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水位遥测自动控制系统[1]


毕业设计(论文)
题 目:

水位遥测自控系统
0409 级 电子信息工程 ****** ****** 学 号: 职 称: ********** *****

学习中心: 重庆信息工程专修学院奥鹏学习中心 年级专业: 学生姓名: 指导教师: 导师单位:

重庆信息工程专修学院

国石油大学(华东)远程与继续教育学院
论文完成时间:

***



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中国石油大学(华东)现代远程教育

毕业设计(论文)任务书
发给学员 1.设计(论文)题目: 水位遥测自控系统 *****

2.学生完成设计(论文)期限: ***年 ***月 ***日至 ***年 **月** 日 3.设计(论文)课题要求:论文要内容鲜明,文字流畅,阐述清楚,严格围绕题 目述写,逻辑性思维强,内容理论联系实际,涉及他人观点,对本设计有全面的 论证。设计原理、计算、电路和本产品设计独特的优势。格式严格按照学校规定 排序。如有不熟悉的知识点,向指导老师请教。 4.实验(上机、调研)部分要求内容:在学校规定的时间内,利用所学的电路 设计软件(PROTEL、EWB、PSPICE 等),去设计图形。用 Microsoft word 2003 排 版论文版面和图象处理软件加工文中图表。 5.文献查阅要求:充分利用课余时间到图书馆查阅相关资料,确保所引用到的 一些事例真实;上网查寻与本论题相关的先进的一些资料,确保题材符合当今的 发展趋势; 材料不宜过多,不可直接把别人的成果直接照搬,论文中引用到他

人的观点或者成果要注明出处,以免造成侵权。 6.发 出 日 期: 7.学员完成日期: ***年 *** *** 月 *** 日 年 *** 月 *** 学 日

指导教师签名: 生 签 名:





给水工程往往成为高层建筑或工矿企业中最重要的基础设施之一。 任何时候 都能提供足够的水量、平稳的水压、合格的水质是对给水系统提出的基本要求。 就目前而言,多数工业、生活供水系统都采用水塔、层顶水箱等作为基本储水设 备,由一级或二级水泵从地下市政水管补给。因此,如何建立一个可靠安全、又 易于维护的给水系统是值得我们研究的课题。 本文介绍一种利用水位监测模拟传 感器以测得水位的状况, 通过单片机和显示系统在水位现场以 LED 的方式显示出 来,并通过与之相连的 GSM 模块将水位信息以一种无线的方式发送给远程终端, 起到检测的作用。在终端通过仿人工智能控制算法在大惯性、纯滞后系统中的应 用,可克服传统 PID 控制的相位滞后、积分饱和,解决控制系统的稳定性及准确 性的矛盾。将控制算法应用到水位控制,取得了较好的控制效果。 关键词:GSM 串口通信 远程检测 水位的测试





摘 要............................................................................................................... 2 目 录................................................................................................................ 2 第 1 章 前言.................................................................................................... 3 第 2 章 水位遥测及信息处理........................................................................ 4 2.1 水位的测试 ............................................................................................ 4 2.2 工作原理图 ............................................................................................ 4 2.3 水位远程检测系统硬件组成 ............................................................... 5 2.3.1 微控制器......................................................................................... 5 2.3.2 GSM 无线短信芯片 ........................................................................ 6 2.3.3 系统硬件接口连接......................................................................... 6

…………………………………………………………………

第5章

结 论................................................................................................ 7

致 谢.............................................................................................................. 8 参考文献.......................................................................................................... 9

