基于单片机的智能潜水泵保护器设计研究毕业设计论文.docx

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基于单片机的智能潜水泵保护器设计研究毕业设计论文

基于单片机的智能潜水泵保护器设计研究

摘要

在农业中,潜水泵被广泛应用。

但是由于长期工作在水下，工作环境十分恶劣，电动机烧坏的事故时有发生。

而大部分是水泵绕组烧坏，其主要原因是水泵缺水运行。

针对这一常见的故障，特设计了一种用于潜水泵监测保护的控制器。

本文设计了两种保护工作模式，一种定位抽水工作方式：

当水池水位低于下水位，自动启泵，当达到上水位自动停泵；在抽水过程中，若水泵缺水，水泵应自动停机，延时一定时间后再自动启泵，延时时间可以由用户根据水源情况，自己设定和修改。

另一种是定时抽水工作方式：

系统能根据设定的抽水时间间隔和每次抽水时间，自动启停泵。

这样就可以很好的避免因水泵缺水，而导致水泵绕组烧坏。

同时本文还介绍了智能潜水泵保护控制器的总体设计思路，并给出了详细的硬件电路图和软件流程。

关键词：

单片机AT89C51;潜水泵；保护控制器

Abstract

Inagriculture,submersiblepumpiswidelyused.Butasaresultoflong-termworkinunderwater,workenvironmentisverybad,motorburned-outaccidentsoccurfrequently.Andmostiswaterpumpwindingburnout,themaincauseisthewaterpumpoperation.Thecommonfailure,speciallydesignedforsubmersiblepumpmonitoring,protectionofthecontroller.

Inthispaper,twokindsofprotectionworkmode,apositioningpumpingmode:

whenthepoolwaterlevelbelowthewaterlevel,automaticandpump,whenthewaterleveltobeautomaticstoppump;Inthepumpingprocess,ifthewaterpump,waterpumpshouldbeautomaticstop,delaytimeaftertheautomaticandpump,delaytimecanbemadebytheuseraccordingtothewatersituation,settingandmodification.Anotherkindistimingpumpingmode:

thesystemcansetaccordingtothepumpingtimeintervalandeachpumpingtime,automaticstart-stoppump.Thiscanbeverygoodtoavoidbecauseoftheshortageofwaterpump,andleadtowaterpumpwindingburnout.Atthesametime,thispaperalsointroducedtheintelligentsubmersiblepumpprotectioncontrolleroftheoveralldesigntrainofthought,andgivesthedetailedhardwarecircuitdiagramandsoftwareflowchart.

Keywords:

AT89C51singlechip,Submersiblepump,Protectioncontroller

第1章绪论

1.1设计的背景和意义

水，是世界上最宝贵的自然资源之一，目前人类可利用的淡水资源，大约只占全球水资源总量的0.5%。

我国人均水资源拥有量2300

，只及世界水平8840

的1/4，居世界第121位，已被联合国列为13个贫水国家之一。

受季风气候的影响，我国的降雨时空分布极不均匀．我国的年均降雨量从东南向西北递减，从东南的1600毫米递减到西北的不足200毫米，而且80%以上的降雨集中在6-9月．同时，我国的水、土资源分布极不匹配，南方的土地资源只占全国土地资源的38%，而水资源量占全国的80%；北方的土地资源占全国的62%，而水资源量却只占全国的20%。

我国81%的耕地分布在北方，自然降雨很难从时间上和数量上满足作物的生长需要。

这种水资源严重匮乏，时空分布极不均衡的状况对我国农业生产影响极大。

如果没有灌溉设施或者设施不足，大量的北方耕地将无法播种，并将导致农作物大面积减产。

出于粮食安全方面的考虑我国政府一直十分重视农田水利基础设施的建设，以提高有效灌溉面积。

目前，占我国耕地面积近一半的灌溉耕地贡献了全部粮食产量的75%。

为了保证粮食自给，维护国家粮食安全，我国政府把加强农业灌溉系统的建设，发展农业灌溉作为一项提高农业综合生产能力的长期措施。

其中作为农业灌溉系统主要的供水设备，已经日益得到普及，但由于受上文所说的季节及降雨变化的影响，灌溉时经常会出现水源不足的状况，常常会因为缺水导致导致水泵电机绕组烧坏。

