題 目：智能水位控制系統(tǒng)
姓 名：游 威
學(xué) 號(hào)：20020308
班 級(jí)：G2002-3(2)
專 業(yè)：電子信息工程
指導(dǎo)教師：蘇志紅老師
時(shí) 間：2005年4月
智能水位控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)
一、水位智能檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理
實(shí)驗(yàn)證明，純凈水幾乎是不導(dǎo)電的，但自然界存在的以及人們?nèi)粘Ｊ褂玫乃紩?huì)含有一定的Mg2+、Ca2+等離子，它們的存在使水導(dǎo)電。本控制裝置就是利用水的導(dǎo)電性完成的。
如圖1所示，虛線表示允許水位變化的上下限。在正常情況下，應(yīng)保持水位在虛線范圍之內(nèi)。為此，在水塔的不同高度安裝了3根金屬棒，以感知水位變化情況。
圖1 水位檢測(cè)原理圖
其中B棒處于下限水位，C棒處于上限水位，A棒接+5V電源，B棒、C棒各通過(guò)一個(gè)電阻與地相連。
水塔由電機(jī)帶動(dòng)水泵供水，單片機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)以達(dá)到對(duì)水位控制之目的。供水時(shí)，水位上升。當(dāng)達(dá)到上限時(shí)，由于水的導(dǎo)電作用，B、C棒連通+5V。因此，b、c兩端均為1狀態(tài)，這時(shí)應(yīng)停止電機(jī)和水泵工作，不再給水塔供水。
當(dāng)水位降到下限時(shí)，B、C棒都不能與A棒導(dǎo)電，因此，b、c兩端均為0狀態(tài)。這時(shí)應(yīng)啟動(dòng)電機(jī)，帶動(dòng)水泵工作，給水塔供水。
當(dāng)水位處于上下限之間時(shí)，B棒與A棒導(dǎo)通，b端為1狀態(tài)。C端為0狀態(tài)。這時(shí)，無(wú)論是電機(jī)已在帶動(dòng)水泵給水塔加水，水位在不斷上升；或者是電機(jī)沒有工作，用水使水位在不斷下降。都應(yīng)繼續(xù)維持原有的工作狀態(tài)。
二、基于單片機(jī)控制的水塔水位控制系統(tǒng)
1單片機(jī)控制電路
水塔水位控制的電路如圖2所示。
2前向通道設(shè)計(jì)
圖2 水塔水位控制電路
由于所采用的信號(hào)是頻率隨水位變化而變的脈沖信號(hào)（開關(guān)量），因此電路設(shè)計(jì)中省去了A/D轉(zhuǎn)換部分，這不僅降低了硬件電路的成本，而且由于采用數(shù)字脈沖信號(hào)通信，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力、穩(wěn)定性和精度。
輸入的可變脈沖信號(hào)送到8031的P10和P11腳電平，當(dāng)接收到信號(hào)時(shí)，輸入脈沖使其輸出高電平，而無(wú)信號(hào)輸入時(shí)，無(wú)觸發(fā)脈沖，此時(shí)翻轉(zhuǎn)為低電平。程序控制8031周期性地對(duì)P11和P10腳電平進(jìn)行采樣，達(dá)到控制的目的。
3.微機(jī)控制數(shù)據(jù)處理部分
在電路設(shè)計(jì)中，充分利用8031已有端口的作用，同時(shí)也考慮擴(kuò)展，做到盡可能節(jié)省元件，不僅可降低成本，而且提高可靠性。
(1)使用8031單片機(jī)。水塔水位控制的電路如圖3—1。接受電路得到的是頻率隨水位變化的調(diào)頻脈沖，它反映了貯水池水位的高度，對(duì)其進(jìn)行信號(hào)處理，便能實(shí)現(xiàn)對(duì)水位的控制及故障報(bào)警等功能。要完成此一工作，
最佳的選擇是采用微機(jī)控制，實(shí)驗(yàn)中是以MCS—51系列彈片機(jī)8031作CPU。對(duì)接受的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，完成相應(yīng)的水位控制、故障報(bào)警等功能。8031芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖見圖3所示。
由圖3可大致看到：它含運(yùn)算器、控制器、片內(nèi)存儲(chǔ)器、4個(gè)I/O接口、串行接口定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)、振蕩器等功能部件。圖中SP是堆棧指針寄存器，棧區(qū)占用了片內(nèi)RAM的部分單元；未見通用寄存器（工作寄存器），因單片機(jī)片內(nèi)有存儲(chǔ)器，與訪問工作寄存器一樣方便，所以就把一定數(shù)量的片內(nèi)RAM
字節(jié)劃作工作寄存器區(qū)；PSW
是程序狀態(tài)字寄存器，簡(jiǎn)稱程序狀態(tài)字，相當(dāng)于其他計(jì)算機(jī)的標(biāo)志寄存器；DPTR是數(shù)據(jù)指針寄存器，在訪問片外ROM、片外RAM、甚至擴(kuò)展I/O接口時(shí)特別有用；B寄存器又稱乘法寄存器，它與累加器A協(xié)同
