智能型水位控制器的研究

，(山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 運(yùn)城　044004)

我國(guó)是一個(gè)水資源短缺的國(guó)家，目前全國(guó)600多個(gè)城市中，400多個(gè)缺水，其中100多個(gè)嚴(yán)重缺水。如何節(jié)約用水是眾多水利工作者首先要考慮的問(wèn)題。很多供水系統(tǒng)采用二級(jí)供水方案，即先用抽水泵把水抽到蓄水池，再利用供水系統(tǒng)把水源送出。這就需要蓄水池的水位必須保證一定高度，又要防止溢出。為此大家想過(guò)很多方法、如浮漂式水位控制器、浮球干簧管開(kāi)關(guān)電路、電極式水位控制器等。這些裝置容易產(chǎn)生接觸不良、安裝復(fù)雜、不易遠(yuǎn)距離觀察到水位指示狀態(tài)、體積大、可靠性差等問(wèn)題[1]。

基于以上諸多原因，筆者以STC單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)的水位控制器，采用頻率信號(hào)的傳送[2]，不但克服了上述水位控制器的缺點(diǎn)，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，抗干擾性強(qiáng)，壽命長(zhǎng)，還具有遇故障自動(dòng)停泵等功能。

1　智能型水位控制器的設(shè)計(jì)

1.1　智能型水位控制器的設(shè)計(jì)原理

在水位控制器上裝5個(gè)觸點(diǎn)分別是基準(zhǔn)點(diǎn)1，25%處點(diǎn)2，50%處點(diǎn)3，75%處點(diǎn)4，100%處點(diǎn)5?？刂破髟O(shè)置水位初始值是100%。把水位傳感器慢慢放到蓄水池中用固定卡卡住使水位淹過(guò)基準(zhǔn)點(diǎn)，又不淹到25%處的點(diǎn)，通過(guò)感應(yīng)到的頻率信號(hào)，啟動(dòng)水泵,開(kāi)始往蓄水池里灌水，蓄水池里的水位慢慢升高，直到漫過(guò)100%處的點(diǎn)，通過(guò)感應(yīng)到的頻率信號(hào)，水泵停止。當(dāng)蓄水池里的水慢慢地被使用了，水位下降，直到水位低于25%的點(diǎn)時(shí)，又通過(guò)頻率信號(hào)，水泵再次開(kāi)始工作。如此反復(fù)循環(huán)下去，實(shí)現(xiàn)蓄水池的水位自動(dòng)控制。如果設(shè)置水位初始值是75%，當(dāng)水位超過(guò)75%時(shí)，泵就停止工作，這樣就可以根據(jù)蓄水池的大小來(lái)設(shè)置水位值[3]。

1.2　智能型水位控制器的控制電路

水位控制電路圖如圖1所示。

2　智能型水位控制器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

2.1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)由水位傳感器、水泵、STC單片機(jī)、上位機(jī)組成(如圖2所示)。

水位傳感器通過(guò)頻率信號(hào)感應(yīng)到水位值的變化，由微處理器發(fā)出命令，控制水泵的啟動(dòng)，水位值的變化可以通過(guò)上位機(jī)顯示，便于工作人員直觀地看到水位的變化。

2.2　傳感器

水位傳感器的外觀如圖3。選一根塑膠管(長(zhǎng)1 m左右)，在管上選取5個(gè)點(diǎn)：最下端點(diǎn)1為基準(zhǔn)點(diǎn)，點(diǎn)2、3、4、5等距離分布。5個(gè)點(diǎn)分別連接5根導(dǎo)線，5根導(dǎo)線分別接入控制面板中，控制面板引出3根線(信號(hào)線，電源正極，電源負(fù)極)，這3根線可以通過(guò)電纜連接到控制器，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離控制水位。此水位傳感器是通過(guò)頻率信號(hào)來(lái)控制水位的。點(diǎn)1發(fā)出一個(gè)頻率信號(hào)，通過(guò)水來(lái)傳播這個(gè)頻率，當(dāng)水位到達(dá)點(diǎn)2時(shí)，點(diǎn)2獲得了一個(gè)頻率信號(hào)，隨著水位變化點(diǎn)3、4、5依次獲得頻率信號(hào)。單片機(jī)控制A/D轉(zhuǎn)換芯片，將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送到單片機(jī)處理。 采用頻率信號(hào)避免了漏電現(xiàn)象的發(fā)生，5個(gè)接觸點(diǎn)不易結(jié)水垢，使傳感器的壽命得到保證。傳感器具有自我失控保護(hù)失控后自動(dòng)掐斷泵的供電，不會(huì)造成水外溢，保證了安全。傳感器可沿水池壁吊裝，也可用固定在水池壁上。

圖1　水位控制電路圖

圖2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖3　水位傳感器

3　控制系統(tǒng)

3.1　微型控制器

控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)要示意圖如圖4所示。

圖4　控制結(jié)構(gòu)圖

STC15F單片機(jī)是宏晶科技設(shè)計(jì)生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速、高可靠、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)。主要有如下結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

(1)增強(qiáng)型8051 CPU，速度比普通8051 快6～12倍；

(2)內(nèi)部高可靠復(fù)位,8級(jí)可選復(fù)位門檻電壓，可徹底省掉外部復(fù)位電路；

(3)內(nèi)部高精度R/C時(shí)鐘，±1%溫漂(-40℃～+85℃)，常溫下溫漂5‰，內(nèi)部時(shí)鐘從5MHz～35MHz；

(4)工作頻率：5MHz～35MHz，相當(dāng)于普通8051的60MHz～420MHz；

STC單片機(jī)使用靈活、價(jià)格低廉，可徹底省掉外部昂貴的晶振，性能優(yōu)越，故采用其作為本系統(tǒng)的主芯片[4]。

3.2　控制界面

操作界面如圖5所示。外觀由數(shù)碼管顯示界面、水位指示燈、設(shè)置鍵、向上和向下鍵組成。4個(gè)水位指示燈依次對(duì)應(yīng)著水位傳感器的2、3、4、5這4個(gè)點(diǎn)，可以根據(jù)水位的高度依次亮起，讓工作人員更直觀的看到水位高度的變化，控制器可以根據(jù)蓄水池的大小來(lái)設(shè)置水位高度，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控[5]。

圖5　水位控制器外觀圖

4　結(jié)　語(yǔ)

該水位控制器以STC15F單片機(jī)為控制單元，能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)水位的控制，而且水位傳感器上的5個(gè)觸點(diǎn)不易結(jié)水垢，使用壽命得到了保障。該水位控制器不僅在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，而且在某醫(yī)院蓄水池里試用后，沒(méi)有出現(xiàn)任何問(wèn)題。因?yàn)樵撍粋鞲衅鞑捎玫男盘?hào)是頻率信號(hào)，所以可以放在任何水源里，具有很好的市場(chǎng)發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]王月紅. 智能水位控制器的研究[J].工業(yè)技術(shù)與職業(yè)教育, 2010,8(2):32-34.

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[3]楊剛, 賀國(guó)山, 王帥. 自制液位控制器在魯新礦井的應(yīng)用[J]. 煤礦機(jī)械, 2013, 34(001): 226-227.

[4]熊中剛, 等. 基于 STC 單片機(jī)的智能遠(yuǎn)程水塔集群監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué), 2013, 52(14): 3415-3419.

[5]周義仁, 呂青, 馬福昌. 數(shù)字式物位傳感器的智能化研究[J]. 傳感器與微系統(tǒng), 2006, 25(6): 22-24.