單片機(jī)超聲波液位智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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摘要：為了能夠?qū)崿F(xiàn)擺脫人工對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中特殊液體的液位高度調(diào)節(jié)進(jìn)行自動控制，該文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的超聲波液位智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過超聲波傳感器對被測液體液位的高度進(jìn)行實(shí)時測量，再由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析處理，將電機(jī)是否需要啟動的分析結(jié)果傳輸?shù)诫姍C(jī)控制系統(tǒng)中，通過啟動和關(guān)閉相應(yīng)水泵自動調(diào)整液位，將液位控制在規(guī)定的上下限范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)擺脫人工對特殊液體自動化液位控制。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；超聲波測距；傳感器；液位控制

隨著科技的進(jìn)步發(fā)展，電子技術(shù)已被廣泛應(yīng)用到測量技術(shù)中，使得自動精確測量得以實(shí)現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上，由于使用超聲波完成測距精度高、受被測介質(zhì)影響較小，因此得到了更加廣泛的利用。針對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中由于性質(zhì)特殊不能使用直接接觸式傳感器的特殊性質(zhì)液體，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的超聲波液位智能控制系統(tǒng)，不同于單純的超聲波測距儀器，該系統(tǒng)可以通過系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)換裝置實(shí)現(xiàn)超聲波和電脈沖信號的相互轉(zhuǎn)換，這樣就能夠在完成對特殊性質(zhì)液體液面高度測量的同時，由單片機(jī)接受并進(jìn)行傳輸信號的處理，以完成自動化液位控制。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的超聲波自動測距技術(shù)可廣泛應(yīng)用于環(huán)境條件較為特殊的工業(yè)和農(nóng)業(yè)等行業(yè)生產(chǎn)中，對實(shí)現(xiàn)液位自動測量及實(shí)時控制，提高控制精準(zhǔn)度等均有較強(qiáng)的實(shí)用參考價值。

1超聲波液位智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案及關(guān)鍵技術(shù)

1.1系統(tǒng)架構(gòu)

本設(shè)計(jì)選擇基于AT89C51單片機(jī)作為中央處理器進(jìn)行液位控制。如圖1所示，整個控制系統(tǒng)由中央處理模塊、超聲波測距模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、報(bào)警模塊、顯示模塊、鍵盤輸入模塊以及電機(jī)控制模塊組成。以AT89C51芯片為核心，采用超聲波傳感技術(shù)測量液位、單片機(jī)控制水泵運(yùn)作的方式達(dá)到控制液位的目的。

1.2系統(tǒng)工作原理

首先系統(tǒng)采用超聲波傳感技術(shù)實(shí)時監(jiān)測液位高度的變化，通過傳感器模塊將測量結(jié)果經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換處理成電信號后傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)。由單片機(jī)控制水泵包括抽水電機(jī)和排水電機(jī)以及顯示和報(bào)警裝置等發(fā)出動作指令：當(dāng)液位高于規(guī)定范圍上限時，電機(jī)啟動抽水水泵抽出液體使液面下降；當(dāng)液位低于規(guī)定水位下限時，電機(jī)啟動排水水泵注入液體使液面上升，從而實(shí)現(xiàn)對液位的實(shí)時測量和控制。從電路角度來說，可以理解為在系統(tǒng)初始化的狀態(tài)下能夠體現(xiàn)出3個狀態(tài)，分別是低水位狀態(tài)、高水位狀態(tài)和正常水位狀態(tài)。傳感器在檢測到低水位狀態(tài)時會傳輸給單片機(jī)一個高電平信號，與此同時報(bào)警系統(tǒng)形成通路，驅(qū)動水泵注水。

1.3超聲波測距模塊

超聲波測距模塊是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心技術(shù)。超聲波是以人耳剛能聽到的聲音頻率為零起點(diǎn)，其頻率高于20kHz，是人們聽不到的聲波，超聲波頻率可高達(dá)1011Hz[1]。超聲波最重要的特點(diǎn)是可以在各種介質(zhì)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(yīng)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(fā)射器向外界被測目標(biāo)發(fā)射超聲波，并同時開始計(jì)時，隨即超聲波在傳播途中會遇到障礙物即目標(biāo)被測物體導(dǎo)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(jì)時。此時計(jì)時器記下了超聲波發(fā)射到目標(biāo)被測物體以及從目標(biāo)被測物體反射回接收器的時間t。超聲波的速度即聲速為340m/s，通過計(jì)算公式S=Vt/2就可以算出從超聲波發(fā)送器到目標(biāo)被測物體之間的距離。

