水塔液位检测及控制系统设计 课程设计

水塔液位检测及控制系统设计课程设计
学校代码：10904
机械工程测试技术课程设计水塔液位检测及控制系统设计
姓名：岳耀波
学号：201315310141
指导教师：卢纪丽
院系（部所）：机电工程学院
专业：机械设计制造及其自
化
完成日期：2014年12月20日
摘要
水塔液位检测及控制系统利用LabVIEW软件自动检测并控制水塔的液位，通过传感器利用传感器及继电器获取水位信息，我们通过LabVIEW控制系统前面板了解情况。

整个系统采用模块化设计，能够顺利实现题目要求的各项功能。

测试结果符合题目要求,成功的实现了我们的设计目标。

【关键词】传感器；LabVIEW软件；继电器。

目录
第一章课题背景 (1)
第二章水位检测控制原理 (2)
2.1 控制方案 (2)
2.2 控制的实现 (3)
2.2.1水位信号的获取 (3)
2.2.2 信号的采集与输出转换 (3)
2.2.3 LabVIEW功能要求 (3)
2.2.4 信号输出与注、排水功能的实现
(4)
第三章 LabVIEW控制程序的设计 (5)
3.1 前面板介绍 (5)
3.2 程序框图原理 (6)
3.2.1 信号采集部分 (7)
3.2.2 工作状态显示部分 (8)
3.2.3 程序逻辑部分 (8)
3.2.4 信号输出部分 (11)
第四章硬件系统的选择及搭建 (12)
4.1 硬件的选择 (12)
4.1.1传感器的选择 (12)
4.1.2 电机的选择 (14)
4.1.3 电磁阀的选择 (15)
4.1.4 继电器的选择 (15)
4.1.5 信号采集卡的选择 (16)
4.1.6 外部放大电路的制作 (16)
4.2 硬件的连接 (17)
第五章系统测试完善 (21)
5.1 系统测试 (21)
5.1.1手动水位控制调试 (21)
5.1.2区间水位控制调试 (22)
5.1.3精确水位控制调试 (24)
5.2系统完善 (25)
参考文献 (26)
致谢 (27)
第一章课题背景
水塔的应用十分广泛，现今存在的水塔液位控制主要有机械式、电气式、光电、电磁式等，这些控制虽能满足控制水位的要求，但是自动化程度都不够高，本设计系统利用LabVIEW软件自动检测并控制水塔的液位，操作人员只需在LabVIEW控制程序中设定好相关的参数即可实现对水塔液位系统的实时精确控制。

第二章水位检测控制原理
2.1 控制方案
按照常规的控制系统设计的思路，总体设计分为三个部分：信号的采集、信号的处理显示和信号的显示输出控制。

针对本课题水塔水位检测及控制，画出其原理图如图1水塔检测控制系统原理图利用传感器获取水位信息，经A/D转化之后将模拟信号转换为计算机课处理的数字信号，通过具体的电压与水位的关系，由电压转换得到水位，按照一定的逻辑关系对水位进行处理，得到信号输出，控制后续电路的工作，进而控制水位的变化，实现水位检测和控制。

2.2 控制的实现
2.2.1水位信号的获取
通常来说，对水位检测有接近式电容开关和电容式压差变送器两种，这里我们显然要测出任意时刻水位的具体值，接近式电容开关无法满足要求，须选用电容式压差变送器，将传感器敏感部分放入水底，其信号输出部分输出一个电压信号。

将这个信号经过程序处理显示成具体的液位，并根据相应的程序关系再输出一个信号。

满足这样要求的传感器常用的为液位变送器，根据现有条件，选择SENSE INSTRUMENTS公司生产的TK633型传感器。

其相应参数介绍在后续硬件选择中。

2.2.2 信号的采集与输出转换
采集的信号为一模拟量电压信号，要想将信号应用还需要经过一个A/D转换才能使用。

同理，计算机程序给出的也只是一个数字信号，必须经过D/A转换，才能把数字信号转化为模拟信号，控制后续电路的工作。

我们采用实验室的National Instruments公司的USB6251采集卡来实现要求的A/D和D/A转换。

采集的模拟电压信号从a01的68、67这两个端口接收到电脑程序中，模拟电压量的输出从21、22、55这三个口输出，得到两个输出电压，分别控制注水和排水电机工作。

2.2.3 LabVIEW功能要求
我们这个水塔水位系统的功能要求如下：
1.实时检测水塔液位并显示出来。

2.用户自己设定一个具体水位值，系统自动保持水位在这个值。

3.用户也可设置一个水位范围，系统自动保持水位在这个范围。

4.用户还可通过软件手动控制水塔水位。

以上四个功能是本设计系统的主要部分，LabVIEW程序的设计都是根据这几
个功能来完成的。

具体的程序设计将在第二部分着重介绍。

2.2.4 信号输出与注、排水功能的实现
经过LabVIEW处理过的信号将会根据一定的逻辑关系输出一个信号控制电机工作来完成水位的调节，由USB6251输出的信号是不能直接驱动电机转动的，我们需要设计一个电路来完成这个功能。

