水箱水位检测控制系统 计算机控制技术课设.docx

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1、目录引言11设计意义及要求21.1课程设计意义212课程设计要求22.1传感器选择322水赎统5221水位测量工作原理52.2.2水位采集系统的组成63系统软硬件设计73.1 传感器检测电路73.1.1 超声波频电路83.1.2 超声波接收电路83.1.3 A/D转换电路设计93.1.4 单片机最小系统123.1.5 LED显示电路123.1.6 报警电路133.1.7 串行通信电路设计143.2 数据处理好设计15321数据采集处理17322加显示18323报警筋设计19324麒通信20心得体味21参考文献22附录A总体流程图23附录B总体接线图24引言水情水位测量向来是水文、水利部门的重要

2、课题。为及时发现事故苗头，防患于未来，经济实用、可靠的水位无线检测系统将会发挥巨大的作用水位是水库大坝安全、水利排灌调度、蓄水、泄洪的重要参数之一。水位的自动化检测、传输和处理为水库现代化建设提供了良好的基础资料。在工农业生产的许多领域都需要对水位进行监控实时检测，可能现场无法挨近或者现场无需人力来监控。我们就可以通过远程监控，坐在仪器前就能对现场进行监控，既方便又节省人力。为了保证水利发电站的安全生产，提高发电效率,水电站生产过程需要对水库水位、拦污栅压差和尾水位进行监测。但是,由于不同电站有着不同的实际情况，因此就有着不同的技术要求,而且水位参数的测量方法和测量位置不同，对监测设备的要求亦

3、有所不同。这样往往造成监测系统设备专用化程度高，品种多,互换性差，不利于设备维护,亦增加了设备设计、生产、安装的复杂性。因此，在综合研究水电站水位监测的实际情况以及特点的基础上,利用现代电子技术,特殊是单片机技术和不挥发存储器技术,设计开辟一种通用性好,可靠性高,维护方便,可合用于多种监测环境的多模式水位自动监测系统具有重要的实际意义。本次所设计的水箱水位检测控制系统主要包括以下几个内容：水位传感器对水位进行实时检测，设定标准水位，自动控制注水和放水，维持水位保持在设定值附近；另一种是手动操作模式，即通过按键来控制注水放水，并同时实时显示水位检测值。水位检测部份控制部份和主机控制部份通信采用R

4、S-485点对点通信方式实现。水箱水位检测控制系统1设计意义及要求1.1 课程设计意义从传统的水位监测方式即人工监测技术分析来看，主要存在以下问题：首先记录方式以摹拟方式为主，就是数字方式记录的也很难方便的输入计算机处理，其次数据处理基本靠人工处理判断，费时易错，最后水位信息的采集、传输、处理的实时性和准确性较差，无法适应现代水文的需求。因此，要用自动化技术促进水位监测自动化的发展。1.2 课程设计要求要完成水位检测控制系统需要实现自动化监测、数据化、智能化显示、视觉或者听觉冲击化报警，实现水位检测一个完整的系统，主要包含以下几个要求：1 .选用适当传感器进行水位实时检测；2 .分析如何实现水

5、位信息的采样处理；3 .怎样通过算法实现水位的自动控制；4 .提出适当的软件设计流程；2系统方案设计2.1传感器选择方案一：利用水的导电性，有水则导电的特性，在固定水位高度安插节点，设计方案如下:电路共有五个发光二极管，如果发光二极管全部亮，表示水箱中的水已充满。12V电源送到水箱底部的水中，晶体管(TT5)只要得到基极电压，就会导通并点亮相应的发光二极管(LEDlLED5)当水箱中的水到达最低水位C时，晶体管T1导通，LEDl点亮；当水位上升到水箱的1/4时，晶体管T2导通，LEDI与LED2点亮；当水位升到水箱的一半时，晶体管T3导通，贝IJLEDI、LED2和LED3点亮；当水位升到水箱

