基于單片機(jī)液位控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)?

張小娟 高 蕊 常豪豪

1 引言

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，容器中料位狀態(tài)往往決定著所要生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量的高低。容器中物料的狀態(tài)一般有料位，溫度、濃度［1］等都十分重要，所以研究生產(chǎn)過(guò)程這些控制量對(duì)于生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)往往具有十分重要的意義。以液位為研究對(duì)象，生產(chǎn)過(guò)程［2］中一般要保障容器里的原料、產(chǎn)品或半成品的數(shù)量，來(lái)確定生產(chǎn)過(guò)程各環(huán)節(jié)物料平衡以及為進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算，首先應(yīng)該有能夠檢測(cè)該容器液位的裝置提供的依據(jù)，另外還有可靠的控制方式來(lái)改變?nèi)萜髟系臄?shù)量；以及對(duì)液位的實(shí)時(shí)測(cè)量，掌握液位在規(guī)定的波動(dòng)范圍內(nèi)波動(dòng)情況，進(jìn)而及時(shí)調(diào)整正常生產(chǎn)狀態(tài)［3］。液位測(cè)量在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中已經(jīng)的格外重要而且逐漸成熟。特別是對(duì)液位測(cè)量，能夠幫助確定液位或物位的高度，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和智能化接軌以便于其他工作的有序進(jìn)行。

2 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是基于單片機(jī)的超聲波液位［4］測(cè)控系統(tǒng)主要由單片機(jī)、時(shí)鐘、復(fù)位電路組成的最小系統(tǒng)和測(cè)溫、按鍵電路、超聲波模塊、顯示、報(bào)警及控制電路等組成。硬件系統(tǒng)的框圖如圖1所示。

本裝置在使用范圍內(nèi)，根據(jù)使用場(chǎng)合先確定探頭距容器底部安裝高度，然后設(shè)定液位波動(dòng)范圍，后投入運(yùn)行，在運(yùn)行時(shí)也可設(shè)定液位波動(dòng)范圍，此時(shí)電機(jī)被自鎖不會(huì)動(dòng)作，系統(tǒng)會(huì)給予狀態(tài)提示，設(shè)置完畢退出設(shè)置模式后電機(jī)恢復(fù)正常執(zhí)行。

圖1 超聲波液位測(cè)量系統(tǒng)框圖

3 超聲波液位測(cè)控系統(tǒng)

3.1 超聲波測(cè)液位原理

超聲波液位［5］測(cè)量的原理也就是基于測(cè)距原理，即是超聲波探頭測(cè)到距液面的距離，如果超聲波探頭經(jīng)過(guò)特殊處理安裝在容器的底部時(shí)，測(cè)得的距離就為液位的實(shí)際高度，如果探頭安裝到容器液面的上方，需要通過(guò)單片機(jī)換算來(lái)得到液位高度（液位的高度為超聲波探頭相對(duì)于容器底部距離減去實(shí)際測(cè)到的距離），本設(shè)計(jì)考慮到實(shí)際應(yīng)用的方便性，選擇把超聲波探頭裝到容器液面的上方。同時(shí)，本設(shè)計(jì)兼有按鍵切換測(cè)距功能。

此系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)算法原理設(shè)計(jì)由圖2參考可知，液位換算公式：

式中：H為探頭到所測(cè)容器底部的距離，需要安裝好完后提前測(cè)量；S為本系統(tǒng)在工作過(guò)程中探頭到實(shí)時(shí)液面所測(cè)得到的距離；h即為所要檢測(cè)的液位。

圖2 測(cè)液位原理

3.2 電機(jī)控制原理

液位控制之前首先要確定現(xiàn)場(chǎng)容器液位［6］允許波動(dòng)的范圍，在安裝完成之后可以通過(guò)鍵盤設(shè)定其液位的上下限，然后系統(tǒng)投放運(yùn)行后，由單片機(jī)根據(jù)實(shí)時(shí)采集到液位高度控制電機(jī)工作及其狀態(tài)指示，即當(dāng)液位低于下限時(shí)，給于狀態(tài)提示以及順時(shí)打開(kāi)電機(jī)，當(dāng)高于下限在液位波動(dòng)范圍內(nèi)，狀態(tài)燈關(guān)閉以及電機(jī)反轉(zhuǎn)關(guān)閉。當(dāng)液位高于上限，目前只提供狀態(tài)提示可為以后擴(kuò)展用。

本系統(tǒng)工作基本流程圖如下：

圖3 電機(jī)控制原理

4 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計(jì)

