基于PLC水塔水位控制系统的设计

摘要随着社会的进步，人们对水的需求越来越大，人们对水的需求也越来越大。在人们的生活和生产中，水塔常常存在着“空塔”和“溢出塔”的情况，因此，人们非常关心怎样将其保持在一定的水平上。以前的水塔控制方法具有精度不高、耗能大等缺点，利用智能水塔来进行水位的高度的控制，可以避免空塔、溢塔等情况的出现，降低了费用，达到了节水的目的。本论文重点对一种智能控制器进行了开发，该控制器可以实现对水塔的水位进行实时监控，其中包含了采集模块、水泵控制模块、LCD1602的LCD屏幕、按钮电路、报警模块等。LCD1602LCD屏幕，可以显示出目前的水平和高或低的水平范围；一个对水平高度和高度进行控制的泵控制电路；本发明提供了一种调节上下水位高度的按钮模块；当发现有不正常的水柱时，会自动报警。对单片机烧入程序，通过循环语句来检测超声波传感器输出的电平，然后通过单片机进行处理，进而对单片机的各I/O口的输出状态进行控制，再用单片机对各电路进行控制。当检测到水位很低时，就会发出“嗡嗡”声，发光二极管每隔500ms就会闪烁一次，将水位的高低通过LCD显示出来；若侦测到水平面处于标准水准，本机将无报警器，LED灯管将关闭，并以LCD1602显示当前水平面；如果检测到水位上涨，则通过蜂鸣器发出“嘟嘟”的声音，LED灯闪烁，LCD在显示屏上显示当前的水位情况。关键词：单片机；超声波感传器模块；水泵控制电路目录TOC\o"1-3"\h\u71971.绪论 I绪论智能水塔水位检测系统的意义在我们的生命中，水起到了至关重要的作用。虽然全球水资源占全球总量的70%，而可利用的水资源只占2.7%。通过智能水塔，可以实现一定量的节水，在水位低时，可以用水泵进行抽水来增水，在水位高时，可以用水泵抽水来减少水塔中的水，从而可以自动调节水塔中的水位，使水位保持在一定的范围内。同时，在水位到达上部和下部时，通过MCU中的警报模组发出警报，来完成对抽水机的控制。智慧水塔能够有效地处理一些条件比较恶劣，不适合人工进行控制和检测的问题，不仅能够避免对工作人员造成伤害，还能够提升检测的精度和控制的效率。智能水塔检测系统控制器的特点（1）检测控制系统的稳定性好该系统采用了单片机进行操作，无需人工干预，可以有效地防止人工操作失误，提高了稳定性，减少了误差。（2）检测控制系统的时效性高由于单片机可以利用超声波传感器来对水塔中的水位展开实时检测，因此可以准确地判断出水塔中水位的位置，因此，可以让单片机可以进行更为高效、更为实时的对水位进行控制，而且还可以利用LCD1602进行显示。（3）检测控制系统的耗能低MCU是一种高集成度，高功能，高性价比，高抗干扰能力，低功耗的微机。与MCU相连的外部电路也是如此，它的功率消耗也很小。因此，该系统具有能耗小的优点。我国检测水位控制的现状现在，在中国，大部分的乡村地区，人们都是采用人工取水的方法来获取饮用水，但是，这样的方法不但对人力资源造成了很大的消耗，还会带来很多的不确定性和风险。在城市中，对生活用水的处理和对企业的工厂的供水，都是以水塔的形式来进行的，水塔很可能会发生水位过高而漏水，或者水位过低而不能及时供应。所以，把水塔内的水位控制在某一特定区域内就变得尤为重要。目前市面上的水位传感器很多，种类繁多，给我们的生活带来了很大的便利，让我们有了更多的选择。同时，人们的积极性和创造力也得到了最大程度的利用，从而大大提高了人们的生活品质。让我们能够随时享用到高质量的水，对于我们的身体也是一种很好的保证。国内现有的水塔水位调节方式，大都采用浮动型，当要调节时，往往会出现难度较大、不便之处。该系统是为了设计一个智能水塔水位检测系统控制器，这既可以解决农村用水的浪费人力资源的问题，又可以在城市中发挥很大的功能，比如生活用水和工业用水。也就是说，在水位到达其上限的时候，泵就会停止抽吸，这样就不会使水塔外溢，相反，在其下限的时候，泵就会继续抽吸，从而确保其内部有足够的水。因为它价格低廉，性能稳定，安全可靠，所以选用它做CPU，可以很好地解决人们对用水的各种需求。