毕业论文-开题报告-文献综述：基于单片机的水塔水位自动控制系统的设计.Doc

1、本科毕业论文系列开题报告电气工程及其自动化基于单片机的水塔水位自动控制系统的设计一、课题研究意义及现状不论社会经济如何飞速，水在人们正常生活和生产中起着重要的作用。一旦断了水，轻则给人民生活带来极大的不便，重则可能造成严重的生产事故及损失，从而对供水系统提出了更高的要求，满足及时、准确、安全充足的供水。如果仍然使用人工方式，劳动强度大，工作效率低，安全性难以保障，由此必须进行自动化控制系统的改造。从而实现提供足够的水量、平稳的水压、水塔水位的自动控制有设计低成本、高实用价值的控制器。该设计采用分立的电路实现超高、低警戒水位处理,实现自动控制,而达到节能的目的,提高了供水系统的质量。本次课题的研

2、究意义：1.通过这次的设计，更加深了对单片机理论方面的理解。2.掌握单片面的内部模块的应用。3.了解和掌握单片面应用系统的软硬件的设计过程，方法及实现。4.通过这次的商讨也培养了我独立分析和解决问题的工作能力及实际工程设计的基本技能。5.通过外文翻译在一定的程度上加强了我的阅读能力。水箱水位控制系统的技术已比较成熟,有简单机械式控制装置的系统,也有复杂控制器控制的系统。目前对水箱水位控制的系统大致可分为以下 2 种:(1)机械式控制系统。机械式控制系统结构简单、成本低廉。但这种控制装置故障多,误动作多,且只能单独控制,与计算机进行通信较难实现。(2)交流调压/变频调速控制系统。该系统是通过安装

3、在水泵出口管道上的压力传感器,把出口压力变成标准工业电信号的模拟信号,经过前置放大、多路切换、A/D 变换成数字信号传送到单片机,经单片机运算和给定参量的比较,进行 PID 运算,得出调节参量;经由 D/A 变换给调压/变频调速装置输入给定端,控制其输出电压变化,来调节电机转速, 以达到控制水箱水位的目的。二、课题研究的主要内容和预期目标随着城市高层建筑供水问题的日益突出，保持供水的自动控制、提高供水质量是相当重要的；同时要求保证供水的可靠性和安全性。本系统是针对上述问题设计的供水方式和控制系统，由主供水回路、备用回路等组成。在正常情况下，应保持水塔水位在一段范围之内。为此，在水塔内的不同高度

4、安装三根金属棒，以感知水位变化的情况。水塔由电机带动水泵供水，由控制系统控制电机转动，以达到对水位控制的目的。供水时，水位上升，当达到上限时，由于水的导电作用，停止电机和水泵的工作，不再给水塔供水。水箱供水系统三相异步电动机带动水泵完成。电机可以有手动控制和自动控制两种方式。手动控制时，不受水位控制信号控制。自动控制时，由水位信号传感器控制，自动完成。若水位系统出现在现实中不可能出现的情况，则系统报警。三、课题研究的方法及措施本次课题采用单片机进行主控制，利用水的导电性测量水位的变化，把测量到的水位的变化转换成相应的电信号，用单片机对接收到的信号进行数据处理，完成水位的检测，控制及水泵故障的报

5、警等功能。本课题中要解决的问题有：1.电极对水位的感应；2.电机故障的检测；3.单片机主程序的编程；4.电机的控制与水泵的驱动；5.水泵故障时的报警系统；6.备用水泵的使用。单片机AT89C51时钟电路复位电路水位检测电路报警电路驱动电机电路图 3-1 水塔水位检测的总体框图四、课题研究进度计划毕业设计期限：自2010年10月20日至2011年4月2日。10月20日至11月3日 完成选题。完成师生的双向选择，确定课题工作。11月4日至12月4日 完成开题的一切准备工作。查阅资料，写出2000个汉字以上的文献综述，完成一篇与课题相关的外文文献翻译，完成开题报告的填写，进行开题答辩。12月4日至1

