水位控制系统设计之欧阳体创编.docx
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水位控制系统设计之欧阳体创编
时间：
2021.02.03
创作：
欧阳体
前言………………………………………………………………
第一章设计思路与方案…………………………………………
1.1设计思路…………………………………………………………
1.2方案设计………………………………………………………
1.3方案论证…………………………………………………………
第二章系统组成与工作原理…………………………………………
2.1系统组成…………………………………………………………
2.2系统工作原理……………………………………………………
第三章单元电路设计………………………………………………
3.1传感器的选用………………………………………………
3.2稳压电路的设计………………………………………………
3.3单片机控制处理电路…………………………………………
3.4光报警显示系统电路…………………………………………
3.5继电器控制水泵加水电路…………………………………………
第四章程序设计……………………………………………………
4.1程序流程图………………………………………………
4.2汇编程序………………………………………………
第五章系统仿真………………………………………………
第六章产品制作与调试…………………………………………
5.1PCB板设计………………………………………………
5.2元器件检测…………………………………………………
5.3产品调试……………………………………………………
5.4产品安装……………………………………………………
结束语……………………………………………………
参考文献…………………………………………………………………
致谢…………………………………………………………………
附录一系统的总的原理图
附录二PCB版图
附录三元件清单
前言
高塔水位控制系统是我国住宅小区广泛应用的供水系统，在我们的指导老师江老师的启发之下，我们对邵阳的住宅供水情况进行了调查，根据调查在邵阳或者我们衡阳的农村甚至城市兴建的许多的房子现在都要实现自来水供水，所以在许多的家庭的楼顶都砌了一个高塔用来存储用水，然后对整个房子的用水进行供给。
调查的过程当中我们发现，目前大多数的住宅小区都是采用人工加水的办法，即当水用完的时候，就人工开启水泵进行加水，十分不便。
引起了老百姓的抱怨----水用完只前，不知道水已经很少，待用完后才知晓，如果是急需水的情况下，那就十分麻烦要等加水后才有水用；加水的过程当中，还需要人时刻检查水位情况，以防止水量超过最高水位线；所以这一切问题的存在，都在呼唤一种简单经济的高塔水位控制系统的诞生。
另外，现在许多的锅炉系统、防洪系统也需要对水位进行控制，以能够方便地控制水位，对不同的水位进行报警，所以如果研制了一种很好的水位控制装置便能够很好地造福人民。
我们学习了《单片机》、《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《电路》等知识，为我们此次设计打下了良好的基础。
基于我们的调查，感到现实生活急需要这样的水位控制系统，所以我们决定在老师指导之下设计与研制一种高塔水位控制系统作为我们本次生产实习的课题。
相信本次的设计一定能够给老百姓的生活带来方便，也一定会具有广阔的市场前景，一定能够使我们电子设计能力得到很好的锻炼，使我们的理论和现实生活联系起来！
高塔水位控制系统设计与研究
1.设计思路与方案
1.1.设计思路
随着社会的进步，人类生活水平的不断提高，现在许多家庭都要求能够进行家庭用水自动供水，基于调查我们决定设计一款简单实用，经济的高塔水位控制系统。
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三个水位，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，红灯亮；正常范围的水位时，水泵加水，绿灯亮；高水位时，水泵不加水，黄灯亮。
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。
1.2方案设计
方案一：
