【正文】 則給人們生活帶來極大的不便，重則出現(xiàn)造成嚴重的生產(chǎn)事故并造成不可挽救的經(jīng)濟損失。因此，對供水系統(tǒng)的控制顯得十分重要。水塔是我國廣泛應用的供水系統(tǒng)，傳統(tǒng)的水塔水位控制方式存在很大的弊端，需要工作人員的時刻監(jiān)控，不僅勞動強度大，而且工作效率低，最重要的是供水的安全性難以保障。而自動控制則不需要工作人員的時刻監(jiān)控，水塔控制系統(tǒng)能自動地調(diào)節(jié)水塔 中的水位以保持恒定，以滿足人們生活中用水需求 [3]。 20 世紀 80 年代以來，我國發(fā)展了以自記遙測為主的水位測量技術。它主要是建立自記水位計，實現(xiàn)水位自動采集、存儲、遠傳。同期，還發(fā)展了無人立尺觀測技術，這種技術采用激光測距儀與經(jīng)緯儀接口配套組成的一套設備，利用激光測距儀無須反射棱鏡測定距離（測距精度： 0～ 5m）的性能，配以經(jīng)緯儀測角測定目標高程的一種測量方法。 隨著近代科學技術的發(fā)展和新材料新器件的開發(fā)，采用傳感器研制水位計近年來有較大發(fā)展。主要采用的傳感器有 超聲波 [4]、光電、壓力、接觸式、浮于 式等幾 種 [5]。超聲波武漢工程大學 畢業(yè)設計（論文） 說明書 2 式水位計是將換能器向水面發(fā)射超聲波，測量超聲波傳播時間，計算出水位。壓力式水位計也是不需要水位測并，其基本原理是測量靜水壓力來實現(xiàn)水深的測量，已采用過波紋管和水銀位移式壓力傳感器等方法。固態(tài)壓力傳感器由于其靈敏度高、體積小、壽命長、且有抗腐蝕性而受到重視，但由于半導體傳感器受溫度影響大等原因，使其實用 性受到 限制。近年來固態(tài)傳感器溫度自動補償問題有了進展，固態(tài)壓阻式水位計已經(jīng)得到應用。接觸式水位計使用機電的方法用探頭跟蹤井內(nèi)水面高低變化測量水位，已在少數(shù)領域使用，浮子式水位計，利用水球（ 或其它浮子） 作敏感器件，避免了溫度、濕度等因素的影晌，性能穩(wěn)定，工作可靠，因而得到長期使用和發(fā)展。 單片機自 20 世紀 70 年代問世以來，以極其高的性能價格比受到人們的重視和關注，所以應用很廣，發(fā)展很快。單片機的特點是體積小、集成度高、重量輕、抗干擾能力強，對環(huán)境要求不高，價格低廉，可靠性高，靈活性好，開發(fā)較為 容易 [6]。正因為單片機有如此多的優(yōu)點，因此其應用領域之廣，幾乎到了無孔不入的地步。在我國，單片機已被廣泛地應用在工業(yè)自動化控 制 [7]、自動檢測、智能儀 表 [8]、智能化家用電器、航空航天系統(tǒng)和和 國防軍事、尖端武器等各個方面。單片機的潛力越來越被人們所重視。特別是當前用 CMOS 工藝制成的各種單片機，由于功耗低，使用的溫度范圍大，抗干擾能力強、能滿足一些特殊要求的應用場合，更加擴大了單片機的應用范圍，也進一步促使單片機性能的發(fā)展。 因此， 可以開發(fā)利用單片機系統(tǒng)以獲得很高的經(jīng)濟效益。雖然單片機的引入使控制系統(tǒng)大大 “ 軟化 ” ， 但與其它計算機應用問題相比，單片機控制應用中的硬件內(nèi)容仍然較多，所以說單片機控制應用有軟硬件相結(jié)合的特點。為此，在單片機的應用設計中需要軟、硬件統(tǒng)籌考慮，設計者不但要熟練掌握匯編語言 等編程技術，而且還要具備較扎實的單片機硬件方面的理論和實踐知識。更重要的意義是單片機的應用改變了控制系統(tǒng)傳統(tǒng)的設計思想和方法。以前采用硬件電路實現(xiàn)的大部分控制功能，正在用單片機通過軟件方法來實現(xiàn)。這種以軟件結(jié)合硬件或取代硬件并能提高系統(tǒng)性能的控制技術稱為微控制技術。 