水箱水位检测控制系统 计算机控制技术课设.docx
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水箱水位检测控制系统计算机控制技术课设
引言
水情水位测量一直是水文、水利部门的重要课题。
为及时发现事故苗头，防患于未来，经济实用、可靠的水位无线检测系统将会发挥巨大的作用水位是水库大坝安全、水利排灌调度、蓄水、泄洪的重要参数之一。
水位的自动化检测、传输和处理为水库现代化建设提供了良好的基础资料。
在工农业生产的许多领域都需要对水位进行监控实时检测，可能现场无法靠近或现场无需人力来监控。
我们就可以通过远程监控，坐在仪器前就能对现场进行监控，既方便又节省人力。
为了保证水利发电站的安全生产,提高发电效率,水电站生产过程需要对水库水位、拦污栅压差和尾水位进行监测。
但是,由于不同电站有着不同的实际情况,因此就有着不同的技术要求,而且水位参数的测量方法和测量位置不同，对监测设备的要求亦有所不同。
这样往往造成监测系统设备专用化程度高,品种多,互换性差,不利于设备维护,亦增加了设备设计、生产、安装的复杂性。
因此,在综合研究水电站水位监测的实际情况以及特点的基础上,利用现代电子技术,特别是单片机技术和不挥发存储器技术,设计开发一种通用性好,可靠性高,维护方便,可适用于多种监测环境的多模式水位自动监测系统具有重要的实际意义。
本次所设计的水箱水位检测控制系统主要包括以下几个内容：
水位传感器对水位进行实时检测，设定标准水位，自动控制注水和放水，维持水位保持在设定值附近；另一种是手动操作模式，即通过按键来控制注水放水，并同时实时显示水位检测值。
水位检测部分控制部分和主机控制部分通信采用RS-485点对点通信方式实现。
水箱水位检测控制系统
1设计意义及要求
1.1课程设计意义
从传统的水位监测方式即人工监测技术分析来看，主要存在以下问题：
首先记录方式以模拟方式为主，就是数字方式记录的也很难方便的输入计算机处理，其次数据处理基本靠人工处理判断，费时易错，最后水位信息的采集、传输、处理的实时性和准确性较差，无法适应现代水文的需求。
因此，要用自动化技术促进水位监测自动化的发展。
1.2课程设计要求
要完成水位检测控制系统需要实现自动化监测、数据化、智能化显示、视觉或听觉冲击化报警，实现水位检测一个完整的系统，主要包含以下几个要求：
1.选用适当传感器进行水位实时检测；
2.分析如何实现水位信息的采样处理；
3.怎样通过算法实现水位的自动控制；
4.提出适当的软件设计流程；
2系统方案设计
2.1传感器选择
方案一：
利用水的导电性，有水则导电的特性，在固定水位高度安插节点，设计方案如下：
电路共有五个发光二极管，如果发光二极管全部亮，表示水箱中的水已充满。
12V电源送到水箱底部的水中，晶体管（T1～T5）只要得到基极电压，就会导通并点亮相应的发光二极管（LED1～LED5）。
当水箱中的水到达最低水位C时，晶体管T1导通，LEDl点亮；当水位上升到水箱的1/4时，晶体管T2导通，LEDl与LED2点亮；当水位升到水箱的一半时，晶体管T3导通，则LEDl、LED2和LED3点亮；当水位升到水箱的3/4时，晶体管T4导通，则LEDl～LED4均点亮；当水箱的水充满，晶体管T5导通，五个发光二极管全亮，同时使蜂鸣器发出报警声响。
因此从发光二极管点亮的状态，就能知道水箱中的水位。
发光二极管与水箱中的水位对应关系如下表2.1所示。
发光二极管应安装在容易监视的位置。
水箱中的水位
发光的LED
最高水位
LED1、LED2、LED3、LED4、LED5
3/4水位
LED1、LED2、LED3、LED4
1/2水位
LED1、LED2、LED3
1/4水位
LED1、LED2
最低水位
LED1
方案二：
浮子式水位传感器
其主要产品有上海精浦机电有限公司的GEMPLEGPH500，正天科技的FYC-3型浮子式水位传感器等。
1）工作原理：
它利用液体浮力测液位的原理，靠浮子随水面升降的位移反映水位变化。