在科学技术不断进步的今天，单片机的周边电路也得到了很好的发展，在水泵的控制电路中，不但可以采用继电器来进行控制，还可以采用光电耦合器来实现，实现了多种控制模式。泵的种类很多，有离心泵，旋涡泵等等，可以满足各个行业的需要。水位检测控制系统的形式也是多种多样的，比如在高温条件下，有适用于高温高压使用的水位检测系统，在具有腐蚀作用的环境下，有适用于各种抗腐蚀条件的水位检测系统。另外，也有些是在特殊情况下才能应用的，必须保证它的稳定运行。智能水塔水位检测系统的前景现在，由于科学技术的进步和自动化技术的进步，我们国家的水利体系得到了极大的改善。在此基础上，对水库进行了无人值守的远程监测，从而大大增强了监测的安全性，并降低了人力投入。同时，一些不需要与媒介直接接触的传感器也被发明出来，这使得传感器的灵敏度得到极大的提升，并且能够十分准确地对真实的状况进行准确的反馈，使得人们能够更好地理解水位，反映出水位的真实状况，从而能够对其进行更为敏感的调控。随着物联网的出现，一些高技术被赋予了新的生命，比如，一个与互联网相结合的监测体系，使得信息的传递更为迅速和准确。可以通过网络、手机智能的控制水位，也可以通过温度传感器、摄像头等传感器来了解目前水位的状况，让水位检测的内容变得更丰富。随着大数据的出现，人类对洪水的预测和应对也变得越来越精准。此外，还可以通过无线通讯来实现对水泵的操作，使得水位监测更加人性化、精确和实时。不管是在国外，还是在国外，都是如此，谁也不想落于人后。而对于智能水塔的水位监测，也是一个很受欢迎的项目。而在国外，随着科学技术的发展，其发展速度也越来越快。尽管在国内，水塔的智能化监测技术还处于起步阶段，但是其发展已经与国际先进水平相当。而现在，它的性能和稳定性都达到了一个新的高度。利用计算机，微电子，超声波等先进技术，使测试系统在功能，精度，稳定性等方面达到了一个新的水平。在今后的发展中，它还将继续保持，并将再创新高。检测系统控制器的原理及其总体方案检测系统控制器的设计原理该系统将单片机I/O口设定成了准双向输入输出，因此，单片机的I/O口可以同时用作输入和输出，单片机利用循环语句持续地读取其I/O口的电平值，将读取的电平值送至单片机，再由单片机的程序算出相应的水位的高度，并将数据传送至显示模块进行展示。LCD1602是一种低功耗，小体积，便于携带，显示内容丰富的LCD。所要展示的内容有：水平面的高程及对应水平面的状况。同时用LED灯及蜂鸣器也会反应出水位的状况，如果水位异常，蜂鸣器会发出蜂鸣声，LED灯会闪烁。水泵控制电路由水泵、电阻、三极管等三个部件组成，通过三极管的通断特性来实现对水泵的工作进行控制，三极管还有放大电流的功能，从而更好地驱动水泵的工作。系统实现的功能按钮复位，也就是系统拥有复位的能力，如果人工按下复位按钮，则会自动进行复位，并对水塔的水位进行再次检测和显示。在水塔水位为低水位时，与继电器相连的单片机I/O口会输出高电位，驱动继电器工作，使水泵工作在加水模式。当水塔水位在高水位时，与继电器连接的单片机I/O口会输出低电位，驱动继电器工作，使水泵工作在抽水模式。如果在正常的水位区间，这两个保护都不起作用。LED灯在水位正常的情况下，不会进行闪烁，而在水位在高水位或低水位时，LED灯会以一定的频率进行闪烁，以提示水位异常，并且蜂鸣器会发出蜂鸣声。LCD1602液晶显示屏在水位较低的情况下会在画面上显示出实际所处的水位，在水位较高的情况下会在画面上显示出目前的水位，在水位较高的情况下会在画面上显示出目前的水位，在水位较高的情况下会在画面上显示出目前的水位。利用按钮模块可以对上下两个按钮进行控制，拥有两个按钮，可以对水位进行单独的加、减，从而对水位的限值进行控制，使系统变得更聪明。从MCUI/O口引出串口烧入程序的接口，为将来将MCU烧入程序和进行硬件调试做好准备。水塔系统各个模块设计方案主要包括超声波传感器模块，水泵控制电路，液晶显示模块LCD1602，按键电路，报警模块等。