水塔水位最重要的就是對水塔水位 進行 精確 的 探 測 [9]，水塔 水位的控制系統(tǒng)主要是基于單片機的水塔水位控制系統(tǒng)和基于 PLC 的 水塔水位控制系統(tǒng)。 PLC 即可編程序控制器，是一個以微處理器為核心的數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)裝置，專為在工業(yè)現(xiàn)場應用而設計，它采用 執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時 /計數(shù)和算術運算等各類操作指令，并通過數(shù)字式或模擬式的輸入、輸出接口，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。 PLC 的一般特點：抗干擾能力強，可靠性極高、編程簡單方便、使用方便、維護方便、設計、施工、調(diào)試周期短、易于實現(xiàn)機電一體化 [10]， PLC 總的發(fā)展趨勢是：高功能、高速度、高集成度、大容量、武漢工程大學 畢業(yè)設計（論文） 說明書 3 小體積、低成本、通信組網(wǎng)能力強?；?PLC 的 水塔水位控制系統(tǒng)是以 PLC 為 核心 ，對水塔水位自動控制系統(tǒng)的功能進行性進行需求分析。可以實現(xiàn)對 水塔 水位 的自動控制和 監(jiān)測 [11]。主要實現(xiàn)方法是通過傳感器檢測 水塔水位的實際水位，將水位具體信息傳至 PLC構(gòu)成的控制模塊，經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后，進行數(shù)據(jù)比較，來控制抽水電機的動作，同時進行數(shù)據(jù)還原，顯示水位具體信息，如果水位低于或高于某個設定值 時 ，就會發(fā)出危險報警的信號。 基于單片機的水塔水位控制系統(tǒng)以單片機為核心， 通過 單片機本身的功能模塊和控制程序 ， 來實現(xiàn)對 水塔 水位做出控制、顯示和 發(fā)出 報警信號 。 基于單片機 的水塔水位控制 系統(tǒng)最應 解決的 是 液位傳感器 問題。 最常用的 是電阻式 傳感器、 壓阻式 壓力傳感器、 超聲波 水位傳感器 等 。 電阻式 傳感器 如圖 11 中虛線表示允許水位變化的上、下限。在正 常情況下，應保持水位在虛線范圍之內(nèi)。為此，在水塔內(nèi)的不同高度安裝 3 根金屬棒，以感知水位變化情況。其中， A 棒處于下限水位。 C 棒處于上限水位， B 棒在上、下水位之間。 A 棒接 + 5V 電源， B 棒、 C 棒各通過一個電阻與地面相連。供水時，水位上升，當達到上限時，由于水的導電作用， B、 C 棒連通 + 5V。因此， b， c 兩端均為 1 狀態(tài)，這時應停止電動機和水泵的工作，不再給水塔供水。當水位降到下限時， B、 C 棒都不能與 A 棒導電，因此， b、 c 兩端均為 0 狀態(tài)． 這時應啟動電動機，帶動水泵工作，給水塔 供水。當水位處于上、下限之間時， B 棒與 A 棒導通，因 C 棒不能與 A 棒導通， b 端為 1 狀態(tài)， c 端為 0 狀態(tài)。 即實現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換 。 通過對傳感器的選擇，可知由傳感器輸出的水位高度信號是 0 ～ 5 V 的直流電壓。在設計中，可以通過采樣、保持電路對這一信號進行處理，將模擬信號轉(zhuǎn)換為多個采樣點信號。 圖 11 電阻式 傳感器 傳統(tǒng)的水位檢測通過設檢測點來完成對水位的檢測。通常，由于受檢測點物理體積的影響，水位檢測點的數(shù)目有限，從而影響了后續(xù)電路控制的精度。