【正文】 向水塔注水。 水塔水位的研究現狀 在水塔供水系統(tǒng)中，水塔必須滿足兩個前提：第一，保證水塔內水量，不能造成缺水現象；第二，保證水塔內蓄水不溢塔，造成水資源浪費。他們傳輸的數據傳往 PLC（可編程邏輯控制器），然后經由 PLC 進行數據處理、比較，最后輸出控制水泵和電磁閥。待水位開始上升并被相應的液位傳感器檢測到時自動熄滅報警。當水位液面高于上限水位時，電磁閥關閉停止向水池注水；當水塔水位低于水塔下限時，則水塔傳感器下限水位檢測不到有水，水泵開始工作，向水塔供水，當 10S 以后，若水塔液位沒有超過水塔傳感器下線液位時，則發(fā)出警報。首先通過傳感器實時檢測水塔水位，然后把水位數據傳送到水 塔處的單片機，單片機把數據與所設定的水位上下限作比較，如果水位低于下限，則啟動抽水機抽水，保證水塔的水足夠，如果水位達到了上限，則及時停止抽水，防止“溢塔”而浪費水，并且水位的上下限隨時可以根據實際情況由撥碼開關進行調整；同時該單片機控制無線發(fā)送器把水位數據發(fā)送到中央控制室的單片機處顯示，實現實時監(jiān)測目的?，F場采集單元對水塔的水位信號進行數據的實時采集，同時完成數據統(tǒng)計、存貯；中央 監(jiān)控單元可以定期或不定期地從現場采集單元獲取數據并完成圖像監(jiān)測、數據統(tǒng)計、報表、打印及數據庫管理。其現場采集單元由單片機 8C552 及采集、存儲、顯示、遙控和通信模塊組成，每個現場采集單元可與光纖液位傳感器及光纖液位報警器等 16 個設備相接。所有的光纖液位傳感器及光纖液位 報警器都可以通過一對雙絞線串接在一起，節(jié)省了空間、簡化了布線。盡管它的大部分功能集成在一塊小芯片上，但是它具有一個完整計算機所需要的大部分部件 ： CPU、內存、內部和外部總線系統(tǒng)，目前大部分還會具有外存。而現在最強大的單片機系統(tǒng)甚至可以將聲音、圖像、網絡、復雜的輸入輸出系統(tǒng)集成在一塊芯片上 。單片機由芯片內僅有 CPU 的專用處理器發(fā)展而來。 單片機廣泛應用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設備、航空航天、專用設備的智能化管理及過程控制等領域 。水塔的合理高度是要求水塔最低水位略高于供水系統(tǒng)所需要壓力。水泵處于斷續(xù)工作狀態(tài)中。這種方式顯然節(jié)能省電，其節(jié)電率與水 4 塔容量、水泵額定流量、用水不均勻系數、水泵的開、停時間比、開、停頻率等有關。 本次設計的內容 水塔智能水位控制系統(tǒng)是一個完整的液位控制系統(tǒng)，它包括采樣、處理、控制等部分組成，論文將論述整個系統(tǒng)的設計思想、基本結構框架、主要硬件設計與軟件程序這幾部分問題。 本論文各章節(jié)的安排如下： 第 1 章：介紹了水塔水位的研究現狀 ,并且 介紹了部分重要組件的應用。 第 3 章：對系統(tǒng)各個組成部分進行詳細的硬件選型設計，及各個組成部分之間的連接方式。 第 5 章：對本次論文的所有設計進行了總結。 圖 水塔智能水位控制系統(tǒng)結構原理框圖 測量時首先由安裝在塔底的壓力傳感器感應被測水位高度并將其轉換成電信號，經信號調理電路進行濾波、放大，輸出相應的直流電壓信號，然后輸入到串行的 A/D 轉換器中進行模 數轉換，模 數轉換后得到的數字信號直接送入單片機，經單片機分析處理后根據相應的結果通過繼電器對水泵電機進行控制，從而進行對水位的控制，于此同時將測量結果顯示出來。根據不同的系統(tǒng)要求、技術上的可行性及成本的經濟性等多方面的 考慮來選擇不同的測量方法。 繼電器開關式 杠桿式 利用液體的浮力，通過杠桿傳動，水位上升至一定高度使觸頭發(fā)生切換，從而達到控制水位的目的，這種方法最簡單、經濟。 電容式 在水中放入兩根平行的電極，其中一根電極表面敷有絕緣層，這樣在兩根電極間便構成一個電容 C，其容量與電極沒入水中的深度成正比。 超聲波式 由超聲波發(fā)射裝置和超聲波接受裝置組成，發(fā)射裝置發(fā)射恒定的 40KHz 超聲波信號，當超聲波遇到水位表面反射回來被超聲波接受裝置接受。 7 壓力傳感器 將壓力轉換為電信號輸出的傳感器。壓力傳感器一般由 彈性敏感元件和位移敏感元件（或應變計）組成。有時把這兩種元件的功能集于一體。壓力傳感器與智能數字儀表或計算機系統(tǒng)組成的控制系統(tǒng)可精確控制液位的高度，并可以實時顯示各測點液位的數值，所以壓力傳感器是當今應用較為廣泛的一種，也是自動化工程的寵兒。 