第 1 章 前言
在社会经济飞速发展的今天, 水在人们正常生活和生产中起着越来越重要的 作用。一旦断了水,轻则给人民生活带来极大的不便,重则可能造成严重的生产 事故及损失。 因此给水工程往往成为高层建筑或工矿企业中最重要的基础设施之 一。任何时候都能提供足够的水量、平稳的水压、合格的水质是对给水系统提出 的基本要求。就目前而言,多数工业、生活供水系统都采用水塔、层顶水箱等作 为基本储水设备,由一级或二级水泵从地下市政水管补给。因此,如何建立一个 可靠安全、又易于维护的给水系统是值得我们研究的课题。 水塔很高,水位高低位不便于观察,水多会溢出来,可用以下方法来解决这 个问题, 改进供水装置就能实现供水自动化,供水系统中的水塔和高位水池等设 备由于所处地势高,上下极为不便,有时水即将用完也不知道,造成需用水时却 无水可用的情况。此外,在向池中注入水的过程中,由于不知道水位的情况,也 就无法控制注水量的多少, 这会严重影响正常的工作效率。为此需要对水位进行 自动显示、 监测和报警。 传统的水位检测系统一般通过有线方式与监控中心取得 联系, 这种方式不但维护起来困难,而且在很大程度上限制了其在时空上的拓展 性。 采用 GSM 模块与单片机构成的系统则能够解决以上的问题。通过单片机的并 行 I/0 口可以很方便的实现水位的显示功能。现有的 GSM 网络在全国范围内实 现了联网和漫游,具有网络能力强的特点,用户无需另外组网,在极大提高网络 覆盖范围的同时为客户节省了昂贵的建网费用和维护费用。当采用 GSM 模块时, 就可以通过一种无线通信的方式以实现远程终端监控和报警的功能。 水位控制在日常生活及工业领域中应用相当广泛,比如水塔、地下水、水电 站等情况下的水位控制。 而以往水位的检测是由人工完成的,值班人员全天候地 对水位的变化进行监测, 用有线电话及时把水位变化情况报知主控室。然后主控 室再开动电机进行给排水。 很显然上述重复性的工作无论从人员、时间和资金上 都将造成很大的浪费。同时也容易出差错。因此急需一种能自动检测水位,并根

据水位变化的情况自动调节的自动控制系统,我所研究的就是这方面的课题。 此外,这次课程设计对我还有以下意义: (1) 通过这次课程设计,加深对单片机理论方面的理解。 (2) 掌握单片机的内部模块的应用,如中断、控制、I/O 口、串行口通讯等。 (3) 了解和掌握单片机应用系统的软硬件设计过程、方法及实现,为以后设 计和实现单片器应用系统打下良好基础。 (4) 通过简单的课题设计练习, 了解必须提交的各项工程文件, 也达到巩固、 充实和综合运用所学知识解决实际问题的目的。

第 2 章 水位遥测及信息处理
2.1 水位的测试
水位的测试通常有两种方法;超声波水位探测仪和干簧管式水位显示仪。这 两种方法虽然可行但不切实际, 本文设计了一种简易的水位检测方法。该水位检 测部分由绝缘支架、电极、导管和浮球几部分构成,如图 2-1 所示。浮子由 1 个直径 15cm 的不锈钢球与 1 根长 105cm、外径 15mm 的不锈钢管焊接而成。导管 是一根外径 20mm、内径 17mm 的 PVC 塑料管。支架由长 80cm 的电工导轨制作而 成。其余部分安装在 1 个长 25cm、宽 20cm、厚 5cm 的塑料盒内。

2.2 工作原理图

图 2-1 接近开关构成水位检测系统

水位测试系统与单片机的并行 I/0 口、电阻、电源及 LED 发光二极管共同 组成水位检测显示系统,如图 2-2 所示。

图 2-2 水位显示系统

电极 K1、K2 和 K3 的另一端分别与单片机的并行 I/O 口 P1.1、P1.2 和 P1.3 相连,而对应的 l/O 口则通过电阻串 LED 接电源的正极。当水位达到水 满时,此时通过水的导电,电极开关 K1、K2 和 K3 都导通,相应 Pl 口接地置低, 3 个发光二极管都点亮;当水位达到正常水位时,K2 和 K3 导通,而 K1 断开,相 应 P1.2 和 P1.3 置低,2 个二极管点亮;当水位达到缺水位置时,此时只有 K3 导通,对应只有 LED3 被点亮。通过二极管灯点亮个数的显示,在现场给水池注 水时,就能很清楚的知道水位的状况,这样就能够正确的注水了。

2.3 水位远程检测系统硬件组成
水位远程检测系统实际是一个无线数据的收发系统。 该系统主要是通过现有 的移动通信网络来实现无线数据的传送。它主要由两部分组成,微控制器芯片 89C2051 和 GSM 无线短信芯片 G100A。

2.3.1 微控制器
微控制器采用 Atrnel 公司推出的一种小型单片机 89C2051, 其片内含有 2 KB 的 Flash 程序存储器和 128 B 的片内 RAM。89C2051 共 20 引脚,其中 P1 口 8 脚, 可以作为一般的准双向端口,在引脚的驱动能力上,具有很强的下拉能力,工作 电压为 2.7~6 V。当工作电压在 3 V 时,电流相当于 6 V 工作时的 1/4,空闲 时为 1mA, 掉电时仅为 20nA。 这样小的功耗,很适合于电池供电的小型控制系统。

