【正文】 。 在當(dāng) 今 社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)的同時(shí)，水在人們的生活、生產(chǎn)中起著重要的作用。一旦出現(xiàn)缺水，輕則給人們生活帶來極大的不便，重則出現(xiàn)造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故并造成不可挽救的經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)供水系統(tǒng)的控制顯得十分重要。水塔是我國廣泛應(yīng)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(shí)刻監(jiān)控，不僅勞動(dòng)強(qiáng)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(dòng)控制則不需要工作人員的時(shí)刻監(jiān)控，水塔控制系統(tǒng)能自動(dòng)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(jì) 80 年代以來，我國發(fā)展了以自記遙測(cè)為主的水位測(cè)量技術(shù)。它主要是建立自記水位計(jì)，實(shí)現(xiàn)水位自動(dòng)采集、存儲(chǔ)、遠(yuǎn)傳。同期，還發(fā)展了無人立尺觀測(cè)技術(shù)，這種技術(shù)采用激光測(cè)距儀與經(jīng)緯儀接口配套組成的一套設(shè)備，利用激光測(cè)距儀無須反射棱鏡測(cè)定距離（測(cè)距精度： 0～ 5m）的性能，配以經(jīng)緯儀測(cè)角測(cè)定目標(biāo)高程的一種測(cè)量方法。 隨著近代科學(xué)技術(shù)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(jì)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(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 說明書 2 式水位計(jì)是將換能器 向水面發(fā)射超聲波，測(cè)量超聲波傳播時(shí)間，計(jì)算出水位。壓力式水位計(jì)也是不需要水位測(cè)并，其基本原理是測(cè)量靜水壓力來實(shí)現(xiàn)水深的測(cè)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(zhǎng)、且有抗腐蝕性而受到重視，但由于半導(dǎo)體傳感器受溫度影響大等原因，使其實(shí)用 性受到 限制。近年來固態(tài)傳感器溫度自動(dòng)補(bǔ)償問題有了進(jìn)展，固態(tài)壓阻式水位計(jì)已經(jīng)得到應(yīng)用。接觸式水位計(jì)使用機(jī)電的方法用探頭跟蹤井內(nèi)水面高低變化測(cè)量水位，已在少數(shù)領(lǐng)域使用，浮子式水位計(jì)，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(zhǎng)期使用和發(fā)展。 單片機(jī)自 20 世紀(jì) 70 年代問世以來，以極其高的性能價(jià)格比受到人們的重視和關(guān)注，所以應(yīng)用很廣，發(fā)展很快。單片機(jī)的特點(diǎn)是體積小、集成度高、重量輕、抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)環(huán)境要求不高，價(jià)格低廉，可靠性高，靈活性好，開發(fā)較為 容易 [6]。正因?yàn)閱纹瑱C(jī)有如此多的優(yōu)點(diǎn)，因此其應(yīng)用領(lǐng)域之廣，幾乎到了無孔不入的地步。在我國，單片機(jī)已被廣泛地應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)化控 制 [7]、自動(dòng)檢測(cè)、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(gè)方面。單片機(jī)的潛 力越來越被人們所重視。特別是當(dāng)前用 CMOS 工藝制成的各種單片機(jī)，由于功耗低，使用的溫度范圍大，抗干擾能力強(qiáng)、能滿足一些特殊要求的應(yīng)用場(chǎng)合，更加擴(kuò)大了單片機(jī)的應(yīng)用范圍，也進(jìn)一步促使單片機(jī)性能的發(fā)展。 因此， 可以開發(fā)利用單片機(jī)系統(tǒng)以獲得很高的經(jīng)濟(jì)效益。雖然單片機(jī)的引入使控制系統(tǒng)大大 “ 軟化 ” ， 但與其它計(jì)算機(jī)應(yīng)用問題相比，單片機(jī)控制應(yīng)用中的硬件內(nèi)容仍然較多，所以說單片機(jī)控制應(yīng)用有軟硬件相結(jié)合的特點(diǎn)。為此，在單片機(jī)的應(yīng)用設(shè)計(jì)中需要軟、硬件統(tǒng)籌考慮，設(shè)計(jì)者不但要熟練掌握匯編語言等編程技術(shù)，而且還要具備較扎實(shí)的單片機(jī)硬 件方面的理論和實(shí)踐知識(shí)。更重要的意義是單片機(jī)的應(yīng)用改變了控制系統(tǒng)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和方法。以前采用硬件電路實(shí)現(xiàn)的大部分控制功能，正在用單片機(jī)通過軟件方法來實(shí)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(shù)稱為微控制技術(shù)。 水塔水位最重要的就是對(duì)水塔水位 進(jìn)行 精確 的 探 測(cè) [9]，水塔 水位的控制系統(tǒng)主要是基于單片機(jī)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(gè)以微處理器為核心的數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)裝置，專為在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，它采用執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí) /計(jì)數(shù)和算術(shù) 運(yùn)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(jī)械或生產(chǎn)過程。 PLC 的一般特點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)，可靠性極高、編程簡(jiǎn)單方便、使用方便、維護(hù)方便、設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試周期短、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化 [10]， PLC 總的發(fā)展趨勢(shì)是：高功能、高速度、高集成度、大容量、武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 說明書 3 小體積、低成本、通信組網(wǎng)能力強(qiáng)?