水位自动检测与控制系统的设计

1 引言

1．1 研究背景

在社会经济飞速发展的今天，水在人们生活和生产中起着越来越重要的作用。一旦断水，轻则给人民生活带来极大的不便，重则可能造成重大的生产事故及损失。因此，对水位的自动检测及控制的研究，有着极其重要的地位。任何时候都能提供足够的水量，平稳的水压，合格的水质，是对供水系统的基本要求。就目前而言，多数工业生活供水系统，都采用水塔，层顶水箱等基本储水设备，由一级二级水泵从地下市政水管补给，因此如何建立一个可靠安全又利于维护的给水系统是值得我们研究的课题。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。

在工农业生产以及日常生活应用中，常常会需要对容器中的液位（水位）进行自动控制。比如自动控制水箱、水池、水槽、锅炉等容器中的蓄水量，生活中抽水马桶的自动补水控制、自动电热水器、电开水机的自动进水控制等。虽然各种水位控制的技术要求不同，精度不同，但基本的控制原理都可以归纳为一般的反馈控制方式，就是利用传感器对于信号的提供通过单片机对数码显示、电机控制、报警控制部分的控制[1]。

本设计从分析水塔水位报警器的原理和设计方法入手，主要基于单片机的硬件电路和语言程序设计,实现一种能够实现水位自动控制、具有自动保护、自动声光报警功能的控制系统。本控制系统由A/D转换部分、单片机控制部分、数码显示部分、电机驱动部分、电机控制部分等构成。这是个简单而灵敏的监测报警电路，操作简单，接通电源即可工作。因为大部分电路采用数字电路，所以本水位监测报警器还具有耗能低、准确性高的特点。该系统设计新颖、简易，灵敏度高，工作稳定，能够自动检测与显示当前水位、高低水位报警等功能

水位自动控制电路是通过水位传感器将水位高度转换为0~10V的直流电压，再经过A/D转换后，将转换所得的数字量送入单片机进行处理来达到对水位进行自动控制的目的。通过对电压和水位的转换关系，最终利用单片机进行精确的控制，实现对水位高度的显示、电机和报警装置的控制。

主要的工作原理是通过水位传感器将水位信号转变成电信号，在通过A/D转换

部分位传感器的电信号进行转换处理。提供给单片机，利用单片机连接显示系统，电机系统和报警系统完成对水位的检测与控制。此项设计有利工业和生活用水的控制[2]。

1．2 项目研究意义

单片机是计算机家族中既年轻却又十分重要的成员，虽然它的问世比第一代计算机整整晚了30年，在整体功能和价格水平等方面也远不如其它类型的计算机，但无论是尖端科技，如航空、航天、军事、通信、能源、交通IT，还是现代工业、农业、办公自动化和日用家电等诸多领域都离不开单片机，其使用率和普及率之高，远远的超过了其他类型的计算机。课堂上我们虽然也学习了关于单片机的理论知识，但只有在实际的制作中才能让我们真正掌握单片机技术。

目前应用较广泛的单片机有51系列单片机、AVR单片机以及PIC单片机，单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。这种计算机是把智能赋予各种机械的单片机。顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。它体积小，在整个装置中，起着有如人类头脑的作用。单片机的诞生是计算机发展史上的一个新的里程碑，近年来，随着单片机档次的不断提高，功能的不断完善，其应用日趋成熟、应用领域日趋扩大，特别是工业测控、尖端武器和日用家电等领域更是因为有了单片机而升辉增色。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词——“智能型”[3]。

在很长一段时间里，通用型单片机通过三总线结构扩展外围器件成为单片机应用的主流结构。随着低价位OTP（One Tim Programmable）及各种类型片内程序存储器的发展，加之处围接口不断进入片内，推动了单片机“单片”应用结构的发展。特别是I2C、SPI等串行总线的引入，可以使单片机的引脚设计得更少，单片机系统结构更加简化及规范化，通过本次设计，使我们加深了串行总线的工作原理和使用方法[4]。

通过该课题的研究，温习了数模电知识，了解了多种芯片的运用，加强了使用Protel软件绘制电气原理图和印制版图的能力，收集资料、消化资料和综合资料的能力,及综合利用专业及基础知识，解决实际工程技术问题的能力。

本课题研究设计了一种基于单片机技术的自动控制系统。该自动控制系统通过采用STC89C52单片机为工作处理器核心，外接压力传感器，能够通过对水压的大x 小测定来得到水位的高度，并将其转化为相应的电信号输出，通过对水位的精确测量来控制水位[19]。该自动控制系统的最大特点就是使用户能够操作简单、易懂、灵活；且安装方便、智能性高、误报率低，同时它的信号经过单片机系统处理后方便和PC机通信，便于多用户统一管理。随着现代人们安全意识的增强以及科学技术的快速发展，相信这种自动控制系统必将在更广阔的领域得到更深层次的应用[5]。1．3 发展方向

从消费者的角度来看，智能化自动化的仪器市场的需求已经逐渐明朗：就是以实用为核心，力求实用、易用、人性化，自动化。

虽然科技飞速发展，信息技术日新月异，但是如何将这些技术引入智能划产品之中，如何打造出真正实用的智能划产品，这才是最值得关注的问题。如智能划产业界所体现的两大技术趋势正是发展方向：1、领先的自动控制技术；2、不依靠PC 的独立形态。

致力于智能划产品的应用接轨，很多问题并不在于技术水平的高低，而在于怎样去做到实用、易用、人性化，只有更加贴近实用、易用和人性化的智能划概念，才能真正提高人们的生活品质，才能真正体现智能划的价值，这也是现代科技价值的核心所在。

可以肯定，智能划将在未来的电子产业占据非常重要的地位，本课题即是从中获得启发而确定，以实用、易用、人性化为设计标准。

本课题所设计的简易水位自动检测及控制系统，非常符合现代人的日常生活所需，有着广大的发展前景。

2 设计的任务、要求和研究设想

课题拟设计一款基于单片机而制作的智能型水位自动检测及控制系统。要求利用51单片机完成水位自动检测及控制系统设计，当水位自动检测及控制系统进入工作状态后，CPU不断检查触发开关的状态，当水位达到最低点时，警报器发出低水位警报一段时间，黄灯亮，电机自动开始抽水。当加水到最高水位时红灯亮，报警器报警，电机停止工作。当水位在正常水位内，电机和报警器都不工作。

具体设计需要达到的要求和实现的功能如下：