1、河南機電高等專科學校課程設計報告書課程名稱： 計算機控制技術 題 目： 水塔水位自動控制系統報警設計 專業班級： 生產過程自動化 2010年12月 24日目 錄第1章 系統分析及硬件設計31.1 功能簡介31.2 方案選擇31.3設計分析41.4工作原理51.6參數計算61.7水塔水位控制7第2章 軟件設計8主要介紹存儲器地址分配，以及主程序和各主要功能子程序的程序流圖。第3章 總結9主要介紹軟硬件設計中存在的優缺點和對系統性能的分析。附錄A 硬件電路圖10可以是原理圖或PCB圖附錄B 程序清單11參考文獻12設 計 任 務 書課題簡介：水塔水位控制系統在人們日常生活應用中無處不在，其基本要求

2、是能夠在無人監控的情況下自動進行工作，在水塔中的水位到達水位下限時自動啟動電機，給水塔供水；在水塔水位達到水位上限的時候自動關閉電機，停止供水。并能在供水系統出現異常的時候能夠出警報，以及時排除故障，隨時保證水塔的對外的正常供作用。水塔水位測控系統由MCS51單片機組成。技術指標：1、掌握MCS51單片機的硬件結構與應用2、熟悉七段數碼管的使用 3、掌握水塔水位的測試方法 4、熟練掌握被控對象數學模型的建立 5、深入理解自動控制系統的原理 6、學習計算機控制系統的設計與實現 第一章 系統分析及硬件設計1、功能簡介隨著科學技術的進步，人們越來越多地用計算機來實現控制系統。單片機作為嵌入式微控制器

3、在工業測控系統，智能儀器和家用電器中得以廣泛應用。在實時檢測和自動控制的單片機應用系統中，單片機往往是作為一個核心部件來使用。水塔水位的監測和控制通過單片機來實現的智能控制系統。自動化操作具有不可替代的應用價值。智能控制系統減輕了人們的工作負擔、簡化了系統裝置的結構。水塔水位自動控制考慮到了因水位的振蕩而造成的液位檢測系統的誤差，并通過硬件的設計以減小其誤差；液位檢測的模型建立以及實現方法；硬件以及軟件的抗干擾技術。硬件及軟件的設計，提高了系統的穩定性以及系統的精度。據有一定的實際應用價值。因此智能控制系統越來越受到人們的信賴與應用。該系統能夠在惡劣的條件下能自動調節水位高低、手動解除報警裝置

4、、檢測探頭好壞的水塔水位控制器. 同時,通過調節電位器中的阻值,該控制器能夠適應多種液體液位的檢測。2、方案選擇現代控制理論本質上是時域法，是建立在狀態空間基礎上的，它不用傳遞函數，而是用狀態向量方程作基本工具，從而大大簡化了數學表達方式，因此原則上可以分析多輸出、非線形以及時變系統。水塔水位控制系統是我國住宅小區廣泛應用的供水系統，傳統的控制方式存在控制精度低、能耗大的缺點，而自動控制原理，依據用水量的變化自動調節系統的運行參數，保持水壓恒定以滿足用水要求，從而提高了供水系統的質量。而且成本低，安裝方便，經過多次實驗證明，靈敏性好，是節約水源，方便家庭和單位控制水塔水位的理想裝置，水塔水位控

5、制系統采用交流電壓檢測水位，水位低于下限B點水位時，水泵抽水，水位達到最高水位線D時，水泵停止抽水，水位降低到最低水位線B以下時，恢復運行抽水，從而實現自動控制。該系統采用分立元件電路實現了水塔水位的自動控制，設計出一種低成本、高實用價值的水塔水位控制器。采用分立的電路實現超高、低水位處理，自動控制電機電路。它能自動完成上水停水的全部工作循環，保證液面高度始終處于較理想的范圍內，它結構簡單，制造成本低，靈敏度高，節約能源顯著，是用于各種高層液體儲存的理想設備。3、設計分析水塔水位自動控制系統主要完成的功能是對水塔水位的自動控制及檢測. 本文擬通過4 個探頭對水塔水位進行采樣,分析采集的水位信號

