一种基于单片机的排水控制系统

纵榜峰

（ 宿州学院 机械与电子工程学院，安徽 宿州 234000 ）

一种基于单片机的排水控制系统

纵榜峰

（ 宿州学院 机械与电子工程学院，安徽 宿州 234000 ）

采用STC89C52RC单片机作为控制核心来实现一种排水控制系统。不同高度的水位传感器获取的水位信息通过水位检测系统发送给单片机，单片机根据不同的水位信息对驱动系统发送不同的指令，驱动系统采用ULN2003芯片作为驱动核心来驱动继电器的开合，最终实现不同水位条件下对水泵和报警器的运行进行合理安排。该系统经过实际测试，性能稳定，能根据水位精准控制水泵和报警器的运行。

单片机； 继电器； 排水控制系统

排水系统广泛应用于煤矿、水库及城市排涝等领域，系统的控制方式也朝着自动化、智能化的方向发展[1]。目前较常见的是采用PLC系统和单片机系统来实现排水系统的自动控制。本文提出的控制系统采用STC89C52RC单片机、ULN2003芯片、液位传感器 、继电器控制模块、报警装置以及相应的辅助电路来设计一种结构简单、性能稳定、经济实用的排水控制系统。

1.系统总体方案设计

系统设计方案如图1所示，在排水区域设置三个水位警戒高度，如果水位处于警戒水位以下，所有水泵不工作，报警器不报警。当水位超过第一级警戒水位时，第一级水泵启动进行排水作业。水位超过第二级警戒水位时，第二级水泵也被启动进行排水。当水位超过第三极警戒水位时，第三级水泵和报警器同时被启动，三台水泵同时抽水，报警器

报警。同样，若水位降到第三警戒水位以下，报警器停止报警，第三级水泵停止工作。水位降到第二警戒水位以下，第二级水泵也停止工作，只有第一级水泵在排水。当水位降到一级水位以下时，三台水泵和报警器都不工作。此外，在水位上涨过程中，为了提高水泵的排水效率，三台水泵的排水量呈阶梯状分布，第三级水泵排水量最大，第二级次之，第一级最小。这样能在水位上涨较快时尽快将水位降到警戒线以下。

图1 系统设计方案图

1.1.主控电路

主控电路是整个控制系统的核心，电路原理图如图2所示，由单片机最小系统、电源模块、串口通信模块及其他外围电路组成。本设计中的单片机最小系统作为控制核心由STC89C52单片机、复位电路和时钟电路3部分组成[2]。拥有8051内核的STC89C52RC 单片机是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，片内含8K bytes 的可反复擦写的Flash 、只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），这些特点使得STC89C52能为控制系统提供灵活、有效的解决方案。为了有效解决单片机和计算机之间的数据通讯问题，在该设计方案中采用了串行通信模块，该模块采用MAX232实现RS232与TTL之间的电平转换，使得单片机和计算机之间能够有效地进行串行通信[3]。

图2 主控系统电路原理图

电源模块为控制电路提供工作时所需的5V电压。液水位传感器把获取的水位信号通过单片机的P2口传给单片机，单片机根据液位信息再通过P0把控制信号发送给驱动模块来控制继电器。为了在单片机的P0口得到高电位，我们把P0口接上电源，所以在电源和P0口之间要加10K的排阻，也叫做上拉电阻，主要起到限流作用。

1.2.水位信号检测电路

水位传感器选用浮球开关，其输出的是开关量，且报警器和水泵的控制也都是开关式控制，因此对水位信号无需进行A/D或D/A转换，只需考虑耦合隔离提高其抗干扰能力。如图3所示的电路中，排针外接浮球开关，当浮球开关因液位上升闭合时，LED灯亮，双排针引脚电位会发生变化。这种变化传给单片机表现为高电平和低电平信号。

