水位控制器的设计.docx

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水位控制器的设计

河北经贸大学毕业论文

水位控制器的设计

、

摘要

在日常生活和工业生产中，水位控制装置有着十分广泛的应用，如水塔、楼房水箱等。

水位控制装置的形式有很多种，浮子式开关、行程开关、电节点式开关、压力式开关、电子式开关、微机式开关等。

这些装置或多或少的存在一些缺点：

浮子式开关采用机械结构，维护起来不方便；微机式控制装置，虽然操作方便，但造价较高……本设计从实用性和经济性出发，设计了一种水位自动控制装置。

该装置采用电子式水位开关，结构简单，维护方便，工作可靠，性能价格比优良，而且在不同程度上克服了其他方法的一些缺点，并提供了自动报警，自动保护功能，在多种场合下均可以采用。

水位控制器是近年来开发的一项新技术，它是传感器、硬件、软件等几项技术紧密结合的产物，作为水塔水位控制装置，其主要任务是保证水塔的安全、稳定、经济的运行，减轻工作人员的劳动强度。

采用集成电路，能对水塔水位进行自动检测、自动控制等多项功能。

由于我国水位测量操作水平落后，工作人员过多，但是现在水位控制器为水位控制开辟了广阔的前景。

本设计的主要功能是使水箱中的水位保持在一定范围内：

当水位低于最低水位时，自动控制电机转动抽水，使水位上升，并报警；当水位高于最高水位时，电机停止抽水，并报警。

同时，该设计还应该具有显示各时刻水位的功能。

本设计主要包括以下几部分电路：

信号产生电路，信号处理电路，电机控制电路，显示控制电路，报警控制电路。

关键词水位控制；自动报警；自动供水

Abstract

Inourdailylivesandindustrialproductions,waterlevelcontroldeviceshaveaverywiderangeofapplications,suchaswatertowers,buildings,cisterns,etc.Waterlevelcontroldevicescantakemanyforms,floattypeswitchesandtravelswitches,electricitynodetypeswitches,pressuretypeswitches,electronicswitches,microcomputertypeswitches,etc.Therearemoreorlessdisadvantagesinthesedevices:

floattypeswitchesusesmechanicalstructure,themaintenanceofthemisveryinconvenient;Althoughmicrocomputertypecontroldeviceshasaconvenientoperation,itscostishigher...Thisdesignmakesakindofwaterlevelautomaticcontroldevicefrompracticalandeconomypointofview.Thisdeviceusesanelectroniclevelswitchwithasimplestructure,aconvenientmaintenance,areliableandanexcellentfunctiontopriceindifferentdegrees,andovercomestheothermethodsofsomeshortcomings,andoffersautomaticalarming,automaticprotectingfunctionadaptsinavarietyofsituations.

Waterlevelcontrollerisanewtechnologydevelopedinrecentyears,itisaproductcombinedcloselywiththesensor,thehardware,thesoftwareandsoon.Asawatertowerlevelcontroldevice,itsmaintaskistoguaranteethesafety,stabilityandtowersofeconomicoperation,toreducetheworkingstaff'sworkingintensity.Usingintegratedcircuits,canbringaboutmanyfunctionssuchasautomaticallytestofthetowerswaterlevel,automaticcontrollingandsoon.Asthelevelofmeasurementoperationinourcountryistoobackward,thenumberofworkersistoolarge,nowthelevelcontrollerforwaterlevelcontrollingisopeningupbroadprospects.

Themainfunctionofthedesignistokeepthewatertankinacertainrange:

whenthewaterlevelislowerthantheminimumlevel,itautomaticlycontrolsthemotortorotateandpumptomakethewaterlevelrise,andalarms;Whenthewaterlevelishigherthanthehighestlevel,themotorstopspumping,andalarms.Meanwhile,thisdesignshouldalsohasthefunctionofdisplayingthelevelofwatereverytime.

Thisdesignincludesseveralpartsofcircuit:

thesignalproducingcircuit,thesignalprocessingcircuit,themotorcontrollingcircuit,thedisplayingandcontrollingcircuitandthealarmcontrollingcircuit.

