自動液位監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

劉萌雅，張麗艷，徐銘峰，費繼友

(大連交通大學(xué) 電氣信息學(xué)院，遼寧 大連 116028)

0 引言

液位監(jiān)控在工業(yè)生產(chǎn)和人們生活中有很多應(yīng)用.近年來采用的聲、光、射線的監(jiān)控方法，如雷達液位監(jiān)控［1］、超聲波液位監(jiān)控［2］、激光液位監(jiān)控［3］等許多工作仍處于實驗室的研究階段，即便有適用的系統(tǒng)問世，成本也是比較高的，且維修起來很麻煩.針對現(xiàn)階段這種狀況，本文給出了一種以STC89C52為處理器的系統(tǒng)，該系統(tǒng)的電路組成比較簡單，調(diào)試起來也很方便，能較好的實現(xiàn)液位監(jiān)控.本文非接觸式的測量方式避免了與液體的直接接觸，使得液位測量不會受到酸、堿、水垢等的影響.相比接觸式的測量方式，該系統(tǒng)在使用時長和安裝上也會有明顯的優(yōu)勢，一經(jīng)安裝該系統(tǒng)便可長期穩(wěn)定地運行在無人監(jiān)控的狀態(tài)下.

1 系統(tǒng)硬件組成及工作原理

本系統(tǒng)硬件［4-7］由電源電路、單片機最小系統(tǒng)、超聲波測距模塊、繼電器控制水泵注水/排水電路、顯示電路、報警電路還有蓄水容器組成，其硬件功能框圖如圖1所示.系統(tǒng)工作原理如下:當(dāng)液位處于低位時，處理器經(jīng)過分析液位傳感器傳來的信息，驅(qū)動蜂鳴器報警，同時也輸出一個低電平信號使2路繼電器的左邊一路吸合，水泵1開始往容器內(nèi)注入液體;當(dāng)液位處于高位的時候，處理器經(jīng)過分析液位傳感器傳來的信息，驅(qū)動蜂鳴器報警，同時也輸出一個低電平信號使2路繼電器的右邊一路吸合，水泵2開始抽出容器內(nèi)的液體;隨著液位的變化，當(dāng)?shù)竭_設(shè)定液位時，送入處理器液位傳感器的接口為高電平，繼電器釋放，水泵就會停止工作.另外，當(dāng)超聲波測距模塊檢測出的液位高度正好等于設(shè)定值時，系統(tǒng)保持靜態(tài)無反應(yīng).整個監(jiān)控過程，液位的高度都會通過LCD1602顯示出來.對于液位的調(diào)整，本系統(tǒng)工作電壓較低，再綜合考慮成本及可操作性，選用了齒輪泵來實現(xiàn).下面給出部分硬件電路的設(shè)計介紹.

圖1 硬件功能框圖

1.1 超聲波測距模塊

當(dāng)處理器把一個周期大于10 μs的脈沖信號給超聲波測距模塊，模塊的內(nèi)部就會發(fā)射出8個40 kHz的周期性的電平來檢測回波，如果檢測到回波信號就立刻輸出一個回響信號.所以測量的距離S由式(1)計算得出.

式中:S表示測量距離;t表示發(fā)射信號與收到的回響信號的時間差;V表示聲速.

1.2 繼電器控制電路

繼電器是一種大電流被小電流控制的自動開關(guān)元件.設(shè)計中使用如圖2所示的方法連接繼電器和電機(水泵內(nèi)的電機)，能夠?qū)崿F(xiàn)硬件互鎖，防止兩個電機同時工作.具體過程為:給1號電機控制信號時，1號電機啟動;給2號電機控制信號時，2號電機啟動，如出現(xiàn)程序故障導(dǎo)致兩電機都得到啟動信號，兩路繼電器都發(fā)生動作，此時兩個電機均沒有被接通，即不會出現(xiàn)同時工作的故障.

圖2 繼電器和電機的連接電路

圖3 蜂鳴器的驅(qū)動電路圖

1.3 蜂鳴器報警電路

本次設(shè)計選用有源蜂鳴器，并采用低電平有效的輸出方式.單片機I/O引腳輸出的電流比較小，為了能夠驅(qū)動蜂鳴器，就需增加一個來放大電流的電路.圖3為蜂鳴器的驅(qū)動電路.

