基于單片機的超聲波液位智能控制系統設計

侯佳辛，宋廣軍

（浙江海洋大學 數理與信息學院，舟山316000）

隨著科技的進步發展，電子技術已被廣泛應用到測量技術中，使得自動精確測量得以實現。在此基礎上，由于使用超聲波完成測距精度高、受被測介質影響較小，因此得到了更加廣泛的利用。

針對工農業生產中由于性質特殊不能使用直接接觸式傳感器的特殊性質液體，設計了一種基于單片機的超聲波液位智能控制系統，不同于單純的超聲波測距儀器，該系統可以通過系統中的能量轉換裝置實現超聲波和電脈沖信號的相互轉換，這樣就能夠在完成對特殊性質液體液面高度測量的同時，由單片機接受并進行傳輸信號的處理，以完成自動化液位控制。

系統實現的超聲波自動測距技術可廣泛應用于環境條件較為特殊的工業和農業等行業生產中，對實現液位自動測量及實時控制，提高控制精準度等均有較強的實用參考價值。

1 超聲波液位智能控制系統的設計方案及關鍵技術

1.1 系統架構

本設計選擇基于AT89C51 單片機作為中央處理器進行液位控制。如圖1所示，整個控制系統由中央處理模塊、超聲波測距模塊、A/D 轉換模塊、報警模塊、顯示模塊、鍵盤輸入模塊以及電機控制模塊組成。以AT89C51 芯片為核心，采用超聲波傳感技術測量液位、單片機控制水泵運作的方式達到控制液位的目的。

圖1 液位控制系統框圖Fig.1 Block diagram of the liquid level control system

1.2 系統工作原理

首先系統采用超聲波傳感技術實時監測液位高度的變化，通過傳感器模塊將測量結果經A/D 轉換處理成電信號后傳輸到單片機。由單片機控制水泵包括抽水電機和排水電機以及顯示和報警裝置等發出動作指令：當液位高于規定范圍上限時，電機啟動抽水水泵抽出液體使液面下降；當液位低于規定水位下限時，電機啟動排水水泵注入液體使液面上升，從而實現對液位的實時測量和控制。

從電路角度來說，可以理解為在系統初始化的狀態下能夠體現出3 個狀態，分別是低水位狀態、高水位狀態和正常水位狀態。傳感器在檢測到低水位狀態時會傳輸給單片機一個高電平信號，與此同時報警系統形成通路，驅動水泵注水。

1.3 超聲波測距模塊

超聲波測距模塊是系統設計的核心技術。超聲波是以人耳剛能聽到的聲音頻率為零起點，其頻率高于20 kHz，是人們聽不到的聲波，超聲波頻率可高達1011 Hz[1]。超聲波最重要的特點是可以在各種介質中傳播，利用超聲波的脈沖反射及脈沖反射回波就可以完成相應測量。

反射式超聲波測距方法的原理如圖2所示。首先使用超聲波發射器向外界被測目標發射超聲波，并同時開始計時，隨即超聲波在傳播途中會遇到障礙物即目標被測物體導致反射，接收器接收到反射回來的超聲波脈沖回波，同時立即停止計時。此時計時器記下了超聲波發射到目標被測物體以及從目標被測物體反射回接收器的時間t。超聲波的速度即聲速為340 m/s，通過計算公式S=Vt/2 就可以算出從超聲波發送器到目標被測物體之間的距離。

圖2 超聲波測距原理圖Fig.2 Ultrasonic ranging principle

2 系統的硬件電路設計

2.1 主控芯片的選擇

系統中采用的是ATMEL 的AT89C51 單片機作為主控芯片。它的優點在于靈活的編程設計和內部豐富的I/O 端口，以及控制的準確性[2]。其內部的可擦除只讀處理器可反復擦除1000 次，具有很快的數據處理速度和高集成性，芯片內部不僅集成了CPU、RAM、IO 口、Flash 等資源，還集成有串口通信接口、看門狗電路等，可以滿足大多數的外設使用。

