水庫(kù)液位自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)

水庫(kù)液位自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)摘要：水位是衡量水庫(kù)平安、水利調(diào)度、蓄水、泄洪的其中一個(gè)重要參數(shù)。水位的自動(dòng)化控制為水庫(kù)現(xiàn)代化建設(shè)提供了有利的根底條件，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的許多領(lǐng)域都需要對(duì)水位進(jìn)行監(jiān)控。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的開展，水文監(jiān)測(cè)內(nèi)容不斷增加，于是便對(duì)觀測(cè)方法以及水文監(jiān)測(cè)技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用提出了更高的要求。本文針對(duì)水庫(kù)水位測(cè)控系統(tǒng)在社會(huì)建設(shè)和人民生活中的重要作用，利用STC89C51單片機(jī)作為主控芯片模擬設(shè)計(jì)并制作了一套水庫(kù)液位自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含對(duì)水庫(kù)水位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)警報(bào)并指示工作狀態(tài)、并通過(guò)液晶屏同步顯示狀態(tài)、全智能自動(dòng)控制水庫(kù)水位等功能，滿足水庫(kù)根本需求。本文提出了一個(gè)較為簡(jiǎn)便的水庫(kù)液位自動(dòng)測(cè)控方案，該設(shè)計(jì)方案本錢較低，控制相對(duì)簡(jiǎn)單，實(shí)用性更好，利用STC89C51單片機(jī)的局部?jī)?nèi)部資源和其控制特性，著重介紹了單片機(jī)的外圍電路設(shè)計(jì)和軟件的聯(lián)合應(yīng)用。關(guān)鍵詞：水庫(kù)液位；自動(dòng)測(cè)控；水位傳感器；電磁閥；單片機(jī)中圖分類號(hào)：TP273TheReservoirVolumeAutomaticMeasurementandControlSystemAbstract：Reservoircapacityisoneofthemostimportantparametersinreservoirsafetyandwaterconservancyscheduling.Automaticcontrolofthewatervolumeprovidesfavorablebasicconditiontomodernizationconstruction,inmanyareasofagriculturalandindustrialproduction,itisessentialtomonitorthewaterlevel.Withthedevelopingofournation'seconomy,hydrologymonitoringcontentgainsmoreandmore,asaresult,raisinghigherrequirementstothedevelopmentandapplicationoftheobservationmethods.ThesystemusesSTC89C51seriesmicro-controllerasthemaincontrolchip,designedandproducedasetofreservoirlevelautomaticmeasurementandcontrolsystem.Thissystemcontainsreal-timemonitoringofthereservoirwaterlevel,automaticallyinstructingworkingstatusandthealarm,displayingtheconditionofthereservoircapacitythroughLCDscreen.Thearticleputsforwardasimpleandconvenientscheme,thisschemeneedslowercost,itiseasiertocontrolandmorepractical.ThearticlemainlyintroducesthecombinedapplicationbetweentheSCMperipheralcircuitandsoftwaredesign.Keywords:ReservoirVolume；AutomaticMeasurementandControl；ElectromagneticValves；WaterVolumeSensor；Single-chipMicrocomputerClassification:TP273目錄3286摘要I10646目錄III192281.緒論112581.1.研究背景 1110911.2.研究目的與意義 1286221.3.單片機(jī)的研究背景286171.4.系統(tǒng)研究現(xiàn)狀3232681.5.課題研究?jī)?nèi)容473542.水位自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)原理5165982.1.水位傳感器 5166702.1.1.工作原理 5159022.2.控制原理 6170292.3.系統(tǒng)功能及特點(diǎn)792913.