農(nóng)村水塔水位自動(dòng)控制水泵抽水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

【摘要】為解決農(nóng)村水塔抽水自動(dòng)控制問題，設(shè)計(jì)了一種水塔水位自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由壓力傳感器、調(diào)理電路、控制電路以及單片機(jī)主控芯片組成。對(duì)該系統(tǒng)的硬件電路進(jìn)行了詳細(xì)介紹，給出了控制系統(tǒng)的軟件流程。應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)適用于農(nóng)村水塔抽水的自動(dòng)控制以及水位的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

【關(guān)鍵詞】水塔；自動(dòng)控制；水位；壓力傳感器

Abstract： To solve the problem of water tower automatic control in the countryside， designs a water tower water level auto control system. The system is mainly composed of pressure sensor， control circuit， control circuit and single-chip microcomputer control chip. The hardware circuit of the system are introduced in detail， gives the software flow of the control system. Application results show that the system is suitable for rural water tower of automatic control and it can detect water level in real-time.

Keywords： Water tower ； Automatic control； Water level；Pressure sensor

0、引言

目前，我國中部農(nóng)村地區(qū)自來水供水系統(tǒng)還未大范圍普及，為解決飲水問題，許多農(nóng)村家庭采用的是水塔式供水系統(tǒng)提供日常飲用水。用戶將水塔安裝在樓頂以提供足夠的水壓，塔內(nèi)的水是由水泵從深井中抽入。當(dāng)塔內(nèi)水量嚴(yán)重不足出現(xiàn)“空塔”的情況時(shí)，用戶啟動(dòng)水泵抽水；當(dāng)用戶感覺塔內(nèi)水量快要抽滿時(shí)，關(guān)閉水泵。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，要使水塔抽滿水，一般要十分鐘左右，用戶在抽水等待過程中往往對(duì)抽水時(shí)間把握不準(zhǔn)，有可能造成水塔沒抽滿或者水溢出的情況，甚至有時(shí)會(huì)忘記關(guān)閉水泵。這種人為不可控的因素往往會(huì)造成水資源以及電能的浪費(fèi)。為了擺脫手工控制的不便，避免出現(xiàn)“溢塔”等造成浪費(fèi)的情況，設(shè)計(jì)了一種水塔水位自動(dòng)控制系統(tǒng)。

1、系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示，主要由單片機(jī)主控電路、電源電路、按鍵電路、顯示電路、壓力傳感器電路、調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路等組成。本系統(tǒng)采用單片機(jī)作為主控芯片，電源電路模塊為單片機(jī)、繼電器等供電。水泵置于水井中，壓力傳感器置于水塔底部，當(dāng)水塔液位變化時(shí)，壓力傳感器將水位信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過調(diào)理電路放大及濾波后送至A/D轉(zhuǎn)換器， A/D轉(zhuǎn)換電路將放大濾波后的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為可被單片機(jī)采集的數(shù)字信號(hào)。單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行運(yùn)算處理，一方面將水位信息顯示在控制面板的液位指示燈上，另一方面根據(jù)水位信息對(duì)水泵進(jìn)行開啟或者關(guān)閉操作。當(dāng)傳感器檢測(cè)到水位下降至最低水位設(shè)定值時(shí)，控制器控制水泵開啟，水泵抽水；當(dāng)傳感器檢測(cè)到水位上升至最高水位設(shè)定值時(shí)，控制器關(guān)閉水泵，水泵停止抽水。這樣，既可以保證水塔不缺水，又能保證水塔不溢出水。

2、硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 水位傳感器電路

水位傳感器電路由壓力傳感器、信號(hào)調(diào)理電路組成。壓力傳感器采用霍尼韋爾公司提供的26PCCFA6D傳感器，其內(nèi)部惠斯通電橋電路由四個(gè)壓敏電阻構(gòu)成，提供與壓力成線性關(guān)系的模擬信號(hào)。由于其輸出的模擬信號(hào)非常弱，必須經(jīng)過調(diào)理電路對(duì)信號(hào)放大及濾波之后才能被單片機(jī)所采集。

