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(jī)械或電子的方法來實(shí)現(xiàn)[1-5]，現(xiàn)在，液位控制的方法也在不斷改進(jìn)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(jī)不能同時進(jìn)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(jī)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(dá)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(jī)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(dá)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(shí)物圖如圖1所示。

圖1 HC-SR04實(shí)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(jī)P1.0I/O口，ECHP回響信號輸出接入單片機(jī)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?；仨懶盘柕拿}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(dá)到上限值的時刻，需要通過電機(jī)驅(qū)動對儲液罐進(jìn)行注水，改變注水的頻率和水量，逐漸達(dá)到控制水位。同理，到達(dá)上限水位后，需要對儲液罐進(jìn)行抽水，直至到達(dá)下限水位。注水和抽水的控制，都是通過電機(jī)驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)的，為了方便控制，采用可以正反轉(zhuǎn)同時實(shí)現(xiàn)。通過研究考慮，采用H橋電路電機(jī)驅(qū)動電路實(shí)現(xiàn)。電機(jī)的控制采用直流電機(jī)控制實(shí)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(shí)現(xiàn)不同的導(dǎo)通對在不同的時間進(jìn)行導(dǎo)通控制，從而實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)中流過的電流方向不同，實(shí)現(xiàn)電機(jī)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(jī)。

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(jìn)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(diǎn)。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(jī)控制程序模塊，以及實(shí)現(xiàn)模塊拼接運(yùn)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(jī)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(jī)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(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成十進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(dá)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(dá)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(jī)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(dá)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(jī)交互好，在同類項目中達(dá)到了較高的水平。

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