系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)8200843.1.方案確定8195123.2.單片機(jī)選擇8240953.3.系統(tǒng)整體框架9181793.4.硬件電路各模塊分析9122854.軟件設(shè)計(jì)16194084.1.主程序流程圖16284184.2.中斷效勞子程序17288305.結(jié)論1831909參考文獻(xiàn)1928336作者簡(jiǎn)介2015388學(xué)位論文數(shù)據(jù)集21緒論研究背景水庫(kù)液位的監(jiān)測(cè)歷來(lái)一直是水利部門的重要工作，實(shí)用可靠的水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將會(huì)發(fā)揮巨大的作用，無(wú)論是飲用水、工農(nóng)業(yè)用水甚至是對(duì)自然災(zāi)害的預(yù)測(cè)，水位的測(cè)控都有其重要意義[1]。水位監(jiān)控在日常生活及其他工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用也相當(dāng)廣泛，以往水位的檢測(cè)是通過(guò)人工作業(yè)方式完成的，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)也容易出過(guò)失。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)；實(shí)現(xiàn)水庫(kù)液位自動(dòng)化測(cè)控，已然成為時(shí)代開展的必然趨勢(shì)[2]。隨著科學(xué)技術(shù)的開展，自動(dòng)化控制在日常生活中的重要性逐漸加大，近年來(lái)，自動(dòng)化技術(shù)開展迅速，它在大型工程中更是得到了普遍的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外對(duì)自動(dòng)化控制的研究還在不斷的深入。自動(dòng)化控制在我國(guó)的開展以從工業(yè)中機(jī)械自動(dòng)化擴(kuò)展到現(xiàn)代日常生活中，并且自動(dòng)化控制對(duì)現(xiàn)代生活的影響越來(lái)越明顯，同時(shí)自動(dòng)化控制在農(nóng)村地區(qū)也開展空間也越來(lái)越大。我國(guó)大多數(shù)學(xué)者對(duì)自動(dòng)化控制的研究主要集中在工業(yè)方面，對(duì)自動(dòng)化控制在日常生活中運(yùn)用方面沒有具體的論述和展開過(guò)。對(duì)于水庫(kù)等大型工程，水位的實(shí)時(shí)監(jiān)控關(guān)系到社會(huì)民生，對(duì)水庫(kù)液位的合理控制在社會(huì)可持續(xù)開展中顯得舉足輕重[3]。隨著社會(huì)的開展，利用科學(xué)技術(shù)合理設(shè)計(jì)實(shí)用的水庫(kù)液位控制系統(tǒng)，掌握液位的實(shí)時(shí)變化狀況，有助于人們進(jìn)一步對(duì)自然環(huán)境、天氣變化甚至是災(zāi)害預(yù)警提供可靠的支持。經(jīng)過(guò)查閱近幾年來(lái)一些有關(guān)液位自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)的文獻(xiàn)期刊及相關(guān)書籍，本文根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外對(duì)水庫(kù)液位自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)的研究成果，借鑒其具體應(yīng)用案例，析他們的水位控制方法，自己設(shè)計(jì)一套液位自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)，深入體會(huì)設(shè)計(jì)過(guò)程及意義，并展望未來(lái)水位控制系統(tǒng)的開展?fàn)顩r。研究目的與意義隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的開展，為了到達(dá)水資源的合理利用，對(duì)水利部門的要求不斷更新，監(jiān)測(cè)內(nèi)容也不斷增加，對(duì)監(jiān)測(cè)方法和監(jiān)測(cè)技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用也提出了越來(lái)越高的要求；而隨著水利自動(dòng)化技術(shù)不斷開展，水利系統(tǒng)的自動(dòng)化水平也在逐步提高，水庫(kù)及水利設(shè)施的自動(dòng)測(cè)控已是時(shí)代開展必然趨勢(shì)[4]。本次設(shè)計(jì)所涉及的水庫(kù)水位監(jiān)測(cè)用來(lái)監(jiān)測(cè)水庫(kù)水位，并做到實(shí)時(shí)自動(dòng)控制目的。本課題根據(jù)水庫(kù)的水位測(cè)量需要,模擬設(shè)計(jì)單片機(jī)水庫(kù)水位自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)，該監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將會(huì)大大節(jié)省了人力物力，能夠低功耗的實(shí)現(xiàn)連續(xù)不間斷監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)控制水庫(kù)水位，更好的適應(yīng)現(xiàn)代水位測(cè)量的需求。