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1.1方案一方框图
方案二：
本方案采用单片机80C52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1.2方案二方框图
1.3方案论证
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80C52单片机有四端口32引脚能够非常方便地设计显示系统。
综上,我们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,我们选择第二种方案作为我们的设计方案。
2.系统组成与工作原理
2.1系统组成
本系统由电源电路、水位探测传感电路、稳压电路、单片机系统、光报警显示电路、继电器控制水泵加水电路、以及高塔模型组成。
主电气原理图如下。
图2.1系统原理图
2.2系统工作原理
当水位处于低水位的时候，传感器的低水位探测线没被+5V的电源导通进入稳压电路经过处理在稳压电路的输出端有一个高电平，送入单片机的P1.0口，单片机经过分析，在P2.3口输出一低电平，驱动红灯亮，P2.0出来一个信号使光电耦合器GDOUHE导通，这样继电器闭合，使水泵加水；当水位处于正常范围内时，水泵加水，绿灯亮；当水位在高水位区时，传感器的两根探测线均被导通，均被+5V的电源导通，送入单片机，单片机经过分析，在P2.2引脚出来一个低电平，使黄灯亮，在P2.0端出来一个低电平不能使光电耦合器导通，这样继电器不能闭合，水泵不能加水；当三灯闪烁表示系统出现故障。
3单元电路设计
3.1传感器的选用
传感器是一种能感受被测物体物理量并将其转化为便于传输或处理的电信号的装置，在现代科技领域中，传感器得到了广泛应用，各种信息的采集离不了各种传感器，传感器的基本功能在于能感受外界的各种“刺激”并作出迅速反映。
本设计当中我们采用的水位探测传感器简单易做，经济实惠。
其外形轮廓如下：
图3.1水位探测传感器外观图
A为接+5V电源的线与水一直保持连通，B线为低水位控制线，当水位到达低水位的时候它不导通，水在正常范围内时，它导通。
C线为高水位控制线，当它导通时，表示水已经为高水位。
我们经过反复思考与实验，采用了细铜线作为我们的传感器制作材料。
主要考虑了
（1）细铜线的电阻率比较低，这样就可以避免由于电阻过大而使输出的电平过低，以致不能很好地驱动单片机工作
（2）传电性能比较好，传电速率比较快，也就是说灵敏性非常好。
（3）细铜线经济容易寻找，对我们在实验室做模型来说十分方便。
在制作的过程当中，江老师给了我们大量的指导，建议我们用PVC塑料管包扎起来，在外部不要露出铜线，而是采用插针的办法接到PCB版上去。
这样做有几个好处主要是
（1）非常美观漂亮，让线路隐藏。
（2）能够让各线路紧凑，不会互相产生干扰，接触的地方都让绝缘胶布包扎好了。
本传感器的尺寸是A线是30CM，B线是20CM，C线是15CM，铜线直径是15MM.
3.2稳压电路的设计
我们设计的稳压电路如下:
图3.2稳压电路原理图
本电路的主要作用是使从传感器输出的电平能够稳定地输入单片机中，主要由三极官的两极放大稳定电路组成，其工作过程是水位探测传感器把探测到的电信号送给R12,如果送入的是高电平则R11、Q5、D3、Q4导通把低于1.4V的低电平稳定地送给单片机。
如果是低电平送给R12则R11、Q5、D3、Q4均不能导通二是R13导通将把高于1.4V的高电平稳定的送给单片机。
我们查找了相关资料以及我们自己在设计过程当中免去此稳定电路,发现有时候也能实现我们的设计目的,但是也有很多时候发生水位误判的情况,产生不稳定现象,所以我们认为此电路是不可缺少的。
既然是控制系统,当然就要控制精确。
3.3单片机控制处理电路
我们选用AT89C52作为我们的控制芯片其引脚图如下：
3.3.1AT80C52单片机系统的简介
（1）80C52是INTEL公司MCS-52系列单片机中最基本的产品，它采用NTEL公司可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-52的HCMOS产品。
它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征，它继承和扩展了MCS-48单片机的体系结构和指令系统.