因此，如何解决单相水冷式潜水泵水源水位变化大、水源不足的情况下实现安全稳定的运行对于农业灌溉，甚至农业安全生产具有十分重要的意义。

1.2潜水泵的研究及发展现状

潜水泵将电动机和水泵直接连接在一起，同时潜入水中，形成一种结构简单、紧凑的独特泵类。

潜水泵装置一般由进水流道、潜水泵和出水流道组成。

潜水泵装置有多种型式，与之相配套的进、出水流道也有所差别。

卧式安装的潜水贯流泵装置进、出水流道形状简单，水流基本上轴向通过流道，符合水泵叶轮设计的基本假设条件；立式安装的潜水泵装置进出水流道型式较多且比较复杂，进水流道一般有肘形、钟形、簸箕形及双向进水流道等，出水流道可以有虹吸式、直管式、蜗壳式及双向出水流道等。

潜水泵由水泵和潜水电机同轴组成，泵与潜水电机之间的密封油室内装有机械密封以保证良好的密封性。

潜水泵装置作为一种灯泡比较小的灯泡贯流泵装置，其机组结构与灯泡贯流泵装置同样复杂，这包括电机的支撑方式、传动方式、水泵导轴承等。

由于其优点很多，近20年来发展很快，在我国已经广泛应用于国民经济各部门。

我国60年代开始生产NQ型农用深井潜水泵，以后经过改进，发展到现在的QJ型的深井潜水泵，广泛用于工业灌溉和工矿企业供排水，主要的生产厂家有石家庄潜水泵厂、吉林市水泵厂、解州潜水电泵厂、淄博潜水电机厂、沈阳潜水泵厂等。

我国于1958年由上海人民电机厂开始生产7KW的作业潜水电泵，到60年代发展为QY型潜水电泵（电机内充油），共四个规格，流量分别为15、25、65、l00

／h。

到70年代发展了QS系列小型潜水电泵（电机内充水），主要用于农业排灌。

到80年代又发展了干式电机QX和QDX小型潜水电泵，其生产厂家主要有上海人民电机厂、杭州水泵总厂、泰州潜水电泵厂等。

80年代后期，国内开始生产污水潜水电泵，叶轮的形式有单叶片、半开式、开式多叶片式、旋流式单、单流道式、双流道式和螺旋离心式等，其主要生产厂家有江苏亚太水工机械集团公司、南京兰深制泵集团公司等。

在农业排灌方面，经过多年的发展，潜水泵装置已在排灌工程中逐步推广，取得了想当可观的经济效益和社会效益。

就辽宁省沈阳市而言，至1997年底，全市已有潜水泵站60多座，共164台套潜水泵装置。

此外，地处淮河中游的安徽省霍邱县，先后在刘李一、二级电灌站，洪集老圩、花园小圩等多处采用的都是潜水泵装置。

这些潜水式排灌泵站装置结构紧凑，可以大大减少土建和设备投资，维护管理方便，在传统农业走向现代农业的进程中起着重要的作用。

目前潜水泵的趋势是发展大中型的潜水泵。

潜水泵在水下工作，这就给泵和电机的维护带来了不便．潜水泵特别是大型潜水泵的绕组烧坏故障一直是使用者急需解决的问题，其中导致潜水泵电机绕组烧坏的最主要原因正是水源缺水时，电机依然无法停止工作，造成空转烧坏。

然而目前专门针对潜水泵这一故障的研究并不多，而本文正是基于此选题，对潜水泵故障进行研究，具有以下重要意义：

（1）可以提高潜水泵运行的安全可靠性，及时发现异常或隐患，当设备发生事故时，把事故限制在最小的范围为内，使潜水泵运行的安全可靠性大大提高。

（2）提高经济性。

通过单片机控制系统，使设备使用寿命最长和意外停机事故最小，从而减少消耗和维修工作量，也防止了因不必要的检修而出现的人为事故，使维修费用降到最少。

（3）提高劳动生产率。

通过软件控制，可以减少人工操作，进一步提高科学管理水平，

减少人员和运行费用，改善工作条件，从而使劳动生产率得以提高。

（4）对生产厂家来说，应用配套的控制系统及其软件控制，以避免类似故障的发生，从而提高产品的设计。

制造水平，增强产品的市场竞争能力。

1.3本设计的主要工作

根据国内外关于潜水泵研究的现状和发展趋势，本文结合水泵的具体应用，基于传感器，单片机元器件组成的智能供水控制系统的方案，给出了系统硬件设计及软件实现方法，实现对水泵运行的智能控制，以解决潜水泵电机绕组在缺水情况下的烧坏故障。

