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水库液位自动测控系统
水库液位自动测控系统
摘要：
水位是衡量水库安全、水利调度、蓄水、泄洪的其中一个重要参数。
水位的自动化控制为水库现代化建设提供了有利的基础条件，在工农业生产的许多领域都需要对水位进行监控。
随着我国经济的发展，水文监测内容不断增加，于是便对观测方法以及水文监测技术的研发和应用提出了更高的要求。
本文针对水库水位测控系统在社会建设和人民生活中的重要作用，利用STC89C51单片机作为主控芯片模拟设计并制作了一套水库液位自动测控系统。
该系统包含对水库水位的实时监测、实现自动警报并指示工作状态、并通过液晶屏同步显示状态、全智能自动控制水库水位等功能，满足水库基本需求。
本文提出了一个较为简便的水库液位自动测控方案，该设计方案成本较低，控制相对简单，实用性更好，利用STC89C51单片机的部分内部资源和其控制特性，着重介绍了单片机的外围电路设计和软件的联合应用。
关键词：
水库液位；自动测控；水位传感器；电磁阀；单片机
中图分类号：
TP273
TheReservoirVolumeAutomaticMeasurementandControlSystem
Abstract：
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-chipMicrocomputer
Classification:
TP273
1.绪论
1.1.研究背景
水库液位的监测历来一直是水利部门的重要工作，实用可靠的水位监测系统将会发挥巨大的作用，无论是饮用水、工农业用水甚至是对自然灾害的预测，水位的测控都有其重要意义[1]。
水位监控在日常生活及其他工业领域中应用也相当广泛，以往水位的检测是通过人工作业方式完成的，无论从人员、时间和资金上都将造成很大的浪费，同时也容易出差错。
因此急需一种能自动检测水位，并根据水位变化的情况自动调节的自动控制系统；实现水库液位自动化测控，已然成为时代发展的必然趋势[2]。
随着科学技术的发展，自动化控制在日常生活中的重要性逐渐加大，近年来，自动化技术发展迅速，它在大型项目中更是得到了普遍的应用，国内外对自动化控制的研究还在不断的深入。
自动化控制在我国的发展以从工业中机械自动化扩展到现代日常生活中，并且自动化控制对现代生活的影响越来越明显，同时自动化控制在农村地区也发展空间也越来越大。
我国大多数学者对自动化控制的研究主要集中在工业方面，对自动化控制在日常生活中运用方面没有具体的论述和展开过。
对于水库等大型项目，水位的实时监控关系到社会民生，对水库液位的合理控制在社会可持续发展中显得举足轻重[3]。
随着社会的发展，利用科学技术合理设计实用的水库液位控制系统，掌握液位的实时变化状况，有助于人们进一步对自然环境、天气变化甚至是灾害预警提供可靠的支持。
经过查阅近几年来一些有关液位自动测控系统的文献期刊及相关书籍，本文根据目前国内外对水库液位自动测控系统的研究成果，借鉴其具体应用案例，析他们的水位控制方法，自己设计一套液位自动测控系统，深入体会设计过程及意义，并展望未来水位控制系统的发展状况。
1.2.研究目的与意义
随着我国经济的发展，为了达到水资源的合理利用，对水利部门的要求不断更新，监测内容也不断增加，对监测方法和监测技术的研发和应用也提出了越来越高的要求；而随着水利自动化技术不断发展，水利系统的自动化水平也在逐步提高，水库及水利设施的自动测控已是时代发展必然趋势[4]。
本次设计所涉及的水库水位监测用来监测水库水位，并做到实时自动控制目的。
本课题根据水库的水位测量需要,模拟设计单片机水库水位自动测控系统，该监控系统的设计将会大大节省了人力物力，能够低功耗的实现连续不间断监测，实时控制水库水位，更好的适应现代水位测量的需求。
1.3.单片机的研究背景
