水塔水位控制系统

郑州科技学院

专科毕业设计（论文）

题 目 学生姓名 专业班级 学 号 所 在 系 指导老师 完成时间

水塔水位控制系统

水塔水位控制系统

摘 要

水塔的作用：一是蓄水，在供水量不足之时，起着调节补充的作用。二是利用水塔的高势，自动送水，使自来水有一定的水压扬程。本次单片机系统设计的目的是利用单片机应用技术，以8051单片机为核心控制水塔的水位，并可实现了报警和手动、自动切换功能，为了达到节能的目的，提高供水系统的质量，考虑采用可编程序控制器、继电器和传感器技术，设计出一套适用的水塔水位控制方案。该方案在硬件基础上配合软件实现了警戒水位报警，并可切换手动自动两种工作方案。

该系统操作方便，性能良好，简单便宜，比较符合电厂水系统控制的需要。本文还详细的给出了相关的硬件框图和软件流程图，并编制了该汇编语言程序。

关键词 单片机/水位/控制/报警

The Water Tower water level control system

ABSTRACT

Tower: one is the effect of water supply, and the supplementary role plays a regulation. Two is to use the high towers, automatic water tap water, have certain hydraulic head. The single-chip microcomputer system is designed by using the microcomputer application technology, 8051 single-chip processor core control towers, and can achieve a level alarm and manual, automatic switching function, in order to achieve the purpose of saving energy, improving the quality of water supply system, consider using a programmable controller, relays and sensor technology, design a set of suitable water control scheme of the towers. Based on this method, the hardware with software realize the warning level alarm, and can be switched manually two work plan.

This system, convenient operation, good performance, simple and cheap, compared with the power to control water system. The paper also gives a detailed related hardware diagram and software flow chart, and the assembly language program

KEY WORDS Single chip，level，Control，Alarm

目 录

中文摘要 ..................................................................................................................................... I 英文摘要 ................................................................................................... 错误！未定义书签。 1 前 言 ..................................................................................................................................... 1 2 水位自动控制装置设计方案论证 ........................................................................... 2 3 元器件介绍 ......................................................................................... 错误！未定义书签。

3.1 8051单片机简介 ................................................................................................. 3 3.2 引脚极其功能 ........................................................................................................ 4 3.3 显示器件LED ......................................................................................................... 7 3.4 继电器 ........................................................................................................................ 7 3.5 故障报警蜂鸣器 ................................................................................................... 7 4水塔给水设备系统的构成 ............................................................................................ 8

4.1水塔的基本构成 .................................................................................................... 8 4.2 水塔结构原理图 ................................................................................................. 10 4.3 控制继电器 ......................................................................................................... 11 4.5 LED水位显示 ....................................................................................................... 12 5 单片机系统控制结构 ................................................................................................... 13 6 本系统的工作原理 ......................................................................................................... 15 6.1软件设计 .......................................................................................................................... 16

6.2自动模式子程序： ............................................................................................. 17 6.3 手动模式子程序： ........................................................................................... 18

结束语......................................................................................................................................... 21 致 谢......................................................................................................................................... 22 参 考 文 献 ........................................................................................................................... 23 附录1 .......................................................................................................................................... 23 附录2 .......................................................................................................................................... 28

1前 言

现今社会，自动化装置无所不在，在控制技术需求的推动下，控制理论本身也取得了显著的进步。水塔水位的监测和控制，再也不需要人工进行操作。实践证明，自动化操作，具有不可替代的应用价值。水塔是一种高耸的塔状建筑物，顶端有一个大水箱，箱内储水塔越高，水的压力越大，也就能把水送到更高的建筑物上。水塔的作用：一是蓄水，在供水量不足之时，起着调节补充的作用。二是利用水塔的高势，自动送水，使自来水有一定的水压扬程。

水塔的类型按建筑材料分为钢筋混凝土水塔、钢水塔、砖石支筒与钢筋混凝土水柜组合的水塔。水柜也可用钢丝网水泥、玻璃钢和木材建造。按水柜形式分为圆柱壳式和倒锥壳式。在中国这两种形式应用最多，此外还有球形、箱形、碗形和水珠形等多种。支筒一般用钢筋混凝土或砖石做成圆筒形。支架多数用钢筋混凝土刚架或钢构架。水塔基础有钢筋混凝土圆板基础、环板基础、单个锥壳与组合锥壳基础和桩基础。当水塔容量较小、高度不大时，也可用砖石材料砌筑的刚性基础。

