2022年水塔水位自动控制系统报警设计 .pdf

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1、08 级机电一体化专业设计制作说明书第 1 页 共 15 页目录绪论.1 第一章系统方案.2 第一节 系统方案.2 第二节 水塔水位自动控制系统.2 第三节 水塔水位发展与应用.3 第二章 系统设计.4 第一节设计分析.4 第二节 系统框图.4 第三节 现有设计方案分析.5 第三章电路设计.7 第一节 工作原理图.7 第二节 参考设计.9 第三节 水位控制.9 第四章实验验证.10 结束语.11 致 谢.12 参考文献.13 摘要随着科学技术的发展，单片机作为嵌入式微控制器在工业测控系统，智能仪器和家用电器中得以广泛应用。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使

2、用。水塔水位控制系统的基本要求是能够在无人临控的情况下自动进行工作，在水塔中的水位到达水位下限时自动启动电机，给水塔供；在水塔水位达到水位上限的时候自动关闭电机，停止供水。并能在供水系统出现异常的时候能够出警报，以及时排除故障，随时保证水塔的对外的正常供作用。水塔是在日常生活和工业应用中经常见到的蓄水池装置，通过对其水位的控制外共水以满足需要，其水位控制具有普遍性。关键词:自动控制、水塔水位、报警器名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 15 页 -刘超水塔水位自动控制报警系统设计第 2 页 共 15 页Abstract With the development of s

3、cience and technology,the microcontroller as embedded microcontroller controller in industry measurement and control system,intelligent instrument and electrical appliances in a wide range of applications.In real-time detection and automatic control of single-chip microcomputer application system,is

4、 often used as a core component.Water towers are basic requirements of the control system can be targeted in one of the circumstances,be in the water under the water tanks arrive within automatically start motor,give towers for,In the upper reaches of the water level of towers,when to stop water aut

5、omatically closed motor.And in the water supply system of the abnormal warning,and can when faults,keep the normal supply of foreign towers.Tower is in daily life and industrial applications often see reservoir water level through its device,the control of water,the water level control is universal.

6、名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 15 页 -08 级机电一体化专业设计制作说明书第 3 页 共 15 页Keywords:automatic control,Tanks of water;alarm 绪论现今社会，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。水塔水位自动控制器，具有适应各种液体液位的检测和控制的功能，设计中分析了利弊，考虑了各种液体的阻值大小，是可以投入实际生产的产品。水塔水位自动控制装置种类很多,如555 定时器组成的施密特

7、触发器控制水位高低检测电路,51 单片机设计的水位自动控制系统等.但都存在一些问题,如当水塔中用于检测水位高低的探头发生故障时,555 定时器组成的施密特触发器控制电路无法检测,从而导致操作错误;51 单片机设计的电路结构复杂,除了搭接硬件电路外,还需要软件程序的设计,当系统受到外界干扰的时候,系统本身的稳定性就会变差，针对以上问题,本文实现了在恶劣的条件下能自动调节水位高低、手动解除报警装置、检测探头好坏的水塔水位控制器.同时,通过调节电位器中的阻值,该控制器能够适应多种液体液位的检测。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 15 页 -刘超水塔水位自动控制报警系统设计

8、第 4 页 共 15 页第一章系统方案第一节方案论证现代控制理论本质上是时域法，是建立在状态空间基础上的，它不用传递函数，而是用状态向量方程作基本工具，从而大大简化了数学表达方式，因此原则上可以分析多输出、非线形以及时变系统。自动控制技术的应用，推动了控制理论的发展，而自动控制理论的发展，又指导了控制技术的应用，使其进一步完善，随着科学技术的发展，自动控制技术和理论已经广泛的应用于科技、冶金、石油、化工、电子、电力、航空、航海、航天、核反应堆等各个学科领域。近年来，控制科学的范围还扩展到生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会领域，并为各个学科之间的相互渗透起了促进作用，可以毫不夸张的讲，自动