单片机是世界上数量最多的计算机，单片机在现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都无处不在。
单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的总和，甚至比人类的数量还要多。
我们现在用的许多家电里面都可以看到它的身影，它主要是作为控制部分的核心部件。
基于单片机的诸多优势，其应用领域也非常的广泛。
单片机应用的主要领域如下表所示[5]：
表1.3单片机的应用领域
应用领域
应用对象
特点
智能化家电
各类家电：
如冰箱、空调、洗衣机、电视机、微波炉、高级电子玩具、其他视听设备等
体积小，价格便宜，操作简便
而且可以实现智能化控制。
办公自动化
打印复印机、传真机、绘图机、考勤系统、电话
一般作为单机控制器使用，体积稍大，移动不便。
商业营销
电子称、条形码阅读器、出租车计价器，商场保安系统、空气调节系统等
功耗小，使用方便，易于操作与控制。
工业自动化
机床控制、机电一体化、各种过程控制、各种检测系统等。
体积比较大，既可以作单机控制器，又可作为多级控制的前沿处理机用于控制系统。
计算机网络与通信
以太网、无线遥控器，手机
及其他通信系统等
便携式、抗干扰能力强、使用范围广，智能化控制。
航天及国防高端领域
航天事业、飞机火箭上的应用，军事尖端武器
应用场合高端，达到精确控制效果，应用非常复杂
1.4.系统研究现状
目前国内外水库自动测控系统功能已经相对比较全面，采用计算机自动控制技术，实现了水库全自动化监测需求。
该系统功能丰富多样，支持远程控制方式，是一个比较先进的控制系统[7]。
目前我国在单片机测控装置研究、生产、应用中,取得了较好的成绩,总结了很多经验,但是各行业仍处于发展期,经调查,更多科研究所在这方面开展的工作更看重的是理论和算法,数年来这方面的研究的论文较多,着重生产实际的很少。
在上海,新型的单片机测控装置与系统研究的生产基础较雄厚,在生产过程中需要新型的测控装置与系统,因此在不断的努力研究与开发。
在单片机系统设计研究和应用上,国外一些具备先进技术的国家掌握单片机的核心技术，在实际项目设计上有非常丰富的经验,奠定了基础,所设计的产品进已经国际化应用。
我国在新型单片机测控装置与系统研究项目和经验上,与国外先进技术相比还存在很大差距,但是随着我国技术的发展，研究人员不断地积累实践经验，逐步提升自己，掌握核心技术,可以在相关领域赶上甚至超过发达国家的技术水平[8]。
使用单片机实现水体液位控制具有较高的实用价值和稳定性好等特点，可有效保证水位的自动控制，能更好地对水体水位进行自动化控制,避免了工作人员在现场进行检测操控,方便了人员对液位系统的控制,控制方便且系统稳定性能好；单片机不仅有体积小，安装方便，功能较齐全等优点，而且有很高的性价比，应用前景广，同时有助于发现可能存在的故障，通过微机实现给水系统的自动控制与调节，维持稳定系统，保证安全经济运行[9]。
本文就是采用8051单片机为主控芯片的一种水体水位控制系统，具有较高的实用价值和优越性。
本系统与PLC控制系统或其它高端ARM处理器控制系统相比大大降低了使用成本,提高了控制运行速度。
根据仿真模拟运行的结果表明,该系统能很好的运行,将液位控制在给定的范围内,对过高和过低进行安全报警,稳定性能好,容易操作和控制,保证了生产的正常进行。
1.5.课题研究内容
本课题的名称是“水库液位自动测控系统”，主要利用51系列单片机设计制作一套简易自动监测系统。
51单片机具有容易初学者上手、操作简单、实用性强的特点，片内资源丰富，足以用来完成水位自动监测。
利用STC89C51系列单片机作为主控芯片，辅以部分外围电路，通过程序联合硬件电路实现水库液位的自动控制系统。
该系统体积小，节省空间，实现自动测控，免除了繁重的人力工作，提高了系统效率，从而切实地为水利监测行业提供了一个解决方案。
2.