水塔是供水系统中常用的设备，基于单片机的水塔水位控制系统使水塔水位保持在一定的位置，以满足用水的需要。本设计的目的是用单片机设计一个控制系统，用来对水塔水位进行控制。水塔水位控制系统的研究对于提高供水系统的自动化水平、提高生产效率具有重要的意义。本设计主要研究对系统硬件的各个部分进行选型，研究芯片之间的连接方法，以系统对水塔水位的控制思想用汇编语言对控制程序进行设计。

2水位自动控制装置设计方案论证

本次设计所考虑的方案有以下几种：

（1）利用浮力原理使浮标带动触头工作,进而影响直流接触器动作,控制交流接触器工作,实现水塔无水时自动开启水泵电动机,水满时自动关闭的自动控制目的,同时,在浮标失效时保护电路自动报警,并切断供水系统,延时实现间断供水和自动报警功能。鉴于当前水塔利用增多,可设计成简单易行、成本低廉、便于安装的水泵自控电路。利用水的浮力使浮标带动触头,使其闭合/(断开),致使直流接触器工作,电路自动接通/(断路),从而控制主控电路,实现自动控制的目的。

（2）通过两到三根电极放在水中，高度不同，其中一条伸到水底当地线(如果底部是金属的也可以省去它)，另外两条一个在低水位一个在高水位上，当低水位的对地失去连接时说明水位低，当两条都对地连接说明水位高；

（3）是用绝缘电极电容式测量，用两根(或两组)外表绝缘的电极垂直伸进水低，通过测量电极上的电容量变化情况测定水位，水作为电容的介质，水位越高电容越大，只要测定一下高低水位时的电容量就可以知道结果了。

本次设计主要采用第一种方案。具体方框图如下图所示：

电路框图

图1

原理说明水池中的水位传感器将水位信号给单片机输入，然后单片机在将水位信号在显示器上显示出来。假设是在下限水位，报警器报警。单片机给水泵发出信号，水泵动作向水池注水。当水位达到设定的上限水位时，报警器报警单片机向水泵发出信号水泵停止注水。这就完成了一次自动无塔供水循环，之后工作与此相同。

3 元器件介绍

3.1 8051单片机简介

目前，8051单片机在工业检测领域中得到了广泛的应用，因此我们可以在许多单片机应用领域中，配接各种类型的语音接口，构成具有合成语音输出能力的综合应用系统，以增强人机对话的功能。8051是Intel公司生产的一种单片机，在一小块芯片上集成了一个微型计算机的各个组成部分。每一个单片机包括：一个8位的微型处理器CPU；一个256K的片内数据存储器RAM；片内程序存储器ROM；四个8位并行的I/O接口P0-P3，每个接口既可以输入，也可以输出；两个定时器/记数器；五个中断源的中断控制系统；一个全双工UART的串行I/O口；片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接。最高允许振荡频率是12MHZ。以上各个部分通过内部总线相连接。

图2 单片机

3.2 引脚极其功能

MCS—51系列单片机的40个引脚中有2个专用于主电源引脚，2个外接晶振的引脚，4个控制或与其它电源复用的引脚，以及32条输入输出I/O引脚。

下面按引脚功能分为4个部分叙述个引脚的功能。 1、 电源引脚VCC和VSS

VCC（40脚）：接+5V电源正端； VSS（20脚）：接+5V电源正端。 2、 外接晶振引脚XTAL1和XTAL2

XTAL1（19脚）：接外部石英晶体的一端。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚接地；对于CHOMS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。

XTAL2（18脚）：接外部晶体的另一端。在单片机内部，接至片内振荡器的反相放大器的输出端。当采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。对于CHMOS芯片，该引脚悬空不接。

3、控制信号或与其它电源复用引脚

控制信号或与其它电源复用引脚有RST/VPD、ALE/P、PSEN和EA/VPP等4种形式。

（A）．RST/VPD（9脚）：RST即为RESET，VPD为备用电源，所以该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，就可实现复位操作，使单片机复位到初始状态。