（2）80C52的封装
80C52的封装如图所示
（3）AT89C52在本设计中的作用
我们采用AT89C52作为控制芯片,由于其内部有EPROM，容量已经够用，所以无需进行存储器的扩展。
本设计当中，我们主要采用了P1.0、P1.1的灵活的I/O端口作用作为我们的低水位和高水位信号输入口，单片机通过软件的控制不断检测这个端口的输入电平，一旦发现则执行相应的控制程序，输出不同的信号给P2.3、P2.2、P2.1来告知水位情况即红、黄、绿分别表示水位在低水位状态，高水位状态，正常水位状态。
然后，根据不同的水位决定是否通过P2.0口驱动水泵加水还是停止加水。
图3.3AT89C52引脚图
图3.480C52封装图
3.4光报警显示统电路
本电路采用不同颜色的发光二极管来表示不同的水位情况。
即红灯亮，其他两灯不亮表示是低水位状态，此时需要启动水泵加水；绿灯亮，其他两灯不亮表示在正常的水位线内；黄灯发亮，其他两灯不亮为高水位状态，水泵停止加水，三灯闪烁表示系统出现故障。
图3.5光报警电路的原理图
此电路采用的是共阳极的，所以只有当单片机给发光二极管为低电平时才能推动发光二极管点亮。
其中R14、R15、R16为上拉电阻起限压控流作用。
3.5继电器控制水泵加水电路
3.5.1继电器控制电路的原理图
该电路由继电器RL1和闭合开关、光电耦合器、水泵R7、R8、R9、R10Y以及D2、Q3等组成。
当水位在低水位时单片机给P2.0送一个高电平导通光电耦合器然后光电耦合器驱动Q3导致继电器闭合从而让220V的交流电接通使水泵加水。
图3.6继电器控制水泵加水电路的原理图
3.5.2光电耦合器简介
其外观如图：
图3.7光电耦合器外观图
光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。
它由发光源和受光器两部分组成。
把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。
发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，在本设计当中发光源为发光二极管，受光器为光敏三极管。
本设计当中我们采用光电耦合器组成开关电路的作用，能够很好地将单片机信号稳定地送给继电器驱动继电器闭合。
3.5.3继电器简介
继电器是具有隔离功能的自动开关元件，在我们设计当中主要来做自动控制作用，我们采用+5V的直流电来控制220V的交流电，以达到控制水泵的作用，因为是在这里是以一种弱电来控制强电所以安装和使用的过程当中我们一定要注意用电安全注意事项。
电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。
只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。
当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。
这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。
对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：
继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。
图3.8常见继电器外观图
4程序设计
4.1程序流程图
图4.1流程图
4.2汇编程序
程序如下：
ORG0000H
LJMPSTART
START:
SETBP1.0
SETBP1.1
RESTART:
MOVA,P1
ANLA,#00000011B
CJNEA,#00H,LOOP1;在低水位之下，开启电动机，亮红灯
SETBP3.2
SETBP3.3
CLRP3.0
CLRP3.1
LCALLDELAY
LJMPRESTART
LOOP1:
CJNEA,#01H,LOOP2;当超过低水位，并且未达到高水位时，保持电动机转动，亮绿灯
SETBP3.2
SETBP3.1
CLRP3.0
CLRP3.3
LCALLDELAY
LJMPRESTART
LOOP2:
CJNEA,#02H,LOOP3;系统故障（达到高水位，却没达到低水位）红，黄，绿灯均闪烁
SETBP3.0
CLRP3.3
CLRP3.2
CLRP3.1
LCALLDELAY
SETBP3.3
SETBP3.2
SETBP3.1
LCALLDELAY
LJMPRESTART
LOOP3:
CJNEA,#03H,RESTART;当达到高水位时，停止电动机，亮黄灯
SETBP3.1
SETBP3.0
SETBP3.3
CLRP3.2
LCALLDELAY
LJMPRESTART
DELAY:
MOVR0,#250
DELAY3:
MOVR1,#200
DELAY2:
MOVR2,#5
DELAY1:
DJNZR2,DELAY1
DJNZR1,DELAY2
DJNZR0,DELAY3
RET
END
5系统仿真
5.1程序编译和加载
点菜单Source→Add/RemovesourceFiles”在出现的对话框中，选择ASEM51编辑器，将上面的汇编源程序添加，点菜单Source→BuildALL编译汇编源程序，生成目标代码文件。
在编辑环境左击单片机然后右击，将编译生成的HEX文件加载到芯片中，设单片机的时钟工作频率为12MHZ。
5.2系统仿真
点全速运行按键，得到图5.1所示的仿真结果,图中是处于低水位状态,水泵处于运行状态.
图5.1低水位状态仿真结果
当水位处于故障时,仿真的结果如图5.2所示.
