水塔自动抽水测控系统
摘要：许多农村家庭在房顶修有小型水塔或太阳能，用水泵抽取井水，组建自家的“自来水”系统，但抽水一般是人工控制的，经常会出现溢水或断水现象。为解决这个问题，设计一种水塔自动抽水系测控系统，使系统能缺水自动上水、水满自动停水，改进该供水系统势在必时，以方便人们用水。该系统主要由压力式水位传感器、单片机和控制电路等组成，适合于乡村高楼水塔水位实时检测与抽水自动控制。
关键词：水塔、水位检测、自动控制
绪论
随着国民经济的发展，乡村的居住条件日益改善，农村楼房正在向高层发展，由于地理位置等各种原因，无法依靠自来水厂供水。为了方便高层楼房的用水，许多家庭自建水塔或蓄水池和水井，用水泵将水井的水送上水塔来解决高层楼房的用水问题。但是，目前抽水是用人工操作，通过估测来控制抽水量。由于人工无法监视水塔上的水位深浅，难以准确控制水泵的开停，要么水泵关停过早，造成频繁开机抽水的现象，使水泵寿命缩短；要么忘记关闸，水从水塔溢出，这样就会造成水资源和能源的浪费。
为此有人设计了一种全自动电子水位控制装置，水位检测元件是安装在水塔水箱里不同高度的三个电极，利用水的导电性能，由不同水位决定这两组电极是否导通或断开，将水位变化信号变成电位变化信号，进而控制水泵抽水。这种装置控制性能好、控制精度高、动作灵敏可靠、结构简单、维修方便，但不能实时监测水塔内的水位的准确值， 电极长时间使用会电解氧化、腐蚀、附上污垢，造成控制失灵。
设计一个使用传感器所组成的液位测量系统很有必要。人们对液位检测方法也做了不少研究，如用超声波式、超声波一电容式等，但这些液位检测装置多为成品，不便于二次开发，且价格过高，不适合在乡村普及使用。为了解决这一问题，本次课程设计提出一套乡村水塔水位实时监测与自动抽水控制系统，实现抽
水的自动控制，延长抽水设备的寿命，节约水、电资源。
第一章 元器件清单
第一节 MPX2200型压力传感器
MPX2200型的压力传感器是一种小体积、低功耗、高可靠性产品。如图1—1所示。
图1—1 MPX2200压力传感器
它们的特点在于不同环境条件下都具有高可重复性，高精确度和高可靠性。 除此以外，传感器之间配合工作时还具有非常好的协调性，不需要额外的校正就可以进行替换。
压力传感器所包含的感应元件由4个压电电阻组成，它们埋藏在一个化学蚀刻而成的薄硅隔膜表面下。压力的变化使得隔膜产生形变，产生一个拉扯或扭曲力，这样电阻的值就随之技术规格：
● 供电电源：10V
● 压力量程：0-200KPa
● 可承受最大压力400 KPa
● 可承受的冲击压力为：2000 KPa
● 输出信号：mV 电压信号
● 工作温度：-40℃-125℃
● 温度补偿：0-85℃
● 压力形式：表压（g ），差压（d ），绝压（a ）
● 测量介质：适用于那些不与多醚酰亚胺，硅，氟硅酮密封片起作用的介质
● 线性与迟滞：0.5%
产品特点：
● 专利的导电密封弹性连接系统消除了传统的导线粘结和带状连接
● 专利的snap-together 结构导致了多样化的测量孔形式
● 最低价格的带温度补偿和校整的小型封装压力传感器
● 不同的引脚可选（1x4或2x2）
● 可以测量负压和正压
第二节 光耦合固态继电器SSR
采用固体半导体元件组装而成——无触点开关（接通和断开无机械接触部件）。如图1—3所示。
图1—3 光耦合固态继电器SSR
优点：开关速度快、工作频率高、使用寿命长、噪声低、工作可靠。
使用场合：取代常规电磁式继电器，广泛用于：数字程控装置、数据处理系统、计算机终端接口电路、尤其是动作频繁、防爆、耐潮、耐腐蚀的场合。
缺点：漏电流大、接触电压高、触点单一、使用温度范围窄、过载能力差、价格高。
基本特点：
① 控制功率小：输入很小的控制电流便能正常工作，输出采用大功率管可
控硅器件，具有功率放大作用；
② 可靠性：绝缘防水材料浇铸，没有可动部件；
