水塔自動抽水測控系統(tǒng)—周海龍

1、 課程設(shè)計(jì)報(bào)告題 目：水塔自動抽水測控系統(tǒng) 姓 名： 周海龍 學(xué) 號： 201007420127 專業(yè)班級： 安全工程1001班 指導(dǎo)老師： 顧江萍 2013年6月6日目錄緒論2第一章 元器件清單3第一節(jié) 26PCCFA6G壓力傳感器3第二節(jié) STC12C54lOAD單片機(jī)4第三節(jié) 光耦合固態(tài)繼電器SSR5第四節(jié) 其他元器件6第二章 水位傳感器設(shè)計(jì)6第三章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)8第一節(jié) 總體結(jié)構(gòu)8第二節(jié) 控制電路9第四章 軟件設(shè)計(jì)10總結(jié)11附錄 安裝說明書12參考文獻(xiàn)13水塔自動抽水測控系統(tǒng) 摘要：許多農(nóng)村家庭在房頂修有小型水塔，用水泵抽取井水，組建自家的“自來水”系統(tǒng)，但抽水是人工控制的，經(jīng)常

2、會出現(xiàn)溢水或斷水現(xiàn)象。為解決這個(gè)問題，設(shè)計(jì)一種水塔自動抽水系測控系統(tǒng)，改進(jìn)該供水系統(tǒng)，使系統(tǒng)能缺水自動上水、水滿自動停水。該系統(tǒng)主要由壓力式水位傳感器、單片機(jī)和控制電路等組成，適合于鄉(xiāng)村高樓水塔水位實(shí)時(shí)檢測與抽水自動控制。關(guān)鍵詞：水塔、水位檢測、自動控制隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鄉(xiāng)村的居住條件日益改善，農(nóng)村樓房正在向高層發(fā)展，由于地理位置等各種原因，無法依靠自來水廠供水。為了方便高層樓房的用水，許多家庭自建水塔或蓄水池和水井，用水泵將水井的水送上水塔來解決高層樓房的用水問題。但是，目前抽水是用人工操作，通過估測來控制抽水量。由于人工無法監(jiān)視水塔上的水位深淺，難以準(zhǔn)確控制水泵的開停，要么水泵關(guān)停過早，

3、造成頻繁開機(jī)抽水的現(xiàn)象，使水泵壽命縮短；要么忘記關(guān)閘，水從水塔溢出，這樣就會造成水資源和能源的浪費(fèi)。為此有人設(shè)計(jì)了一種全自動電子水位控制裝置，水位檢測元件是安裝在水塔水箱里不同高度的三個(gè)電極，利用水的導(dǎo)電性能，由不同水位決定這兩組電極是否導(dǎo)通或斷開，將水位變化信號變成電位變化信號，進(jìn)而控制水泵抽水。這種裝置控制性能好、控制精度高、動作靈敏可靠、結(jié)構(gòu)簡單、維修方便，但不能實(shí)時(shí)監(jiān)測水塔內(nèi)的水位的準(zhǔn)確值， 電極長時(shí)間使用會電解氧化、腐蝕、附上污垢，造成控制失靈。另有一種水位跟蹤器 I，采用重錘自動跟蹤水位變化的方法，即通過電子開關(guān)控制可逆電機(jī)，使兩根測量探針自動跟蹤水平變化，能夠自動測出每個(gè)水位的變

4、化值，能夠提供任意高度的水位信息，反應(yīng)靈敏，測量水位誤差小于1 cm，監(jiān)測水位變化幅度范圍大，功耗低，但是控制可逆電機(jī)進(jìn)而控制探針自動跟蹤水位變化的電路復(fù)雜，價(jià)格很高，不適合于在鄉(xiāng)村推廣。此外，人們對液位檢測方法也做了不少研究，如用超聲波式、超聲波一電容式等，但這些液位檢測裝置多為成品，不便于二次開發(fā)，另外價(jià)格過高，不適合在鄉(xiāng)村普及使用。為了解決這一問題，本次課程設(shè)計(jì)提出一套鄉(xiāng)村水塔水位實(shí)時(shí)監(jiān)測與自動抽水控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)抽水的自動控制，延長抽水設(shè)備的壽命，節(jié)約水、電資源。第一章 元器件清單第一節(jié) 26PCCFA6G壓力傳感器26PCCFA6G霍尼韋爾的壓力傳感器是一種小體積、低功耗、高可靠性產(chǎn)品

