水位自动检测与控制系统的设计

淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第1页共25页1引言1．1研究背景在社会经济飞速发展的今天，水在人们生活和生产中起着越来越重要的作用。一旦断水，轻则给人民生活带来极大的不便，重则可能造成重大的生产事故及损失。因此，对水位的自动检测及控制的研究，有着极其重要的地位。任何时候都能提供足够的水量，平稳的水压，合格的水质，是对供水系统的基本要求。就目前而言，多数工业生活供水系统，都采用水塔，层顶水箱等基本储水设备，由一级二级水泵从地下市政水管补给，因此如何建立一个可靠安全又利于维护的给水系统是值得我们研究的课题。现今社会，自动化装置无所不在，在控制技术需求的推动下，控制理论本身也取得了显著的进步。水塔水位的监测和控制，再也不需要人工进行操作。实践证明，自动化操作，具有不可替代的应用价值。在工农业生产以及日常生活应用中，常常会需要对容器中的液位（水位）进行自动控制。比如自动控制水箱、水池、水槽、锅炉等容器中的蓄水量，生活中抽水马桶的自动补水控制、自动电热水器、电开水机的自动进水控制等。虽然各种水位控制的技术要求不同，精度不同，但基本的控制原理都可以归纳为一般的反馈控制方式，就是利用传感器对于信号的提供通过单片机对数码显示、电机控制、报警控制部分的控制[1]。本设计从分析水塔水位报警器的原理和设计方法入手，主要基于单片机的硬件电路和语言程序设计,实现一种能够实现水位自动控制、具有自动保护、自动声光报警功能的控制系统。本控制系统由A/D转换部分、单片机控制部分、数码显示部分、电机驱动部分、电机控制部分等构成。这是个简单而灵敏的监测报警电路，操作简单，接通电源即可工作。因为大部分电路采用数字电路，所以本水位监测报警器还具有耗能低、准确性高的特点。该系统设计新颖、简易，灵敏度高，工作稳定，能够自动检测与显示当前水位、高低水位报警等功能水位自动控制电路是通过水位传感器将水位高度转换为0~10V的直流电压，再经过A/D转换后，将转换所得的数字量送入单片机进行处理来达到对水位进行自动控制的目的。通过对电压和水位的转换关系，最终利用单片机进行精确的控制，实现对水位高度的显示、电机和报警装置的控制。主要的工作原理是通过水位传感器将水位信号转变成电信号，在通过A/D转换淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第2页共25页部分位传感器的电信号进行转换处理。提供给单片机，利用单片机连接显示系统，电机系统和报警系统完成对水位的检测与控制。此项设计有利工业和生活用水的控制[2]。1．2项目研究意义单片机是计算机家族中既年轻却又十分重要的成员，虽然它的问世比第一代计算机整整晚了30年，在整体功能和价格水平等方面也远不如其它类型的计算机，但无论是尖端科技，如航空、航天、军事、通信、能源、交通IT，还是现代工业、农业、办公自动化和日用家电等诸多领域都离不开单片机，其使用率和普及率之高，远远的超过了其他类型的计算机。课堂上我们虽然也学习了关于单片机的理论知识，但只有在实际的制作中才能让我们真正掌握单片机技术。目前应用较广泛的单片机有51系列单片机、AVR单片机以及PIC单片机，单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。这种计算机是把智能赋予各种机械的单片机。顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。它体积小，在整个装置中，起着有如人类头脑的作用。单片机的诞生是计算机发展史上的一个新的里程碑，近年来，随着单片机档次的不断提高，功能的不断完善，其应用日趋成熟、应用领域日趋扩大，特别是工业测控、尖端武器和日用家电等领域更是因为有了单片机而升辉增色。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词——“智能型”[3]。在很长一段时间里，通用型单片机通过三总线结构扩展外围器件成为单片机应用的主流结构。