儲液罐液位控制是一個熱點的研究問題，為了實現(xiàn)儲液罐液位的自動控制和檢測，近年來，許多學(xué)者進行了大量的研究，采用的方法主要有紅外法、超聲波法、干簧管傳感器法等，紅外方法檢測中，由于紅外探測器和傳感器的應(yīng)用，在系統(tǒng)中設(shè)計比較復(fù)雜，紅外傳感器在使用中，由于環(huán)境問題，容易出現(xiàn)老化；干簧管傳感器法主要屬于開關(guān)檢測型，只能對液位的上限和下限進行臨界檢測，檢測精度也不高；超聲波檢測采用光傳播理論，檢測快速，測量精度較好，同時在檢測過程中不易受到電源或者環(huán)境的干擾，因此得到了廣泛的應(yīng)用。

文中擬采用單片機作為控制核心，設(shè)計按鍵電路模塊、數(shù)字顯示模塊、超聲波傳感器模塊、集成H橋模塊等，完成了一套智能水位控制系統(tǒng)，檢測誤差低于0.3%，穩(wěn)定時間低于3 s。

1、超聲波傳感器與工作原理

超聲波模塊可提供2~400 cm 的非接觸距離測試功能，測試的精度最高可以達到3 mm，主要模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器、和控制電路。

基本工作原理：

由超聲波模塊發(fā)送信號，在檢測端進行信號檢測，當(dāng)探測得到超聲波信號時，記錄時間，其中的距離即時間與光在空氣中的傳播速度的乘積的一半。

其電路原理圖如圖 1所示。

圖1 超聲波模塊原理圖

其中 VCC 為電源，該傳感器為5V系統(tǒng)，GND為地，引腳TRIG 為觸發(fā)控制信號輸入端，ECHP端為回響信號輸出端。

2 H橋驅(qū)動電路與工作原理

圖 3 所示為一個典型的直流電機控制電路，由 4個三極管組成的H橋驅(qū)動電路。H橋式電機驅(qū)動電路包括 4個三極管和一個電機。根據(jù)設(shè)計時序，保證Q1和 Q4或者Q2和Q3成對同時導(dǎo)通，從而實現(xiàn)電機M中的電流方向變換，實現(xiàn)對電機運轉(zhuǎn)方向的控制。

圖3 H橋驅(qū)動電路

該電路在實際使用過程中，當(dāng)電流流向 Q1- M-Q4 切換到Q2-M-Q3 過程中，會出現(xiàn)第一條通路還沒有完全關(guān)閉的時刻，第二條支路就自動導(dǎo)通的情況，這種情況稱之為直通，當(dāng)直通現(xiàn)象產(chǎn)生后，電流不流經(jīng)電機M，并會產(chǎn)生極大的電流，會給電路到來很大的危害，基于此，需要對電路進行改進，在方向切換時，增加“死區(qū)”時間，待完全關(guān)閉其中一條通道后，切換再進行。改進的電路圖如圖 4 所示。在基本 H 橋電路的基礎(chǔ)上增加了4個與門和 2個非門。

4個與門同一個“使能”導(dǎo)通信號相接，通過提供一種方向輸入，可以保證任何時候在H橋的同側(cè)腿上都只有一個三極管能導(dǎo)通。從而杜絕了直通現(xiàn)象。

圖4 改進過的H橋驅(qū)動電路

3 單片機控制系統(tǒng)設(shè)計

該系統(tǒng)采用STC12系列或者STC89C51系統(tǒng)單片機進行控制系統(tǒng)的設(shè)計，具體的設(shè)計電路圖如果5所示。最小系統(tǒng)包含復(fù)位電路、晶振電路和電源電路等。

圖5 單片機控制電路圖

4 報警電路設(shè)計

報警電路采用有源蜂鳴器設(shè)計。報警電路圖如圖6所示。

圖6 報警電路

蜂鳴器采用9012三極管驅(qū)動，其基極接到RD端，當(dāng)RD端為低電平時，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器響。否則關(guān)斷。蜂鳴器正極接大小為5V的電源，負極則要接到三極管的集電極上。三極管的基極需要通過與門聯(lián)通單片機的引腳。當(dāng)引腳為高電平時，此時的與非門輸出低電平，三極管停止導(dǎo)通，蜂鳴器失電，不報警；當(dāng)引腳電平為低時，則與非門輸出高電平，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器中的電流形成回路發(fā)出警報報警。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計思想，主要有按鍵控制程序模塊、數(shù)碼管顯示模塊、定時中斷程序模塊、超聲波傳感器控制模塊、H 橋電機控制模塊等。

5.1 主程序流程圖設(shè)計

程序啟動后，啟動 T1 定時計數(shù)器中斷啟動，調(diào) 用計數(shù)器函數(shù)，當(dāng)計數(shù)到達到 400，時（800 ms），調(diào)用距離計算函數(shù)，超聲波模塊啟動，開啟計數(shù)器計數(shù)，當(dāng)超聲波模塊接收到返回聲音時停止計數(shù)，通過計算函數(shù)計算得出距離并顯示在數(shù)碼管上，并判斷水位狀態(tài)，低于最低水位時，采用聲光報警，并啟動水泵進行抽水，而當(dāng)水位高于上限水位時，同樣采用聲光報警，低水位時采用黃燈報警，高水位時采用紅燈報警，如此循環(huán)。

5.2 T1中斷子程序流程圖

T1 中斷主要完成掃描數(shù)碼管顯示和開啟超聲波模塊的作用，首先進行初值的裝載，并不斷掃描數(shù)碼管更新顯示，當(dāng)檢測時間到達800 ms時，自動清零，開啟超聲波模塊，接受到信號后然后關(guān)閉，以此循環(huán)。

具體的流程圖設(shè)計如圖 8所示。

圖7 主流程圖

圖8 T1中斷程序子流程圖

5.3 計數(shù)模塊程序子流程圖

流程圖如圖9所示，計數(shù)模塊主要完成數(shù)值轉(zhuǎn)換后，在液晶顯示器上顯示十進制的數(shù)值。首先進行定時器的初始化，設(shè)置TMOD為定時模式，并將初值放置在TH0 和 TL0，當(dāng)定時時間到達后，標(biāo)志位清零，進入下一次定時循環(huán)。

圖9 計數(shù)模塊子流程圖

6、調(diào)試與結(jié)果分析

根據(jù)軟硬件的設(shè)計，對系統(tǒng)進行了調(diào)試，其調(diào)試結(jié)果如表2所示。

根據(jù)測試結(jié)果可得，該系統(tǒng)測量穩(wěn)定時間短，測試均在3s時間內(nèi)完成，測量誤差均在 0.3%以下，測量精度高。當(dāng)水位達到上限時，裝置會聲光報警，并停止水泵抽水；同理，當(dāng)水位低于最低水位時，系統(tǒng) 會自動啟動水泵進行抽水，從而實現(xiàn)水位的智能控制，測試簡便，人機交互好，在同類項目中達到了較高的水平。

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