水库物理模型用坝前水位控制系统及控制装置

摘要

本发明公开了一种水库物理模型用坝前水位控制系统及控制装置，包括控制器、非接触水位检测模块、按键控制模块、阀门控制模块和电源模块；非接触水位检测模块、控制器和阀门控制模块构成自动控制子系统；按键控制模块、控制器和阀门控制模块构成手动控制子系统；非接触式水位传感器检测出水库物理模型中河尾水位到达上下限的时间，河尾水位到达上限水位时，继电器闭合进而开启水库阀门，水位降低至下限水位位置，继电器断开进而关闭水库阀门，实现了水库物理模型河尾水位上下限的自动控制；通过控制UP按钮开启水库阀门放水，控制DOWN按钮闭合水库阀门停止放水，手动控制的优先级大于自动控制的优先级。

说明书

技术领域

本发明属于测量技术领域，具体涉及一种水库物理模型用坝前水位控制系统及控制装置。

背景技术

水库物理模型是用于模拟真实库区的干流原始库容以及真实水库情况。对于水库物理模型的各项测量数据都要要求高精度，以满足所得水库物理模型数据对真实水库情况的参考意义和指导意义，因此针对河道水位控制要求较为严格，并且要强调控制的稳定性和快速性。

由于水库物理模型的规模较小，现在实际中对水库物理模型的水位控制通常采取人工控制阀门开关的方式，通过在水库物理模型的河道的侧面设置水位上限和水位下限，通过人为观察和人为观测，在河尾水位达到水位上限的位置，人工开启河尾阀门开始放水，在河尾水位降至水位下限的位置，人工关闭河尾阀门停止放水。人工控制河尾水位存在快速性差和耗费人力等特点，不能实现水库物理模型河尾水位的自动化控制。

发明内容

针对上述现有技术中描述的不足，本发明提供一种水库物理模型用坝前水位控制系统及控制装置。

本发明所采用的技术方案为：

一种水库物理模型用坝前水位控制系统，包括控制器、非接触水位检测模块、按键控制模块、阀门控制模块和电源模块；电源模块给控制器、非接触水位检测模块、按键控制模块、阀门控制模块供电；非接触水位检测模块、控制器和阀门控制模块构成自动控制子系统；按键控制模块、控制器和阀门控制模块构成手动控制子系统；所述非接触水位检测模块，包括水位检测件和水位检测电路；水位检测件通过水位检测电路与控制器的输入端口连接并将检测信号传输给控制器，控制器根据水位检测件的检测信号给阀门控制模块发送指令，阀门控制模块动作实现水位的控制；所述按键控制模块，至少包括一个按键电路，按键电路给控制器输送手动指令，控制器接收到手动指令后给阀门控制模块发送指令，阀门控制模块动作实现水位的控制。

作为本发明的一种优选方案，所述水位检测电路，包括检测件接口、上拉电阻和辅助电阻；水位检测件与电源模块的直流电压II连接，水位检测件安装在检测件接口上且水位检测件的信号接口一路经上拉电阻与电源模块的直流电压III连接，一路经辅助电阻与控制器的输入端口连接。

作为本发明的一种优选方案，所述水位检测件至少包括上水位检测传感器和下水位检测传感器；所述水位检测电路与水位检测件一一对应，包括上水位检测子电路和下水位检测子电路；上水位传感器经信号线与上水位检测子电路连接，下水位传感器与下水位检测子电路连接。

所述上水位检测子电路，包括上检测件接口UP1、上拉电阻R9和辅助电阻R7；上水位检测传感器与电源模块的直流电压II连接，上水位检测传感器通过信号线安装在上检测件接口UP1上且上水位检测传感器的信号接口一路经上拉电阻R9与电源模块的直流电压III连接，一路经辅助电阻R7与控制器的PA1输入端口连接；且为了安全，在上水位检测传感器的信号接口设有接地电容C6。