新型水位傳感器即 選用北京英泰德科技有限責任公司生產(chǎn)的投入式液位變送器 MPM416W/426W，可以達到對水位高度的精確檢測，以利于提高后續(xù)電路控制的精度。其原理是通過壓阻式壓力傳感器，武漢工程大學 畢業(yè)設計（論文） 說明書 4 把與液位深度成正比的液體靜壓力準確測量出來，并經(jīng)放大電路轉(zhuǎn)化成標準電流 ( 或電壓 ) 信號輸出，建立起輸出電信號與液體深度的線性對應關系，實現(xiàn)對液體深的測量。同時其具有以下特點 ： (1)使用壽命長，液位變送器膜片采用高技術激光調(diào)制電路，傳感器外殼采用不銹鋼制作。 (2) 安裝方便，僅需將投入式液位變送器探頭投入液體中，引出信號線同二次儀表連接 就可進行液位測量。 (3) 溫度穩(wěn)定性好，投入式液位變送器本身在 0～ 70 ℃ 內(nèi)實現(xiàn)了溫度補償，在信號轉(zhuǎn)換電路中加入了溫度補償電路，消除電路溫漂對精度的影響，從而提高精度。 超聲波 水位傳感器 能測量自身到水面之間的距離 ， 由超聲波發(fā)送電路和超聲波接收電路組成。超聲波發(fā)射電路原理如圖 12 所示，單片機的一個端口發(fā)出 40KHZ 的方波信號，然后信號分成兩路送出 ， 其中的一路經(jīng)反向器 74LS4069 后送到超聲發(fā)射管 T 的一個電極 ，另一路經(jīng)兩次反向后送到發(fā)射管 T 的另一個電極 ,這樣做目的是為了增強超聲波發(fā)射強度和提高電路驅(qū)動能力 。 電阻 R1 和 R2 作為上拉電阻作用有兩個：第一是提高反向器輸出高電平的驅(qū)動能力 ； 第二是增加超聲波發(fā)射管 T 的阻尼系數(shù)，縮短自由振蕩的時間。超聲波接收電路原理如圖 13 所示，該部分主要由超聲波接收探頭 R 及紅外檢波接收芯片CX20216A 組成，因接收芯片 CX20216A 的載波頻率為 38KHZ，而上述超聲波發(fā)射電路發(fā)出的超聲波頻率為 40KHZ，兩者較為接近，所以利用該芯片制作超聲波接收電路 .實驗表明 ， 無超聲波信號時 CX20216A 輸出高電平，有信號時輸出一個脈沖信號 ， 且具有很高的靈敏度和較強的抗干擾能力。 當系統(tǒng)工作時 ， 由單片機 的一個 端口發(fā)出的 40KHZ 的方波信號經(jīng)過驅(qū)動電路使超聲波發(fā)射器 T 發(fā)出一定強度的超聲波信號 ， 當超聲波信號遇到障礙物時就會被反射回來 ， 反射回來的超聲波信號被超聲波接收器 R 所接收 ， 接收到的信號經(jīng)過信號處理電路的處理送入到單片機的 另一個 端口 ， 單片機根據(jù)發(fā)送與接收的時間差計算出傳感器到水面的距離 X， 再由安裝時傳感器到水塔底部的距離 H(已知值 ),計算出當前水的剩余量 h=HX。 武漢工程大學 畢業(yè)設計（論文） 說明書 5 圖 12 超聲波發(fā)射電路 圖 13 超聲波接收電路 本設計 基于 電阻式 傳感器并 以水塔水位為模型，鑒于單片機液位測量裝置的 測量準確、重復性能好、功耗低、使用壽命長等特點，所以該設計以單片機為基礎的水塔水位 控制 系統(tǒng)。在實際 中， 水塔水位自動控制電路是通過水位傳感器對 水位進行采樣 ，將 采樣信號 的水位高度轉(zhuǎn)換為 0～ 5 V 的直流電壓，再經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換 [12]后，將轉(zhuǎn)換所得的 8 路并行數(shù)字量送入單片機進行處理來來 驅(qū)動電機的啟停 等 。 從而達到對水位進行自動控制的目的。通過對電壓和水位的轉(zhuǎn)換關系，最終利用單片機進行精確的控制，實現(xiàn)對水位高度的顯示、主 /備電機和報警裝置等的控制。