課程設(shè)計水塔水位自動控制系統(tǒng)設(shè)計

1、河南機電高等?？茖W(xué)校課程設(shè)計報告書課程名稱： 計算機控制技術(shù) 題 目： 水塔水位自動控制系統(tǒng)報警設(shè)計 專業(yè)班級： 生產(chǎn)過程自動化 2010年12月 24日目 錄第1章 系統(tǒng)分析及硬件設(shè)計31.1 功能簡介31.2 方案選擇31.3設(shè)計分析41.4工作原理51.6參數(shù)計算61.7水塔水位控制7第2章 軟件設(shè)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(jié)9主要介紹軟硬件設(shè)計中存在的優(yōu)缺點和對系統(tǒng)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(shè) 計 任 務(wù) 書課題簡介：水塔水位控制系統(tǒng)在人們?nèi)粘Ｉ顟?yīng)用中無處不在，其基本要求

2、是能夠在無人監(jiān)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(guān)閉電機，停止供水。并能在供水系統(tǒng)出現(xiàn)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(tǒng)由MCS51單片機組成。技術(shù)指標：1、掌握MCS51單片機的硬件結(jié)構(gòu)與應(yīng)用2、熟悉七段數(shù)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(shù)學(xué)模型的建立 5、深入理解自動控制系統(tǒng)的原理 6、學(xué)習(xí)計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 第一章 系統(tǒng)分析及硬件設(shè)計1、功能簡介隨著科學(xué)技術(shù)的進步，人們越來越多地用計算機來實現(xiàn)控制系統(tǒng)。單片機作為嵌入式微控制器

3、在工業(yè)測控系統(tǒng)，智能儀器和家用電器中得以廣泛應(yīng)用。在實時檢測和自動控制的單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，單片機往往是作為一個核心部件來使用。水塔水位的監(jiān)測和控制通過單片機來實現(xiàn)的智能控制系統(tǒng)。自動化操作具有不可替代的應(yīng)用價值。智能控制系統(tǒng)減輕了人們的工作負擔(dān)、簡化了系統(tǒng)裝置的結(jié)構(gòu)。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(tǒng)的誤差，并通過硬件的設(shè)計以減小其誤差；液位檢測的模型建立以及實現(xiàn)方法；硬件以及軟件的抗干擾技術(shù)。硬件及軟件的設(shè)計，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及系統(tǒng)的精度。據(jù)有一定的實際應(yīng)用價值。因此智能控制系統(tǒng)越來越受到人們的信賴與應(yīng)用。該系統(tǒng)能夠在惡劣的條件下能自動調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)電位器中的阻值,該控制器能夠適應(yīng)多種液體液位的檢測。2、方案選擇現(xiàn)代控制理論本質(zhì)上是時域法，是建立在狀態(tài)空間基礎(chǔ)上的，它不用傳遞函數(shù)，而是用狀態(tài)向量方程作基本工具，從而大大簡化了數(shù)學(xué)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(tǒng)。水塔水位控制系統(tǒng)是我國住宅小區(qū)廣泛應(yīng)用的供水系統(tǒng)，傳統(tǒng)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(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，保持水壓恒定以滿足用水要求，從而提高了供水系統(tǒng)的質(zhì)量。而且成本低，安裝方便，經(jīng)過多次實驗證明，靈敏性好，是節(jié)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(tǒng)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(fù)運行抽水，從而實現(xiàn)自動控制。該系統(tǒng)采用分立元件電路實現(xiàn)了水塔水位的自動控制，設(shè)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(xiàn)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(huán)，保證液面高度始終處于較理想的范圍內(nèi)，它結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，靈敏度高，節(jié)約能源顯著，是用于各種高層液體儲存的理想設(shè)備。3、設(shè)計分析水塔水位自動控制系統(tǒng)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(xiàn)水位的調(diào)節(jié). 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(nèi)水位的高度. 水位允許在已設(shè)置的上、下水位范圍內(nèi)變化. 即水位高度正常情況應(yīng)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(nèi)處于進水狀態(tài),如圖1 (b) ;當水位高于D 點時、低于E 點時,電機關(guān)閉,水泵停止工作,關(guān)閉進水閥門,水塔內(nèi)處于停進狀態(tài),如圖1 (c) ;當水位低于C 點并到達B 點時,就發(fā)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(fā)出D 探頭故障報警,采取手動關(guān)閉電機,水位從溢流口流出,如圖1(e) 為了精確地實現(xiàn)對水位的控制,必須建立閉環(huán)控制系統(tǒng). 根據(jù)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(tài)的平衡狀態(tài). 控制系統(tǒng)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(yīng)了可變電阻不同的阻值. 當水位高低發(fā)生變化時,對應(yīng)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(guān)閉與開啟,另一部分用來