图5.1故障状态仿真结果
5.2系统仿真结果分析
在PROTEUS环境,运行高塔水位控制系统,我们发现,当水位处于低水位区时,红灯亮,水泵处于运行状态,随着水位的上升,水泵仍处于运行状态,当水位到达高位时,黄灯亮,水泵停止运行。
随着用户使用,水位不断下降,此时,水泵处于停止状态,当水位到达低位时,水泵起动,重复以上过程。
上述仿真表明，本设计达到了预期的设计目标，实现了水位自动控制。
6产品制作与调试
6.1PCB板设计
6.1.1元件布局规则
（1）按电路模块进行布局，实现同一功能的相关电路称为模块，电路模块中的元件应采用就近集中原则，同时数字电路和模拟电路分开。
（2）定位孔、标准孔等非安装孔周围1.27mm内不得贴装元件，螺钉等安装孔周围3.5mm内不得贴原器件。
（3）卧装电阻、电感、电解电容等元件的下方避免布过孔，以免波峰焊后过孔与元件壳体短路。
（4）元器件的外侧距板边的距离为5mm。
（5）贴装元件焊盘的外侧与相邻插装元件的外侧距离大于2mm。
（6）金属壳体元件与金属件不能与其他壳体相碰，不能紧贴印制线、焊盘，其间距应大于2mm；定位孔、紧固件安装孔、椭圆孔及板中其他方孔外侧距板边的尺寸应大于3mm。
（7）发热元件不能紧邻导线和热敏元件；高热器件要均匀分布。
（8）电源插座要尽量布置在印制板的四周，电源插座与其相连的汇流条接线端应布置在同侧。
（9）所有IC元件单边对齐，有极性元件极性标示明确，同一印制板上极性标示不得多于两个，出现两个方向时，两个方向互相垂直。
（10）板面布线应疏密得当，当疏密差别太大时应以网状填充，网格大于8mil；
（11）贴片焊盘上不能有通孔，以免焊膏流失造成元件虚焊。
（12）贴片单端对齐，字符方向一致，封装方向一致。
（13）有极性的器件在以同一板上的极性标示方向一致。
6.1.2元件布线规则
（1）画定布线区域距PCB板边<1mm的区域内，以及安装孔周围1mm内，禁止布线。
（2）电源线应尽可能的宽，不应低于18mil；模拟信号线宽不应低于12mil；CPU入出线不应低于10mil；线间距不应低于10mil。
（3）正常过孔的焊盘不应低于30mil；孔径不低于14mil。
（4）双列直插：
焊盘60mil；孔径40mil。
（5）注意电源线与地线应尽可能呈放射状，以及信号线不能出现回环走线。
6.2元器件检测
6.2.1三极管的判别方法：
①基极的确定：
先用任意一支万用表笔，〈设为黑点〉，任某个电极不动，再用另一支表笔〈红色〉分别去点其它两个极，如果分别点测两次中，其阻值相同，则黑表笔点的为基极；若只有一次有阻值，或两次都没有阻值，说明急木找到；②在确定基极过程中，两次测量阻值中，两次测量阻值不相等，阻值大的为发射极，阻值小的为集电极。
6.2.2电子元器件的极性：
电解电容上标有白色箭头的一极是负极；玻璃封装二极管上标有黑色环的一端，塑料封装二极管上标有白色环的一端为负极；某些三极管的管脚上非标准排列，在其外壳的柱面上用红色点表示发射极等；
6.2.3发光二极管的判测：
由于“二极管”挡能够提供3V、1mA的电源，所以可直接测光管（LED）的正向导通压降，一般显示在2V以下，同时管子会发出微光；反向显示为“1”。
红色LED导通压降约为1.759V橙色LED为1.686V，绿色LED为1.767V。
指针式万用表由于使用1.5V电池，故不能测量发光二极管。
6.2.4光电耦合器的检测：
光电耦合器最简单的检测为在输入端接1.5～2V的电压（如一节干电池）,输出端接一块万用表（电压挡）,在输入端接通或短开时输出端万用表有反映即为好的。
若无反映或反映极小则是坏的或不好的
6.2.5电磁继电器的检测：
1）通过检测线圈的直流电阻，可判断继电器是否正常。
其方法是用万用表的欧姆挡，量程可据继电器的标称值，额定电压越高，阻值也就越大，一般选择Rx100挡或Rx1k挡。
将两表笔分别接到线圈的两引脚，如测得的阻值与标称值基本相同表明线圈良好，如电阻值为∞，表明线圈开路。
2）检测继电器触点。
接触电阻用万用表的Rx1挡，表笔分别接常闭触点的两引脚，其阻值应为OΩ，然后将表笔再接常开触点的两引脚，阻值应为∞。
然后给继电器通电，使衔铁动作，将常闭转为开路、将常开转为闭合，再用上述方法进行检测，其阻值正好与初次测量相反，表明触点良好。
