【正文】 ......................... 33 參考文獻(xiàn) ............................................... 34 致謝 ................................................... 35 天津科技大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 第 一 章 緒論 第一節(jié) 課題背景與研究意義 中國(guó)水資源總量居世界第六位，但人均占有量?jī)H為世界人均占有量的四分之一，并且在地域上分布很不平衡，長(zhǎng)江以北的廣大地區(qū)，特別是北方大、中城市大部分地區(qū)處于缺水狀態(tài)，水資源短缺已成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)重要因素。合理的利用水資源已成為我國(guó)現(xiàn)在急需解決的一個(gè)重要問(wèn)題。為了達(dá)到水資源的合理利用，我們可以充分應(yīng)用新的 信息 技術(shù) 實(shí)現(xiàn)水位智能控制。 在日常生產(chǎn)生活中，人們經(jīng)常要對(duì)水位、液位進(jìn)行控制。水塔水位控制系統(tǒng)是我國(guó)住宅小區(qū)普遍應(yīng)用的供水系統(tǒng)。而住宅小區(qū)用戶用水的多少是經(jīng)常變動(dòng)的，因此供水不足或供水過(guò)剩的情況時(shí)有發(fā)生。 而用水和供水之間的不平衡集中反映在用水高峰期和低谷期，即用水多而供水少，給水塔水位低；用水少而供水多，則給水塔水位高。為保證住宅小區(qū)用戶用水量的供應(yīng)，必須實(shí)現(xiàn)對(duì)水塔水位的智能控制。 近幾十年來(lái)，隨著生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)控制技術(shù)己滲透到各種科學(xué)領(lǐng)域，成為促進(jìn)當(dāng)今生產(chǎn)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的重要因素。不論當(dāng)今社會(huì)經(jīng)濟(jì)如何飛速發(fā)展，水在人們正常生活和生產(chǎn)中依然起著不可替代的重要作用。一旦斷水，輕則給人們生活帶來(lái)極大的不便，重則可能造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故及損失。傳統(tǒng)的水塔供水是直接采用水泵，供水過(guò)程中只能通過(guò)人為判斷水塔水位及水井水位，人為控制水泵何時(shí)工作，何時(shí)停止，這樣的供水系統(tǒng)，不但自動(dòng)化程度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低，而且安全性難以保障，因此必須對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化控制的改造。 水塔供水的 主要問(wèn)題是塔內(nèi)水位應(yīng)始終保持在一定范圍，避免“空塔”、“溢塔”現(xiàn)象發(fā)生。在實(shí)際供水過(guò)程中要確保水位在允許的范圍內(nèi)浮動(dòng)，應(yīng)采用電壓控制水位。首先通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)測(cè)量水位變化，從而控制電動(dòng)機(jī)的啟停，保證水位正常。因此，設(shè)計(jì)一套成本低，安裝方便，靈敏性好，節(jié)約水源，方便家庭和單位控制水塔水位的理想控制裝置具有十分重要的意義。 第二節(jié) 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展 目前，控制水塔水位的方法較多。其中較為常用的是由單片機(jī)控制的智能水位控制系統(tǒng)，它實(shí)現(xiàn)了水位的自動(dòng)控制、實(shí)時(shí)顯示、故障報(bào)警等功能，使水塔內(nèi)水位保持恒定，從而提高了水塔 供水系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。本研究課題給出了以 Atmel 公司 AT89C5l 單片機(jī)為核心器件的水塔水位檢測(cè)控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)。它可以實(shí)現(xiàn)水位的檢測(cè)控制、電機(jī)故障檢測(cè)、處理和報(bào)警等功能，并在 Proteus軟件環(huán)境下實(shí)際仿真。該系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)檢測(cè)控制功能，具有較高的使用價(jià) 天津科技大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 值。 根據(jù)測(cè)量水位的感應(yīng)元件與被測(cè)水位是否接觸，水位測(cè)量控制系統(tǒng)通常分為接觸型和非接觸型兩大類。由于接觸型水位測(cè)量系統(tǒng)的感應(yīng)元件與被測(cè)水位接觸，且都存在著與被測(cè)水位相接觸的測(cè)量部件大多帶有可動(dòng)部件，因此存在著一定的磨損且容易被水玷污或粘住，尤其是 桿式結(jié)構(gòu)裝置，還需有較大的安裝空間，不方便安裝與檢修。