随着低价位OTP（OneTimProgrammable）及各种类型片内程序存储器的发展，加之处围接口不断进入片内，推动了单片机“单片”应用结构的发展。特别是I2C、SPI等串行总线的引入，可以使单片机的引脚设计得更少，单片机系统结构更加简化及规范化，通过本次设计，使我们加深了串行总线的工作原理和使用方法[4]。通过该课题的研究，温习了数模电知识，了解了多种芯片的运用，加强了使用Protel软件绘制电气原理图和印制版图的能力，收集资料、消化资料和综合资料的能力,及综合利用专业及基础知识，解决实际工程技术问题的能力。淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第3页共25页本课题研究设计了一种基于单片机技术的自动控制系统。该自动控制系统通过采用STC89C52单片机为工作处理器核心，外接压力传感器，能够通过对水压的大x小测定来得到水位的高度，并将其转化为相应的电信号输出，通过对水位的精确测量来控制水位[19]。该自动控制系统的最大特点就是使用户能够操作简单、易懂、灵活；且安装方便、智能性高、误报率低，同时它的信号经过单片机系统处理后方便和PC机通信，便于多用户统一管理。随着现代人们安全意识的增强以及科学技术的快速发展，相信这种自动控制系统必将在更广阔的领域得到更深层次的应用[5]。1．3发展方向从消费者的角度来看，智能化自动化的仪器市场的需求已经逐渐明朗：就是以实用为核心，力求实用、易用、人性化，自动化。虽然科技飞速发展，信息技术日新月异，但是如何将这些技术引入智能划产品之中，如何打造出真正实用的智能划产品，这才是最值得关注的问题。如智能划产业界所体现的两大技术趋势正是发展方向：1、领先的自动控制技术；2、不依靠PC的独立形态。致力于智能划产品的应用接轨，很多问题并不在于技术水平的高低，而在于怎样去做到实用、易用、人性化，只有更加贴近实用、易用和人性化的智能划概念，才能真正提高人们的生活品质，才能真正体现智能划的价值，这也是现代科技价值的核心所在。可以肯定，智能划将在未来的电子产业占据非常重要的地位，本课题即是从中获得启发而确定，以实用、易用、人性化为设计标准。本课题所设计的简易水位自动检测及控制系统，非常符合现代人的日常生活所需，有着广大的发展前景。2设计的任务、要求和研究设想课题拟设计一款基于单片机而制作的智能型水位自动检测及控制系统。要求利用51单片机完成水位自动检测及控制系统设计，当水位自动检测及控制系统进入工作状态后，CPU不断检查触发开关的状态，当水位达到最低点时，警报器发出低水位警报一段时间，黄灯亮，电机自动开始抽水。当加水到最高水位时红灯亮，报警器报警，电机停止工作。当水位在正常水位内，电机和报警器都不工作。具体设计需要达到的要求和实现的功能如下：淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第4页共25页(1)可实现自动报警。(2)可实现自动加水和自动停止加水。(3)可通过水位变化，实现向外界报警。本设计包括硬件和软件设计两个部分。硬件部分包括采样处理部分、单片机控制部分、数码显示部分、电机驱动部分、电机控制部分等构成。处理器采用52系列单片机STC89C52。整个系统是在系统软件控制下工作的。基于调查本课题设计一款简单实用，经济的高塔水位检测报警控制系统。本设计过程中主要采用了传感技术、单片机技术、光报警技术以及弱电控制强电的技术。在高塔的内部我们设计一个简易的水位探测传感器用来探测水位，即低水位，正常水位，高水位。低水位时送给单片机一个高电平，驱动水泵加水，黄灯亮；到达正常范围的水位时，水泵继续加水，黄灯不亮；高水位时，水泵不加水，红灯亮。通过这样一个简单使用的电路系统从而实现对水位的自动监测与控制。3系统设计3.1方案设计方案一：如图3.1所示为方案一框图。本方案采用555电路进行控制，即当水位探测传感器探测到低水位时送一个低于1/3VCC的低电平给NE555芯片，555的输出即为高电平驱动水泵加水；当在正常的水位时候，送给NE555为1/3VCC~2/3VCC的电平，即保持前一个水泵不加水的状态；当水位居于高水位时，给NE555电路一个高电平，这时NE555输出电平翻转为低电平，不能驱动水泵，水泵停止加水。