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1、.课程设计报告题 目：水塔自动抽水测控系统 姓 名： 周海龙 学 号： 7 专业班级： 安全工程1001班 指导老师： 顾江萍 2013年6月6日. v.目录绪论2第一章 元器件清单3第一节 26PCCFA6G压力传感器3第二节 STC12C54lOAD单片机4第三节 光耦合固态继电器SSR5第四节 其他元器件6第二章 水位传感器设计6第三章 控制系统硬件设计8第一节 总体结构8第二节 控制电路9第四章 软件设计10总结11附录 安装说明书12参考文献13水塔自动抽水测控系统 摘要：许多农村家庭在房顶修有小型水塔，用水泵抽取井水，组建自家的“自来水”系统，但抽水是人工控制的，经常会出现溢水或断
2、水现象。为解决这个问题，设计一种水塔自动抽水系测控系统，改进该供水系统，使系统能缺水自动上水、水满自动停水。该系统主要由压力式水位传感器、单片机和控制电路等组成，适合于乡村高楼水塔水位实时检测与抽水自动控制。关键词：水塔、水位检测、自动控制随着国民经济的发展，乡村的居住条件日益改善，农村楼房正在向高层发展，由于地理位置等各种原因，无法依靠自来水厂供水。为了方便高层楼房的用水，许多家庭自建水塔或蓄水池和水井，用水泵将水井的水送上水塔来解决高层楼房的用水问题。但是，目前抽水是用人工操作，通过估测来控制抽水量。由于人工无法监视水塔上的水位深浅，难以准确控制水泵的开停，要么水泵关停过早，造成频繁开机抽
3、水的现象，使水泵寿命缩短；要么忘记关闸，水从水塔溢出，这样就会造成水资源和能源的浪费。为此有人设计了一种全自动电子水位控制装置，水位检测元件是安装在水塔水箱里不同高度的三个电极，利用水的导电性能，由不同水位决定这两组电极是否导通或断开，将水位变化信号变成电位变化信号，进而控制水泵抽水。这种装置控制性能好、控制精度高、动作灵敏可靠、结构简单、维修方便，但不能实时监测水塔内的水位的准确值， 电极长时间使用会电解氧化、腐蚀、附上污垢，造成控制失灵。另有一种水位跟踪器 I，采用重锤自动跟踪水位变化的方法，即通过电子开关控制可逆电机，使两根测量探针自动跟踪水平变化，能够自动测出每个水位的变化值，能够提供
4、任意高度的水位信息，反应灵敏，测量水位误差小于1 cm，监测水位变化幅度范围大，功耗低，但是控制可逆电机进而控制探针自动跟踪水位变化的电路复杂，价格很高，不适合于在乡村推广。此外，人们对液位检测方法也做了不少研究，如用超声波式、超声波一电容式等，但这些液位检测装置多为成品，不便于二次开发，另外价格过高，不适合在乡村普及使用。为了解决这一问题，本次课程设计提出一套乡村水塔水位实时监测与自动抽水控制系统，实现抽水的自动控制，延长抽水设备的寿命，节约水、电资源。第一章 元器件清单第一节 26PCCFA6G压力传感器26PCCFA6G霍尼韦尔的压力传感器是一种小体积、低功耗、高可靠性产品。如图11所示
5、。图11 26PCCFA6G压力传感器它们的特点在于不同环境条件下都具有高可重复性，高精确度和高可靠性。除此以外，传感器之间配合工作时还具有非常好的协调性，不需要额外的校正就可以进行替换。 压力传感器所包含的感应元件由4个压电电阻组成，它们埋藏在一个化学蚀刻而成的薄硅隔膜表面下。压力的变化使得隔膜产生形变，产生一个拉扯或扭曲力，这样电阻的值就随之技术规格： 供电电源：016vdc 压力量程：0-15Psi 输出信号：mV电压信号 工作温度：-4085 温度补偿：24pc系列（无温度补偿），26pc系列（温度补偿0-50） 压力形式：表压（g），差压（d），绝压（a） 测量介质：适用于那些不与多
6、醚酰亚胺，硅，氟硅酮密封片起作用的介质 线性与迟滞：0.5%产品特点： 专利的导电密封弹性连接系统消除了传统的导线粘结和带状连接 专利的snap-together结构导致了多样化的测量孔形式 最低价格的带温度补偿和校整的小型封装压力传感器 不同的引脚可选（1x4或2x2） 可以测量负压和正压 激光刻蚀电阻保证极好的器件一致性发生改变，通过电路产生一个输出电信号。第二节 STC12C54lOAD单片机STC单片机由我国设计、生产，经过几年的市场验证逐渐被认可。如图12所示。图12 STC12C54lOAD单片机STC单片机的主要特点为：(I)抗干扰能力强STC单片机具有ESD保护，引脚可以直接耐
7、受2 kV4kV的快速脉冲测试(EFT测试)；具有宽电压供电，对电源抖动不敏感；Io口、内部供电系统、时钟电路、复位电路、看门狗电路均经过特殊处理，抗干扰能力强。(2)对外电磁辐射强度低STC单片机采取了3种降低单片机时钟对外电磁辐射的措施，有效地降低了对外辐射，这3种措施是：禁止AI。E输出；将外部时钟频率降低一半；时钟振荡器增益设为12 Gain。(3)超低功耗STC单片机在掉电模式下的典型功耗小于01“A，空闲模式典型功耗为2 mA，正常工作模式的典型功耗为4 mA7 mA；使用掉电模式时可由外部中断唤醒，特别适用于电池供电系统，如野外作业系统、手持作业系统。(4)运行可靠性高STC单片