电机转动我们只需要一个开关来控制即可，考虑到电机断电之后还会由于惯
性转动，是水位发生变化，影响系统的精度，我们在电机相应的回路位置串接一
个电磁阀，电磁阀随电机一起同时工作，这样即使电机转动，电磁阀关闭也会限
制水的流动，从而精确控制。

而开关的控制则需要LabVIEW给出的信号来控制，LabVIEW系统给出的电压信号是不能直接驱动电机和电磁阀的，电机电压220V电磁阀工作电压24V，这样就考虑用继电器来完成相应的控制，继电器工作，电机和电磁阀工作。

只需控制继电器的工作即可。

为完成此功能，设计一个简单的放大电路实现继电器的工作，继电器的两个开关分别控制电机和其相应的电磁阀。

采用两组电路，即可完成排水和注水的两部分。

如图2注水、排水控制电路所示，M为继电器。

第三章 LabVIEW控制程序的设计
3.1 前面板介绍
在设计的介绍中我们已经明确了水塔水位检测控制系统的基本要求，程序的设计就是完成这些功能。

首先，我们设计出满足基本功能的前面板，如图3 LabVIEW控制系统前面板所示。

第一部分功能为水塔液位的检测，在前面板上给出一直观清晰的显示，既能
通过具体读数显示，又给人以形象展示，如图3左侧部分。

第二部分为功能显示灯部分，这一部分只是让我们能更清楚的知道系统现
在
的工作状态，分为注水、排水指示灯部分和水位上下限报警部分。

当水位超过90
或低于10的时候，可能导致系统无法正常工作，分别给予上限报警或下限报警，用高亮的红色显示报警。

控制系统的功能在实现的时候，电机和响应电磁阀工作，我们需要给出一个指示，注水和排水电机分别高亮绿色显示。

第三部分是控制部分，为主要部分。

系统的三个工作功能选项，精确水位控
制、区间水位控制、手动控制。

这三个功能是并行的，只能选择其中一种工作状
态，一种工作状态起作用，另外两种就不起作用。

工作时，相应指示灯高亮。

3.2 程序框图原理
根据前面板的设计，程序框图出现相应的控件，将各种控件按照一定的逻辑关系连接在一起即可完成整体控制系统的设计。

整体分为信号采集部分、工作状态显示部分、程序逻辑部分以及信号输出部分。

3.2.1 信号采集部分
通过DAQ助手，选择采集模拟量，选用的National Instruments公司的USB6251采集卡，选用a01通道，信号便可采集到电脑。

模拟信号转变为数字信号，首先动态数据转换为数组，再经过索引数组即可变成我们程序可处理的数字量，这个量就是传感器输出的电压。

电压与液面高度是有一定关系的，这跟传感器的类型有一定的关系的。

我们选用的是STK633液位变送器，其输出电压为1—5V，测量范围是1—100cm,先进行标定，测得数据如表1液位变送器电压——水位表所示。

经MATLAB计算得到水位H(cm)于电压U（V）的关系。

显示控件直接显示，其值也作为后续步骤的输入值。

3.2.2 工作状态显示部分
本程序系统有多个工作状态，电机的工作状态我们也要实时了解，如果水位
偏离了水塔工作的正常范围，还必须作出报警，这里根据硬件设置低于10cm时下限报警，高于90cm时上限报警。

当选择了相应的工作状态之后，相应的工作指示灯高亮。

给出电机信号的同时，把电机工作状态告诉操作者。

这些功能的实现都是靠布尔显示控件来实现的。

可以在前面板中右键设置不同工作状态的颜色等属性。

3.2.3 程序逻辑部分
控制部分是程序的灵魂部分，它的逻辑关系这里详细讲解。

程序框图如图5LabVIEW制程序框图所示。

图5LabVIEW制程序框图
首先在控制方式选择里设置一个下拉列表，供用户选择控制方式，我们这里给不同的方式赋值，便于程序的编写。

如图6控制方式选择所示。

图6控制方式选择
接下来程序就要判断用户选择了那种控制方式，如果判断出用户选择了一种
控制方式，输入控件就得到了相应的赋值，程序就以这个值执行下去。

下面逐个分析每种控制方式的控制原理：
精确水位控制：用户输入想要精确控制的水位，与传感器得到的水位的信号
做比较，如果输入的值大于目前水位，输出一个布尔信号TRUE来控制后面的电压输出部分，进而控制注水电机的转动；否则给出FALSE，注水电机不动。

