基于超聲波傳感器的液位控制系統(tǒng)

顏浩 周林 欒文洲 逄增棟 嚴(yán)俊

摘要：為保證水池液位一直處于安全位置以下，設(shè)計(jì)了一款以STC89C52單片機(jī)為控制芯片的超聲波非接觸式液位控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用HC-SR04實(shí)現(xiàn)測(cè)距功能，溫度采集用于聲速補(bǔ)償，固態(tài)繼電器控制三相電動(dòng)機(jī)通斷，LCD1602作為顯示界面，按鍵用于參數(shù)設(shè)定。測(cè)量距離不在設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)判斷并控制三相電動(dòng)機(jī)的啟停，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了弱電控制強(qiáng)電，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守自動(dòng)排水。通過(guò)實(shí)際安裝應(yīng)用表明，系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求，具有操作簡(jiǎn)單性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

Abstract： In order to ensure that the liquid level of the pool is always below the safe position， an ultrasonic non-contact liquid level control system based on STC89C52 single-chip microcomputer is designed. The system uses HC-SR04 to achieve ranging function， temperature acquisition for sound speed compensation， solid state relay control three-phase motor on and off， LCD1602 as a display interface， keys for parameter settings. When the measurement distance is not within the setting range， the system automatically judges and controls the start and stop of the three-phase motor. This system realizes weak current control and strong power， and realizes unattended automatic drainage. The actual installation and application show that the system meets the design requirements and has the advantages of simple operation and stable performance.

關(guān)鍵詞：STC89C52;超聲波;固態(tài)繼電器;三相電動(dòng)機(jī);LCD1602

Key words： STC89C52;ultrasounic;solid state relay;three-phase motor;LCD1602

中圖分類(lèi)號(hào)：TP212.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2018）34-0117-03

0? 引言

在現(xiàn)實(shí)生活中利用超聲波測(cè)距的應(yīng)用越來(lái)越多，超聲波是一種非接觸式的測(cè)距傳感器。超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢且在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)。與其它測(cè)距方式相比，它不受天氣、光線及被測(cè)物體顏色的影響。對(duì)于被測(cè)物處于煙霧、有灰塵、電磁干擾、黑暗等惡劣的環(huán)境下有一定的適應(yīng)能力[1]。該系統(tǒng)采用HC-SR04超聲波傳感器作為距離測(cè)量傳感器，測(cè)量出與液位之間的距離，把測(cè)量數(shù)據(jù)顯示在LCD1602上面，單片機(jī)通過(guò)測(cè)量的數(shù)據(jù)間接控制固態(tài)繼電器，實(shí)現(xiàn)對(duì)三相電機(jī)的啟停控制。該系統(tǒng)在測(cè)量的距離小于上限距離時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警，同時(shí)啟動(dòng)三相電機(jī)自動(dòng)排水，當(dāng)系統(tǒng)測(cè)量的距離大于下限距離時(shí)，三相電機(jī)自動(dòng)停止，系統(tǒng)距離閾值可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了弱電控制強(qiáng)電，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守自動(dòng)排水功能，減少了人工操作環(huán)節(jié)，避免了人工操作的安全隱患并且安裝簡(jiǎn)單，成本低，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

1? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

1.1 系統(tǒng)工作原理

采用超聲波測(cè)量距離，將距離顯示在LCD1602上，通過(guò)按鍵設(shè)置水池水位的上端和下端的安全距離，當(dāng)測(cè)量的距離低于上端的安全距離時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警提示，同時(shí)單片機(jī)通過(guò)P2.0引腳輸出低電平信號(hào)，觸發(fā)小型直流繼電器工作，小型直流繼電器導(dǎo)通，從而觸發(fā)固態(tài)繼電器導(dǎo)通，三相電機(jī)將啟動(dòng)進(jìn)行自動(dòng)排水;當(dāng)測(cè)量的距離低于下端的安全距離時(shí)，單片機(jī)通過(guò)P2.0引腳輸出高電平信號(hào)，小型直流繼電器停止工作，無(wú)輸出信號(hào)，從而固態(tài)繼電器不導(dǎo)通，三相電機(jī)將自動(dòng)停止抽水。自動(dòng)排水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