主要特点为采用 Flash 存储器技术,其软件、硬件与 MCS-51 完全兼容,程序的 电可擦写特性,使得开发与试验比较容易。

2.3.2 GSM 无线短信芯片
GSM 无线短信模块 G100A 是由北京捷麦公司推出的, 该模块采用全 SMT 组装, 工艺先进、可靠性高,工作电压范围为 5~15 v。其内置的德国西门子公司 GSM 模块 TC35 使得模块操作简单,无须学习复杂的 GSM 模块 AT 指令集。G100A 的串 口具有 TTL、RS232 和 RS485 半双工三种形式,标准配置为 RS232。

2.3.3 系统硬件接口连接
整个水位远程检测系统由上位机和下位机构成, 其中上位机主要是指移动终 端即手机, 而下位机是由 GSM 无线收发模块及与其相连的单片机构成,其电路连 接原理图如图 2-3 所示。

图 2-3 串行接口原理图

下位机安装在水池附近,而微控制器 C2051 与 G100A 之间是通过串口 RS232 相连的,即 TX、RX 和 GND 三条线,图 2-3 中以网络标号相连。由于各自的工作 电压不太一样, 在这里采用电平转换芯片 MAX3232 以实现电平转换。单片机的并 行 I/O 口,通过网络标号 P1.1、P1.2 和 P1.3 分别与水位测试系统中的电极 按键 K1、K2 和 K3 的一端相连。当水位在不同状态时,由于按键的作用使得对应 的 P1.1、Pl.2 和 P1.3 电平的状态也不一致。这样就可以通过检测 P1 口的状 态, 并将其状态以短消息的形式由 GSM 模块发送出去,手机终端收到短信后就可 以判断水位的状态。这样就完成了水位的远程检测功能。

第5章

结 论

水塔水位自动控制装置应用,主要起水位自动调节作用,以传感器来获得水 位信息,用滤波器滤掉各种谐波信号,经过模数转换器变成标准的数字信号,用 单片机处理后可以达到水塔自动控制的目的。 以前主要依靠人工观测水位,通知泵站控制室,因此净化站水位波动很大。 改进后,机组负荷稳定时,最大误差可控制到设定水位±2.5cm 以下(设定水 位为 500cm) ,满足用户需求,控制输出变化正常。实践证明,用仿人智能控制 方案实现的控制策略,系统动态响应快,并且系统具有较高的控制精度。 水位测试系统实用方便,系统通过水位的变化来控制与单片机 I/0 口相连 的 LED 变化,这种显示效果可以很好的控制水位。在远程检测系统中,通过采用 单片机的串口可以实时的将水位信息传送给(GSM 模块。在无请求时,其水位信 息暂存在单片机中,且不断的更新水位信息。当用户需要时,会根据用户的需要 自动的通过串口将最新的水位信息送给 GSM 模块。 由于 GSM 短信模块采用 G100A, 使得无线数据的传送变得极为容易,用户操作起来也非常方便。 该系统的种种特点完全可以扩展到其他的领域使用。





在完成本篇毕业论文的过程中,本人得到了许多老师和同学们的帮助,是他 们为此付出了心血和精力,在此请允许我向他们表示最衷心的感谢! 首先,我要感谢我的导师****。本篇论文从提纲到初稿乃至成稿,都经过他 精心的指导和修改,提出了严格的要求和许多宝贵的意见。可以说,我的整篇论 文凝聚着他的心血。 其次,我要感谢教学中心的老师。是他们对论文选题、选材、编写格式等方 面给予了细心的指导,使本人的毕业论文设计得以有条不紊地进行。 最后,我要感谢所有参考文献的作者。我论文是建立在他们研究基础上的。

参考文献
[1]胡国龙,孙优贤.预测控制进展及其应用研究.自动化学报,2000.4 [2]李朝青.单片机原理及接口技术.北京:北京航空航天大学出版社. [3]涂时亮.单片微机控制技术.上海:复旦大学出版社.

[4]全国民用编写组.全国民用建筑工程设计技术措施(给水排水),北京:中国 计划出版社,2003. [5]付家才. 单片机控制工程实践技术[M]. 北京:化学工业出版社,2004.5 [6]GB 50015—2003,建筑给水排水设计规范.


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