非接觸型水位測(cè)量系統(tǒng)的感應(yīng)元件與被測(cè)水位不接觸，測(cè)量部件不會(huì)受被測(cè)介質(zhì)的影響，也不影響被測(cè)介質(zhì)，因而其應(yīng)用范圍更加廣泛。 在水塔供水系統(tǒng)中，水塔必須滿足兩個(gè)前提：第一，保證水塔內(nèi)水量，不能造成缺水現(xiàn)象；第二，保證水塔內(nèi)蓄水不溢塔，造成水資源浪費(fèi)。而現(xiàn)階段的水塔智能控制系統(tǒng)常采用三種手段可實(shí)現(xiàn)上述功能。 一、 PLC 水塔水位控制系統(tǒng)：利用液位傳感器，量取水塔內(nèi)水位的高低，并把傳輸?shù)臄?shù)據(jù)傳往 PLC（可編程邏輯控制器），然后經(jīng)由 PLC 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、比較，最后輸出 控制水泵和電磁閥。系統(tǒng)通過(guò) PLC 啟動(dòng)后，當(dāng)水位低于水塔傳感器下限液位時(shí)，電磁閥打開(kāi)，開(kāi)始往水塔內(nèi)注水，當(dāng)水位液面達(dá)到上限水位時(shí)，電磁閥關(guān)閉停止注水；當(dāng)水塔水位高于水塔液位上限或低于水塔液位下限時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)。待水位開(kāi)始下降或上升后并被相應(yīng)的液位傳感器檢測(cè)到時(shí)自動(dòng)熄滅報(bào)警。若水位正常，此時(shí)水塔傳感器下限液位向 PLC輸入一個(gè)固定值，表示現(xiàn)在水位高于下限水位。 二、 單片機(jī)智能水塔水位控制：該系統(tǒng)中，單片機(jī)是控制的核心模塊，進(jìn)行分析處理傳感器檢測(cè)的數(shù)據(jù)、接收或發(fā)送數(shù)據(jù)等。除此之外，該系統(tǒng)還包括了以差壓傳感器為主的 信號(hào)采集模塊，以水泵為主的注水啟停驅(qū)動(dòng)模塊及報(bào)警、顯示模塊等。首先通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)水塔水位，然后把水位數(shù)據(jù)傳送到單片機(jī)，單片機(jī)把數(shù)據(jù)與所設(shè)定的水位上下限作比較，如果水位低于下限，則啟動(dòng)抽水機(jī)抽水，保證水塔的水足夠，如果水位達(dá)到了上限，則及時(shí)停止抽水，防止“溢塔”而浪費(fèi)水，并且水位的上下限隨時(shí)可以根據(jù)實(shí)際情況由撥碼開(kāi)關(guān)進(jìn)行調(diào)整；同時(shí)該單片機(jī)控制無(wú)線發(fā)送器把水位數(shù)據(jù)發(fā)送到中央控制室的單片機(jī)處顯示，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)目的。 三、 光纖傳感器在水塔水位檢測(cè)中的應(yīng)用研究：該方案的檢測(cè)系統(tǒng)分別由中央控制式的中央監(jiān)控單元和現(xiàn)場(chǎng) 采集單 (或數(shù)據(jù)采集單元 )組成?，F(xiàn)場(chǎng)采集單元對(duì)水塔的水位信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，同時(shí)完成數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、存貯；中央監(jiān)控單元可以定期或不定期地從現(xiàn)場(chǎng)采集單元獲取數(shù)據(jù)并完成圖像監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、報(bào)表、打印及個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，中央監(jiān)控單元處于主控位置，而現(xiàn)場(chǎng)采集單元可以隨時(shí)響應(yīng)中央監(jiān)控單元的命令。其現(xiàn)場(chǎng)采集單元由單片機(jī) 8C552 及采集、存儲(chǔ)、顯示、遙控和通信模塊組成，每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)采集單元可與光纖液位傳感器及光纖液位報(bào)警器等16 個(gè)設(shè)備相接。之所以應(yīng)用 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是由于 CAN 網(wǎng)絡(luò)具有方便靈活、 天津科技大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 突出特性，抗干擾性、可靠性、實(shí)時(shí)性等特點(diǎn) 。所有的光纖液位傳感器及光纖液位報(bào)警器都可以通過(guò)一對(duì)雙絞線串接在一起，節(jié)省了空間、簡(jiǎn)化了布線。 單片機(jī)智能水塔水位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，安裝方便，可靠性高，靈敏性好，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水位，實(shí)現(xiàn)了安全、充足、自動(dòng)化的供水，因而得到了廣泛的應(yīng)用。 