單片機(jī)的研究背景單片機(jī)是世界上數(shù)量最多的計(jì)算機(jī)，單片機(jī)在現(xiàn)代人類生活中所用的幾乎每件電子和機(jī)械產(chǎn)品中都無(wú)處不在。單片機(jī)的數(shù)量不僅遠(yuǎn)超過(guò)PC機(jī)和其他計(jì)算的總和，甚至比人類的數(shù)量還要多。我們現(xiàn)在用的許多家電里面都可以看到它的身影，它主要是作為控制局部的核心部件?；趩纹瑱C(jī)的諸多優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用領(lǐng)域也非常的廣泛。單片機(jī)應(yīng)用的主要領(lǐng)域如下表所示[5]：表1.3單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用對(duì)象特點(diǎn)智能化家電各類家電：如冰箱、空調(diào)、洗衣機(jī)、電視機(jī)、微波爐、高級(jí)電子玩具、其他視聽設(shè)備等體積小，價(jià)格廉價(jià)，操作簡(jiǎn)便而且可以實(shí)現(xiàn)智能化控制。辦公自動(dòng)化打印復(fù)印機(jī)、機(jī)、繪圖機(jī)、考勤系統(tǒng)、一般作為單機(jī)控制器使用，體積稍大，移動(dòng)不便。商業(yè)營(yíng)銷電子稱、條形碼閱讀器、出租車計(jì)價(jià)器，商場(chǎng)保安系統(tǒng)、空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)等功耗小，使用方便，易于操作與控制。工業(yè)自動(dòng)化機(jī)床控制、機(jī)電一體化、各種過(guò)程控制、各種檢測(cè)系統(tǒng)等。體積比擬大，既可以作單機(jī)控制器，又可作為多級(jí)控制的前沿處理機(jī)用于控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信以太網(wǎng)、無(wú)線遙控器，及其他通信系統(tǒng)等便攜式、抗干擾能力強(qiáng)、使用范圍廣，智能化控制。航天及國(guó)防高端領(lǐng)域航天事業(yè)、飛機(jī)火箭上的應(yīng)用，軍事尖端武器應(yīng)用場(chǎng)合高端，到達(dá)精確控制效果，應(yīng)用非常復(fù)雜系統(tǒng)研究現(xiàn)狀目前國(guó)內(nèi)外水庫(kù)自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)功能已經(jīng)相比照擬全面，采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了水庫(kù)全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)需求。該系統(tǒng)功能豐富多樣，支持遠(yuǎn)程控制方式，是一個(gè)比擬先進(jìn)的控制系統(tǒng)[7]。目前我國(guó)在單片機(jī)測(cè)控裝置研究、生產(chǎn)、應(yīng)用中,取得了較好的成績(jī),總結(jié)了很多經(jīng)驗(yàn),但是各行業(yè)仍處于開展期,經(jīng)調(diào)查,更多科研究所在這方面開展的工作更看重的是理論和算法,數(shù)年來(lái)這方面的研究的論文較多,著重生產(chǎn)實(shí)際的很少。在上海,新型的單片機(jī)測(cè)控裝置與系統(tǒng)研究的生產(chǎn)根底較雄厚,在生產(chǎn)過(guò)程中需要新型的測(cè)控裝置與系統(tǒng),因此在不斷的努力研究與開發(fā)。在單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究和應(yīng)用上,國(guó)外一些具備先進(jìn)技術(shù)的國(guó)家掌握單片機(jī)的核心技術(shù)，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)上有非常豐富的經(jīng)驗(yàn),奠定了根底,所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)已經(jīng)國(guó)際化應(yīng)用。我國(guó)在新型單片機(jī)測(cè)控裝置與系統(tǒng)研究工程和經(jīng)驗(yàn)上,與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)相比還存在很大差距,但是隨著我國(guó)技術(shù)的開展，研究人員不斷地積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，逐步提升自己，掌握核心技術(shù),可以在相關(guān)領(lǐng)域趕上甚至超過(guò)興旺國(guó)家的技術(shù)水平[8]。