1 引言

水塔供水的主要問題是塔內(nèi)水位應(yīng)始終保持在一定范圍，避免“空塔”、“溢塔”現(xiàn)象發(fā)生。目前，控制水塔水位方法較多，其中較為常用的是由單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行，使水塔內(nèi)水位保持恒定，以保證連續(xù)正常地供水。實(shí)際供水過程中要確保水位在允許的范圍內(nèi)浮動(dòng)，應(yīng)采用電壓控制水位。首先通過實(shí)時(shí)檢測(cè)電壓，測(cè)量水位變化，從而控制電動(dòng)機(jī)，保證水位正常。因此，這里給出以Atmel公司的AT89C5l單片機(jī)為核心器件的水塔水位檢測(cè)控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)水位的檢測(cè)控制、電機(jī)故障檢測(cè)、處理和報(bào)警等功能，并在Pmteus軟件環(huán)境下實(shí)際仿真。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有良好的檢測(cè)控制功能，可移植性和擴(kuò)展性強(qiáng)。

2 水塔水位控制原理

單片機(jī)水塔水位控制原理如圖l所示，圖中的虛線表示允許水位變化的上、下限位置。在正常情況下，水位應(yīng)控制在虛線范圍之內(nèi)。為此，在水塔內(nèi)的不同高度處，安裝固定不變的3根金屬棒A、B、C，用以反映水位變化的情況。其中，A棒在下限水位，B棒在上、下限水位之間，C棒在上限水位（底端靠近水池底部，不能過低，要保證有足夠大的流水量）。水塔由電機(jī)帶動(dòng)水泵供水，單片機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，隨著供水，水位不斷上升，當(dāng)水位上升到上限水位時(shí)，由于水的導(dǎo)電作用，使B、C棒均與+5 V連通。因此b、c兩端的電壓都為+5 V即為“1”狀態(tài)．此時(shí)應(yīng)停止電機(jī)和水泵工作，不再向水塔注水；當(dāng)水位處于上、下限之間時(shí)，B棒和A棒導(dǎo)通，而C棒不能與A棒導(dǎo)通，b端為“1”狀態(tài)，c端為“0”狀態(tài)。此時(shí)電機(jī)帶動(dòng)水泵給水塔注水，使水位上升，還是電機(jī)不工作，水位不斷下降，都應(yīng)繼續(xù)維持原有工作狀態(tài)；當(dāng)水位處于下限位置以下時(shí)，B、C棒均不能與A棒導(dǎo)通，b、c均為“0”狀態(tài)，此時(shí)應(yīng)啟動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)水泵給水塔注水。

圖1 單片機(jī)水塔水位控制原理

3 電路設(shè)計(jì)

水塔水位控制系統(tǒng)主要由CPU（AT89C51）、水位檢測(cè)接口電路、報(bào)警接口電路、存儲(chǔ)器擴(kuò)展接口電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘振蕩等部分組成，如圖2所示。圖3為系統(tǒng)硬件電路。

圖2 單片機(jī)水塔水位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖3 系統(tǒng)硬件電路

3.1 水位檢測(cè)接口電路

為了便于實(shí)現(xiàn)水位檢測(cè)功能，用一個(gè)兩位的撥碼開關(guān)模擬b、c端的狀態(tài)（1、0），正電極接+5 V電源，每個(gè)負(fù)電極分別通過4．7 kQ的電阻（尺1，R2）接地。將單片機(jī)的P1．0端口接開關(guān)1，P1．1端口接開關(guān)2。假設(shè)被水淹沒的負(fù)電極都為高電平，此時(shí)開關(guān)置1；露在水面的負(fù)電極都為低電平，開關(guān)此時(shí)置為0。單片機(jī)通過負(fù)電極重復(fù)采集檢測(cè)水位，當(dāng)缺水時(shí)（此時(shí)兩個(gè)開關(guān)均置0），電機(jī)必須帶動(dòng)水泵抽水；若水位在正常范圍內(nèi)時(shí)，檢測(cè)信號(hào)為高，低電平（此時(shí)開關(guān)1置1，開關(guān)2置0）；當(dāng)水位過高時(shí)，檢測(cè)信號(hào)為高電平（此時(shí)開關(guān)l和2都置1），單片機(jī)檢測(cè)到P1．0和P1．1為高電平后，立即停機(jī)。