；?PLC 的 水塔水位控制系統(tǒng)是以 PLC 為 核心 ，對(duì)水塔水位自動(dòng)控制系統(tǒng)的功能進(jìn)行性進(jìn)行需求分析?？梢詫?shí)現(xiàn)對(duì) 水塔 水位 的自動(dòng)控制和 監(jiān)測(cè) [11]。主要實(shí)現(xiàn)方法是通過傳感器檢測(cè)水塔水位的實(shí)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(jìn)行數(shù)據(jù)比較，來控制抽水電機(jī)的動(dòng)作，同時(shí)進(jìn)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(gè)設(shè)定值 時(shí) ，就會(huì)發(fā)出危險(xiǎn)報(bào)警的信號(hào)。 基于單片機(jī)的水塔水位控制系統(tǒng)以單片機(jī)為核心， 通過 單片機(jī)本身的功能模塊和控制程序 ， 來實(shí)現(xiàn)對(duì) 水塔 水位做出控制、顯示和 發(fā)出 報(bào)警信號(hào) 。 基于單片機(jī) 的水塔水位控制 系統(tǒng)最應(yīng) 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(yīng)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(gè)電阻與地面相連。供水時(shí)，水位上升，當(dāng)達(dá)到上限時(shí)，由于水的導(dǎo)電作用， B、 C 棒連通 + 5V。因此， b， c 兩端均為 1 狀態(tài)，這時(shí)應(yīng)停止電動(dòng)機(jī)和水泵的工作，不再給水塔供水。當(dāng)水位降到下限時(shí)， B、 C 棒都不能與 A 棒導(dǎo)電，因此， b、 c 兩端均為 0 狀態(tài)． 這時(shí)應(yīng)啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，帶動(dòng)水泵工作，給水塔供水。當(dāng)水位處于上、下限之間時(shí)， B 棒與 A 棒導(dǎo)通，因 C 棒不能與 A 棒導(dǎo)通， b 端為 1 狀態(tài)， c 端為 0 狀態(tài)。 即實(shí)現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換 。 通過對(duì)傳感器的選擇，可知由傳感器輸出的水位高度信號(hào)是 0 ～ 5 V 的直流電壓。在設(shè)計(jì)中，可以通過采樣、保持電路對(duì)這一信號(hào)進(jìn)行處理，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為多個(gè)采樣點(diǎn)信號(hào)。 圖 11 電阻式 傳感器 傳統(tǒng)的水位檢測(cè)通過設(shè)檢測(cè)點(diǎn)來完成對(duì)水位的檢測(cè)。通常，由于受檢測(cè)點(diǎn)物理體積的影響，水位檢測(cè)點(diǎn)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(zé)任公司生產(chǎn)的投入 式液位變送器 MPM416W/426W，可以達(dá)到對(duì)水位高度的精確檢測(cè)，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(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 說明書 4 把與液位深度成正比的液體靜壓力準(zhǔn)確測(cè)量出來，并經(jīng)放大電路轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)電流 ( 或電壓 ) 信號(hào)輸出，建立起輸出電信號(hào)與液體深度的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)液體深的測(cè)量。同時(shí)其具有以下特點(diǎn) ： (1)使用壽命長(zhǎng)，液位變送器膜片采用高技術(shù)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(hào)線同二次儀表連接就可進(jìn)行液位測(cè)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(shí)現(xiàn)了溫度補(bǔ)償，在信號(hào)轉(zhuǎn)換電路中加入了溫度補(bǔ)償電路，消除電路溫漂對(duì)精度的影響，從而提高精度。 超聲波 水位傳感器 能測(cè)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(jī)的一個(gè)端口發(fā)出 40KHZ 的方波信號(hào)，然后信號(hào)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(gè)電極 ，另一路經(jīng)兩次反向后送到發(fā)射管 T 的另一個(gè)電極 ,這樣做目的是為了增強(qiáng)超聲波發(fā)射強(qiáng)度和提高電路驅(qū)動(dòng)能力 。 電阻 R1 和 R2 作為上拉電阻作用有兩個(gè)： 第一是提高反向器輸出高電平的驅(qū)動(dòng)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(shí)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CX20226A 組成，因接收芯片 CX20226A 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(shí)驗(yàn)表明 ， 無超聲波信號(hào)時(shí) CX20226A 輸出高電平，有信號(hào)時(shí)輸出一個(gè)脈沖信號(hào) ， 且具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。 當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí) ， 由單片機(jī) 的一個(gè) 端口發(fā)出的 40KHZ 的方 波信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路使超聲波發(fā)射器 T 發(fā)出一定強(qiáng)度的超聲波信號(hào) ， 當(dāng)超聲波信號(hào)遇到障礙物時(shí)就會(huì)被反射回來 ， 反射回來的超聲波信號(hào)被超聲波接收器 R 所接收 ， 接收到的信號(hào)經(jīng)過信號(hào)處理電路的處理送入到單片機(jī)的 另一個(gè) 端口 ， 單片機(jī)根據(jù)發(fā)送與接收的時(shí)間差計(jì)算出傳感器到水面的距離 X， 再由安裝時(shí)傳感器到水塔底部的距離 H(已知值 ),計(jì)算出當(dāng)前水的剩余量 h=HX。 