基于超聲波傳感器的水箱水位控制器設(shè)計(jì)

馮 洋

(渭南師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院，陜西渭南714000)

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，基于超聲波傳感器的液位測(cè)量系統(tǒng)因具有非接觸式的測(cè)量特點(diǎn)，已經(jīng)用到了很多接觸型測(cè)量?jī)x表不能測(cè)量的特殊場(chǎng)合．我國(guó)住宅小區(qū)的水箱水位控制系統(tǒng)的基本要求是能夠在無(wú)人監(jiān)控的情況下自動(dòng)進(jìn)行工作，因而利用單片機(jī)作為控制系統(tǒng)核心，將超聲波作為檢測(cè)信號(hào)的手段，是一種控制水箱水位的理想裝置［1－2］．該控制器能夠?qū)λ贿M(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控，并依據(jù)用水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，保持水壓恒定，且此設(shè)計(jì)具有設(shè)計(jì)低成本、高實(shí)用價(jià)值的特點(diǎn)．

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)框圖如圖1所示，由圖1可知水箱水位控制的核心是單片機(jī)，通過(guò)鍵盤(pán)電路來(lái)設(shè)置標(biāo)定水位的上限值與下限值，超聲波發(fā)送接收模塊用于采集水位高度，要求實(shí)時(shí)檢測(cè)水箱的液位高度，并與預(yù)設(shè)定的上下限值作比較，由單片機(jī)控制繼電器開(kāi)關(guān)的開(kāi)斷進(jìn)行液位的調(diào)整，最終達(dá)到液位的預(yù)設(shè)定值．檢測(cè)值若高于上限設(shè)定值時(shí)，水泵停止進(jìn)水;檢測(cè)值若低于下限設(shè)定值，要求報(bào)警，開(kāi)啟上水水泵從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱液位的監(jiān)控［3］．

圖1 水箱水位控制器系統(tǒng)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路設(shè)計(jì)中主要包括單片機(jī)主控電路，超聲波發(fā)送和接收電路，水泵控制電路，鍵盤(pán)、顯示和報(bào)警電路．

2．1 單片機(jī)主控電路

單片機(jī)是整個(gè)水位控制器的核心模塊，本系統(tǒng)采用Atmel公司的AT89S52型號(hào)．AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8 K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器;使用Atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容;AT89S52在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用［4］．

2．2 超聲波電路設(shè)計(jì)

超聲波液位檢測(cè)基本工作原理是利用超聲波傳播時(shí)間和傳播速度來(lái)確定液面距離．本設(shè)計(jì)中采用反射式的方式，超聲波傳感器發(fā)射超聲波，遇到液面后超聲波被反射回來(lái)，超聲波接收探頭接收超聲波．利用超聲波傳輸距離與時(shí)間的關(guān)系，可確定液位的高度．

測(cè)距的公式表示為:L=C×T．

式中:L為測(cè)量的距離長(zhǎng)度;C為超聲波在空氣中的傳播速度;T為測(cè)量距離傳播的時(shí)間差(T為發(fā)射到接收時(shí)間數(shù)值的一半)［5］．電路如圖2(超聲波發(fā)送電路)、圖3(超聲波接收電路)所示:

圖2 超聲波發(fā)送電路

圖3 超聲波接收電路

2．3 水泵控制電路

該設(shè)計(jì)的水泵控制電路采用繼電器進(jìn)行高壓與低壓的隔離，圖4為繼電器驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)繼電器對(duì)上水水泵進(jìn)行控制．電路中D1二極管起到續(xù)流保護(hù)作用，由于繼電器的電磁鐵為感性元件，在關(guān)斷瞬間，會(huì)產(chǎn)生很大的自感電動(dòng)勢(shì)，這樣會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)三極管的損壞，甚至損壞控制電路．因此，在繼電器驅(qū)動(dòng)端反接一個(gè)二極管將自感電動(dòng)勢(shì)消除，從而保護(hù)電路［6］．

圖4 水泵上水電路

圖5 水箱水位控制流程圖

2．4 鍵盤(pán)、顯示和報(bào)警電路

鍵盤(pán)主要用于調(diào)節(jié)水箱水位的上下限;顯示電路采用LCD1602液晶模塊實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示液面高度，用于工作人員查詢(xún)［7］;報(bào)警電路可以采用蜂鳴器和發(fā)光二極管組成聲光報(bào)警電路，加入報(bào)警電路主要是用于提示工作人員控制器已經(jīng)檢測(cè)到信號(hào)，正在進(jìn)水．由于篇幅有限，在此不再累述．

3 軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)首先用鍵盤(pán)輸入水箱水位的上限值與下限值，通過(guò)軟件設(shè)計(jì)將超聲波采集的水箱水位的實(shí)際高度與標(biāo)定水位進(jìn)行比較，要求實(shí)時(shí)檢測(cè)水箱的液位高度，并與開(kāi)始預(yù)設(shè)定值作比較，由單片機(jī)控制開(kāi)關(guān)的開(kāi)斷進(jìn)行液位的調(diào)整，最終達(dá)到液位的預(yù)設(shè)定值．檢測(cè)值若高于上限設(shè)定值時(shí)，要求報(bào)警，斷開(kāi)繼電器，停止上水;檢測(cè)值若低于下限設(shè)定值，要求報(bào)警，開(kāi)啟繼電器，開(kāi)啟上水水泵．現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)顯示測(cè)量值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱液位的監(jiān)控．

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)基于超聲波傳感器的水箱水位控制器實(shí)現(xiàn)了對(duì)水箱水位的精確控制和實(shí)時(shí)檢測(cè)，并且可以根據(jù)需要重新調(diào)整水箱水位的上下限，能很好地防止“空塔”和“溢塔”的現(xiàn)象．該設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、易于控制、穩(wěn)定性好，具有很高的實(shí)用價(jià)值，可以用于小區(qū)水箱的控制和農(nóng)業(yè)上的灌溉系統(tǒng)控制，也可用于其他危險(xiǎn)情況下的液面檢測(cè)控制．

［1］張建龍．液位控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)［J］．自動(dòng)化與儀器儀表，2008，12(5):3－6．

［2］陳霞，白小軍．基于單片機(jī)的液位監(jiān)控系統(tǒng)［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，34(6):1－4．

［3］張文昭，包本剛，陳愛(ài)武．樓宇水箱水位檢測(cè)與抽水自動(dòng)控制系統(tǒng)［J］．湖南科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，8(3):14－29．

［4］中國(guó)機(jī)械工業(yè)教育協(xié)會(huì)組．單片機(jī)原理與應(yīng)用［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001．17－21．

［5］張波，王明亮．基于STC89C51單片機(jī)超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］．機(jī)床與液壓，2005，17(6):28－32．

［6］朱維路．供水水泵電機(jī)的自動(dòng)控制電路［J］．電工技術(shù)雜志，1998，16(6):4－18．

［7］李維提，郭強(qiáng)．液晶顯示器件應(yīng)用技術(shù)［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2000．267－287．