水位自动测控系统原理
2.1.水位传感器
水位传感器是一种测量液位的压力传感器．水位传感器是基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，采用隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号。
2.1.1.工作原理
容器（也可以是水库、水塔等储水设施）内的水位传感器，将感受到的水位信号传送到控制器，控制器内的计算机将实测的水位信号与设定信号进行比较，得出偏差，然后根据偏差的性质，向给水电动阀发出"关"的指令，保证容器达到设定水位；同理，当容器内的水位较高，需要放水时，将感受到的水位信号传送到控制器，控制器通过比较后，向排水电动阀发出"开"指令，确保容器内水量在最高警戒水位线以下。
2.1.2.水位传感器的应用
水位传感器广泛应用于水厂、污水处理厂、城市供水、高楼水池、水井、水罐、油池、水文地质、水库、江河湖海等场所。
对于不同类型的传感器，应用场合也不尽相同。
水位传感器属于液位传感器的其中一个类别，在社会各个领域都有非常多的应用。
以下是一些常见的水位传感器。
图2.1.2几种常见的水位传感器：
（a）液位报警器（b）贮水箱用水位传感器
（c）小型浮球水位开关（d）投入式液位变送器
以上水位传感器都是液位传感器中的其中一个类别，主要运用场合时以水为介质的液体，用法基本上是将传感器直接投入到液体中进行检测，通过传感器内部电路来感测液面的变化，从而来进行对应控制。
此外，还有很多种液位传感器涉及的工作介质可能是油、酒精等其他有机溶剂，应用情况各不相同。
2.2.控制原理
水位控制是指通过机械式或电子式的方法来进行高低水位的控制，可以控制电磁阀、水泵等，成为水位自动控制器或水位报警器，从而来实现半自动化或者全自动化。
水位开关搭配水位控制器来控制，电子式水位开关原理是通过电子探头对水位进行检测，再由水位检测专用芯片对检测到的信号进行处理,当被测液体到达动作点时，芯片输出高或低电平信号，再配合水位控制器，从而实现对液位的控制。
不需浮球和干簧管,外部无机械动作,耐污耐用,不怕漂浮物影响，任意角度安装,竖向安装有一定的防波浪功能，适宜长时间浸在水中,工作电压是直流5-24V，很安全。
举例：
把一个水位开关放在高水位A位置，另一个水位开关放在低水位B位置。
当水到达B位置时，继电器闭合，此时可控制水泵或电磁阀的启动，开始进水;当水上升到达高水位A位置时，继电器断开，水泵或电磁阀断电。
然后水又到低水位B位置，不断往复循环......
水位控制器与其他类型的的水位开关或液位传感器组合使用的原理与上述方法基本相同，在水库等大型应用场合，主控部分基本相同，只需改变外围电路即可。
目前在水库水位控制系统领域，多采用远程自动测控系统[10]，采用的控制框图如图2.2所示：
图2.2水库总体控制框图
工作流程：
从机传感器监测液位信号变化，经过ICL7135，将模拟信号转换为数字信号，从机控制器获得信号后控制从机电磁阀对应调整，同时在显示器上显示当前水位状态。
主机部分主要通过RS485通信来控制从机，从机也通过485通信将水位信息传递给主机，这样主机这边也可以实时反应水库液位状况，能通过键盘远程操控从机执行动作。
当然主机自己也可以通过主机传感器探知液位变化，调整主机电磁阀工作状态，即实现了主机与从机之间信息的互通。
2.3.系统功能及特点
1）本设计的液位自动测控系统的功能：
Ø由分立器件组成一个整个控制系统。
Ø控制方法简单，只用一块控制芯片。
Ø具备指示功能及报警功能。
Ø利用液晶显示屏实时显示水库液位状态。
2）本设计优点：
Ø低成本，设计简便。
Ø连续不间断监测。
Ø完全自动控制。
Ø系统的整体功耗低。
3.
系统的硬件电路设计
3.1.方案确定
要实现水库液位自动测控，就是要随时都需了解水库水位情况，从而进行相应控制。
因此，必须先测知当前水库液位状况，然后再通过主控芯片进行操作。
初步设计三套方案：
方案一：
利用模拟电路实现。
考虑到水库液位测控系统涉及的大多都是数字量或开关量，主要就是高低电平的转换，模拟电路在整个系统设计过程中显得无用武之地，即使实现了系统的设计要求，却也大大提高了系统的复杂性，且更容易出错，因此，不采用这个方案。
方案二：
利用数字芯片电路完成。