3.2 報(bào)警接口電路

為了避免系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，水位失去控制造成嚴(yán)重后果，在超出、低于警戒界水位時(shí)，報(bào)警信號(hào)直接從高、低警界水位電極獲得。單片機(jī)P1．7端口為啟動(dòng)電機(jī)命令輸出端口，P1．7=0為低電平，經(jīng)過非門后與電機(jī)的另一端接地導(dǎo)通，啟動(dòng)電機(jī)工作；P1．7=l為高電平，反之，電機(jī)停止工作。電機(jī)故障報(bào)警由單片機(jī)控制，電機(jī)故障報(bào)警信號(hào)由P1．0和P1．1輸人．當(dāng)P1．5為高電平時(shí)蜂鳴器報(bào)警。水位超過高警戒水位，單片機(jī)控制系統(tǒng)使電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，向水塔內(nèi)供水工作也停止。

3.3 存儲(chǔ)器擴(kuò)展接口電路

為了便于系統(tǒng)擴(kuò)展，存放大容量應(yīng)用程序，系統(tǒng)設(shè)計(jì)擴(kuò)展一片程序存儲(chǔ)器，用于存放源程序代碼。74LS373用于鎖存地址，單片機(jī)的P0．0～P0．7通過復(fù)用方式分別接鎖存器74LS373的DO～D7和存儲(chǔ)器2732的D0～D7端，地址鎖存信號(hào)線ALE接鎖存器的OE端，通過軟件設(shè)置實(shí)現(xiàn)地址和數(shù)據(jù)信息的傳輸，鎖存器的輸出端OQ0～O7與存儲(chǔ)器地址線A0～A7相連，剩余的3根地址線A8～A11接P2．0～P2．2．單片機(jī)選通引腳麗接存儲(chǔ)器OE端，因只擴(kuò)展一片存儲(chǔ)器，片選端CE接地。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)水塔水位處于上、下限之間時(shí)，P1．0=l，P1．1=0，此時(shí)無論電機(jī)是在帶動(dòng)水泵給水塔供水使水位不斷上升．還是電機(jī)沒有工作使水位不斷下降，都應(yīng)繼續(xù)維持原有工作狀態(tài)；當(dāng)水位低于下限時(shí)，P1．0=0，P1．1=0，此時(shí)啟動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)水泵給水塔供水。水位檢測(cè)信號(hào)與輸出控制操作關(guān)系如表1所列，圖4為水塔水位控制程序流程。

表1，水位檢測(cè)信號(hào)與輸出控制操作關(guān)系

圖4 水塔水位控制程序流程

5 實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果

根據(jù)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件流程圖，編寫相應(yīng)的程序在Pro-teus軟件環(huán)境下實(shí)際仿真，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能成功實(shí)現(xiàn)了水位檢測(cè)、電機(jī)故障檢測(cè)、處理和報(bào)警等功能，具有良好的檢測(cè)控制功能，可移植性和擴(kuò)展性強(qiáng)。通過制作PCB板子，該系統(tǒng)已成功運(yùn)用于某實(shí)驗(yàn)水冷卻系統(tǒng)。

6 結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)是基于在單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，充分利用單片機(jī)強(qiáng)大控制功能和方便通信接口，該檢測(cè)控制系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室某實(shí)驗(yàn)水冷卻系統(tǒng)得到成功實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)水位檢測(cè)、電機(jī)故障檢測(cè)、處理和報(bào)警等功能，提高了實(shí)驗(yàn)的自動(dòng)控制能力。進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)，可為實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端控制，因此，該系統(tǒng)在農(nóng)村水塔，城市水源檢測(cè)控制等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

（作者：馬俊，陳靖，青海師范大學(xué)）
編輯：hfy