漂浮通过绳索经滑轮与编码器相连，编码器的数字输出即为水位高度。
为防止错码的出现，其编码器的编码为格雷码。
机械浮子式和光电浮子式都是来用机械齿轮减速产生进位和退位的办法来形成编码。
其工作示意图如图3.1所示。
图2浮子式水位计工作示意图
2）特点：
稳定，可靠，优点：
成熟、运用最广泛，价格相对较低。
3）缺点：
机械加工复杂、运行阻力大、使用寿命短，测试数据离散。
方案三：
超声波水位传感器
图2
超声波水位传感器是利用空气声学回声测距原理来进行水位变化测量的新型水位测量仪器。
由收发共用换能器发射一声脉冲、经声管传声遇水界面产生反射，回波经由同一换能器接收。
测得声波在空气中的传播时间及现场声速，算出换能器发射面至水面的距离，依据换能器安装基准面及水位零点得到水位值。
特点是非接触测量，无需建造水位测井，安装方便，自动测量；具有声速补偿；RS-485数据输出。
其水位测量原理如下图所示。
2.2水位采集系统
2.2.1水位测量工作原理
水位测量原理如图所示，由收发共用声学探头发射一声脉冲，经声管传声L声程遇水界面产生反射，反射波（下称回波），又经L声程由同一声学探头接收，只要测得声波（由发射至接收到回波）在空气中的传播时间t及现场声速c，就可测算出声学探头发射面至水面的距离，即
（3-1）
在设计上采用自校准技术对声速进行补偿，即在连接声学探头的第一节声管（称此声管为校准管）的已知距离L0处开有一校准用小圆孔。
声学探头发射的声脉冲首先遇小孔这一界面产生反射回波，这一回波传播的声程2L0为已知，传播时间T0可测出，传播声速若为C0则有：
（3-2）
取校准孔回波与水面回波传播声程的比值则有：
（3-3）
由式
（1）可知声程L是传播声速C、C0，传播时间t、T0和校准孔距L0的函数。
如果在声管中传播声速由发射面至水面间变化很小，这样
（1）式就可简化为：
（3-4）
发射声脉冲后，测得T0、t即可测算出声程L。
由图2知，探头安装基准面至水位零点高度为S（S可以当地水准点或水尺为参考，安装时测量确定）则水位值H为：
（3-5）
式中：
H为水位值
S为探头发射面至水位零点距离
L为探头发射面至水面间距离
2.2.2水位采集系统的组成
水位测量是应用空气声学回声测距原理，将声学探头安装在自流道进口和出口处，通过电缆将信号传至水位采集系统，采集并输出进口和出口处的水位值。
水位采集系统由声学探头，声路总成、外保护管总成、水位采集主机系统、显示及电源组成、水位采集系统通过RS-485接口与流量数据处理系统相连。
如果声程范围内温度不均匀，就会产生测量误差，上述方法将不能满足精度要求。
所以，为了提高水位测量的准确度，采集水位（声程）的同时，还要采集声程数点的温度值，在数据处理时可以对水位测量值进行温度补偿，减小温度梯度造成的测量误差，提高测量准确度。
具体计算步骤如下：
声程内平均温度：
（3-6）
式中：
ai:
声程内第i个温度因子（与现场安装位置等有关；用户可以根据实际比测作出修正）
Ti:
声程内第i个温度传感器温度值。
n:
声程内温度传感器个数。
将平均温度代入公式（5），算出平均声速C0、c,根据公式
（2）即可算出声程L，再由公式（4）得出水位温度对测量精度的影响及修正空气中，不考虑湿度和气压的影响，则声速c为：
C=331.4+0.607 T （m/s） （3-7）
式中：
T为温度（℃）。
温度变化1℃，将影响声速变化约0.18％，如果声管中传播声速由发射面至水面间变化较大。
为了在不均匀的声场进行准确测量，采集水位的同时，还要采集声程数点的温度值，修正声速，对水位测量值进行温度补偿，减小温度梯度造成的测量误差，提高测量准确度。
声学测量中，温度的影响是产生测量偏差的主要原因。
在水位测量的实际应用过程中，声程不同位置测得的温度数据为非均匀变化。
经过温度修正，减小了声场温度影响产生的测量误差。
尤其是在声程远端，未修正误差较大，修正后误差明显减小。