使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)水體液位控制具有較高的實(shí)用價(jià)值和穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，可有效保證水位的自動(dòng)控制，能更好地對(duì)水體水位進(jìn)行自動(dòng)化控制,防止了工作人員在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)操控,方便了人員對(duì)液位系統(tǒng)的控制,控制方便且系統(tǒng)穩(wěn)定性能好；單片機(jī)不僅有體積小，安裝方便，功能較齊全等優(yōu)點(diǎn)，而且有很高的性價(jià)比，應(yīng)用前景廣，同時(shí)有助于發(fā)現(xiàn)可能存在的故障，通過(guò)微機(jī)實(shí)現(xiàn)給水系統(tǒng)的自動(dòng)控制與調(diào)節(jié)，維持穩(wěn)定系統(tǒng)，保證平安經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[9]。本文就是采用8051單片機(jī)為主控芯片的一種水體水位控制系統(tǒng)，具有較高的實(shí)用價(jià)值和優(yōu)越性。本系統(tǒng)與PLC控制系統(tǒng)或其它高端ARM處理器控制系統(tǒng)相比大大降低了使用本錢,提高了控制運(yùn)行速度。根據(jù)仿真模擬運(yùn)行的結(jié)果說(shuō)明,該系統(tǒng)能很好的運(yùn)行,將液位控制在給定的范圍內(nèi),對(duì)過(guò)高和過(guò)低進(jìn)行平安報(bào)警,穩(wěn)定性能好,容易操作和控制,保證了生產(chǎn)的正常進(jìn)行。課題研究?jī)?nèi)容本課題的名稱是“水庫(kù)液位自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)”，主要利用51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)制作一套簡(jiǎn)易自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。51單片機(jī)具有容易初學(xué)者上手、操作簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，片內(nèi)資源豐富，足以用來(lái)完成水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)。利用STC89C51系列單片機(jī)作為主控芯片，輔以局部外圍電路，通過(guò)程序聯(lián)合硬件電路實(shí)現(xiàn)水庫(kù)液位的自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)體積小，節(jié)省空間，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)控，免除了繁重的人力工作，提高了系統(tǒng)效率，從而切實(shí)地為水利監(jiān)測(cè)行業(yè)提供了一個(gè)解決方案。

水位自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)原理水位傳感器水位傳感器是一種測(cè)量液位的壓力傳感器．水位傳感器是基于所測(cè)液體靜壓與該液體的高度成比例的原理，采用隔離型擴(kuò)散硅敏感元件或陶瓷電容壓力敏感傳感器，將靜壓轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償和線性修正，轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)。2.1.1.工作原理容器〔也可以是水庫(kù)、水塔等儲(chǔ)水設(shè)施〕內(nèi)的水位傳感器，將感受到的水位信號(hào)傳送到控制器，控制器內(nèi)的計(jì)算機(jī)將實(shí)測(cè)的水位信號(hào)與設(shè)定信號(hào)進(jìn)行比擬，得出偏差，然后根據(jù)偏差的性質(zhì)，向給水電動(dòng)閥發(fā)出"關(guān)"的指令，保證容器到達(dá)設(shè)定水位；同理，當(dāng)容器內(nèi)的水位較高，需要放水時(shí)，將感受到的水位信號(hào)傳送到控制器，控制器通過(guò)比擬后，向排水電動(dòng)閥發(fā)出"開"指令，確保容器內(nèi)水量在最高警戒水位線以下。2.1.2.水位傳感器的應(yīng)用 水位傳感器廣泛應(yīng)用于水廠、污水處理廠、城市供水、高樓水池、水井、水罐、油池、水文地質(zhì)、水庫(kù)、江河湖海等場(chǎng)所。對(duì)于不同類型的傳感器，應(yīng)用場(chǎng)合也不盡相同。水位傳感器屬于液位傳感器的其中一個(gè)類別，在社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域都有非常多的應(yīng)用。以下是一些常見的水位傳感器。幾種常見的水位傳感器：〔a〕液位報(bào)警器〔b〕貯水箱用水位傳感器〔c〕小型浮球水位開關(guān)〔d〕投入式液位變送器以上水位傳感器都是液位傳感器中的其中一個(gè)類別，主要運(yùn)用場(chǎng)合時(shí)以水為介質(zhì)的液體，用法根本上是將傳感器直接投入到液體中進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)傳感器內(nèi)部電路來(lái)感測(cè)液面的變化，從而來(lái)進(jìn)行對(duì)應(yīng)控制。此外，還有很多種液位傳感器涉及的工作介質(zhì)可能是油、酒精等其他有機(jī)溶劑，應(yīng)用情況各不相同。控制原理水位控制是指通過(guò)機(jī)械式或電子式的方法來(lái)進(jìn)行上下水位的控制，可以控制電磁閥、水泵等，成為水位自動(dòng)控制器或水位報(bào)警器，從而來(lái)實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化或者全自動(dòng)化。