4.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

單片機(jī)可以用最少的外圍電路所搭建起來(lái)的可以工作的電路系統(tǒng)被稱為最小應(yīng)用系統(tǒng)，一般可稱為單片機(jī)的最小系統(tǒng)。51系列單片機(jī)最小系統(tǒng)一般應(yīng)該有單片機(jī)、電源、時(shí)鐘和復(fù)位電路構(gòu)成。

4.2 超聲波測(cè)距模塊

HC-SR04為超聲波測(cè)距［7］集成化模塊，非常簡(jiǎn)便好用，此模塊共有4只引出腳，從左往右，第一只腳VCC為工作電壓為5V和單片機(jī)共用同一電源；第二只腳TRIG為輸入觸發(fā)信號(hào)，接在單片機(jī)的P3.6腳；第三只腳ECHO為輸出回響信號(hào)，接在單片機(jī)的P3.7腳；第四只腳GND為接地端，如圖4實(shí)物及規(guī)格。

圖4 實(shí)物圖規(guī)格

HC-SR04超聲波模塊是已包含發(fā)射、接收和控制電路，可提供4cm～400cm檢測(cè)距離范圍，而且精度可高達(dá)3mm，使用起來(lái)比較簡(jiǎn)單。其超聲波時(shí)序圖如圖5。

圖6 超聲波時(shí)序圖

本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制電路主要有步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電路和狀態(tài)指示燈組成。狀態(tài)指示燈即是對(duì)操作過(guò)程，以及工作狀態(tài)的指示作用，讓本系統(tǒng)操作更具人性化；驅(qū)動(dòng)電路即可以提高電機(jī)的負(fù)載能力；將電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)情況作為模擬閥門的動(dòng)作機(jī)構(gòu)的狀態(tài)，其特點(diǎn)是可以將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角度（模擬水泵的開(kāi)度）的機(jī)電式數(shù)模轉(zhuǎn)換器。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

5.1 系統(tǒng)軟件編譯開(kāi)發(fā)環(huán)境

Keil軟件［8］當(dāng)前是單片機(jī)程序開(kāi)發(fā)最熱的軟件，其功能強(qiáng)大，可用于C語(yǔ)言程序、匯編源程序的編寫和調(diào)試等。本次設(shè)計(jì)，將使用μVision4版本作為軟件編程開(kāi)發(fā)環(huán)境，來(lái)完成程序編寫及調(diào)試。

5.2 超聲波模塊操作過(guò)程

超聲波［9～11］模塊通過(guò)接收到單片機(jī)發(fā)送的觸發(fā)脈沖信號(hào)，模塊自動(dòng)的發(fā)送和接收超聲信號(hào)，同時(shí)將測(cè)到的脈沖寬度反饋給單片機(jī)，讓其計(jì)算時(shí)間。如果距離過(guò)遠(yuǎn)或沒(méi)有接收到返回信號(hào)，單片機(jī)內(nèi)部給予溢出處理，1602顯示屏并顯示888．8作為錯(cuò)誤判斷。部分程序如下：

/*============================================

HC-SRO4超聲波測(cè)距模塊DEMO程序

校驗(yàn)數(shù)據(jù)

最小測(cè)距時(shí)間0.04m/340=117.647us lcd顯示 2cm

4/340=11764.706 us 200cm

8/340=max23529.412 us 400cm

/***********計(jì)算顯示距離函數(shù)**************/

void Conut(uint lev)

{

Table1[0]=lev/1000+0x30;//顯示百前值

4wei

Table1[1]=lev%1000/100+0x30;//顯示十前值

Table1[2]=lev%100/10+0x30; //顯示個(gè)前值

Table1[3]='.'; //顯示當(dāng)前值

Table1[4]=lev%10+0X30; //顯示h前值

if(Table1[0]=='0')

{Table1[0]=''; //如果百位為0,不顯示

if(Table1[1]=='0')

{

Table1[1]=''; //如果百位為0,十位為0也不顯示

}

}

se=lev/10;// 3wei se=S/10;

wr_com(0x89);

wr_dat(Table1[0]); //顯示百位

wr_com(0x8a);

wr_dat(Table1[1]); //顯示十位

wr_com(0x8b);

wr_dat(Table1[2]); //顯示個(gè)位

wr_com(0x8c);

wr_dat(Table1[3]);

wr_com(0x8d);

wr_dat(Table1[4]);

}

6 系統(tǒng)制作及仿真調(diào)試

本設(shè)計(jì)使用此軟件創(chuàng)建工程，然后進(jìn)行程序編寫，程序調(diào)試完成后生成。HEX文件作為單片機(jī)可執(zhí)行程序，調(diào)試結(jié)果如圖7所示。