第三節(jié) 本課題主要研究?jī)?nèi)容 水塔智能水位控制系統(tǒng)是一個(gè)完整的液位控制系統(tǒng)，它包括采樣、處理、控制等部分組成，課題將研究整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想、基本結(jié)構(gòu)框架、主要硬件設(shè)計(jì)與軟件程序這幾部分問(wèn)題。水塔智能水位控制系統(tǒng)對(duì)水位的監(jiān)控具有嚴(yán)格的要求，所以如何設(shè)計(jì)水塔水位 的檢測(cè)將是本次設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。 天津科技大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 第 二 章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 第一節(jié) 本課題對(duì)水塔智能水位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使用 是 以 AT89C51 單片機(jī)為核心，由測(cè)量模塊、控制模塊、顯示模塊、電源模塊、時(shí)鐘復(fù)位等組成。 整個(gè)系統(tǒng)組成框圖 如圖 21所示。 圖 21 系統(tǒng)組成框圖 在我們水位控制過(guò)程中，首先由安裝在塔底的壓力傳感器感應(yīng)到水塔的水位變化 ， 然后將水位信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，信號(hào)傳送到調(diào)理電路后，由調(diào)理電路進(jìn)行濾波、放大，輸出變化后的直流電壓信號(hào)，然后輸入到串行 A/D轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，模 數(shù)轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字信號(hào)直接送入單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)分析處理后根據(jù)相應(yīng)的結(jié)果通過(guò)繼電器對(duì)水泵電機(jī)進(jìn)行控制，從而進(jìn)行對(duì)水位的控制，單片機(jī)將信號(hào)處理后，輸出到顯示模塊，并由顯示模塊顯示出來(lái)。 水塔智能水位控制系統(tǒng)的測(cè)試控制流程如圖 22所示。 壓 力 傳 感 器 壓 力 信 號(hào) 水泵電機(jī) 模 數(shù) 轉(zhuǎn) 換 單 片 機(jī) 顯示模塊 報(bào)警模塊 電源模塊 繼電器控制 天津科技大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 圖 22水塔智能水位控制系統(tǒng)測(cè)試控制流程圖 第二節(jié) 測(cè)量模塊 水位測(cè)量早期大多采用機(jī)械原理 ,但近些年由于電子技術(shù)發(fā)展迅速，逐步應(yīng)用了機(jī)電一體化，并且發(fā)展了許多新的測(cè)量原理。在傳統(tǒng)原理中也滲透了電子技術(shù)及微機(jī)技術(shù)，結(jié)構(gòu)有了很大的改善、功能有了很大的提高。根據(jù)水位測(cè)量所涉及的水位存儲(chǔ)容器、被測(cè)介質(zhì)以及工藝過(guò)程的不同，水位計(jì)類型的選用也不同。在進(jìn)行水位測(cè)量前，必須充分了解水位測(cè)量的工藝特點(diǎn)，以此作為水位計(jì)設(shè)計(jì)過(guò)程中的參考因素。 一 、 水位測(cè)量原理分類 隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，發(fā)展了許多新的測(cè)量原理，一批具有智能控制功能、可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量、精度高、穩(wěn)定性好的水位計(jì)相繼問(wèn)世，并應(yīng)用 到越來(lái)越多的工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域，如基于超聲波、雷達(dá)、光纖等技術(shù)的水位測(cè)量?jī)x。不同水位計(jì)可分為如下幾種： 1． 直讀水位計(jì)： 如圖 23所示 開(kāi)始 初始化 設(shè)定報(bào)警值 設(shè)定上下限值 AD 數(shù)據(jù)采集 是否超報(bào)警上限 上限報(bào)警 繼電器控制水泵 下限報(bào)警 顯示采集數(shù)據(jù) 是否超報(bào)警下限 是否正常范圍 天津科技大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 直讀式水位檢測(cè)方法：是一種直接用與被測(cè)容器連通的玻璃管或玻璃板來(lái)顯示容器中的水位高度，它是最原始但仍應(yīng)用較多的一種水位檢測(cè)儀表 。另外，利用浸入式刻度鋼皮尺直接檢測(cè)水位高度的人工檢尺法也是應(yīng)用較廣泛的水位計(jì)量方法，尤其是在大型油罐儲(chǔ)油量的檢測(cè)中，也可把它用作現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)其他檢測(cè)儀表的參考手段。