水位開關(guān)搭配水位控制器來(lái)控制，電子式水位開關(guān)原理是通過(guò)電子探頭對(duì)水位進(jìn)行檢測(cè)，再由水位檢測(cè)專用芯片對(duì)檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行處理,當(dāng)被測(cè)液體到達(dá)動(dòng)作點(diǎn)時(shí)，芯片輸出高或低電平信號(hào)，再配合水位控制器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液位的控制。不需浮球和干簧管,外部無(wú)機(jī)械動(dòng)作,耐污耐用,不怕漂浮物影響，任意角度安裝,豎向安裝有一定的防波浪功能，適宜長(zhǎng)時(shí)間浸在水中,工作電壓是直流5-24V，很平安。舉例：把一個(gè)水位開關(guān)放在高水位A位置，另一個(gè)水位開關(guān)放在低水位B位置。當(dāng)水到達(dá)B位置時(shí)，繼電器閉合，此時(shí)可控制水泵或電磁閥的啟動(dòng)，開始進(jìn)水;當(dāng)水上升到達(dá)高水位A位置時(shí)，繼電器斷開，水泵或電磁閥斷電。然后水又到低水位B位置，不斷往復(fù)循環(huán)水位控制器與其他類型的的水位開關(guān)或液位傳感器組合使用的原理與上述方法根本相同，在水庫(kù)等大型應(yīng)用場(chǎng)合，主控局部根本相同，只需改變外圍電路即可。目前在水庫(kù)水位控制系統(tǒng)領(lǐng)域，多采用遠(yuǎn)程自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)[10]，采用的控制框圖如圖2.2所示：圖2.2水庫(kù)總體控制框圖工作流程：從機(jī)傳感器監(jiān)測(cè)液位信號(hào)變化，經(jīng)過(guò)ICL7135，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，從機(jī)控制器獲得信號(hào)后控制從機(jī)電磁閥對(duì)應(yīng)調(diào)整，同時(shí)在顯示器上顯示當(dāng)前水位狀態(tài)。主機(jī)局部主要通過(guò)RS485通信來(lái)控制從機(jī)，從機(jī)也通過(guò)485通信將水位信息傳遞給主機(jī)，這樣主機(jī)這邊也可以實(shí)時(shí)反響水庫(kù)液位狀況，能通過(guò)鍵盤遠(yuǎn)程操控從機(jī)執(zhí)行動(dòng)作。當(dāng)然主機(jī)自己也可以通過(guò)主機(jī)傳感器探知液位變化，調(diào)整主機(jī)電磁閥工作狀態(tài)，即實(shí)現(xiàn)了主機(jī)與從機(jī)之間信息的互通。系統(tǒng)功能及特點(diǎn)本設(shè)計(jì)的液位自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)的功能：由分立器件組成一個(gè)整個(gè)控制系統(tǒng)?？刂品椒ê?jiǎn)單，只用一塊控制芯片。具備指示功能及報(bào)警功能。利用液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示水庫(kù)液位狀態(tài)。本設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)：低本錢，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便。連續(xù)不間斷監(jiān)測(cè)。完全自動(dòng)控制。系統(tǒng)的整體功耗低。系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)方案確定要實(shí)現(xiàn)水庫(kù)液位自動(dòng)測(cè)控，就是要隨時(shí)都需了解水庫(kù)水位情況，從而進(jìn)行相應(yīng)控制。因此，必須先測(cè)知當(dāng)前水庫(kù)液位狀況，然后再通過(guò)主控芯片進(jìn)行操作。初步設(shè)計(jì)三套方案：方案一：利用模擬電路實(shí)現(xiàn)?？紤]到水庫(kù)液位測(cè)控系統(tǒng)涉及的大多都是數(shù)字量或開關(guān)量，主要就是上下電平的轉(zhuǎn)換，模擬電路在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中顯得無(wú)用武之地，即使實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，卻也大大提高了系統(tǒng)的復(fù)雜性，且更容易出錯(cuò)，因此，不采用這個(gè)方案。方案二：利用數(shù)字芯片電路完成。信號(hào)檢測(cè)局部可采用水位〔液位〕傳感器，采集的液位信號(hào)經(jīng)過(guò)一定的處理后，通過(guò)由二極管三極管組成的信號(hào)處理電路〔或由555定時(shí)器、運(yùn)放組成的控制電路〕探測(cè)當(dāng)前水庫(kù)水位情況，得到水位信息后，再經(jīng)過(guò)數(shù)字芯片邏輯門電路進(jìn)行相應(yīng)的觸發(fā)操作，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)應(yīng)控制。