声场受温度影响产生的测量误差，可以通过加入测温传感器，测量声路不同位置的温度，在软件上对测量值进行修正，减小测量误差。
实际应用表明，效果很好。
3系统软硬件设计
3.1传感器检测电路
本文设计的超声波传感检测电路是利用40kHz的超声波发生器，实现40kHz的振荡是很容易的，并且方法有多种，取液位计与水面的距离为适当的高度，可令超声波发出去后能有效地返回，让接收器收到信号，送到微处理器，经微处理器处理所得的数据，即可算出水位高度。
超声波在空气中一般可以实现有效传播，只要外部的环境不是特别的恶劣，所受的干扰并不是很大，测量结果不会有太大的误差。
整个系统的核心是AT89S52。
所选用是超声波传感器，它的工作电压是40kHz的脉冲信号，这可很容易地用软件编程使AT89S52的P1口中的第0位产生40KHz方波的方法来实现。
并在第一个脉冲产生时开始启动计时。
40kHZ的脉冲方波信号经放大后即可驱动超声波传感器工作，使其向水面垂直发出40kHz的超声波。
所选的超声波传感器是双用型传感器，即发送和接收集成于一体。
当超声波遇到水面时发生反射，反射波回到超声波传感器，超声波接收器将超声波调制脉冲变为交变电压信号，再将所得的交变电压信号放大，输人到音调译码器中，音调译码器的输出由高电平跃变为低电平，作为中断信号输人到AT89S52单片机的INT1管脚。
INT1端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，停止计时，取得超声波往返的时间差。
通过计算式s=340t/2算出液位计离水面的距离，从而计算出水位的高度。
这些都可以通过对51单片机编程实现。
计算出水位高度以后，单片机将所算出的结果通过P0口输出到七段LED数码管显示出来。
超声波水位传感器是利用空气声学回声测距原理来进行水位变化测量的新型水位测量仪器，是在SCA6-1型声学水位计基础上的改进设计。
由收发共用换能器发射一声脉冲、经声管传声遇水界面产生反射，回波经由同一换能器接收。
测得声波在空气中的传播时间及现场声速，算出换能器发射面至水面的距离，依据换能器安装基准面及水位零点得到水位值。
特点是非接触测量，无需建造水位测井，安装方便，自动测量；具有声速补偿；RS-485数据输出。
3.1.1超声波发射电路
超声波发射电路如图3.3所示为超声波的发射电路图。
图3超声波发射电路
由图可见，超声波的发射电路比较简单，主要是由一个超声波探头、一个NPN型晶体管、一个稳压二极管和一个升压变压器组成。
传感器探头需要40kHz的脉冲信号才能触发，图中输人端口是从单片机的P3.5输出的40kHz方波。
方波电压信号经二极管稳压后送到三极管放大，再经Tl升压变压器升压，驱动超声波传感器探头发出40KHz的超声波。
3.1.2超声波接收电路
在这里超声波的发送与接收用的是同一个探头。
如图3.4所示为接收用电路。
图4超声波接收电路
超声波在空气中传播时，其能量的衰减程度与传播距离成正比，因此，超声波传感器接收信号一般在lmV-1V之间。
这么微弱的电信号，一般都要经过放大才能使用。
除此之外，接收探头接收到信号后，向电路中输出的是交变的正弦波电压信号，这就需要设计交流放大电路。
这里选用两个运算放大器组成两级放大电路，放大倍数可达100倍。
经这经这样处理后，最后接收电路所输出的是正常的电压信号。
3.1.3A/D转换电路设计
由于超声波传感器采集的信号是模拟信号，而单片机所接受的信号为数字信号，故需要将模拟信号转换成数字信号，因此本文设计了一个A/D转换电路，下面是A/D转换电路的设计。
A/D转换器实际上是将模拟信号转换成数字量的装置，其转换过程主要包括采样、量化、编码三个步骤。
（1）采样、保持部分
采样就是周期性地测量一种连续信号或连续过程信号，测量的周期称为采样周期Ts，采样周期的倒数称为采样频率
（3-8）
在对模拟信号进行模数转换时，户以D转换器从启动变换到转换完成需要一定的转换。
