水塔智能水位控制系统设计毕业设计 精品.docx

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毕业设计

水塔智能水位控制系统设计

摘要

水塔水位的控制系统是我国供水系统较为常用的，水塔供水的主要问题是塔内水位应该始终保持在一定的范围内，避免“空塔”、“溢塔”现象发生。

传统的控制方式存在控制精度低、能耗大的缺点，而智能控制系统的成本低，安装方便，灵敏性好，是节约水源，方便生活的水塔水位控制的理想装置。

本设计介绍的是一种由AT89C51单片机为主控元件的电压传感器的水塔水位测量系统。

压力传感器一般由弹性敏感元件和位移敏感元件组成。

弹性敏感元件的作用是使被测压力作用于某个面积上并转换为位移或应变，然后由位移敏感元件或应变计转换为与压力成一定关系的电信号。

测量时首先由安装在塔底的压力传感器感应被测水位高度并将其转换成电信号，经过信号调理电路进行滤波、放大，输出相应的直流电压信号，然后输入到串行的A/D转换器中进行模-数转换，模-数转换以后得到的数字信号直接送入单片机，经过单片机分析处理后根据相应的结果通过继电器对水泵电机进行控制，从而进行对水位的控制，于此同时将测量结果显示出来。

关键词:

单片机;压力传感器;水位控制

Watertower’sintelligentwaterlevelcontrolsystemdesign

Abstract

Watertower’swaterlevelcontrolsystemisrelativelycommonlyusedintheChinesewatersupplysystem;themainproblemofthewatertower’swatersupplyisthewaterlevelinthewatertowershouldalwaysremainwithinacertainrange,toavoidthe“emptytower”,“overflow”towerphenomenon.Traditionalcontrolmodeexisttheshortcomingofcontrolprecisionlow,energyconsumptionbig,andthecostofintelligentcontrolsystemislow,easyinstallation,andgoodsensitivity,itistheidealdevicetosavewater,tofacilitatethelifeofthewatertower’swaterlevelcontrol.

ThisdesignintroducesisAT89C51microcontrollerasamastercomponentofthevoltagesensorofthewatertower’swaterlevelmeasurementsystem.Thepressuresensorisgenerallycomposedbytheelasticsensingelementanddisplacementsensitivecomponents.Theroleoftheelasticsensingelementistomaketestedpressureinacertainareaandconvertedtodisplacementorstrain,thenthedisplacementsensitivecomponentsorstraingaugeisconvertedtoacertainrelationshipwiththepressureoftheelectricalsignals.Firstthepressuresensorinstalledinthebottomofthesensormeasuredtheheightofwaterlevelmeasurementsandconvertedintoelectricalsignals,afterthesignalconditioningcircuitfiltering，amplification,outputDCvoltagesignal,theentertheserialA/Dconverterforanalog-digitalconversion,afteranalog-digitalconversion,thedigitalsignaldirectlyintothemicrocontroller,aftermicroprocessoranalysisprocessingaccordingtotheresultsthrougharelaytocontrolthepumpmotor,thuscontrolofwaterlevel,atthesametimethemeasurementresultsaredisplayed.

Keywords:

SCM;pressuresensor;waterlevelcontrol

第1章绪论

1.1水塔水位的产生背景

从古至今，洗衣做饭、灌溉农田，水资源一直都在人们日常生活和生产中起着至关重要的作用，突然断水，不仅会给人们的生活带来大大的不便，而且如果长时间缺水，则很有可能造成严重的自然灾害甚至更大的损失。

因此，供水系统往往是建筑、生产或企业中最重要的基础设备之一。

然而，随着社会经济的飞速发展，人口密度的不断增加，水资源的利用率与节约用水意识就相对越发重要了。

在工业与民用建筑中，水塔是一种比较常见而又特殊的建筑，水塔是用于储水和配水的高耸结构，用来保持和调节给水网中的水量和水压，如果水塔的施工质量不好，轻则会造成渗漏水浪费水资源，重则报废不能使用。

针对水塔的工作过程和性质，水塔水位的检测与控制是其重中之重，用水者使用水会导致水塔水位的下降，为了保证用户的用水需求不会造成断水现象，水塔内应始终存有足够量的储水，这时需将水塔内设置一个水位下限值，当水塔内水位达到下限值时就需要向水塔内注水；但同时水塔内的水位又不能使水溢出水塔造成水资源浪费，这时候又需要给水塔设置一个水位上限，当水位达到水塔上限值时应立即停止向水塔注水。