如果输入的值小于目前的水位，则给出另一个布尔信号TRUE控制排水电机的工作，否则给出FALSE不执行操作。

如果恰好是这个水位，也不做响应。

如图7 精确水位控制所示。

图7 精确水位控制
区间水位控制：用户输入允许的最高水位和最低水位，系统检验设定值与实
际水位的关系，如果实际水位超出设定最高水位，则给出给出一个布尔信号TRUE 来控制后面的电压输出部分，进而控制排水电机的转动，否则给出FALSE。

如果实际水位小于给出的最低水位，则给出另一个布尔信号TRUE控制注水电机的工作，否则给出FALSE不执行操作。

如果水位在用户输入的允许范围内，则不做响应。

如图8 区间水位控制所示。

图8 区间水位控制
手动水位控制：这个功能允许用户通过程序控制一个开关来控制电机的注水
和排水。

此功能最为简单，控制原理与上述两种控制方式相同，通过判断开关的
状态给出响应的布尔量。

如图9 手动水位控制所示。

图9 手动水位控制
上述三种控制方式都是通过布尔量来控制如何给出信号的，三种工作方式，只要有任何一部分给出信号即可给出信号，因此可将上述三种方式的布尔结果进
行一个或运算然后给出一个总布尔量，即只要有一种工作方式让电机工作，电机就会工作，这就是程序的核心部分了。

3.2.4 信号输出部分
程序核心部分给出布尔量之后，通过判断布尔量的状态来控制给出高电平信号还是低电平
信号。

采用条件结构，如图10信号输出所示，如果为真就给出高电平5v，如果为假就给出低电平0。

这里的信号都是通过仿真的直流信号给出的，这样输出就直接为一模拟量了。

图10 信号输出
注水排水两个电压信号分别通过DAQ助手输出到数据采集器的两个端口，控制注水和排水电机及相应的电磁阀。

这两个信号就是在控制电路图中所示的注水、排水信号。

两个信号输出有三个接口，其中一个为公用的地线。

第四章硬件系统的选择及搭建
4.1 硬件的选择
4.1.1传感器的选择
由测试工程的课程可知，液位变送器是最适合这个系统的，根据水塔的液位范围我们选择STK633型传感器，如图11液位变送器所示。

图11液位变送器
其相关参数如下：型号：STK633 工作电压：12——36V 工作压力：0——10kPa
最大压力：30 kPa 输出信号电压：1——5V
其分为敏感部分和辅助工作部分，敏感部分放入水中，由于是电容原理的传感器，不可用手或者其他硬物接触传感器表面，以防传感器损坏。

STK633型传感器是能量控制型传感器，需要外部提供工作电压。

其敏感部分放入水中感知压强水位，信号工作部分内部结构如图12 液位变送器接线图所示，共三个接线端，P+表示电源，S+表示输出信号，-表示接地。

使用时，把P+和-两端接到稳压24V的直流电源上即可，信号两端S+和-接到采集卡端口，这样既可完成信号的采集。

图12 液位变送器接线图
4.1.2 电机的选择
根据水塔整体的尺寸相应的选择一定功率和速度的电机，保证电机正常工作，如图13注水、排水电机所示。

其参数如下：
型号：15SG0.5-6 功率：80W 最高扬程：10M 规定扬程：6M 频率：50Hz 电压：220V 转速：2860r/min 电流：0.38A 绝缘：E级
图13注水、排水电机
4.1.3 电磁阀的选择
电磁阀在此起到一个开关的作用，是配套电机使用的，使用和本系统直径相当的即可，在次选择直流24V的。

如图14电磁阀所示
图14电磁阀
4.1.4 继电器的选择
继电器选择，因为程序给出的信号比较，设定为5V，选择时选择线圈电压为6V的即可实现放大电路的功能，而其控制的电路要能承受220V的电压。

继电器原理图及实物如图15继电器实物图、原理图所示
其中7、8脚接到三极管和6V处，1、5脚接电机两端，2、6脚接电磁阀两端，当7、8接通之后，继电器工作，相应的电机和电磁阀也就接通，可以控制注水和排水。

4.1.5 信号采集卡的选择
信号采集卡有多种多样，我们没有必要专门找一个，只要能采集简单的电压数据并输出模拟电压即可，这里就利用实验室的National Instruments的USB6251即可。

如图16 USB 6251采集卡所示。

其相应参数可参见说明书。

图16 USB6251采集卡
4.1.6 外部放大电路的制作
前面已经将外部放大电路设计完毕，选择两个TIP31C型NPN三极管完成，为了连接器件方便，将其焊接在一电路板上，如图17外部电路板所示。