此方案的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)具有一定的結(jié)構(gòu)性，各局部模塊功能相對(duì)獨(dú)立，不需要軟件編程，但缺點(diǎn)是硬件設(shè)計(jì)較為繁瑣，電路比擬復(fù)雜，不容易調(diào)試，易出現(xiàn)問(wèn)題，因此也不用這個(gè)方案。方案三：利用單片機(jī)進(jìn)行控制。現(xiàn)代社會(huì)微處理器運(yùn)用越來(lái)越廣泛，單片機(jī)早已進(jìn)入平常的工作生活之中。信號(hào)檢測(cè)局部還是通過(guò)液位傳感器，信號(hào)經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓處理后得到穩(wěn)定的被測(cè)信號(hào)，送至單片機(jī)進(jìn)行處理，單片機(jī)進(jìn)行判斷后驅(qū)動(dòng)另外的液位控制局部進(jìn)行液位控制操作。本方案只需通過(guò)單片機(jī)編寫少量軟件代碼，配合簡(jiǎn)易的硬件設(shè)施，即可模擬水庫(kù)液位自動(dòng)控制。電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，思路清晰，操作簡(jiǎn)便直觀，且易于增加其它附加功能，豐富系統(tǒng)內(nèi)容。實(shí)際系統(tǒng)制作也相比照擬簡(jiǎn)單，容易調(diào)試。綜合考慮，方案三既節(jié)省了本錢，又降低了系統(tǒng)電路的復(fù)雜程度，節(jié)省了電路所占的空間，且在使用與操作上也更加方便，符合現(xiàn)代社會(huì)開展趨勢(shì)，因此，本次設(shè)計(jì)采用方案三。3.2.單片機(jī)選擇單片機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)中起核心作用，是整個(gè)系統(tǒng)的控制中心。根據(jù)不同的使用場(chǎng)合，單片機(jī)有不同的選擇方法。本課題中，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)液位自動(dòng)測(cè)控，有了外圍其他電路的輔助，單片機(jī)只需簡(jiǎn)單控制即可，而無(wú)需使用其它片上資源，因此，一塊中低端8位單片機(jī)即可完成整個(gè)系統(tǒng)的控制，其它功能強(qiáng)大的中高端單片機(jī)或處理器〔如msp430、DSP、FPGA、ARM處理器〕組成的控制系統(tǒng)那么顯得資源浪費(fèi)。本設(shè)計(jì)就采用51單片機(jī)來(lái)完成。51單片具有使用簡(jiǎn)單、價(jià)格廉價(jià)、片內(nèi)資源比擬豐富等優(yōu)點(diǎn)，適合做中小型簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，也適合初學(xué)者上手[11]。單片機(jī)的應(yīng)用打破了人們傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思想，原來(lái)很多用模擬電路、脈沖數(shù)字電路和邏輯部件來(lái)實(shí)現(xiàn)的功能，現(xiàn)在均可以使用單片機(jī)，使用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。3.3.系統(tǒng)整體框架圖3.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框圖如上所示：核心局部為單片機(jī)系統(tǒng)。由傳感器探測(cè)水位變化，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路之后，單片機(jī)根據(jù)其變化來(lái)控制加減水裝置〔此處為電磁閥，控制閥門的開與關(guān)動(dòng)作〕，輔以指示燈、警報(bào)電路、LCD顯示，提供良好的人機(jī)交互界面。3.4.硬件電路各模塊分析3.4.1.水位傳感器局部傳感器的選擇在整個(gè)系統(tǒng)中的是最根本的局部，選擇好的傳感器類型。傳感器是能感受規(guī)定的被測(cè)量，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，它通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，它的性能直接影響到整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)檢測(cè)精確度起著重要的作用[12]。在本系統(tǒng)中，水位傳感器選擇的優(yōu)劣直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的成敗，由此可見傳感器的重要性。在本設(shè)計(jì)中，需要模擬水庫(kù)液位控制系統(tǒng)，由于系統(tǒng)相比照擬簡(jiǎn)單，所以沒有使用專門的水位傳感器來(lái)進(jìn)行水位監(jiān)測(cè)，而是通過(guò)簡(jiǎn)便方法，利用水的導(dǎo)電性，把導(dǎo)線直接作為傳感器探頭使用。在系統(tǒng)中，涉及的都是5V以下的低壓，不會(huì)有危險(xiǎn)。具體傳感器電路如下列圖所示：圖3.4.1傳感器信號(hào)處理電路其中P1相當(dāng)于水位傳感器，本處由3根導(dǎo)線組成。其中一根為電源線，通5V電源，其他兩根分別為上下限水位線。利用水的導(dǎo)電性，當(dāng)導(dǎo)線觸及水位時(shí)，接收到高電平，反之為低電平。圖中R7、R8為輸入電阻，這兩電阻不能省略，且阻值必須足夠大，不然系統(tǒng)無(wú)法正常工作。