所述下水位检测子电路，包括下检测件接口DOWN1、上拉电阻R10和辅助电阻R8；下水位检测传感器与电源模块的直流电压II连接，下水位检测传感器通过信号线安装在下检测件接口DOWN1上且下水位检测传感器的信号接口一路经上拉电阻R10与电源模块的直流电压III连接，一路经辅助电阻R8与控制器的PA2输入端口连接；且为了安全，在下水位检测传感器的信号接口设有接地电容C7。

作为本发明的一种优选方案，所述阀门控制模块，包括受控开关元件和继电器，受控开关元件经分压电阻与控制器的输出端口连接，受控开关元件与继电器线圈连接后与电源模块的直流电压I连接，继电器常开触点与受控阀门电机连接；受控开关元件根据控制器的信号控制继电器线圈的通断，进而实现受控阀门电机的启停。

作为本发明的一种优选方案，继电器线圈并联有二极管D1，且二极管D1的负极与电源模块的直流电压I连接；继电器线圈并联有电机工作状态电路，电机工作状态电路包括发光二极管LED2和电阻R6，发光二极管LED2和电阻R6串联连接，发光二极管LED2能直观显示阀门电机的状态。

具体地，所述受控开关元件采用三级管Q2，三级管Q2的基极通过分压电阻R4与控制器的PA0输出端口连接，三级管Q2的发射极接地，三级管Q2的发射极与继电器线圈连接，继电器线圈的另一端与直流电压I连接；二极管D1的正极与三级管Q2的发射极拦连接，二极管D1的负极与直流电压I连接；发光二极管LED2和电阻R6串联后与继电器线圈并联。

作为本发明的一种优选方案，所述按键电路包括按键和按键电阻，按键电阻的一端与电源模块的直流电压III连接，按键电阻的另一端分为两路，一路与控制器的输入端口连接，另一路与按键串联连接后接地；手动操作按键，控制器接收到手动指令后给阀门控制模块发送指令，阀门控制模块动作实现水位的控制。

所述按键电路具有两个，分别为UP按键电路和DOWN按键电路；且按键都是采用无锁按键，型号为PBS-11，分别用去开启和关闭阀门电机。

所述电源模块，包括直流稳压电路、一次压降稳压电路、二次压降稳压电路，电源端经直流稳压电路后输出直流电压I，直流电压I经一次压降稳压电路后输出直流电压II，直流电压II经二次压降稳压电路后输出直流电压III。

直流稳压电路包括电源接口P2、肖特基二极管D3和稳压二极管D2，肖特基二极管D3的正极与电源接口P1连接，肖特基二极管D3的负极与稳压二极管D2的负极连接，稳压二极管D2的正极接地；外部直流电源经肖特基二极管D3后输出直流电压I，直流电压I为DC12V。

所述一次压降稳压电路，包括熔断器F1、电解电容C11、滤波电容C9、电压稳压器U2、电解电容C12、滤波电容C13；电压稳压器U2为LM78M05电压稳压器。直流电压I经熔断器F1与电压稳压器U2的输入端连接，且熔断器F1与电压稳压器U2的输入端之间连接有并联设置的电解电容C11和滤波电容C9，且电解电容C11和滤波电容C9都是一端接地；电压稳压器U2的输出端输出直流电压II，直流电压II为DC5V；且电压稳压器U2的输出端设有并联设置电解电容C12和滤波电容C13，电解电容C12和滤波电容C13都一端接地；即DC12V经过LM78M05电压稳压器后输出DC5V。

所述二次压降稳压电路，包括电压稳压器U3、电解电容C14、滤波电容C10和电阻R12，电压稳压器U3为AMS117-3.3正向低压降稳压器，电压稳压器U3的输入端与直流电压II连接，电压稳压器U3的输出端与电阻R12连接后接地，电压稳压器U3的输出端与电阻R12之间输出直流电压III，直流电压III为DC3.3V；电压稳压器U3的输出端与电阻R12之间并联设置的电解电容C14和滤波电容C10；且电解电容C14和滤波电容C10都一端接地；即DC5V经过AMS117-3.3正向低压降稳压器后输出DC3.3V，而为了观察供电是否正常，电阻R12串联有发光二极管LED3。

