題 目：智能水位控制系統
姓 名：游 威
學 號：20020308
班 級：G2002-3(2)
專 業：電子信息工程
指導教師：蘇志紅老師
時 間：2005年4月
智能水位控制系統畢業設計
一、水位智能檢測系統設計原理
實驗證明，純凈水幾乎是不導電的，但自然界存在的以及人們日常使用的水都會含有一定的Mg2+、Ca2+等離子，它們的存在使水導電。本控制裝置就是利用水的導電性完成的。
如圖1所示，虛線表示允許水位變化的上下限。在正常情況下，應保持水位在虛線范圍之內。為此，在水塔的不同高度安裝了3根金屬棒，以感知水位變化情況。
圖1 水位檢測原理圖
其中B棒處于下限水位，C棒處于上限水位，A棒接+5V電源，B棒、C棒各通過一個電阻與地相連。
水塔由電機帶動水泵供水，單片機控制電機轉動以達到對水位控制之目的。供水時，水位上升。當達到上限時，由于水的導電作用，B、C棒連通+5V。因此，b、c兩端均為1狀態，這時應停止電機和水泵工作，不再給水塔供水。
當水位降到下限時，B、C棒都不能與A棒導電，因此，b、c兩端均為0狀態。這時應啟動電機，帶動水泵工作，給水塔供水。
當水位處于上下限之間時，B棒與A棒導通，b端為1狀態。C端為0狀態。這時，無論是電機已在帶動水泵給水塔加水，水位在不斷上升；或者是電機沒有工作，用水使水位在不斷下降。都應繼續維持原有的工作狀態。
二、基于單片機控制的水塔水位控制系統
1單片機控制電路
水塔水位控制的電路如圖2所示。
2前向通道設計
圖2 水塔水位控制電路
由于所采用的信號是頻率隨水位變化而變的脈沖信號（開關量），因此電路設計中省去了A/D轉換部分，這不僅降低了硬件電路的成本，而且由于采用數字脈沖信號通信，提高了系統的抗干擾能力、穩定性和精度。
輸入的可變脈沖信號送到8031的P10和P11腳電平，當接收到信號時，輸入脈沖使其輸出高電平，而無信號輸入時，無觸發脈沖，此時翻轉為低電平。程序控制8031周期性地對P11和P10腳電平進行采樣，達到控制的目的。
3.微機控制數據處理部分
在電路設計中，充分利用8031已有端口的作用，同時也考慮擴展，做到盡可能節省元件，不僅可降低成本，而且提高可靠性。
(1)使用8031單片機。水塔水位控制的電路如圖3—1。接受電路得到的是頻率隨水位變化的調頻脈沖，它反映了貯水池水位的高度，對其進行信號處理，便能實現對水位的控制及故障報警等功能。要完成此一工作，
最佳的選擇是采用微機控制，實驗中是以MCS—51系列彈片機8031作CPU。對接受的信號進行數據處理，完成相應的水位控制、故障報警等功能。8031芯片的內部結構框圖見圖3所示。
由圖3可大致看到：它含運算器、控制器、片內存儲器、4個I/O接口、串行接口定時器/計數器、中斷系統、振蕩器等功能部件。圖中SP是堆棧指針寄存器，棧區占用了片內RAM的部分單元；未見通用寄存器（工作寄存器），因單片機片內有存儲器，與訪問工作寄存器一樣方便，所以就把一定數量的片內RAM
字節劃作工作寄存器區；PSW
是程序狀態字寄存器，簡稱程序狀態字，相當于其他計算機的標志寄存器；DPTR是數據指針寄存器，在訪問片外ROM、片外RAM、甚至擴展I/O接口時特別有用；B寄存器又稱乘法寄存器，它與累加器A協同
工作，可進行乘法操作和除法操作。實驗中8031時鐘頻率為6MHz。由于8031沒有內部ROM，因此需外擴展程序存儲器。本系統采用2732EPROM擴展4K程序存儲器，對應地址空間為0000H～0FFFH。
（2）74LS373作為地址鎖存器。74LS373片內是8個輸出帶三態門的D鎖存器，其結構示意圖見圖4所示。當使能端G呈高點平時鎖存器中的內容可更新，而在返回低電平瞬間實現鎖存。如此時芯片的輸出控制端為低，也即輸出三態門打開，鎖存器中的地址信息便可經由三態門輸出。除74LS373外，84LS273、8282、8212等芯片也可用作地址鎖存器，但使用時接法稍有不同，由于接線稍繁、多用硬件和價格稍貴，故不如74LS373用的普遍。
圖3 8031芯片內部結構框圖
（3）兩個水位信號由P10和P11輸入，這兩個信號共有四種組合狀態。如表3—1所示。其中第三種組合（b=1、c=0）正常情況下是不能發生的，但在設計中還是應該考慮到，并作為一種故障狀態。
表3-1 水位信號狀態表
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C(P11)
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B(P10)
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操作
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0
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0
