陕西航空职业技术学院
毕业设计（论文）
论文题目：水塔自动供水控制系统设计
所属系部：电子工程系
指导老师：廖维国职称：讲师学生姓名：黄开湖班级、学号: 0732113专业：电气自动化技术
2010年4月15日
陕西航空职业技术学院
毕业设计（论文）任务书
电子工程系系电气自动化专业
学生姓名黄开湖学号0732113
一、毕业设计（论文）题目水塔自动供水控制系统设计
二、毕业设计（论文）时间2009 年11 月21 日至2010 年 4 月15日
三、毕业设计（论文）地点：电子工程系教研室
四、毕业设计（论文）的内容要求：
设计要求：设计一个水位自动控制系统，水位可以在一定范围内由人工设定，实现自动调整，以保持设定的水位基本不变。
1、基本部分
(1)当水位到达上线时，绿色报警灯亮，通知水满，并自动停止抽水；
(2)当水位到达下线时，红色报警灯亮，通知缺水，并自动开始抽水；
(3)水位检测电极要考虑对水质无不良影响。
指导老师廖维国2010 年 4 月15日
批准年月日
目录
摘要 (3)
1前言 (4)
2系统方案 (5)
2.1红外式自动供水电部分确定 (5)
2.2红外式自动供水电分析 (6)
2.3变频恒压供水系统的设计 (8)
2.3.1工作原理分析 (9)
2.4红外式自动水塔供水工作原理 (13)
2.4.1PID参数整定 (13)
2.5红外式自动水塔供水工作原理 (16)
3水泵变频调速节电原理 (16)
4电路的设计 (17)
4.1直流稳压电源的设计 (17)
4.1.1程序保护 (18)
4.1.2过电流保护 (19)
4.1.3欠电压保护 (20)
4.2发射电路 (22)
4.3接受解调控制电路 (23)
塔自动供水控制图的分析 (24)
结束语 (25)
致谢 (26)
参考文献 (27)
摘要
介绍了用红外发射与接受电路设计自动抽水泵的原理及设计方案，设计的是一种多功能的智能化水塔自动供水系统，它具有自动测量水位高低，自动开启关闭水泵自动报警等基本功能。该系统操作方便性能良好比较符合农村生产用水系统控制的需要。水塔或高位水池调节是传统而有效的调节方式，当管水塔高水位时，二级泵站每小时供水量可不等于用水量，但每天总供水量仍等于用水量。此时，水泵工作分为二级。只要选泵合理，可使水泵一直在节能状态下工作。因而，水塔水量处入高水位调节不会引起水泵能量的浪费。
从以上分析可知，水泵变速调节只是系统的一种调节方式，同水塔和高位水池调节相比，它可以省去水塔或水池的水量，但要求泵和管网按最高日、最高时流量设计。同时，清水池的容积也要比水塔或水池调节时大。另外，先进的调速设备如变频调速设备一般需要进口，价格较为昂贵。因此，到底采用那种调节方式，需通过技术经济比较后才能确定，不能盲目认为变速调节就一定节能。
关键字:红外发射电路红外接受电路 LM567
1前言
随着我国经济和科学技术的飞速发展，我国各个领域的现代化建设都取得可喜的成果：尤其在中国的广大城市中，可以说现代化的进程已经赶上了发达国家，这一点是我们华夏儿女几代人的梦想。然而，我国农村的现代化进程现在还存在着许多的不足，很多科学成果不能得到广泛的推广，比如人们日益关注的水资源，在中国广大农村供水系统中有很大的浪费，这主要是由于农村供水体系中简单水塔结构所造成的原因，这种水塔存在着种种弊端，比如：无法实现自动供水，没有报警系统，经常造成水资源浪费，供水部及时等等。
故而，平稳的水压、合格的水质是对给水系统提出的基本要求。就目前而言，多数工业、生活供水系统都采用水塔、层顶水箱等作为基本储水设备，由一级或二级水泵从地下市政水管补改进供水装置就能实现供水自动化。
水塔很高，水位高低位不便于观察，水多会溢出来，可用以下方法来解决这个问题，改进供水装置就能实现供水自动化。水塔水位自动控制装置应用在工厂的锅炉系统，主要起锅炉水位自动调节作用，并防止锅炉缺水爆炸和满水位事故的发生。我们采用直接数字控制系统，从信号的产生开始，以传感器来获得水位信息，用滤波器滤掉各种谐波信号，经过模数转换器变成标准的数字信号，用单片机处理后可以达到水塔自动控制的目的。