8、机内部集成了810专用复位电路，有效地提高了单片机的可靠性并简化了外围电路2 STC单片机程序下载过程STC单片机内部设计了在线编程模块，即ISP模块经过对数据流的验证直接写入用户程序区，完成用户程序下载动作。第三节 光耦合固态继电器SSR采用固体半导体元件组装而成无触点开关（接通和断开无机械接触部件）。如图13所示。图13 光耦合固态继电器SSR优点：开关速度快、工作频率高、使用寿命长、噪声低、工作可靠。使用场合：取代常规电磁式继电器，广泛用于：数字程控装置、数据处理系统、计算机终端接口电路、尤其是动作频繁、防爆、耐潮、耐腐蚀的场合。缺点：漏电流大、接触电压高、触点单一、使用温度范围窄、过载
9、能力差、价格高。基本特点： 控制功率小：输入很小的控制电流便能正常工作，输出采用大功率管可控硅器件，具有功率放大作用； 可靠性：绝缘防水材料浇铸，没有可动部件； 抗干扰能力强：无触点动作，无火花等电磁干扰，输入/输出之间隔离； 动作快：直流SSR响应时间几十S 过零交流SSR转换时间10Ms（1/2fs f = 50Hz）； 寿命长：10121013次 （普通电磁式继电器105106次）； 承受的浪涌电流大：610倍额定值； 对电源电压适应范围广：交流SSR30220VAC 任意选择； 耐压水平高：输入/输出介质耐压2.5kV以上。第四节 其他元器件水塔、水泵、连接管、三极管、ADC的芯片、电
10、阻、连接线等。第二章 水位传感器设计液位传感器品种很多，但多数为成品，通常价格较贵，且不便于在自动控制系统中做二次开发使用。为此，采用压力式传感器设计一种水位检测装置，如图11所示。其中，l为水塔，2为水，3为压力传感器，4为连接管。压力传感器通过连接管接到水灌底部开孔，压力传感器内气体的压力为水灌里水柱产生的压力，即P=gH 或 H= (1)其中p为水的密度，g为重力加速度。 图21 水位传感器结构压力传感器采用26PCCFA6G，其内部电路是一个惠斯登电桥，其作用是将压力信号转换成为电信号。如图l1所示。当传感器受到压力时，电桥内应变电阻发生变化而输出相应的电压值。其输出电压与所承受的压力
11、是成线性关系，所以由式(2)可以推出此电路输出的电压为V0=KP 或 P= （2）由式（1）和式（2）可得，H=V0 （3）由上式可知，利用 D转换器采集电压 ，已知常数项去和液体密度 ，即可通过微处理器计算出液位的高度。图22 压力传感器及调理电路原理第三章 控制系统硬件设计第一节 总体结构控制系统硬件电路如图3所示，由单片机(CPU)、传感器、信号调理电路、按键电路、控制电路和显示电路等组成。单片机采用STC12C54lOAD，该单片机具有4路1O位的ADC，可以直接对调理电路输出的电压进行模数转换，然后进行处理得到水位值。传感器电路和调理电路如图12所示，按键和显示电路这里不作介绍，对控
12、制电路进行详述。图31 控制器结构图第二节 控制电路水泵采用交流22OV供电，采用光耦合固态继电器SSR来控制水泵的运转与停止，通过单片机的P17口输出电平控制一个三极管，再驱动固态继电器SSR实现对水泵的控制；固态继电器SSR的型号由水泵的功能而定。图32 控制电路原理第四章 软件设计软件流程如图31所示，主要包括按键设置、水位检测与处理、显示、水位判断、抽水控制等。微处理器采用了具有1 O位ADC的芯片，直接对传感器送来的模拟电压进行数据采集，并转换为水位高度，送显示器显示水位高度，对水位进行实时监视；当水位小于总高度的1O时，策处理器输出P17为高电平，开始抽水，当水位大干总水位的90时
13、，P17为低电平停止抽水。按键设置主要用于水位高度设置，用户可根据自己水塔的实际高度设定水位总高度，以便程序根据水位高度进行抽水控制。图41 软件流程图总结本次课程设计创新点是为农村高楼提出并设计了一种水塔自动抽水测控系统，解决乡村抽水时水和电的浪费问题。课程设计主要完成了以下工作：1)设计了一种压力式水位传感器，介绍了其原理；2)设计了抽水控制系统，本系统以STC12C5410AD为微处理器，具有水位监视、抽水控制、水位参数设置等；3)设计了系统的软件。本系统具有结构简单，性能稳定，成本低，安装方便等优点，适合于乡村的楼宇水塔抽水推广应用。附录 安装说明书1、产品性能：水塔或水池无水时自动开
14、启水泵抽水，水满自动停机，（若选用水塔水井双控型控制器,井里水抽干时也会自动停机,有水时再抽，可防止水泵吸入空气而损坏机器）。 2、适用电压：单相220V交流电。（15KW以内三相控制器要订制）。3、负载功率：1600W。（若要控制更大功率的用电器则要配用接触器）。4、控制电流：8A。5.自身功耗：约5W。6、控制流体类型：井水、污水等有一定电阻值液体。7、安装方法：1）安装水泵，进水管不能漏气。2）按接线图连接本控制器，如果被控的是潜水泵，则建议安装漏电保护器。8、使用方法：把电源插头插入220v电源里，控制器的指示灯会亮，水泵抽水，当水满时指示灯会熄灭，同时水泵停止。若怕夜间扰人或不要抽水时则可拔掉电源插头。参考文献1 张乃禄，徐竟天，薛朝妹.安全检测技术.：西安电子科技大学出版社.20072 黄仁东，刘敦文.安全检测技术.：化学工业出版社.20063 张文昭，包本刚，潘海军，陈爱武.楼宇水塔水位检测与抽水自动控制系统.永州.2009.
