基于zigbee的水位自动检测与控制系统_学士学位论文(编辑修改稿)

基于zigbee的水位自动检测与控制系统_学士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

的大规模开展 ，我国城市给水工程建设也得到了飞速发展。 旧式水位控制系统是通过继电器接触线路控制开停泵机来实现控制 水箱 水位的。 这种系统的缺点是控制线路复杂，维护工作繁重，操作麻烦，可靠性低，故障率高，而且供水量的增加也增加了供水人员的数量以及劳动量。 随着计算机网络技术在工控领域的应用和发展，可编程控制 单片机 已具有很强的通讯功能， 单片机 系统也从单机控制系统，集中控制系统、分散型控制系统，发展到远程 I/O控制系统。 人们对供水系统的要求也越来越高如何及时、安全的供水成为不可避免的问题。 能够准确有效的控制 水箱 水位达到供水要求就成为 供水系统急需解决的问题。 目前，水箱控制系统已不仅仅局限于大型的电厂、煤炭、钢铁等大型企业领域，它以自身的自动化控制系统的安全优势，已经慢慢深入到一些民用水箱产品。 但是目前阶段，它的成本还很高。 比如把一台纯手工家用水箱设计成自动化控制的水箱，从硬件的设计和铺设，对于民用化产品实施的性价比较高。 因此大规模的使用仍受到经济上的限制。 但是，从长远来看，随着自动化技术的改进和硬件成本的降低，以及人们对资源浪费的重视。 水箱控制系统仍然有大规模推广的前景。 我国仍然处于生产型发展中国家，所有几乎在能源相关的所有领域中 ，水箱是比不可少的部件，即使是发达国家也不例外。 它性能的优良与否关系直接关系到企业的生产安全和效益。 随着我国嵌入式技术的发展，我国控制系统技术已经达到国际水平，但是在中小型企业以及民用产品，大量的水箱控制任然通过专职的人员进行控制。 随着我国单片机开发技术的逐渐成熟，以及单片机生产成本的下降，基于单片机的水箱控制系统应用到中小型以及民用产品有着交大的发展空间。 而且越来越多的水箱生产厂商开始聘用单片机开发人员和电路设计人员，将控制系统成为水箱设计的一部分，以提高自身产品的安全性能和科技含量来提高产品在市场中的竞 争力。 3 第二章 水箱控制基础知识 ZigBee 技术 ZigBee 技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。 主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。 ZigBee 协议的概述 ZigBee堆栈是在 IEEE ，定义了协议的 MAC和 PHY层。 ZigBee设备应该包括 （该标准定义了 RF射频以及与相邻设备之间的通信）的 PHY和MAC层，以及 ZigBee堆栈层：网络层（ NWK）、应用层和安全服务提供层。 图 21 ZigBeee 堆栈框架 ZigBee 的主要特征 与其它无线通信协议相比， ZigBee 无线协议复杂性低、对资源要求少，主要有以下特点： （ 1） 低功耗：这是 ZigBee的一个显著特点。 由于工作周期短、收发信息功耗较低、以及采用了休眠机制， ZigBee终端仅需要两节普通的五号干 电池 就可以 工作六个月到两年。 （ 2） 低成本：协议简单且所需的存储空间小，这极大降低了 ZigBee的成本，每块芯片的价格仅 2美元，而且 ZigBee协议是免专利费的。 （ 3） 时延短：通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。 设备搜索时延为 30ms，休眠激活时延为 15ms，活动设备信道接入时延为 15ms。 （ 4） 传输范围小：在不使用功率 放大器 的前提下， ZigBee节点的有效传输范围 一般为10至 75m，能覆盖普通的家庭和办公场所。 （ 5） 数据传输速率低： GHz 频段为 250 kb/s， 915MHz 频段为 40kb/s， 868MHz 频段只有 20kb/s。 （ 6） 数据传输可靠 ： 由于 ZigBee 采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业 4 务预留了专用时隙，从而避免了发送数据时的竞争和冲突。 MAC 层采用完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，保证了节点之间传输信息的高可靠性。 