1 引言

水塔供水的主要问题是塔内水位应始终保持在一定范围,避免“空塔”、“溢塔”现象发生。目前,控制水塔水位方法较多,其中较为常用的是由单片机控制实现自动运行,使水塔内水位保持恒定,以保证连续正常地供水。实际供水过程中要确保水位在允许的范围内浮动,应采用电压控制水位。首先通过实时检测电压,测量水位变化,从而控制电动机,保证水位正常。因此,这里给出以Atmel公司的AT89C5l单片机为核心器件的水塔水位检测控制系统仿真设计,实现水位的检测控制、电机故障检测、处理和报警等功能,并在Pmteus软件环境下实际仿真。实验结果表明,该系统具有良好的检测控制功能,可移植性和扩展性强。

2 水塔水位控制原理

单片机水塔水位控制原理如图l所示,图中的虚线表示允许水位变化的上、下限位置。在正常情况下,水位应控制在虚线范围之内。为此,在水塔内的不同高度处,安装固定不变的3根金属棒A、B、C,用以反映水位变化的情况。其中,A棒在下限水位,B棒在上、下限水位之间,C棒在上限水位(底端靠近水池底部,不能过低,要保证有足够大的流水量)。水塔由电机带动水泵供水,单片机控制电机转动,随着供水,水位不断上升,当水位上升到上限水位时,由于水的导电作用,使B、C棒均与+5 V连通。因此b、c两端的电压都为+5 V即为“1”状态.此时应停止电机和水泵工作,不再向水塔注水;当水位处于上、下限之间时,B棒和A棒导通,而C棒不能与A棒导通,b端为“1”状态,c端为“0”状态。此时电机带动水泵给水塔注水,使水位上升,还是电机不工作,水位不断下降,都应继续维持原有工作状态;当水位处于下限位置以下时,B、C棒均不能与A棒导通,b、c均为“0”状态,此时应启动电机转动,带动水泵给水塔注水。

20110527A02 图1 单片机水塔水位控制原理

3 电路设计

水塔水位控制系统主要由CPU(AT89C51)、水位检测接口电路、报警接口电路、存储器扩展接口电路、复位电路、时钟振荡等部分组成,如图2所示。图3为系统硬件电路。

20110527A03 图2 单片机水塔水位控制系统结构框图

20110527A04 图3 系统硬件电路

3.1 水位检测接口电路

为了便于实现水位检测功能,用一个两位的拨码开关模拟b、c端的状态(1、0),正电极接+5 V电源,每个负电极分别通过4.7 kQ的电阻(尺1,R2)接地。将单片机的P1.0端口接开关1,P1.1端口接开关2。假设被水淹没的负电极都为高电平,此时开关置1;露在水面的负电极都为低电平,开关此时置为0。单片机通过负电极重复采集检测水位,当缺水时(此时两个开关均置0),电机必须带动水泵抽水;若水位在正常范围内时,检测信号为高,低电平(此时开关1置1,开关2置0);当水位过高时,检测信号为高电平(此时开关l和2都置1),单片机检测到P1.0和P1.1为高电平后,立即停机。

3.2 报警接口电路

为了避免系统发生故障时,水位失去控制造成严重后果,在超出、低于警戒界水位时,报警信号直接从高、低警界水位电极获得。单片机P1.7端口为启动电机命令输出端口,P1.7=0为低电平,经过非门后与电机的另一端接地导通,启动电机工作;P1.7=l为高电平,反之,电机停止工作。电机故障报警由单片机控制,电机故障报警信号由P1.0和P1.1输人.当P1.5为高电平时蜂鸣器报警。水位超过高警戒水位,单片机控制系统使电机停止转动,向水塔内供水工作也停止。

3.3 存储器扩展接口电路

为了便于系统扩展,存放大容量应用程序,系统设计扩展一片程序存储器,用于存放源程序代码。74LS373用于锁存地址,单片机的P0.0~P0.7通过复用方式分别接锁存器74LS373的DO~D7和存储器2732的D0~D7端,地址锁存信号线ALE接锁存器的OE端,通过软件设置实现地址和数据信息的传输,锁存器的输出端OQ0~O7与存储器地址线A0~A7相连,剩余的3根地址线A8~A11接P2.0~P2.2.单片机选通引脚丽接存储器OE端,因只扩展一片存储器,片选端CE接地。

4 系统软件设计

当水塔水位处于上、下限之间时,P1.0=l,P1.1=0,此时无论电机是在带动水泵给水塔供水使水位不断上升.还是电机没有工作使水位不断下降,都应继续维持原有工作状态;当水位低于下限时,P1.0=0,P1.1=0,此时启动电机转动,带动水泵给水塔供水。水位检测信号与输出控制操作关系如表1所列,图4为水塔水位控制程序流程。

20110527A05 表1,水位检测信号与输出控制操作关系

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图4 水塔水位控制程序流程

5 实验仿真结果

根据所设计系统的软件流程图,编写相应的程序在Pro-teus软件环境下实际仿真,实验结果表明,该系统能成功实现了水位检测、电机故障检测、处理和报警等功能,具有良好的检测控制功能,可移植性和扩展性强。通过制作PCB板子,该系统已成功运用于某实验水冷却系统。

6 结语

该系统设计是基于在单片机嵌入式系统而设计的,充分利用单片机强大控制功能和方便通信接口,该检测控制系统在实验室某实验水冷却系统得到成功实践,实现水位检测、电机故障检测、处理和报警等功能,提高了实验的自动控制能力。进一步优化系统软硬件设计,可为实时实现远端控制,因此,该系统在农村水塔,城市水源检测控制等领域有着广阔的应用前景。

(作者:马俊,陈靖,青海师范大学)

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