单片机水塔水位控制

‘壹’ 单片机控制电磁阀控制水泵电机的电路图

高低水位控制电路图（一）

水位控制器是指通过机械式或电子式的方法来进行高低水位的控制，可以控制电磁阀、水泵等，成为水位自动控制器或水位报警器，从而来实现半自动化或者全自动化。如下图所示：

高低水位控制电路图大全（六款高低水位控制电路原理图详解）

水位控制器电路图

在水池给水控制系统中，主机安装在水池，从机安装在水源泵房。工作中，主机实时检测水池水深信号，并短信指令从机控制水泵，上限启泵，下限停泵。如果水池水位超过上上限、或低于下下限，主机短信通知管理员，如果水泵故障，从机短信通知管理员。管理员可现场查看，或编发短信指令，强制启、停水泵。

水位控制器广泛应用于工业锅炉、民用建筑用水池、水塔、水箱，以及石油化工、造纸、食品、污水处理等行业内开口或密闭储罐，地下池槽中各种液体的液位测量，被检测的介质可分水、油、酸、碱、工业污水等各种导电及非导电液体。与电动阀组成一套先进的液位显控设备，自动开、关电动阀。

高低水位控制电路图（二）

本文所示的电路图1是控制高架游泳池的简单便方案。电路非常简单并且非常容易制造。图1中的SW1（通常闭合）和SW2（通常开路）是密封的PVC管中的微型舌簧开关。管的两端做成防水的，用防水密封胶密封它们。

高低水位控制电路图大全（六款高低水位控制电路原理图详解）

图1自动水位控制电路

1个磁铁安装在可以浮在水面的热孔隙薄片上。磁铁可随水面上下移动并可驱动舌簧开关。当水池完全放空时磁铁安置在制动器上（如图1所示），而SW2闭合。12V电源通过SW1和SW2连接到RL继电器的线圈上。继电器被激励，而且经继电器的1个公共端连接VAC到水泵的电机。

当水泵开始注水到游泳池时，磁铁随着水面向上移动。当磁铁离开支座时，SW2开路，但电源通过继电器RL的第2个公共端仍然连接到继电器的线圈上。当磁铁到达SW1时，它打开SW1开关，而电源到达继电器线圈的第2条通路也断开。继电器去除激励，关断水泵。当从水池排水时，SW1再次闭合，但电源不能到达继电器线圈。水进一步排出，SW2闭合，而继电器再次被激励，从而再次开启水泵。此过程一次又一次地重复。

水泵不是连续运行，而是间隔运行。间隔时间依赖于舌簧开关之间的距离，然而，手动按瞬时开关SW3可以开启水泵。

RL是DPDT继电器（1个极用于逻辑控制，1个极用于开/关电机）线圈电压为12Vdc，按点负荷依

‘贰’ 液位控制器生活中的实际应用

目前社会经济不论如何飞速发展，水在人们
正常生活和生产中的重要性都不会被改变。假如没有了水，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，供水系统和供水设备需要
有着严苛的标准要求，满足及时、准确、安全充足的供水。如果仍然使用人工方式，劳动强度大，工作效率低，安全性难以保障，由此必须进行自动化控制系统的改
造。从而实现提供足够的水量、平稳的水压、设计成本低、高实用价值的自动水位控制器。

水位控制器被测介质为水、油、酸、碱、工
业污水等导电及非导电液体。水位控制器广泛应用于石油、化工、电站、冶金、轻工、制药、造纸、食品及自来水厂和污水处理等领域的自动控制系统中，主要对多
种敞口和密闭容器及地下水池、水槽内介质进行测量和远程控制，并可在中央控制室或仪表控制台上进行监控、显示、报警。