1.2 超聲波測(cè)距原理

采用超聲波測(cè)量傳感器與水池水面之間的距離，當(dāng)超聲波傳感器的發(fā)射端發(fā)出信號(hào)后，遇到水面，就會(huì)將信號(hào)反射回來(lái)，利用超聲波的這種特性，采用時(shí)間差值檢測(cè)法[2]進(jìn)行對(duì)水池水面距離的測(cè)量。其測(cè)量原理是超聲波發(fā)射端向水面方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射聲波的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)。聲波在空氣中傳播，碰到水面立即反射回來(lái)，超聲波接收端接收到反射信號(hào)就立即停止計(jì)時(shí)。根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的傳播時(shí)間及聲波在空氣中傳播的速度，就可以計(jì)算出發(fā)射端距水面的距離，計(jì)算公式為：S=Vt/2，由公式V=331.5+0.607T，可以確定出安裝使用環(huán)境下的聲速V。公式中：S 表示測(cè)量距離;t表示聲波發(fā)射到聲波返回的時(shí)間間隔;V 表示聲波在空氣中傳播的速度，其值受到環(huán)境溫度的影響;T表示安裝環(huán)境的溫度（℃）[3]。將測(cè)量的距離在LCD1602上面顯示出來(lái)。

2? 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)圖

本系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)主要分為：電源模塊、單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)、溫度模塊、超聲波模塊、繼電器模塊、按鍵模塊，1602LCD顯示電路。系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)圖，如圖2所示。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)程序流程圖

該系統(tǒng)采用C語(yǔ)言模塊化程序設(shè)計(jì)。系統(tǒng)程序主要包括溫度采集模塊、超聲波測(cè)距模塊程序、繼電器模塊程序、LCD顯示模塊程序、按鍵模塊程序、報(bào)警模塊程序等。主程序流程圖如圖 3所示。

3.2 主程序設(shè)計(jì)

程序采用模塊化設(shè)計(jì)，進(jìn)入主程序，首先檢測(cè)蜂鳴器狀態(tài)，初始化單片機(jī)IO口，初始化LCD1602和定時(shí)器，調(diào)用執(zhí)行一次溫度采集函數(shù)和超聲波測(cè)距函數(shù)，LCD顯示用戶設(shè)定初始的上限和下限值。進(jìn)入while循環(huán)，執(zhí)行主程序。

void main（）

{

speaker = 0;

delay_1ms（200）;

P0 = P1 = P2 = P3 = 0XFF;

init_1602（）;

time_init（）;

get_temperature（）;

ultrasouic_ dis（）;

write_lcd（2，3，Up）;

write_lcd（2，11，Down）;

while（1）

{

get_temperature（）;

ultrasouic_ dis（）;

write_lcd（1，8，distance）;

Relay（）;

key（）;

if（key_can < 5）

{

key_with（）;

}

}

}

3.3 溫度采集程序設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用DS18B20溫度傳感器采集環(huán)境溫度，將采集的溫度用于計(jì)算超聲波測(cè)距的聲速，補(bǔ)償聲速受環(huán)境溫度的影響，提高測(cè)量距離的精確性。

uint get_temperature（）

{

float temperature;

uchar a，b;

delay_1ms（2）;

write_lcd_byte（0xcc）;

write_lcd_byte （0xbe）;

a= write_lcd_byte （）;

b= write_lcd_byte （）;

temp=b;

temp<<=8;

temp=temp|a;

temperature=temp*0.0625;

temp=temperature*100+0.5;

return temp;

}

3.4 超聲波測(cè)距程序設(shè)計(jì)