工作，可進(jìn)行乘法操作和除法操作。實(shí)驗(yàn)中8031時(shí)鐘頻率為6MHz。由于8031沒有內(nèi)部ROM，因此需外擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器。本系統(tǒng)采用2732EPROM擴(kuò)展4K程序存儲(chǔ)器，對(duì)應(yīng)地址空間為0000H～0FFFH。
（2）74LS373作為地址鎖存器。74LS373片內(nèi)是8個(gè)輸出帶三態(tài)門的D鎖存器，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖4所示。當(dāng)使能端G呈高點(diǎn)平時(shí)鎖存器中的內(nèi)容可更新，而在返回低電平瞬間實(shí)現(xiàn)鎖存。如此時(shí)芯片的輸出控制端為低，也即輸出三態(tài)門打開，鎖存器中的地址信息便可經(jīng)由三態(tài)門輸出。除74LS373外，84LS273、8282、8212等芯片也可用作地址鎖存器，但使用時(shí)接法稍有不同，由于接線稍繁、多用硬件和價(jià)格稍貴，故不如74LS373用的普遍。
圖3 8031芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖
（3）兩個(gè)水位信號(hào)由P10和P11輸入，這兩個(gè)信號(hào)共有四種組合狀態(tài)。如表3—1所示。其中第三種組合（b=1、c=0）正常情況下是不能發(fā)生的，但在設(shè)計(jì)中還是應(yīng)該考慮到，并作為一種故障狀態(tài)。
表3-1 水位信號(hào)狀態(tài)表
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C(P11)
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B(P10)
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操作
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0
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0
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電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)
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0
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1
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維持原狀
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1
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0
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故障報(bào)警
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1
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1
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電機(jī)停轉(zhuǎn)
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（4）控制信號(hào)由P12端輸出，去控制電機(jī)。為了提高控制的可靠性，使用了光電耦合。
4.報(bào)警電路
本系統(tǒng)采用發(fā)光二極管，當(dāng)控制電路出現(xiàn)故障狀態(tài)時(shí)，P13置零，發(fā)光二極管導(dǎo)通，發(fā)光報(bào)警。
5.軟件設(shè)計(jì)
一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，要完成各項(xiàng)功能，首先必須有較完善的硬件作保證。同時(shí)還必須得到相應(yīng)設(shè)計(jì)合理的軟件的支持，尤其是微機(jī)應(yīng)用高速發(fā)展的今天，許多由硬件完成的工作，都可通過(guò)軟件編程而代替。甚至有些必須采用很復(fù)雜的硬件電路才能完成的工作，用軟件編程有時(shí)會(huì)變得很簡(jiǎn)單，如數(shù)字濾波，信號(hào)處理等。因此充分利用其內(nèi)部豐富的硬件資源和軟件資源，采用MCS—51匯編語(yǔ)言和結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法進(jìn)行軟件編程。這個(gè)系統(tǒng)程序由主控程序、延時(shí)子程序組成。其中主控程序是核心。由它控制著整個(gè)系統(tǒng)程序的運(yùn)行和跳轉(zhuǎn)。流程圖如圖5所示。包括系統(tǒng)初始化，數(shù)據(jù)處理，故障報(bào)警等。
