基于80C51单片机的水塔水位自动控制系统设计

1、文章编号: 1674-4578( 2013) 04-0015-0280C51基 于单 片 机 的 水 塔 水 位 自 动 控 制 系 统 设 计高琳，荆智慧( 国营大众机械厂第一研究所，山西 太原030024)摘 要: 本设计主要基于单片机的硬件电路设计，实现一种能够实现水位自动控制、具有自动保护、自动声光报警功能的控制系统。本控制系统由 A / D 转换部分、单片机控制部分、数码显示部分、电机驱动部分、电机控制部分等构成。同时对各个部分进行了详细的论述。关键词: 单片机; 水位自动控制; 继电器; 自动保护中图分类号: TP29文献标识码: A通常，由于受检测点物理体积的影响，水位检测点的数

2、目有 限，从而影响了后续电路控制的精度。本设计采用新型水位 传感器，即选用北京英泰德科技有限责任公司生产的投入式 液位变送器 MPM416W /426W，可以达到对水位高度的精 确 检测，以利于提高后续电路控制的精度。其原理是通过压阻 式压力传感器，把与液位深度成正比的液体静压力准确测量出来，并经放大电路转化成标准电流 ( 或电压) 信号输出，建 立起输出电信号与液体深度的线性对应关系，实现对液体深 度的测量。同时其具有以下特点:0引言在社会经济飞速发展的今天，在人们正常生活和生产中 给排水起着越来越重要的作用。一旦给排水出现故障，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

3、损失。因此给排水工程往往成为高层建筑或工矿企业中 最重要的基础设施之一 。因此，建立一个可靠安全、又易于 维护的给排水系统显得尤其重要。给排水控制系统的作用主要是为了保证供水 / 排水系统 的正常运行，其基本控制内容是对各给水泵、排水泵、污水泵 及饮用水泵的运行状态进行监控，对各水箱及污水的水位、 给水系统压力进行监测，并根据这些监测信 息，控 制 相 应 的 水泵启 / 停或按某种节能方式运行。本文主要针对水塔水位 高度的显示、报警、电机控制进行了设计，该控制系统是排水 监控系统的重要组成之一。( 1)使用寿命长液位变送器膜片采用高技术激光调制电路，传感器外壳采用不锈钢制作。 ( 2) 安装

4、方便 仅需将投入式液位变送器探头投入液体中，引出信号线同二次仪表连接就可进行液位测量。总设计方案水位自动控制电路是通过水位传感器将水位高度转换 为 0 10 V 的直流电压，再经过 A / D 转换后，将转换所得的8 路并行数字量送入单片机进行处理来达到对 水 位 进 行 自 动控制的目的。通过对电压和水位的转换关系，最终利用单 片机进行精确的控制，实现对水位高度的显示、主 / 备电机和 报警装置的控制。水位自动控制器 由 6 个 部 分 组 成，即 水 位 传 感 器、A / D 转换、单片机、数码显示、电机控制、报警控制部分，其总框图 如图 1 所示。1( 3)温度稳定性好投入式液位变送器

5、本身在 0 70 内实现了温度补偿，在信号转换电路中加入了温度补偿电路，消除电路温漂对精 度的影响，从而提高精度。2 2 A / D 转换设计通过对传感器的选择，可知由传感器输出的水位高度信 号是 0 10 V 的直流 电 压。在 设 计 中，可 以 通 过 采 样、保 持 电路对这一信号进行处理，将模拟信号转换为多个采样点信 号。但这种处理方法由于受电路规模和采样精度的影响，不 可能对水位信号作出精确的处理，近而也无 法 对 电 机、水 位 高度显示和报警作出精确的控制。因此，本设计中采用集成 芯片 ADC0809 对 0 10 V 的直流电压进 行 处 理。可 以 达 到: ( 1) 电路