KeywordsWaterlevelcontrolling；automaticalarming；automaticwatersupply

目录

1绪论1

1.1自动控制器的发展历程1

1.2本课题的提出与意义6

2信号产生部分7

2.1电子式水位开关7

2.2基本原理8

3信号处理与控制10

3.1信号放大部分10

3.2信号处理与控制11

3.2.1单片机11

3.2.2程序设计框图12

3.2.3程序代码12

4水位显示电路14

4.1七段显示译码器简介14

4.1.1LED和LCD显示器14

4.1.2BCD七段显示译码器14

4.2基本原理14

4.2.1电路连接14

4.2.2元器件选择16

5整体设计17

5.1整体设计思路17

5.2整体设计框图17

5.3整体设计原理图18

6结论19

致谢20

参考文献21

水位控制器的实现

1绪论

1.1自动控制器的发展历程

水位控制器属于自动控制领域，是自动控制理论的一种实际应用。

自动控制就是指这样的反馈控制系统，就是有一个控制器跟一个控制对象组成的，把这个控制对象的输出信号把它取回来，测量回来以后跟所要求的信号进行比较。

根据这误差告诉控制器，这就是机器内部的工作了。

让控制器完成这个控制作用，使得这个偏差消除或者说使得控制对象的输出跟踪我所需要的要求的信号。

控制对象的输出量一般来说都是一个物理量，比如说我控制一个机器的转速，就是需要把速度测量出来，才能进行控制。

自动控制系统，从一开始出现的时候，大家假如接触到这门学科的话，可能都知道是瓦特的离心调速器。

这是离心调速器的几种方案的示意图，什么叫离心调速器呢？

就是有两个飞球，一转起来以后，因为离心力，飞球就往外胀。

飞球胀开以后，这个下面的套筒就往上升，这个套筒在移动，就带动执行机构动作，这是最早的瓦特的离心调速器。

实际上这个离心调速器不是瓦特发明的，一般我们叫瓦特的离心调速器，它实际上不是瓦特的发明。

因为就是在那个时期，大家看到风力磨坊就是相当于离心调速器的那个飞球，实际上在那个时候，已经有这样的调速器。

瓦特是发明了蒸汽机，用了这样的一个调速器，但是现在很多人都愿意把这个离心调速器，挂在瓦特的名下。

所以一般的书上，大家看到的是瓦特的离心调速器，你要看正式的书，假如材料写的确切的话，只说1788年前后，不确切说哪一天的年代，因为不是他发明的。

就是说一项科学技术的发展，并不是一个人，就是说瓦特又能发明蒸汽机又能发明调节系统，好像什么都是他发明的，实际上他也利用了前人的很多知识的积累。

这是1788年，随后大概有一百年左右的历史，工业里边自动控制系统就是个离心调速器，当时主要就是个蒸汽机，蒸汽机离心调速器，没有别的类型，后来进到二十世纪，就是出现了飞机。

大家可能知道的,斯佩雷（Sperry）发明了陀螺，他想办法把陀螺做成一个自动驾驶仪。

现在再一个报道，就是1925年到1940年之间斯佩雷（Sperry）的那个工作，这里谈的是anti-aircraft，就是防空火力控制，火力控制是这样的。

它这个火力控制，这里一大堆人的地方，这是它主要的核心部分，叫火控指挥仪。

火控指挥仪是指什么意思呢？

根据飞机的方位角、高低角，飞机在飞还有一个前置角，打前置角，把这个呢，控制火炮，告诉火炮。

就是这个地方是它的指挥仪，等到火力控制的地方，这里站了三个人，当时的术语叫人工伺服，三个人，为什么三个人呢，一个方位角，一个高低角，还有一个引信。

因为他那时候还要算出来，就是要指挥仪算，算出来我炮弹飞到你飞机的时候，需要多少时间。

引信就是指一个定时器，它拨到可能几秒钟以后爆炸，所以需要这三方面的高低角、方位角，再加上定时爆炸，才能把飞机打掉。

这是1940年前的，这个是美国的火力控制的情况。

但是到真正我们核心搞控制的人来说，火炮控制部分是人工伺服humanservo。

这个就是当时的斯佩雷（Sperry）公司搞的，主要它的工作就是这个指挥仪。

这个指挥仪怎么工作，大家可以看到，这个火炮上站着的，围着指挥仪是一帮人。

当时是1940年前后，所以这个人站在上面都是很危险的，因为上面敌人飞机过来，是这么一个情况。

到了1940年以后，火力控制系统发生很大的变化，你看这上面人已经很少了。

这个变化是谁搞的呢？

这里有一个贝尔实验室里边的一个年轻的工程师帕金森（Parkinson），只有29岁。

就是一个一般的技术员，当时是一般技术员，这个帕金森（Parkinson），他就是一个低职位的工程师，让他承担的任务是绕电位计，就是1940年那天晚上他做了一个梦。

