基于51單片機(jī)的高低位水箱供水電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

葉 冉

（長(zhǎng)安大學(xué)電子與控制工程學(xué)院，陜西西安710064）

0 引言

水箱在現(xiàn)代生活中有著廣泛的用途，如作為城市、鄉(xiāng)村生活用水儲(chǔ)備，太陽(yáng)能熱水器儲(chǔ)水設(shè)備等。傳統(tǒng)的水箱采用PLC為控制單元，實(shí)現(xiàn)供水自動(dòng)控制，但PLC價(jià)格相對(duì)較高，所以采用價(jià)格低廉的51單片機(jī)來(lái)控制是一種既達(dá)標(biāo)又經(jīng)濟(jì)的方式。

高低位水箱供水的主要問(wèn)題是箱內(nèi)水位應(yīng)始終保持在一定范圍，避免“空箱”“溢水”現(xiàn)象的發(fā)生。本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)系統(tǒng)控制，使水箱內(nèi)水位保持恒定，以保證連續(xù)正常地供水，達(dá)到智能控制的目的。另外，本設(shè)計(jì)采用STC89C52單片機(jī)和實(shí)際硬件接線來(lái)模擬，較好地實(shí)現(xiàn)了實(shí)際生活中的供水要求。

1 系統(tǒng)綜述

系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求如下：

（1）高低位水箱均設(shè)水位信號(hào)器。高位水箱水位達(dá)到低位，低位水箱水位達(dá)到高位時(shí)，水泵啟動(dòng)；高位水箱水位達(dá)到高位或低位水箱水位達(dá)到低位時(shí)，水泵停止。

（2）系統(tǒng)具有手動(dòng)、自動(dòng)工作模式。

（3）兩臺(tái)水泵分工作泵和備用泵，可以互換，只有一臺(tái)水泵工作。當(dāng)工作泵出現(xiàn)故障時(shí)，備用泵自投。

（4）操作面板提供設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、水位及報(bào)警的各種指示。

（5）操作面板可以設(shè)定工作泵和備用泵。

（6）設(shè)備操作面板顯示當(dāng)前的溫度和時(shí)間，時(shí)間可設(shè)定。

（7）出現(xiàn)故障時(shí)，把故障信息上傳到監(jiān)視器，包括時(shí)間、故障點(diǎn)、故障類型等。

單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 水位檢測(cè)

高、低位水箱均設(shè)水位信號(hào)器，用來(lái)檢測(cè)水位，本設(shè)計(jì)中采用撥碼開(kāi)關(guān)來(lái)模擬水位信號(hào)。實(shí)驗(yàn)中的撥碼開(kāi)關(guān)選擇四位撥碼開(kāi)關(guān)，其中1號(hào)開(kāi)關(guān)撥向左側(cè)表示高位水箱水位達(dá)到低位，撥向右側(cè)表示高位水箱水位達(dá)到高位；2號(hào)開(kāi)關(guān)撥向左側(cè)表示低位水箱水位達(dá)到高位，撥向右側(cè)表示低位水箱水位達(dá)到低位。將1號(hào)和2號(hào)開(kāi)關(guān)通過(guò)端子排J1分別與單片機(jī)的P1.4、P1.5口連接，讀取P1.4、P1.5口的狀態(tài)，即可模擬水位檢測(cè)。

2.2 模式切換

模式切換由和單片機(jī)P1.6口相連的3號(hào)開(kāi)關(guān)來(lái)控制。當(dāng)3號(hào)開(kāi)關(guān)撥向右側(cè)，此時(shí)P1.6為0，自動(dòng)模式，水泵的啟停受水位信號(hào)器控制。當(dāng)3號(hào)開(kāi)關(guān)撥向左側(cè)，此時(shí)P1.6為1，手動(dòng)模式，水泵的啟停不受水位信號(hào)器控制，而是由啟停按鈕控制，便于工作人員檢修時(shí)使用。若P1.7=0，則1號(hào)泵為工作泵，2號(hào)泵為備用泵，按下按鈕S1，1號(hào)泵啟動(dòng)，按下S2，1號(hào)泵停止。若P1.7=1，則2號(hào)泵為工作泵，1號(hào)泵為備用泵，按下按鈕S1，2號(hào)泵啟動(dòng)，按下S2，2號(hào)泵停止。通過(guò)不斷讀取P1.6口的狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)水泵的自動(dòng)與手動(dòng)模式切換。

2.3 水泵切換

本系統(tǒng)有兩臺(tái)水泵，正常情況下，1號(hào)泵為工作泵，2號(hào)泵為備用泵。當(dāng)需要進(jìn)行水泵切換時(shí)，將4號(hào)開(kāi)關(guān)撥向左側(cè)，并將4號(hào)開(kāi)關(guān)通過(guò)端子排J1與P1.7口連接，若P1.7狀態(tài)為1，2號(hào)泵為工作泵，1號(hào)泵為備用泵，讀取P1.7口的狀態(tài)，即可實(shí)現(xiàn)水泵切換。