当VCC发生故障，降低到低电平规定值或掉电时，该引脚可接上备用电源VPD

（+5V）为内部RAM供电，以保证RAM中的数据不丢失。

（B）．ALE/ P （30脚）：当访问外部存储器时，ALE（允许地址锁存信号）以每机器周期两次的信号输出，用于锁存出现在P0口的低

（C）．PSEN(29脚):片外程序存储器读选通输出端,低电平有效。当从外部程序存储器读取指令或常数期间，每个机器周期PESN两次有效，以通过数据总线口读回指令或常数。当访问外部数据存储器期间，PESN信号将不出现。

（D）．EA/VPP（31脚）：EA为访问外部程序储器控制信号，低电平有效。当EA端保持高电平时，单片机访问片内程序存储器4KB（MS—52子系列为8KB）。若超出该范围时，自动转去执行外部程序存储器的程序。当EA端保持低电平时，无论片内有无程序存储器，均只访问外部程序存储器。对于片内含有EPROM的单片机，在EPROM编程期间，该引脚用于接21V的编程电源VPP。

4.输入/输出（I/O）引脚P0口、P1口、P2口及P3口

(A).P0口（39脚～22脚）：P0.0～P0.7统称为P0口。当不接外部存储器与不扩展I/O接口时，它可作为准双向8位输入/输出接口。当接有外部程序存储器或扩展I/O口时，P0口为地址/数据分时复用口。它分时提供8位双向数据总线。

对于片内含有EPROM的单片机，当EPROM编程时，从P0口输入指令字节，而当检验程序时，则输出指令字节。

(B).P1口（1脚～8脚）：P1.0～P1.7统称为P1口，可作为准双向I/O接口使用。对于MCS—52子系列单片机，P1.0和P1.1还有第2功能：P1.0口用作定时器/计数器2的计数脉冲输入端T2；P1.1用作定时器/计数器2的外部控制端T2EX。对于EPROM编程和进行程序校验时，P0口接收输入的低8位地址。

(C).P2口（21脚～28脚）：P2.0～P2.7统称为P2口，一般可作为准双向I/O接口。当接有外部程序存储器或扩展I/O接口且寻址范围超过256个字节时，P2口用于高8位地址总线送出高8位地址。对于EPROM编程和进行程序校验时，P2口接收输入的8位地址。

(D).P3口（10脚～17脚）：P3.0～P3.7统称为P3口。它为双功能口，可以作为一般的准双向I/O接口，也可以将每1位用于第2功能，而且P3口的每一条引脚均可独立定义为第1功能的输入输出或第2功能。P3口的第2功能见下表

单片机P3.0管脚含义：

上水情况对照表

表1

综上所述，MCS—51系列单片机的引脚作用可归纳为以下两点：

1).单片机功能多，引脚数少，因而许多引脚具有第2功能；

2).单片机对外呈3总线形式，由P2、P0口组成16位地址总线；由P0口分时复用作为数据总线。

3.3 显示器件LED

LED显示屏（LEDdisplay,LED Screen）：又叫电子显示屏或者飘字屏幕。是由LED点阵组成，通LED显示屏(4张)过红色，蓝色，绿色LED灯的亮灭来显示文字、图片、动画、视频，内容可以随时更换，各部分组件都是模块化结构的显示器件。传奇光电的LED显示屏通常由显示模块、控制系统及电源系统组成。显示模块由LED灯组成的点阵构成，负责发光显示；控制系统通过控制相应区域的亮灭，可以让屏幕显示文字、图片、视频等内容，中山市亮拓光电的单色、双色屏主要用来播放文字的，全彩屏主要是播放动画的；电源系统负责将输入电压电流转为显示屏需要的电压电流。

3.4 继电器

当输入量(如电压、电流、温度等)达到规定值时，继电器使被控制的输出电路导通或断开。输入量可分为电气量(如电流、电压、频率、功率等)及非电气量(如温度、压力、速度等)两大类。继电器具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。