9、控制技术和理论已经成为现代化社会的不可缺少的组成部分。自动控制技术的应用于不公使生产过程自动化，从而提高生产率和产品质量，降低成本，提高经济效益，改善劳动条件，而且在探索新能源，发展空间技术和创造社会文明等方面具有十分重要的意义。第二节水塔水位自动控制报警系统水塔水位控制系统是我国住宅小区广泛应用的供水系统，传统的控制方式存在控制精度低、能耗大的缺点，而自动控制原理，依据用水量的变化自动调节系统的运行名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 15 页 -08 级机电一体化专业设计制作说明书第 5 页 共 15 页参数，保持水压恒定以满足用水要求，从而提高了供水系统的质量。而

10、且成本低，安装方便，经过多次实验证明，灵敏性好，是节约水源，方便家庭和单位控制水塔水位的理想装置，水塔水位控制系统采用交流电压检测水位，水位低于下限B点水位时，水泵抽水，水位达到最高水位线D 时，水泵停止抽水，水位降低到最低水位线B以下时，恢复运行抽水，从而实现自动控制。该系统采用分立元件电路实现了水塔水位的自动控制，设计出一种低成本、高实用价值的水塔水位控制器。采用分立的电路实现超高、低水位处理，自动控制电机电路。它能自动完成上水停水的全部工作循环，保证液面高度始终处于较理想的范围内，它结构简单，制造成本低，灵敏度高，节约能源显著，是用于各种高层液体储存的理想设备。第三节水塔水位发展与应用我

11、国的水工业科技发展较快，与国际先进水平的差距正在不断缩小，水工业科技体系已初步形成，拥有一支从事水工业基础科学研究、应用研究、产品研制和工程产业化开发的科技队伍。但是，在水工业科技领域普遍存在着实用性差、转化率低的情况。这已成为制约我国水工业产业化发展的关键。在水工业科技产业化大潮到来之际，认真分析我国水工业科技发展历程，总结我国水工业科技的特点和特长是寻找水工业产业化突破口的关键。目前，我国的供水自动化系统发展已初有成效。供水自动化系统主要包括水厂自动化和供水管网高度自动化两个方面。水行业是推动水科技产业化的龙头。给水行业是城市基础设施投资的主要方向之一，在体制上，供水企业体制的变革已成为市

12、场化发展的必然；在技术上，供水行业则面临着关键给水装备国产化、工艺技术成套设备化、自动控制现代化的迫切的技术要求。优质供水是水工业市场化发展的新增长点，同时要倡导节约用水，提高水的重复利用率，并逐步建立完善的水工业学科体系。完善的水工业学科体系是水工业产业发展的必要保证，传统的给水排水工程学科体系已难以包还水工业的丰富内涵，已不能很好地适应水工业发展的需要，而水工业学科体系正是在给水排水工程学科组成，名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 15 页 -刘超水塔水位自动控制报警系统设计第 6 页 共 15 页包括：水质与水处理技术、水工业工程技术、水处理基础科学、水社会科学

13、、水工业设备制造技术等，它们共同支撑着水工业的工业体系，而在这些学科中水质与水处理技术和水工业工程技术是水工业学科体系中的主导学科。第二章系统设计第一节设计分析水塔水位自动控制系统主要完成的功能是对水塔水位的自动控制及检测.本文拟通过4 个探头对水塔水位进行采样,分析采集的水位信号,控制电机水泵的开启、停止,实现水位的调节.4 个探头分别用 B、C、D、E 表示,放置在水塔中,如图1 所示.4 个探头采集的水位信号通过 T TL 电路判断输出,可以判断水塔内水位的高度.水位允许在已设置的上、下水位范围内变化.即水位高度正常情况应控制在C、D 之间,如图1(a);当水位低于 C 点、高于 B 点

14、时,电机启动,带动水泵工作,进水阀门打开,水塔内处于进水状态,如图1(b);当水位高于 D 点时、低于 E 点时,电机关闭,水泵停止工作,关闭进水阀门,水塔内处于停进状态,如图1(c);当水位低于 C 点并到达 B 点时,就发出 C 探头故障报警,采取手动启动电机,如图1(d);当水位超过 D 点并到达 E 点时,发出D 探头故障报警,采取手动关闭电机,水位从溢流口流出,如图1(e)第二节系统框图名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 15 页 -08 级机电一体化专业设计制作说明书第 7 页 共 15 页为了精确地实现对水位的控制,必须建立闭环控制系统.根据水塔中的进、