6、月21日 完成毕业设计的初稿。学生个人独立完成设计并及时向老师汇报进度，与老师做好沟通与请教课业的工作。2月22日至4月1日 设计作品的完善与论文的修改。4月4日至4月15日 准备答辩。4月17日以后 开始正式进入答辩环节。五、参考文献1王秋爽,曾昭龙.单片机的开发基础与经典设计实例M.北京:机械工业出版社，2008，03.2张洪润，朱博，马鸣鹤.单片机应用技术教程M.北京:清华大学出版社.3 版.2009，02.3王守中.51 单片机开发入门与典型实例M.北京:人民邮电出版社.2007，08.4周国运.单片机原理及应用M.北京：中国水利水电出版社，2009，02.5求是科.技单片机典型模块设

7、计实例导航M.北京:人民邮电出版社.2004，05.6夏伟光.浅析生活给水系统的水泵备用J.宅产业,2010年，10期.7钟晓强.基于单片机实现的液位控制器设计J.现代电子技术,2009 年,第 2 期8高改会，于红星，胡瑞玲.基于单片机的锅炉液位自动控制系统的设计J.机械工程师.2008 年 09 期.9陈霞,白小军.基于单片机的液位监控系统J.武汉理工大学学报,2007,03.10Daniel Wu, Fakhreddine Karray, Insop Song.Water Level Control by Fuzzy Logic and Neural Networks J.Preprin

8、t submitted to 2005 IEEE Conference on Control Applications. Received February 28, 2005.毕业论文文献综述电气工程及自动化水位控制的研究 摘要：随着城市高层建筑供水问题的日益突出，保持供水的自动控制、提高供水质量是相当重要的，本文主要是对水位的控制方式如电极式，浮球式，单片机式，PID 控制式作了一个简单的比较说明。关键词：液位；自动控制；PID 控制；单片机控制一、前言在工农业生产以及日常生活应用中,常常会需要对容器中的液位(水位)进行自动控制。比如自动控制水箱、水池、水槽、锅炉等容器中的蓄水量,生活中抽水

9、马桶的自动补水控制、自动电热水器、电开水机的自动进水控制等。虽然各种水位控制的技术要求不同,精度不同,但基本的控制原理都可以归纳为一般的反馈控制方式,它们的主要区别在于检测液位的方式、反馈形式,以及控制器上的区别。下面就生活给水系统的水位控制进行分析与探讨。二、液位控制的方式 对于液位进行控制的方式有很多,而应用较多的主要有2种,一种是简单的机械式控制装置控制,一种是复杂的控制器控制方式 1。1简单的机械式控制方式其常用形式有浮标式、电极式等,这种控制形式的优点是结构简单,成本低廉。存在问题是精度不高,不能进行数值显示,另外很容易引起误动作,且只能单独控制,与计算机进行通信较难实现。1.1 浮

10、球自动控制水位当清水被消耗后,蓄水池内水位下降,浮球下降，杠杆A端下降,以O点为中心轴的另一端B开始上升,带动截止阀手柄(截止阀手柄内部改制后将螺丝旋转升降变为直杆直线升降),闸阀逐渐打开,清水开始进入蓄水池;水位上升,托起浮球,杠杆A端开始上升,以O点为中心轴的另一端开始下降,牵动截止阀手柄下降。当水位上升到一定高度时,截止阀手柄将水关闭,清水不再流入池内 2。通过浮球控制闸阀手柄升降进行自动水位调节,可以保证水不外流,轧机用多少水,闸阀就会自动供应多少。该装置优点是结构简单,成本低廉，存在的问题是精度不高。1.2 电极式液位计需要4个电极。这些电极皆接直流电源的负极,长度分别等于各控制点的

