基于超聲波的高精度水位控制系統設計

周繼裕　王承亮　黃楠　羅皓

摘 要： 本設計利用STC單片機控制系統實現水位的精確控制，主機通過無線通信方式對從機進行遠程控制。采用超聲波測距的方法來確定水位值并用12864液晶屏顯示出來，從矩陣鍵盤設定水位值，通過比較設定水位和測量水位的數據，利用單片機的PWM控制直流雙向水泵進行水位的調節，最終使水位達到設定值。通過測試該系統能精確監測水位并顯示水位、準確地調控任意設定水位，而且精度可以達到1 mm。

關鍵詞： 超聲波測距； PWM； 直流雙向水泵； 水位控制系統

中圖分類號： TN964?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）10?0116?04

Abstract： The water level is controlled on the required position accurately by STC single chip microcomputer as the control system in this design. The host computer controls the slave machine remotely by wireless communication. The ultrasonic range finding method is used to determine the value of water level and the level is displayed on 12864 LCD. The value of water level is set with matrix keyboard. The DC two?way water pump is controlled by single?chip PWM to adjust water level. With ultrasonic monitoring， the water level reaches the set value at last and the accuracy is less than 1 mm by comparison between the set water level and water level measured data.

Keywords： ultrasonic range finding； PWM； DC two?way water pump； water level control system

0 引 言

水位控制系統廣泛應用于供水系統，實現水位控制的方法有多種，如機械控制、邏輯電路控制[1]、機電控制[2]等，但這些控制方式普遍存在控制精度低、能耗大、不能實現連續控制和跟蹤水位的缺點[3]。目前國內在液位自動控制方面缺少長期可靠的使用范例，還沒有適用于液位測量和自動控制的定型產品。因此，開展液位自動控制的研究工作十分必要[4]。

本文設計的水位控制系統將超聲波水位監測與STC單片機控制相結合，充分利用了超聲波水位監測的連續性優點與STC單片機控制系統的輸出脈沖寬度調制的優點，從而實現了水位的精確控制。系統通過主機的鍵盤設置透明容器的水位給定范圍：10～200 mm，設定水位值后，系統自動調整水位高度，使系統測量的水位顯示值與實際值誤差≤±2 mm，實現水位的精確測量和控制。

1 系統硬件設計

系統由主機模塊、從機模塊、超聲波傳感器模塊和電機控制模塊等組成。選用STC12C5A60S2單片機作為主控芯片，利用超聲波傳感器監控檢測水位值，12864液晶顯示水位值、系統控制狀態和水位調整時間，矩陣鍵盤作為輸入設備給定水位值，直流雙向水泵通過抽水或放水調整水位值。利用STC12C5A60S2單片機的PWM口控制直流雙向水泵微調水位，使其控制更精確。轉向顯示則顯示雙向水泵抽水或放水狀態，即正轉或反轉。

系統總體框圖如圖1所示。

1.1 主控制系統

控制系統要設計成主從式控制系統，主機能通過無線通信對從機進行遠程控制。

選用STC12C5A60S2單片機作為主控芯片，STC12C5A60S2除了具有其他普通單片機的特點外，還有SPI接口和2路的PWM[5]，單片機小系統包括5 V電源、12864液晶接口和矩陣鍵盤。STC12C5A60S2最小系統見圖2。

1.2 超聲波模塊

1.5 NRF24L01無線發射接收模塊

NRF24L01是無線數據傳輸單片射頻收發芯片，工作于2.4～2.5 GHz、ISM頻段，芯片內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置，芯片能耗非常低[9?10]。NRF24L01是一個獨立的模塊，STC通過SPI接口控制NRF的發送和接收數據（見圖4）。NRF無線模塊是半雙工的，所以在無線模式下，需要不斷切換主機和從機的收發模式來實現雙向通訊，即當主機為發送模式時，從機需要切換為接收模式，當主機為接收模式時，從機需要切換到發送模式，以實現雙向通訊。

2 程序設計

2.1 程序功能描述

4 結 語

本設計采用STC12C5A60S2單片機和HC?SR04超聲波傳感器相結合，充分利用了NRF24L01無線通信優點實現主機對從機進行遠程控制和讀取水位值，控制從機通過單片機PWM控制水泵的速度，實現水位的精確控制，很好地克服了傳統水位定位系統控制精度低的缺點，具有較好的應用價值。

參考文獻

[1] 周征.傳感器原理與檢測技術[M].北京：清華大學出版社，2007.

[2] 周駿，吳國華，衛騏綺，等.一種新型水箱閥門裝置：中國，CN201245449[P].2009?05?27.

