水塔智能水位控制系统设计毕业设计.docx

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水塔智能水位控制系统设计毕业设计

毕业设计

水塔智能水位控制系统设计

摘要

水塔水位的控制系统是我国供水系统较为常用的，水塔供水的主要问题是塔内水位应该始终保持在一定的范围内，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，方便生活的水塔水位控制的理想装置。

本设计介绍的是一种由AT89C51单片机为主控元件的电压传感器的水塔水位测量系统。

压力传感器一般由弹性敏感元件和位移敏感元件组成。

弹性敏感元件的作用是使被测压力作用于某个面积上并转换为位移或应变，然后由位移敏感元件或应变计转换为与压力成一定关系的电信号。

测量时首先由安装在塔底的压力传感器感应被测水位高度并将其转换成电信号，经过信号调理电路进行滤波、放大，输出相应的直流电压信号，然后输入到串行的A/D转换器中进行模-数转换，模-数转换以后得到的数字信号直接送入单片机，经过单片机分析处理后根据相应的结果通过继电器对水泵电机进行控制，从而进行对水位的控制，于此同时将测量结果显示出来。

关键词:

单片机;压力传感器;水位控制

Watertower’sintelligentwaterlevelcontrolsystemdesign

Abstract

Watertower’swaterlevelcontrolsystemisrelativelycommonlyusedintheChinesewatersupplysystem;themainproblemofthewatertower’swatersupplyisthewaterlevelinthewatertowershouldalwaysremainwithinacertainrange,toavoidthe“emptytower”,“overflow”towerphenomenon.Traditionalcontrolmodeexisttheshortcomingofcontrolprecisionlow,energyconsumptionbig,andthecostofintelligentcontrolsystemislow,easyinstallation,andgoodsensitivity,itistheidealdevicetosavewater,tofacilitatethelifeofthewatertower’swaterlevelcontrol.

ThisdesignintroducesisAT89C51microcontrollerasamastercomponentofthevoltagesensorofthewatertower’swaterlevelmeasurementsystem.Thepressuresensorisgenerallycomposedbytheelasticsensingelementanddisplacementsensitivecomponents.Theroleoftheelasticsensingelementistomaketestedpressureinacertainareaandconvertedtodisplacementorstrain,thenthedisplacementsensitivecomponentsorstraingaugeisconvertedtoacertainrelationshipwiththepressureoftheelectricalsignals.Firstthepressuresensorinstalledinthebottomofthesensormeasuredtheheightofwaterlevelmeasurementsandconvertedintoelectricalsignals,afterthesignalconditioningcircuitfiltering，amplification,outputDCvoltagesignal,theentertheserialA/Dconverterforanalog-digitalconversion,afteranalog-digitalconversion,thedigitalsignaldirectlyintothemicrocontroller,aftermicroprocessoranalysisprocessingaccordingtotheresultsthrougharelaytocontrolthepumpmotor,thuscontrolofwaterlevel,atthesametimethemeasurementresultsaredisplayed.

Keywords:

SCM;pressuresensor;waterlevelcontrol

第1章绪论

1.1水塔水位的产生背景

从古至今，洗衣做饭、灌溉农田，水资源一直都在人们日常生活和生产中起着至关重要的作用，突然断水，不仅会给人们的生活带来大大的不便，而且如果长时间缺水，则很有可能造成严重的自然灾害甚至更大的损失。

因此，供水系统往往是建筑、生产或企业中最重要的基础设备之一。

然而，随着社会经济的飞速发展，人口密度的不断增加，水资源的利用率与节约用水意识就相对越发重要了。

在工业与民用建筑中，水塔是一种比较常见而又特殊的建筑，水塔是用于储水和配水的高耸结构，用来保持和调节给水网中的水量和水压，如果水塔的施工质量不好，轻则会造成渗漏水浪费水资源，重则报废不能使用。

针对水塔的工作过程和性质，水塔水位的检测与控制是其重中之重，用水者使用水会导致水塔水位的下降，为了保证用户的用水需求不会造成断水现象，水塔内应始终存有足够量的储水，这时需将水塔内设置一个水位下限值，当水塔内水位达到下限值时就需要向水塔内注水；但同时水塔内的水位又不能使水溢出水塔造成水资源浪费，这时候又需要给水塔设置一个水位上限，当水位达到水塔上限值时应立即停止向水塔注水。