主要内容包括：

（1）潜水泵控制系统硬件的设计。

（2）潜水泵控制系统软件的设计。

（3）潜水泵在不同水位工况下的调试试验。

第2章总体方案

2.1总体方案分析

本设计采用AT89C51单片机为核心，3个微型水位检测开关实时检测水位，同时实现对水泵的保护与控制。

其实际安装示意图如2-1所示：

图2-1安装示意图

其中，S1安装于潜水泵上，用于检测水泵水位，S3和S2安装于水塔或灌溉区域，检测上，下水位。

用户通过保护控制器键盘，可以设置工作模式，定时抽水时间，缺水保护时间三种参数。

工作模式有两种，第一是定位工作模式，用户必须先安装好上下水位。

第二是定时工作模式，用户可以省去上下水位开关检测，但是必须根据经验能够确定定时抽水时间，并预先设置参数。

缺水保护时间的设定，也必须由用户根据水源的流量预先设置。

当选择好定位抽水工作模式后，按下启动键，保护控制器即可接通潜水泵工作电源，开始抽水。

同时，控制器实时检测水源水位和上，下水位，如果水源不足，泵体露出水面，控制器即可自动切断水泵电源，按照预先设定的缺水保护时间等待，同时控制器继续检测水源水位，一旦达到设定的缺水保护时间，并且水源水位检测满足开机条件，控制器自动重启水泵，一直到上水位开关被淹，水泵停止工作。

当水塔或灌溉区域的水位低于下水位后，控制器即可控制水泵自动重启，重复以上工作实现全自动供水。

当选择好定时抽水工作模式后，按下启动键，保护控制器即可接通潜水泵工作电源，开始倒计时抽水。

当如果水源不足，泵体露出水面，控制器自动切断水泵电源，进入保护延时，一旦达到设定的缺水保护时间，并且水源水位检测满足开机条件，控制器自动重启水泵，一直到倒计时时间为零，水泵停止工作。

2.2系统总体设计框图

控制器的总体机构分为电源电路、水位监测模块、显示模块、无触点开关控制电路。

如图2-2所示：

图2-2系统总体设计框图

1电源电路：

主要为系统提供5V电源。

2水位监测模块：

主要是采用3个水位器分别监测水泵的水位，以及水池的上、下水位。

3显示模块：

主要用于显示系统的各项工作参数。

4无触点开关控制电路：

主要用于控制水泵电机电源的通断。

第3章硬件电路设计

3.1电路设计

下面分别介绍基于单片机智能潜水泵保护器设计的硬件电路原理、元件功能与选型及硬件结构设计。

3.1.1电源电路

为了减小控制器的体积、重量和成本，将220伏交流电通过R2与C1组成的阻容降压电路，直接进行桥式整流，再经滤波和稳压，为系统提供5伏电源。

考虑到上电瞬间电容C2将交流高压直接耦合，造成78L05过压击穿，本电路还使用了9.6伏稳压管VZ实施过压保护。

具体电路如图3-1所示：

图3-1电源电路

3.1.2无触点开关控制电路

无触点开关控制电路主要用于控制水泵电机电源的通断，由于考虑尽量减少保护器的体积和重量，在电路设计时，没有采用传统的接触器，而是采用了无触点开关控制器件—双向可控硅。

为了防止220伏交流电对单片机工作造成干扰，在双向可控硅的门极使用了光电耦合器MOC3020进行隔离。

通过单片机的P3.7口提供低电平，则光电耦合器输入级有电流通过，双向可控硅门极得电。

可控硅导通水泵得电工作，反之，可控硅截止水泵停止控制。

具体电路如图3-2所示：

图3-2无触点开关控制电路

3.1.3微处理器电路

微处理电路时本系统的核心，它负责对三个水位检测点的实时检测，并对水泵的整个工作进行实时处理。

采用价格相对低廉，体积相对较小的89C51作为微处理器。

C8和R9组成复位电路，为单片机提供上电复位脉冲，RP1是排阻，在这里用作限流电阻，防止过流而造成数码管损坏。

S4、S5是控制器上的两个按键，在本电路中采用了一键复位技术，它们分别可以用来设置工作模式，定时抽水时间、缺水保护时间等参数。

具体电路如图3-3所示：

图3-3微处理器电路

3.1.4显示及水位检测电路

显示电路主要用于显示系统设置的相关参数以及系统工作的实时参数（如倒计时时间），采用动态扫描显示。

水位检测电路用于检测三个水位，其中S1是潜水泵水位器，S3是水塔上水位器，S2是水塔下水位器，三个水位器均采用干簧管式水位开关，和传统的水位探针相比，抗腐蚀能力很强。

由于89C51口线有限，本设计采用了一个非常巧妙的方式，实现了一线多用，分别将P3.2P3.3P3.4既做三位数码管位选择控制信号，又做水位检测之用，如当P3.2为低电平时P3.3P3.4为高电平，数码管DIGI显示有效，如果此时水泵露出水面，则S1断开，P3.5输入为高电平，表示需进行缺水保护，反之，若此时水源充足，则S1继续闭合，P3.5输入为低电平。