2系统方案
水温控制系统设计任务和要求：
该系统为一实验系统，系统设计任务：
设计一个水塔自动供水控制系统，水位可以在一定范围内由人工设定，实现自动
调整，以保持设定的水位基本不变。
系统设计具体要求：
⑴当水位到达上线时，绿色报警灯亮，通知水满，并自动停止抽水；
⑵当水位到达下线时，红色报警灯亮，通知缺水，并自动开始抽水；
⑶水位检测电极要考虑对水质无不良影响；
2.1红外式自动供水电部分确定
温控制系统是一个过程控制系统，在设计过程中，必须明确它的组成部分。过程
控制系统的组成部分有：控制器、执行器、被控对象和测量变送单元，其框图如图1
图1 过程控制组成框图
由图1可知，在这个系统的设计中，主要设计如图几个部分。除此之外，根据题
目要求，还要选取合适的控制算法来达到系统参数的要求。对于执行器件、测量变送
元件将在部分电路设计中有说明。在这个部分我主要是对控制器的确定和控制算法的
选择作一个详细的介绍。因为这两部分是实现本系统控制目的的关键。它们选取的好坏将直接影响着整个系统实现效果的优劣，所以这是一项不容怱视的工作。
2.2 红外式自动供水电分析
水位是一个普通而又重要的物理量，在许多领域里人们需对水位进行测量和控制。长期以来国内外科技工作者对温度控制器进行了广泛深入的研究，产生了大批水位控制器，如性能成熟应用广泛的PID 调节器、智能控制PID 调节器、自适应控制等。此处主要对一些控制器特性进行分析以便选择适合的控制方法应用于改造。
⑴ 常规PID
PID 在温度控制中已使用数十年，是一种成熟的技术，它具有结构简单、易于理解和实现，且一些高级控制都是以PID 为基础改进的。在工业过程控制中90%以上的控制系统回路具有PID 结构，在目前的温度控制领域应用十分广泛，即使在科技发达的日本，PID 在其温度控制应用中仍然占80%的比例。其主要构成如图2所。
由图可知PID 调节器是一种线性调节器，这种调节器是将设定值w 与实际输出值y 进行比较构成偏差
图2 模拟PID 控制
e = w-y
并将其比例、积分、微分通过线性组合构成控制量。其动态方程为：
dt t de K dt t e K t e K t u d i p )()()()(?++=
其中p K ---为调节器的比例放大系数
i K ---为积分时间常数
d K ---为微分时间常数
PID 调节器的离散化表达式为
其增量表达形式为：
其中T 为采样周期。 可见温度PID 调节器有三个可设定参数，即比例放大系数p K 、积分时间常数i K 微分时间常数d K 。
比例调节的作用是使调节过程趋于稳定，但会产生稳态误差；
积分作用可消除被调量的稳态误差，但可能会使系统振荡甚至使系统不稳定； 微分作用能有效的减小动态偏差。
在实际使用中,在满足生产过程需要的前提下,应尽量选择简单的调节器,这样,既节省投资,又便于维护。 常规PID 控制调节器是一种应用广泛技术成熟的控制方法，它能满足一般工业控制的要求，其优点是原理简单、使用方便、适应性广。采用PID 控制，控制效果的好坏很大程度上取决于PID 三个控制参数的确定。对一个控制系统而言， 只要参数选择适当,都能取得较好的控制效果。
⑵ 自动控制方式
)]1()([)()()(--+
+=k e k e T
K k Te K k e K k u d i p )1()()(--=?k u k u k u )]2()1(2)([)()]1()([-+--+
+--=k e k e k e T
K k Te K k e k e K d i p