11、深度。如果池体不导电,还需要一个公用正极。电极棒可呈圆周分布,中间为公用正极棒,一周均布若干个负极棒,结构紧凑，视具体情况电极棒也可呈直线分布,结构简乳制造容易,特别适用子不需要公用电极的场合。它有4个控制极和一个公用正极。当液位升至某一位置接触电极后,三极管立即导通,继电器通电工作,通过继电器通控制显示元件、报普器件发出声、光信号,并控制其它相关电器的工作 3。结构简单、价格底廉,适用于电导较大的液体。2复杂控制器控制方式这种控制方式是通过安装在水泵出口管道上的压力传感器,把出口压力变成标准工业电信号的模拟信号,经过前置放大、多路切换、A/D变换成数字信号传送到单片机 ,经单片机运算和给定参

12、量的比较,进行PID运算,得出调节参量;经由D/A变换给调压 /变频调速装置输入给定端,控制其输出电压变化,来调节电机转速,以达到控制水箱液位的目的。2.1 基于 Proteus 和 keil 软件的控制该系统硬件包括振荡电路和复位电路，水位检测电路，水位显示电路，报警电路，电机控制电路，电机工作指示灯电路；软件部分包括初始化程序，延时程序，水位控制电路程序，显示电路程序，报警电路程序，工作指示灯电机控制部分程序。该方案在硬件基础上配合软件实现了高、低警戒水位报警、人工给水的工作方式，并对水塔水位控制系统模型进行了仿真，改造后的水塔水位自控系统，能实现水塔水位自动控制系统，远程监控，实现无人值

13、守 4。2.2 单片机的液位控制这是一种数字式水箱液位实时监控系统,该控制系统是用MCS-51系列单片机及其相关硬件来实现的,利用传感器测量液位数据,应用VB6.0MSComm控件,通过RS-232串口传送数据到上位机实时显示现场测量数据。液位低于用户设定的值时,系统自动打开泵上水;当水位到达设定值时,系统自动关闭水泵。该系统采用下位机以单片机为核心的控制系统。方便监控室工作人员对水箱液位进行监控,从而达到对水箱设备监控的要求,也实现了测量控制的智能化与数字化，其结构小巧、运行速度快,具有多功能和多用途的特点 5。2.3 超声波水位测量传统的水位测量方法是在测验断面设立水尺,人工定时观测水位。

14、这种测验方法不适应自动化迅速发展的需要。而先进的超声波测量系统克服了上述缺点,完整的探头系列可完成非接触连续地测量水位。该系统测量部分由FDU(传感器)系列及与之配套使用的FMU(变送器)系列组成,其可用于淡水和废水处理的测量.传感器内的放射源电动激励向物体表面发射超声波,物体反射部分回波。这种反射波被同一传感器探测,同时做为一个定向的传送器,转换成电信号,脉冲传送接收时间(波的运动时间)与距离(探头与物体表面的距离)成正比。这段距离通过声速C和运动时间t被表示为:D=C*T/26。当然用超声波传感器时要注意盲区的存在与避免。超声波对于每种应用提供单独程序。在敞口和封闭的罐和仓储中的液体和固体

15、的物偿位测量,位差测量为毫米级精度。被测介质可以是腐蚀性的液体如碱或酸,或是粉状和块状固体物料等。超声波探头可在不同工况下可靠地测量。2.4 模糊PID控制器控制常规的PID控制虽有着原理简单、使用方便等优点但却不具备在线调整参数P、I、D的功能,使其不能满足系统在不同条件下对PID参数自调整的要求,模糊控制器是一种近年来发展起来的新型控制器，其优点是不要求掌握被控对象的精确数学模型，而根据人工规则组织决策表，且由该表决定控制量的大小3。模糊控制器代替了传统的控制器，它是模糊控制系统的核心部分。由输入量模糊化、模糊控制规则、模糊决策等几部分组成， 模糊PID控制器是以误差e和误差变化率ec作为

16、输入,根据不同的偏差和偏差率对PID参数进行在线调整,以满足不同时刻对控制参数的不同要求,而使被控对象有良好的动、静态性能4，如图2所示。根据Kp、Ki、Kd对控制精度的影响，可得出在不同的水位偏差e和偏差变化率ec时系统参数自整定的原则：当e较大时，为了加快系统的响应速度，应取较大的Kp，同时为了避免过大的超调量，应使Ki=0；当e和ec为中等大小时，即处于过渡过程时，为了减小系统的超调量，Kp的值应适中, 不能取太大，Ki的值应取小一点；当e较小时,为了使系统具有较好的稳态特性，应增大Ki，而适当减小Kd,因为Ki的作用是消除系统的稳态误差， 而Kd的作用是在响应过程中抑制偏差向任何方向变

