石 蕊 周 玲 赵宇杰兰州城市学院培黎工程技术学院 730070
【文章摘要】
本设计旨在监测水箱水位，实现对水箱水位进行自动或者手动控制。系统以51 单片机作为主控芯片，通过水泵为水箱上水和放水，通过按键对系统水位上、下限进行调整。
【关键词】
单片机；水箱；水位；控制
1 研究背景及意义
水箱是工矿企业、民用住宅等公共供水系统所不可缺少的。现实生活中家用太阳能热水器方便、节能、无污染，应用广泛，但由于储水、排水不当，很容易造成水资源浪费，为了减少这些损失，利用单片机对水箱水位进行控制，可以极大减少投入，具有很高的实用性。
2 系统设计
2.1 本设计实现目标
本系统能够实现水箱水位监测，并可根据需要对水箱水位进行自动或者手动控制。系统以51 单片机作为主控芯片，通过水泵为水箱上水和放水，手动模式下可通过按键对系统水位上、下限进行调整， 具体实现目标如下：
（ 1）当水箱水位高于水位上限时，黄灯亮，并出现报警现象，水泵机停止转动，停止向水箱送水；（2）当水箱水位低于水位下限的时候，蓝灯亮，并出现报警现象， 水泵机开始转动，开始向水箱送水；（3） 当水箱水位处于上下限水位之间的时候， 绿灯亮，维持原有状态（正在用水使水位下降或者水泵机正在工作使水位上升）； （4）当水箱水位监测系统出故障时，水泵机停转，红灯亮，并出现报警现象。
手动/ 自动模式转换控制如下：全自动模式下，系统自动判断水位的状况；当监测系统出故障时转入手动模式，水泵运行控制可由人工操作。
2.2 系统硬件设计方案
系统由检测电路、时钟电路、手动控制电路、亮灯指示电路、报警电路和供水装置构成。检测电路检测水位信号，送入单片机进行处理：供水、停水、维持原状、报警、指示灯亮或者转入手动控制模式等。本系统采用单片机AT89C2051，内部集成Flash 存储器；采用两个30pF 瓷片电容，与晶体振荡器构成时钟电路，晶振频率为12MHz。
由检测电路得到的是频率随水位变化的调频脉冲，它反映蓄水池水位高度， 对其进行适当的信号处理，便能实现水位控制及故障报警等功能。
图1 ：水箱内部检测装置
为了抑制干扰脉冲，增强电路的抗干扰性，使用了两个TLP521-1 光电耦合器， 分别的输出端可接单片机的P1.2 和P1.3 引脚。水箱由电机带动水泵供水，单片机控制电机转动，水箱内的不同高度安装3 根金属棒，以感知水位变化情况，其中① 棒接+24V 电源，②棒代表下限水位，③ 棒代表上限水位，虚线位于上下限水位之间。②、③棒分别接至光电耦合器电路。
表1 ：检测电路状态表
当水位信号被采集到AT89C2051 后，输出相应控制信号，以控制水泵电机工作，形成反馈控制系统。水泵电机供水装置主要由光电耦合器和继电器线圈构成， 如图3 所示。
图2 ：供水装置电路图
当P1.4 引脚为低电平时，发光二极管亮、光敏三极管产生电信号输出，使光敏三极管集电极有电流，驱动继电器J 线圈产生电，继电器触头相应动作，电动机正常工作。当P1.4 引脚为高电平时，发光二极管不亮，水泵电机不转，停止供水。继电器J 两端并联续流二极管，目的是为继电器J 在通断时产生的感应电动势提供续流回路，以防晶体管被击穿。
报警电路可由TLP521-1 和蜂鸣器组成，报警信号由P1.5 引脚输出，当P1.5 输出为低电平时，发光二极管亮，使光敏三极管集电极有电流，从而驱动蜂鸣器响，让人们能够很容易发现水箱出现的问题。
出现三种情况时，P1.5 引脚输入低电平驱动蜂鸣器响发出报警信号：（1）水位高于上限；（2）水位低于下限；（3）下限位金属棒未检测到水箱内有水而上限位金属棒却检测到水位已经到达上限位的情况，说明检测系统出现故障。
将绿、蓝、黄、红LED 灯分别接至P3.2、P3.3、P3.4、P3.5 引脚，LED 的另一端均接至+5V 电源，亮灯指示电路作用：肉眼观察到某颜色的灯亮之后，便可快速做出相应处理，增加检测效率。水位高于上限时，P3.4 引脚为低电平，黄灯亮； 水位低于下限时，P3.3 引脚为低电平，蓝灯亮；水位处于上下限之间时，P3.2 引脚为低电平，绿灯亮；检测系统出故障时， P3.5 引脚为低电平，红灯亮。
由P1.1、P1.0 分别接一个按键开关可完成手动控制，当水箱在自动模式下检测系统出故障或使用者想自行控制水箱水位时，可由自动转入手动模式，通过P1.0 和P1.1 的高低电平直接将数据输入到单片机中，控制水位的高低（控制情况和自动模式相同），达到排除故障或者控制水位的目的。
3 结论
通过对该设计的模拟演示，本方案通过软件控制硬件电路，可实现对水箱水位的状态控制，并能产生指示灯亮、报警等效果，能够很好地完成预期目标，实用性强，运行稳定，可用于实际生活中。
【参考文献】
[1] 单片机原理及接口技术，余锡存主编，西安：西安电子科技大学出版社，2007
[2] 水箱水位的模拟控制装置，姚勇等，煤炭技术，2004.12
[3] 光电耦合器的实用技巧，李丹等， 自动化仪表，2003.6015