1） 恒流源供電電路

在實(shí)際應(yīng)用26PCCFA6D壓力傳感器時(shí)，必須針對(duì)其本身的特性設(shè)計(jì)恒流源電路，使其輸出特性不會(huì)受負(fù)載的影響而只與被測(cè)量有關(guān)。恒流源電路如圖2所示，由電源Verf，運(yùn)放A1，穩(wěn)壓二極管D1，電阻R1、R2構(gòu)成。分析可知，所示恒流源電路給壓力傳感器提供的電流激勵(lì)為：

（1）

其中是二極管D1的基準(zhǔn)電壓。

2） 信號(hào)放大電路

信號(hào)放大電路如圖3所示。運(yùn)放A2、A3均采用同相輸入組成第一級(jí)差分放大電路，電路成對(duì)稱結(jié)構(gòu)，抑制共模信號(hào)能力強(qiáng)；運(yùn)放A4組成第二級(jí)差分放大電路。在電阻R3=R9，R4=R8，R5=R7的條件下，信號(hào)放大電路的增益為：

（2）

根據(jù)所求的放大增益，可得放大電路輸出電壓Vout：

（3）

該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抑制共模信號(hào)能力強(qiáng)，適用于放大弱信號(hào)，同時(shí)也是作為測(cè)量?jī)x表中最常用的基本電路。在應(yīng)用時(shí)，需注意將電阻R6用可變電阻代替，這樣就可以通過調(diào)節(jié)可變電阻來改變電壓增益。

3） 濾波電路

經(jīng)過放大電路輸出的模擬信號(hào)需要送入A/D轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換成能被單片機(jī)所采集的數(shù)字信號(hào)，而在A/D轉(zhuǎn)換的信號(hào)路徑上常常會(huì)出現(xiàn)混疊噪聲，為了有效的降低混疊噪聲，提高采集信息的精確度，在A/D轉(zhuǎn)換電路前設(shè)計(jì)一個(gè)有源RC濾波電路。如圖4所示，A5、R10、R11、R12、R13、C1、C2構(gòu)成了一個(gè)二階低通濾波器，該低通濾波器可有效的消除混疊噪聲，進(jìn)而減少進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換電路中的有害誤差。

2.2 水泵控制電路

水泵控制電路如圖5所示，由光耦、三極管、繼電器等組成。加入光電耦合器對(duì)輸入、輸出信號(hào)起隔離作用，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾性。系統(tǒng)通過單片機(jī)P1.6口輸出電平可控制水泵的開啟與停止。具體原理是，P1.6口輸出低電平導(dǎo)致光耦導(dǎo)通、三極管Q1導(dǎo)通，從而使繼電器閉合，水泵開啟；P1.9口輸出高電平時(shí)，水泵停止。

3、軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序流程圖如圖6所示，主要包括水位檢測(cè)與處理、水位顯示、按鍵設(shè)置、手動(dòng)上水模式、自動(dòng)上水模式、水泵控制、水位判斷等。微處理器通過對(duì)水位進(jìn)行檢測(cè)以及進(jìn)行相應(yīng)的水位顯示；當(dāng)水位低于設(shè)置的最低水位時(shí)，微處理器P1.6口輸出低電平，開啟水泵，開始上水操作；當(dāng)水位高于設(shè)置的最高水位時(shí)，微處理器P1.6口輸出高電平，關(guān)閉水泵，停止上水；按鍵部分主要用于選擇手動(dòng)上水模式還是自動(dòng)上水模式，若是選擇手動(dòng)上水模式，還可以按停止上水按鍵進(jìn)行停止上水操作。

4、結(jié)束語

本文主要根據(jù)農(nóng)村用戶對(duì)水塔抽水人工控制不方便、不及時(shí)的情況，設(shè)計(jì)了一種水塔水位自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，安裝起來也極其方便。通過實(shí)際應(yīng)用，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)農(nóng)村水塔水位的實(shí)時(shí)檢測(cè)與自動(dòng)控制，避免出現(xiàn)“溢塔”等造成浪費(fèi)的情況發(fā)生，同時(shí)也能消除人們因水塔抽水不及時(shí)出現(xiàn)“空塔”而影響日常生活的煩惱。該系統(tǒng)適合在農(nóng)村進(jìn)行推廣應(yīng)用。

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基金項(xiàng)目：湖南省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：H 1405）