电气工程及其自动化-基于STM32单片机的水塔水位检测系统设计

基于STM32单片机的水塔水位检测系统设计

1 绪论

目前国内大部分地区都有自己的水塔或蓄水池，用于储存一定量的水，供居民饮用或灌溉农作物。由于水资源有限，所以需要节约用水。拥有自动控制系统的水塔将会是以后日常生活中和工业应用中常用的储水装置，这能为人类提供安全、卫生、稳定的饮用水源。随着我国国民经济水平的不断提高，人民群众对水资源质量提出了更高的要求，也给我们带来新的挑战^[1]。现当下，社会经济发展速度越来越快，工业、农业、人民生活都要用到大量的水资源，当水资源短缺，必然会影响到我国的稳定发展。而一旦出现了水塔水位低于下限或高于上限时，有可能会造成事故。因此，为了避免“空塔”和“溢流塔”现象，需要建立一个科学的供水控制系统来解决这一问题。在过去水塔水位控制尽管也能够控制水资源，然而这一方法应用时需要相关人员实时监控，效率较为低下，劳动密集，安全也很难得到保证。当外界环境发生变化时，水塔内的液位也要随之改变^[2]。而水塔内部的气压也必须相应地做出调整才能达到稳定状态。所以，水位控制系统可以用于水塔的自动控制。塔台控制系统可以自动调节塔内水位，使其保持恒定，以满足人们对凹型水的生活需求^[3]。

1.1 选题背景及意义

在日常生活中以及工业发展中，对水资源的高效利用已成为了一个激烈讨论的话题^[4]。对于我国的发展状况而言，既要满足人们的用水要求，又要节约水源，还得减少污染排放，同时还具有安全性能好、操作方便等优点，所以水位控制有着重要的作用^[5]。水位控制能够提高水资源的利用率，减少水资源的浪费。近年来用水需求日益增大，而水资源却日趋紧缺，水位控制的市场前景较为广阔。由于城市用水量大，且不断增加，使有限的水不能满足日益增长的需求量。尤其在一些缺水地区尤为突出，突发性的供水中断不仅会给人们的生活造成极大的不便，可能引发人们心中的恐慌，甚至造成生产的损失^[6]。在供水方面的不足表现为塔内的水位无法稳定控制在范围内，“空塔”和“溢流塔”就会时常出现。水位控制的优点是如果水位处于较低状态就会进行供水，如果水位已经达到了最高限制就会关闭电机，供水系统出现故障时可以自行发出警报，提醒相关维修人员进行维修，确保水资源的随时供应^[7]。

1.2 国内外现状及发展趋势

在国外由于单片机控制的系统成本低廉，该系统的水位控制既在企业的制造生产中得到广阔的发展前景，也逐渐往民用的储存水资源的设备去发展。同时，在民用水箱产品中也成为一个受欢迎的产品^[8]。在农业方面，市场空间广阔，可作为城市用水节水措施。在工业领域，可用于工厂生产过程中对水进行精确计量；也可用于企业内部对车间内用水设备的及时输送；同时在消防灭火时可以及时发出警报信号，以避免事故发生。在生活用水方面，可用于对家庭自来水系统的远程监控和管理。但现阶段，由于成本原因，农村地区应用并不普遍^[9]。比如，纯民用的水箱是一种自动控制的设备，现当下还无法进行大规模的使用。如果从长远发展角度来看，随着自动化程度的提升和硬件成本的降低并且利用新兴的科学技术，进而节约相关成本。水塔系统的水位控制设计是在PLC的水位控制和用于水位监测的光纤传感器的基础之上，由于PLC作为一种先进的工业控制设备，所以PLC技术的自动化控制技术在我国发展很快，已经被广泛应用在各行各业^[10]。之前，我国大多数地区都采用人工手动操作方式进行水处理工作，这种传统的方法存在很多弊端：效率低，劳动密集，安全也很难得到保证。随着科学技术的进步，水塔控制系统自动化趋势会越来越明显。水塔也是能源相关领域中的一个重要部分，它的性能直接关系到安全生产和企业的利益，在工业上，如：供水站，污水处理站等都有广泛应用。中国仍是一个以生产为导向的发展中国家，所以水塔控制系统还有大规模推广和应用的前景。