信號(hào)處理局部主要是2組共4個(gè)三極管，此處型號(hào)為S8050。系統(tǒng)工作時(shí)，理論上存在三種狀態(tài)：分別是低水位、正常水位、高水位狀態(tài)。當(dāng)有水位線連通電源時(shí)，Q2或Q4三極管的基極b就為高電平，三極管處于放大狀態(tài)，c、e兩端壓降比擬小，因?yàn)閑極接地，所以c極輸出低電平；當(dāng)水位線未連通電源時(shí)，即Q2或Q4三極管的基極為高電平，三極管工作在截止?fàn)顟B(tài)，集電極輸出高電平。理論上通過(guò)這兩個(gè)三極管已經(jīng)可以檢測(cè)水位狀態(tài)，但是在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中效果不是很理想，因此，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可行性，后續(xù)設(shè)計(jì)了兩個(gè)三極管組成的開關(guān)電路，把前級(jí)探測(cè)信號(hào)取反，即：當(dāng)傳感器接觸到水時(shí)，經(jīng)過(guò)Q2〔Q4〕輸出低電平，而經(jīng)過(guò)Q3(Q5)之后，最后輸出高電平。當(dāng)觸感器未接觸水時(shí)，Q2(Q4)最終輸出低電平，實(shí)際測(cè)試結(jié)果也說(shuō)明，這樣的設(shè)計(jì)效果更明顯，也更穩(wěn)定。系統(tǒng)可以根據(jù)兩個(gè)傳感器不同的觸水狀況，得到三種不同狀態(tài)。實(shí)際上存在第四種狀態(tài)，說(shuō)明系統(tǒng)出錯(cuò)。有了不同的狀態(tài)，可以給后續(xù)電路提供穩(wěn)定的水位探測(cè)信息了。3.4.2.單片機(jī)最小系統(tǒng)圖3.4.2單片機(jī)最小系統(tǒng)89C51系列單片機(jī)有40個(gè)引腳，如下圖，包括P0、P1、P2、P3四個(gè)常用I/O接口，其中P1只作為一般輸入輸出口，P3口都具備第二功能，而P0口由于內(nèi)部不含上拉電阻，外部使用時(shí)一般需要外接上拉電阻。89C51單片機(jī)最重要的內(nèi)部資源包括2個(gè)外部中斷、2個(gè)定時(shí)器中斷、1個(gè)串行口中斷以及4KB片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，只要能掌握單片機(jī)定時(shí)器、串口及中斷的靈活使用，根本上就能掌握該芯片，本文主要利用單片機(jī)的定時(shí)器功能。最小系統(tǒng)包括3個(gè)不可缺少的局部：電源、晶振電路、復(fù)位電路。51單片機(jī)是RST(9腳)持續(xù)2個(gè)機(jī)器周期以上高電平就觸發(fā)復(fù)位，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位和按鍵復(fù)位兩種復(fù)位方式。芯片的31腳接電源表示使用的是芯片內(nèi)部程序。P0口內(nèi)部沒有接上拉電阻，因此外接一個(gè)排阻〔上拉電阻〕增加其負(fù)載能力。晶振電路中一般使用的外接晶振頻率為12MHz、6MHz或11.0592MHz,兩個(gè)30pF電容的主要作用是在電路工作時(shí)幫助晶振起振，為單片機(jī)正常工作提供穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)。3.4.3.警報(bào)與顯示電路這局部電路包括指示燈指示不同的水位狀態(tài)，警戒線水位報(bào)警，液晶屏直觀顯示水位狀態(tài)3局部。電路圖如下圖：圖3.4.3警報(bào)與顯示電路上圖左側(cè)為指示燈電路，三個(gè)LED分別指示不同的水位狀態(tài),LED的正極接5V電源，負(fù)極通過(guò)一個(gè)限流電阻連接到單片機(jī)，通過(guò)單片機(jī)程序來(lái)控制哪個(gè)LED的亮與滅。綠燈為正常水位指示燈，水位正常時(shí)常亮；紅燈為高水位指示燈，當(dāng)水庫(kù)水位較高時(shí)，紅燈一直閃爍警示；黃燈為低水位指示燈，當(dāng)水庫(kù)蓄水量缺乏時(shí)，黃燈保持閃爍，提示注意蓄水。右側(cè)為蜂鳴報(bào)警器，當(dāng)蓄水量很高，超過(guò)警戒水位時(shí)，除了指示燈閃所以外，蜂鳴器也同時(shí)發(fā)出警報(bào)，提示工作人員注意水位狀態(tài)。下列圖為液晶顯示屏的連接方法與實(shí)物圖。3腳的電位器主要用于調(diào)節(jié)顯示內(nèi)容的亮度，也可以直接接地。15、16腳的電源用于調(diào)節(jié)整個(gè)屏幕的背光度。LCD與數(shù)碼管、LED點(diǎn)陣顯示屏相比擁有顯示內(nèi)容更豐富、功耗更低、控制簡(jiǎn)單、方便使用等優(yōu)點(diǎn)?？紤]到顯示內(nèi)容簡(jiǎn)單包含英文及其他字符，使用1602液晶屏更為合理。3.4.4.電磁閥及排放水設(shè)備考慮到模擬水庫(kù)檢測(cè)系統(tǒng)，本處主要為排水系統(tǒng)，進(jìn)水系統(tǒng)暫不設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，設(shè)計(jì)中采用簡(jiǎn)易電磁閥門輔助完成。市場(chǎng)有很多專用電磁閥門，針對(duì)性比擬強(qiáng)，價(jià)格也比擬高，本課題涉及的比擬簡(jiǎn)單，市面上的低壓12V直流可控電磁閥也有很多，價(jià)格也比擬廉價(jià)，正好應(yīng)用到排水系統(tǒng)中。