当输入信号频率较高时，由于转换时间的存在，会造成较大的转换误差。
为了防止这种现象的产生，必须在A/D转换开始时将信号电平保持住，而在户以D转换结束后又能跟踪输入信号的变化，即将输入信号采样保持，能实现这种功能的器件叫做采样/保持器。
采样保持器在保持阶段相当于一个“模拟信号存储器。
A/D转换器输出数字量的大小只能是某个规定的最小单位的整数倍，即必须把采样电压转化为这个最小数值单位的整数倍。
这个转化过程叫做量化，所取的最小数量单位叫做量化单位，其大小等于输出的数字信号最低有效位1所代表的数量大小。
把量化的结果用代码表示出来称为编码。
采样保持电路能将采样后的模拟信号暂时存储起来，保持一个采样周期。
当输入信号变化较快时，就不能输入到TLC0838中，这就要求输出信号能快速而准确的跟随输入信号的变化进行间隔采样。
在两次采样之间保持上一次采样结束时的状态。
图3.5是采样保持电路。
图5采样保持电路
图中S是一个模拟开关，由场效应管构成。
当控制信号为高电平时，开关闭合，电路处于采样周期。
这时Ui对存储电容元件C充电，U0=UC=Ui，即输出电压跟随输入电压的变化。
当控制电压变为低电平时，开关断开，电路处于保持周期。
因为电容元件无放电电路，故U0=UC。
这样就实现了采样保持,就能够与TLC0838相连。
（2）量化编码部分
量化编码部分是留D转换器的核心组成部分。
所谓量化，就是采用一组数码来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号。
将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程。
执行量化动作的装置为A/D转换器。
在实际应用中，因串行A/D转换芯片具有占用单片机的引脚资源少，可以简化单片机系统，降低成本的优点，所以串行工作方式的A/D转换器在单片机系统中有着广泛的应用。
信号采集单元选用串行多路模数转换器TLC0838实现。
TLC0838是采样频率为8位的、以逐次逼近原理进行模—数转换的器件。
其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8个单断模拟输入信号中的一个进行A/D转换。
在实际应用中，因串行A/D转换芯片具有占用单片机的引脚资源少，可以简化单片机系统，降低成本的优点，所以串行工作方式的A/D转换器在单片机系统中有着广泛的应用。
信号采集单元选用串行多路模数转换器TLC0838来实现。
TLC0838为美国德州仪器公司推出的八通道8位逐次逼近模数转换器。
它具有与单片机接口连接简单，占用线路板体积较小，性价比较高的优点。
其采用取样—数据—比较器的结构，使用逐次逼近流程转换输入信号。
要转换的模拟通道的输入电压连到一个输入端与地比较（单端输入）或与另一个输入比较（差分输入）。
通过同单片机相连的串行数据电路传送控制命令，用软件进行通道选择和输入端配置。
输入配置在多路器寻址时序中进行。
串行输出可配置为标准移位寄存器或微处理器接口。
以SPI总线与单片机接口。
输入和输出均与TTL和CMOS兼容，总失调整误差±1LSB。
A/D转换单元电路见图3.6所示。
TLC0838以SIP总线与单片机接口。
片选信号CS接P1.0引脚，因为数据输入端D1和输出端D0在同一时间有一个为高阻，所以连在一起，接P1.1引脚，串行数据时钟信号输入端CLK接P1.2引脚。
状态转换输出引脚SARS连接PI.3，数据输出方式选择引脚SE连接P1.4。
图6TLC0838接口电路
TLC0838工作过程如下：
输入配置在多路器寻址时序中进行。
置CS为低，使所有逻辑电路使能，转换器初始化。
CS在整个转换过程中必须置为低。
接着CLK从单片机P1.2口接收时钟，在每个时钟的上升沿；由单片机P1.1口输出的多路器地址通过Dl端移入多路器地址移位寄存器。
在每个时钟的上升跳变时，Dl端的数据就移入多路器地址移位寄存器。
第一位为逻辑高，表示起始位。