[3] 唐靈軍，唐杰，諶超，等.基于單片機的水位控制系統設計[J].電子設計工程，2012，20（8）：62?64.

[4] 李嚴，張民.基于超聲波傳感器的水位自動控制系統[J].傳感器與儀器儀表，2009，25（5?1）：134?136.

[5] 姚永平.STC12C5A60S2系列IT 8051單片機中文指南[EB/OL].[2013?09?11].www.stcmcu.com：宏晶STC.2011.

[6] 李軍，申俊澤.超聲測距模塊HC?SR04的超聲波測距儀設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2011（10）：77?78.

[7] 張天鵬，徐磊.L298N控制直流電機正反轉[J].工業設計，2011（3）：98?99.

[8] 郭天祥.新概念51單片機C語言教程：入門、提高、開放、拓展全攻略[M].北京：電子工業出版社，2009.

[9] 劉靖，陳在平，李其林.基于nRF24L01的無線數字傳輸系統[J].天津理工大學學報，2007，23（3）：38?40.

[10] 時志云，蓋建平，王代華，等.新型高速無線射頻器nRF24L01及其應用[J].電子設計工程，2007（8）：42?44.

[11] 程琴，任海東.基于ZigBee的水庫水位監測及遠程控制系統[J].現代電子技術，2013，36（13）：68?70.

[12] 畢宏彥，崔志洋，張偉.空氣源熱泵控制系統開發[J].現代電子技術，2013，36（22）：150?151.

[13] 蘇偉達，吳允平，蔡聲鎮，等.壓力傳感器在大型太陽能供熱系統中的應用[J].現代電子技術，2012，35（24）：179?181.

[14] 趙培宇.STC單片機波特率自適應方法[J].現代電子技術，2013，36（23）：41?43.

摘 要： 本設計利用STC單片機控制系統實現水位的精確控制，主機通過無線通信方式對從機進行遠程控制。采用超聲波測距的方法來確定水位值并用12864液晶屏顯示出來，從矩陣鍵盤設定水位值，通過比較設定水位和測量水位的數據，利用單片機的PWM控制直流雙向水泵進行水位的調節，最終使水位達到設定值。通過測試該系統能精確監測水位并顯示水位、準確地調控任意設定水位，而且精度可以達到1 mm。

關鍵詞： 超聲波測距； PWM； 直流雙向水泵； 水位控制系統

中圖分類號： TN964?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）10?0116?04

Abstract： The water level is controlled on the required position accurately by STC single chip microcomputer as the control system in this design. The host computer controls the slave machine remotely by wireless communication. The ultrasonic range finding method is used to determine the value of water level and the level is displayed on 12864 LCD. The value of water level is set with matrix keyboard. The DC two?way water pump is controlled by single?chip PWM to adjust water level. With ultrasonic monitoring， the water level reaches the set value at last and the accuracy is less than 1 mm by comparison between the set water level and water level measured data.

Keywords： ultrasonic range finding； PWM； DC two?way water pump； water level control system

0 引 言

水位控制系統廣泛應用于供水系統，實現水位控制的方法有多種，如機械控制、邏輯電路控制[1]、機電控制[2]等，但這些控制方式普遍存在控制精度低、能耗大、不能實現連續控制和跟蹤水位的缺點[3]。目前國內在液位自動控制方面缺少長期可靠的使用范例，還沒有適用于液位測量和自動控制的定型產品。因此，開展液位自動控制的研究工作十分必要[4]。

本文設計的水位控制系統將超聲波水位監測與STC單片機控制相結合，充分利用了超聲波水位監測的連續性優點與STC單片機控制系統的輸出脈沖寬度調制的優點，從而實現了水位的精確控制。系統通過主機的鍵盤設置透明容器的水位給定范圍：10～200 mm，設定水位值后，系統自動調整水位高度，使系統測量的水位顯示值與實際值誤差≤±2 mm，實現水位的精確測量和控制。

1 系統硬件設計

系統由主機模塊、從機模塊、超聲波傳感器模塊和電機控制模塊等組成。選用STC12C5A60S2單片機作為主控芯片，利用超聲波傳感器監控檢測水位值，12864液晶顯示水位值、系統控制狀態和水位調整時間，矩陣鍵盤作為輸入設備給定水位值，直流雙向水泵通過抽水或放水調整水位值。利用STC12C5A60S2單片機的PWM口控制直流雙向水泵微調水位，使其控制更精確。轉向顯示則顯示雙向水泵抽水或放水狀態，即正轉或反轉。