3）检测继电器的吸合电压和吸合电流。
稳压电源、电流表、电压表、继电器，电压表的量程可选在30V挡、电流表量程在1OOmA范围内便可，将继电器线圈串联到电路中，电压表并联在线圈的两引电磁继电器脚上，电流表也串入电路，注意电流表与电压表的正、负极不要接错。
接好后给稳压电源通电，并逐渐增加电压数值，直到听见衔铁发出"咔"的一声，表明磁铁已将衔铁吸住，此时电压表、电流表的数值，便是吸合电压和吸合电流的值。
4）检测继电器的释放电压和释放电流。
按照上述检测吸合电流和吸合电压的方法及电路，通电让触点处于闭合状态，然后慢慢调低稳压源的电压值，当衔铁被磁铁释放时，此时电压表、电流表所显示的数值便是释放电压和释放电流。
当测得的释放电压不到吸合电压的10%时，表明继电器存在故障。
6.2.6电源变压器的检测：
（1）直接测量法。
将次级所有绕组全部开路，把万用表置于交流电流挡（500mA），串入初级绕组。
当初级绕组的插头插入220V交流市电时，万用表所指示的便是空载电流值。
此值不应大于变压器满载电流的10％～20％。
一般常见电子设备电源变压器的正常空载电流应在100mA左右。
如果超出太多，则说明变压器有短路性故障。
（2）间接测量法。
在变压器的初级绕组中串联一个10/5W的电阻，次级仍全部空载。
把万用表拨至交流电压挡。
加电后，用两表笔测出电阻R两端的电压降U，然后用欧姆定律算出空载电流I空，即I空=U/R。
（3）一般小功率电源变压器允许温升为40℃～50℃，如果所用绝缘材料质量较好，允许温升还可提高。
（4）检测判别各绕组的同名端。
在使用电源变压器时，有时为了得到所需的次级电压，可将两个或多个次级绕组串联起来使用。
采用串联法使用电源变压器时，参加串联的各绕组的同名端必须正确连接，不能搞错。
否则，变压器不能正常工作。
（5）电源变压器短路性故障的综合检测判别。
电源变压器发生短路性故障后的主要症状是发热严重和次级绕组输出电压失常。
通常，线圈内部匝间短路点越多，短路电流就越大，而变压器发热就越严重。
检测判断电源变压器是否有短路性故障的简单方法是测量空载电流（测试方法前面已经介绍）。
存在短路故障的变压器，其空载电流值将远大于满载电流的10％。
当短路严重时，变压器在空载加电后几十秒钟之内便会迅速发热，用手触摸铁心会有烫手的感觉。
此时不用测量空载电流便可断定变压器有短路点存在。
（6）空载电压的检测。
将电源变压器的初级接220V市电，用万用表交流电压接依次测出各绕组的空载电压值（U21、U22、U23、U24）应符合要求值，允许误差范围一般为：
高压绕组≤±10％，低压绕组≤±5％，带中心抽头的两组对称绕组的电压差应≤±2％。
6.3产品调试
（1）将水位探测探测器插入装有一定水位控制系统模型中电源插座中。
（2）通电后，探测器在正常探测状态下,调节水位
（3）当水位在低水位时，看红色的灯是否点亮，如果不亮则用万用表检测各处的电压，如稳压电路出端有电位说明后续系统损坏，照此方法依次检测单片机驱动发光二极管和水泵的引脚是否有电位；检测继电器后面是否有电位。
（4）注意听继电器是否发出‘嘀-’的一声音，如果听到清脆的声音表面继电器前面的电路都是良好，如果有问题一定是水泵坏啦。
（7）如果闻到发焦和异味时，请把电源关闭再打开。
6.4产品安装
（1）光报警器安装在用户认为合理的家庭房子内部即可。
（2）由于是弱电控制强电，建议把继电器安装在小孩够不着，绝缘良好的地方
（3）单片机等其他控制元器件安装在干燥绝缘良好的地方。
结束语
以往，人们由于自己的楼顶水塔中的水位不清楚，加水不方便而感到苦恼，现在我们顺应大家的需要研制了这款简单经济实用的高塔水位控制系统，相信能够给广大的老百姓的生活带来方便，带来开心，以后大家再也不用亲自跑到楼顶加水啦！
本系统主要由水位探测传感器，单片机控制系统，水位显示系统，继电器驱动电路，水泵加水系统组成，系统简单，安装方便，建议广大用户尝试使用，我相信大家在用了之后一定会感到满意的。
本系统采工作过程是当水位处于低水位的时候，传感器的低水位探测线没被+5V的电源导通进入稳压电路经过处理在稳压电路
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