3.5 故障报警蜂鸣器

蜂鸣器分两种，有源和无源的：

有源蜂鸣器直接接上额定电源(新的蜂鸣器在标签上都有注明)就可连续发声，而无源蜂鸣器则和电磁扬声器一样，需要接在音频输出电路中才能发声。 有源要单片机普通IO端口直接高低电平驱动，如果你的单片机端口驱动能力不够可以用三极管驱动。程序也简单，但只能发出一种声音。

无源的话要频率驱动，不同频率驱动会发出不同的声音。IO选择上最好是选择定时器的IO输出，PWM输出或其他方便生成不同频率输出的端口。程序略复杂，看你单片机是否方便编程输出频率信号。

有源蜂鸣器电路在下面，有源的电路看你具体的驱动电压不同而不同。

图3报警电路

4水塔给水设备系统的构成

水塔水位控制系统主要完成的功能是对水塔水位控制，完成其供水的作用。此系统主要是在水塔无人值班的情况下工作，所以它必须能自动对水塔水位进行采样对水位输入信号进行分析，与己设置好的水位参数尽心比较，控制电机水泵的开启、停机实现水位的调节。系统中要求配置两台电机（M1电动机.M2电动机），当水位在低低时M1、M2均被启动，在水位低时M1启动而M2停，当M1不能启动时可单独启动M2，并发出声光报警。又可实现发生特殊情况人为地强行启动或关闭电机。

4.1水塔的基本构成

水塔由两台给水泵机组、水塔和三只浮球开关组成，其系统结构如图：

水位测量电路

图4

其中M1、M2为给水泵机组,LG、LD、LDD分别为水位高、水位低、水位低低浮球开关,当水位高（大于90开度）时,LG闭合,当水位低（小于75开度）时，LD闭合,当水位低低（小于50开度）时,LDD闭合。

水塔的控制器由8051系统构成。为避免电机的起停和电源波动时对电路的影响，输入输出均采用光电隔离。输出通过继电器，控制水泵机组的起停和报警，其电路图如下：

隔离控制电路

图5

给水泵电机主控电路及控制回路图如下：

图6主电路 控制电路

单片机控制水塔系统主要完成的功能是对水塔水位控制及监测。水位允许在已设置的上、下水位参数范围内变化。当有一电机发生故障时，单片机自动选用第二台电机工作。在发生特殊情况某一时刻人为的要强行启动电机，但又要通过单片机来控制，可通过上调下限水位参数随时启动电机。当工作的电机出现异常情况可通过下调上限水位参数，单片机控制电机立即停机等。

系统的基本工作原理与构成单片机控制水塔系统主要完成的功能是对水塔水位控制及监测。由水塔的水位模拟信号并在晶闸管双闭环直流调速系统中，输入量有速度、电流等模拟量，有启停指令、转向给定等开关量信号。输出量有触发脉冲、故障信号等开关量信号。

4.2 水塔结构原理图

主电路采用8051内含4KB容量，因此在设计中不需要外扩ROM。硬件电路主要有LED显示电路、键盘接受电路、继电器控制电路等组成。电路原理框图如图所示：

图7 主控电路框图

4.3 控制继电器

为了达到水泵的控制，我们可以通过控制继电器来达到对水泵的自动控制。 在电气控制领域或产品中，凡是需要逻辑控制的场合，几乎都需要使用继电器，从家用电器到工农业应用，甚至国民经济各个部门，可谓无所不见。继电器是一种利用各种物理量的变化，将电量或非电量信号转化为电磁力（有触头式）或使输出状态发生阶跃变化（无触头式），从而通过其触头或突变量促使在同一电路或另一电路中的其它器件或装置动作的一种控制元件。根据转化的物理量的不同，可以构成各种各样的不同功能的继电器，以用于各种控制电路中进行信号传递、放大、转换、联锁等，从而控制主电路和辅助电路中的器件或设备按预定的动作程序进行工作，实现自动控制和保护的目的。被转化或施加于继电器的电量或非电量称为继电器的激励量，当继电器被激励，从一个起始位置达到预定的工作位置，并完成电路的切换动作，称为继电器的工作特性，包括吸合。不吸合，保持与释放状态。当输入量变化到高于它的吸合值或低于它的释放值时，继电器动作，对于有触头式继电器其触头闭合或断开，对于无触头式继电器起输出发生阶跃变化，以此提供一定的逻辑变量。继电器电路图为：