紧接的2、3、4、5位是配置位，用来选择通道。
多路器地址选择模拟输入通道，也决定输入是单端输入还是差分输入。
在连续的每个时钟的上升跳变，起始位和配置位移入移位寄存器。
当起始位移入多路器寄存器之后，输入通道选通，转换器开始工作。
SARS状态输出变高表示转换过程正在进行。
引脚D1在转换过程中与多路器的移位寄存器之间是关断的。
为使选定的通道稳定，在通道配置位输送完后，要隔一个时钟周期转换的数据才在时钟的下降沿从引脚D0输出数据至单片机P1.1。
转换过程为采样比较器把从电阻梯形网络输出的逐次信号和输入模拟信号进行比较。
比较器的输出指出模拟输入是大于还是小于电阻梯形网络的输出。
在转换过程中，转换数据同时从D0端输出，以最高位（MSB）开头。
经过8个时钟后，转换完成，SARS变为低。
TLC0838的输出数据可从高位开始，也可从低位开始。
在SE为高时，数据先从最高到最低位输出，并将最低位保持在数据线上；在SE为低时，数据从低位开始重新输出一遍。
在全8位分辨率下允许任意小的模拟电压编码间隔。
变换结果范围为0-FF。
为满足低温下系统正常工作的要求，选用工业级TLC0838芯片，工作温度为-0℃-5℃。
3.1.4单片机最小系统
单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。
对单片机来说,单片机+晶振电路+复位电路,便组成了一个最小系统。
下面介绍AT89S52的最小系统，如图3.7所示。
图7AT89S52最小系统
3.1.5LED显示电路
本文设计了LED即时显示功能，下面是对此的设计。
本文采用比高公司生产的具有串行接口，可同时驱动8位共阴式数码管（或46只独立LED）的智能显示驱动芯片HD7279A。
该芯片同时可连接多达64键的键盘矩阵，且64键键盘控制器内含有去抖动电路;无需外围元件便可直接驱动LED，一片芯片即可完成LED显示及键盘接口的全部功能。
HD7279A内部含译码器，可直接接收BCD码或是16进制码，并同时具有2种译码方式，各位可独立控制译码1不译码、消隐和闪烁等属性;具有（循环）左移/（循环）右移指令;具有段寻址指令，可方便地用来控制独立的LED显示管；HD7279A和微处理器之间采用串行接口，.其接口和外围电路比较简单，且占用口线少，加之它具有较高的性能价格比，因此，在微型控制器、智能仪表、控制面板和家用电器等领域获得了日益广泛的应用。
本数据采集系统不需要按键，只用到HD7279A的显示功能。
显示接口
3.1.6报警电路
实现单频音报警的接口电路比较简单，其发音元件通常可采用压电蜂鸣器，这种蜂鸣器只需在其两引线上加3-15V的直流电压，就能产生3KHz左右的蜂鸣振荡音响，比电研式蜂鸣器结构简单，耗电少，且更适应于在单片机系统中应用。
压电式蜂鸣器，约需10mA的驱动电流。
因此，可以使用TTL系列集成电路7406或7407低电平驱动，也可以使用一个晶体三极管驱动。
如图3.10所示是这种驱动的接口电路。
图8单频音报警电路
在图中，P0.0接晶体管基极输入端，当P0.0输出高电平“1”时，晶体管导通，压电蜂鸣器得电而鸣音；P0.0输出低电平“0”时，三极管退出导通状态，蜂鸣器停止发音。
3.1.7串行通信电路设计
本文要求AT89S52单片机在数据采集完成后能够将采集到的数据交给上位机，由上位机进行数据的后续处理。
为适应上位机处理的需要，数据采集系统应有与上位机通信的接口。
RS-485工业标准有许多优点，它可以在一个联机中连接多达23个接收及发送装置，连接长度更长达1200m，短距离通信速度可以达到10Mbit/s，同时RS-485收发芯片的价格较低，仅要5V电源供电，这可以大大简化系统中电源电路的设计。
根据规定，标准RS-485接口的输入阻抗为≥12kΩ，相应的标准驱动节点数为32。
数据在RS-458总线上传输，为了保证传输质量和传输距离，通常需要进行总线电平转换。