6、,控制電機水泵的開啟、停止,實現水位的調節. 4 個探頭分別用B 、C、D、E 表示,放置在水塔中,如圖1 所示. 4 個探頭采集的水位信號通過T TL 電路判斷輸出,可以判斷水塔內水位的高度. 水位允許在已設置的上、下水位范圍內變化. 即水位高度正常情況應控制在C、D 之間,如圖1 (a) ;當水位低于C 點、高于B 點時,電機啟動,帶動水泵工作,進水閥門打開,水塔內處于進水狀態,如圖1 (b) ;當水位高于D 點時、低于E 點時,電機關閉,水泵停止工作,關閉進水閥門,水塔內處于停進狀態,如圖1 (c) ;當水位低于C 點并到達B 點時,就發出C 探頭故障報警,采取手動啟動電機,如圖1 (d

7、) ;當水位超過D 點并到達E 點時,發出D 探頭故障報警,采取手動關閉電機,水位從溢流口流出,如圖1(e) 為了精確地實現對水位的控制,必須建立閉環控制系統. 根據水塔中的進、出水的水位可以自動控制水泵運行與停止,使水位處于動態的平衡狀態. 控制系統主要分為水位的模擬檢測和邏輯判斷部分.如圖2 所示,模擬檢測部分測量的是B 、C、D、E 4 個探頭相對于A 點(即地) 電位的高低. 這就相當于一個可變電阻,4 個探頭與地之間的不同距離對應了可變電阻不同的阻值. 當水位高低發生變化時,對應的電阻值不同,通過邏輯判斷,就得到不同的輸出邏輯判斷的輸出電路一部分用來控制電機的關閉與開啟,另一部分用來

8、檢測系統故障,并發出報警聲。圖2 系統框圖用51單片機設計的水位自動控制系統。見圖3，51單片機實際是個小的微型機，除了硬件電路的搭接外，還需要軟件的開發和應用。這樣會使設計變得很繁瑣，同時從電磁兼容方面考慮，軟件設計存在系統地不穩定性。在實際應用中，為了滿足工廠的實際條件，大部分自動化控制裝置采用純硬件的電路設計。此外，該電路不能檢測液體的電導率，不適用水塔中液體性質改變的情況。圖3 水塔水位控制電路4、 工作原理圖水塔供水系統的工作原理圖如圖4所示,包括水位檢測電路,誤動作判斷電路,水位控制電路,電機開啟或關閉電路和報警電路. 水位正常情況下應保持在C、D 范圍之間, 此時, B

9、 、C、D、E 4 個探頭的邏輯電平為0011 ,水塔水位處于保持狀態; 當水位低于C點,處于B、C 之間時,B、C、D、E 4 個探頭的邏輯電平為0111 ,水塔水位處于進水狀態;當水位高于D 點, 處于D、E之間時, B 、C、D、E 4 個探頭的邏輯電平為0001 , 水塔水位處于停進狀態; 當水位低于B 點或水位高于E 點, B 、C、D、E 4個探頭的邏輯電平為1111 或0000 時,表明控制水位變化的電路出現了故障, 水塔水位的報警電路開始工作， 產生下限報警或上限報警, 即低報和高報. 此時,需要工作人員手動關閉報警設備并開啟或閉合控制電機。圖4 水塔供水系統的工作原理圖5、參

10、數計算水位指示燈部分:令流過三極管T1 , T2 , T3 , T4 集電極的電流IC 為10mA ,因為IC = (V CC - 1. 5) / RC= 10mA ,得RC = 350;取= 100 ,則IB = 10mA/ 100 = 0. 1mA ,所以, RB = V CC/ IB = 10k. 但是在實際調試中,電阻值過小,選擇RB = 15k 才合適。6、水塔水位控制器水塔水位控制器的測試圖5 為水塔水位控制器的外觀正視圖,由電源指示燈、報警確認燈、水位指示燈以及報警確認開關組成. 接通電源時,電源指示燈亮,當水塔中水深處于不同位置時,水位指示燈B 、C、D、E 狀態不同.(1)