为了实现温度的自动控制，必须要组成一定的系统结构。该控制系统是把输出量检测出来，经过物理量的转换，再反馈到输入端去与给定量进行比较（综合），并利用控制器形成的控制信号通过执行机构SSR对控制对象进行控制，抑制内部或外部扰动对输出量的影响，减小输出量的误差，达到控制目的。在此控制系统中单片机就相当于常规控制系统中的运算器控制器，它对过程变量的实测值和设定位之间的误差信号进行运算然后给出控制信息。单片机的运算规则称为控制法则或控制算法。
用的控制算法有以下几种：
(1)经典的比例积分微分控制算法。
(2)根据动态系统的优化理论得到的自适应控制和最优控制方法。
自适应控制、最优控制方法以及模糊控制算法是建立在精确的数学模型基础上的，在实时过程控制中，由于控制对象的精确数学模型难于建立，系统参数经常发生变化，运用控制理论进行综合分析要花很大代价，主要是时间。同时由于所得到的数学模型过于复杂难于实现。在实时控制系统中要求信号的控制信号的给出要及时，所以在目前的过程控制系统中较少采用自适应控制、最优控制方法和模糊控制算法。目前在过程控制中应用较多的还是PI控制算法、PD控制算法和PID控制算法。
2.3变频恒压供水系统的设计
供水泵组存在的问题和用水负荷的实际情况，我们设计采用11kW富士变频器，压力传感器，微电脑控制器(包括PID调节)等组成闭环调节垣压控制系统，使水泵恒压供水，其供水压力可调。图3为供水控制系统组成方框图
图3 供水控制系统组成方框图
2.3.1工作原理分析
三相动力变频应急电源供电对象和控制对象是电动机，那么设计思路要围绕电动机的特性而设计，要考虑电机的启动、调速、停止，要避免电机起动过程中的冲击电流。与其他EPS的不同的是这类EPS一般只有单路输出。当三相输入市电，正常时经整流后给逆变器提供直流电，同时经充电器对蓄电池组充电,蓄电池组处于全浮充状态，蓄电池组的电压比变频器支流环节的电压略低，当三相输入断电或异常时，自动转换由蓄电池组给变频器提供直流电。当需要电机负载工作时，送给变频器运行信号，变频器会立即启动并输出。变频器的频率给定可采用面板控制，也可采用远程给定，当然也可采用闭环工艺控制。
变频器的选择要从实际出发，由于在这里对变频器能使用到的功能不多。所以选择变频器要主要考虑三个因素：质量、价格和可操作性。
变频器是整个应急电源的核心部分，所以变频器质量将很大程度上决定应急电源的质量。变频器本身的功率器件，整流模块以及IGBT模块应有适当的余量，以保证承受蓄电池电压接入时的冲击。
控制电路：
由锯齿波产生电路可知上升和下降的斜率是可以通过改变电路参数来调整，即电容的冲放电的时间常数是可调的。在3525A芯片中，RT阻值决定了内部恒流源对CT 的充电，而CT的放电则由RD决定。这样就把充电和放电回路分开，有利于通过RD 来调整最小死区时间T dead min，从而也调整了其它脉宽时的死区时间T dead。芯片的振荡频率可近似表示为:在维持RT固定不变的情况下，由频率公式可以看到Fs 与RD成反比变化。在本系统中CT=2.2nf，RT=8.2kΩ，RD=120Ω，则系统开关频率据上式计算的理论值为Fs=37.3kHz，实测值Fs=37.4kHz，PWM周期T=26.7μs。 (2) 死区时间分析上面提到了两个时间参数T dead和T dead min: T dead是系统工作时一个开关管关断到另一个开关管导通的时间间隔； T dead min是一个安全死区时间参数，它是基于开关管的物理开关特性来定义的，即要求开关管在时间内完全关断。
T dead min 的出现，必然导致输出脉宽受限，最大输出脉宽。显而易见T dead 与T dead min 的关系为:T dead min ≤T dead 。
本系统中，在电容CT 两端可得到一个从0.96V 到3.2V 变化的锯齿波，基于本系统开关频率、在反馈电压为1.6V 时做出如图3所示的PWM 脉冲及死区时间的仿真分析。
图4 PWM 脉冲及死区时间的仿真分析
由图4可知，芯片的振荡周期: T = 2 ( T r * T f ) 芯片输出的脉冲宽度:
其中: T r 为电容； CT 充电时间； T f 为电容； CT 放电时间； PW
为芯片输出的脉冲宽度且PW ≤ PW max ，T dead 为死区时间。在不变动RT 的情况下，T r 便为定值，当RD 发生变化时，T f 将随之变化，从而引起T 的变化，则在输出相同脉宽的情况下T dead 必然发生变化。这就是调整死区时间的基本原理。另外，从图4中可以看到输出的两路脉冲相位相反而且间隔均等，
这就很好的保证了变压器的
DRA
15V
5V
T dead
DRB 15V
5V 4V
3.2V 1.8V 0.96V
26.7us 60.0us 100.0us
PW
充磁平衡，防止磁偏的发生。U1B 、R10、R9、W2构成系统反馈深度调节环节，它决定了系统传函框图中的反馈系数K ；由于受到锯齿波电压的限制，输入芯片的电压值超过了某一个固定值之后便不能再影响输出脉冲的宽度，为了保护芯片，调整 便可以限定进入芯片的最大电压值。设PI 环节的传函为G1(s)，3525A 芯片的传函为G2(s)，主电路的传函为G3(s)。则整个系统的传函为
系统的传函框图如图5所示。
图5 系统传函框图
在这里结合实际的调试经验作两点说明: 反馈系数K 的设定需综合考虑到U g 的给定范围，使得反馈值Uf1能够很好的跟踪给定电压U g ，并且使输出电压均匀、平滑的上升；PI 环节中的比例环节主要由R5决定，积分环节主要由C2决定。增大R5的值可以提高系统的动态响应特性和系统响应的幅值，但当R5超过了某个特定的值之后，整个闭环系统将趋于不稳定； 增大C2的值可以减小系统的超调量，但系统的响应速度将减慢，如果C2的值过小，将导致整个闭环系统不稳定。
过流环节分析图6中电压源限流环节的U if
信号是经过电流传感器和运放环节
处理过的一个负的电压信号,U if与V1的比较结果决定了系统是否进行限流操作。当电压源正常工作时，图中的晶体管N1工作在线性放大区，当发生限流时便工作在饱和区，这一点通过调整R7和R8的值便可实现。当限流发生时，此时控制电路中的电容C11的电压值较低，导致输出脉宽迅速变窄，输出电压回落，从而开始了一个输出电压被限定的动态稳定过程。基于本系统将限流值设定为5.3A时所得的一组实测数据为: 正常工作时C2的电压值为4.85V，限流发生时为2.1V。
图6 限流及保护电路
电压源保护环节中的晶体管是工作在饱和区，作为数字开关管来使用。当信号Error为高电平时，晶体管饱和导通，此时C11的电压值被拉低，脉冲被封锁，系统处于非工作状态。
2.4红外式自动水塔供水工作原理
红外式自动抽水机由红外发射器、红外接受器、开关放大电路、固态继电器及电磁阀等组成，220VAC经变压器T降压，变为9VAC，再由整流、滤波、稳压，得到6VDC 供给控制电路工作。LED为水龙头的电源指示。自动抽水机接通电源，当上升到指定的高度时，红外发光二极管发射的红外线被阻挡，不能被红外接受器接受。输入的信号经放大器放大分两路输出：一路去触发固态继电器，使电磁阀打开，水流出。2.4.1PID参数整定
控制系统的控制质量与被控制对象的特性、干扰信号的形式和幅值、控制方案及控制器的参数等因素有着密切的关系。对象的特性和干扰情况是受工艺操作和设备的特性限制的，不可能随意改变，这样，一旦控制方案确定了，对象各个通道的特性就成定局，这时控制系统的控制质量就只取决于控制器的参数。因此，参数的整定是过程控制系统设计的核心内容。
调节器参数整定的方法很多，概括起来可以分为两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，采用控制理论中的根轨迹法，频率特性法等，经过理论计算确定调节器参数的数值。二是工程整定方法，它主要依靠工程经验，直接在过程控制系统的实验中进行，且方法简单、易于掌握。由于本系统有别于工业实际系统因此对于参数整定来说，使用工程参数整定法效果不是很好，该系统参数整定采用经验凑试法。