③ 抗干扰能力强：无触点动作，无火花等电磁干扰，输入/输出之间隔离； ④ 动作快：直流SSR ——响应时间＜几十μS
过零交流SSR ——转换时间≤10Ms （1/2fs f = 50Hz）； ⑤ 寿命长：1012～1013次 （普通电磁式继电器105～106次）；
⑥ 承受的浪涌电流大：6～10倍额定值；
⑦ 对电源电压适应范围广：交流SSR ——30～220VAC 任意选择；
⑧ 耐压水平高：输入/输出介质耐压2.5kV 以上。
第三节 其他元器件
水塔、水泵、连接管、三极管、ADC 的芯片、电阻、连接线等。
第二章 水位传感器设计
液位传感器品种很多，但多数为成品，通常价格较贵，且不便于在自动控制系统中做二次开发使用。为此，采用压力式传感器设计一种水位检测装置，如图1—1所示。其中，l 为水塔，2为水，3为压力传感器，4为连接管。压力传感器通过连接管接到水灌底部开孔，压力传感器内气体的压力为水灌里水柱产生的压力，即
P=ρgH 或 H=P (1) g
其中p 为水的密度，g 为重力加速度。
图2—1 水位传感器结构
压力传感器采用MPX2200，其内部电路是一个惠斯登电桥，其作用是将压力信号转换成为电信号。如图l —1所示。当传感器受到压力时，电桥内应变电阻发生变化而输出相应的电压值。其输出电压与所承受的压力是成线性关系，所以由式(2)可以推出此电路输出的电压为
V 0=KP 或 P=
由式（1）和式（2）可得， H=11V 0=V 0 （3） ρgK gK ρV 0 （2） P
由上式可知，利用 D转换器采集电压 ，已知常数项去和液体密度 ，即可通过微处理器计算出液位的高度。
第三章 控制系统硬件设计
第一节：总体电路
控制系统硬件电路如图3所示，传感器、信号调理电路、按键电路、控制电路等组成。传感器电路和调理电路如图1—2所示，按键和显示电路这里不作介绍，对控制电路进行详述。
图3—1 控制器结构图
第二节 传感器电路
本设计中传感器选用MPX2200型，若用来监控水位变化，由于5M 的水的压力小于200KPa ，故选用MPX2200型，压力范围为0—200KPa 较为合适。该液位监控电路具有反相输出功能，当所加压力为零时，电路输出为4V ，而当所加压力为满量程时，输出电压为0V 。图中，100K Ω电阻有“*”号，为可调节电阻，调节其阻值可使零压力时输出为4V 。
利用输出的电压值，人们就可以知道相应的液位。利用输出电压值，外接一继电器，设置一个合适的电阻，使其电压值为4V 时，继电器启动，抽水电机工作，当输出电压为0V 时，继电器断开，抽水机停止工作。
图3—2 压力传感器及调理电路原理
第三节 控制电路
水泵采用交流22OV 供电，采用光耦合固态继电器SSR 来控制水泵的运转与停止，通过单片机的P1．7口输出电平控制一个三极管，再驱动固态继电器SSR 实现对水泵的控制；固态继电器SSR 的型号由水泵的功能而定。
图3—2 控制电路原理
总结
本次课程设计创新点是为农村高楼提出并设计了一种水塔自动抽水测控系统，解决乡村抽水时水和电的浪费问题。课程设计主要完成了以下工作：
1) 设计了一种压力式水位传感器，介绍了其原理；
2) 设计了抽水控制系统，本系统以MPX2200传感器为核心，以继电器为辅助器件，控制控水机的工作，达到省电，省心，安全的目地。
本系统具有结构简单，性能稳定，成本低，安装方便等优点，适合于乡村的楼宇水塔抽水推广应用。
参考文献
[1] 张乃禄，徐竟天，薛朝妹. 安全检测技术. 西安：西安电子科技大学出版社.2007
[2] 黄仁东，刘敦文. 安全检测技术. 北京：化学工业出版社.2006
[3] 张文昭，包本刚，潘海军，陈爱武. 楼宇水塔水位检测与抽水自动控制系统. 永州.2009
[4] 黄瑞祥，毕净，郑国钦，夏哲雷。集成传感器应用入门。2001年12月