模數轉換 當壓力傳感器檢測出水塔的液位高度轉換成電信號輸出時，此信號為模擬信號仍然不能直接送給單片機進行分析比較，需要在送單片機之前進行模數轉換（ AD 轉換） ,將模擬信號轉換成數字信號再傳送給單片機。 （ 2）按工作原理及特點可分為積分型、逐次逼近型、并行比較型 /串并行型、∑ △ 調制型、 VF 變換型等。 串并行 AD 轉換器的選取 串 行 AD 轉換器比并行 AD 轉換器節(jié)約串口資源，沒有并行 8 位通道間的相互 8 干擾，現在已被越來越廣泛的應用于電子設計中，故本次設計選用的就是串行模數轉換器。 TLC0832 是美國德州儀器公司生產的串行控制模數轉換器，有兩個多路選擇的輸入通道，與單片機或控制器通過三線接口連接，具有 8 位分辨率， 5V單電源供電，輸入與輸出電平與 TTL 和 CMOS 兼容等特點。 控制模塊 本文對水塔水位所設計控制模塊主要包括以單片機為核心的，通過繼電器控制的水泵的工作過程的設計。 繼電器的介紹 繼電器是具有隔離功能的自動開關元件 ，在本次設計當中主要來做自動控制作用，系統(tǒng)采用 +5V 的直流電來控制 220V 的交流電，以達到控制水泵的作用，因為是在這里是以一種弱電來控制強電，所以安裝和使用的過程當中一定要注意用電安全注意事項。只要在線圈兩端加 9 上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產生電磁效應，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（ 常開觸點）吸合。這樣吸合、釋放，從而達到了在電路中的導通、切斷的目的。 常用的繼電器可分為電流繼電器、電壓繼電器、中間繼電器、時間繼電器、熱繼電器以及干簧繼電器等。 （ 2）干簧繼電器是一 種新型密封觸點的繼電器，它既能導磁又能導電，兼有普通電磁繼電器的觸點和磁路系統(tǒng)的雙重作用，具備快速動作、靈敏度高、穩(wěn)定可靠和消耗功率低等優(yōu)點。 （ 4）中間繼電器具有觸點多、觸點電流大和動作靈敏等特點，常用于某一電器與被控電路之間，以擴大電器的控制觸點數量和容量。如果繼電器是按通入線圈的電流的大小而動作的，就是電流繼電器，電流繼電器是串聯在負載中使用的，其線圈匝數少、內阻低，可以保護線路不因電流過 大而收到損壞；如果繼電器是按照施加到線圈上的電壓大小來動作的，就是電壓繼電器，電壓繼電器與負載電路并聯工作，所以線圈匝數較多、阻抗較高。 10 顯示模塊 測控系統(tǒng)中常用的測量數據的顯示器有發(fā)光二極管顯示器（ LED）和液晶顯示器（ LCD）兩種。這種顯示塊有共陰極和共陽極兩種，八個 二極管的陰極并接成一個公共端稱為共陰極；八個二極管的陽極并接成一個公共端，稱為共陽極。 為了在 LED 上顯示數字，必須將要顯示的數字轉換成相應的段選碼，這可通過硬件譯碼或軟件譯碼來實現，硬件譯碼電路由鎖存器、譯碼器、驅動器組成，鎖存器用于所存每位要顯示數字的四位二進制代碼或 BCD 碼，譯碼器通過驅動器與 LED顯示器的 8 個發(fā)光二極管相連，使相應段的二極管點亮，顯示出數字或字符。LCD 顯示器具有低壓功耗小，顯示信息量大，壽命長等特點。因此，液晶顯示器畫質高且不會閃爍。 體積小、重量輕 液晶顯示器通過顯示屏上的電極控制液晶分子狀態(tài)來達到顯示的目的，在重量上比相同顯示面積的傳統(tǒng)顯示器要輕得多。 所以本次設計針對水塔水位高度的顯示選用了 LCD 顯示器。 12 第 3 章 硬件方案設計 單片機 AT89C51 與 87C51 相比， AT89 系列的優(yōu)越性在于其片內閃電存儲器的編程與擦除完全用電實現；數據不易揮發(fā)，可保存 10 年；編程 /擦除速度快，全 4K 字節(jié)編程只需時3s，擦除時間約用 10ms； AT89 系列可實現在線編程。 AT89C51 是用靜態(tài)邏輯來設計的，其工作頻率可下降到 0 Hz，并提供兩種可用軟件來選擇的省電方式 —— 空閑方式（ Idle Mode）和掉電方式（ Power Down Mode）。在掉電方式中，片內振蕩器停止工作，由于時鐘被“凍結”，使一切功能都暫停，只保存片內 RAM 中的內容，直到下一次硬件復位為止 。當 P1 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。在 FIASH 編程時 ， P0 口作為原碼輸入口，當 FLASH 進行校驗時， P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。 