与其对应的电路原理图如图2 注水、排水控制电路所示。

图17外部电路板
在制作电路板的时候直接选择大功率的TIP31C型NPN三极管，刚开始时为防止电压过大加了一个电阻，后来发现电阻使电路无法相应，电路无法工作，此时分析得知电压过低，去掉电阻之后电路既可正常工作。

焊接的电路板比较粗糙，
两个电路使用颜色不同的电线，这样在电路连接的时候就会很方便，不用找三极管的各个极了。

4.2 硬件的连接
硬件选择好之后，便可以按照程序的逻辑把它们按照一定的关
系连接起来。

先将传感器的信号接到采集卡上，再6251给出的信
号连接到三极管放大电路，把电机和继电器的线正确连接到继电器
上，然后将放大电路的各线连接到响应的电源上即可。

水塔硬件如
图18水塔模型所示。

图18 水塔模型
水塔模型的硬件系统包括主水塔和副水塔，副水塔的水位我们不做要求，只为主水塔供水及存水。

电机有两个，分别控制向主水塔排水和注水，在相应的电机回路中，串联一个电磁阀，防止在控制系统停止后电机由于惯性导致系统继续使液位发生变化，这里同一组电机和电磁阀利用同一个继电器控制，电机开则电磁阀也开，否则都关。

电机、电磁阀和继电器的工作分别需220V交流、24V直流和6V直流电压，由于没有购买相应的电源，只能利用实验室已有的平台，如图19供电实验台所示
图19 供电实验台
由于水塔的电机和电磁阀距离供电试验台较远，我们采用一个相当于接线端子的中间过渡，将电机、电磁阀、试验台、继电器、采集卡连接起来，这样接线就可简便一些。

中间接线架如图20 接线架说明图所示
图20 接线架说明图
经过连线将采集卡、水塔电机、继电器、放大电路、电源等连接好之后，得到可以正常工作的系统，如图18水塔模型所示。

图18 水塔模型
第五章系统测试完善
5.1 系统测试
系统连接完成之后，需进行测试，检验各个功能的正确性。

5.1.1手动水位控制调试
首先检验手动调节功能，先在下拉列表里选择手动水位控制，然后点击运行，此时工作指示灯高亮，在手动水位控制区域把注水开关打开，此时注水指示灯高
亮，在左侧液面高度中，液面上升，正常工作，如图21手动控制正常工作所示。

图21 手动控制正常工作
继续注水，一直让水位达到100cm，此时水位已经超过90cm，系统自带的水位极限检测发出警告，上限指示灯高亮变红，提醒用户采取有效措施。

可以选择手动排水或者其它方式控制水位。

如图22液位报警所示，采用手动排水。

图22 液位报警
5.1.2区间水位控制调试
根据要求，先把区间设置好，点击运行，此时水位在规定区间内，系统不做相应，如图23区间水位控制控制1所示
图23 区间水位控制1
如果水位低于设定的最低水位，系统检测到之后自动注水，直到水位达到
要求的最低水位。

然后停止注水，如图24 区间水位控制2所示
图24 区间水位控制2
当前水位高于设定的最高水位，系统自动检测然后排水，直到水位达到设定
的最高值。

如图25区间水位控制3所示
图25 区间水位控制3
5.1.3精确水位控制调试
选择精确水位控制方式，输入要控制的精确水位。

当前水位低于要求的精确水位时，注水，达到精确水位时停止。

如图26精确水位控制1所示
图26 精确水位控制1
当前水位超过所设定的精确水位时，排水，直到达到设定水位。

如图27精确水位控制2所示
图27 精确水位控制2
5.2系统完善
系统经过以上检测之后，可以正常工作完成要求的功能，达到了课程设计的目的。

但是，在测试的过程中依然存在着一些问题。

首先，由于时间的仓促，硬件的连接比较粗糙，各种接线比较杂乱。

其次，液位变送器工作间歇性失效。

由于长时间的放置损坏的原因，液位变送器会间歇性出现不工作的情况，这给我们的系统造成很大的麻烦，有时就无法工作。

在精确水位控制和区间水位控制两种方式中，工作状态前期的响应都是很正确的，但是在完成工作，进入平衡状态时出现一个突变，液位变送器采集的信号传给采集卡时信号突变成0，经过几秒钟的响应之后才会恢复正常，这也就导致系统再次响应发生不必要的错误。

以上问题解决之后，系统便可正常无误的工作了。

参考文献
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致谢
在卢老师的精心指导和大力支持下完成此设计，她渊博的知识开阔的视野给了我深深的启迪，课程设计凝聚着她的血汗，她以严谨的治学态度和敬业精神深深的感染了我对我的工作学习产生了深渊的影响，在此我向卢老师表示衷心的谢意。