为防止三个水位开关相互干扰，采用三个IN4148进行隔离。

具体电路如图3-4所示：

图3-4显示及水位检测电路

3.2主要元器件介绍

根据课题要求，系统可以划分为电源部分、中央处理器（CPU）控制部分、执行部分。

其中控制部分包括AT89C51芯片及外围电路，执行部分包括步进电机驱动电路、数码管动态显示电路。

3.2.1核心控制部件AT89C51的性能

AT89C51是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含2kbytes的可反复擦写的只读Flash程序存储器和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元。

功能强大AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合。

它是一个功能强大的单片机，具有20个引脚，15个双向输入/输出（I/O）端口，其中P1是一个完整的8位双向I/O口，两个外中断口，两个16位可编程定时计数器,两个全双向串行通信口，一个模拟比较放大器。

同时AT89C51的时钟频率可以为零，即具备可用软件设置的睡眠省电功能，系统的唤醒方式有RAM、定时/计数器、串行口和外中断口，系统唤醒后即进入继续工作状态。

省电模式中，片内RAM将被冻结，时钟停止振荡，所有功能停止工作，直至系统被硬件复位方可继续运行。

因为AT89C51是一种功能强，灵活性高且价格合理的单片机，可方便地应用在各种控制领域。

AT89C51具有下列主要性能:

4KB可改编程序Flash存储器（可经受1，000次的写入/擦除周期）;全静态工作:

OHz~24MHz;三级程序存储器保密;128B字节内部RAM;32条可编程I/O线;2个16位定时器/计数器;6个中断源;可编程串行通道;片内时钟振荡器等。

它有40个引脚，DPI封装的集成电路芯片。

随着半导体工艺的成熟和生产的工业化，使它的价格越来越低，是经济型系统首选机型。

AT89C51具有丰富的I/O接口，内置定时计数器和中断系统。

2.7-6.V的宽工作电压范围,时钟频率0-24MHz，可直接驱动LED，两级加密位，内置一个模拟比较放大器，可编程UARL通道。

AT89C51的带负载能力有限，我们还给P1口增加了上拉电阻（虽然P1口内部已经接有上拉电阻输出电流有20MA左右），增强它的带负载能力。

3.2.2AT89C51的引脚描述

CHMOS制造工艺的AT89C51单片机采用40引脚的双列直插封装（DIP方式），在单片机的40条引脚中有2条专用于主电源的引脚，2条外接晶体的引脚，4条控制与其它电源复用的引脚，32条输入/输出（I/O）引脚。

下面按其引脚功能为四部分叙述这40条引脚功能。

（1）电源引脚VCC和VSS。

单片机能够工作，需要电能，就少不了通过一个引脚给单片机提供电源。

单片机使用的是+5V电源，在本系统中，有专门的辅助电源，产生+5V电压，从31脚VCC接入，一般要接+5V电源，加引脚（VSS）是一个接地引脚。

图3-5控制器引脚

（2）接晶体引脚XTAL1和XTAL2。

XTAL1接外部晶体的一个引脚。

在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。

当采用外部振荡器时，对CHMOS单片机，此引脚作为驱动端。

XTAL2接外部晶体的另一端。

在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端。

采用外部振荡器时，对CHMOS单片机，该引脚悬浮。

（3）控制或与其他电源复用引脚RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP。

ST/VPD：

当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。

推荐在此引脚与VSS引脚接一个约5K的下拉电阻，与VCC引脚之间连接一个约10uf的电容，以保证可靠地复位。

（4）VCC掉电期间，此引脚可接上备用电源，以保持内部RAM的数据不丢失。

当VCC主电源下掉到低于规定的电平，而VPD在其规定的电压范围内，VPD就向内部RAM提供备用电源。

（5）ALE/PROG：

当访问外部存储器时，ALE（允许地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。

即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率周期性地出现正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。

然而要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

ALE端可以驱动（吸收或输出电流）8个LS型的TTL输入电路。

对于EPROM型的单片机，在EPROM编程期间，此引脚用于输入编程脉冲（PROG）。

（6）RSEN：

此脚的输出是外部程序存储器的读写选通信号。

在从外部程序存储器取令（或常数）期间，每个机器周期两次PESN有效。

但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现，PSEN同样可以驱动（吸收或输出）8个LS型的TTL输入。