但是 鑒于基于單片機的水塔水位控制系統(tǒng) 在 Protues上 進行仿真， 而 Protues 上 沒有水塔水位的模型。 因此 ，可以用按鈕來代替水塔的液位傳感器。 在設計過程中采用了軟件和硬件雙結(jié)合的的設計方法，而軟件的設計簡化了硬件武漢工程大學 畢業(yè)設計（論文） 說明書 6 要求。在本設計中軟件主要有五個方面的應用，它們分別為： 聲光報警 程序、 時鐘顯示程序、水位 顯示程序 、 鍵盤控制和 電機 控制 程序 等 。 該設計 第二章介紹了 “ 基于水塔水位 控制系統(tǒng)的 設計 與 仿真 ”的 硬件 設計 ，其中包括單片機的介紹、 89C51 的功能 及引腳介紹、 CD4511 的功能 及引腳介紹 、 LED 數(shù)碼顯示 、電機驅(qū)動與現(xiàn)實、水位監(jiān)測電路等部分組成 ； 第三章 主要介紹軟件部分 ，其中包 括 程序 框圖和 C 語言 程序兩部分組成；第四章 則是 仿真部分，其中 包括 Keil、 Protues 的 介紹，以及 Keil 的調(diào)試部分 和 加文件 到 Protues中 等幾部分組成。 武漢工程大學 畢業(yè)設計（論文） 說明書 7 第二章 水塔 水位 控制硬件設計 基本 要求 由于 需要 基于 單片機的水塔水位控制系統(tǒng) 進行 仿真，而 Protues 中 沒有水塔水位的模型，因此可以用按鈕 來 控制電動機的轉(zhuǎn)動，并用 LED 數(shù)碼管 來顯示水塔水位的高度。當水位 過高 或 過低時，都會 發(fā)出 報警聲和指示燈顯示。 與此同時， 還可以用 LED 數(shù)碼管 來及時顯示當前時間。 硬件設計 電路 總體框架圖 如圖 21 中所示 武漢工程大學 畢業(yè)設計（論文） 說明書 8 圖 21 電路總體框架圖 該圖 是在 Protues 上 進行仿真的硬件電路圖。 它由 CD4511 驅(qū)動 的 LED 數(shù)碼管電路 、由 DS1302 驅(qū)動 數(shù)字時鐘顯示電路、電機驅(qū)動電路、 復位 電路、晶振電路、報警電路、指示電路等部分組成。 武漢工程大學 畢業(yè)設計（論文） 說明書 9 單片機 的介紹 自從 1971 年微型計算機問世以來，隨著大規(guī)模集成電路技術的進一步發(fā)展，導致微型計算機向兩個方向發(fā)展：一是高速度、高性能、大容量的高檔微型計算機及其系列化，向大、中型計算 機的挑戰(zhàn)；另一個是穩(wěn)定可靠、小而廉、能適應各種控制領域需要的單片機。 單片機是把中央處理單元、隨機存儲器、只讀存儲器、定時 /計數(shù)器以及 I/O 接口電路等主要部件集成在一塊半導體芯片上的微型計算機。雖然單片機只是一個芯片，但從組成和功能上看，它已具有了微型計算機系統(tǒng)的含義，從某種意義上說，一塊單片機芯片就是一臺微型計算機。 自從 1975 年美國德克薩斯公司推出世界第一個 4 位單片機 TMS— 1000 型以來，單片機技術不斷發(fā)展，目前已成為微型計算機技術的一個獨特分支，廣泛應用于工業(yè)控制、儀器儀表智能化和家用電子產(chǎn)品等各 個控制領域。 在進行系統(tǒng)設計時，在單片機應用系統(tǒng)中 ， 無論其技術要求、應用領域還是其規(guī)模大小是否相同，一般應遵循以下基本原則 [13]: （ 1）高可靠性 單片機應用系統(tǒng)一個非常重要的特點 就是 高可靠性。在生活和生產(chǎn)工作中 ， 單片機系統(tǒng)一般是實現(xiàn)系統(tǒng) 的自動控制 。一旦系統(tǒng)發(fā)生故障，輕則帶來不便，重則會造成停止工作甚至是人員傷亡 。大部分單片機系統(tǒng)是用在工業(yè)和民用的實時控制中的，而這些控制都是在不停地工作，有很高的可靠性是控