缺乏个人见解仅仅从网
上下载材料拼凑而成的开题报告按不合格论。
5．开题报告检查原则上在第2～4周完成，各系完成毕业设计开
题检查后，应写一份开题情况总结报告。
毕业设计（论文）开题报告
学生姓名
学号
专业
机械电子工程
指导教师姓名
职称
所在院（系）部
机械工程学院
课题来源
自拟课题
课题类型
工程技术研究
课题名称
基于单片机的水塔水位控制的软硬件设计
毕业设计的
内容和意义
课题内容：
利用单片机与pc机，控制水塔中的水位在上、下限水位之间。
当水位超出极限位置时，控制系统报警，同时启动电机带动水泵工作，水位值可通过单片机的8位LED显示口输出。
1根据要求进行水塔水位控制系统原理图总体方案设计
2进行硬件设计（系统电路图设计、单片机的选型）
3进行软件设计（编写控制系统的相关控制程序）
4上位机与下位机的通信方式设计
5用单片机相关软件进行系统调试仿真
课题的意义：
在工农业生产中，常常需要测量液体液位以及水位。
随着国家工业的迅速发展，水位测量技术被广泛应用到石油、化工、医药、食品等各行各业中。
低温液体（液氧、液氮、液氩、液化天然气及液体二氧化碳等）得到广泛的应用，作为贮存低温液体的容器要保证能承受其载荷；在发电厂、炼钢厂中，保持正常的锅炉汽包水位、除氧器水位、汽轮机凝气器水位、高、低压加热器水位等，是设备安全运行的保证；在教学与科学研究中，也经常碰到需要进行液位控制的实验装置。
水位测量技术趋于智能化、微型化、可视化。
本设计思想是用单片机做下位机，PC机做上位机，单片机和PC机相结合对水箱液位进行测量和监控。
该设计要求具有一定的智能化，可操作性和稳定性好。
1.单片机的发展现状及前景
计算机系统的发展已明显地朝三个方向发展；这三个方向就是：
巨型
化，单片化，网络化。
以解决复杂系统计算和高速数据处理的仍然是巨
型机在起作用，故而，巨型机在目前在朝高速及处理能力的方向努力。
单片机在出现时，Intel公司就给其单片机取名为嵌入式微控制器。
单
片机的最明显的优势，就是可以嵌入到各种仪器、设备中。
这一点是巨
型机和网络不可能做到的。
1.1数字单片机的技术发展
数字单片机的技术进步反映在内部结构、功率消耗、外部电压等级以
及制造工艺上。
在这几方面，较为典型地说明了数字单片机的水平。
在
目前，用户对单片机的需要越来越多，但是，要求也越来越高。
下面分
别就这四个方面说明单片机的技术进步状况。
1.2内部结构的进步
单片机在内部已集成了越来越多的部件，这些部件包括一般常用的电
路，例如：
定时器，比较器，A/D转换器，D/A转换器，串行通信接口，
Watchdog电路，LCD控制器等。
文献综述有的单片机为了构成控制网络或形成局部网，内部含有局部网络控制
模块CAN。
因此，这类单片机十分容易构成网络。
特别是在控制，系统
较为复杂时，构成一个控制网络十分有用。
为了能在变频控制中方便使用单片机，形成最具经济效益的嵌入式控
制系统。
有的单片机内部设置了专门用于变频控制的脉宽调制控制电路，
在这些单片机中，脉宽调制电路有6个通道输出，可产生三相脉宽调制
交流电压，并内部含死区控制等功能。
1.3功耗、封装及电源电压的进步
现在新的单片机的功耗越来越小，特别是很多单片机都设置了多种工
作方式，这些工作方式包括等待，暂停，睡眠，空闲，节电等工作方式。
现在单片机的封装水平已大大提高，随着贴片工艺的出现，单片机也大
量采用了各种合符贴片工艺的封装方式出现，以大量减少体积。
1.4工艺上的进步
现在的单片机基本上采用CMOS技术。
这些技术的进步大大地提高了单
片机的内部密度和可靠性。
单片机的另外一个名称就是嵌入式微控制
器，原因在于它可以嵌入到任何微型或小型仪器或设备中。
目前，把单
片机嵌入式系统和Internet连接已是一种趋势。
但是，Internet一向
是一种采用肥服务器，瘦用户机的技术。
这种技术在互联上存储及访问
大量数据是合适的，但对于控制嵌入式器件就成了"杀鸡用牛刀"了。
要
实现嵌入式设备和Internet连接，就需要把传统的Internet理论和嵌
入式设备的实践都颠倒过来。
为了使复杂的或简单的嵌入式设备，例如
单片机控制的机床、单片机控制的门锁，能切实可行地和Internet连接，
就要求专门为嵌入式微控制器设备设计网络服务器，使嵌入式设备可以