AT89C52的输出高低电平是5V和0V，为了满足RS-485的电平要求，需要外接接口芯片，进行电平之间的转换。
本系统把单片机的TXD、RXD信号通过MAX3O28芯片把TTL电平转化为R-458电平。
使单片机的TXD与上位机的RXD，及单片机的RXD与上位机的TXD间接相连。
同时使两机共地，从而建立两机之间的通信。
图9MAX3082接口电路
其中RE和DE短接，用P3.2口线来控制，这样可以做到收发的切换。
这样需要由软件来控制I/O引脚的电平，以达到控制RS-485收发转换的目的。
当要发送数据时,由程序控制RE/DE变为高电平，然后UART单元发送数据，程序要等待发送完毕后，再将485芯片转换到接收状态。
发送完毕的标志一般由UART的特定寄存器提供林态指示，程序需要去查询。
3.2数据处理程序设计
根据实际需要，数据处理部分需要完成的任务有:
通过串行通信，接收上位机发送来的控制命令，选择需要采集的通道，并针对选定通道，采集相应的数据，进行现场显示，再通过串行通信发送给上位机。
数据处理程序由判别通道、数据采集处理、数据显示、数据通信四个部分组成。
首先介绍一下顶层程序设计，顶层程序设计流程图如下图。
图10顶层程序流程图
系统上电或复位后，首先要对系统进行初始化。
初始化内容:
首先将以后用到的各标志寄存器和数据寄存器赋初值，然后向显示芯片发送复位（清除）指令。
最后恢复CS为高电平。
系统初始化完成。
系统初始化完成后，开始等待上位机发出通道采集指令，当接收到通道采集指令，单片机首先判别指令并选择通道，然后转入相应的通道处理程序。
通道处理程序执行完毕后，一通过数码显示芯片进行现场数据显示，然后发送数据至上位机。
上述程序执行完毕后，返回主程序。
本系统共使用9个通道，其中包括8个模拟数据采集通道0-7和1个数字数据采集通道8。
当单片机接到上位机发出的通道采集指令后，读取指令，判别选通的通道后转入相应的数据采集处理子程序。
通道0-7负责8个模拟数据的采集、转换。
通道8则负责数字数据的采集。
循环判断数据采集通道子程序中，通过判断9个标志位，即可决定采集哪个通道。
这样在用户采集数据时，只需通过上位机界面对要进行采集的通道进行选择即可。
下面以第1通道为例，位地址0H为该通道的标志位，若位0H值为1，则说明要采集第1通道。
采集第1通道时，单片机需要对TLC0838发送多路器（模拟开关）地址选择指令,从而多路器就选择了通道1进行采集。
3.2.1数据采集处理
8个模拟数据采集通道0-7任一通道选通，置AD转换芯片TLC0838的CS引脚为低，使所有逻辑电路使能；完成转换器初始化。
接着置CLK引脚为高，接收时钟，首个位为l（起始位）。
在每个时钟的上升沿，由单片机输出的多路器地址通过Dl端移入多路器地址移位寄存器。
多路器地址选择模拟输入通道。
在每个时钟的上升跳变时，Dl端的数据就移入多路器地址移位寄存器。
第一位为逻辑高，表示起始位。
紧接的2、3、4、5位是配置位，选中AD转换的通道。
然后转换的数据1位1位的传送过来（最高位在前）。
通过上述过程扩就实现了数据从模拟量到数字量的转换了。
之后进行数据处理，包括滤波和十进制转化，然后查表把数据变成字型码，用于显示，程序流程图如下图所示
图11数据采集流程图
读出数据后，要进行数字滤波，目的是将采集数据通过数字陷波器滤掉50Hz的工频干扰。
具体做法是将在1s内采样n次的A/D转换结果求算术平均（n为整数且n>2），采样频率可通过延时子程序来确定。
本系统硬件设计时己使水位在0m时对应的转换值为0mV，而100m时对应的转换值为200mV，所以只要把转换值除以2，就可以得到实际温度值。
除以2后，用其余数来判断小数点之后的值。
如果余数为1，则小数点后一位为5，如果余数为0，则小数点后一位为0。
这样变化后，整数部分在0到10之间变化。
然后进行十进制转换，具体做法是将十六进制
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