單片機(jī)可執(zhí)行文件即二進(jìn)制機(jī)器代碼，對(duì)應(yīng)于用Keil軟件編譯過(guò)后的生成的。HEX文件，仿真結(jié)果，例如P3.7假如用一個(gè)頻率一定的脈沖來(lái)代替，檢測(cè)其脈寬時(shí)間，即是HC-SR04模塊引腳ECHO返回信號(hào)的輸出，顯示P3.7口信號(hào)的產(chǎn)生情況。

校驗(yàn)數(shù)據(jù)：

假設(shè)在（15℃下）聲速340m/s測(cè)量，則根據(jù)原理要測(cè)到的脈寬時(shí)間t應(yīng)為

LCD顯示2cm，t=0.04m/340/1.0851=108.42μs；

LCD顯示20.0cm，t=0.4m/340/1.0851=1084.2μs；

LCD顯示200cm，t=4m/340/1.0851=10842μs。

當(dāng) t=0.4m/340/1.0851=1084.2μs時(shí)，仿真結(jié)果圖如圖8所示。

圖7 Proteus仿真結(jié)果

圖8 波形時(shí)間及結(jié)果

從上圖看出，P3.7口輸出了信號(hào)脈寬時(shí)間1.08ms，LCD1602顯示正確，軟件仿真結(jié)果說(shuō)明設(shè)計(jì)信號(hào)采集與理論相符，非常準(zhǔn)確；然后控制部分，通過(guò)按鍵設(shè)定液位波動(dòng)范圍，模擬液位越限情況，發(fā)現(xiàn)結(jié)果與理論相符。

7 結(jié)語(yǔ)

本此課題為液位［12］測(cè)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中，本系統(tǒng)由STC89C52單片機(jī)搭建的最小系統(tǒng)系統(tǒng)和超聲波傳感器模塊、4個(gè)鍵盤、DS18B20、LCD1602顯示、報(bào)警系統(tǒng)和步進(jìn)電機(jī)等外設(shè)組成，具有設(shè)置上下限、超限報(bào)警、自動(dòng)控制步進(jìn)電機(jī)（模擬閥門的開(kāi)度）等功能。在運(yùn)行的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的液位控制要求來(lái)判斷，液位低于下限時(shí)，系統(tǒng)打開(kāi)外接水泵進(jìn)行注水，直到液位［13］符合現(xiàn)場(chǎng)控制要求時(shí)停止。另外為了提高了系統(tǒng)的測(cè)量精確度，使其具有一定的抗干擾能力，STC89C52單片機(jī)需要通過(guò)對(duì)超聲波所處的環(huán)境溫度進(jìn)行采樣，依據(jù)其在空氣中傳輸?shù)年P(guān)系，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及控制，來(lái)達(dá)到聲速的補(bǔ)償，超聲波液位檢測(cè)模塊測(cè)量精度達(dá)到3mm。

［1］胡皓.單容水箱液位控制研究［J］.新技術(shù)新工藝，2012（12）：88-90.

［2］張宗強(qiáng).基于Java Applet的液位PID控制仿真［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2011（9）：28-30.

［3］聶朋，麻永林，邢淑清，姜濤，孫彬彬.基于LabVIEW的電磁波峰焊非接觸液位測(cè)量系統(tǒng)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2016（8）：108-110.

［4］孫娟.基于DSP的超聲波液位計(jì)的研制［D］.南京：南京信息工程大學(xué)，2005.

［5］溫晶晶，任立宗.在工業(yè)容器領(lǐng)域超聲波液位測(cè)量技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)［J］.中北大學(xué)學(xué)報(bào)，2007（21）：124-126.

［6］劉樹(shù)東，潘萬(wàn)平.基于步進(jìn)電機(jī)的閥門閉環(huán)控制的仿真［J］.煤炭技術(shù)，2010（5）：47-49.

［7］高飛燕.基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.信息技術(shù)，2005（7）：128-129.

［8］何小英.基于Keil和Proteus的單片機(jī)課程改革［J］.中國(guó)機(jī)械，2014（13）：49-50.

［9］席細(xì)平，馬重芳，王偉.超聲波技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.山西化工，2007（1）：25-29.

［10］賀瑞強(qiáng)，王民.基于AT89S51單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究［J］.榆林學(xué)院學(xué)報(bào)，2009（2）：54-56.

［11］常小凱.基于一種高精度超聲波測(cè)距儀的研究［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013（24）：40-45.

［12］樊秀云，袁嗣杰，張合敏.偽碼數(shù)字相關(guān)在超聲波測(cè)距中的應(yīng)用［J］.裝備指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2002（3）：77-80.

［13］梁子劍.淺析超聲波傳感器及其應(yīng)用［J］.商情，2013（35）：35-36.