（7）EA/VPP：

当EA端保持高电平时，访问内部程序存储器，但在PC（程序计数器）值超过0FFFH时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序，当EA保持低电平时，则只访问外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器，对于常用的80C51来说，无内部程序存储器，所以EA脚必须常接地，这样才能只选择外部程序存储器。

对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚也用于施加21伏的编程电源（VPP）。

输入/输出I/O引脚P0、P1、P2、P3共32根。

a）P0口：

是双向8位三态I/O口，外接存储器时，与地址总线的低8位及数据总线复用，能以吸收电流的方式驱动8个LSTTL负载。

b）P1口：

是8位准双向I/O口由于这种接口输出没有高阻状态，输入也不能琐存，故不是真正的I/O口。

门口能驱动（吸收或输出电流）4个LSTTL负载，对8052、8032，P1.0引脚的第二功能为T2定时/计数器的外部输入，P1.1引脚的第二功能为T2EX捕捉、重装触发，即T2的外部控制端。

对EPROM编程和程序验证时，它的接收低8位地址。

c）P2口（21脚～28脚）：

是8位准双向I/O口。

在访问外部存储器时，它可以作为扩展电路高8位地址总线送出高8位地址，在对EPROM编程和程序验证期间，它的接收高8位地址。

P2可以驱动（吸收或输出电流）4个LSTTL负载。

d）P3口（10脚～17脚）：

是8位准双向I/O口，在80c51中，这8个引脚还用于专门功能，是复用双功能口，P3能驱动（吸收或输出电流）4个LSTTL负载。

作为第一功能用时，就作为普通的I/O口用，功能和操作方法与P1口相同。

表3-1

值得强调的是，P3口的每一条引脚都可以独立定义第一功能的输入输出或第二功能。

（8）外接晶体振荡器的引脚

单片机是一种时序电路，只有在提供脉冲信号的作用下，才能正常工作。

因为不同用户对单片机的速度要求的不一样，因此在单片机的内部，并没有集成晶体振荡器，而由用户根据具体的控制情况和要求选择外接。

但外接的晶体振荡器的振荡信号，还不足以驱动单片机内部的时钟电路，因此，在AT89C51的内部，都设计一个高增益的放大器将外接的晶体振荡器产生的信号放大。

在原理图的18和19引脚，X1和X2就分别是放大器的输出和输入端。

单片机各端口的第二功能完全是自动的，不需要用指令来转换。

如P3.6、P3.7分别是WR、RD信号，当单片机外接RAM或有外部I/O口时，它们被用作第二功能，它们就自动充当着传输“写”或“读”信号的作用，不能作为通用I/O口时，也就是说，只要CPU执行到MOVX指令，就会有相应的信号从P3.6或P3.7送出，不需要事先用指令说明.

P3口的第二功能信号都是单片机的重要控制信号.因此在实际使用时，都是按需要选用其第二功能信号，剩下的才以第一功能的身份做数据I/O口使用.

3.2.3三极管的背景

在中国的抗战时期，一只三极管（电子管）胜比千军万马。

八路军要搞到一只三极管比搞到军火、药品还难！

因为有了它，才能有千里耳——电台。

直到当今社会，大到宇宙飞船，小到家用电器都是基于三极管及其原理来工作的。

三极管对世人来说，的确是一件最为重要又神秘的器件。

本文将用通俗的手法，让你轻松简易的进入三极管世界。

3.2.4三极管的分类

三极管最大的分类为电子三极管和晶体三极管两类。

1904年，英国物理学家弗莱明发明了世界上第一只电子管，世界从此进入了电子时代。

如图3-6，电子管的外形是只玻璃瓶。

图3-6玻璃瓶三极管

早期的电台、电视机、收音机、扩音机等电子产品都是用电子管制作的。

近年来逐渐被晶体管和集成电路所取代，但目前在一些高保真音响器材中，仍然使用电子管作为音频功率放大器件。

现在我们所接触到的一般都是晶体三极管。

如图3-7所示：

图3-7晶体三极管

晶体三极管的分类很多：

可按制作材料分为：

锗管、硅管；

可按功率大小分为：

大功率、中功率、小功率；

可按截止频率分为：

高频、低频；还有按结构、封装、噪音等等进行分类。

例我们常用的9012、9013、8050、8550都是属于低频、小功率、硅管；9018是属于高频、小功率、硅管；9014是属于低噪声、低频、小功率、硅管。

3.2.5晶体三极管的工作原理

1.内部结构

三极管可以看作是由两个二极管合成的，其内部有两个PN结。

在通常状态，电流只能从P流向N。

图3-8三极管内部结构

2.符号

三极管在电路图中的符号如图3-9所示，三个引脚分别叫做：

基极b（基本控