1.3 研究内容

从电路设计开始，就会遇到很多难题，一个简单的电路板看似微妙，但是电路却不简单。通过扎实的学习电路知识直到应用是不容易的。硬件的选取也要格外注意，因为要使得它与电路能融合在一起，不会出现超负荷的情况。尤其是单片机的选取，不仅要符合该电路，还要能够实现设计的最终目的。其功能包括数据采集和处理、指令执行和显示等。它能完成一般电子仪器所不能胜任的工作，并可与外部设备进行数据交换。它广泛地应用于各种自动控制领域。单片机具备了各种各样的功能，同时在设计时难度系数较低、需要投入的成本也较低，还可以支持多种指令集。因此，本文将基于单基于单片机控制的水塔水位控制器作为主要研究对象，对硬件、软件和系统功能进行分析。相比于其他设计，这个基于STM32单片机的水塔水位控制系统具有以下优点和创新点：

高度集成：基于STM32单片机的设计使得整个系统具有高集成度，可以将传感器数据采集、处理和控制功能集中在一个单片机芯片中，提高了系统的整体性能和可靠性。

实时性和稳定性：单片机的高速运算能力使得该设计可以实现实时的水位检测和控制，提高了系统的响应速度和控制精度。同时，单片机的稳定性和可靠性也能够保证系统在长时间运行中的稳定工作。

灵活性和可扩展性：基于STM32单片机的设计具有很强的灵活性和可扩展性。通过编程的方式，可以根据实际需求来设计不同的控制模式和算法，以适应不同场景下的需求。

开发环境方面，这个设计是基于STM32单片机的开发环境进行开发的。该开发环境提供了丰富的开发工具和资源，包括开发板、编译器、调试器、软件库等，能够支持开发人员进行底层硬件操作和高层软件开发，从而实现水位检测与控制系统的设计和实现。

2 系统总体设计方案

本设计应用了单片机控制技术对水塔进行控制，因此可对水位进行检测、控制，一旦超过水位的标准还可以进行报警。该系统降低了操作的难度，具有很高的实用性。

图2-1水塔水位检测系统流程及总体框图

水位控制的主要原理是通过传感器将信号传输到单片机，紧接着单片机再将信号输出到电机。系统主要有三部分组成：单片机本身、传感器、电机控制一部分。这个毕业设计是因为它的控制相对简单，不太容易出错，而且从经济的角度来看，单片机比较便宜，所以这次我选择了单片机来完成该设计。

工作原理：当水位较低时，水位感应器报警启动电机供水，随着容积的增加水位也会适当的上升，当水位超过低水位线时就会停止报警。如果水量过多导致水位已经超过上限，传感器向单片机发送信号，机组控制泵停止运行，系统高水位报警。

3 硬件系统设计

3.1 水塔水位传感器的选择

在水塔水位检测系统中，水位传感器用于检测水位变化和控制水位。水位检测精确度对系统的性能至关重要。在选择水位传感器时，不仅要考虑精确度，还要考虑水质对传感器的影响以及传感器的使用寿命。目前常见的水位传感器类型包括光电水位传感器、探头式水位传感器和超声波水位传感器。光电水位传感器具有较高的液位检测精度，可达到0.5mm范围内。然而，它不能被阳光直射。探头式水位传感器可以在不规则的地方进行安装，但其使用寿命相对较短，需要定期更换。超声波水位传感器具有较高的重复性、精度和可靠性，并且使用寿命长。它可以用于大容积容器的液位监测，但在测量介质受到红外光、压力、温度、密度和腐蚀等因素影响时，可能存在一定的测量误差。

选择超声波水位传感器作为系统的传感器有以下优势：

1. 尺寸小、安装方便：超声波水位传感器体积较小，不占用太多空间，便于安装。

2. 抗干扰性强：超声波传感器不易受外界干扰，能够准确地进行液位检测。

3. 反馈快速：超声波传感器的测量反馈响应快，实时性较高。

4. 使用寿命长：超声波水位传感器具有较高的重复性和可靠性，使用寿命较长。

需要注意的是，不同的传感器类型适用于不同的应用场景。选择水位传感器时，需要根据应用环境和要求来判断其优缺点，以确保选择的传感器能够满足系统需求。

总结起来，本系统选择了超声波水位传感器作为传感器，其具有尺寸小、安装方便、抗干扰性强、反馈快速和使用寿命长等优势，适用于液位控制等精确应用的场景。

图3-1水位传感器

3.2 对于单片机的选择

STM32与51单片机有以下不同：

1.不同的开发方法，对单片机程序的开发效率和效果有很大影响。两种常用的单片机软件开发方式：基于中断技术的C语言和基于汇编语言的汇编代码法。51单片机直接运行寄存器，STM32运行库函数编程。

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