系統總體框圖如圖1所示。

1.1 主控制系統

控制系統要設計成主從式控制系統，主機能通過無線通信對從機進行遠程控制。

選用STC12C5A60S2單片機作為主控芯片，STC12C5A60S2除了具有其他普通單片機的特點外，還有SPI接口和2路的PWM[5]，單片機小系統包括5 V電源、12864液晶接口和矩陣鍵盤。STC12C5A60S2最小系統見圖2。

1.2 超聲波模塊

1.5 NRF24L01無線發射接收模塊

NRF24L01是無線數據傳輸單片射頻收發芯片，工作于2.4～2.5 GHz、ISM頻段，芯片內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置，芯片能耗非常低[9?10]。NRF24L01是一個獨立的模塊，STC通過SPI接口控制NRF的發送和接收數據（見圖4）。NRF無線模塊是半雙工的，所以在無線模式下，需要不斷切換主機和從機的收發模式來實現雙向通訊，即當主機為發送模式時，從機需要切換為接收模式，當主機為接收模式時，從機需要切換到發送模式，以實現雙向通訊。

2 程序設計

2.1 程序功能描述

4 結 語

本設計采用STC12C5A60S2單片機和HC?SR04超聲波傳感器相結合，充分利用了NRF24L01無線通信優點實現主機對從機進行遠程控制和讀取水位值，控制從機通過單片機PWM控制水泵的速度，實現水位的精確控制，很好地克服了傳統水位定位系統控制精度低的缺點，具有較好的應用價值。

參考文獻

[1] 周征.傳感器原理與檢測技術[M].北京：清華大學出版社，2007.

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[3] 唐靈軍，唐杰，諶超，等.基于單片機的水位控制系統設計[J].電子設計工程，2012，20（8）：62?64.

[4] 李嚴，張民.基于超聲波傳感器的水位自動控制系統[J].傳感器與儀器儀表，2009，25（5?1）：134?136.

[5] 姚永平.STC12C5A60S2系列IT 8051單片機中文指南[EB/OL].[2013?09?11].www.stcmcu.com：宏晶STC.2011.

[6] 李軍，申俊澤.超聲測距模塊HC?SR04的超聲波測距儀設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2011（10）：77?78.

[7] 張天鵬，徐磊.L298N控制直流電機正反轉[J].工業設計，2011（3）：98?99.

[8] 郭天祥.新概念51單片機C語言教程：入門、提高、開放、拓展全攻略[M].北京：電子工業出版社，2009.

[9] 劉靖，陳在平，李其林.基于nRF24L01的無線數字傳輸系統[J].天津理工大學學報，2007，23（3）：38?40.

[10] 時志云，蓋建平，王代華，等.新型高速無線射頻器nRF24L01及其應用[J].電子設計工程，2007（8）：42?44.

[11] 程琴，任海東.基于ZigBee的水庫水位監測及遠程控制系統[J].現代電子技術，2013，36（13）：68?70.

[12] 畢宏彥，崔志洋，張偉.空氣源熱泵控制系統開發[J].現代電子技術，2013，36（22）：150?151.

[13] 蘇偉達，吳允平，蔡聲鎮，等.壓力傳感器在大型太陽能供熱系統中的應用[J].現代電子技術，2012，35（24）：179?181.

[14] 趙培宇.STC單片機波特率自適應方法[J].現代電子技術，2013，36（23）：41?43.

摘 要： 本設計利用STC單片機控制系統實現水位的精確控制，主機通過無線通信方式對從機進行遠程控制。采用超聲波測距的方法來確定水位值并用12864液晶屏顯示出來，從矩陣鍵盤設定水位值，通過比較設定水位和測量水位的數據，利用單片機的PWM控制直流雙向水泵進行水位的調節，最終使水位達到設定值。通過測試該系統能精確監測水位并顯示水位、準確地調控任意設定水位，而且精度可以達到1 mm。

關鍵詞： 超聲波測距； PWM； 直流雙向水泵； 水位控制系統

中圖分類號： TN964?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）10?0116?04

Abstract： The water level is controlled on the required position accurately by STC single chip microcomputer as the control system in this design. The host computer controls the slave machine remotely by wireless communication. The ultrasonic range finding method is used to determine the value of water level and the level is displayed on 12864 LCD. The value of water level is set with matrix keyboard. The DC two?way water pump is controlled by single?chip PWM to adjust water level. With ultrasonic monitoring， the water level reaches the set value at last and the accuracy is less than 1 mm by comparison between the set water level and water level measured data.

