水塔水位检测-设计说明书
编号：
CP-51-2021-036-LW
设计摘要：
本文研究属于喷淋塔技术领域的研究范畴，主要讲的是基于单片机的喷淋塔水位控制系统，使喷淋塔水箱中的水位自动保持在一定位置。文中对具有高度安全性的水位控制系统的结构组成，发展现状以及应用作了较为细致的分析研究。主要阐述了喷淋塔系统的组成、水位控制系统的组成、水位数值的获取、水位上下限的设定、水位高低控制，水位数据显示等功能。
本课题研究的是通过键盘电路实现对水位上下限值的设定，通过超声波水位传感器对水位进行检测，通过LCD1602屏显示水位状态，并在水位出现异常时，通过蜂鸣器和LED灯进行声光报警。报警的同时单片机对继电器控制实现电机的运转，进行水位的自动控制，保持水位处于恒定状态。实验结果表明，本水位控制系统可以准确的对水位自动控制，可以有效的避免喷淋塔因水位不恰当出现的问题，具有设计成本低，实用价值高等优点。
关键词：单片机；水位自动控制；超声波水位检测；LCD1602屏显示水位状态；声光报警
字数：12000+
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目 录
摘 要
Abstract
1 绪论
1.1 论文研究的目的与意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国内研究现状
1.2.1 国外研究现状
1.3 论文研究的技术路线
2 喷淋塔水位控制系统的组成
2.1 喷淋塔水位控制系统的概述
2.2 STC89C52单片机控制模块
2.3 水位高度超声波测距模块
2.4 水位自动控制继电器控制电机模块
2.5 水位高度值LCD1062显示模块
2.6 水位异常声光报警模块
3 喷淋塔水位控制系统的总体设计
3.1 喷淋塔水位控制系统工作原理图
3.2 单片机控制系统
3.2.1 STC89C52单片机的最小系统
3.2.2 STC89C52单片机的引脚
3.3 水位高度测量超声波测距电路
3.4 水位自动控制继电器电路
3.5 水位阈值调节按键控制电路
3.6 水位高度1602液晶显示电路图
3.7 水位异常声光报警电路
4 喷淋塔水位控制系统的程序设计
4.1 编程软件介绍
4.2 喷淋塔水位控制系统的主程序流程图设计
4.3 按键调整水位函数流程图
4.4 水位显示函数流程图
4.5 水位处理函数流程图
5 喷淋塔水位控制系统设计与实现仿真与实验
5.1 水位阈值LCD屏显示功能测试
5.2 按键控制水位阈值测试
5.3 水位高度超声波测距测试
5.4 水位高度自动调整测试
5.5 水位异常声光报警功能测试
致谢
参考文献
附录
附录1.PCB图
附录2.原理图
附录3.程序
1 绪论
1.1 论文研究的目的与意义
二十一世纪是工业和经济迅速发展的时代,工业实体化有一个好的发展，是国家、航空、金融、社会、发展的强大后盾。随着工程建设行业的发展，一系列大气污染问题开始出现，如著名的美国“多诺拉烟雾”事件，日本的“四日气喘病”事件，都是大气中的重金属飘尘和有毒气体共同作用的结果。通过对2020年《中国生态环境状况公报》中的数据经行分析表明，在过去一年里，我国在空气、淡水、海洋、土地等方面的污染，污染程度已经有了非常明显的改善和进步，与前两年相比各种措施的实施取得了很大程度的进展。但在337个城市空气质量的调研中，仍有53.4%的城市环境空气质量超标。环境污染问题不仅严重威胁着人类的生存环境，也制约着国民经济可持续发展，因此近年来国家对环保政策的实施和环保资金投入力度都在加大。