zigbee 的应用 ZigBee是一种基于 、 低传输速率、架构简单的短距离无线通信技术，它在自动控制领域的应用正越来越引起业界的瞩目。 Zigbee传输距离为数十米，使用频段为免费的 900MHz频段，传输速率为 20kbps至 250kbps。 BobHeile 认为，相对于现有的各种无线通信技术， ZigBee 技术的低功耗、低速率是最适合作为传感器网络的标准，这将成为未来 Zigbee 技术主要的发展方向。 此外，Zigbee成本低、结构简单、耗电量小等特点，使得利用 Zigbee技术组成的网络具备省电、可靠、成本低、容量大、安全、自愈性强等诸多优 势，基于 Zigbee技术的网状网结构在组网和选择网络路径时更加灵活、自由。 ZigBee的出现将给人们的工作和生活带来极大的方便和快捷，它以其低功耗、低速率、低成本的技术优势，适合的应用领域主要有： 家庭和建筑物的自动化控制：照明、空调、窗帘等家具设备的远程控制以使其更加节能、便利，烟尘、有毒气体探测器等可自动 监测 异常事件以提高安全性； 消费性电子设备：电视、 DVD、 CD 机等 电器的远程遥控（含 ZigBee 功能的 手机 就可以支持主要遥控器功能）。 PC外设：无线键盘、鼠标、游戏操纵杆等； 工业控制：利用传感器和 ZigBee网络使数据的自动采集、分析和处理变得更加容易； 医疗设备控制：医疗传感器、病人的紧急呼叫按钮等； 水箱 系统构成及其控制 图 22 水箱水位自动控制系统 M1: 水箱水位上限 ， 当水箱水位达到此位置时液位传感器将向单片机发出 最高水位信号 5 请求停止水泵工作 M2: 水箱水位 中 限 ， 当水箱水位达到此位置说液位传感器将向单片机发出低水位信号请求开启水泵工作 M3: 水槽水位下限 ， 当水箱水位达到此位置说液位传感器将向单片机发出最低水位信号请求开启水泵工作 M: 抽水泵 ， 当水箱水位达到最低水位时单片机将开到抽水泵向水箱供水 Y: 补水泵 ， 当水 槽 水位达到最低水位时单片机将开到抽水泵向水箱供水 原理 在控制系统启动后，若水槽水位低于水槽最低水位时液位传感器将水位信号转化为电信号向单片机发出信号，单片机根据此信号打开补水泵向水槽补水，当水位达到水 槽最高水位时液位传感器将水位信号转化为电信号向单片机发出信号停止补水泵的工作，当水箱水位达到最低水位时，液位传感器将水位信号转化为电信号向单片机输出，单片机在收到信号后启动水泵向水箱加水，当水箱水位达到最高水位时传感器将水位信号转化为电信号向单片机发出信号停止水泵的工作。 系统框图 如下图整个系统由一个水位传感器，一台单片机和一台水泵以及若干部件组成。 安装于水箱上的传感器将水箱的水位转化成 15伏的电信号；电信号到达单片机将控制控制水泵的开关。 水箱水位自动控制系统由 单片机 !核心控制部件 高低位水箱的 水位检测电路高低水位信号传送给 单片机 水泵电动机控制电路 单片机 控制启停及主备切换 图 23 系统组成框图 在水箱水位检测系统中通过超声波液位传感器将水位信号转换为电信号输入单片机中，在通过单片机控制水泵的启动或关闭。 在系统运行中当水为低于最低值时单片机将启动水泵向水箱中加水，当水箱中的水达到最高值时单片机使水泵停止运转即水泵停止向水箱供水。 等到水箱水位再次达到控制最低水位时 系统再次重复这个过程 单片机 水箱水位检测系统 水箱水位的实际高度 水泵 6 第 三 章 水箱 水位自动控制系统设计 水泵电动机控制电路的设计 给排水工程中常使用三相异步电动机， 水泵上的电动机一般都是单向旋转有以下控制 在水箱水位检测系统中通过水位传感器检测实际水位的高度，当水位低于最低水位时向单片机发出信息启动水泵，经过 5分钟检测水箱水位是否提高控制水泵的工作，当水位达到最高水位时向单片机发出信息控制信息停止水泵工作。 供水系统的基本原理如图 31 所示，水位闭环调节原理是：通过在水箱中的水位传感器，将水位值变换为电流信号进入 单片机 ，执行较后程序，通过水泵的开关对水箱中的水位进行自动控制。 当 单片机 出现故障时，还有一套手动控制来进行对水箱水位控 制。 手动控制采用交流接触器。 图 31 水泵电动机控制图 水泵启动工作：当投入作为主电路电源开关的配线切断器 MCCB时，在收到单片机的启动水泵指令后，电磁线圈 MC中有电流流过，电磁接触器 MC运行。 当电磁接触器 MC运行时，主电路的主触点 MC闭合，常闭触点 MCb打开，常开触点 MCm2闭合，当主触点闭合时，电源电压施加到电动机 M上，开始运转。 