和Internet相连，并通过标准网络浏览器进行过程控制。
2.我国水塔水位控制的发展
国的供水自动化系统发展已初有成效。
供水自动化系统主要包括水厂自动化和供水管网调度自动化两个方面。
由水工业的社会性所决定，水工业的学科体系由多个相互关联的学科组成，包括：
水质与水处理枝术、水工业工程技术、水处理基础科学、水社会科学，水工业设备制造枝术等，它们共同支撑着水工业的工业体系。
而在这些学科中水质与水处理技木和水工业工程技术是水工业学科体系中的主导学科。
近几十年来，自动控制技术迅猛发展，在工农业生产，交通运输，国防建设和航空，航天事业等领域中获得广泛的应用。
随着生产和科学技术的发展，自动控制技术至今己渗透到各种科学领域，成为促进当今生产发展和科学技术进步的重要因素。
比如在生活方面的温度调节、湿度调节、自动洗衣机、自动售货机、自动电梯、空气调节器、电冰箱、自动路灯、自动门、保安系统等。
在工业方面主要分为两大类：
一类是气体、水位、粉体、石油化工制药、轻工食品、建材等行业。
需要对温度、压力、物位、流量、成分等参数进行控制。
另一类是对己成型材料的进一步加工或者对多种己成型材料的装配，主要控制位移、速度、角度等参数这些都需要应用自动控制学科的知识。
水塔水位控制系统是我国住宅小区广泛应用的供水系统，水塔供水
的主要问题是塔内水位应该始终保持在一定范围内，避免“空塔”、“溢塔”现象发生。
传统的控制方式存在控制精度低、能耗大的缺点，而自
动控制原理，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，保持水压恒定以满足用水要求，从而提高了供水系统的质最。
而智能控制系统的成本低，安装方便，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。
3.水位检测发展趋势
在日常生产和生活中常遇到水位的检测问题。
从20世纪80年代开
但近年来随着电子技术的应
始,一些发达国家就借助于微电子、计算机、光纤、超声波等高科技使水位自动计量呈现出集功能、精度和现场于一体的新水平。
近年来，随着工业的发展，计算机、微电子、传感器等高新技术的应用和研究，水位仪表的研制得到了长足的发展，以适应越来越高的应用要求。
目前，水位测量技术已经广泛的运用在工业部门和日常检测部门中。
例如：
水位测量技术在石油、化工、气象等部门的应用。
在测量条件和
环境来说，有的测量系统被运用在十分复杂的条件与环境中。
例如:
有的是高温高压，有的是低温或真空，有的需要防腐蚀、防辐射，有的从安
装上提出苛刻的限制，有的从维护上提出严格的要求等。
这些都大大的提高了对测量技术的要求。
所以能实现测量的无接触与智能化是水位测量计现在的主要发展方向。
在现代工业生产中，常常需要测量容器中水位的水位。
在一般的生产过程中，水位测量的目的主要是通过水位测量来确定容器里的原料、半成品或产品的数量，以保证生产过程各环节物料平衡以及为进行经济核算提供可靠的依据;另外还为了在连续生产的情况下，通过水位测量，了解水位是否在规定的范围内，从而维持正常生产、保证产品的产量和质量以及保证安全生产。
水位的测量在工业生产过程中的作用已经相当重要。
在目前市场上，按测量水位的感应元件与被测水位是否接触，水位仪表可以分为接触型和非接触型两大类。
接触型水位测量主要有：
人工检尺法、浮子测量装置、伺服式水位计、电容式水位计以及磁致伸缩水位计等。
它们的共同点是测量的感应元件与被测水位接触，即都存在着与被测水位相接触的测量部件且多数带有可动部件。
因此存在一定的磨损且容易被水位沾污或粘住，尤其是杆式结构装置，还需有较大的安装空间，不方便安装和检修。
非接触型水位测量主要有微波雷达水位计、射线水位计以及激光水位计等。
顾名思义，这类测量仪表的共同特点是测量的感应元件与被测水位不接触。
因此测量部件不受被测介质影响，也不影响被测介质，因而其适用范围较为广泛，可用于接触型测量仪表不能满足的特殊场合，如粘度高、腐蚀性强、污染性强、易结晶的介质。
4.水位测量的分类
水位计量仪表早期大多采用机械原理
用，逐步向机电一体化发展，并且发展了许多新的测量原理。
在传统原
理中也渗透了电子技术及微机技术，结构有了很大的改善、功能有了很
大的提高。