K，一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差。
增大比例系数
p
但过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。
增大积分时间
K，有利于减小超调，减小振荡，使系统更加稳定，但系统静差
i
的消除将随之减慢。
增大微分时间
K，亦有利于加快系统响应，使用权超调减小，稳定性增加，但
d
系统对扰动的抑制能力减弱，对扰动有较敏感的响应。
在凑试时，可参考以上参数对控制过程的影响趋势，对参数实行下述比例、后积分、再微分的整定步骤：
（1）整定比例部分
将比例系数由小变大，并观察相应的系统响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。如果系统没有静差或静差已小到允许范围内，并且响应曲线已属满意，那么只需用比例调节器即可，比例系数可由此确定。
（2）加入积分环节
如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则须加入积分环节。整
为一较大值，并将经第一步整定得到的比例系数略微缩小（如定时首先置积分时间K
I
缩小为原来的0.8倍），然后减小积分时间，使在保持系统良好动态性能的情况下，静差得到消除。在此过程中，可根据响应曲线的好坏反复改变比例系数与保持时间，
以期得到满意的控制过程与整定参数。
（3）加入微分环节
若使用比例积分调节器消除了静差，但动态过程经反复调整仍不能满意，则可加入微分环节，构成比例积分微分调节器。在整定时，可先置微分时间K d为零。在第二步整定的基础上，增大K d，同时相应地改变比例系数和积分时间，逐步凑试，以获得满意的调节效果和控制参数。
所谓“满意”的调节效果，是随不同的对象和控制要求而异的。此外PID调节器的参数对控制质量的影响不十分敏感，因而在整定中参数的先定并不是唯一的。事实上，在比例、积分、微分三部分产生的控制作用中，某部分的减小往往可由其它部分的增大来补偿。因此，用不同的整定参数完全有可能得到同样的控制效果。从应用的角度看，中要被控过程主要指标已达到设计要求，那么即可选定相应的调节器参为有效的控制参数。表1给出了一些常见被调量的调节器参数选择范围。
表1 常见被调量的调节器参数选择范围
变频调速恒压供水控制装置能够极大地改善给水管网的供水环境，该系统可根据管网瞬间压力变化，自动调节水泵电机的转速和多台水泵电机的投入及退出，使管网主干出口端保持在恒定的设定压力值，整个供水系统始终保持高效节能和运行在最佳状态。
2.5红外式自动水塔供水工作原理
红外式自动抽水机由红外发射器、红外接受器、开关放大电路、固态继电器及电磁阀等组成，220VAC经变压器T降压，变为9VAC，再由整流、滤波、稳压，得到6VDC 供给控制电路工作。LED为水龙头的电源指示。自动抽水机接通电源，当上升到指定的高度时，红外发光二极管发射的红外线被阻挡，不能被红外接受器接受。输入的信号经放大器放大分两路输出：一路去触发固态继电器，使电磁阀打开，水流出。
3水泵变频调速节电原理
步电动机采用变频器调速的原理是：通过整流桥将工频交流电压变为直流电压，再由逆变桥变换为频率可调的交流，作为交流异步电动机的驱动电源，使电动机获得无级调速所需的电压、电流和频率。
水泵供水系统具有管网特性曲线，即通道管网的流量与所消耗的能量之间的关系曲线，它同时表明水泵的能量用来克服泵系统的水位及压力差，液体在管道中流动的阻力。
水泵运行工作点位置与水泵负载有关，在水泵负载经常变化的情况下，水泵不能总处在高效区域里工作。为使水泵适应外界负载变化的要求。我们可采用变速调节，即在管网特性曲线基本不变时，采用改变水泵转速来改变泵的Q—H特性曲线。从而改变它的工作点，达到即改变流量又能保证水泵恒定和输入功率减少的目的。如图7