其精度一般為 2mm 的人為誤差。此種方法有檢測(cè)簡(jiǎn)單、直觀、成本低的優(yōu)點(diǎn)，但 檢 測(cè)程有限，且不適于惡劣環(huán) 境中的檢測(cè)。 圖 23 直讀水位計(jì) 2． 電容式液位傳感器：依據(jù)電容感應(yīng)原理，當(dāng)被測(cè)介質(zhì)浸汲測(cè)量電極的高度變化時(shí)，引起其電容變化。它可將各種物位、液位介質(zhì)高度的變化轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，遠(yuǎn)傳至操作控制室供二次儀表或計(jì)算機(jī)裝置進(jìn)行集中顯示、報(bào)警或自動(dòng)控制。 3．超聲波水位計(jì)：超聲波水位儀是非接觸檢測(cè)中發(fā)展最快的一種。該技術(shù)基于超聲波在空氣中的傳播速度及遇到被測(cè)物體表面產(chǎn)生反射的原理。可實(shí)現(xiàn)非接觸檢測(cè)、檢測(cè)范圍寬、并且檢測(cè)不受介質(zhì)密度、介電常數(shù)、導(dǎo)電性等的影響，因此它的適用范圍非常廣泛，包括水渠、油罐、粘稠、腐蝕性及有毒水位等的水位檢測(cè)中。我國(guó)從九十年代初開(kāi)始，將超聲測(cè)距技術(shù)應(yīng)用到河流、湖泊、水、渠等水體的水位檢測(cè)中，以及油、漿等水位的水位檢測(cè)中。超聲水位檢測(cè)技術(shù)在越來(lái)越多的領(lǐng)域發(fā)揮其重要作用。 4．雷達(dá)水位計(jì)：雷達(dá)水位計(jì)發(fā)明于 60 年代，通常采用調(diào)頻雷達(dá)原理，利 用同步 天津科技大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 調(diào)頻脈沖技術(shù)，將微波發(fā)射器和接收器安裝在罐頂，向液面發(fā)射頻率調(diào)制的微波信號(hào)。當(dāng)接收到回波信號(hào)時(shí)，由于來(lái)回傳播時(shí)間的延遲，發(fā)射頻率發(fā)生了改變。將兩種信號(hào)混合處理，所得信號(hào)頻正比于罐頂?shù)揭好嬷g的距離。雷達(dá)水位計(jì)特別適用于高粘度或高污染的產(chǎn)品，如瀝青等。雷達(dá)水位計(jì)的檢測(cè)精度較高，而且無(wú)需定期維修和重新定標(biāo)，但是安裝比較復(fù)雜且價(jià)格不菲。 5．射線水位計(jì)：核輻射放出的射線 (如丫射線等 )具有較強(qiáng)的穿透能力，且穿過(guò)不同厚度的介質(zhì)有不同的衰減特性，核輻射式水位計(jì)正是利用這一原理來(lái)檢測(cè)水位的。核輻射式水位計(jì)的核輻射 源用點(diǎn)式或狹長(zhǎng)型結(jié)構(gòu)安裝在油罐的外面，狹長(zhǎng)型核輻射源檢測(cè)元件也安裝在油罐外面，可實(shí)現(xiàn)對(duì)水位動(dòng)態(tài)變化的檢測(cè)。除利用核輻射射線來(lái)檢測(cè)之外，還可采用中子射線來(lái)檢測(cè)水位。射線水位計(jì)安裝非常方便，檢測(cè)精度較高。因?yàn)樗鼪](méi)有任何部件與被測(cè)物體直接接觸，特別適用于傳統(tǒng)檢測(cè)儀表不能解決的檢測(cè)問(wèn)題。 6．激光水位計(jì)：其檢測(cè)原理類似于超聲波水位計(jì)，只是采用光波代替了超聲波。發(fā)射傳感器發(fā)射出。光，照射到被測(cè)液面，在液面處發(fā)生反射，接收傳感器接收反射光，將從發(fā)射至接收的時(shí)間換算成水位。激光的光束很窄，在水位計(jì)中通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成約 20mm 寬的光束，這樣即使被測(cè)物面很粗糙，漫反射光也能被傳感器接收。激光水位計(jì)非常適用于開(kāi)口很狹窄的容器以及高溫、高粘度的檢測(cè)對(duì)象。而缺點(diǎn)是對(duì)液面的波動(dòng)很敏感，大罐內(nèi)的油蘇汽，水氣等微粒對(duì)檢測(cè)不利，且光學(xué)鏡頭必須定期保持清潔。 二、 壓力傳感器 壓力傳感器是 將壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出的傳感器。通常把壓力測(cè)量?jī)x表中的電測(cè)式儀表稱為壓力傳感器。壓力傳感器一般由彈性敏感元件和位移敏感元件（或應(yīng)變計(jì)）組成。彈性敏感元件的作用是使被測(cè)壓力作用于某個(gè)面積上并轉(zhuǎn)換為位移或應(yīng)變，然后由位移敏感元件或應(yīng)變計(jì)轉(zhuǎn)換為與壓力成一定關(guān)系的 電信號(hào)。有時(shí)把這兩種元件的功能集于一體。 本次設(shè)計(jì)中將壓力傳感器安裝于水塔的底部，根據(jù)流體的性質(zhì)，傳感器檢測(cè)的壓力大小只與水塔中水位的高度成正比，而與水塔的截面積無(wú)關(guān)。壓力傳感器與智能數(shù)字儀表或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成的控制系統(tǒng)可精確控制液位的高度，并可以實(shí)時(shí)顯示各測(cè)點(diǎn)液位的數(shù)值，所以壓力傳感器是當(dāng)今應(yīng)用較為廣泛的一種，也是自動(dòng)化工程的寵兒。所以本次設(shè)計(jì)采用的是壓阻式應(yīng)變壓力傳感器。 第