当常闭触点 MCb打开时，绿灯 GNL中无电流流过，绿灯熄灭，当常开触点 MCm2 闭合时，红灯 RDL中有电流流过，红灯点亮。 水泵停止工作：当投入作为主电路电源 开关的配线切断器 MCCB时，在收到单片机的停止水泵指令后，电磁线圈 MC中无电流流过，电磁接触器 MC恢复。 当电磁接触器 MC恢复时，主电路的主触点 MC打开，常闭触点 MCb闭合，常开触点 MCm2打开，当主触点 MC打开时，电源电压施不再施加到电动机 M上，电动机 M停止运转。 当常闭触点 MCB闭合时，绿灯 GNL中有电流流过，绿灯点亮，当常开触点 MCm2打开时，红灯 RDL中无电流流过，红灯熄灭。 7 MCCB： Molded case circuit breakers 配线切断器是把开闭机构、后动装置等统一装到绝 缘容器内的部件，它是利用操作手柄对通常使用状态的电路进行开闭控制的。 经常应用于电源电路的开闭中，当发生过载、短路等情况时自动地切断电路。 MC： Electromagic contactors 所谓电磁接触器，就是应用电磁铁对负载电流进行开闭控制的接触器，主要用于电源电路的开闭。 电磁接触器有主触点和辅助触点构成的触点和电磁线圈与铁心构成的靠做电磁铁部分组成。 THR: 热敏继电器（ thermal rekay） 是由加热器部分和触点机构部分组成的。 当够电流流过加热部分时，双金属片因为受热而发生弯曲，因 此触点部分被打开而使电路得到保护。 水位传感器的选择： 根据本设计的要求所选传感器要求在水面和水底都可以使用，所以选择超声波液位传感器U9ULS 系列的 U9ULS—— 10/100 系列。 U9ULS 系列超声波液位传感器开关使用范围非常广。 本产品具有焊接的不锈钢传感器探头，没有缝隙不会泄露，另外没有易损的活动部件，故可承载非常高的温度和压力。 它不会受温度、压力、密度和液体类型等参数的影响。 在大多数情况下，电子设备放在铸铝的， NEMA 4/NEMA 7 防爆且防水的壳体中。 U9ULS 具有以下特点： 可应用于多 种液体中 可承受高达 1000psi的压力 不受气泡、蒸汽、杂质后湍流等因素的影响。 长度达 121in（ ） 可安装在侧面、顶部或底部 工作原理： U9ULS 系列是给予超声波理论工作的。 当超声波在空气中传播时，会被严重衰减 相反地，如果在液体中传播时，超声波的传播会被大大增强。 电 子控制单元发出一系列的电信号，传感器将其转化为超声能量脉冲，并在被探测区内传播。 当另一端街道有效信号时，就发出数据有效的信号，表明有液体存在。 这个信号输送到继电器，从而产生输出信号。 U9ULS—— 100系列产品具有 性能优异的传感器探头，可在温度为 300F 和压力为 1000PSI的情况下良好的工作。 U9ULS—— 10 系列产品为更靠近池底，将顶端的探头设计成缺口形状。 控制电路设计成小型，密封的结构，可安装在远程的控制地点。 特点： 10A的继电器输出 115/230V AC， 12V DC 或 24V DC 输入 高增益。 无需效准，工作温度可达 300 长度可达 8 表 31 主要技术指标 输入电压 115/230V AC， 50/60HZ 或 12/24V DC U9ULS— 10 系列增益 300： 1 U9ULS— 100 系列增益 1000： 1 U9ULS— 10 系列输出 10 A DPDA继电器灭火两线制， 4mA干；20 mA 湿 U9ULS— 100 系列输出 10 A DPDT继电器 延时 重复性 2mm 外壳 NEMA 4/NEMA 7,防水防爆罩，环氧涂层，铸铝。 实验系统过程建模 描述实验系统的总体结构（结构图及语言描述）。 利用实验建模方法建立进水流量和主管道流量之间关系的数学模型。 要求写出具体的建模步骤及结果。 利用实验建模方法建立进水流量和水箱（上）液位之间关系的数学模型。 要求写出具体的建模步骤及结果，记录该对象的阶跃响应曲线（ 2种不同幅值的阶跃扰动）。 利用实验建模方法建立副回路流量和水箱（上）液位之间关系的数学模型。 要求写出具体的建模步骤及结果，记录该对象的阶跃响应曲线（ 2种不同幅值的阶跃扰动）。 利用实验建模方法建立双容水箱（上下串联）的进水流量（上水箱进水）和水箱（下）液位之间关系的数学模型。 要求写出具体的建模步骤及结果，记录该对象的阶跃响应曲线（ 2种不同幅值的阶跃扰动）。 实现单容水箱（上）液位的单回路控制系统设计 画出此单回路控制。