6、的3/4时，晶体管T4导通，则LEDrLED4均点亮；当水箱的水充满，晶体管T5导通，五个发光二极管全亮，同时使蜂鸣器发出报警声响。因此从发光二极管点亮的状态，就能知道水箱中的水位。发光二极管与水箱中的水位对应关系如下表2.1所示。发光二极管应安装在容易监视的位置。水箱中的水位发光的LED最高水位LED1、LED2、LED3、LED4、LED53/4水位LEDKLED2LED3、LED41/2水位LED1、LED2、LED31/4水位LED1、LED2最低水位LED1方案二：浮子式水位传感器其主要产品有上海精浦机电有限公司的GEMPLEGPH500,正天科技的FYC-3型浮子式水位传感器等。1

7、）工作原理：它利用液体浮力测液位的原理，靠浮子随水面升降的位移反映水位变化。漂浮通过绳索经滑轮与编码器相连，编码器的数字输出即为水位高度。为防止错码的浮现，其编码器的编码为格雷码。机械浮子式和光电浮子式都是来用机械齿轮减速产生进位和退位的办法来形成编码。其工作示意图如图3.1所示。图2浮子式水位计工作示意图2）特点：稳定，可靠，优点：成熟、运用最广泛，价格相对较低。3）缺点：机械加工复杂、运行阻力大、使用寿命短，测试数据离散。方案三：超声波水位传感器超声波水位传感器是利用空气声学回声测距原理来进行水位变化测量的新型水位测量仪器。由收发共用换能器发射一声脉冲、经声管传声遇水界面产生反射，回波经由

8、同一换能器接收。测得声波在空气中的传播时间及现场声速，算出换能器发射面至水面的距离，依据换能器安装基准面及水位零点得到水位值。特点是非接触测量，无需建造水位测井，安装方便，自动测量；具有声速补偿；RS-485数据输出。其水位测量原理如下图所示。2.2水位采集系统2.2.1 水位测量工作原理水位测量原理如图所示，由收发共用声学探头发射一声脉冲，经声管传声L声程遇水界面产生反射，反射波(下称回波)，又经L声程由同一声学探头接收，只要测得声波(由发射至接收到回波)在空气中的传播时间t及现场声速c,就可测算出声学探头发射面至水面的距离，即错误！未指定书签。L=Ct/2(3-1)在设计上采用自校准技术对

9、声速进行补偿，即在连接声学探头的第一节声管(称此声管为校准管)的已知距离LO处开有一校准用小圆孔。声学探头发射的声脉冲首先遇小孔这一界面产生反射回波，这一回波传播的声程2L0为已知，传播时间TO可测出，传播声速若为CO则有：L=Ct/2(3-2)OOO取校准孔回波与水面回波传播声程的比值则有：L=CtI/CI(3-3)000由式(1)可知声程L是传播声速C、CO,传播时间t、TO和校准孔距LO的函数。如果在声管中传播声速由发射面至水面间变化很小，这样(1)式就可简化为：L=tL/T(3-4)00发射声脉冲后，测得TO、t即可测算出声程L0由图2知，探头安装基准面至水位零点高度为S(S可以当地水

10、准点或者水尺为参考,安装时测量确定)则水位值H为：H=S-L(3-5)式中：H为水位值S为探头发射面至水位零点距离L为探头发射面至水面间距离2.2.2水的侬水位测量是应用空气声学回声测距原理，将声学探头安装在自流道进口和出口处，通过电缆将信号传至水位采集系统，采集并输出进口和出口处的水位值。水位采集系统由声学探头，声路总成、外保护管总成、水位采集主机系统、显示及电源组成、水位采集系统通过RS-485接口与流量数据处理系统相连。如果声程范围内温度不均匀，就会产生测量误差，上述方法将不能满足精度要求。所以，为了提高水位测量的准确度，采集水位(声程)的同时，还要采集声程数点的温度值，在数据处理时可以