15、出水的水位可以自动控制水泵运行与停止,使水位处于动态的平衡状态.控制系统主要分为水位的模拟检测和逻辑判断部分.如图2 所示,模拟检测部分测量的是 B、C、D、E 4 个探头相对于 A 点(即地)电位的高低.这就相当于一个可变电阻,4 个探头与地之间的不同距离对应了可变电阻不同的阻值.当水位高低发生变化时,对应的电阻值不同,通过逻辑判断,就得到不同的输出逻辑判断的输出电路一部分用来控制电机的关闭与开启,另一部分用来检测系统故障,并发出报警声。第三节现有设计方案的分析（1）555 定时器组成的水位自动控制器。图3 可以看出，电路设计过于简单化，没有考虑异常情况的排除方法。例如：探头发生故障，则此系

16、统无法检测，导致水位控制器操作异常;没有设计报警电路，无法方便地读取水位实际数值。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 15 页 -刘超水塔水位自动控制报警系统设计第 8 页 共 15 页图 3 水位自动控制系统（2）用 51 单片机设计的水位自动控制系统。见图4，51单片机实际是个小的微型机，除了硬件电路的搭接外，还需要软件的开发和应用。这样会使设计变得很繁琐，同时从电磁兼容方面考虑，软件设计存在系统地不稳定性。在实际应用中，为了满足工厂的实际条件，大部分自动化控制装置采用纯硬件的电路设计。此外，该电路不能检测液体的电导率，不适用水塔中液体性质改变的情况。名师资料总结

17、-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 15 页 -08 级机电一体化专业设计制作说明书第 9 页 共 15 页图 4 水塔水位控制电路第三章电路设计第一节工作原理图水塔供水系统的工作原理图如图5 所示,包括水位检测电路,误动作判断电路,水位控制电路,电机开启或关闭电路和报警电路.水位正常情况下应保持在C、D 范围之名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 15 页 -刘超水塔水位自动控制报警系统设计第 10 页 共 15 页间,此时,B、C、D、E 4 个探头的逻辑电平为0011,水塔水位处于保持状态;当水位低于 C点,处于 B、C 之间时,B、C、D、E 4

18、个探头的逻辑电平为0111,水塔水位处于进水状态;当水位高于 D 点,处于 D、E之间时,B、C、D、E 4 个探头的逻辑电平为 0001,水塔水位处于停进状态;当水位低于 B 点或水位高于 E 点,B、C、D、E 4个探头的逻辑电平为1111 或 0000 时,表明控制水位变化的电路出现了故障,水塔水位的报警电路开始工作,产生下限报警或上限报警,即低报和高报.此时,需要工作人员手动关闭报警设备并开启或闭合控制电机。图5 水塔供水系统的工作原理图名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 10 页，共 15 页 -08 级机电一体化专业设计制作说明书第 11 页 共 15 页第二节参数计

19、算水位指示灯部分:令流过三极管 T1,T 2,T 3,T 4 集电极的电流 I C 为10mA,因为I C=(V CC-1.5)/R C=10mA,得RC=350;取=100,则I B=10mA/100=0.1mA,所以,RB=V CC/I B=10k.但是在实际调试中,电阻值过小,选择RB=15k 才合适。第三节水塔水位控制器水塔水位控制器的测试图6 为水塔水位控制器的外观正视图,由电源指示灯、报警确认灯、水位指示灯以及报警确认开关组成.接通电源时,电源指示灯亮,当水塔中水深处于不同位置时,水位指示灯 B、C、D、E 状态不同.(1)当水位处于 B 点之下,指示灯 B、C、D、E 全亮,报警