在这个不断循环的过程中，如果通过人工监测水位控制水塔内水量会浪费大量的人力资源，因此，在现代水塔供水系统中采用智能水位控制是不可避免的趋势。

1.2水塔水位的研究现状

在水塔供水系统中，水塔必须满足两个前提：

第一，保证水塔内水量，不能造成缺水现象；第二，保证水塔内蓄水不溢塔，造成水资源浪费。

而现阶段的水塔智能控制系统设计中采用三种手段可实现上述功能：

（1）PLC水塔水位控制系统：

设计在蓄水池和水塔分别各自采用一个液位传感器，以为量取其各自的高低水位。

他们传输的数据传往PLC（可编程逻辑控制器），然后经由PLC进行数据处理、比较，最后输出控制水泵和电磁阀。

系统通过PLC启动后，当水池液位低于水池传感器下线液位时，电磁阀打开，开始往水池里注水，过5S以后，若水池液位没有超过水池传感器下线液位时，则系统发出警报。

待水位开始上升并被相应的液位传感器检测到时自动熄灭报警。

若系统正常，此时水池传感器下限液位向PLC输入一个固定值，表示现在水位高于下限水位。

当水位液面高于上限水位时，电磁阀关闭停止向水池注水；当水塔水位低于水塔下限时，则水塔传感器下限水位检测不到有水，水泵开始工作，向水塔供水，当10S以后，若水塔液位没有超过水塔传感器下线液位时，则发出警报。

（2）单片机智能水塔水位控制：

该系统中，单片机是控制的核心模块，分析处理传感器检测的数据，接收或发送数据等，除此之外，该系统还包括了以差压传感器为主的信号采集模块，以水泵为主的注水启停驱动模块，及报警、显示模块等。

首先通过传感器实时检测水塔水位，然后把水位数据传送到水塔处的单片机，单片机把数据与所设定的水位上下限作比较，如果水位低于下限，则启动抽水机抽水，保证水塔的水足够，如果水位达到了上限，则及时停止抽水，防止“溢塔”而浪费水，并且水位的上下限随时可以根据实际情况由拨码开关进行调整；同时该单片机控制无线发送器把水位数据发送到中央控制室的单片机处显示，实现实时监测目的。

（3）光纤传感器在水塔水位检测中的应用研究：

该方案的检测系统分别由中央控制式的中央监控单元和现场采集单（或数据采集单元）组成。

现场采集单元对水塔的水位信号进行数据的实时采集，同时完成数据统计、存贮；中央监控单元可以定期或不定期地从现场采集单元获取数据并完成图像监测、数据统计、报表、打印及数据库管理。

而中央监控单元和现场采集单元之间通过CAN总线连接在一起，在这个网络中，中央监控单元处于主控位置，而现场采集单元可以随时响应中央监控单元的命令。

其现场采集单元由单片机8C552及采集、存储、显示、遥控和通信模块组成，每个现场采集单元可与光纤液位传感器及光纤液位报警器等16个设备相接。

之所以应用CAN总线网络结构是由于CAN网络具有方便灵活、突出特性，抗干扰性、可靠性、实时性等特点。

所有的光纤液位传感器及光纤液位报警器都可以通过一对双绞线串接在一起，节省了空间、简化了布线。

1.3单片机的发展趋势及应用

单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。

尽管它的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：

CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。

同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。

而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。

单片机也被称为微控制器（Microcontroller），是因为它最早被用在工业控制领域。

单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。

最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。

单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。

1.4设计中水泵的工作方式

本次设计中水泵先向水塔供水，再由水塔向用户供水。

水塔的合理高度是要求水塔最低水位略高于供水系统所需要压力。

水塔注满后水泵停止，水塔水位低于某一位置时再启动水泵。

水泵处于断续工作状态中。

这种供水方式，水泵工作在额定流量额定扬程的条件下，水泵处于高效区。

这种方式显然节能省电，其节电率与水塔容量、水泵额定流量、用水不均匀系数、水泵的开、停时间比、开、停频率等有关。

供水压力比较稳定。

1.5本次设计的内容

水塔智能水位控制系统是一个完整的液位控制系统，它包括采样、处理、控制等部分组成，论文将论述整个系统的设计思想、基本结构框架、主要硬件设计与软件程序这几部分问题。

水塔智能水位控制系统对水位的监控具有严格的要求，所以如何设计水塔水位的检测将是本次设计的关键因素。

本论文各章节的安排如下：

第1章：

介绍了水塔水位的研究现状,并且介绍了部分重要组件的应用。

第2章：

从设计成本及实现智能控制角度，给出总体设计框图及方案，介绍系统各组成模块的功能。

第3章：

对系统各个组成部分进行详细的硬件选型设计，及各个组成部分之间的连接方式。

第4章：

水塔智能水位控制系统的软件设计及软件程序流程图。

第5章：

对本次论文的所有设计进行了总结。

第2章方案论证

本次对水塔智能水位控制系统的设计采用以51单片机为核心，由采样模块、控制模块、显示模块、电源模块、时钟复位等组成，其结构原理如图2.1所示。

图2.1水塔智能水位控制系统结构原理框图

测量时首先由安装在塔底的压力传感器感应被测水位高度并将其转换成电信号，经信号调理电路进行滤波、放大，输出相应的直流电压信号，然后输入到串行的A/D转换器中进行模-数转换，模-数转换后得到的数字信号直接送入单片机，经单片机分析处理后根据相应的结果通过继电器对水泵电机进行控制，从而进行对水位的控制，于此同时将测量结果显示出来。