当今世界各国，对可持续性清洁能源的开发和研究尚不成熟。石油、煤炭仍然是我国主要的能源，用于工业生产，供热系统，电力系统等。煤炭燃烧尾气中产生SO2、NOX、CO2以及VOC，重金属离子等有害物质。除此之外，大气污染物中还包括一些卤族元素及粉尘、酸雾、气溶胶等。这些污染物质对我国大气环境造成了严重的破坏，给我国人民的健康带来了极大的伤害。燃气锅炉燃烧产生的高温烟气中含有大量水蒸气，因此有大量余热有待回收.氮氧化物及其转化的硝酸盐颗粒是雾霾的主要成分，氮氧化物排放还可能导致光化学烟雾和颗粒物质，SO2呈酸性，在空气中经过一系列反应会形成酸雨。对我国农业生产造成了严重的破坏，雾霾等污染使人们患呼吸道疾病的机率越来越大。在人们生活水平日益提高的同时，也对关乎自己生命健康的生态环境问题越来越重视，可以看到近年来全国各级政府发布的报告中，针对大气污染的专门防控工作部署逐渐增多，对污染的排放标准越来越严格。为了适应国家环保要求，还人民一个美好绿水青山，对现有的应用技术改进、提高老装置性能必然成为趋势，因此具有重要的研究价值。
经过查阅大量废气处理文献发现，喷淋塔因其占地面积小，安装方便，除尘脱硫效率高，设备运行可靠，维护简单、方便，等优点，在大气污染的处理上被广泛应用。而喷淋塔运作的主要注意事项之一，是要注意循环水量的调节。而维持循环水量调节中，重要的一步就是维持喷淋塔水箱中的水位在正常的阈值范围内。本文是针对因喷淋塔是密封塔，导致人们无法用肉眼准确获知水箱内水位高度和无法进行对当前水箱内的水位高度进行恰当的调整。设计出的一个可以实时监测塔内水箱水位高度，并在塔外用显示屏显示出水位高度，通过声光报警来实现当水位不在正常阈值内进行报警，提醒用户水位处于异常状态的一个水位监测系统。另外再设计一个通过继电器进行控制电机，进行水位自动调节来达到用户设定的喷淋塔水位高度，实现水位恒定状态，以防止因水位不在阈值而造成的一系列喷淋塔事故。本设计还额外添加了按键设置功能，按键可以实现切换界面，调整水位高度，调整水箱高度。该喷淋塔水位控制系统设计与实现研究课题，是在顺应社会环境发展和市场需求的现实意义前提之下，是具有具体的使用价值和研究意义，造福社会，有助于人民身体健康的一个优质产品。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国内研究现状
喷淋塔水位控制系统国外相较国内比较先进，发展比较的迅速。但是国内喷淋塔的设计技术也在逐渐趋于成熟化，虽然各个塔器生产公司的具体塔器设计方法，和生产的工艺有所不同，但是其具体的设计方案已基本成型。
根据目前工业，商业等各领域的发展情况，我们可以看出大型水箱是各个领域生产过程中不可缺少的部件，它的性能和工作质量的好坏，与生产质量和生产安全都有着巨大的关系。在以前，大多数的水位控制，都工作人员进行人工操作，人工操作的工作模式具有很大的局限性。例如，水位高度和流量大小的监控问题，需要工作人员时时刻刻的关注，包括漆黑的夜晚，也需要有人进行执守，时刻观察水箱情况。但是人又难免会有走神打盹的情况，所以当工作人员稍有疏忽，或者是简易的系统器件有所损坏时，会带来巨大经济损失，更严重的是可能会危害到生产人员的生命安全。当转换角度，从水资源节约这方面进行考虑，按照过去人工操作时的情况来看，人工操作时会产生水位信息反馈不及时，对控制产生延迟，会造成水量过多，或水量不足的情况，从而导致的水资源浪费或生产出现异常。所以水箱水位的自动检测系统，可以很轻松的掌握补水过多或补水不够的情况，从而有效的节约水资源和降低生产成本。因此，智能水位控制系统，是当前关于水位控制系统国内研究的热点。