水塔自动抽水测控系统
摘要：许多农村家庭在房顶修有小型水塔或太阳能，用水泵抽取井水，组建自家的“自来水”系统，但抽水一般是人工控制的，经常会出现溢水或断水现象。为解决这个问题，设计一种水塔自动抽水系测控系统，使系统能缺水自动上水、水满自动停水，改进该供水系统势在必时，以方便人们用水。该系统主要由压力式水位传感器、单片机和控制电路等组成，适合于乡村高楼水塔水位实时检测与抽水自动控制。
关键词：水塔、水位检测、自动控制
绪论
随着国民经济的发展，乡村的居住条件日益改善，农村楼房正在向高层发展，由于地理位置等各种原因，无法依靠自来水厂供水。为了方便高层楼房的用水，许多家庭自建水塔或蓄水池和水井，用水泵将水井的水送上水塔来解决高层楼房的用水问题。但是，目前抽水是用人工操作，通过估测来控制抽水量。由于人工无法监视水塔上的水位深浅，难以准确控制水泵的开停，要么水泵关停过早，造成频繁开机抽水的现象，使水泵寿命缩短；要么忘记关闸，水从水塔溢出，这样就会造成水资源和能源的浪费。
为此有人设计了一种全自动电子水位控制装置，水位检测元件是安装在水塔水箱里不同高度的三个电极，利用水的导电性能，由不同水位决定这两组电极是否导通或断开，将水位变化信号变成电位变化信号，进而控制水泵抽水。这种装置控制性能好、控制精度高、动作灵敏可靠、结构简单、维修方便，但不能实时监测水塔内的水位的准确值， 电极长时间使用会电解氧化、腐蚀、附上污垢，造成控制失灵。
设计一个使用传感器所组成的液位测量系统很有必要。人们对液位检测方法也做了不少研究，如用超声波式、超声波一电容式等，但这些液位检测装置多为成品，不便于二次开发，且价格过高，不适合在乡村普及使用。为了解决这一问题，本次课程设计提出一套乡村水塔水位实时监测与自动抽水控制系统，实现抽
水的自动控制，延长抽水设备的寿命，节约水、电资源。
第一章 元器件清单
第一节 MPX2200型压力传感器
MPX2200型的压力传感器是一种小体积、低功耗、高可靠性产品。如图1—1所示。
图1—1 MPX2200压力传感器
它们的特点在于不同环境条件下都具有高可重复性，高精确度和高可靠性。 除此以外，传感器之间配合工作时还具有非常好的协调性，不需要额外的校正就可以进行替换。
压力传感器所包含的感应元件由4个压电电阻组成，它们埋藏在一个化学蚀刻而成的薄硅隔膜表面下。压力的变化使得隔膜产生形变，产生一个拉扯或扭曲力，这样电阻的值就随之技术规格：
● 供电电源：10V
● 压力量程：0-200KPa
● 可承受最大压力400 KPa
● 可承受的冲击压力为：2000 KPa
● 输出信号：mV 电压信号
● 工作温度：-40℃-125℃
● 温度补偿：0-85℃
● 压力形式：表压（g ），差压（d ），绝压（a ）
● 测量介质：适用于那些不与多醚酰亚胺，硅，氟硅酮密封片起作用的介质
● 线性与迟滞：0.5%
产品特点：
● 专利的导电密封弹性连接系统消除了传统的导线粘结和带状连接
● 专利的snap-together 结构导致了多样化的测量孔形式
● 最低价格的带温度补偿和校整的小型封装压力传感器
● 不同的引脚可选（1x4或2x2）
● 可以测量负压和正压
第二节 光耦合固态继电器SSR
采用固体半导体元件组装而成——无触点开关（接通和断开无机械接触部件）。如图1—3所示。
图1—3 光耦合固态继电器SSR
优点：开关速度快、工作频率高、使用寿命长、噪声低、工作可靠。
使用场合：取代常规电磁式继电器，广泛用于：数字程控装置、数据处理系统、计算机终端接口电路、尤其是动作频繁、防爆、耐潮、耐腐蚀的场合。
缺点：漏电流大、接触电压高、触点单一、使用温度范围窄、过载能力差、价格高。
基本特点：
① 控制功率小：输入很小的控制电流便能正常工作，输出采用大功率管可
控硅器件，具有功率放大作用；
② 可靠性：绝缘防水材料浇铸，没有可动部件；