P1 口管腳寫 1 后，被內部上拉為高，可用作輸入， P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。 （ 5） P2 口： P2 口為一個內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個 TTL 門電流，當 P2 口被寫 “1” 時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。這是由于內部上拉的緣故。在給出地址 “1” 時，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內容。 15 （ 6） P3 口： P3 口管腳是 8 個帶內部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個TTL 門電流。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流（ ILL）這 是由于上拉的緣故。 （ 7） RST：復位輸入。 （ 8） ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在平時， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。此時， ALE 只 16 有在執(zhí)行 MOVX， MOVC 指令 是 ALE 才起作用。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次 /PSEN 有效。 （ 10） /EA/VPP ：當 /EA 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（ 0000HFFFFH），不管是否有內部程序存儲器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（ VPP）。 （ 12） XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 17 圖 AT89C51 內部結構圖 VCCPORT 0 DRIVERS PORT 2 DRIVERSGNDRAM ADDRREGISTERRAM PORT 0 LATCHPORT 2LATCHFLASHBREGISTERACCSTACKPOINTERPROGRAMADDRESSREGISTERTMP 2 TMP 1ALUPSW NTERRUPT . SERIAL PORTAND TIMER BLOCKSTIMINGAND TNSTRUCTION CONTROL REGISTEROSCPORT 1LATCHPORT 1 DRIVERSPORT 3LATCHPORT 3 DRIVERSBUFFERPCINCREMENTERPROGRAMCOUNTERDPTRP 0 . 0 P 0 . 7 P 2 . 0 P 2 . 7P 1 . 0 P 1 . 7 P 3 . 0 P 3 . 7 18 壓力傳感器 LDN500 系列壓力傳感器選用沒過進口的 高精度、高穩(wěn)定性、隔離式敏感組件，該組件把固態(tài)集成工藝與隔離膜片技術結合在一起，產品可在惡劣環(huán)境下工作，扔保持優(yōu)良的靈敏度、線性度和穩(wěn)定性，因此，在本次對于水塔水位的檢測中選用了該系列的壓力傳感器。被測介質壓力通過隔離膜片及密封硅油傳遞到硅膜片上，參考端的壓力（大氣壓、真空或密封壓）作用于硅膜片的另一側。 輸出的電信號，經過差分放大，電壓電流轉換，變換成相應的電流信號，通過放大和非線性矯正環(huán)路的補償，以及精密的二次溫度補償，產生與輸入壓力 成線性關系的 4~20mADC 二次制標準信號。 技術參數 （ 1）量程： 0～ 10kPa 0～ 40MPa （ 2）壓力類型：表壓（及負壓），絕壓，密封壓 （ 3）最大過載： 2 倍極限壓力 （ 4）測量介質：與 302 不銹鋼兼容的各種液體 19 （ 5）使用溫度： 40～ 85℃ （ 6）補償溫度： 0～ 70℃ （ 7）儲存溫度： 55～ 125℃ （ 8）振力： 10g（ 20～ 2021Hz） （ 9）沖擊： 100g 11mS （ 10）非線性：≤ %FS （ 11）重復性、遲滯：≤ %FS （ 12）長期 穩(wěn)定性：≤ %FS/年 （ 13）零位溫漂：≤ 177。 %FS （ 15）電源電壓：恒流 或恒壓 12VDC 供電 （ 16）電磁兼容 /射頻干擾： 10 伏 /米 （ 17）抗雷擊