他梦到用电位计控制的记录笔也可以控制火炮的发射，他这个梦就促进了自动控制技术的发展。

刚才讲的纯粹是一个技术，但是跟技术配套的理论上，就是我们这里看的是有麦克斯维尔，就是有这几个人了。

我把这几个人的研究介绍一下。

蒸汽机的离心调速器，刚出来的时候，大家不知道有反馈的概念，所有的问题都集中在调节器本身，一会儿说你是调节器重量太小了，应该大一点；一会儿说这里要有个弹簧，一会儿又说这有弹簧也不好；一会儿说里边因为摩擦力影响，就一直没有从反馈系统来考虑，就是单个孤立的一个控制器。

麦克斯维尔把这个系统看作调节器，跟调节对象合在一起，用微分方程来进行研究，这是麦克斯维尔的功劳。

但是麦克斯维尔，从我们今天来说，就相当于停留在理论上。

当然他当时不完全是纯理论，他在实验室做了个调速器，完了进行研究，研究了指出这微分方程的特征根在左半面或右半面跟稳定有关系。

他正式提出的，但是他解决不了，就是判别的问题，他只能做到三阶系统怎么判别。

1876年，俄国的维斯聂格拉斯基，他是专门搞实际研究的，他们当时有一种直接作用调速器。

就刚才说的，一会儿说这个有问题，一会儿说那个问题，老找不到问题，准备把整个方案都要放弃了。

维斯聂格拉斯基结合了他当时的蒸汽机，结合了他这个蒸汽机的特性，就指出来参数更应该是怎么选择，才能保证稳定。

维斯聂格拉斯基，就是结合工业实际，大家对他的评价很高，他就解决了当时差不多在一种调节器就要下马的情况，他指出来就是一个参数问题，所以他在工业上，是立了很大的功劳。

在这个同时，1877年有个代数判据，劳斯代数判据，劳斯判据怎么来的呢？

劳斯就是麦克斯维尔的学生。

在这个同时，1895年，胡尔维茨（Hurwitz）也在不同的情况下，不知道劳斯的情况下。

因为那个时候的欧洲不像现在学术交流这么频繁，当时没有什么学术交流。

但是胡尔维茨（Hurwitz）的不一样，胡尔维茨（Hurwitz）解决的是瑞士达沃斯电厂的一个蒸汽机的一个调速系统的设计，就用稳定性理论来设计。

胡尔维茨（Hurwitz）被认为是真正用控制理论，来用到控制系统设计的第一个例子。

所以我现在这里列出来的这四个人，两个人是学校里的学究式的，就是麦克斯维尔跟劳斯，但是他的功劳也不能磨灭，维斯聂格拉斯基跟胡尔维茨（Hurwitz），都是实际上出来的，就解决实际问题，这是两个不同的。