本发明还提供了一种水库物理模型用坝前水位控制装置，包括控制盒、至少两个非接触水位传感器、至少一个按键和控制线，控制盒内设有控制器、水位检测电路、按键电路、阀门控制模块和电源模块，电源模块给控制器、水位检测电路、按键电路和阀门控制模块供电；非接触水位传感器通过信号线与水位检测电路连接，所述的信号线长度为100cm，水位检测电路与控制器的输入端口连接，按键通过按键电路与控制器的输入端口连接；控制器的输出端口与阀门控制模块连接，阀门控制模块通过控制线与待控制阀门电机连接。信号线长度均为100cm，可测量0~200cm的水深变化。

作为本发明的一种优选方案，所述电源模块通过导线与电源盒连接，电源盒将交流电转换为直流电，且电源盒与电源插头连接，采用市电作为供电源头。

作为本发明的一种优选方案，在控制盒上安装有指示灯，指示灯与阀门控制模块连接，指示灯直观知晓阀门电机的状态。

本发明通过设置两个非接触式水位传感器，准确的检测出水库物理模型中河尾水位到达上下限的时间，并且使用STM32F030C8T6单片机控制，在检测河尾水位到达上限水位时，控制阀门控制模块使小型继电器闭合进而开启水库阀门，当水库通过阀门排水后河尾水位降低至下限水位位置，控制器接受到信号，控制阀门控制模块使小型继电器断开进而关闭水库阀门，实现了水库物理模型河尾水位上下限的自动控制；同时装置提供了手动控制功能，通过控制UP按钮开启水库阀门放水，控制DOWN按钮闭合水库阀门停止放水，手动控制的优先级大于自动控制的优先级。

整个装置实现了对水库物理模型中河尾水位的上下限的检测，同时实现了对河尾水位的自动控制使水位限定在上下限水位之间，摆脱了人工控制带来的缺点，提高了对异重流取样的准确性、快速性和自动化；同时使用非接触式水位传感器，适用于非金属容器外壁而无需与液体直接接触，有效的避免了因为泥沙、水垢等杂物对装置的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明控制装置的结构示意图。

图2为本发明的控制原理图。

图3为本发明控制装置的安装示意图。

图4为本发明电源模块的电路图。

图5为本发明水位检测电路的电路图。

图6为本发明阀门控制模块的电路图。

图7为本发明控制器的电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

一种水库物理模型用坝前水位控制系统，如图2所示，包括控制器、非接触水位检测模块、按键控制模块、阀门控制模块和电源模块；电源模块给控制器、非接触水位检测模块、按键控制模块、阀门控制模块供电，控制器为32位单片机，型号为STM32F030C8T6。

非接触水位检测模块、控制器和阀门控制模块构成自动控制子系统。所述非接触水位检测模块，包括水位检测件和水位检测电路；水位检测件通过水位检测电路与控制器的输入端口连接并将检测信号传输给控制器，控制器根据水位检测件的检测信号给阀门控制模块发送指令，阀门控制模块动作实现水位的控制。

本实施例中，所述水位检测件包括上水位检测传感器和下水位检测传感器，上水位检测传感器和下水位检测传感器采用型号为XKC-Y25-NPN的非接触式水位传感器。

所述水位检测电路与水位检测件一一对应，包括上水位检测子电路和下水位检测子电路；上水位传感器经信号线与上水位检测子电路连接，下水位传感器与下水位检测子电路连接。

所述上水位检测子电路，如图5和7所示，包括上检测件接口UP1、上拉电阻R9和辅助电阻R7；上水位检测传感器与电源模块的直流电压II连接，上水位检测传感器通过信号线安装在上检测件接口UP1上且上水位检测传感器的信号接口一路经上拉电阻R9与电源模块的直流电压III连接，一路经辅助电阻R7与控制器的PA1输入端口连接；且为了安全，在上水位检测传感器的信号接口设有接地电容C6。

所述下水位检测子电路，包括下检测件接口DOWN1、上拉电阻R10和辅助电阻R8；下水位检测传感器与电源模块的直流电压II连接，下水位检测传感器通过信号线安装在下检测件接口DOWN1上且下水位检测传感器的信号接口一路经上拉电阻R10与电源模块的直流电压III连接，一路经辅助电阻R8与控制器的PA2输入端口连接；且为了安全，在下水位检测传感器的信号接口设有接地电容C7。