信号检测部分可采用水位（液位）传感器，采集的液位信号经过一定的处理后，通过由二极管三极管组成的信号处理电路（或由555定时器、运放组成的控制电路）探测当前水库水位情况，得到水位信息后，再经过数字芯片逻辑门电路进行相应的触发操作，驱动系统进行对应控制。
此方案的优点是系统具有一定的结构性，各部分模块功能相对独立，不需要软件编程，但缺点是硬件设计较为繁琐，电路比较复杂，不容易调试，易出现问题，因此也不用这个方案。
方案三：
利用单片机进行控制。
现代社会微处理器运用越来越广泛，单片机早已进入平常的工作生活之中。
信号检测部分还是通过液位传感器，信号经过稳压处理后得到稳定的被测信号，送至单片机进行处理，单片机进行判断后驱动另外的液位控制部分进行液位控制操作。
本方案只需通过单片机编写少量软件代码，配合简易的硬件设施，即可模拟水库液位自动控制。
电路设计简单，思路清晰，操作简便直观，且易于增加其它附加功能，丰富系统内容。
实际系统制作也相对比较简单，容易调试。
综合考虑，方案三既节省了成本，又降低了系统电路的复杂程度，节省了电路所占的空间，且在使用与操作上也更加方便，符合现代社会发展趋势，因此，本次设计采用方案三。
3.2.单片机选择
单片机在整个系统中起核心作用，是整个系统的控制中心。
根据不同的使用场合，单片机有不同的选择方法。
本课题中，实现水库液位自动测控，有了外围其他电路的辅助，单片机只需简单控制即可，而无需使用其它片上资源，因此，一块中低端8位单片机即可完成整个系统的控制，其它功能强大的中高端单片机或处理器（如msp430、DSP、FPGA、ARM处理器）组成的控制系统则显得资源浪费。
本设计就采用51单片机来完成。
51单片具有使用简单、价格便宜、片内资源比较丰富等优点，适合做中小型简单控制系统，也适合初学者上手[11]。
单片机的应用打破了人们传统设计思想，原来很多用模拟电路、脉冲数字电路和逻辑部件来实现的功能，现在均可以使用单片机，使用软件来实现。
3.3.系统整体框架
图3.3系统设计框图
系统的整体设计框图如上所示：
核心部分为单片机系统。
由传感器探测水位变化，经过信号处理电路之后，单片机根据其变化来控制加减水装置（此处为电磁阀，控制阀门的开与关动作），辅以指示灯、警报电路、LCD显示，提供良好的人机交互界面。
3.4.硬件电路各模块分析
3.4.1.水位传感器部分
传感器的选择在整个系统中的是最基本的部分，选择好的传感器类型。
传感器是能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，它通常由敏感元件和转换元件组成，它的性能直接影响到整个检测系统，对检测精确度起着重要的作用[12]。
在本系统中，水位传感器选择的优劣直接影响到整个系统的成败，由此可见传感器的重要性。
在本设计中，需要模拟水库液位控制系统，由于系统相对比较简单，所以没有使用专门的水位传感器来进行水位监测，而是通过简便方法，利用水的导电性，把导线直接作为传感器探头使用。
在系统中，涉及的都是5V以下的低压，不会有危险。
具体传感器电路如下图所示：
图3.4.1传感器信号处理电路
其中P1相当于水位传感器，本处由3根导线组成。
其中一根为电源线，通5V电源，其他两根分别为上下限水位线。
利用水的导电性，当导线触及水位时，接收到高电平，反之为低电平。
图中R7、R8为输入电阻，这两电阻不能省略，
且阻值必须足够大，不然系统无法正常工作。
信号处理部分主要是2组共4个三极管，此处型号为S8050。
系统工作时，理论上存在三种状态：
分别是低水位、正常水位、高水位状态。
当有水位线连通电源时，Q2或Q4三极管的基极b就为高电平，三极管处于放大状态，c、e两端压降比较小，因为e极接地，所以c极输出低电平；当水位线未连通电源时，即Q2或Q4三极管的基极为高电平，三极管工作在截止状态，集电极输出高电平。
理论上通过这两个三极管已经可以检测水位状态，但是在实际测试过程中效果不是很理想，因此，为了提高系统的稳定性与可行性，后续设计了两个三极管组成的开关电路，把前级探测信号取反，即：
当传感器接触到水时，经过Q2（Q4）输出低电平，而经过Q3（Q5）之后，最后输出高电平。
当触感器未接触水时，Q2（Q4）最终输出低电平，实际测试结果也表明，这样的设计效果更明显，也更稳定。
系统可以根据两个传感器不同的触水状况，得到三种不同状态。
实际上存在第四种状态，表明系统出错。
有了不同的状态，可以给后续电路提供稳定的水位探测信息了。
