基于單片機的水位控制系統設計

唐靈軍，唐 杰，諶 超，胡 斌

（邵陽學院 電氣工程系，湖南 邵陽 422000）

在生產領域中，實現水位自動檢測和控制是工業過程控制的一項關鍵技術，對于提高工業過程控制的自動化水平有著重要的意義。

在生活領域中，供水方式過去一般是通過人工來實現控制，容易造成對水資源的浪費，所以現在人們越來越關注水資源的問題。

目前，水位控制系統是受到廣泛應用的供水系統，水位控制可以有多種實現方法，如機械控制、邏輯電路控制、機電控制、傳感器控制等，但傳統的控制方式存在控制精度低、能耗大、不能實現連續控制和跟蹤水位的特點，所以本論文設計出更方便更準確的水位控制系統。

1 總體方案設計

本系統主要由單片機最小系統電路、水位檢測電路、步進電機驅動電路、水位顯示電路、水泵驅動電路、軟件設計等。設計系統框圖如圖1所示。圖1中的單片機控制模塊為系統的核心部件，鍵盤和顯示器用來實現人機交互功能，其中通過鍵盤將所需要設置的參數和狀態輸入到單片機中，并且通過控制器顯示到顯示器上，當水箱里的水位下降時，移動探頭也隨著下降，再通過簡單的算法，顯示器實時顯示水箱里的水位。

圖1 控制系統框圖Fig.1 Control system diagram

2 硬件系統設計

2.1 控制器模塊設計

單片機控制器主要用于產生步進電機控制脈沖，對步進電機當前步數進行采集處理，再經過簡單的算法，在終端LCD上顯示當前的水位。對于控制器的選擇采用AT89S52作為系統控制的方案。AT89S52單片機算術運算功能強，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現各種算法和邏輯控制。相對于FPGA來說，它的芯片引腳少，在硬件很容易實現。并且它還具有功耗低、體積小、技術成熟和成本低等優點。

2.2 電機驅動模塊設計

本次設計的主要目的是控制電機的轉速，其電機采用兩相四線步進電機，因此電機驅動模塊是必不可少的，其方案決定采用專用的電機驅動芯片L298N，此電機驅動芯片的電路設計簡單、抗干擾能力強、可靠性好。其電路原理圖如圖2所示。

2.3 水位檢測模塊設計

傳統的水位檢測有采用壓力傳感器，再經過AD轉換，傳送到單片機，運算復雜，精度不夠高，或者是采用接觸式拾取信號，在水箱的不同位置安裝若干個金屬棒來感知水位的變化，直接利用金屬和水的導電性采集水位信號，運算簡單，但不能實現連續水位的監控。本次設計利用單片機控制步進電機，在步進電機上懸掛一個移動探頭，探頭接觸到水，則單片機采集到信號為高電平，否則為低電平。本設計能進行連續水位的監控，程序運行簡單，控制精度高，成本低。其電路圖如圖3所示。

圖2 驅動電路Fig.2 Driving circuit

圖3 水位檢測模塊Fig.3 Water level detecion module

2.4 顯示模塊設計

本設計方案采用128×64LCD液晶顯示器，該顯示器功率低，驅動方法和硬件連接電路較為簡單，顯示屏幕大、可對漢字和字符進行顯示。

2.5 進出水模塊設計

在連續水位控制系統中，系統要對水箱里的水進行出進水控制，本設計采用繼電器控制水泵來控制進出水，單片機控制繼電器簡單，適合工業的進出水。其電路圖如圖4所示。

3 軟件設計

圖4 水泵電路圖Fig.4 Pump circuit diagram

為了使控制系統各種硬件設備能夠正常運行，有效地實現實時控制和管理，除了要設計合理的硬件電路，還必須要有高質量的軟件支持。軟件設計包括各個模塊的驅動程序的設計，主程序軟件的設計，控制算法的實現。各驅動模塊有鍵盤識別程序，LCD液晶顯示器顯示程序，控制設置程序等。主程序流程圖如圖5所示，鑒于篇幅所限，在此不提供程序源代碼。

4 實驗結果及分析

4.1 給定水位測試

用鍵盤輸入給定的水位高度，其結果如表1所示。

4.2 液面跟蹤測試

啟動跟蹤測試程序，顯示器LCD實時顯示水位的高度，其測試結果如表2所示。

從以上結果來看，誤差值在允許范圍里，電機驅動負載的功率比較低，需要該用性能較好的電機。

5 結 論

圖5 主流程圖Fig.5 Process flow diagram of main program

表1給定水位測試表Tab.1 A given water level test table cm

1）優化的軟件算法，智能化的自動控制，誤差補償；2）本課題設計的優點在于設計了連續控制和液面跟蹤水位的系統，這種控制系統克服了傳統基于電極式水位控制系統的缺陷，方案新穎，算法簡單，容易實現，精度高，對實現水位自動檢測和控制具有實際的應用價值。

表2 液面跟蹤測試表Tab.2 Page tracking test table cm

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