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)主程序流程圖［8-12］如圖4所示.其工作過程如下:首先完成系統(tǒng)的初始化，接下來控制超聲波模塊重復(fù)的發(fā)射信號，每次發(fā)射周期結(jié)束，再判斷信號發(fā)出后等待的時間里回波是否到達，也就是說判斷是否有中斷(見下文2.1節(jié)的回波檢測部分)，體現(xiàn)在主程序流程圖中是每一次的判斷過程.之后是計算距離值并將其顯示是由中斷子程序?qū)崿F(xiàn)的，即先將超聲波模塊發(fā)射程序初始化，然后等待中斷響應(yīng)(見下文2.2節(jié)的中斷服務(wù)程序部分)，體現(xiàn)在主程序流程圖中是每一次的判斷之后的執(zhí)行，待有中斷響應(yīng)之后，經(jīng)函數(shù)計算將原始時間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成十進制液位數(shù)據(jù)顯示輸出.

圖4 主程序流程圖

2.1 回波檢測程序的設(shè)計

STC89C52單片機通過 P3.3口(連接 HCSR04的觸發(fā)控制信號輸入端Tx)，發(fā)送出一連串的脈沖，以此來控制時間，隨后啟動定時器T0，當(dāng)檢測到回波時，通過P3.2口(連接HC-SR04的回響信號輸出端Rx)產(chǎn)生外部中斷信號，T0停止計時，記錄下接收到回波所耗的時間.

2.2 中斷服務(wù)程序的設(shè)計

系統(tǒng)發(fā)射出40 kHz的脈沖信號后，T0開始計時，當(dāng)遇到液面后返回回波信號，經(jīng)回波檢測電路產(chǎn)生外部中斷信號傳至單片機，即激發(fā)外部中斷0，開始響應(yīng)中斷服務(wù)程序，T0停止計數(shù).而中斷服務(wù)程序就是響應(yīng)外部中斷.在中斷服務(wù)程序中，進入中斷服務(wù)程序的計數(shù)值c被讀出來，保存到隨機存儲器中，再由式(2)算出距離distance的值:

3 測試與結(jié)果

3.1 測試過程

首先，系統(tǒng)進行硬件調(diào)試.該調(diào)試過程相對簡單，主要需要做的是檢查開發(fā)板與模塊連線是否連接正常，然后對超聲波測距模塊、LCD1602液晶屏、繼電器、蜂鳴器、水泵等分別進行測試，直接將主控單片機 STC89C52、LCD1602液晶屏、HCSR04超聲波測距模塊、繼電器、蜂鳴器、水泵等連接構(gòu)成自動液位監(jiān)控系統(tǒng)，編寫適當(dāng)程序進行液位監(jiān)控，測試出系統(tǒng)的絕對誤差.

3.2 測試結(jié)果

本次的設(shè)計完成了預(yù)定的基本性能要求，實現(xiàn)了自動液位監(jiān)控的功能，具體結(jié)果如下:①能實時輸出當(dāng)前的水位情況;②能根據(jù)要求動態(tài)的調(diào)整水位到指定數(shù)值;③在水平面基本靜止的條件下，動態(tài)調(diào)整水位到規(guī)定數(shù)值，誤差小于3 cm;④系統(tǒng)應(yīng)具備電傳功能，實現(xiàn)液位數(shù)據(jù)向PC的傳輸;⑤功耗較低.

此外，本文給出了本設(shè)計的正程—回程實測圖，其理論液位顯示數(shù)據(jù)與實際液位的數(shù)據(jù)曲線為階梯狀，如圖5所示.

圖5 正程—回程實測圖

由圖5實驗數(shù)據(jù)可知，該系統(tǒng)的平均測量誤差小于0.3 cm，液位顯示分辨率為1 cm.由于實際情況下，液面存在一定的波動或震動，尤其是在注水或排水的情況下，液面不穩(wěn)定程度加劇，如果顯示分辨率太高，會造成顯示數(shù)據(jù)的頻繁變動，無法順利的讀取數(shù)據(jù).因此，在設(shè)計時應(yīng)該選取合適的系統(tǒng)分辨率，經(jīng)調(diào)試本設(shè)計將系統(tǒng)分辨率設(shè)為1 cm.實驗結(jié)果表明了本設(shè)計合理可靠性.

4 結(jié)論

本次設(shè)計的自動液位監(jiān)控系統(tǒng)主要目的是使液位始終保持在一定范圍，避免液位過高或過低現(xiàn)象的發(fā)生.本設(shè)計采用STC89C52單片機為系統(tǒng)控制，應(yīng)用超聲波測距原理，能實現(xiàn)對范圍在0～14 cm內(nèi)的液位的有效測量，其絕對誤差小于3 cm，重復(fù)性也好，能夠確保水位在允許的范圍內(nèi)浮動，同時還兼有了高低液位報警功能.可見基于STC89C52單片機設(shè)計的超聲波液位監(jiān)控系統(tǒng)的硬件部分簡單、可靠性高、測量誤差范圍小.

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