在我国，传统的水塔供水系统是非常的普
遍，应用比较广泛，但是缺点就是能耗大、控制精度低。但是，基于自控原理的水位控制器，会依据不断变化的用水量进行自行的调节，不仅可以满足用户用水的需
求，和能够提高用户用水的质量。水位控制器有很多的优点，结构简单，成本低，安装方便，灵敏性好，节约能源等。水位控制器是一种成本低、高实用价值的仪器
设备，由于使用了单片机，实现了水塔水位的自动控制。

在以前往往是人员低水箱进行操作，但是这
样的话无法对水位进行时刻监视，就无法对水位进行控制，这是非常大的缺点。因此，对水位控制的重要性不言而喻，水位控制器的产生，解决了这个难题，水位控
制器可以对水位进行监视和控制，最大限度的避免发生意外，提高了生产效率，节省了资源。

‘叁’ 一种水塔水位控制系统的设计，需要C语言程序。有流程图和原理图

我毕业论文（2011）也是这个课题。

供参考：

金龙国.单片机原理与应用[M].北京：中国水利水电出版社，2005.第221页（汇编语言）。

其中的汇编程序有点排版错误，没有大碍，你自己改一下。

林立.基于Proteus和KeilC单片机原理及应用[M].北京：电子工业出版社，2009.第180页（C语言）。

如果你去买这两本书的话，给你建议，用第二本书上那个例子中的原理图中电机控制系统部分代替第一本书上那个例子的相应部分。

另外水塔水位可以用二位拔码器代替（高低电平）。

下面给你一些所需要的Proteus仿真元件清单（供参考）：

DIPSW-2（拔码器），MOTOR电机，OPTOCOUPLER-NPN光电耦合器，W107DIP-3继电器。

‘肆’ 基于单片机的水塔水位控制中的水位检测传感器，应该怎样做呢或者应选择那样的水位传感器呢

位式的就选浮球式液位传感器。要是连续的液位测量，有投入式的，差压式的，电容式的，磁翻板的，浮筒式的，等等。

‘伍’ 电子工程毕业论文

液压伺服系统设计
液压伺服系统设计
在液压伺服系统中采用液压伺服阀作为输入信号的转换与放大元件。液压伺服系统能以小功率的电信号输入，控制大功率的液压能（流量与压力）输出，并能获得很高的控制精度和很快的响应速度。位置控制、速度控制、力控制三类液压伺服系统一般的设计步骤如下：
1）明确设计要求：充分了解设计任务提出的工艺、结构及时系统各项性能的要求，并应详细分析负载条件。
2）拟定控制方案，画出系统原理图。
3）静态计算：确定动力元件参数，选择反馈元件及其它电气元件。
4）动态计算：确定系统的传递函数，绘制开环波德图，分析稳定性，计算动态性能指标。
5）校核精度和性能指标，选择校正方式和设计校正元件。
6）选择液压能源及相应的附属元件。
7）完成执行元件及液压能源施工设计。
本章的内容主要是依照上述设计步骤，进一步说明液压伺服系统的设计原则和介绍具体设计计算方法。由于位置控制系统是最基本和应用最广的系统，所以介绍将以阀控液压缸位置系统为主。
4.1 全面理解设计要求
4.1.1 全面了解被控对象
液压伺服控制系统是被控对象—主机的一个组成部分，它必须满足主机在工艺上和结构上对其提出的要求。例如轧钢机液压压下位置控制系统，除了应能够承受最大轧制负载，满足轧钢机轧辊辊缝调节最大行程，调节速度和控制精度等要求外，执行机构—压下液压缸在外形尺寸上还受轧钢机牌坊窗口尺寸的约束，结构上还必须保证满足更换轧辊方便等要求。要设计一个好的控制系统，必须充分重视这些问题的解决。所以设计师应全面了解被控对象的工况，并综合运用电气、机械、液压、工艺等方面的理论知识，使设计的控制系统满足被控对象的各项要求。
4.1.2 明角设计系统的性能要求
1）被控对象的物理量：位置、速度或是力。
2）静态极限：最大行程、最大速度、最大力或力矩、最大功率。
3）要求的控制精度：由给定信号、负载力、干扰信号、伺服阀及电控系统零飘、非线性环节（如摩擦力、死区等）以及传感器引起的系统误差，定位精度，分辨率以及允许的飘移量等。
4）动态特性：相对稳定性可用相位裕量和增益裕量、谐振峰值和超调量等来规定，响应的快速性可用载止频率或阶跃响应的上升时间和调整时间来规定；
5）工作环境：主机的工作温度、工作介质的冷却、振动与冲击、电气的噪声干扰以及相应的耐高温、防水防腐蚀、防振等要求；
6）特殊要求；设备重量、安全保护、工作的可靠性以及其它工艺要求。
4.1.3 负载特性分析
正确确定系统的外负载是设计控制系统的一个基本问题。它直接影响系统的组成和动力元件参数的选择，所以分析负载特性应尽量反映客观实际。液压伺服系统的负载类型有惯性负载、弹性负载、粘性负载、各种摩擦负载（如静摩擦、动摩擦等）以及重力和其它不随时间、位置等参数变化的恒值负载等。
4.2 拟定控制方案、绘制系统原理图
在全面了解设计要求之后，可根据不同的控制对象，按表6所列的基本类型选定控制方案并拟定控制系统的方块图。如对直线位置控制系统一般采用阀控液压缸的方案，方块图如图36所示。

