高精密液位控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計

黃俊

（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院湖南株洲 412001）

液位控制的方法多樣，主要通過機械或電子的方法來實現(xiàn)[1-5]，現(xiàn)在，液位控制的方法也在不斷改進與提高。本文針對當(dāng)前儲液罐液位控制中液位控制精密度不高、控制過程中可能存在過沖以及水位控制中電機不能同時進行抽水和注水等問題[6-10]，設(shè)計了一款基于超聲波傳感器的液位控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用單片機作為控制核心，采用PWM控制方式，完成了一套智能水位控制系統(tǒng)。經(jīng)過軟硬件的設(shè)計后，調(diào)試達成水位低限3 cm高限5 cm的水位智能控制功能，并帶有警報功能和水位顯示功能，測試簡便，機交互友好[11-13]。

1 超聲波傳感器與工作原理

超聲波傳感器的工作原理是根據(jù)超聲波模塊，發(fā)送和接收超聲波信號，根據(jù)信號接收的時間，然后測算出發(fā)送和接收模塊之間的距離。文中采用HCSR04超聲波模塊。它可提供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，主要由超聲波發(fā)射器、接收器、和控制電路構(gòu)成[14-16]。

實物圖如圖1所示。

圖1 HC-SR04實物圖

如圖1所示VCC接入5 V電源，GND接地，TRIG觸發(fā)控制信號輸入，接入單片機P1.0I/O口，ECHP回響信號輸出接入單片機P1.1I/O口。

表1 電氣參數(shù)

根據(jù)電氣參數(shù)可知，只需要提供一個10 μs以上脈沖觸發(fā)信號，該模塊內(nèi)部將發(fā)出8個40 kHz周期電平并檢測回波。一旦檢測到有回波信號則輸出回響信號。回響信號的脈沖寬度與所測的距離成正比。由此通過發(fā)射信號到收到的回響信號時間間隔可以計算得到距離。

這個超聲波模塊的原理圖如圖2所示。

圖2 超聲波模塊原理圖

2 電氣抽水與注水控制

根據(jù)液位控制的要求，當(dāng)水位還沒有達到上限值的時刻，需要通過電機驅(qū)動對儲液罐進行注水，改變注水的頻率和水量，逐漸達到控制水位。同理，到達上限水位后，需要對儲液罐進行抽水，直至到達下限水位。注水和抽水的控制，都是通過電機驅(qū)動來實現(xiàn)的，為了方便控制，采用可以正反轉(zhuǎn)同時實現(xiàn)。通過研究考慮，采用H橋電路電機驅(qū)動電路實現(xiàn)。電機的控制采用直流電機控制實現(xiàn)。

H橋電路主要由 4個三極管 Q1、Q2、Q3、Q4組成，其中Q1、Q4以及Q2、Q3組成導(dǎo)通對，根據(jù)控制端的不同，實現(xiàn)不同的導(dǎo)通對在不同的時間進行導(dǎo)通控制，從而實現(xiàn)控制電機中流過的電流方向不同，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)向的不同控制，而且H橋電路有一個非常重要的問題，設(shè)計只能是Q1、Q4以及Q2、Q3組成導(dǎo)通對。不能Q1、Q2或者Q3、Q4導(dǎo)通，如果Q1、Q2或者Q3、Q4導(dǎo)通，則出現(xiàn)直通現(xiàn)象，會燒毀電源和電機。

根據(jù)上面的分析，在本設(shè)計中，在H橋電路的基礎(chǔ)上增加了控制電路，確保4個與門在同一個“使能”導(dǎo)通信號相接，這樣，用這一個信號就能控制整個電路的開關(guān)。而2個非門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。從而確保電路不會發(fā)生直通現(xiàn)象。

電路原理圖如圖3所示。

圖3 改進過的H橋驅(qū)動電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

采用了模塊化的設(shè)計編寫方式，有簡單易懂，方便調(diào)試，思路清晰的優(yōu)點。主要用到的模塊有按鍵控制程序模塊，數(shù)碼管掃描刷新程序模塊，定時器中斷程序模塊，定時/計數(shù)器程序模塊，超聲波傳感器控制程序模塊，H橋電機控制程序模塊，以及實現(xiàn)模塊拼接運行的主程序模塊。

3.1 主流程圖

主流程圖如圖4所示。

圖4 主流程圖

當(dāng)程序啟動，T0中斷啟動，當(dāng)中的定時定時2 ms，在計數(shù)到400，也就是800 ms時，啟動超聲波模塊，開始發(fā)送超聲波，并把計數(shù)清零，當(dāng)超聲波模塊啟動時，也就是TX=1時，開啟計數(shù)器，計數(shù)器開始計數(shù)，直到超聲波模塊接收到返回聲音，也就是RX變化時，此時計數(shù)器停止計數(shù)，計數(shù)函數(shù)調(diào)用計數(shù)器的計數(shù)，通過計算得出距離，顯示在數(shù)碼管上，并判斷水位狀態(tài)，當(dāng)水位小于5 cm時，D1燈，也就是低水位燈亮起，蜂鳴器報警，水泵電機正轉(zhuǎn)開始注水，當(dāng)水位大于10 cm時，D2高水位燈亮起，水泵電機反轉(zhuǎn)開始抽水，如此循環(huán)。

3.2 T1中斷子程序流程圖

T1中斷子程序流程圖如圖5所示。

圖5 T1中斷程序子流程圖

T1中斷的主要作用為掃描顯示數(shù)碼管和開啟超聲波模塊，程序啟動后，T1中斷裝載2 ms的初值，并不斷掃描數(shù)碼管更新顯示，并且timer時間每次自加一，當(dāng)加到400時，也就是800 ms時，自己清零，開啟超聲波模塊發(fā)送超聲波一次，然后關(guān)閉，以此循環(huán)，配合計數(shù)器和數(shù)碼管顯示模塊以及計算模塊，不斷更新測距數(shù)據(jù)。

3.3 計數(shù)模塊程序子流程圖

計數(shù)模塊程序子流程圖如圖6所示。

圖6 計數(shù)模塊子流程圖

計數(shù)模塊的主要功能為把16位的二進制碼轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)，然后送到顯示模塊，程序啟動時，計數(shù)器設(shè)置初值，當(dāng)超聲波模塊開啟，計數(shù)器開始計數(shù)，超聲波模塊接收到回波后計數(shù)器停止計數(shù)，通過上述算法把time轉(zhuǎn)化為十進制數(shù)S，并送到數(shù)碼管顯示，當(dāng)S＞700，也就是超出測量范圍時，數(shù)碼管顯示三段“-”，當(dāng)S＜700，在測距范圍內(nèi)時，數(shù)碼管顯示個十百位。

4 系統(tǒng)調(diào)試

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)果如圖7所示。

圖7 溫度上下限測試圖

根據(jù)圖7，經(jīng)過軟硬件的設(shè)計后，調(diào)試達成水位低限3 cm高限5 cm的水位智能控制功能，并帶有警報功能和水位顯示功能，達到設(shè)計效果。

5 結(jié)論

文中首先分析了當(dāng)前儲液罐液位控制中存在的問題，從問題出發(fā)，采用單片機作為控制核心，根據(jù)PWM控制方式，設(shè)計了一套智能液位控制系統(tǒng)。經(jīng)過軟硬件的設(shè)計和調(diào)試后，達成水位低限3 cm高限5 cm的水位智能控制功能，并帶有警報功能和水位顯示功能，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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