取样模块用于测量真实的水位高度，并将数据传送至单片机，单片机的循环语句不断地对其I/O口进行读出，将读出的电平状况输入到单片机中，由单片机中的处理程序显示LCD1602液晶显示屏，并控制LED灯的状况，控制水泵控制电路。下表2.1给出了该系统的整体结构方框图。图2.1智能水塔水位检测系统控制器设计框图系统硬件电路各个模块的设计单片机系统的设计单片机的应用范围几乎无处不在，也许我们还没有意识到，一个很小的电子设备中就有单片机。之所以会被应用和应用得那么广泛，是由于单片机系统的电路比较简单，能够很好地适用于许多场合。重置回路分为两种，一种是自动重置，另一种是人工重置。在使用单片机中，一个十分关键的因素就是时钟，一个时钟的选择会对单片机的机器周期，以及每一条指令所要执行的时间造成的影响，这些都会给用户带来较大的后果，所以不管是厂家还是用户，都很关注这一点。一个合适的、精确的时钟对单片机来说是非常重要的，因此，为符合我们的此项设计的需要，本人将选用11.0592M的晶振源。在图3.1中描述了STC89C51最小构成模块：图3.1STC89C51最小组成模块液晶显示模块采用LCD1602型LCD作为一种新型的显示设备，可将水塔内的水位及目前的状况进行实时显示。在该系统中，通过使用一个电压表来调整LCD屏幕的亮度，并通过编程来实现对LCD屏幕的显示。为了更好的展示产生的数据的内容。MCU的P1端口能对信号的传送进行有效的控制，并把信号传送到LCD屏幕上进行显示。P3.5,P3.6,P3.7是LCD1602的三个引脚，它们是LCD1602的关键，它们就是控制命令的来源，LCD的显示方式和要显示的东西都是由它们决定的，用C语言编程可以对LCD的内容和显示结构进行初始化，从而在LCD上得到我们想要的结果。可以做几次调整，让展示的东西更加合理和标准化，尽量让人们一眼就能看懂，简单。在图3.2中示出了液晶显示器的配置：图3.2液晶显示结构水泵控制模块按键重置，即系统具有重置功能，若手动按下，将会自动重置，并重新探测并显示水塔的水位。当水塔水位为低水位时，与继电器连接的单片机I/O口将输出高电位，带动继电器动作，使得泵处于加水状态。在水塔水位处于高水位时，与继电器相连的单片机I/O端口将产生一个低压，带动继电器动作，从而实现了水泵的抽水。在正常水平范围内，上述两种防护措施均无效。在水位正常时，LED灯不会进行闪光，但在水位处于高或低时，LED灯会以特定的频率闪光，提醒水位异常，同时蜂鸣器会发出蜂鸣声。LCD1602液晶显示屏，当水位偏低时，会将当前的水位显示在屏幕上，当水位偏高时，会将当前的水位显示在屏幕上，当水位偏高时，会将当前的水位显示在屏幕上，当水位偏高时，在图3.3中表示了泵的控制线路：图3.3水泵控制电路采样模块取样的作用，将会极大的影响到整个仪器的精度，甚至是整个仪器的工作状况。该模块通过超声波传感器采集信息，将采集到的数据传送到单片机进行处理，通过循环语句对传感器传送的数据进行读出，然后进行分析和处理。在整个系统当中，取样模块的作用是很重要的，如果不把它的作用发挥到极致，那么接下来的工作就没有任何的作用了。在图3.4中描述了取样单元：图3.4采样模块报警模块单片机I/O口的高低电平能对LED灯的亮与灭进行有效的控制，可以用程序来进行软件延时，使LED灯延时一段时间的亮与灭，以同样的频率进行闪烁。这是一种警告。由于电路中的电流比较大，所以为防止LED灯烧毁，电路中还有其它的模块，也有一定的电流和压力，所以必须在LED灯的正终端上加了一个限流电阻，这样才能保证系统中的其它模块能够正常工作。当水位到达一个上下限时，由单片机给予与蜂鸣器连接的I/O口一个高电平，蜂鸣器就会发出蜂鸣声。在图3.5中显示了具有发光二极管的蜂鸣器电路：图3.5报警模块系统软件程序设计在硬件设计完毕后，接着就是对本系统相关的软件的开发。其在软件方面的设计，以实现对水位传感器的连续读取为目的，并将读取的数据录入到MCU的软件程序中进行计算，可以实现以下功能：通过单片机的C语言编程，来控制LCD1602液晶显示屏显示的内容，把显示的数据传输到液晶显示屏上进行显示，包括水塔当前水位的高度和状态。