首先超聲波的發(fā)射端發(fā)射出一個(gè)超聲波脈沖信號(hào)，延時(shí)10ms關(guān)閉脈沖信號(hào)，等待接收端接收返回的信號(hào)，開(kāi)啟定時(shí)器T0計(jì)時(shí)，當(dāng)接收到信號(hào)后立即執(zhí)行while（ultrasouic_recive）函數(shù)，利用計(jì)數(shù)器 T0中的計(jì)數(shù)計(jì)算出被測(cè)液面與超聲波測(cè)距儀之間的距離[4]。

void ultrasouic_dis （）

{

TH0 = 0;

TL0 = 0;

TR0 = 0;

ultrasouic_send = 1;

delay（）;

ultrasouic_send = 0;

while（！ultrasouic_recive）;

TR0=1;

while（ultrasouic_recive）

{

flag_time0 = TH0 * 256 + TL0;

if（（flag_time0 > 23530））

{

TR0 = 0;

distance = 888;

break ;

}

else

{

flag_ultrasouic_utility = 1;

}

}

if（flag_ultrasouic_utility==1）

{

TR0=0;

V =331.5+0.607* temp;

distance = flag_time0/2* V;

if（（distance > 400））

{

distance = 888;

}

}

}

3.5 繼電器程序設(shè)計(jì)

對(duì)測(cè)量的距離與用戶設(shè)定的上限和下限距離相比較，當(dāng)測(cè)量的距離小于用戶設(shè)定的上限距離時(shí)，固態(tài)繼電器吸合，此時(shí)啟動(dòng)三相異步電機(jī);水位不斷下降，當(dāng)測(cè)量的距離大于用戶設(shè)定的下限距離時(shí)，固態(tài)繼電器斷開(kāi)，三相異步電機(jī)停止工作。

void Relay（）

{

if（distance<Up）

{

Relay1 = 0;

}

else if（distance>Down）? ?Relay1 = 1;

}

4? 安裝調(diào)試與應(yīng)用

表1為同一環(huán)境高度下不同液面測(cè)量的距離與實(shí)際距離。將制作好的超聲波測(cè)距儀安裝在應(yīng)急排水池上方60cm處固定好，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到以下數(shù)據(jù)。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在有效數(shù)據(jù)測(cè)量范圍內(nèi)，測(cè)量距離與實(shí)際距離的誤差均小于1.5%，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

表2為實(shí)際安裝應(yīng)用時(shí)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果，當(dāng)系統(tǒng)測(cè)量的距離小于設(shè)定的安全距離上限時(shí)，電機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)進(jìn)行排水，當(dāng)系統(tǒng)測(cè)量的距離大于設(shè)定的安全距離下限時(shí)，電機(jī)自動(dòng)停止排水。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間實(shí)際安裝測(cè)試應(yīng)用，該系統(tǒng)滿足廠內(nèi)自動(dòng)排水要求，能夠保證液面一直處于安全位置，避免了因積液而造成的安全隱患。

5? 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)超聲波測(cè)量距離，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)急排水池的自動(dòng)排水，保證液面一直處于安全位置，減少了人工操作環(huán)節(jié)，避免了人工操作的安全風(fēng)險(xiǎn)，避免了夜間水池液面超過(guò)安全距離而造成的危險(xiǎn)。該測(cè)距自動(dòng)排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，安裝方便，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守自動(dòng)排水的功能，在實(shí)際安裝應(yīng)用中取得很好的效果。在硬件制作中充分考慮了三相交流固態(tài)繼電器扇熱性能，采用鋁排安裝固定并在接觸面涂有散熱硅膠，避免雨季因頻繁啟動(dòng)過(guò)熱而損壞繼電器;考慮了環(huán)境溫度對(duì)超聲波聲速的影響，采用DS18B20測(cè)量安裝環(huán)境的溫度，用于補(bǔ)償超聲波傳感器聲速受溫度的影響，提高測(cè)量距離的精確性。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了弱電控制強(qiáng)電，具有抗干擾能力強(qiáng)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，安全可靠，精確度高、成本低和操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于排水、防洪坑的自動(dòng)排水。

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