11、对水位测量值进行温度补偿，减小温度梯度造成的测量误差，提高测量准确度。具体计算步骤如下：声程内平均温度：Ta=at+at+at(3-6)1122nn式中：ai:声程内第i个温度因子(与现场安装位置等有关；用户可以根据实际比测作出修正)Ti:声程内第i个温度传感器温度值。n:声程内温度传感器个数。将平均温度代入公式(5),算出平均声速CO、c,根据公式(2)即可算出声程L,再由公式(4)得出水位温度对测量精度的影响及修正空气中，不考虑湿度温和压的影响，则声速C为：C=331.4+0.607T(ms)(3-7)式中：T为温度()。温度变化1,将影响声速变化约0.18%,如果声管中传播声速由发射面至

12、水面间变化较大。为了在不均匀的声场进行准确测量，采集水位的同时，还要采集声程数点的温度值，修正声速，对水位测量值进行温度补偿，减小温度梯度造成的测量误差，提高测量准确度。声学测量中，温度的影响是产生测量偏差的主要原因。在水位测量的实际应用过程中，声程不同位置测得的温度数据为非均匀变化。经过温度修正，减小了声场温度影响产生的测量误差。特别是在声程远端，未修正误差较大，修正后误差明显减小。声场受温度影响产生的测量误差，可以通过加入测温传感器，测量声路不同位置的温度，在软件上对测量值进行修正，减小测量误差。实际应用表明，效果很好。3系统软硬件设计3.1 传感器检测电路本文设计的超声波传感检测电路是利

13、用40kHz的超声波发生器，实现40kHz的振荡是很容易的，并且方法有多种，取液位计与水面的距离为适当的高度，可令超声波发出去后能有效地返回，让接收器收到信号，送到微处理器，经微处理器处理所得的数据，即可算出水位高度。超声波在空气中普通可以实现有效传播，只要外部的环境不是特殊的恶劣，所受的干扰并非很大，测量结果不会有太大的误差。整个系统的核心是AT89S52。所选用是超声波传感器，它的工作电压是40kHz的脉冲信号，这可很容易地用软件编程使AT89S52的P1口中的第0位产生40KHZ方波的方法来实现。并在第一个脉冲产生时开始启动计时。40kHZ的脉冲方波信号经放大后即可驱动超声波传感器工作，

14、使其向水面垂直发出40kHz的超声波。所选的超声波传感器是双用型传感器，即发送和接采集成于一体。当超声波遇到水面时发生反射，反射波回到超声波传感器，超声波接收器将超声波调制脉冲变为交变电压信号，再将所得的交变电压信号放大，输人到音调译码器中，音调译码器的输出由高电平跃变为低电平，作为中断信号输人到AT89S52单片机的INT1管脚。INT1端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，住手计时，取得超声波往返的时间差。通过计算式s=340t2算出液位计离水面的距离，从而计算出水位的高度。这些都可以通过对51单片机编程实现。计算出水位高度以后，单片机将所算出的结果通过P

15、O口输出到七段LED数码管显示出来。超声波水位传感器是利用空气声学回声测距原理来进行水位变化测量的新型水位测量仪器，是在SCA6-1型声学水位计基础上的改进设计。由收发共用换能器发射一声脉冲、经声管传声遇水界面产生反射，回波经由同一换能器接收。测得声波在空气中的传播时间及现场声速，算出换能器发射面至水面的距离，依据换能器安装基准面及水位零点得到水o特点是非接触测量，无需建造水位测井，安装方便，自动测量；具有声速补偿；RS485数据输出。3.1.1 超声波发射电路超声波发射电路如图3.3所示为超声波的发射电路图。由图可见，超声波的发射电路比较简单，主要是由一个超声波探头、一个NPN型晶体管、一个稳压二极管和一个升压变压器组成。传感器探头需要40kHz的脉冲信号才干触发，图中输人端口是从单片机的P3.5输出的40kHz方波。方波电压信号经二极管稳压后送到三极管放大，再经Tl升压变压器升压，驱动超声波传感器探头发出40KHZ的超声波。3.1.2 超声波接收电路在这里超声波的发送与接收用的是同一个探头。如图3.4所示为接收用电路。接收信号普通在lmV1V之间。这么微弱的电信号，普通都要经过放大才干使用。除此之外，接收探头接收到信号后，向电