2系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

2.1主控芯片的選擇

系統(tǒng)中采用的是ATMEL的AT89C51單片機(jī)作為主控芯片。它的優(yōu)點(diǎn)在于靈活的編程設(shè)計(jì)和內(nèi)部豐富的I/O端口，以及控制的準(zhǔn)確性[2]。其內(nèi)部的可擦除只讀處理器可反復(fù)擦除1000次，具有很快的數(shù)據(jù)處理速度和高集成性，芯片內(nèi)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(shù)的外設(shè)使用。

2.2超聲波傳感器的選擇

當(dāng)前應(yīng)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(tǒng)的設(shè)計(jì)主要針對工業(yè)中特殊性質(zhì)液體進(jìn)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(hù)[4]，可以應(yīng)用在更惡劣的或者特殊的測量環(huán)境中，相對于其他類型傳感器更加精準(zhǔn)。

2.3A/D轉(zhuǎn)換電路

系統(tǒng)中采用ADC0808型號的A/D轉(zhuǎn)換器，其與AT89C51的嵌入式微型計(jì)算機(jī)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(shù)字輸出通道連接到微型計(jì)算機(jī)的P0端口；打開A/D轉(zhuǎn)換針START開始連接微控制器P3.0，確認(rèn)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(zhuǎn)換器的狀態(tài)；OE引腳是ADC0809轉(zhuǎn)換器控制數(shù)據(jù)的輸出，與微處理器的P3.2引腳相連，完成數(shù)字信號的傳輸。

2.4顯示和報(bào)警電路

顯示電路是由4個共陰極數(shù)字管組成，其發(fā)光段按字母順序連接到微控制器上的P1端口，每個數(shù)字管1、2、3、4連接到每臺控制器上P2端口的低4位[6]。報(bào)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(fā)射器的聲音發(fā)生裝置連接到主機(jī)。當(dāng)P3接收低電平時，2N2219截止，不會觸發(fā)報(bào)警電路。當(dāng)P3接收高電平時，晶體管2N2219就會被導(dǎo)通，電路隨之連通，報(bào)警裝置被激活，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警。

2.5電機(jī)控制電路

控制電機(jī)是否啟動以及何時啟動的電路結(jié)構(gòu)如圖4所示，使用2N2219晶體管放大器驅(qū)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(chǎn)生的干擾影響到驅(qū)動電路。

3系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)

3.1主程序設(shè)計(jì)

在液位控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，主程序主要由3個函數(shù)部分組成，用作將系統(tǒng)歸為初始位的初始化函數(shù)部分；負(fù)責(zé)監(jiān)測液位情況的液位檢測函數(shù)部分；控制電機(jī)在何時以何種方式運(yùn)行的電機(jī)控制函數(shù)部分。程序流程如圖5所示。主程序?qū)崿F(xiàn)將整個系統(tǒng)的參數(shù)初始化，如報(bào)警控制部分系統(tǒng)參數(shù)和電機(jī)控制部分系統(tǒng)參數(shù)完成初始化設(shè)置，調(diào)試到模擬仿真階段的初始狀態(tài)；設(shè)定所需液位高度上下限范圍及實(shí)時顯示液位的高度等。

3.2鍵盤接收處理子程序

鍵盤輸入部分同樣是控制系統(tǒng)中很重要的組成部分。鍵盤部分所需的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的程序流程如圖6所示。軟件設(shè)計(jì)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(jù)嵌入式微處理器P2端口的高四位按鍵是否讀入的狀態(tài)來確定。若其中某一位發(fā)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(xiàn)的是高電平的狀態(tài)。

4結(jié)語

基于單片機(jī)的超聲波液位智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中特殊性質(zhì)的液體進(jìn)行自動精確液位控制。在充分利用超聲波測距技術(shù)的基礎(chǔ)上，將其與自動化、智能化有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測的同時對液體進(jìn)行擺脫人工的自動化控制調(diào)整，將其運(yùn)用到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(zhǔn)確性，有廣泛的應(yīng)用前景和使用價值。

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[7]張旭.超聲波與圖像融合的礦用車輛倒車預(yù)警系統(tǒng)[D].太原：太原理工大學(xué)，2016.

作者：侯佳辛 宋廣軍 單位：浙江海洋大學(xué)