所述阀门控制模块，如图6和7所示，包括受控开关元件和继电器，受控开关元件经分压电阻与控制器的输出端口连接，受控开关元件与继电器线圈连接后与电源模块的直流电压I连接，继电器常开触点与受控阀门电机连接；受控开关元件根据控制器的信号控制继电器线圈的通断，进而实现受控阀门电机的启停。

具体地，所述受控开关元件采用三级管Q2，三级管Q2的基极通过分压电阻R4与控制器的PA0输出端口连接，三级管Q2的发射极接地，三级管Q2的发射极与继电器线圈连接，继电器线圈的另一端与直流电压I连接；二极管D1的正极与三级管Q2的发射极拦连接，二极管D1的负极与直流电压I连接；发光二极管LED2和电阻R6串联后与继电器线圈并联，发光二极管LED2能直观显示阀门电机的状态。

控制器控制三级管Q2的导通，进而控制小型电磁继电器K1的闭合实现接口P1的导通，接口P1连接控制线7，指示灯和电阻R6串联后与小型电磁继电器K1并联，用于指示阀门电机的工作状态。

按键控制模块、控制器和阀门控制模块构成手动控制子系统；所述按键控制模块，两个按键电路，分别为UP按键电路和DOWN按键电路；每个按键电路都包括按键和按键电阻，按键都是采用无锁按键，型号为PBS-11，分别用去开启和关闭阀门电机。按键电阻的一端与电源模块的直流电压III连接，按键电阻的另一端分为两路，一路与控制器的输入端口连接，另一路与按键串联连接后接地；手动操作按键，控制器接收到手动指令后给阀门控制模块发送指令，阀门控制模块动作实现水位的控制。给控制器输送手动指令，控制器接收到手动指令后给阀门控制模块发送指令，阀门控制模块动作实现水位的控制。

所述电源模块，如图4和7所示，包括直流稳压电路、一次压降稳压电路、二次压降稳压电路，电源端经直流稳压电路后输出直流电压I，直流电压I经一次压降稳压电路后输出直流电压II，直流电压II经二次压降稳压电路后输出直流电压III。

直流稳压电路包括电源接口P2、肖特基二极管D3和稳压二极管D2，肖特基二极管D3的正极与电源接口P1连接，肖特基二极管D3的负极与稳压二极管D2的负极连接，稳压二极管D2的正极接地；外部直流电源经肖特基二极管D3后输出直流电压I，直流电压I为DC12V。

所述一次压降稳压电路，包括熔断器F1、电解电容C11、滤波电容C9、电压稳压器U2、电解电容C12、滤波电容C13；电压稳压器U2为LM78M05电压稳压器。直流电压I经熔断器F1与电压稳压器U2的输入端连接，且熔断器F1与电压稳压器U2的输入端之间连接有并联设置的电解电容C11和滤波电容C9，且电解电容C11和滤波电容C9都是一端接地；电压稳压器U2的输出端输出直流电压II，直流电压II为DC5V；且电压稳压器U2的输出端设有并联设置电解电容C12和滤波电容C13，电解电容C12和滤波电容C13都一端接地；即DC12V经过LM78M05电压稳压器后输出DC5V。

所述二次压降稳压电路，包括电压稳压器U3、电解电容C14、滤波电容C10和电阻R12，电压稳压器U3为AMS117-3.3正向低压降稳压器，电压稳压器U3的输入端与直流电压II连接，电压稳压器U3的输出端与电阻R12连接后接地，电压稳压器U3的输出端与电阻R12之间输出直流电压III，直流电压III为DC3.3V；电压稳压器U3的输出端与电阻R12之间并联设置的电解电容C14和滤波电容C10；且电解电容C14和滤波电容C10都一端接地；即DC5V经过AMS117-3.3正向低压降稳压器后输出DC3.3V，而为了观察供电是否正常，电阻R12串联有发光二极管LED3。