2.1采样模块

对于水塔水位有多种测量方式：

继电器开关式、电容式、超声波式、压力传感器式等。

根据不同的系统要求、技术上的可行性及成本的经济性等多方面的考虑来选择不同的测量方法。

随着自动控制技术、计算机技术及信息技术的高速发展，数字化、智能化产品的应用开发日趋广泛，液位的检测与控制也早已进入数字化控制世界。

2.1.1继电器开关式

1、杠杆式

利用液体的浮力，通过杠杆传动，水位上升至一定高度使触头发生切换，从而达到控制水位的目的，这种方法最简单、经济。

2、电极式

利用水的导电性，设置上限位电极与下限位电极，当水位浸没上线位电极时，上、下电极导通而引起继电器动作，使用这种方法时为了防止电极在水中长期通直流电发生极化腐蚀，应该采用交流源取样电路。

3、电容式

在水中放入两根平行的电极，其中一根电极表面敷有绝缘层，这样在两根电极间便构成一个电容C，其容量与电极没入水中的深度成正比。

用C构成的振荡器周期T也跟水深成正比。

4、超声波式

由超声波发射装置和超声波接受装置组成，发射装置发射恒定的40KHz超声波信号，当超声波遇到水位表面反射回来被超声波接受装置接受。

根据水位不同，接受的信号强弱就不同，距离远的信号弱，距离近的信号强。

2.1.2压力传感器

将压力转换为电信号输出的传感器。

通常把压力测量仪表中的电测式仪表称为压力传感器。

压力传感器一般由弹性敏感元件和位移敏感元件（或应变计）组成。

弹性敏感元件的作用是使被测压力作用于某个面积上并转换为位移或应变，然后由位移敏感元件或应变计转换为与压力成一定关系的电信号。

有时把这两种元件的功能集于一体。

本次设计中将压力传感器安装于水塔的底部，根据流体的性质，传感器检测的压力大小只与水塔中水位的高度成正比，而与水塔的截面积无关。

压力传感器与智能数字仪表或计算机系统组成的控制系统可精确控制液位的高度，并可以实时显示各测点液位的数值，所以压力传感器是当今应用较为广泛的一种，也是自动化工程的宠儿。

所以本次设计采用的是压阻式应变压力传感器。

2.2模数转换

当压力传感器检测出水塔的液位高度转换成电信号输出时，此信号为模拟信号仍然不能直接送给单片机进行分析比较，需要在送单片机之前进行模数转换（AD转换）,将模拟信号转换成数字信号再传送给单片机。

2.2.1AD转换器的分类

（1）按数字输入方式可分为并行AD转换器和串行AD转换器。

（2）按工作原理及特点可分为积分型、逐次逼近型、并行比较型/串并行型、∑-△调制型、V-F变换型等。

（3）按输出极性可分为单极性和双极性。

2.2.2串并行AD转换器的选取

串行AD转换器比并行AD转换器节约串口资源，没有并行8位通道间的相互干扰，现在已被越来越广泛的应用于电子设计中，故本次设计选用的就是串行模数转换器。

2.2.3AD转换器芯片型号的选取

串行AD转换器的集成芯片也是种类繁多，其中TLC0832与TLC0834都是被广泛应用的芯片。

TLC0832是美国德州仪器公司生产的串行控制模数转换器，有两个多路选择的输入通道，与单片机或控制器通过三线接口连接，具有8位分辨率，5V单电源供电，输入与输出电平与TTL和CMOS兼容等特点。

而TLC0834同样是8位分辨率，5V单电源供电，输入输出电平与TTL和CMOS兼容的串行逐次逼近型AD转换器，但是TLC0834在模数转换过程中采用光电隔离方式，使其具有较强的抗干扰性能，故本次水塔水位智能控制系统设计中采用的是TLC0834芯片。

2.3控制模块

本文对水塔水位所设计控制模块主要包括以单片机为核心的，通过继电器控制的水泵的工作过程的设计。

对水泵电机控制的设计虽然多种多样，但是考虑继电器的特点是小电流控制大电流，不仅是一种可以自动控制的电器，而且对系统线路还兼有保护作用，同时，通过继电器控制电机启停技术已被广泛应用于此类设计中，相对安全可靠，深受设计者喜爱。

2.3.1继电器的介绍

继电器是具有隔离功能的自动开关元件，在本次设计当中主要来做自动控制作用，系统采用+5V的直流电来控制220V的交流电，以达到控制水泵的作用，因为是在这里是以一种弱电来控制强电，所以安装和使用的过程当中一定要注意用电安全注意事项。

磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。

只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。

当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。

这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。

对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：

继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。

常用的继电器可分为电流继电器、电压继电器、中间继电器、时间继电器、热继电器以及干簧继电器等。

（1）热继电器是一种通过电流简介反应被控电器发热状态的防护器件。

（2）干簧继电器是一种新型密封触点的继电器，它既能导磁又能导电，兼有普通电磁继电器的触点和磁路系统的双重作用，具备快速动作、灵敏度高、稳定可靠和消耗功率低等优点。

（3）时间继电器是在电路中对动作时间起控制作用的继电器。

（4）中间继电器具有触点多、触点电流大和动作灵敏等特点，常用于某一电器与被控电路之间，以扩大电器的控制触点数量和容量。

（5）电流继电器和电压继电器属于常用的电磁继电器之一。

如果继电器是按通入线圈的电流的大小而动作的，就是电流继电器，电流继电器是串联在负载中使用的，其线圈匝数少、内阻低，可以保护线路不因电流过大而收到损坏；如果继电器是按照施加到线圈上的电压大小来动作的，就是电压继电器，电压继电器与负载电路并联工作，所以线圈匝数较多、阻抗较高。

故本次对于水泵电机的控制选用的是电流继电器。

2.3显示模块

测控系统中常用的测量数据的显示器有发光二极管显示器（LED）和液晶显示器（LCD）两种。

2.3.1LED显示器

LED显示器通常是由多位LED数码管排列而成，每位数码管内部有8个半导体发光二极管，其中七个发光二极管摆成七笔字形“８”，还有一个发光二极管用来显示小数点。

这种显示块有共阴极和共阳极两种，八个二极管的阴极并接成一个公共端称为共阴极；八个二极管的阳极并接成一个公共端，称为共阳极。

其主要是通过这些发光二级管的亮灭来显示字符。

为了在LED上显示数字，必须将要显示的数字转换成相应的段选码，这可通过硬件译码或软件译码来实现，硬件译码电路由锁存器、译码器、驱动器组成，锁存器用于所存每位要显示数字的四位二进制代码或BCD码，译码器通过驱动器与LED显示器的8个发光二极管相连，使相应段的二极管点亮，显示出数字或字符。

2.3.2LCD显示器

液晶显示品种多，内部结构复杂，字符型液晶显示电路板有两种点阵显示字符：

5×7和5×10；每种点阵又分为1行、2行和4行三类，没行有8、16、20、40、80等多种字符位长度，LCD液晶显示器主要是在两片平行的玻璃当中放置液态的晶体，它兼有液体的流动性和晶体的光学特性，两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线，透过通电与否来控制杆状水晶分子改变方向，将光线折射出来产生显示画面。

LCD显示器具有低压功耗小，显示信息量大，寿命长等特点。

在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点：

1、显示质量高

由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。

因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。

2、数字式接口

液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。

3、体积小、重量轻

液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。

4、功耗低

相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。

所以本次设计针对水塔水位高度的显示选用了LCD显示器。

此次显示水位用的是5×7点阵2行16位字符长度的1602液晶显示器。

第3章硬件方案设计

3.1单片机AT89C51

与87C51相比，AT89系列的优越性在于其片内闪电存储器的编程与擦除完全用电实现；数据不易挥发，可保存10年；编程/擦除速度快，全4K字节编程只需时3s，擦除时间约用10ms；AT89系列可实现在线编程。

如图3.1所示为本次设计采用的AT89C51单片机，AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含4Kbytes闪烁可编程可擦除只读存储器（PEROM）和128bytes的随机存储数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度非易失存储器制造技术制造，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大，可用于许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

AT89C51是用静态逻辑来设计的，其工作频率可下降到0Hz，并提供两种可用软件来选择的省电方式——空闲方式（IdleMode）和掉电方式（PowerDownMode）。

在空闲方式中，CPU停止工作，而RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统都继续工作。

在掉电方式中，片内振荡器停止工作，由于时钟被“冻结”，使一切功能都暂停，只保存片内RAM中的内容，直到下一次硬件复位为止。

图3.1AT89C51单片机引脚图

3.1.1主要特性

（1）与MCS-51兼容

（2）4K字节可编程闪烁存储器

寿命：

1000写/擦循环

数据保留时间：

10年

（3）全静态工作：

0Hz-24Hz

（4）三级程序存储器锁定

（5）128*8位内部RAM

（6）32可编程I/O线

（7）两个16位定时器/计数器

（8）5个中断源

（9）可编程串行通道

（10）低功耗的闲置和掉电模式

（11）片内振荡器和时钟电路

3.1.2管脚说明

（1）VCC：

供电电源

（2）GND：

接地

（3）P0口：

P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，每个引脚可吸收8个TTL门电流。

当P1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FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

（4）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4个TTL门电流。

P1口管脚写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。

（5）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