5、。如圖11所示。圖11 26PCCFA6G壓力傳感器它們的特點(diǎn)在于不同環(huán)境條件下都具有高可重復(fù)性，高精確度和高可靠性。除此以外，傳感器之間配合工作時(shí)還具有非常好的協(xié)調(diào)性，不需要額外的校正就可以進(jìn)行替換。 壓力傳感器所包含的感應(yīng)元件由4個(gè)壓電電阻組成，它們埋藏在一個(gè)化學(xué)蝕刻而成的薄硅隔膜表面下。壓力的變化使得隔膜產(chǎn)生形變，產(chǎn)生一個(gè)拉扯或扭曲力，這樣電阻的值就隨之技術(shù)規(guī)格： 供電電源：016vdc 壓力量程：0-15Psi 輸出信號：mV電壓信號 工作溫度：-4085 溫度補(bǔ)償：24pc系列（無溫度補(bǔ)償），26pc系列（溫度補(bǔ)償0-50） 壓力形式：表壓（g），差壓（d），絕壓（a） 測量介質(zhì)：適

6、用于那些不與多醚酰亞胺，硅，氟硅酮密封片起作用的介質(zhì) 線性與遲滯：0.5%產(chǎn)品特點(diǎn)： 專利的導(dǎo)電密封彈性連接系統(tǒng)消除了傳統(tǒng)的導(dǎo)線粘結(jié)和帶狀連接 專利的snap-together結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了多樣化的測量孔形式 最低價(jià)格的帶溫度補(bǔ)償和校整的小型封裝壓力傳感器 不同的引腳可選（1x4或2x2） 可以測量負(fù)壓和正壓 激光刻蝕電阻保證極好的器件一致性發(fā)生改變，通過電路產(chǎn)生一個(gè)輸出電信號。第二節(jié) STC12C54lOAD單片機(jī)STC單片機(jī)由我國設(shè)計(jì)、生產(chǎn)，經(jīng)過幾年的市場驗(yàn)證逐漸被認(rèn)可。如圖12所示。圖12 STC12C54lOAD單片機(jī)STC單片機(jī)的主要特點(diǎn)為：(I)抗干擾能力強(qiáng)STC單片機(jī)具有ESD保護(hù)，

7、引腳可以直接耐受2 kV4kV的快速脈沖測試(EFT測試)；具有寬電壓供電，對電源抖動不敏感；Io口、內(nèi)部供電系統(tǒng)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、看門狗電路均經(jīng)過特殊處理，抗干擾能力強(qiáng)。(2)對外電磁輻射強(qiáng)度低STC單片機(jī)采取了3種降低單片機(jī)時(shí)鐘對外電磁輻射的措施，有效地降低了對外輻射，這3種措施是：禁止AI。E輸出；將外部時(shí)鐘頻率降低一半；時(shí)鐘振蕩器增益設(shè)為12 Gain。(3)超低功耗STC單片機(jī)在掉電模式下的典型功耗小于01“A，空閑模式典型功耗為2 mA，正常工作模式的典型功耗為4 mA7 mA；使用掉電模式時(shí)可由外部中斷喚醒，特別適用于電池供電系統(tǒng)，如野外作業(yè)系統(tǒng)、手持作業(yè)系統(tǒng)。(4)運(yùn)行可靠

8、性高STC單片機(jī)內(nèi)部集成了810專用復(fù)位電路，有效地提高了單片機(jī)的可靠性并簡化了外圍電路2 STC單片機(jī)程序下載過程STC單片機(jī)內(nèi)部設(shè)計(jì)了在線編程模塊，即ISP模塊經(jīng)過對數(shù)據(jù)流的驗(yàn)證直接寫入用戶程序區(qū)，完成用戶程序下載動作。第三節(jié) 光耦合固態(tài)繼電器SSR采用固體半導(dǎo)體元件組裝而成無觸點(diǎn)開關(guān)（接通和斷開無機(jī)械接觸部件）。如圖13所示。圖13 光耦合固態(tài)繼電器SSR優(yōu)點(diǎn)：開關(guān)速度快、工作頻率高、使用壽命長、噪聲低、工作可靠。使用場合：取代常規(guī)電磁式繼電器，廣泛用于：數(shù)字程控裝置、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)終端接口電路、尤其是動作頻繁、防爆、耐潮、耐腐蝕的場合。缺點(diǎn)：漏電流大、接觸電壓高、觸點(diǎn)單一、使用溫

9、度范圍窄、過載能力差、價(jià)格高?；咎攸c(diǎn)： 控制功率小：輸入很小的控制電流便能正常工作，輸出采用大功率管可控硅器件，具有功率放大作用； 可靠性：絕緣防水材料澆鑄，沒有可動部件； 抗干擾能力強(qiáng)：無觸點(diǎn)動作，無火花等電磁干擾，輸入/輸出之間隔離； 動作快：直流SSR響應(yīng)時(shí)間幾十S 過零交流SSR轉(zhuǎn)換時(shí)間10Ms（1/2fs f = 50Hz）； 壽命長：10121013次 （普通電磁式繼電器105106次）； 承受的浪涌電流大：610倍額定值； 對電源電壓適應(yīng)范圍廣：交流SSR30220VAC 任意選擇； 耐壓水平高：輸入/輸出介質(zhì)耐壓2.5kV以上。第四節(jié) 其他元器件水塔、水泵、連接管、三極管、A