图3 浮球开关连接电路

1.3.驱动系统电路

由于单片机的输出电流较低，对负载的驱动能力低，无法对继电器直接驱动，需使用驱动电路来间接对继电器进行驱动，本设计选用ULN2003芯片作为驱动核心器件。ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN达林顿管组成，多用于单片机、智能仪表、PLC等控制电路中，可直接驱动继电器等负载。输入5V TTL电平，输出可达500mA/50V，能供给继电器足够大的电压和电流以使其正常工作[4]。

本设计中的继电器驱动电路原理如图4所示，在单片机信号的输入口加入一个光电耦合电路，能够有效隔离电路防止外界干扰。ULN2003有7个TTL信号输入端和7个输出端， 因此理论上ULN2003最多可同时控制7个继电器。单片机的高低电平指令从P0.0端输入，当单片机控制端送出高电平时，光电耦合器中的光敏三极管导通，ULN2003的IN口接收到高电平，与之对应的OUT口就为低电平，继电器吸合；反之，当单片机输出低电平时继电器断开。此外，在用ULN2003来驱动继电器时，可以将COM脚接到继电器的VCC端，利用ULN2003内部的反向二极管作保护继电器，消除继电器闭合时产生的感应电压。通过这种驱动电路，我们可以控制一些功率较大的水泵进行工作。

图4 继电器驱动电路

2.控制系统软件设计

排水系统的控制程序采用C语言编程，使得单片机能够根据采集到的各个水位信息对四个继电器进行有效控制。程序主要包括一个while循环程序，循环程序里又包括三个if条件判断程序，算法流程图如图5所示。

图5 算法流程图

3. 系统调试效果分析

该排水系统在完成了系统硬件和软件的设计后进行了上电联机调试，调试结果显示，当水位低于警戒水位时，水泵和报警器均不工作。水位超过第一级警戒水位时，水泵1开始工作。水位继续增加超过第二级水位时，水泵2启动和水泵1一起工作。水位超过第三级水位时，水泵3启动和水泵1水泵2一起工作，同时报警器报警。而当水位分别下降至三个警戒水位时，报警器首先停止报警，三个水泵逐一停止工作。调试结果表明该系统的设计正确可行，各项性能指标达到预期要求，具有一定的实用价值，也为单片机应用的类似设计提供了参考经验。

4.结语

该设计经过反复论证和调试，各项指标达到了预期要求，表明文中所介绍的控制系统的硬件和软件的设计正确可行，且成本较低、易于实现、性能稳定、效率较高，具有一定的实用价值，为单片机应用的类似设计提供了参考经验。

[1] 王松林.基于单片机的转载机三级传送控制系统设计[J].长江大学学报（自科版），2013，8（22）：64-67.

[2] 周平.基于单片机的液位检测系统设计[J].宜春学院学报，2013，35（12）：68-70.

[3] 陶玉贵，章杰，汪金宝.基于STC89C52RC的智能小车设计[J].长江大学学报（自科版），2013，10（25）：61-63.

[4] 郑振杰.单片机结合ULN2003驱动步进电机[J].电机技术，2010，（6）：44-46.

Design of drainage control system based on single chip microcomputer

ZONG Bangfeng
( College of Mechanical and Electronic Engineering, Suzhou University, Suzhou, Anhui 234000, China )

This design uses STC89C52RC microcontroller as the core to achieve a drainage control system. Opening and closing of the different height of water level sensor to obtain the water level information transmitted through the water level detection system to the microcontroller, SCM according to different water level information to drive system transmits different instructions, drive system selected ULN2003 chip as the core drive, finally made it to drive the relay, the ultimate realization of operation of the pump and an alarm under the condition of different water level for a reasonable arrangement. The system has been tested in practice and the performance is stable, and the operation of the pump and alarm can be controlled according to the water level.

single chip microcomputer, relay, drainage control system

TP273

A

1673-9639 (2016) 04-0059-04

（责任编辑 田波）（责任校对 毛 志）

2015-08-13

宿州学院产学研项目“基于LabVIEW的煤矿井下排水系统”（2014cxy03）。

纵榜峰（1981-），男，安徽萧县人，宿州学院机械与电子工程学院教师，研究方向：电子技术。

*通讯作者：纵榜峰，E-mail：22834605@qq.com。