2.4 故障模擬

本系統(tǒng)用51單片機(jī)兩個(gè)外部事件中斷INT0、INT1來(lái)模擬水泵發(fā)生故障，將P3.2、P3.3通過(guò)杜邦線引出。模擬1號(hào)泵發(fā)生故障時(shí)，將與P3.3相連的杜邦線接地，觸發(fā)中斷，則數(shù)碼管顯示“1”，表示1號(hào)泵故障，蜂鳴器報(bào)警，紅色LED點(diǎn)亮，同時(shí)2號(hào)泵自動(dòng)投入運(yùn)行。模擬2號(hào)泵發(fā)生故障時(shí)，將與P3.2相連的杜邦線接地，觸發(fā)中斷，則數(shù)碼管顯示“2”，表示2號(hào)泵故障，蜂鳴器報(bào)警，紅色LED點(diǎn)亮，同時(shí)1號(hào)泵自動(dòng)投入運(yùn)行。此外還需發(fā)送故障信息，本系統(tǒng)使用STC-ISP軟件上的串口助手來(lái)模擬監(jiān)視器。使用時(shí)，將波特率調(diào)到9 600，接收和發(fā)送緩沖區(qū)都選擇文本模式，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，即觸發(fā)兩個(gè)外部事件中斷，在計(jì)算機(jī)屏幕上就會(huì)顯示發(fā)生故障的時(shí)間和故障的水泵序號(hào)。

2.5 工作指示

本系統(tǒng)設(shè)置了水泵運(yùn)行狀態(tài)、水位及報(bào)警指示。控制水泵運(yùn)行的信號(hào)從P3.5、P3.6口輸出，P3.5口控制水泵1，P3.6口控制水泵2。由于單片機(jī)輸出的高電平帶負(fù)載能力弱，故需要通過(guò)L298N來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該驅(qū)動(dòng)剛好可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)。具體做法是：從上述最小系統(tǒng)板上將+5 V和0 V通過(guò)杜邦線分別接到L298N的Vcc和GND端，給驅(qū)動(dòng)L298N上電，再將單片機(jī)的P3.5、P3.6口接到L298N的輸入端。L298N的兩個(gè)輸出OUTA、OUTB分別接到兩個(gè)直流電機(jī)上，并將兩個(gè)LED燈分別并聯(lián)在兩個(gè)電機(jī)上。這樣，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，相應(yīng)的LED指示燈點(diǎn)亮。

圖1 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖

在撥碼開(kāi)關(guān)處引出端子排，并將單片機(jī)P1.4、P1.5口的輸出信號(hào)引出，接到另外兩個(gè)LED燈的正極，兩個(gè)LED燈的負(fù)極接地。1號(hào)開(kāi)關(guān)撥向左側(cè)，P1.4為1，水位指示燈1點(diǎn)亮，1號(hào)開(kāi)關(guān)撥向右側(cè)，P1.4為0，水位指示燈1熄滅；2號(hào)開(kāi)關(guān)撥向左側(cè)，P1.5為1，水位指示燈2點(diǎn)亮，2號(hào)開(kāi)關(guān)撥向右側(cè)，P1.5為0，水位指示燈2熄滅。

當(dāng)發(fā)生故障時(shí)（以1號(hào)泵故障，2號(hào)泵自動(dòng)投入運(yùn)行為例），給P1賦值#06H，則CBA=110，74LS245的B6輸出低電平，蜂鳴器發(fā)出聲音；給P1賦值#07H，則CBA=111，74LS245的B7輸出低電平，紅色LED點(diǎn)亮，完成報(bào)警，提醒維護(hù)人員前去檢修。

2.6 時(shí)間與溫度

時(shí)間由6個(gè)數(shù)碼管來(lái)顯示，依次為時(shí)、分、秒，溫度由2個(gè)數(shù)碼管來(lái)顯示。單片機(jī)P1.2、P1.1、P1.0的輸出分別與74LS138的CBA相連，來(lái)選擇點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)的數(shù)碼管，CBA值為000～111，依次選擇數(shù)碼管1～6（從左至右）。

單片機(jī)上電后，開(kāi)始顯示時(shí)間。按下S3，進(jìn)入時(shí)間調(diào)整狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，按下S4，時(shí)加1，按下S5，分加1，按下S6，秒加1。時(shí)間調(diào)整結(jié)束后，再次按下S3，回到時(shí)間顯示模式。

本系統(tǒng)溫度傳感器為DS18B20，采集溫度后，從單片機(jī)的的P1.3口輸入。在時(shí)間顯示時(shí)，按下S7，調(diào)用溫度顯示程序，延時(shí)1 s，1 s后自動(dòng)返回時(shí)間顯示。

3 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)是基于51單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)，充分利用51單片機(jī)強(qiáng)大的控制功能和通信接口，經(jīng)濟(jì)可靠。該控制系統(tǒng)以實(shí)際的硬件模擬，并用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)了程序，所有程序都是無(wú)限循環(huán)，將每一項(xiàng)要求模塊化，執(zhí)行時(shí)，直接調(diào)用相應(yīng)的子函數(shù)即可，實(shí)驗(yàn)最終達(dá)到了預(yù)期效果，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。因此，該控制系統(tǒng)在農(nóng)村水塔、水源檢測(cè)控制和城市生活儲(chǔ)備用水系統(tǒng)開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

[1]段晨東.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].2版.北京：清華大學(xué)出版社，2013.

[2]馬小軍.建筑電氣控制技術(shù)[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.