根据水位位测量所涉及的水位存储容器、被测介质以及工艺
过程的不同，水位计类型的选用也不同。
在进行水位测量前，必须充分
了解水位测量的工艺特点，以此作为水位计设计过程中的参考因素。
如果按照接触方式来划分可以分为，第一种是非接触测量方式的水
位仪；第二种是接触测量方式的水位仪。
4.1非接触型水位仪表
非接触型测量仪表主要包括超声波水位计、雷达水位计、射线水位
计以及激光水位计等。
这类水位测量仪表的共同特点是测量的敏感元件
与被测水位不接触，因此不受被测介质影响，也不影响被测介质，因而
适用范围较为广泛，可用于接触式测量仪表不能满足的特殊场合如粘度
高、腐蚀性强、污染性强、易结晶的介质。
（1）超声波水位计：
超声波水位计是非接触式水位计中发展最快的一种。
超声波在同一种介质中传播速度相对恒定，遇到被测物体表面时会产生反射，基于此原理研制出了超声波水位计。
目前，智能化的超声波水位计能够对接收信号做精确的处理和分析:
可以将各种干扰信号过滤出来:
识别多重回波;分析信号强度和环境温度等有关信息。
这样即便在有外界干扰的情况下，也能够进行精确的测量。
超声波水位计不仅能定点和连续测量，而且能方便地提供遥测和遥控所需的信号。
同时，超声波水位计不存在可动部件，所以在安装和维护上相应比较方便。
超声测位技术可适用于气体、水位或固体等多种测量介质，因而具有较大的适应性且价格较为便宜。
新型气密结构、耐腐蚀的超声波传感器可测量高达几十米的水位。
（2）雷达水位计：
雷达水位计发明于60年代，通常采用调频雷达原理，利用同步调频脉冲技术，将微波发射器和接收器安装在罐顶，向液
面发射频率调制的微波信号。
当接收到回波信号时，由于来回传播时间
的延迟，发射频率发生了改变。
将两种信号混合处理，所得信号频正比
于罐顶到液面之间的距离。
雷达水位计特别适用于高粘度或高污染的产
品，如沥青等。
雷达水位计的测量精度较高，而且无需定期维修和重新
定标，但是安装比较复杂且价格不菲。
（3）射线水位计：
核辐射放出的射线（如丫射线等）具有较强的穿透能力，且穿过不同厚度的介质有不同的衰减特性，核辐射式水位计正是
利用这一原理来测量水位的。
核辐射式水位计的核辐射源用点式或狭长
型结构安装在油罐的外面，狭长型核辐射源检测元件也安装在油罐外面，
可实现对水位动态变化的检测。
除利用核辐射射线来测量之外，还可采
用中子射线来测量水位。
射线水位计安装非常方便，测量精度较高。
因
为它没有任何部件与被测物体直接接触，特别适用于传统测量仪表不能
解决的测量问题。
（4）激光水位计：
其测量原理类似于超声波水位计，只是采用光波代替了超声波。
发射传感器发射出激光，照射到被测液面，在液面处发生反射，接收传感器接收反射光，将从发射至接收的时间换算成水位。
激光的光束很窄，在水位计中通过光学系统转换成约20mm宽的光束，这样即使被测物面很粗糙，漫反射光也能被传感器接收。
激光水位计非常
适用于开口很狭窄的容器以及高温、高粘度的测量对象。
而缺点是对液面的波动很敏感，大罐内的油苏汽，水气等微粒对测量不利，且光学镜头必须定期保持清洁。
4.2接触型水位仪表
接触型水位仪表，主要有：
人工检尺法、浮子测量装置、伺服式水
位计、电容式水位计以及磁致伸缩水位计。
它们的共同特点是测量的感
应元件与被测水位接触。
（1）人工检尺法：
利用浸入式刻度钢尺测量水位，取样测量油温和密度，通过计算得到水位的体积和重量，这是迄今为止依然在全世界广泛使用的水位测量方法，也可以把它用作现场检验其他测量仪表的参考手段。
该方法分为实高测量和空高测量两种。
人工检尺法测量的精度一
般为±2mm，通常至少测量两次，两次结果相差不得超过±1mm。
人工检尺法具有测量简单、直观、成本低等优点，但需要测试人员手动测量，
不适合恶劣环境下的操作。
另外，需要较长的测量时间，难以实现在线
实时测量，即实时性较差且需手厂处理数据，不利于数据的计算机管理。
（2）浮子测量装置：
浮子式测量装置采用大而重的浮子作为水位测量元件，驱动编码盘或编码带等显示装置，或连接电子变送器以便远距离传输测量信号。
由于机械装置的使用，这类装置的测量误差一般约为
1mm，误差较大。
浮子式水位装置具有结构简单、价格便宜等优点，但是
浮子会随着液面的波动而波动，从而造成读数误差。
该装置传动部件较