图36 阀控液压缸位置控制系统方块图
表6 液压伺服系统控制方式的基本类型
伺服系统 控制信号 控制参数 运动类型 元件组成
机液
电液
气液
电气液 模拟量
数字量
位移量 位置、速度、加速度、力、力矩、压力 直线运动
摆动运动
旋转运动 1.阀控制：阀-液压缸，阀-液压马达
2.容积控制：变量泵-液压缸；变量泵-液压马达；阀-液压缸-变量泵-液压马达
3.其它：步近式力矩马达
4.3 动力元件参数选择
动力元件是伺服系统的关键元件。它的一个主要作用是在整个工作循环中使负载按要求的速度运动。其次，它的主要性能参数能满足整个系统所要求的动态特性。此外，动力元件参数的选择还必须考虑与负载参数的最佳匹配，以保证系统的功耗最小，效率高。
动力元件的主要参数包括系统的供油压力、液压缸的有效面积（或液压马达排量）、伺服阀的流量。当选定液压马达作执行元件时，还应包括齿轮的传动比。
4.3.1 供油压力的选择
选用较高的供油压力，在相同输出功率条件下，可减小执行元件——液压缸的活塞面积（或液压马达的排量），因而泵和动力元件尺寸小重量轻，设备结构紧凑，同时油腔的容积减小，容积弹性模数增大，有利于提高系统的响应速度。但是随供油压力增加，由于受材料强度的限制，液压元件的尺寸和重量也有增加的趋势，元件的加工精度也要求提高，系统的造价也随之提高。同时，高压时，泄漏大，发热高，系统功率损失增加，噪声加大，元件寿命降低，维护也较困难。所以条件允许时，通常还是选用较低的供油压力。
常用的供油压力等级为7MPa到28MPa，可根据系统的要求和结构限制条件选择适当的供油压力。
4.3.2 伺服阀流量与执行元件尺寸的确定
如上所述，动力元件参数选择除应满足拖动负载和系统性能两方面的要求外，还应考虑与负载的最佳匹配。下面着重介绍与负载最佳匹配问题。
（1）动力元件的输出特性
将伺服阀的流量——压力曲线经坐标变换