在这个不断循环的过程中，如果通过人工监测水位控制水塔内水量会浪费大量的人力资源，因此，在现代水塔供水系统中采用智能水位控制是不可避免的趋势。

1.2水塔水位的研究现状

在水塔供水系统中，水塔必须满足两个前提：

第一，保证水塔内水量，不能造成缺水现象；第二，保证水塔内蓄水不溢塔，造成水资源浪费。

而现阶段的水塔智能控制系统设计中采用三种手段可实现上述功能：

（1）PLC水塔水位控制系统：

设计在蓄水池和水塔分别各自采用一个液位传感器，以为量取其各自的高低水位。

他们传输的数据传往PLC（可编程逻辑控制器），然后经由PLC进行数据处理、比较，最后输出控制水泵和电磁阀。

系统通过PLC启动后，当水池液位低于水池传感器下线液位时，电磁阀打开，开始往水池里注水，过5S以后，若水池液位没有超过水池传感器下线液位时，则系统发出警报。

待水位开始上升并被相应的液位传感器检测到时自动熄灭报警。

若系统正常，此时水池传感器下限液位向PLC输入一个固定值，表示现在水位高于下限水位。

当水位液面高于上限水位时，电磁阀关闭停止向水池注水；当水塔水位低于水塔下限时，则水塔传感器下限水位检测不到有水，水泵开始工作，向水塔供水，当10S以后，若水塔液位没有超过水塔传感器下线液位时，则发出警报。

（2）单片机智能水塔水位控制：

该系统中，单片机是控制的核心模块，分析处理传感器检测的数据，接收或发送数据等，除此之外，该系统还包括了以差压传感器为主的信号采集模块，以水泵为主的注水启停驱动模块，及报警、显示模块等。

首先通过传感器实时检测水塔水位，然后把水位数据传送到水塔处的单片机，单片机把数据与所设定的水位上下限作比较，如果水位低于下限，则启动抽水机抽水，保证水塔的水足够，如果水位达到了上限，则及时停止抽水，防止“溢塔”而浪费水，并且水位的上下限随时可以根据实际情况由拨码开关进行调整；同时该单片机控制无线发送器把水位数据发送到中央控制室的单片机处显示，实现实时监测目的。

（3）光纤传感器在水塔水位检测中的应用研究：

该方案的检测系统分别由中央控制式的中央监控单元和现场采集单（或数据采集单元）组成。

现场采集单元对水塔的水位信号进行数据的实时采集，同时完成数据统计、存贮；中央监控单元可以定期或不定期地从现场采集单元获取数据并完成图像监测、数据统计、报表、打印及数据库管理。

而中央监控单元和现场采集单元之间通过CAN总线连接在一起，在这个网络中，中央监控单元处于主控位置，而现场采集单元可以随时响应中央监控单元的命令。

其现场采集单元由单片机8C552及采集、存储、显示、遥控和通信模块组成，每个现场采集单元可与光纤液位传感器及光纤液位报警器等16个设备相接。

之所以应用CAN总线网络结构是由于CAN网络具有方便灵活、突出特性，抗干扰性、可靠性、实时性等特点。

所有的光纤液位传感器及光纤液位报警器都可以通过一对双绞线串接在一起，节省了空间、简化了布线。

1.3单片机的发展趋势及应用

单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。

尽管它的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：

CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。

同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。

而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。

单片机也被称为微控制器（Microcontroller），是因为它最早被用在工业控制领域。

单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。

最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。

单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。

1.4设计中水泵的工作方式

本次设计中水泵先向水塔供水，再由水塔向用户供水。

水塔的合理高度是要求水塔最低水位略高于供水系统所需要压力。

水塔注满后水泵停止，水塔水位低于某一位置时再启动水泵。

水泵处于断续工作状态中。

这种供水方式，水泵工作在额定流量额定扬程的条件下，水泵处于高效区。

这种方式显然节能省电，其节电率与水塔容量、水泵额定流量、用水不均匀系数、水泵的开、停时间比、开、停频率等有关。

供水压力比较稳定。

1.5本次设计的内容

水塔智能水位控制系统是一个完整的液位控制系统，它包括采样、处理、控制等部分组成，论文将论述整个系统的设计思想、基本结构框架、主要硬件设计与软件程序这几部分问题。

水塔智能水位控制系统对水位的监控具有严格的要求，所以如何设计水塔水位的检测将是本次设计的关键因素。

本论文各章节的安排如下：

第1章：

介绍了水塔水位的研究现状,并且介绍了部分重要组件的应用。

第2章：

从设计成本及实现智能控制角度，给出总体设计框图及方案，介绍系统各组成模块的功能。

第3章：

对系统各个组成部分进行详细的硬件选型设计，及各个组成部分之间的连接方式。

第4章：

水塔智能水位控制系统的软件设计及软件程序流程图。

第5章：

对本次论文的所有设计进行了总结。

第2章方案论证

本次对水塔智能水位控制系统的设计采用以51单片机为核心，由采样模块、控制模块、显示模块、电源模块、时钟复位等组成，