单片机是集成微型计算机的各个部分到一块芯片上，它功能强大，指令集众多，设计简单，造价低廉，它的出现赋予了众多的自动化控制系统生命。多应用与嵌入式系统开发中。进几年来，随着单片机价格的下降，单片机的水箱自动控制系统在生活中的应用越来越受人欢迎，很多的企业也开始着手招聘技术人员，进行单片机开发研究和电路设计，进行水箱控制系统的研究，以便更好的服务于消费者。
所有，对于以单片机为核心的水位自动控制系统的研究，有着很强的探讨和研究意义。对于液体水位的自动控制，是近年来一项较新的技术，水位自动控制有以下明显的优势：
运行参数简洁、直观、集中，以数据的形式显示水位状态。
易于修改运行参数的控制值，以及系统参数的修改，灵活修改水位的上下限。
具有水位控制的智能处理和监控软件，与人机交互界面连接，可根据控制效果，进行人机交互，对运行参数修改，减少工作人员的疲劳以及失误，避免造成不必要的损失，降低企业成本，提高水位控制的实时性和安全性。
1.2.1 国外研究现状
对于国外喷淋塔水位控制系统，其发展速度十分惊人。在自动化、智能化、自适应、以及参数自整定等方面取得了各界人士的认同与认可。尤其在德、美等欧美国家，其技术的发展最为领先，使用该技术生产的液位控制仪器仪表，在很多行业中应用已经非常广泛。[7]
德国Steinmuller. Bischoff、 奥地利AE、美国Marsulex 这些相关公司的吸收塔均为喷淋空塔结构，其中Steinmuller、Marsulex 和AE这三个公司采用增加浆液循环量，他们使用降低吸收区高度的技术来进行保证浆液和烟气接触面积达到合适的水平，从而保证吸收塔脱硫效率。[7]关于水位测量方面，美国科威尔公司KEWILL仪器仪表生产厂商，他们生产的智能型超声波水位仪LUD系列产品，实现多通道多点液位测量的技术，测量范围可达到为2～12m，能够实现智能测温自动补偿，拥有2个上下线报警控制，测量精度非常高。[11]
1.3 论文研究的技术路线
本文设计开发一种对喷淋塔的水箱水位进行自动控制的，水位控制系统，其主要能够自动进行检测水位高低，并通过对比来进行实现超出水位阈值自动报警，然后通过自动控制电机进行加入水，或者抽出水，使水位到达适当的位置。为方便用户查看塔内水位情况，加入了显示屏进行水位实时显示的操作。此实验验证达到效果后，就可以进行适量的生产，本设计的技术路线如下：
第一部分就本课题研究的目的与实现的意义，和国内外关于喷淋塔水位控制系统设计与实现发展的现状和相应的走向，进行了详细的阐述。
第二部分就喷淋塔水位控制系统的组成进行讲述，简明了喷淋塔的组成结构，详细的介绍了以STC89C52单片机为核心控制器的水位控制系统的结构。对各个控制模块选用的器件及所选器件的性能进行简单的介绍。
第三部分就喷淋塔水位控制系统硬件电路设计进行阐述，本部分首先对水位控制系统用的单片机最小系统进行介绍。然后根据所选择的元器件，画出电路设计框图及子程序模块的电路图。对各个模块的电路图，进行深入的讲解和剖析，其相关电路图，包括电源电路，LCD1602显示电路，继电器控制电路，按键电路，蜂鸣器电路，LED灯电路，超声波电路。
第四部分是喷淋塔水位控制系统的软件设计模块，介绍了进行软件编写的编译软件的编写方式和功能，首先对主程序工作的总流程和主函数的编写方式进行概述，然后针对各个不同模块子程序的流程图进行详细讲解。
第五部分主要对喷淋塔水位控制系统进行仿真与实验，对各个功能模块进行实验与测试。