8、檢測系統(tǒng)故障,并發(fā)出報警聲。圖2 系統(tǒng)框圖用51單片機設(shè)計的水位自動控制系統(tǒng)。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(fā)和應(yīng)用。這樣會使設(shè)計變得很繁瑣，同時從電磁兼容方面考慮，軟件設(shè)計存在系統(tǒng)地不穩(wěn)定性。在實際應(yīng)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(shè)計。此外，該電路不能檢測液體的電導(dǎo)率，不適用水塔中液體性質(zhì)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(tǒng)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(guān)閉電路和報警電路. 水位正常情況下應(yīng)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(tài); 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(tài);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(tài); 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(xiàn)了故障, 水塔水位的報警電路開始工作， 產(chǎn)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(guān)閉報警設(shè)備并開啟或閉合控制電機。圖4 水塔供水系統(tǒng)的工作原理圖5、參

10、數(shù)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(diào)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(guān)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(tài)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(tài),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(tài),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(guān)閉,只要按下報警確認開關(guān),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(guān)閉報警確認燈,報警確認電路

12、復(fù)位,恢復(fù)其監(jiān)測故障的功能.經(jīng)過檢測,水塔水位控制器完全符合預(yù)定要求,完成所設(shè)定的工作任務(wù). 圖5 水塔水位控制器外觀圖第二章 軟件的設(shè)計開始為檢查水位狀態(tài)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(shè)計實驗驗證：本文采用純硬件電路設(shè)計水塔水位控制系統(tǒng),避免了復(fù)雜設(shè)計中的不穩(wěn)定因素,降低了生產(chǎn)成本,提高了實用價值. 同時,對于不同類型的液體,此系統(tǒng)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(diào)節(jié)到一個數(shù)量級上就可以很方便地實現(xiàn)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(xiàn)了對水塔水位的精確控制,而且,更具有工業(yè)生產(chǎn)的實用性. 但是,如果探頭B 、C,或者探頭D、E 同時發(fā)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(yīng)該注意的. 所以,在使用過程中需要定期檢測探頭是否發(fā)生故障。第三章、結(jié)束1、水塔水位發(fā)展與應(yīng)用我國的水工業(yè)科技發(fā)展較快，與國際先進水平的差距正在不斷縮小，水工業(yè)科技體系已初步形成，擁有一支從事水工業(yè)基礎(chǔ)科學(xué)研究、應(yīng)用研究、產(chǎn)品研制和工程產(chǎn)業(yè)化開發(fā)的科技隊伍。但是，在水工業(yè)科技領(lǐng)域普遍存在著實用性差、轉(zhuǎn)化率低的情況。這已成為制約我國水工業(yè)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的關(guān)鍵。在水工業(yè)科技產(chǎn)業(yè)化大潮到來之際，認真分析我國水工業(yè)科

14、技發(fā)展歷程，總結(jié)我國水工業(yè)科技的特點和特長是尋找水工業(yè)產(chǎn)業(yè)化突破口的關(guān)鍵。目前，我國的供水自動化系統(tǒng)發(fā)展已初有成效。供水自動化系統(tǒng)主要包括水廠自動化和供水管網(wǎng)高度自動化兩個方面。運用簡單、可靠的設(shè)計思路來實現(xiàn)性價比合理的水塔水位控制器. 經(jīng)過實驗測試,該系統(tǒng)在運行期間穩(wěn)定性高,完全實現(xiàn)了自動調(diào)節(jié)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(chǎn)的水塔水位控制系統(tǒng) 。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(shè)計中的疏漏在所難免，但是通過本課程設(shè)計，確實學(xué)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(shù) 于海生 機 械 工 業(yè) 出 版 社【2】：自動控制原理及其應(yīng)用 黃 堅 高 等 教 育 出 版 社【3】：單片機原理及應(yīng)用 梅麗鳳 清 華 大 學(xué) 出 版 社 北京交通大學(xué)出 版 社【4】：自動檢測技術(shù) 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(xué)技術(shù)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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