实施例2：

一种水库物理模型用坝前水位控制装置，如图1和2所示，包括控制盒1、两个非接触水位传感器3、两个按键5和控制线7，控制盒1内设有控制器、水位检测电路、按键电路、阀门控制模块和电源模块，电源模块给控制器、水位检测电路、按键电路和阀门控制模块供电；非接触水位传感器3通过信号线与水位检测电路连接，所述的信号线长度为100cm，水位检测电路与控制器的输入端口连接，按键5通过按键电路与控制器的输入端口连接；控制器的输出端口与阀门控制模块连接，阀门控制模块通过控制线7与待控制阀门电机连接。信号线长度均为100cm，可测量0~200cm的水深变化。

在控制盒上安装有指示灯6，指示灯与阀门控制模块连接，指示灯直观知晓阀门电机的状态。

所述电源模块通过导线与电源盒2连接，电源盒2将交流电转换为直流电，且电源盒2与电源插头4连接，采用市电作为供电源头。

所述按键分别为UP按键和DOWN按键，采用无锁按键，型号为PBS-11，分别用去开启和关闭阀门电机。给控制器输送手动指令，控制器接收到手动指令后给阀门控制模块发送指令，阀门控制模块动作实现水位的控制。

所述电源模块，如图4和7所示，包括直流稳压电路、一次压降稳压电路、二次压降稳压电路，电源端经直流稳压电路后输出直流电压I，直流电压I经一次压降稳压电路后输出直流电压II，直流电压II经二次压降稳压电路后输出直流电压III。

直流稳压电路包括电源接口P2、肖特基二极管D3和稳压二极管D2，肖特基二极管D3的正极与电源接口P1连接，肖特基二极管D3的负极与稳压二极管D2的负极连接，稳压二极管D2的正极接地；外部直电源经肖特基二极管D3后输出直流电压I，直流电压I为DC12V。

所述一次压降稳压电路，包括熔断器F1、电解电容C11、滤波电容C9、电压稳压器U2、电解电容C12、滤波电容C13；电压稳压器U2为LM78M05电压稳压器。直流电压I经熔断器F1与电压稳压器U2的输入端连接，且熔断器F1与电压稳压器U2的输入端之间连接有并联设置的电解电容C11和滤波电容C9，且电解电容C11和滤波电容C9都是一端接地；电压稳压器U2的输出端输出直流电压II，直流电压II为DC5V；且电压稳压器U2的输出端设有并联设置电解电容C12和滤波电容C13，电解电容C12和滤波电容C13都一端接地；即DC12V经过LM78M05电压稳压器后输出DC5V。

所述二次压降稳压电路，包括电压稳压器U3、电解电容C14、滤波电容C10和电阻R12，电压稳压器U3为AMS117-3.3正向低压降稳压器，电压稳压器U3的输入端与直流电压II连接，电压稳压器U3的输出端与电阻R12连接后接地，电压稳压器U3的输出端与电阻R12之间输出直流电压III，直流电压III为DC3.3V；电压稳压器U3的输出端与电阻R12之间并联设置的电解电容C14和滤波电容C10；且电解电容C14和滤波电容C10都一端接地；即DC5V经过AMS117-3.3正向低压降稳压器后输出DC3.3V，而为了观察供电是否正常，电阻R12串联有发光二极管LED3。

如图3所示，自动控制水位时使用方法为：

步骤1： 将非接触式水位传感器粘黏在水库物理模型的河尾非金属容器的侧壁上，分别对应上限水位位置和下限水位位置。

步骤2： 将电源盒固定在方便接通电源的地方，并将控制线与河尾的阀门电机相连接。

步骤3：接通电源，当河尾水位到达上限值时，控制器驱动阀门电机工作，开闸放水，当河尾水位降低至下限值时，控制器驱动电机将阀门关闭，停止放水。

如图3所示，手动控制时使用方法为：

步骤1： 将电源盒固定在方便接通电源的地方，并将控制线与河尾的阀门电机相连接。

步骤2： 接通电源。按下控制盒上的UP按键，装置驱动阀门电机工作，开闸放水，按下控制盒上的DOWN按键，装置驱动电机将阀门关闭，停止放水。

本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。