20、电路开始报警,即下限报警.(2)当水位处于 B、C 之间,指示灯 B 灭,C、D、E 亮，水泵开始进水.(3)当水位处于 C、D 之间,指示灯 B、C 灭,C、D 亮,保持状态,即保持进水.(4)当水位处于 D、E 之间,指示灯 B、C、D 灭,E 亮,停进状态,即水泵不工作.(5)当水位处于 E 点之上,指示灯 B、C、D、E 全灭,水泵不工作,报警电路开始溢出报警,即上限报警.(6)报警电路可以手动关闭,只要按下报警确认开关,就可以解除报警的蜂鸣声.此时,报警确认灯亮起.处理完故障时,必须关闭报警确认灯,报警确认电路复位,恢复其监测故障的功能.经过检测,水塔水位控制器完全符合预定要求,完成

21、所设定的工作任务.名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 11 页，共 15 页 -刘超水塔水位自动控制报警系统设计第 12 页 共 15 页图 6 水塔水位控制器外观图第四章实验验证本文采用纯硬件电路设计水塔水位控制系统,避免了复杂设计中的不稳定因素,降低了生产成本,提高了实用价值.同时,对于不同类型的液体,此系统具有良好的兼容性.当水塔中液体改变时,只需要将电位器中的阻值和该液体的阻值调节到一个数量级上就可以很方便地实现此液体的水位控制操作.实验证明,此水塔水位控制器不仅实现了对水塔水位的精确控制,而且,更具有工业生产的实用性.但是,如果探头 B、C,或者探头 D、E 同时发生故

22、障,水塔水位控制器中的检测部分就不能识别出来,这是使用时应该注意的.所以,在使用过程中需要定期检测探头是否发生故障.名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 12 页，共 15 页 -08 级机电一体化专业设计制作说明书第 13 页 共 15 页结束语运用简单、可靠的设计思路来实现性价比合理的水塔水位控制器.经过实验测试,该系统在运行期间稳定性高,完全实现了自动调节水位高低、手动解除报警装置、检测探头好坏等功能,是可以投入生产的水塔水位控制器，名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 13 页，共 15 页 -刘超水塔水位自动控制报警系统设计第 14 页 共 15 页致 谢论文

23、接近尾声，我学生生涯也快结束了。两年的大专生生活伴随着论文的完成，也走向了终点。时间终是短暂，但两年我在本校却经历了重要的人生蜕变。学习总是枯燥和寂寞的，而人生本身又是那么丰富多彩。首先要感谢我的指导老师，本文是在老师精心指导和大力支持下完成的，在本论文（设计）的撰写过程中，韦建敏老师从选题直至成稿一直给予我重要的指导和帮助，为我解开了我无数的困惑，提供了很多关键性的建议。另外还要感谢我的同学和老师，他们让我在课堂上学到了丰富的知识。不论是有形的图文还是无形的记忆，都会珍藏着我们的欢声笑语，永不磨灭。最的，我感激身边始终支持、关心我的朋友，尤其是那些在我身临逆境而豪爽的伸出双手的朋友，曾经共事

24、、一起打拼的朋友，以及那些虽然接触不深但却帮助我通情达物的朋友。你们成就了我的今天，也与我的未来相连！再次感谢韦建敏老师、和身边那些熟悉及不熟悉、深交过以及未曾有机会深交的朋友！名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 14 页，共 15 页 -08 级机电一体化专业设计制作说明书第 15 页 共 15 页参考文献1 胡寿松.自动控制原理 M.北京:科学出版社,2001.2 刘豹.现代控制理论 M.北京:机械工业出版社,2004.3 李朝青.单片机原理及接口技术 M.北京:航天航空大学出版社 1988 4 朱晓青.过程检测控制技术与应用M.北京:冶金工业出版社,2002 5 姚伯威，孙锐主编.控制工程基础.北京：国防工业出版社，2002年6 李朝青编著.单片机原理及接口技术.简明修订版.北京：北京航天航空大学出版社，1998年7 戴文进，章卫国主编.自动化专业英语.武汉：武汉理工大学出版社，2001年8 谈振藩编，自动控制专业英语.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，1999年名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 15 页，共 15 页 -