11、當水位處于B 點之下,指示燈B 、C、D、E 全亮,報警電路開始報警,即下限報警.(2) 當水位處于B 、C 之間, 指示燈B 滅, C、D、E 亮，水泵開始進水.(3) 當水位處于C、D 之間, 指示燈B 、C 滅, C、D 亮,保持狀態,即保持進水.(4) 當水位處于D、E 之間, 指示燈B 、C、D 滅, E 亮,停進狀態,即水泵不工作.(5) 當水位處于E 點之上,指示燈B 、C、D、E 全滅,水泵不工作,報警電路開始溢出報警,即上限報警.(6) 報警電路可以手動關閉,只要按下報警確認開關,就可以解除報警的蜂鳴聲. 此時,報警確認燈亮起. 處理完故障時,必須關閉報警確認燈,報警確認電路

12、復位,恢復其監測故障的功能.經過檢測,水塔水位控制器完全符合預定要求,完成所設定的工作任務. 圖5 水塔水位控制器外觀圖第二章 軟件的設計開始為檢查水位狀態做準備P1.0=0？P1.1=1？停機P1.2=1P1.1=0？報警P1.3=0停機P1.2=1等待延時10S啟動P1.2=0YYYNNNN圖6 軟件設計實驗驗證：本文采用純硬件電路設計水塔水位控制系統,避免了復雜設計中的不穩定因素,降低了生產成本,提高了實用價值. 同時,對于不同類型的液體,此系統具有良好的兼容性. 當水塔中液體改變時,只需要將電位器中的阻值和該液體的阻值調節到一個數量級上就可以很方便地實現此液體的水位控制操作 . 實驗證

13、明,此水塔水位控制器不僅實現了對水塔水位的精確控制,而且,更具有工業生產的實用性. 但是,如果探頭B 、C,或者探頭D、E 同時發生故障,水塔水位控制器中的檢測部分就不能識別出來,這是使用時應該注意的. 所以,在使用過程中需要定期檢測探頭是否發生故障。第三章、結束1、水塔水位發展與應用我國的水工業科技發展較快，與國際先進水平的差距正在不斷縮小，水工業科技體系已初步形成，擁有一支從事水工業基礎科學研究、應用研究、產品研制和工程產業化開發的科技隊伍。但是，在水工業科技領域普遍存在著實用性差、轉化率低的情況。這已成為制約我國水工業產業化發展的關鍵。在水工業科技產業化大潮到來之際，認真分析我國水工業科

14、技發展歷程，總結我國水工業科技的特點和特長是尋找水工業產業化突破口的關鍵。目前，我國的供水自動化系統發展已初有成效。供水自動化系統主要包括水廠自動化和供水管網高度自動化兩個方面。運用簡單、可靠的設計思路來實現性價比合理的水塔水位控制器. 經過實驗測試,該系統在運行期間穩定性高,完全實現了自動調節水位高低、手動解除報警裝置、檢測探頭好壞等功能,是可以投入生產的水塔水位控制系統 。在本次試驗中，由于實驗室條件有限，很多工作沒有落實到真實的實驗驗證中，所以本課程設計中的疏漏在所難免，但是通過本課程設計，確實學到了一些東西。最后，感謝白老師在課堂上的細心講解和實驗室張老師熱心的幫助！附件一、參考文獻【

15、1】：計算機控制技術 于海生 機 械 工 業 出 版 社【2】：自動控制原理及其應用 黃 堅 高 等 教 育 出 版 社【3】：單片機原理及應用 梅麗鳳 清 華 大 學 出 版 社 北京交通大學出 版 社【4】：自動檢測技術 宋文緒 楊帆 高 等 教 育 出 版 社【5】：電子線路CAD 董作霖 河南科學技術出 版 社附錄A：硬件電路圖：123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:26-Dec-2010Sheet of File:F:Protel exampleµ¥Æ¬»ú

16、5;îСϵͳ.ddbDrawn By:EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10VCC40GND20U18051+5VC230PC130PY112MHZC322¦ÌR1RES2+

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