但是最后，劳斯，胡尔维茨（Hurwitz），都拿出来，现在都有用的代数判据。

在这个里边，还有一个人，也应该提一下的。

就是我们用的是个负反馈，真正使用负反馈是谁呢？

是贝尔实验室的布莱克，也是一个年轻的工程师。

在1927年的8月2号发明的。

布莱克已经在这个之前，专门研究了电子振荡器，电子振荡器是用反馈工作的，当然是正反馈了，所以他有这个基础。

完了正好这么一想，我这个线性化为什么不用这个方法呢？

就是他有工作的积累，布莱克有很多用反馈原理构成振荡器线路的这些工作基础，完了老在想这个问题，这样灵感就出来了，就做出来这个负反馈放大器。

　　尼可尔斯（Nichols），他提出来的PID的整定法。

整定法是尼可尔斯（Nichols）在二十世纪40年代提出来的，他做了PID，他想办法把PID调出来，想办法参数应该怎么整定，需要用模拟机。

当时美国惟一一台模拟机，当时的模拟机叫微分分析仪，麻省理工学院的。

这个模拟机的制造人是谁呢？

就是刚才说的，当时是维布什（VannevarBush）,后来他是美国总统的科学顾问，原来就是搞自动控制的，他设计了这个微分分析仪，现在叫模拟机。

尼可尔斯（Nichols）就在这个模拟机上做了大量的仿真实验，最后列出来这个PID的整定表，50年过去了现在大家还在用。

有一样工作50年不变的就是这个PID整定表，现在还在用，就是尼可尔斯（Nichols）发明的。

下一要介绍的是钱学森的《工程控制论》。

钱学森是1954年写的书，当时他在美国写的书，我们这里也拿不到英文版，但是前苏联很重视，前苏联马上把它翻成俄文。

我们看到的前苏联是1956年把他的俄文，翻译出来了，我们当时看到的是俄文版，这是在大概二十世纪50年代形成过程里边的几个主要的过程，把经验都总结出来。

下一本是鲁里叶（Lurie）的非线性的一个经典著作，这个是1951年出版的鲁里叶（Lurie）的那本书。

鲁里叶（Lurie）在前苏联大概1944年他提出来，大家现在搞非线性可能都知道，提出来一个鲁里叶问题，这个问题一直解决不了，他后来写成书了，就是留着这问题。

他提出来的鲁里叶（Lurie）问题，一直到1960年才有人解决，提出来一个解决方案，就是波波夫（Popov）的绝对稳定性。

后来就提出来超稳定性，是解决的这个鲁里叶（Lurie）问题。

就是说这本书当时二十世纪50年代，二十世纪40年代后期，50年代初的一些工作，一直影响到二十世纪60年代，而且还影响到目前一些非线性的理论工作，都是以他这个为基础。

50年代的时候，一般都叫经典控制理论；60年代叫状态空间法，实际上就是状态空间方法，但是呢，当时的名称，把它叫做现代控制理论了；后来70年代是现代频域法，这么一个过程。

接下来现在就是要说明一下状态空间法，完了就叫现代控制理论。

这个状态空间法是前苏联的一些学者先提出来的。

他们搞应用数学、搞力学的，他们从来就是用的是状态空间法。

1960年卡尔曼把它介绍到英语世界，这个世界用英语来说是Englishspeakingcountry，就是说英语的国家里边去，因为本来大家都不知道，卡尔曼是个斯拉夫名字。

他1960年的时候，他把状态空间法介绍给美国。

这个就是发展了十年以后，就发现期望过大了，好像也只不过如此吧！

有些问题你也没解决了。

所以那个时候，又有人回到频域法，就是最早50年代是频域法，60年代状态空间，70年代又回到频域法。

就这个时候的频域法就加了个名字，叫现代频域法。

实际上是螺旋上升，又回到频域法。

觉得频域里边来考虑设计问题还是比较恰当的，考虑一些设计要求，就出现了这个频域法。

正好在现代频域法发展的这个势头上的时候，1981年有人写文章说你这个没有鲁棒性，我们现在大家搞控制理论知道要鲁棒设计。

说你这个现代频域法没有鲁棒性，当时人家不信、不服，经过80年代的论证，争议慢慢形成。

到1991年，就是现在的有人当然是你可能这个术语不一定统一，有人把它叫做现代后控制理论，Postmoderncontroltheory。

这个要说到，我们从多变量系统来说，多变量系统实际上是多入多出系统。

多变量不太恰当，输入有好多个，输出有好多个。

多变量里一个问题，叫做耦合，就是输入输出之间互相耦合。

控制的时候，直观的要求就是要解耦控制，解耦控制以后呢！

就是这个1跟输出1可以组成反馈系统，这个2呢！

跟输出2可以组成反馈系统，这个设计的时候就比较容易了。

但是解耦设计是个什么概念？

解耦设计实际上要求输入输出之间的关系，我1控制1，2控制2，用我们的术语来说这是响应特性，并不表示我的反馈系统有些什么特点，有些什么要求。

　鲁棒性不是我们一般数学上的问题。

就是实际上提出来的问题，就是解决这个设计到底能不能用的问题。

所谓我有鲁棒性，就是计允许有这个差别，允许有不确定性，在纸面上设计的系统做成控制器以后，到实际上用，照样有这个性能，这才叫你的设计具有鲁棒性。

所以这个鲁棒性的概念就是80年代提出来的，逐渐形成了我们现在说的现代后控制理论。

现代控制理论用黎卡提方程。

我们现在用的，现代后控制理论里用的是线性矩阵不等式，线性矩阵不等式的解法都是用MATLAB的软件来解的，所以整个计算工具，就是我们考虑的对象、研究内容等等都出现了变化。