17、化，对偏差进行提前预报,以避免出现振荡现象 7。三、结论随着电子技术、计算机技术及信息技术的高速发展,水位监控系统也由简单的机械式控制方式向复杂控制器控制方式即微型化、智能化、信息化方向发展。本系统基于单片机的水塔水位自动控制系统的设计是对水塔水位监控的智能化、信息化发展的初探。参考文献：1钟晓强.基于单片机实现的液位控制器设计J.现代电子技术,2009 年,第 2 期.2向运吉，钱志林.浮球自动控制水位J.冶金能源，1984 年，02 期.3胡振国.电极式液位计的制造J.电镀与环保，1993 年，01 期.4王琪.基于 Proteus 和 keil 软件的水塔水位控制系统设计J.中国科技息,

18、2009,11 期5陈霞,白小军.基于单片机的液位监控系统J.武汉理工大学学报,2007,03.6郭清，王兴泽.超声波水位测量系统J.东北水利水电,1999年,第02期7殷兴光，王晓华.模糊 PID 在水位控制系统中的应用J.制造业自动化，2009，07.毕业设计（20_ _届）基于单片机的水塔水位自动控制系统的设计摘 要随着城市高层建筑供水问题的日益突出，保持供水的自动控制，提高供水质量相当重要，同时要保证供水的安全性与可靠性。文章介绍的是基于单片机的水塔水位自动控制系统，是针对上述问题设计的供水方式和控制系统，主要由控制电路和供水回路组成，其中控制电路是采用单片机芯片 AT89C51G 来

19、实现的，它分为时钟电路、复位电路、水位检测电路、系统报警电路和电机驱动电路。在正常情况下，水塔水位应保持在一段范围之内，为此，在水塔内的不同高度安装三根金属棒，通过水的导电原理来感知水位变化情况。当检测到的水位信号处于下限时，系统开始供水，供水指示灯点亮，当水位上升达到上限时，由于水的导电作用，系统停止了电机和水泵的工作，指示灯熄灭，不再给水塔供水。水箱供水系统由三相异步电动机带动水泵完成。电动机可以有手动控制和自动控制两种方式。手动控制时，不受水位控制信号影响。自动控制时，由水位信号传感器传递信号给单片机，由单片机自动控制完成。若系统中的水位出现了现实中不可能出现的情况，则进入报警模块，蜂鸣

20、器响。关键词：单片机；水位检测；自动控制；报警；继电器；AbstractAs the city water supply problem of tall buildings has become increasingly prominent, the supply of the automatic control and improve water quality are very important. We must ensure water supplys safety and reliability.This paper introduces the automatic control

21、system of tower water level that based on single-chip computer. It is designed to address the problem of water supply and control system. It consists of the MCU control circuit and water supply main circuit. The MCU control circuit is AT89C51. It is divided into the clock circuit, reset circuit, the

22、 water level detection circuit, system alarm circuit and motor driving circuit. Under normal circumstances, the water level in the tower should be kept within a range. So, we install three metal bars in different heights of the water tower. Through the water conductivity principle, the bars sense th

23、e changes of water level. When the water level signal is detected, the lower limit, the system began to supply the water and the water supply indicator lights is on, when the water level rises to the high limit, with the conductivity of the water, the system stops the motor and pump, light is off, d

24、o not supply the water tower water.This water pump is driven by a three-phase asynchronous motor. Manual control and automatic control are two kinds of motor control. If the manual control works, the water level signal can not control the pumps. If automatic control works, level signal sensor controls the pumps automatically. If the water level in the system appears impossible situation, then the system enters the alarm module and buzzer works.Key Words: single-chip; water level; automatic control; alarm system; relay;