10、DC的芯片、電阻、連接線等。第二章 水位傳感器設(shè)計(jì)液位傳感器品種很多，但多數(shù)為成品，通常價(jià)格較貴，且不便于在自動控制系統(tǒng)中做二次開發(fā)使用。為此，采用壓力式傳感器設(shè)計(jì)一種水位檢測裝置，如圖11所示。其中，l為水塔，2為水，3為壓力傳感器，4為連接管。壓力傳感器通過連接管接到水灌底部開孔，壓力傳感器內(nèi)氣體的壓力為水灌里水柱產(chǎn)生的壓力，即P=gH 或 H= (1)其中p為水的密度，g為重力加速度。 圖21 水位傳感器結(jié)構(gòu)壓力傳感器采用26PCCFA6G，其內(nèi)部電路是一個(gè)惠斯登電橋，其作用是將壓力信號轉(zhuǎn)換成為電信號。如圖l1所示。當(dāng)傳感器受到壓力時(shí)，電橋內(nèi)應(yīng)變電阻發(fā)生變化而輸出相應(yīng)的電壓值。其輸出電壓

11、與所承受的壓力是成線性關(guān)系，所以由式(2)可以推出此電路輸出的電壓為V0=KP 或 P= （2）由式（1）和式（2）可得，H=V0 （3）由上式可知，利用 D轉(zhuǎn)換器采集電壓 ，已知常數(shù)項(xiàng)去和液體密度 ，即可通過微處理器計(jì)算出液位的高度。圖22 壓力傳感器及調(diào)理電路原理第三章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)第1節(jié) 總體結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)硬件電路如圖3所示，由單片機(jī)(CPU)、傳感器、信號調(diào)理電路、按鍵電路、控制電路和顯示電路等組成。單片機(jī)采用STC12C54lOAD，該單片機(jī)具有4路1O位的ADC，可以直接對調(diào)理電路輸出的電壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)行處理得到水位值。傳感器電路和調(diào)理電路如圖12所示，按鍵和顯示電路這里

12、不作介紹，對控制電路進(jìn)行詳述。圖31 控制器結(jié)構(gòu)圖第2節(jié) 控制電路水泵采用交流22OV供電，采用光耦合固態(tài)繼電器SSR來控制水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)與停止，通過單片機(jī)的P17口輸出電平控制一個(gè)三極管，再驅(qū)動固態(tài)繼電器SSR實(shí)現(xiàn)對水泵的控制；固態(tài)繼電器SSR的型號由水泵的功能而定。圖32 控制電路原理第四章 軟件設(shè)計(jì)軟件流程如圖31所示，主要包括按鍵設(shè)置、水位檢測與處理、顯示、水位判斷、抽水控制等。微處理器采用了具有1 O位ADC的芯片，直接對傳感器送來的模擬電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并轉(zhuǎn)換為水位高度，送顯示器顯示水位高度，對水位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視；當(dāng)水位小于總高度的1O時(shí)，策處理器輸出P17為高電平，開始抽水，當(dāng)水位大干

13、總水位的90時(shí)，P17為低電平停止抽水。按鍵設(shè)置主要用于水位高度設(shè)置，用戶可根據(jù)自己水塔的實(shí)際高度設(shè)定水位總高度，以便程序根據(jù)水位高度進(jìn)行抽水控制。圖41 軟件流程圖總結(jié)本次課程設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)是為農(nóng)村高樓提出并設(shè)計(jì)了一種水塔自動抽水測控系統(tǒng)，解決鄉(xiāng)村抽水時(shí)水和電的浪費(fèi)問題。課程設(shè)計(jì)主要完成了以下工作：1)設(shè)計(jì)了一種壓力式水位傳感器，介紹了其原理；2)設(shè)計(jì)了抽水控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)以STC12C5410AD為微處理器，具有水位監(jiān)視、抽水控制、水位參數(shù)設(shè)置等；3)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的軟件。本系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，成本低，安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，適合于鄉(xiāng)村的樓宇水塔抽水推廣應(yīng)用。附錄 安裝說明書1、產(chǎn)品性能：水塔或水池?zé)o水時(shí)自動開啟水泵抽水，水滿自動停機(jī)，（若選用水塔水井雙控型控制器,井里水抽干時(shí)也會自動停機(jī),有水時(shí)再抽，可防止水泵吸入空氣而損壞機(jī)器）。 2、適用電壓：單相220V交流電。（15KW以內(nèi)三相控制器要訂制）。3、負(fù)載功率：<1600W。（若要控制更大功率的用電器則要配用接觸器）。4、控制電流：<8A。5.自身功耗：約5W。6、控制流體類型：井水、污水等有一定電阻值液體。7、安裝方法：1）安裝水泵，進(jìn)水管不能漏氣。2）按接線圖連接本控制器，如