绘于υ－FL平面上，所得的抛物线即为动力元件稳态时的输出特性，见图37。

图37 参数变化对动力机构输出特性的影响
a）供油压力变化；b）伺服阀容量变化；c）液压缸面积变化
图中 FL——负载力，FL=pLA；
pL——伺服阀工作压力；
A——液压缸有效面积；
υ——液压缸活塞速度，
；
qL——伺服阀的流量；
q0——伺服阀的空载流量；
ps——供油压力。
由图37可见，当伺服阀规格和液压缸面积不变，提高供油压力，曲线向外扩展，最大功率提高，最大功率点右移，如图37a。
当供油压力和液压缸面积不变，加大伺服阀规格，曲线变高，曲线的顶点A ps不变，最大功率提高，最大功率点不变，如图37b。
当供油压力和伺服阀规格不变，加大液压缸面积A，曲线变低，顶点右移，最大功率不变，最大功率点右移，如图37c。
（2）负载最佳匹配图解法
在负载轨迹曲线υ－FL平面上，画出动力元件输出特性曲线，调整参数，使动力元件输出特性曲线从外侧完全包围负载轨迹曲线，即可保证动力元件能够拖动负载。在图38中，曲线1、2、3代表三条动力元件的输出特性曲线。曲线2与负载轨迹最大功率点c相切，符合负载最佳匹配条件，而曲线1、3上的工作点α和b，虽能拖动负载，但效率都较低。
（3）负载最佳匹配的解析法
参见液压动力元件的负载匹配。
（4）近似计算法
在工程设计中，设计动力元件时常采用近似计算法，即按最大负载力FLmax选择动力元件。在动力元件输出特性曲线上，限定

FLmax≤pLA=

，并认为负载力、最大速度和最大加速度是同时出现的，这样液压缸的有效面积可按下式计算：
（37）

图38 动力元件与负载匹配图形
按式37求得A值后，可计算负载流量qL，即可根据阀的压降从伺服阀样本上选择合适的伺服阀。近似计算法应用简便，然而是偏于保守的计算方法。采用这种方法可以保证系统的性能，但传递效率稍低。
（5）按液压固有频率选择动力元件
对功率和负载很小的液压伺服系统来说，功率损耗不是主要问题，可以根据系统要求的液压固有频率来确定动力元件。
四边滑阀控制的液压缸，其活塞的有效面积为