图7水泵变速运行图
根据水泵的相似定律，变速前后流量、扬程、功率与转速之间关系为：
式中P
1、H
1
、Q
1
为转速n
1
时的功率、扬程、流量；P
2
、H
2
、Q
2
为转速n
2
时的功率、扬
程、流量。由此可见，当水泵在变负荷工作情况下，采用变频器调节水泵电机转速时，轴功率随转速比的三次方关系进行变化，节电效果明显。
4电路的设计
4.1直流稳压电源的设计
电子设备一般都需要直流电源供电。这些直流电除了少数直接利用干电池和直流发电机外，大多数是采用把交流电（市电）转变为直流电的直流稳压电源。
图8 直流稳压电源框图
直流稳压电源由电源变压器、整流、滤波和稳压电路四部分组成，其原理框图如
图5 所示。电网供给的交流电压u
1
(220V,50Hz) 经电源变压器降压后，得到符合电
路需要的交流电压u
2
，然后由整流电路变换成方向不变、大小随时间变化的脉动电压
u 3，再用滤波器滤去其交流分量，就可得到比较平直的直流电压u
2
。但这样的直流输
出电压，还会随交流电网电压的波动或负载的变动而变化。在对直流供电要求较高的场合，还需要使用稳压电路，以保证输出直流电压更加稳定。
4.1.1程序保护
开关稳压电源的电路比较复杂，基本上可以分为小功率的控制部分和大功率的开关部分。开关晶体管则属大功率，为保护开关晶体管在开启或关断电源时的安全，必须先让调制器、放大器等小功率的控制电路工作。为此，要保证正确的开机程序。开关稳压器的输入端一般接有小电感、大电容的输入滤波器。在开机瞬间，滤波电容器会流过很大的浪涌电流，这个浪涌电流可以为正常输入电流的数倍。这样大的浪涌电流会使普通电源开关的触点或继电器的触点熔化，并使输入保险丝熔断。另外，浪涌电流也会损害电容器，使之寿命缩短,过早损坏。为此，开机时应该接入一个限流电阻，通过这个限流电阻来对电容器充电。为了不使该限流电阻消耗过多的功率，以致影响开关稳压器的正常工作，而在开机暂态过程结束后，用一个继电器自动短接它，使直流电源直接对开关稳压器供电，如图6所示。这种电路称之谓开关稳压器的“软启动”电路。
图9 启动电路
开关稳压器的控制电路中的逻辑组件或者运算放大器需用辅助电源供电。为此，辅助电源必须先于开关电路工作。这可用开机程序控制电路来保证。一般的开机程序是:输入电源的极性鉴别，电压保护→开机程序电路工作→辅助电源工作并通过限流电阻R对开关稳压器的输入电容器C充电→开关稳压器的调制电路工作，短路限流电阻→开关稳压器稳定工作。
在开关稳压器中，刚开机时，因为其输出电容容量大，充到额定输出电压值需要一定时间。在这段时间内，取样放大器输入低的输出电压采样，根据系统闭环调节特性将迫使开关三极管的导通时间加长，这样一来，开关三极管就会在这段期间内趋于连续导通，而容易损坏。为此，要求在开机这一段时间内，开关调制电路输出给开关三极管基极的脉宽调制驱动信号，能保证开关三极管由截止逐渐趋于正常的开关状态，故而要加设开机保护以配合软启动。
4.1.2过电流保护
当出现负载短路、过载或者控制电路失效等意外情况时，会引起流过稳压器中开关三极管的电流过大，使管子功耗增大，发热，若没有过流保护装置，大功率开关三极管就有可能损坏。故而在开关稳压器中过电流保护是常用的。最经济简便的方法是用保险丝。由于晶体管的热容量小，普通保险丝一般不能起到保护作用，常用的是快速熔断保险丝。这种方法具有保护容易的优点，但是，需要根据具体开关三极管的安全工作区要求来选择保险丝的规格。这种过流保护措施的缺点是带来经常更换保险丝的不便。
在线性稳压器中常用的限流保护和电流截止保护在开关稳压器中均能应用。但是，根据开关稳压器的特点，这种保护电路的输出不能直接控制开关三极管，而必须使过电流保护的输出转换为脉冲指令，去控制调制器以保护开关三极管。为了实现过电流保护一般均需要用取样电阻串联在电路中，这会影响电源的效率，因此多用于小