所以有人把它叫做现代后控制理论。

1.2本课题的提出与意义

水是人类赖以生存的宝贵资源，节约用水已为人类所共识，因此对水位的控制具有十分重要的意义。

在人们的日常生活用那个水中，会经常要用到水箱里的水，是水箱里的水保持在一定的范围内，并能较准确的显示出当前水箱中的水位，会给我们的生活带来很大的方便。

目前，自动控制理论在工业生产和日常生活中有着越来越广泛的应用，各种各样的自动控制类产品层出不穷，自动水位控制器作为自动控制理论的实际应用的例子，其设计具有一定的代表性。

单片机芯片作为控制系统的核心部件，除了具备通用微机CPU的数值计算功能外还具有灵活、强大的控制功能，以便实时监测系统的输入量、控制系统的输出量，实现自动控制。

此外，单片机还有很多优点，如下：

（1）抗干扰性强，工作温度范围宽。

（2）可靠性高。

（3）控制功能很强。

（4）指令系统比通用微机系统简单。

利用单片机来实现水位控制器的控制环节，可体现出单片机在控制领域的简便、灵活等优点。

在水位开关方面，也曾出现过多种形式的开关，被设计采用电子式水位控制开关，以克服其他形式的开关操作复杂，维护困难，造价高等缺点。

此开关用于产生不同档位的水位信号，以便控制电动机、水位显示和报警电路的工作。

本课题正是基于以上需要所设计，有着十分重要的意义。

2信号产生部分

2.1电子式水位开关

电子式水位开关工作原理:

（常规尺寸为150×20mm、150×25mm等）

通过内置电子探头对水位进行检测，再由芯片对检测到的信号进行处理，当判断到有水时，芯片输出高电平24V或5V等，当判断到无水时，芯片输出0V。

高低电平的信号通过PLC或其它控制电路来读取，并驱动水泵等用电器工作。

产品可以任意方向安装，当横向安装时，水位到达蓝线就动作，且精度较高。

产品竖向安装时，水位到达红线就动作，有一定的防波浪功能。

产品用环氧树脂封灌，密封防水，可长期浸在液体中，外部无机械活动部件，寿命长。

电子式水位开关特点:

（1）特性：

耐污、耐倾摇、耐颠簸、抗摔性强、耐酸碱，不怕磁场影响、不怕金属体影响、不怕水压变化影响、不怕光线影响，没有盲区，不怕固体漂浮物的影响。

（2）适用范围：

清水、各种污水、酸碱水、海水、水处理药剂、河涌水、纺织印染水、工业废水，还适合做船舶水位开关等

（3）适用行业：

自来水厂、名贵水产养殖业、植物育种、水库、供电房、污水处理行业等

（4）安装方法：

同一水位开关，可以横装、竖装、斜装等不规则自由安装,灵活方便。

（5）固定方法：

简单易用，可用螺纹接口（M20）固定或管夹固定

通过电子式水位开关（BZ2401或BZ0501）和搭配的水位控制器（BZ201、BZ202）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......

这种方式较实用，耐污，寿命长，安全。

2.2基本原理

该部分的主要目的是产生有效的输入信号，主要原理是利用水的弱导电性。

水属于弱导电质，即使这样也可以通过水来传递微弱的电信号。

见于此原理，初步将该部分设计成由水面的上升与下降来控制电信号的接通与断开：

当水位上升时接通电信号；当水位下降时断开电信号。

在水塔里放上用来传递电信号的探头，则水位上升到探头位置时接通电信号；水位低于探头位置时断开电信号。

把电信号接通时设为有效信号即当做输入信号，而断开始设为无效信号，因此可以由电信号的接通与断开之间的变化产生信号当做控制信号。

在水塔的不同位置防止几个探头时就可以根据水位的高低接通某些探头和断开某些探头，因此只要知道每个探头的具体位置，再根据其输出电信号的情况就能大致确定水位的位置，将探头输出地电信号当做输入信号经过处理后成为电路的控制信号。

设计该部分主要在于探头个数的选择与探头放置位置的选择。

因为探头的个数关系