图3.1方案一框图555电路电源电路水塔水箱淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第5页共25页方案二：如图3.2所示为方案二框图。本方案采用单片机STC89C52作为我们的控制芯片，主要工作过程是当高塔中的水在低水位时，水位探测传感器送给单片机一个高电平，然后单片机驱动水泵加水和显示系统使红灯变亮；当水位在正常范围内时，水泵加水，绿灯亮；当水位在高水位时，单片机不能驱动水泵加水，黄灯亮。图3.2方案二框图第一种方案设计使用起来比较方便也简单，不用编程等软件方面的设计，但是没有稳压电路，使输入NE555芯片的电平十分不稳定，容易发生误判水位引起混乱的情况，且NE555电路只有一个输出端，不能接显示系统，所以不能完成显示功能。第二种方案中使用了单片机处理，单片机技术是信息时代用于精密测量的一种新技术。此系统使用过程中采用稳压电路能够准确地把输入的电平送给单片机不会产生误判的情况，由于STC89C52单片机有40端口32引脚能够非常方便地设计显示系统。综上，已经清楚地看到了两种方案的优劣，要能够很好地完成本次设计的各个指标和达到设计的目的，选择第二种方案作为本课题的设计方案。3.2各部件的选择3.2.1传感器选择方案传统的水位检测通过设检测点来完成对水位的检测。通常，由于受检测点物理体积的影响，水位检测点的数目有限，从而影响了后续电路控制的精度。本设计中，采用SY-9411L-D型变送器，它内部含有1个压力传感器和相应的放大电路。压力传感器是美国SM公司生产的555-2型OEM压阻式压力传感器，其有全温度补偿及标定(0～70℃)，传感器经过特殊加工处理，用坚固的耐高温塑料外壳封装。其引脚分布如图3.3所示。1、2脚为信号输出；3脚为激励电压；4脚为接地地。水位传感器A/D转换单片机电机控制键盘报警控制数码显示淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第6页共25页图3.3SY-9411L-D型变送器在水箱底部安装1根直径为5mm的软管，一端安装在水箱底部；另一端与传感器连接。水箱水位高度发生变化时，引起软管内气压变化，然后传感器把气压转换成电压信号，输送到A／D转换器。3.2.2A/D转换方案通过对传感器的选择，可知由传感器输出的水位高度信号是0～10V的直流电压。在设计中，可以通过采样、保持电路对这一信号进行处理，将模拟信号转换为多个采样点信号。但这种处理方法由于受电路规模和采样精度的影响，不可能对水位信号作出精确的处理，近而也无法对电机、水位高度显示和报警作出精确的控制。因此，本设计中采用集成芯片TLC549对0～10V的直流电压进行处理。可以达到：（1）电路简洁、明了。（2）高转换精度。（3）高控制精确。3.2.3单片机复位方案RST/VPD：复位/备用电源线，可以使单片机处于复位（即初始化）工作状态。通常，单片机的复位有自动上电复位和人工按钮复位两种，图3.4给出了它们的电路。考虑到，水塔与居民生活密切相关，当因特殊原因导致单片机掉电，需单片机立即自动复位（如：夜间短时间停电，导致本系统停止工作），故本设计采用上电复位方式。淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第7页共25页图3.4复位电路3.2.4单片机起振方案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。也可以采用外部时钟源驱动器件。考虑到设计、使用的方便，本设计中采用片内时钟驱动。即XTAL1和XTAL2只需外接晶振（配上相应的电容），便可以给单片机提供相应的时钟频率。3.2.5驱动显示方案本设计中需显示水塔水位的高度，具体的显示方案有两种选择：(1)利用74LS48驱动数码管：与单片机连接较为复杂，需占用单片机8个端口。且在与数码管连接时需附加上拉电阻，用以完成数码管的驱动。(2)利用LCD1602液晶显示：a.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