多，容易造成系统的机械磨损，因而增加了系统维护的开销。
浮子测量
装置的适用范围为非腐蚀水位的测量。
（3）伺服式水位计：
伺服式水位计与浮子式水位测量装置相比，提高了测量精度和可靠性。
它采用波动积分电路，消除了抖动，延长了使
用寿命。
现代伺服水位计的测量精度已达到40m范围内小于±1mm。
但是，由于伺服式水位计仍属于机械测量装置，存在机械磨损，影响了测量的
精度，因此需要定期维修和重新定标且安装困难。
（4）电容式水位计：
电容式水位计的核心是电容水位传感器。
该传感器一般由标准电容、测量电容和比较电容等组成。
其中，比较电容用来测量水位的介电常数，测量电容用来检测水位的变化，由水位的介电常数和测量电容的容量计算出水位。
电容式水位计的价格较低、安装容易且可以应用于高温、高压的测量场合。
（5）磁致伸缩水位计：
磁致伸缩水位计采用磁致伸缩技术来测量大罐的油水界面和油气界面。
通常情况下，磁致伸缩水位计安装有两个浮子，其中一个浮子的密度小于油品的密度，另一个浮子的密度大于油品的密度而小于水的密度，它们分别用来检测油气界面和油水界面。
磁致伸缩水位计安装容易，不需要定期维修和重新定标，工作寿命较长。
其测量精度较高，测量的重复精度也较高，是比较理想的接触型水位计。
但是磁致伸缩水位计与被测水位接触，仪器容易受到腐蚀，且水位的密度变化会带来测量误差。
此外，浮子装置沿着波导管的护导管上移动，容易被卡死，从而影响水位的正确测量。
5.总结
人多水少，水资源时空分布不均，水土资源与经济社会发展布局不相匹配，是我国的基本水情。
宏观上讲，通过对水位变化的分析，统计某一地区用水量，对水资源的统筹调配是有意义的。
微观上说，根据统计出数据计算某一水位在一定得统计规律中最佳的高低警戒线位置，从而减少水泵启动次数，降低能源消耗，延长水泵受用寿命。
在“十二五”期间，水利政策正在进一步完善，水利基础建设正在
逐步走向现代化。
在我党科学发展观的指导下，新型、环保、具有可持
续发展设计思想的设备仪器正逐步被人们重视。
单片机和PC机相结合对
水箱液位进行测量和监控。
设计具有一定的智能化，可操作性和稳
定性。
利用单片机与pc机，控制水塔中的水位在上、下限水位之间。
当水位超出极限位置时，控制系统报警，同时启动电机带动水泵工作，水位值可通过单片机的8位LED显示口输出。
根据要求进行水塔水位控制系统
原理图总体方案设计。
进行硬件设计（系统电路图设计、单片机的选型）。
进行软件设计（编写控制系统的相关控制程序）。
上位机与下位机的通信方式设计。
用单片机相关软件进行系统调试仿真.
6.参考文献：
[1]《流体力学》；
[2]《传感器原理》；
研究内容
[3]《MCS-51单片机实用子程序及其应用》；
[4]《计算机接口技术》；
[5]《单片机原理及应用》；
[6]《微型计算机控制技术》潘新敏王燕芳编著；
[7]《MCS51单片机实践与应用》祁红岩冯丽媛编著；
[8]《单片机原理与应用-基于Proteus虚拟仿真技术》徐爱钧编著；
[9]《单片机应用与开发技术》瓮嘉明编著；
第1周：
调研，查阅、收集资料第2周：
调研，查阅、收集资料第3周：
完成译文
第4周：
编写开题报告
第5周：
控制系统总体方案确定第6周：
控制系统总体方案设计第7周：
控制系统原理图设计
研究计划第8周：
控制系统原理图设计
第9周：
控制程序设计第10周：
控制程序设计
第11周：
控制系统调试并完善第12周：
编写设计说明书
第13周：
完成中英文摘要，完善设计说明书第14周：
答辩
使用了单片机控制，单片机具有方便，价格便宜等优势。
合理利用单
片机与pc机的优点，采用非接触式的方法来测量水库的水位，控制水塔
中的水位在上、下限水位之间。
当水位超出极限位置时，控制系统报警，
同时启动电机带动水泵工作，水位值可通过单片机的8位LED显示口输
出。
特色与创新
指导教师
要填写是否同意。
签名：
手写或盖章。
意见
指导教师签名：
年月日
教研室意见院部意见
要填写是否同意。
签名：
手写或盖章。
主任签名：
教学院长签名：
年月日
年月日
附：
与课题内容相关的外文资料翻译不少于2000字，参考文献不少于10种。
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