Keywords： ultrasonic range finding； PWM； DC two?way water pump； water level control system

0 引 言

水位控制系統廣泛應用于供水系統，實現水位控制的方法有多種，如機械控制、邏輯電路控制[1]、機電控制[2]等，但這些控制方式普遍存在控制精度低、能耗大、不能實現連續控制和跟蹤水位的缺點[3]。目前國內在液位自動控制方面缺少長期可靠的使用范例，還沒有適用于液位測量和自動控制的定型產品。因此，開展液位自動控制的研究工作十分必要[4]。

本文設計的水位控制系統將超聲波水位監測與STC單片機控制相結合，充分利用了超聲波水位監測的連續性優點與STC單片機控制系統的輸出脈沖寬度調制的優點，從而實現了水位的精確控制。系統通過主機的鍵盤設置透明容器的水位給定范圍：10～200 mm，設定水位值后，系統自動調整水位高度，使系統測量的水位顯示值與實際值誤差≤±2 mm，實現水位的精確測量和控制。

1 系統硬件設計

系統由主機模塊、從機模塊、超聲波傳感器模塊和電機控制模塊等組成。選用STC12C5A60S2單片機作為主控芯片，利用超聲波傳感器監控檢測水位值，12864液晶顯示水位值、系統控制狀態和水位調整時間，矩陣鍵盤作為輸入設備給定水位值，直流雙向水泵通過抽水或放水調整水位值。利用STC12C5A60S2單片機的PWM口控制直流雙向水泵微調水位，使其控制更精確。轉向顯示則顯示雙向水泵抽水或放水狀態，即正轉或反轉。

系統總體框圖如圖1所示。

1.1 主控制系統

控制系統要設計成主從式控制系統，主機能通過無線通信對從機進行遠程控制。

選用STC12C5A60S2單片機作為主控芯片，STC12C5A60S2除了具有其他普通單片機的特點外，還有SPI接口和2路的PWM[5]，單片機小系統包括5 V電源、12864液晶接口和矩陣鍵盤。STC12C5A60S2最小系統見圖2。

1.2 超聲波模塊

1.5 NRF24L01無線發射接收模塊

NRF24L01是無線數據傳輸單片射頻收發芯片，工作于2.4～2.5 GHz、ISM頻段，芯片內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置，芯片能耗非常低[9?10]。NRF24L01是一個獨立的模塊，STC通過SPI接口控制NRF的發送和接收數據（見圖4）。NRF無線模塊是半雙工的，所以在無線模式下，需要不斷切換主機和從機的收發模式來實現雙向通訊，即當主機為發送模式時，從機需要切換為接收模式，當主機為接收模式時，從機需要切換到發送模式，以實現雙向通訊。

2 程序設計

2.1 程序功能描述

4 結 語

本設計采用STC12C5A60S2單片機和HC?SR04超聲波傳感器相結合，充分利用了NRF24L01無線通信優點實現主機對從機進行遠程控制和讀取水位值，控制從機通過單片機PWM控制水泵的速度，實現水位的精確控制，很好地克服了傳統水位定位系統控制精度低的缺點，具有較好的應用價值。

參考文獻

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[3] 唐靈軍，唐杰，諶超，等.基于單片機的水位控制系統設計[J].電子設計工程，2012，20（8）：62?64.

[4] 李嚴，張民.基于超聲波傳感器的水位自動控制系統[J].傳感器與儀器儀表，2009，25（5?1）：134?136.

[5] 姚永平.STC12C5A60S2系列IT 8051單片機中文指南[EB/OL].[2013?09?11].www.stcmcu.com：宏晶STC.2011.

[6] 李軍，申俊澤.超聲測距模塊HC?SR04的超聲波測距儀設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2011（10）：77?78.

[7] 張天鵬，徐磊.L298N控制直流電機正反轉[J].工業設計，2011（3）：98?99.

[8] 郭天祥.新概念51單片機C語言教程：入門、提高、開放、拓展全攻略[M].北京：電子工業出版社，2009.

[9] 劉靖，陳在平，李其林.基于nRF24L01的無線數字傳輸系統[J].天津理工大學學報，2007，23（3）：38?40.

[10] 時志云，蓋建平，王代華，等.新型高速無線射頻器nRF24L01及其應用[J].電子設計工程，2007（8）：42?44.

[11] 程琴，任海東.基于ZigBee的水庫水位監測及遠程控制系統[J].現代電子技術，2013，36（13）：68?70.

[12] 畢宏彥，崔志洋，張偉.空氣源熱泵控制系統開發[J].現代電子技術，2013，36（22）：150?151.

[13] 蘇偉達，吳允平，蔡聲鎮，等.壓力傳感器在大型太陽能供熱系統中的應用[J].現代電子技術，2012，35（24）：179?181.

[14] 趙培宇.STC單片機波特率自適應方法[J].現代電子技術，2013，36（23）：41?43.