（38）
二边滑阀控制的液压缸，其活塞的有效面积为

（39）
液压固有频率ωh可以按系统要求频宽的（5～10）倍来确定。对一些干扰力大，负载轨迹形状比较复杂的系统，不能按上述的几种方法计算动力元件，只能通过作图法来确定动力元件。
计算阀控液压马达组合的动力元件时，只要将上述计算方法中液压缸的有效面积A换成液压马达的排量D，负载力FL换成负载力矩TL，负载速度换成液压马达的角速度 ，就可以得到相应的计算公式。当系统采用了减速机构时，应注意把负载惯量、负载力、负载的位移、速度、加速度等参数都转换到液压马达的轴上才能作为计算的参数。减速机构传动比选择的原则是：在满足液压固有频率的要求下，传动比最小，这就是最佳传动比。
4.3.3 伺服阀的选择
根据所确定的供油压力ps和由负载流量qL（即要求伺服阀输出的流量）计算得到的伺服阀空载流量q0，即可由伺服阀样本确定伺服阀的规格。因为伺服阀输出流量是限制系统频宽的一个重要因素，所以伺服阀流量应留有余量。通常可取15%左右的负载流量作为伺服阀的流量储备。
除了流量参数外，在选择伺服阀时，还应考虑以下因素：
1）伺服阀的流量增益线性好。在位置控制系统中，一般选用零开口的流量阀，因为这类阀具有较高的压力增益，可使动力元件有较大的刚度，并可提高系统的快速性与控制精度。
2）伺服阀的频宽应满足系统频宽的要求。一般伺服阀的频宽应大于系统频宽的5倍，以减小伺服阀对系统响应特性的影响。
3）伺服阀的零点漂移、温度漂移和不灵敏区应尽量小，保证由此引起的系统误差不超出设计要求。
4）其它要求，如对零位泄漏、抗污染能力、电功率、寿命和价格等，都有一定要求。
4.3.4 执行元件的选择
液压伺服系统的执行元件是整个控制系统的关键部件，直接影响系统性能的好坏。执行元件的选择与设计，除了按本节所述的方法确定液压缸有效面积A（或液压马达排量D）的最佳值外，还涉及密封、强度、摩擦阻力、安装结构等问题。
4.4 反馈传感器的选择
根据所检测的物理量，反馈传感器可分为位移传感器、速度传感器、加速度传感器和力（或压力）传感器。它们分别用于不同类型的液压伺服系统，作为系统的反馈元件。闭环控制系统的控制精度主要决定于系统的给定元件和反馈元件的精度，因此合理选择反馈传感器十分重要。
传感器的频宽一般应选择为控制系统频宽的5～10倍，这是为了给系统提供被测量的瞬时真值，减少相位滞后。传感器的频宽对一般系统都能满足要求，因此传感器的传递函数可近似按比例环节来考虑。
4.5 确定系统方块图
根据系统原理图及系统各环节的传递函数，即可构成系统的方块图。根据系统的方块图可直接写出系统开环传递函数。阀控液压缸和阀控液压马达控制系统二者的传递函数具有相同的结构形式，只要把相应的符号变换一下即可。
4.6 绘制系统开环波德图并确定开环增益
系统的动态计算与分析在这里是采用频率法。首先根据系统的传递函数，求出波德图。在绘制波德图时，需要确定系统的开环增益K。
改变系统的开环增益K时，开环波德图上幅频曲线只升高或降低一个常数，曲线的形状不变，其相频曲线也不变。波德图上幅频曲线的低频段、穿越频率以及幅值增益裕量分别反映了闭环系统的稳态精度、截止频率及系统的稳定性。所以可根据闭环系统所要求的稳态精度、频宽以及相对稳定性，在开环波德图上调整幅频曲线位置的高低，来获得与闭环系统要求相适应的K值。
4.6.1 由系统的稳态精度要求确定K
由控制原理可知，不同类型控制系统的稳态精度决定于系统的开环增益。因此，可以由系统对稳态精度的要求和系统的类型计算得到系统应具有的开环增益K。
4.6.2由系统的频宽要求确定K
分析二阶或三阶系统特性与波德图的关系知道，当ζh和K/ωh都很小时，可近似认为系统的频宽等于开环对数幅值曲线的穿越频率，即ω-3dB≈ωc，所以可绘制对数幅频曲线，使ωc在数值上等于系统要求的ω-3dB值，如图39所示。由此图可得K值。

图39 由ω-3dB绘制开环对数幅频特性
a）0型系统；b）I型系统
4.6.3 由系统相对稳定性确定K
系统相对稳定性可用幅值裕量和相位裕量来表示。根据系统要求的幅值裕量和相位裕量来绘制开环波德图，同样也可以得到K。见图40。
实际上通过作图来确定系统的开环增益K，往往要综合考虑，尽可能同时满足系统的几项主要性能指标。
4.7 系统静动态品质分析及确定校正特性
在确定了系统传递函数的各项参数后，可通过闭环波德图或时域响应过渡过程曲线或参数计算对系统的各项静动态指标和误差进行校核。如设计的系统性能不满足要求，则应调整参数，重复上述计算或采用校正环节对系统进行补偿，改变系统的开环频率特性，直到满足系统的要求。
4.8 仿真分析
在系统的传递函数初步确定后，可以通过计算机对该系统进行数字仿真，以求得最佳设计。目前有关于数字仿真的商用软件，如Matlab软件，很适合仿真分析。

‘陆’ 制作水塔水位控制系统时，浮球开关、继电器与51单片机如何相连

浮球开关连接在单片机的一位I/O与GND之间，继电器由一位I/O口控制，编程实时查询浮球开关I/O口的状态，根据这个口的状态变化编程控制继电器的状态。