6、简洁、明了。( 2) 高转换精度。( 3 ) 高 控 制 精 确。0 10 V的直流电压信号经 ADC0809 模数转换后，将转 换结果数据送入单片机 80C51，由单片机对结果数据进行解 算处理。80C51 和 ADC 接口通常采用查询和中断两种方式。如 图 2，采用查询法传送数据时 80C51 应对 EOC 线查询它的状图 1 总设计框图2系统介绍2 1 传感器设计传统的水位 检 测 通过设检测点来完成对水位的检测。收稿日期: 2013 05 08; 修回日期: 2013 05 29作者简介: 高 琳( 1975- ) ，女，河北石家庄人，工程师，主要从事电子电路设计工作。荆智慧( 197

7、1- ) ，男，山西临猗人，经济师，主要从事综合管理工作。山 西 电 子 技 术2013 年16态: 若查询到 EOC 变为高电平，则给 OE 线送一个高电平，以便从 D0 D7 线上提取 A / D 转换后的数字量。采用中断方 式传送数据时，EOC 线作为 CPU 的中断请求线。CPU 响 应中断后，应在中断服 务 程 序 中 使 OE 线 变 为 高 电 平，以 提 取A / D 转换后的数字量1。图 2 80C51 与 ADC 接口图80C51 输出低电平时，SN75467 相应的输出晶体管导通，接触单片机复位设计2 3器线圈中有电流流过，接触器吸合; 当 80C51 输出高电平时，驱动

8、器相应输出晶 体 管 截 止，接触器线圈中无电流流过，接 触器断开。图 5 中二极管用于箝位线圈两端可能出现的反 电动势。通常，单片机的复位有自动上电复位和人工按钮复位两种。考虑到，水塔与居民生活密切相关，当 因 特 殊 原 因 导 致 单片机掉电，需单片机立即 自 动 复 位 ( 如: 夜间短时间停电， 导致本系统停止工作) ，故本设计采用上电复位方式。2 4 单片机起振电路设计XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。该 反向放大器可以配置为片内振荡器，也可采用外部时钟源驱 动器件。考虑到设 计、使 用 的 方 便，本设计采用片内 时 钟 驱 动，即 XTAL1 和 XTA

9、L2 只 需 外 接 晶 振 ( 配上相应的电容 ) ， 便可以给单片机提供相应的时钟频率。石英晶振起振后，在 XTAL2 线上输出一个 3 V 左右的正 弦波，以使 80C51 片内的 OSC 电路按石英晶振相同频率自激 振荡。通常，OSC 的输出时钟频率 FOSC 为 0 5 16 MHz，电 容 C1 和 C2 可以帮助起振，调节它们可以达到微调 FOSC 的 目的。本设计中，晶振采用 12 MHz，C1 和 C2 取 30 pf。其连 接电路如图 3。图 4 数码显示电路图图 5 电机驱动电路图图 3 起振电2 7 报警电路当 80C51 的输出 管 脚 有 高 电 平 输 出 时，S

10、PEAKE 发 出 报警声。驱动显示设计通常，水塔水位高度由数码管进行显示。本设计中由于 需显示的位数较少( 两位) ，因此，利用驱动芯片 7448 直接驱 动共阴极的半导体数码管，同时，驱动芯片与单片机 8 个端 口连接，并附加上拉电阻，即可完成数码管的驱动。如 图 4， 当 7448 输出管截止、输出为高电平时，流过发光二极管的电 流是由 Vcc 经 2 k 上拉电阻提供的，这时点亮数码管; 反之， 则数码管灭。2 6 电机选择及驱动设计本设计中，采用交流三相异步电动机，其结构简单，维护 方便，价格便宜，已 被 广 泛 应 用。由单片机输出口对 驱 动 芯 片 SN75467 进行控制，再

11、由驱动芯片 SN75467 控制交流接触 器，最终由交流接触器控制执行电动机的运转。图 5 中，当2 53软件设计3 1 主程序设计本设计 中 首 先 对 单片机写入外围端口地址 ( INT0 和 F8H) ，并开中断 1，且定义中断为边缘触发方式。再将 INT0 的端口 地 址 写 入 F8H ( ADC0809 的 端 口 地 址 ) ，即 可 启 动 ADC0809。然后，单片机进入等待中断状态。3 2中断子程序设计在中断到来后，程 序 转 到 中 断 子 程 序。在 中 断 子 程 序中，实现单片机对 ADC0809 转换所得的 8 路并行数据的接( 下转第 37 页)第 4 期刘 玮