3.4.2.单片机最小系统
图3.4.2单片机最小系统
89C51系列单片机有40个引脚，如图3.5.2所示，包括P0、P1、P2、P3四个常用I/O接口，其中P1只作为一般输入输出口，P3口都具备第二功能，而P0口由于内部不含上拉电阻，外部使用时一般需要外接上拉电阻。
89C51单片机最重要的内部资源包括2个外部中断、2个定时器中断、1个串行口中断以及4KB片内程序存储器，只要能掌握单片机定时器、串口及中断的灵活使用，基本上就能掌握该芯片，本文主要利用单片机的定时器功能。
最小系统包括3个不可缺少的部分：
电源、晶振电路、复位电路。
51单片机是RST（9脚）持续2个机器周期以上高电平就触发复位，本系统设计可以实现上电复位和按键复位两种复位方式。
芯片的31脚接电源表示使用的是芯片内部程序。
P0口内部没有接上拉电阻，因此外接一个排阻（上拉电阻）增加其负载能力。
晶振电路中一般使用的外接晶振频率为12MHz、6MHz或11.0592MHz,两个30pF电容的主要作用是在电路工作时帮助晶振起振，为单片机正常工作提供稳定的时钟信号。
3.4.3.警报与显示电路
这部分电路包括指示灯指示不同的水位状态，警戒线水位报警，液晶屏直观显示水位状态3部分。
电路图如图所示：
图3.4.3警报与显示电路
上图左侧为指示灯电路，三个LED分别指示不同的水位状态,LED的正极接5V电源，负极通过一个限流电阻连接到单片机，通过单片机程序来控制哪个LED的亮与灭。
绿灯为正常水位指示灯，水位正常时常亮；红灯为高水位指示灯，当水库水位较高时，红灯一直闪烁警示；黄灯为低水位指示灯，当水库蓄水量不足时，黄灯保持闪烁，提示注意蓄水。
右侧为蜂鸣报警器，当蓄水量很高，超过警戒水位时，除了指示灯闪所以外，蜂鸣器也同时发出警报，提示工作人员注意水位状态。
下图为液晶显示屏的连接方法与实物图。
3脚的电位器主要用于调节显示内容的亮度，也可以直接接地。
15、16脚的电源用于调节整个屏幕的背光度。
LCD与数码管、LED点阵显示屏相比拥有显示内容更丰富、功耗更低、控制简单、方便使用等优点。
考虑到显示内容简单包含英文及其他字符，使用1602液晶屏更为合理。
3.4.4.电磁阀及排放水设备
考虑到模拟水库检测系统，本处主要为排水系统，进水系统暂不设计。
为了实现自动控制，设计中采用简易电磁阀门辅助完成。
市场有很多专用电磁阀门，针对性比较强，价格也比较高，本课题涉及的比较简单，市面上的低压12V直流可控电磁阀也有很多，价格也比较便宜，正好应用到排水系统中。
由于芯片供电电压为5V，而电磁阀门则需要12V的电压，因此需要借助继电器来完成，驱动继电器，仅仅靠单片机的I/O口的驱动电流也是不够的，因此需要三极管来放大电流，驱动继电器。
图中的D3二极管主要起保护作用，防止继电器在三极管截止瞬间产生的感应电动势和感应电流通过三极管烧毁单片机或其他电路。
具体电路如图3.5.4所示，其中P3即为电磁阀的
图3.4.4继电器控制电路
电磁阀是工业上常用的电磁控制设备，在控制系统中用来改变介质的方向、流量、速度等参数。
电磁阀一般和不同的电路来实现对操作介质的操控，它有很大的灵活性和控制精度，因此运用于许多电子控制系统中。
电磁阀有很多种，最常用的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调节阀等，不同的应用场合应该匹配不同种类的电磁阀，发挥其最大功效。
电磁阀的选择很关键，一般首先遵循安全性，可靠性，适用性，经济性四大原则，其次是视其应用环境，包括具体管道参数、流体压力、电气参数、动作方式。
选择电磁阀是还有几个特别关注点，包括安全性、适用性、可靠性、经济性[13]。
电磁阀的主要特点
Ø出现漏水概率微小，使用安全；
Ø系统简单，连接方便；
Ø体积小，功耗低；
Ø调节精度高，但是受到工作介质影响较大；
Ø型号多样，用途广泛；
Ø价格比较实惠，易于维护。
本系统所用电磁阀功能参数如下：
其中2W-08中的2W表示消耗功率为2W，另外线圈消耗功率为8W，因此总功率在10W左右，功耗很低。
●型号：
2W-08
●电压：
DC12V
●零起压启动
●线圈功率：
8W
●阀体材质：
黄铜
●使用流体：
空气、水、油
●传动方式：
直动式
●型式：
常闭式
●接管孔径：
1
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