LCD1602液晶显示屏上，第一行显示当前水位信息Now，实时准确地显示水位，第二行显示SetHL，即最高的上限值和最低的下限值。通过循环程序，不断地读取水位传感器输入I/O口P0口的电平值，并将读取的数据传输给MCU进行处理，使得LCD屏幕的显示更加的即时和有效，并且对于后续的处理工作更加的准确。通过对LED报警电路的控制，当当前水塔的水位的情况到达了最低或最高时，由单片机的内部程序发出指令，使LED灯以一定的时间延迟进行闪动，以进行预警。在当前水塔水位达到安全区后，由单片机按指令关闭发光二极管，在LCD1602上进行相应的液面显示。输入超声波传感器当前的水位，当水位的情况到达水位的最低或最高时，单片机对与水泵连接的I/O口输出高电平命令，使得三极管处于饱和状态，再通过继电器对水泵的工作状态进行控制。如果当前的水位处于正常的范围内，单片机向与水泵相连的I/O口输出低电平指令，使三极管工作在关闭的条件下，控制继电器和水泵都不工作，从而达到对水泵工作的控制。在此基础上，采用C语言进行了程序的开发，相对于用汇编语言进行编程，具有简单、易懂等特点。而且，可以更高效地对控制系统进行高效的开发，使指令的使用更加方便，使程序的结构设计更为标准、合理，易于理解。根据上面的要求，该系统控制器的程序流程如图3.6所示：图3.6系统控制器的程序流程图LCD1602显示屏框架图如图3.7所示：图3.7LCD1602液晶显示屏控制流图仿真与实物调试检测系统控制器的仿真电路由于在本设计中使用了超声波传感器，这一功能能够利用电平状态的高低来模拟在不同高度时I/O口电平的高低，所以在进行仿真设计的时候，可以将一个开关的一端连接到地，而另外一端连接到单片机的I/O口，来对水位的高度进行模拟，在模拟时达到了一定的水位的高度之后，就会压下对应的开关，将低电位送到对应的I/O口，来模拟传感器把信号送到单片机。当切换到一个低或高的水位时，在一个仿真的LCD屏幕上将会显示出该水位所处的位置及所处的高度，对应的蜂鸣器与LED模块内的蜂鸣器一起产生蜂鸣声，LED灯将进行闪动；当开关在正常水位时，在模拟的液晶显示屏上会显示水位所处的位置以及所处的高度，而蜂鸣器与LED模块的LED灯，蜂鸣器不会发出蜂鸣声。这次使用Proteus的软件，可以对MCU、显示器、按钮等进行模拟。按钮的转换，可以让它工作在其它的方式，本人通过设定高、中、低的水位，来模拟出各种情况。按钮是用来设定高、低水位的上限，可以单独设定上限和下限，调节上限十分容易。拥有很强的仿真能力，LCD1602也能用来进行仿真，并且所展示的东西和真实的东西完全相同，没有任何区别。第一条线是目前水平的信息，而第二条线是设置HL水平的极限值。LED灯管与输入输出端口相连，由单片计算机完成对其的控制。采用电动机模拟泵，电动机旋转说明是在进行泵送作业。在图4.1中显示了模拟的电路：图4.1智能水塔水位检测控制器的仿真电路系统调试经过自身的努力，再加上教师的细心教导，我已经顺利地制作出了一个实体，下一步的主要工作就是调整。在任何一个电子产品中，完成的调试都是很关键的一步，唯有顺利地进行了调试，才能发挥出其实际的作用。在进行调试前，首先要将程序写好，而且编译出来之后没有任何的错误，也没有任何的实际的逻辑错误，在这种情况下，将我们所编写的程序，通过USB接口，输入到单片机，进行调试。在此调试的过程中，我逐个对各个模块进行调试，只有确保每个模块都能够稳定地工作，不会发生任何的错误，才能达到自己预期的结果。只有在这种情况下，他们才能进行联合调试，将所有的功能连接起来，进行测试。首先，我检查了一下MCU的基础重置模块，看它能不能被正确地重置，这是最基础的功能。而超声测量仪则需要在其面前放一块白色的纸片，以此来模仿液面的水平，并根据液面的高低来判断液面的水平。上下限表示是否正常，是否可以进行加法和减法的运算。在每次的调试过程中，我们都可以找到问题所在，出现问题并不是什么坏事，而是要擅长处理问题。只有那样，我们才能在实际运行中，得到我们想要的效果。以下就是本人在多次的调整下，所取得的一个预期的好结果。