12、，等: 初学者检测生化需氧量的注意事项37xi X珔速度一般很慢，为使反应完全，加 入 KI 后要放置一段时间，但放置时间不 能 过 长 ( 一 般 不 超 过 5 min) 。随 后 立 即 用 硫 代硫酸钠溶液滴定，否则过量的 KI 将被 空 气 氧 化 成 I2 。放 置时要避光，置于暗处，瓶口要加盖。( 3) 所用 KI 溶液中应不含 KIO3 或 I2 ，如 果 KI 溶 液 显 黄色，或将溶液酸化后加入淀粉指示剂显蓝 色，则 应 事 先 用 硫代硫酸钠滴定至无色后再使用。相对偏差( % )= 100% x珋式中: xi 某一测量值;X珔多次测量值的均值。9测定结果的准确度表示根据标

13、准物质的测定结果，以相对误差表示时的计算式:相对误差( % ) = ( ( 测定值 保证值) / 保证值)BOD5 监测质量控制指标表 1 BOD5 监测质量控制指标 100%( 4)用硫代硫酸钠滴定 I2 时，要等滴至 I2 的黄色很浅时10再加淀粉，然后再滴至蓝色消失。过早加入淀粉，它与 I2 形成的蓝色络合物会吸留部分 I2 ，往往会使终点提前且不明显。( 5) 当滴定至终 点 后，经 过 5 min 以 上，溶 液 又 转 变 为 蓝色，表示反应未 完 全 ( 即 KI 与氧化剂的反应 ) ，应 另 取 溶 液重新滴定。7生化需氧量与化学需氧量的关系生化需氧量是化学需氧量的一部分，两者

14、存在一定的比 值关系，生化需氧量大致为化学需氧量的 35% 65% ，但也 有特殊情况，若污水可生化性不强，如炸药厂的污水，生化需 氧量是不足化学需氧量的 35% 的，大约为 20% 35% 。8测定结果的精密度表示平行样的精密度用相对偏差表示。( 1) 平行双样相对偏差的计算方法:以上几项为检测生化需氧量的常见问题，希望能对初学者有所帮助。参考文献1国家环境保护总局水和废水监测分析方法编委会水和废水监测分析方法M 第 4 版 北京: 中国环 境科学出版社，2002夏玉宇 化验员实用手册M 第 2 版 北京: 化学工业出版社，2011中华人民共和国环境保护行业标准 地下水环境监测 技术规范S

15、国家环境保护总局，2004 12 07 中华人民共和国国家环境保护标准 水质 五日生化需 氧量( BOD5) 的测定 稀释与接种法S 北京: 中国环 境科学出版社，2009 12 0123相对偏差( % ) = A B 100% A + B式中: A、B同一水样两次平行测定的结果。( 2) 多次平行测定结果相对偏差的计算方法:4櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅( 上接第 16 页)收。并通过 GAODU 子程序实现对接收所得的并行数据的 量化，其量化数为 100。通过量化，将输入数据变为 0 99 种 状态，为下一步处理作好准备2。而

16、达到对水位进行自动控制的目的，实现了对水位高度数码显示、电动机( 主、备) 和报警装置的单片机自动化控制。参考文献1胡汗才 单片机原理及其接口技术M 北京: 清华大学出版社，20044结论综上分析，本设计水位自动控制电路是通过水位传感器2 吴炳胜 80C51 单片机 原 理 与 应 用 技 术M 北 京: 冶金工业出版社，2003将水位高度转换 为 0 10 V 的 直 流 电 压，再 经 过 A / D 转 换后，将转换所得的 8 路并行数字量送入单片机进行处理，从Design of Automatic Control System of Water LevelBased on 80C51

17、Single Chip MicrocomputerGao Lin，Jing Zhihui( First esearch Institute，State owned Dazhong Machinery Factory，Taiyuan Shanxi 030024，China)Abstract: This design is made mainly based on the hardware circuit design of MCU It implements a control system to realize the automatic control for water level that with automatic protection and automatic alarm functions The control system consists of A / D con- version part，MCU control part，a digital display part，a motor