1 引言

水塔供水的主要問題是塔內水位應始終保持在一定范圍，避免“空塔”、“溢塔”現象發生。目前，控制水塔水位方法較多，其中較為常用的是由單片機控制實現自動運行，使水塔內水位保持恒定，以保證連續正常地供水。實際供水過程中要確保水位在允許的范圍內浮動，應采用電壓控制水位。首先通過實時檢測電壓，測量水位變化，從而控制電動機，保證水位正常。因此，這里給出以Atmel公司的AT89C5l單片機為核心器件的水塔水位檢測控制系統仿真設計，實現水位的檢測控制、電機故障檢測、處理和報警等功能，并在Pmteus軟件環境下實際仿真。實驗結果表明，該系統具有良好的檢測控制功能，可移植性和擴展性強。

2 水塔水位控制原理

單片機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，水位應控制在虛線范圍之內。為此，在水塔內的不同高度處，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）。水塔由電機帶動水泵供水，單片機控制電機轉動，隨著供水，水位不斷上升，當水位上升到上限水位時，由于水的導電作用，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．此時應停止電機和水泵工作，不再向水塔注水；當水位處于上、下限之間時，B棒和A棒導通，而C棒不能與A棒導通，b端為“1”狀態，c端為“0”狀態。此時電機帶動水泵給水塔注水，使水位上升，還是電機不工作，水位不斷下降，都應繼續維持原有工作狀態；當水位處于下限位置以下時，B、C棒均不能與A棒導通，b、c均為“0”狀態，此時應啟動電機轉動，帶動水泵給水塔注水。

圖1 單片機水塔水位控制原理

3 電路設計

水塔水位控制系統主要由CPU（AT89C51）、水位檢測接口電路、報警接口電路、存儲器擴展接口電路、復位電路、時鐘振蕩等部分組成，如圖2所示。圖3為系統硬件電路。

圖2 單片機水塔水位控制系統結構框圖

圖3 系統硬件電路

3.1 水位檢測接口電路

為了便于實現水位檢測功能，用一個兩位的撥碼開關模擬b、c端的狀態（1、0），正電極接+5 V電源，每個負電極分別通過4．7 kQ的電阻（尺1，R2）接地。將單片機的P1．0端口接開關1，P1．1端口接開關2。假設被水淹沒的負電極都為高電平，此時開關置1；露在水面的負電極都為低電平，開關此時置為0。單片機通過負電極重復采集檢測水位，當缺水時（此時兩個開關均置0），電機必須帶動水泵抽水；若水位在正常范圍內時，檢測信號為高，低電平（此時開關1置1，開關2置0）；當水位過高時，檢測信號為高電平（此時開關l和2都置1），單片機檢測到P1．0和P1．1為高電平后，立即停機。

3.2 報警接口電路

為了避免系統發生故障時，水位失去控制造成嚴重后果，在超出、低于警戒界水位時，報警信號直接從高、低警界水位電極獲得。單片機P1．7端口為啟動電機命令輸出端口，P1．7=0為低電平，經過非門后與電機的另一端接地導通，啟動電機工作；P1．7=l為高電平，反之，電機停止工作。電機故障報警由單片機控制，電機故障報警信號由P1．0和P1．1輸人．當P1．5為高電平時蜂鳴器報警。水位超過高警戒水位，單片機控制系統使電機停止轉動，向水塔內供水工作也停止。

3.3 存儲器擴展接口電路

為了便于系統擴展，存放大容量應用程序，系統設計擴展一片程序存儲器，用于存放源程序代碼。74LS373用于鎖存地址，單片機的P0．0～P0．7通過復用方式分別接鎖存器74LS373的DO～D7和存儲器2732的D0～D7端，地址鎖存信號線ALE接鎖存器的OE端，通過軟件設置實現地址和數據信息的傳輸，鎖存器的輸出端OQ0～O7與存儲器地址線A0～A7相連，剩余的3根地址線A8～A11接P2．0～P2．2．單片機選通引腳麗接存儲器OE端，因只擴展一片存儲器，片選端CE接地。

4 系統軟件設計

當水塔水位處于上、下限之間時，P1．0=l，P1．1=0，此時無論電機是在帶動水泵給水塔供水使水位不斷上升．還是電機沒有工作使水位不斷下降，都應繼續維持原有工作狀態；當水位低于下限時，P1．0=0，P1．1=0，此時啟動電機轉動，帶動水泵給水塔供水。水位檢測信號與輸出控制操作關系如表1所列，圖4為水塔水位控制程序流程。

表1，水位檢測信號與輸出控制操作關系

圖4 水塔水位控制程序流程

5 實驗仿真結果

根據所設計系統的軟件流程圖，編寫相應的程序在Pro-teus軟件環境下實際仿真，實驗結果表明，該系統能成功實現了水位檢測、電機故障檢測、處理和報警等功能，具有良好的檢測控制功能，可移植性和擴展性強。通過制作PCB板子，該系統已成功運用于某實驗水冷卻系統。

6 結語

該系統設計是基于在單片機嵌入式系統而設計的，充分利用單片機強大控制功能和方便通信接口，該檢測控制系統在實驗室某實驗水冷卻系統得到成功實踐，實現水位檢測、電機故障檢測、處理和報警等功能，提高了實驗的自動控制能力。進一步優化系統軟硬件設計，可為實時實現遠端控制，因此，該系統在農村水塔，城市水源檢測控制等領域有著廣闊的應用前景。

（作者：馬俊，陳靖，青海師范大學）
編輯：hfy