2.2 超聲波傳感器的選擇

當前應用比較廣泛的超聲波傳感器有以下幾種：通用型傳感器、寬頻帶型傳感器、封閉型傳感器、高頻型傳感器[3]。本液位控制系統的設計主要針對工業中特殊性質液體進行超聲波測距，在這個特殊條件的約束下，測距需要有特殊針對性的傳感器。因此采用封閉型傳感器，封閉型傳感器由于有封閉空間的保護[4]，可以應用在更惡劣的或者特殊的測量環境中，相對于其他類型傳感器更加精準。

2.3 A/D 轉換電路

系統中采用ADC0808 型號的A/D 轉換器，其與AT89C51 的嵌入式微型計算機電路的連接如圖3所示。輸入通道是IN0；ALE 接地，000 地址鎖定[5]；數字輸出通道連接到微型計算機的P0 端口； 打開A/D 轉換針START 開始連接微控制器P3.0，確認已完成EOC 引腳的使用；微控制器P3.1 及其連接用于查詢ADC0809 轉換器的狀態；OE 引腳是ADC0809轉換器控制數據的輸出，與微處理器的P3.2 引腳相連，完成數字信號的傳輸。

圖3 A/D 轉換電路Fig.3 A/D conversion circuit

2.4 顯示和報警電路

顯示電路是由4 個共陰極數字管組成，其發光段按字母順序連接到微控制器上的P1 端口，每個數字管1、2、3、4 連接到每臺控制器上P2 端口的低4 位[6]。

報警電路采用晶體管2N2219 和蜂鳴器一起來組成[7]。晶體管2N2219 收集器連接到P3.3 端口的外拉電阻上，將發射器的聲音發生裝置連接到主機。當P3 接收低電平時，2N2219 截止，不會觸發報警電路。當P3 接收高電平時，晶體管2N2219 就會被導通，電路隨之連通，報警裝置被激活，蜂鳴器發出報警。

2.5 電機控制電路

控制電機是否啟動以及何時啟動的電路結構如圖4所示，使用2N2219 晶體管放大器驅動電磁繼電器。繼電器的兩端使用了1N4001 二極管來完成連接，選擇此類型二極管是為了在線圈供電時不會由于線圈供電產生的干擾影響到驅動電路。

3 系統的軟件設計及關鍵技術

3.1 主程序設計

圖4 電機控制電路Fig.4 Motor control circuit

在液位控制系統的軟件設計中，主程序主要由3 個函數部分組成，用作將系統歸為初始位的初始化函數部分；負責監測液位情況的液位檢測函數部分；控制電機在何時以何種方式運行的電機控制函數部分。程序流程如圖5所示。主程序實現將整個系統的參數初始化，如報警控制部分系統參數和電機控制部分系統參數完成初始化設置，調試到模擬仿真階段的初始狀態；設定所需液位高度上下限范圍及實時顯示液位的高度等。

圖5 主程序流程Fig.5 Main program flow chart

3.2 鍵盤接收處理子程序

鍵盤輸入部分同樣是控制系統中很重要的組成部分。鍵盤部分所需的軟件系統設計的程序流程如圖6所示。

軟件設計中鍵盤輸入部分的功能需要使用程序中的掃描查詢方式來完成。若想要判斷出按鍵中的哪些部分被按下就需要根據嵌入式微處理器P2 端口的高四位按鍵是否讀入的狀態來確定。若其中某一位發生了電平由高到低的變化，則表示此按鍵被按下；未被按下的按鍵依然體現的是高電平的狀態。

圖6 按鍵處理流程圖Fig.6 Flow chart of key processing

4 結語

基于單片機的超聲波液位智能控制系統的設計主要應用于工農業生產中特殊性質的液體進行自動精確液位控制。在充分利用超聲波測距技術的基礎上，將其與自動化、智能化有效結合，實現實時監測的同時對液體進行擺脫人工的自動化控制調整，將其運用到工農業生產中，會大大減少勞動力，提高工作效率，且保障了控制和檢測過程準確性，有廣泛的應用前景和使用價值。