電路具體工作情況如下：
① 當(dāng)水位低于B時(shí)，由于極棒A和C、A和B之間被空氣絕緣，P10和P11得到低電平，全置0，單片機(jī)控制電路使P12置零，繼電器吸合，啟動(dòng)水泵向水塔灌水；
② 當(dāng)水位高于B低于C時(shí)，P10置1，P11置0，繼電器常開觸電自保，因此升到B以上時(shí)，繼電器并不立即釋放，電極仍然供水；
③ 當(dāng)水位達(dá)到C時(shí)，P10 、P11均置1，單片機(jī)控制電路使P12置1，繼電器釋放，水泵停止工作；
④ 用水過(guò)程中，水位降到C以下，P11置0，P10置1，維持原狀，電機(jī)不工作，直到降到B以下，如此循環(huán)往復(fù)。
系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，由P13置零，輸出報(bào)警信號(hào)，驅(qū)動(dòng)一支發(fā)光二極管進(jìn)行光報(bào)警。
三、結(jié)束語(yǔ)
現(xiàn)代傳感技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、信息處理技術(shù)和新工藝、新材料的發(fā)展為智能檢測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展帶來(lái)了前所未有的奇跡。在工業(yè)、國(guó)防、科研等許多應(yīng)用領(lǐng)域，智能檢測(cè)系統(tǒng)正發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。檢測(cè)設(shè)備就像神經(jīng)和感官，源源不斷地向人類提供宏觀與微觀世界的種種信息，成為人們認(rèn)識(shí)自然、改造自然的有力工具。
現(xiàn)代的廣義智能檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)包括一切以計(jì)算機(jī)（單片機(jī)、PC機(jī)、工控機(jī)、系統(tǒng)機(jī)）為信息處
理核心的檢測(cè)設(shè)備。因此，智能檢測(cè)系統(tǒng)包括了信息獲取、信息傳送、信息處理和信息輸出等多個(gè)硬、軟件環(huán)節(jié)。從某種程度上來(lái)說(shuō)，智能檢測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展水平表現(xiàn)了一個(gè)國(guó)家的科技和設(shè)計(jì)水平。
本課題研究的內(nèi)容是“智能水位控制系統(tǒng)”。水位控制在日常生活及工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用相當(dāng)廣泛，比如水塔、地下水、水電站等情況下的水位控制。而以往水位的檢測(cè)是由人工完成的，值班人員全天候地對(duì)水位的變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，用有線電話及時(shí)把水位變化情況報(bào)知主控室。然后主控室再開動(dòng)電機(jī)進(jìn)行給排水。很顯然上述重復(fù)性的工作無(wú)論從人員、時(shí)間和資金上都將造成很大的浪費(fèi)。同時(shí)也容易出差錯(cuò)。因此急需一種能自動(dòng)檢測(cè)水位，并根據(jù)水位變化的情況自動(dòng)調(diào)節(jié)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，我所研究的就是這方面的課題。
水位檢測(cè)可以有多種實(shí)現(xiàn)方法，如機(jī)械控制、邏輯電路控制、機(jī)電控制等。本實(shí)驗(yàn)采用兩種方法（單片機(jī)和時(shí)基集成電路）進(jìn)行主控制，在水池上安裝一個(gè)自動(dòng)測(cè)水位裝置。利用水的導(dǎo)電性連續(xù)地全天候地測(cè)量水位的變化，把測(cè)量到的水位變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，主控臺(tái)應(yīng)用單片微機(jī)或時(shí)基集成電路對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，完成相應(yīng)的水位顯示、控制及故障報(bào)警等功能。
參考文獻(xiàn)
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2.騰召勝 羅隆福 智能檢測(cè)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)融合 機(jī)械工業(yè)出版社 2000
3.孫虎章 自動(dòng)控制原理 中央廣播電視大學(xué)出版社 1999