農村水塔水位自動控制水泵抽水系統設計

【摘要】為解決農村水塔抽水自動控制問題，設計了一種水塔水位自動控制系統。該系統主要由壓力傳感器、調理電路、控制電路以及單片機主控芯片組成。對該系統的硬件電路進行了詳細介紹，給出了控制系統的軟件流程。應用結果表明，該系統適用于農村水塔抽水的自動控制以及水位的實時檢測。

【關鍵詞】水塔；自動控制；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，我國中部農村地區自來水供水系統還未大范圍普及，為解決飲水問題，許多農村家庭采用的是水塔式供水系統提供日常飲用水。用戶將水塔安裝在樓頂以提供足夠的水壓，塔內的水是由水泵從深井中抽入。當塔內水量嚴重不足出現“空塔”的情況時，用戶啟動水泵抽水；當用戶感覺塔內水量快要抽滿時，關閉水泵。根據經驗，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抽水時間把握不準，有可能造成水塔沒抽滿或者水溢出的情況，甚至有時會忘記關閉水泵。這種人為不可控的因素往往會造成水資源以及電能的浪費。為了擺脫手工控制的不便，避免出現“溢塔”等造成浪費的情況，設計了一種水塔水位自動控制系統。

1、系統工作原理

系統結構原理圖如圖1所示，主要由單片機主控電路、電源電路、按鍵電路、顯示電路、壓力傳感器電路、調理電路、A/D轉換電路等組成。本系統采用單片機作為主控芯片，電源電路模塊為單片機、繼電器等供電。水泵置于水井中，壓力傳感器置于水塔底部，當水塔液位變化時，壓力傳感器將水位信息轉換成電信號，經過調理電路放大及濾波后送至A/D轉換器， A/D轉換電路將放大濾波后的電信號轉化為可被單片機采集的數字信號。單片機進行實時數據采集，并進行運算處理，一方面將水位信息顯示在控制面板的液位指示燈上，另一方面根據水位信息對水泵進行開啟或者關閉操作。當傳感器檢測到水位下降至最低水位設定值時，控制器控制水泵開啟，水泵抽水；當傳感器檢測到水位上升至最高水位設定值時，控制器關閉水泵，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、硬件電路設計

2.1 水位傳感器電路

水位傳感器電路由壓力傳感器、信號調理電路組成。壓力傳感器采用霍尼韋爾公司提供的26PCCFA6D傳感器，其內部惠斯通電橋電路由四個壓敏電阻構成，提供與壓力成線性關系的模擬信號。由于其輸出的模擬信號非常弱，必須經過調理電路對信號放大及濾波之后才能被單片機所采集。

1） 恒流源供電電路

在實際應用26PCCFA6D壓力傳感器時，必須針對其本身的特性設計恒流源電路，使其輸出特性不會受負載的影響而只與被測量有關。恒流源電路如圖2所示，由電源Verf，運放A1，穩壓二極管D1，電阻R1、R2構成。分析可知，所示恒流源電路給壓力傳感器提供的電流激勵為：

（1）

其中是二極管D1的基準電壓。

2） 信號放大電路

信號放大電路如圖3所示。運放A2、A3均采用同相輸入組成第一級差分放大電路，電路成對稱結構，抑制共模信號能力強；運放A4組成第二級差分放大電路。在電阻R3=R9，R4=R8，R5=R7的條件下，信號放大電路的增益為：

（2）

根據所求的放大增益，可得放大電路輸出電壓Vout：

（3）

該電路結構簡單，抑制共模信號能力強，適用于放大弱信號，同時也是作為測量儀表中最常用的基本電路。在應用時，需注意將電阻R6用可變電阻代替，這樣就可以通過調節可變電阻來改變電壓增益。

3） 濾波電路

經過放大電路輸出的模擬信號需要送入A/D轉換電路，轉換成能被單片機所采集的數字信號，而在A/D轉換的信號路徑上常常會出現混疊噪聲，為了有效的降低混疊噪聲，提高采集信息的精確度，在A/D轉換電路前設計一個有源RC濾波電路。如圖4所示，A5、R10、R11、R12、R13、C1、C2構成了一個二階低通濾波器，該低通濾波器可有效的消除混疊噪聲，進而減少進入AD轉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。加入光電耦合器對輸入、輸出信號起隔離作用，增強了系統的抗干擾性。系統通過單片機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口輸出低電平導致光耦導通、三極管Q1導通，從而使繼電器閉合，水泵開啟；P1.9口輸出高電平時，水泵停止。

3、軟件設計

系統程序流程圖如圖6所示，主要包括水位檢測與處理、水位顯示、按鍵設置、手動上水模式、自動上水模式、水泵控制、水位判斷等。微處理器通過對水位進行檢測以及進行相應的水位顯示；當水位低于設置的最低水位時，微處理器P1.6口輸出低電平，開啟水泵，開始上水操作；當水位高于設置的最高水位時，微處理器P1.6口輸出高電平，關閉水泵，停止上水；按鍵部分主要用于選擇手動上水模式還是自動上水模式，若是選擇手動上水模式，還可以按停止上水按鍵進行停止上水操作。

4、結束語

本文主要根據農村用戶對水塔抽水人工控制不方便、不及時的情況，設計了一種水塔水位自動控制系統。該系統具有性能穩定、結構簡單、成本低等優點，安裝起來也極其方便。通過實際應用，該系統能實現農村水塔水位的實時檢測與自動控制，避免出現“溢塔”等造成浪費的情況發生，同時也能消除人們因水塔抽水不及時出現“空塔”而影響日常生活的煩惱。該系統適合在農村進行推廣應用。

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基金項目：湖南省大學生創新訓練計劃項目（項目編號：H 1405）