③ 抗干扰能力强：无触点动作，无火花等电磁干扰，输入/输出之间隔离； ④ 动作快：直流SSR ——响应时间＜几十μS
过零交流SSR ——转换时间≤10Ms （1/2fs f = 50Hz）； ⑤ 寿命长：1012～1013次 （普通电磁式继电器105～106次）；
⑥ 承受的浪涌电流大：6～10倍额定值；
⑦ 对电源电压适应范围广：交流SSR ——30～220VAC 任意选择；
⑧ 耐压水平高：输入/输出介质耐压2.5kV 以上。
第三节 其他元器件
水塔、水泵、连接管、三极管、ADC 的芯片、电阻、连接线等。
第二章 水位传感器设计
液位传感器品种很多，但多数为成品，通常价格较贵，且不便于在自动控制系统中做二次开发使用。为此，采用压力式传感器设计一种水位检测装置，如图1—1所示。其中，l 为水塔，2为水，3为压力传感器，4为连接管。压力传感器通过连接管接到水灌底部开孔，压力传感器内气体的压力为水灌里水柱产生的压力，即
P=ρgH 或 H=P (1) g
其中p 为水的密度，g 为重力加速度。
图2—1 水位传感器结构
压力传感器采用MPX2200，其内部电路是一个惠斯登电桥，其作用是将压力信号转换成为电信号。如图l —1所示。当传感器受到压力时，电桥内应变电阻发生变化而输出相应的电压值。其输出电压与所承受的压力是成线性关系，所以由式(2)可以推出此电路输出的电压为
V 0=KP 或 P=
由式（1）和式（2）可得， H=11V 0=V 0 （3） ρgK gK ρV 0 （2） P
由上式可知，利用 D转换器采集电压 ，已知常数项去和液体密度 ，即可通过微处理器计算出液位的高度。
第三章 控制系统硬件设计
第一节：总体电路
控制系统硬件电路如图3所示，传感器、信号调理电路、按键电路、控制电路等组成。传感器电路和调理电路如图1—2所示，按键和显示电路这里不作介绍，对控制电路进行详述。
图3—1 控制器结构图
第二节 传感器电路
本设计中传感器选用MPX2200型，若用来监控水位变化，由于5M 的水的压力小于200KPa ，故选用MPX2200型，压力范围为0—200KPa 较为合适。该液位监控电路具有反相输出功能，当所加压力为零时，电路输出为4V ，而当所加压力为满量程时，输出电压为0V 。图中，100K Ω电阻有“*”号，为可调节电阻，调节其阻值可使零压力时输出为4V 。
利用输出的电压值，人们就可以知道相应的液位。利用输出电压值，外接一继电器，设置一个合适的电阻，使其电压值为4V 时，继电器启动，抽水电机工作，当输出电压为0V 时，继电器断开，抽水机停止工作。
图3—2 压力传感器及调理电路原理
第三节 控制电路
水泵采用交流22OV 供电，采用光耦合固态继电器SSR 来控制水泵的运转与停止，通过单片机的P1．7口输出电平控制一个三极管，再驱动固态继电器SSR 实现对水泵的控制；固态继电器SSR 的型号由水泵的功能而定。
图3—2 控制电路原理
总结
本次课程设计创新点是为农村高楼提出并设计了一种水塔自动抽水测控系统，解决乡村抽水时水和电的浪费问题。课程设计主要完成了以下工作：
1) 设计了一种压力式水位传感器，介绍了其原理；
2) 设计了抽水控制系统，本系统以MPX2200传感器为核心，以继电器为辅助器件，控制控水机的工作，达到省电，省心，安全的目地。
本系统具有结构简单，性能稳定，成本低，安装方便等优点，适合于乡村的楼宇水塔抽水推广应用。
参考文献
[1] 张乃禄，徐竟天，薛朝妹. 安全检测技术. 西安：西安电子科技大学出版社.2007
[2] 黄仁东，刘敦文. 安全检测技术. 北京：化学工业出版社.2006
[3] 张文昭，包本刚，潘海军，陈爱武. 楼宇水塔水位检测与抽水自动控制系统. 永州.2009
[4] 黄瑞祥，毕净，郑国钦，夏哲雷。集成传感器应用入门。2001年12月