主要是在水位变化的时候，液晶显示器的屏幕上，LED灯和蜂鸣器的屏幕上。（1）水位在低水位情况下，LCD1602液晶显示屏显示目前水位，水位上下限值。如图4.2图4.2低水位实物图水位在正常水位情况下，LCD1602液晶显示屏显示目前水位，水位上下限值。如图4.3图4.3正常水位实物图水位在高水位情况下，LCD1602液晶显示屏显示当前水位，上下限值，如图4.4。图4.4高水位实物图在对泵的控制电路进行调试时，可以对超声波与水面之间的距离进行调整，使其水位达到一个上下的数值，从而可以看到泵的运行情况。如果水位在一个正常的范围之内，那么就可以看到泵的运行情况，从而进行调试。整机调试要将各模块电路结合在一起进行联调，对于一些不能工作的模块，要将其分开进行剖析，通过调试找到问题，从而使作品达到预期的效果。在系统的设计和开发中，我们发现了许多问题，其中每个电阻器的选用对整个系统都有较大的影响。有一次，我记得很清楚，在一次联合调整中，由于水位太高，抽水机无法工作。由于某种原因，这台泵就是无法运转。经再三考虑并参考有关文献，极有可能是由于泵内的电流太低，造成了不能泵不能工作。用千用表测试了一下，确实跟理论数值相差不大。这将造成泵无法运转。由于系统是一个整体的联调，所以在经过每个模块的时候，电流都会比较微弱，在此过程中也会有比较大的损失，从而导致水泵电流过小。找出问题所在后，降低连接到泵上的电阻器，增加分支的电流。果不其然，将这台电阻器换掉后，抽水机就能用了。在此过程中，LCD1602也发生了一些问题。但是，面对这些问题，我并不害怕。在这期间LCD1602也出现了问题，但遇到问题我并没有畏惧，在老师的知指导下，与自己的努力下把问题都一一解决，最终成功的完成了作品。总结在这快毕业的几个月中，通过自己的努力，自己的毕业设计已经可以完成老师给自己的任务书中的需求了。首先是选题，接着是英文文献的查阅，最后是文章的写作。通过这次培训，本人收获颇丰，同时也使本人的专业知识和专业技能有了较大的提升。在原理方面，对每一个功能模块都做了详尽的仿真，并在此基础上对每一个功能模块进行了设计，最后对每一个功能模块进行了调试。这次的测试，可谓是最重要的一环，测试的时候，可谓是跌宕起伏。因此，这件事也让我明白，不管做任何事，都要一丝不苟，如同生活，一步一个脚印，为以后的生活打下坚实的基础。生活中没有无缘无故的行走，步步为营。在整个设计的过程中，从一开始就对传感器模块进行了选择，并对自己的想法进行了论证，最后，在阅读了很多的书籍和文献之后，对自己之前使用到的元件进行了重新梳理，最后确定了超声波传感器用于测量水位的高度。对于整个系统的电路和编程都是这样，对于每个元件的选择也是非常关键的。再到Protues的模拟和实际测试，所有的步骤都必须仔细考虑，不能有丝毫的马虎。在硬件和软件都做好之后，工作手册上的各项条件也都得到了满足。从概念到设计，再到将其应用于现实生活中。在这个过程中，所有的一切都被完美的控制了下来，所有的一切都被完美的控制住了，所有的一切都被完美的控制住了。但是，一旦我们真正做到了这一点，你就会看到很多问题。这个时候，日常生活中的经历就变得很关键了，日常生活中所积累的一些经验，能够帮助我们更快地找到问题，并且将问题解决掉。在具体应用中，我们还要考虑到泵的电流，怎样降低，尽可能地屏蔽。此外，本系统还可以添加其他的功能，比如：监测水塔中的温度、湿度等，而温度对水塔的作用也很大。可以对传感器进行改善，使其传送的数据更为精确，还可以将其从有线传输转变为无线传输，提高数据在传送过程中的抗干扰能力等。在完成了这份毕业设计之后，他将自己在学校里所学的东西，全部都用上了。其中，模拟电路起着十分关键的作用，将模电知识中的三极管放大电路，再将自己在电子技术课上所学到的理论与实际相结合，焊接电路板是将理论知识与实践相结合的一个关键环节。从大学第一个学期开始，我就参加了电子技术板块，为自己的职业实践奠定了很好的基础。C是我们学习计算机软件的一项重要技能，如果你对C语言有一定的了解，那么你就可以快速的学