武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(shè)計(jì) 基于 電阻式 傳感器并 以水塔水位為模型，鑒于單片機(jī)液位測(cè)量裝置的測(cè)量準(zhǔn)確、重復(fù)性能好、功耗低、使用壽命長(zhǎng) 等特點(diǎn)，所以該設(shè)計(jì)以單片機(jī)為基礎(chǔ)的水塔水位 控制 系統(tǒng)。在實(shí)際 中， 水塔水位自動(dòng)控制電路是通過水位傳感器對(duì) 水位進(jìn)行采樣 ，將 采樣信號(hào) 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(jī)進(jìn)行處理來來 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的啟停 等 。 從而達(dá)到對(duì)水位進(jìn)行自動(dòng)控制的目的。通過對(duì)電壓和水位的轉(zhuǎn)換關(guān)系，最終利用單片機(jī)進(jìn)行精確的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)水位高度的顯示、主 /備電機(jī)和報(bào)警裝置等的控制。但是 鑒于基于單片機(jī)的水塔水位控制系統(tǒng) 在 Protues上 進(jìn)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(shè)計(jì)過程中采用了軟件和硬件雙結(jié)合的的設(shè)計(jì)方法，而軟件的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了硬件武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 說明書 6 要求。在本設(shè)計(jì)中軟件主要有五個(gè)方面的應(yīng)用，它們分別為： 聲光報(bào)警 程序、 時(shí)鐘顯示程序、水位 顯示程序 、 鍵盤控制和 電機(jī) 控制 程序 等 。 該設(shè)計(jì) 第二章介紹了 “ 基于水塔水位 控制系統(tǒng)的 設(shè)計(jì) 與 仿真 ”的 硬件 設(shè)計(jì) ，其中包括單片機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)與現(xiàn)實(shí)、水位監(jiān)測(cè)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(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 說明書 7 第二章 水塔 水位 控制硬件設(shè)計(jì) 基本 要求 由于 需要 基于 單片機(jī)的水塔水位控制系統(tǒng) 進(jìn)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，并用 LED 數(shù)碼管 來顯示水塔水位的高度。當(dāng)水位 過高 或 過低時(shí)，都會(huì) 發(fā)出 報(bào)警聲和指示燈顯示。 與此同時(shí)， 還可以用 LED 數(shù)碼管 來及時(shí)顯示當(dāng)前時(shí)間。 硬件設(shè)計(jì) 電路 總體框架圖 如圖 21 中所示 武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 說明書 8 圖 21 電路總體框架圖 該圖 是在 Protues 上 進(jìn)行仿真的硬件電路圖。 它由 CD4511 驅(qū)動(dòng) 的 LED 數(shù)碼管電路 、由 DS1302 驅(qū)動(dòng) 數(shù)字時(shí)鐘顯示電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、 復(fù)位 電路、晶振電路、報(bào)警電路、指示電路等部分組成。 武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 說明書 9 單片機(jī) 的介紹 自從 1971 年微型計(jì)算機(jī)問世以來，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，導(dǎo)致微型計(jì)算機(jī)向兩個(gè)方向發(fā)展：一是高速度、高性能、大容量的高檔微型計(jì)算機(jī)及其系列化，向大、中型計(jì)算機(jī)的挑戰(zhàn)；另一個(gè)是穩(wěn)定可靠、小而廉、能適 應(yīng)各種控制領(lǐng)域需要的單片機(jī)。 單片機(jī)是把中央處理單元、隨機(jī)存儲(chǔ)器、只讀存儲(chǔ)器、定時(shí) /計(jì)數(shù)器以及 I/O 接口電路等主要部件集成在一塊半導(dǎo)體芯片上的微型計(jì)算機(jī)。雖然單片機(jī)只是一個(gè)芯片，但從組成和功能上看，它已具有了微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的含義，從某種意義上說，一塊單片機(jī)芯片就是一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)。 自從 1975 年美國德克薩斯公司推出世界第一個(gè) 4 位單片機(jī) TMS— 1000 型以來，單片機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，目前已成為微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的一個(gè)獨(dú)特分支，廣泛應(yīng)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(gè)控制領(lǐng)域。 在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，在單片機(jī) 應(yīng)用系統(tǒng)中 ， 無論其技術(shù)要求、應(yīng)用領(lǐng)域還是其規(guī)模大小是否相同，一般應(yīng)遵循以下基本原則 [13]: （ 1）高可靠性 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)一個(gè)非常重要的特點(diǎn) 就是 高可靠性。在生活和生產(chǎn)工作中 ， 單片機(jī)系統(tǒng)一般是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng) 的自動(dòng)控制 。一旦系統(tǒng)發(fā)生故障，輕則帶來不便，重則會(huì)造成停止工作甚至