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1、河南机电高等专科学校课程设计报告书课程名称： 计算机控制技术 题 目： 水塔水位自动控制系统报警设计 专业班级： 生产过程自动化 2010年12月 24日目 录第1章 系统分析及硬件设计31.1 功能简介31.2 方案选择31.3设计分析41.4工作原理51.6参数计算61.7水塔水位控制7第2章 软件设计8主要介绍存储器地址分配，以及主程序和各主要功能子程序的程序流图。第3章 总结9主要介绍软硬件设计中存在的优缺点和对系统性能的分析。附录A 硬件电路图10可以是原理图或PCB图附录B 程序清单11参考文献12设 计 任 务 书课题简介：水塔水位控制系统在人们日常生活应用中无处不在，其基本要求
2、是能够在无人监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，给水塔供水；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。水塔水位测控系统由MCS51单片机组成。技术指标：1、掌握MCS51单片机的硬件结构与应用2、熟悉七段数码管的使用 3、掌握水塔水位的测试方法 4、熟练掌握被控对象数学模型的建立 5、深入理解自动控制系统的原理 6、学习计算机控制系统的设计与实现 第一章 系统分析及硬件设计1、功能简介随着科学技术的进步，人们越来越多地用计算机来实现控制系统。单片机作为嵌入式微控制器
3、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用。水塔水位的监测和控制通过单片机来实现的智能控制系统。自动化操作具有不可替代的应用价值。智能控制系统减轻了人们的工作负担、简化了系统装置的结构。水塔水位自动控制考虑到了因水位的振荡而造成的液位检测系统的误差，并通过硬件的设计以减小其误差；液位检测的模型建立以及实现方法；硬件以及软件的抗干扰技术。硬件及软件的设计，提高了系统的稳定性以及系统的精度。据有一定的实际应用价值。因此智能控制系统越来越受到人们的信赖与应用。该系统能够在恶劣的条件下能自动调节水位高低、手动解除报警装置
4、、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。2、方案选择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。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
5、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。3、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
6、,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
7、) ;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) 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、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
8、检测系统故障,并发出报警声。图2 系统框图用51单片机设计的水位自动控制系统。见图3，51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。图3水塔水位控制电路4、 工作原理图水塔供水系统的工作原理图如图4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 范围之间, 此时, B 、C、D、
9、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 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4 水塔供水系统的工作原理图5、参数计算水位指
10、示灯部分:令流过三极管T1 , T2 , T3 , T4 集电极的电流IC 为10mA ,因为IC = (V CC - 1. 5) / RC= 10mA ,得RC = 350;取= 100 ,则IB = 10mA/ 100 = 0. 1mA ,所以, RB = V CC/ IB = 10k. 但是在实际调试中,电阻值过小,选择RB = 15k 才合适。6、水塔水位控制器水塔水位控制器的测试图5 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
11、 点之下,指示灯B 、C、D、E 全亮,报警电路开始报警,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
12、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,完成所设定的工作任务. 图5 水塔水位控制器外观图第二章 软件的设计开始为检查水位状态做准备P1.0=0？P1.1=1？停机P1.2=1P1.1=0？报警P1.3=0停机P1.2=1等待延时10S启动P1.2=0YYYNNNN图6 软件设计实验验证：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
13、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。第三章、结束1、水塔水位发展与应用我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，
14、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。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系统 。在本次试验中，由于实验室条件有限，很多工作没有落实到真实的实验验证中，所以本课程设计中的疏漏在所难免，但是通过本课程设计，确实学到了一些东西。最后，感谢白老师在课堂上的细心讲解和实验室张老师热心的帮助！附件一、参考文献【1】：计算机
15、控制技术 于海生 机 械 工 业 出 版 社【2】：自动控制原理及其应用 黄 坚 高 等 教 育 出 版 社【3】：单片机原理及应用 梅丽凤 清 华 大 学 出 版 社 北京交通大学出 版 社【4】：自动检测技术 宋文绪 杨帆 高 等 教 育 出 版 社【5】：电子线路CAD 董作霖 河南科学技术出 版 社附录A：硬件电路图：123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:26-Dec-2010Sheet of File:F:Protel example.ddbDrawn By:EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT0
16、12INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10VCC40GND20U18051+5VC230PC130PY112MHZC322R1RES2+5V C1C2U1NOTR1RES2XTAL2XTAL1VssVcc +5VTTLC1CAPR1470R21KS1SW-PBVccRESETR1RES2VccP07407KM+12VVD300+5V740
17、4RES2D?LED+5V附录B、程序清单编程如下：ORG 0000HAJMP LOOPORG 0100HLOOP: ORL P1，03HMOV A,PIJNB ACC.0，ONEJB ACC.1，TWOBACK: ACALL D10SSJMP LOOPONE: JNB ACC.1,THREECLR P1.3SETB P1.2FOUR: SJMP BACKTHREE: CLR P1.2SJMP BACK延时子程序：D10S: MOV R3，,32HLOOP3: MOV R1,#85HLOOP1: MOV R2，,0FAHLOOP2: DJNZ R2，LOOP2DJNZ R1，LOOP1DJNZ R3，LOOP3