由于芯片供電電壓為5V，而電磁閥門那么需要12V的電壓，因此需要借助繼電器來(lái)完成，驅(qū)動(dòng)繼電器，僅僅靠單片機(jī)的I/O口的驅(qū)動(dòng)電流也是不夠的，因此需要三極管來(lái)放大電流，驅(qū)動(dòng)繼電器。圖中的D3二極管主要起保護(hù)作用，防止繼電器在三極管截止瞬間產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流通過(guò)三極管燒毀單片機(jī)或其他電路。具體電路如下圖，其中P3即為電磁閥的圖3.4.4繼電器控制電路電磁閥是工業(yè)上常用的電磁控制設(shè)備，在控制系統(tǒng)中用來(lái)改變介質(zhì)的方向、流量、速度等參數(shù)。電磁閥一般和不同的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)操作介質(zhì)的操控，它有很大的靈活性和控制精度，因此運(yùn)用于許多電子控制系統(tǒng)中。電磁閥有很多種，最常用的是單向閥、平安閥、方向控制閥、速度調(diào)節(jié)閥等，不同的應(yīng)用場(chǎng)合應(yīng)該匹配不同種類的電磁閥，發(fā)揮其最大成效。電磁閥的選擇很關(guān)鍵，一般首先遵循平安性，可靠性，適用性，經(jīng)濟(jì)性四大原那么，其次是視其應(yīng)用環(huán)境，包括具體管道參數(shù)、流體壓力、電氣參數(shù)、動(dòng)作方式。選擇電磁閥是還有幾個(gè)特別關(guān)注點(diǎn)，包括平安性、適用性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性[13]。電磁閥的主要特點(diǎn)出現(xiàn)漏水概率微小，使用平安；系統(tǒng)簡(jiǎn)單，連接方便；體積小，功耗低；調(diào)節(jié)精度高，但是受到工作介質(zhì)影響較大；型號(hào)多樣，用途廣泛；價(jià)格比擬實(shí)惠，易于維護(hù)。本系統(tǒng)所用電磁閥功能參數(shù)如下：其中2W-08中的2W表示消耗功率為2W，另外線圈消耗功率為8W，因此總功率在10W左右，功耗很低。型號(hào)：2W-08電壓：DC12V零起壓?jiǎn)?dòng)線圈功率：8W閥體材質(zhì)：黃銅使用流體：空氣、水、油傳動(dòng)方式：直動(dòng)式型式：常閉式接管孔徑：1/4″流量孔徑：2.5mm油封材質(zhì)：NBR壓力范圍：0-1.0Mpa流體溫度：-5～80℃繼電器開關(guān)常接地，電磁閥門也常閉。當(dāng)NPN三極管遇到高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，繼電器被驅(qū)動(dòng)，吸合開關(guān)連接到12V，電磁閥導(dǎo)通并翻開，開始排水。3.4.5.電源電路整個(gè)系統(tǒng)用到的電源有兩個(gè)，分別是5V和12V，因此得到12V的穩(wěn)定直流電源后只需通過(guò)三端穩(wěn)壓器7805便可得到單片機(jī)所需的的5V電壓。電路圖如下所示：〔其中由220V交流電轉(zhuǎn)換為12V直流電的變換局部省略〕，圖中C5、C6一大一下兩個(gè)電容的作用是接入電源是產(chǎn)生的自激振蕩和上下頻率噪聲，C7、C8的作用相同，二極管D4是利用其單向?qū)ㄐ?，保持正常的電流流向，LED為電源指示燈。圖3.4.5電源電路系統(tǒng)所需的12V直流電源具備2A以上的驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力，即電源的最小功率為24W。本系統(tǒng)使用使用的電源為12V/3A規(guī)格。特別注意：注意電源與電磁閥門的匹配，驅(qū)動(dòng)電磁閥門翻開至少需要最小能通過(guò)2A以上電流的電源，不然效果不好，閥門可能無(wú)法翻開！軟件設(shè)計(jì)4.1.主程序流程圖圖4.1主程序流程圖主程序中，系統(tǒng)只需實(shí)時(shí)檢測(cè)兩個(gè)傳感器的狀態(tài)，收到不同的工作狀態(tài)后在控制指示燈、LCD顯示屏、電磁閥等進(jìn)行調(diào)整。如上圖所示，理論上兩個(gè)傳感器的電平狀態(tài)分四種，實(shí)際測(cè)試只有三種狀態(tài)具體工作過(guò)程為：通過(guò)傳感器接收水位狀態(tài)，單片機(jī)判斷處于哪一種工作模式，如果是較高水位狀態(tài)，那么高水位指示燈閃爍，單片機(jī)控制水閥翻開，指示燈閃爍并伴隨蜂鳴器警報(bào)；如果是正常水位狀態(tài)，那么水閥常閉，正常工作指示燈常亮，無(wú)報(bào)警；如果是低水位狀態(tài)，那么低水位指示燈閃爍，水閥常閉，提醒工作人員應(yīng)當(dāng)注意水庫(kù)蓄水；還有一種狀態(tài)實(shí)際上不應(yīng)該存在，但不排除系統(tǒng)出錯(cuò)的可能。4.2.中斷效勞子程序本處只用到了單片機(jī)定時(shí)器0中斷。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用每50ms觸發(fā)一次定時(shí)中斷。進(jìn)入中斷子程序后檢測(cè)水位傳感器是什么狀態(tài)，如果處于高水位狀態(tài)或者低水位狀態(tài)，那么終端中判斷計(jì)時(shí)是否到達(dá)0.5s，如果未滿0.5s，那么繼續(xù)計(jì)時(shí)；到達(dá)之后，將指示燈電平取反，這樣實(shí)現(xiàn)了指示燈的閃爍，這里的主要判定條件是水位傳感器的狀態(tài)，測(cè)得狀態(tài)后再控制相應(yīng)動(dòng)作。圖4.2中