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電機運轉
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0
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1
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維持原狀
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1
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0
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故障報警
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1
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1
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電機停轉
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（4）控制信號由P12端輸出，去控制電機。為了提高控制的可靠性，使用了光電耦合。
4.報警電路
本系統采用發光二極管，當控制電路出現故障狀態時，P13置零，發光二極管導通，發光報警。
5.軟件設計
一個應用系統，要完成各項功能，首先必須有較完善的硬件作保證。同時還必須得到相應設計合理的軟件的支持，尤其是微機應用高速發展的今天，許多由硬件完成的工作，都可通過軟件編程而代替。甚至有些必須采用很復雜的硬件電路才能完成的工作，用軟件編程有時會變得很簡單，如數字濾波，信號處理等。因此充分利用其內部豐富的硬件資源和軟件資源，采用MCS—51匯編語言和結構化程序設計方法進行軟件編程。這個系統程序由主控程序、延時子程序組成。其中主控程序是核心。由它控制著整個系統程序的運行和跳轉。流程圖如圖5所示。包括系統初始化，數據處理，故障報警等。
電路具體工作情況如下：
① 當水位低于B時，由于極棒A和C、A和B之間被空氣絕緣，P10和P11得到低電平，全置0，單片機控制電路使P12置零，繼電器吸合，啟動水泵向水塔灌水；
② 當水位高于B低于C時，P10置1，P11置0，繼電器常開觸電自保，因此升到B以上時，繼電器并不立即釋放，電極仍然供水；
③ 當水位達到C時，P10 、P11均置1，單片機控制電路使P12置1，繼電器釋放，水泵停止工作；
④ 用水過程中，水位降到C以下，P11置0，P10置1，維持原狀，電機不工作，直到降到B以下，如此循環往復。
系統出現故障時，由P13置零，輸出報警信號，驅動一支發光二極管進行光報警。
三、結束語
現代傳感技術、電子技術、計算機技術、自動控制技術、信息處理技術和新工藝、新材料的發展為智能檢測系統的發展帶來了前所未有的奇跡。在工業、國防、科研等許多應用領域，智能檢測系統正發揮著越來越大的作用。檢測設備就像神經和感官，源源不斷地向人類提供宏觀與微觀世界的種種信息，成為人們認識自然、改造自然的有力工具。
現代的廣義智能檢測系統應包括一切以計算機（單片機、PC機、工控機、系統機）為信息處
理核心的檢測設備。因此，智能檢測系統包括了信息獲取、信息傳送、信息處理和信息輸出等多個硬、軟件環節。從某種程度上來說，智能檢測系統的發展水平表現了一個國家的科技和設計水平。
本課題研究的內容是“智能水位控制系統”。水位控制在日常生活及工業領域中應用相當廣泛，比如水塔、地下水、水電站等情況下的水位控制。而以往水位的檢測是由人工完成的，值班人員全天候地對水位的變化進行監測，用有線電話及時把水位變化情況報知主控室。然后主控室再開動電機進行給排水。很顯然上述重復性的工作無論從人員、時間和資金上都將造成很大的浪費。同時也容易出差錯。因此急需一種能自動檢測水位，并根據水位變化的情況自動調節的自動控制系統，我所研究的就是這方面的課題。
水位檢測可以有多種實現方法，如機械控制、邏輯電路控制、機電控制等。本實驗采用兩種方法（單片機和時基集成電路）進行主控制，在水池上安裝一個自動測水位裝置。利用水的導電性連續地全天候地測量水位的變化，把測量到的水位變化轉換成相應的電信號，主控臺應用單片微機或時基集成電路對接收到的信號進行數據處理，完成相應的水位顯示、控制及故障報警等功能。
參考文獻
1.丁元杰 單片微機原理及應用 機械工業出版社 2000
2.騰召勝 羅隆福 智能檢測系統與數據融合 機械工業出版社 2000
3.孫虎章 自動控制原理 中央廣播電視大學出版社 1999