基于超聲波傳感器的水箱水位控制器設計

馮 洋

(渭南師范學院物理與電氣工程學院，陜西渭南714000)

隨著電子技術的發展，基于超聲波傳感器的液位測量系統因具有非接觸式的測量特點，已經用到了很多接觸型測量儀表不能測量的特殊場合．我國住宅小區的水箱水位控制系統的基本要求是能夠在無人監控的情況下自動進行工作，因而利用單片機作為控制系統核心，將超聲波作為檢測信號的手段，是一種控制水箱水位的理想裝置［1－2］．該控制器能夠對水位進行自動監控，并依據用水量的變化自動調節系統的運行參數，保持水壓恒定，且此設計具有設計低成本、高實用價值的特點．

1 系統的總體設計方案

系統框圖如圖1所示，由圖1可知水箱水位控制的核心是單片機，通過鍵盤電路來設置標定水位的上限值與下限值，超聲波發送接收模塊用于采集水位高度，要求實時檢測水箱的液位高度，并與預設定的上下限值作比較，由單片機控制繼電器開關的開斷進行液位的調整，最終達到液位的預設定值．檢測值若高于上限設定值時，水泵停止進水;檢測值若低于下限設定值，要求報警，開啟上水水泵從而實現對水箱液位的監控［3］．

圖1 水箱水位控制器系統框圖

2 硬件電路設計

硬件電路設計中主要包括單片機主控電路，超聲波發送和接收電路，水泵控制電路，鍵盤、顯示和報警電路．

2．1 單片機主控電路

單片機是整個水位控制器的核心模塊，本系統采用Atmel公司的AT89S52型號．AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8 K在系統可編程Flash存儲器;使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業80C51產品指令和引腳完全兼容;AT89S52在眾多嵌入式控制應用系統中廣泛應用［4］．

2．2 超聲波電路設計

超聲波液位檢測基本工作原理是利用超聲波傳播時間和傳播速度來確定液面距離．本設計中采用反射式的方式，超聲波傳感器發射超聲波，遇到液面后超聲波被反射回來，超聲波接收探頭接收超聲波．利用超聲波傳輸距離與時間的關系，可確定液位的高度．

測距的公式表示為:L=C×T．

式中:L為測量的距離長度;C為超聲波在空氣中的傳播速度;T為測量距離傳播的時間差(T為發射到接收時間數值的一半)［5］．電路如圖2(超聲波發送電路)、圖3(超聲波接收電路)所示:

圖2 超聲波發送電路

圖3 超聲波接收電路

2．3 水泵控制電路

該設計的水泵控制電路采用繼電器進行高壓與低壓的隔離，圖4為繼電器驅動電路，通過繼電器對上水水泵進行控制．電路中D1二極管起到續流保護作用，由于繼電器的電磁鐵為感性元件，在關斷瞬間，會產生很大的自感電動勢，這樣會導致兩個三極管的損壞，甚至損壞控制電路．因此，在繼電器驅動端反接一個二極管將自感電動勢消除，從而保護電路［6］．

圖4 水泵上水電路

圖5 水箱水位控制流程圖

2．4 鍵盤、顯示和報警電路

鍵盤主要用于調節水箱水位的上下限;顯示電路采用LCD1602液晶模塊實現實時顯示液面高度，用于工作人員查詢［7］;報警電路可以采用蜂鳴器和發光二極管組成聲光報警電路，加入報警電路主要是用于提示工作人員控制器已經檢測到信號，正在進水．由于篇幅有限，在此不再累述．

3 軟件設計

該系統首先用鍵盤輸入水箱水位的上限值與下限值，通過軟件設計將超聲波采集的水箱水位的實際高度與標定水位進行比較，要求實時檢測水箱的液位高度，并與開始預設定值作比較，由單片機控制開關的開斷進行液位的調整，最終達到液位的預設定值．檢測值若高于上限設定值時，要求報警，斷開繼電器，停止上水;檢測值若低于下限設定值，要求報警，開啟繼電器，開啟上水水泵．現場實時顯示測量值，從而實現對水箱液位的監控．

4 結語

本設計基于超聲波傳感器的水箱水位控制器實現了對水箱水位的精確控制和實時檢測，并且可以根據需要重新調整水箱水位的上下限，能很好地防止“空塔”和“溢塔”的現象．該設計電路結構簡單、價格便宜、易于控制、穩定性好，具有很高的實用價值，可以用于小區水箱的控制和農業上的灌溉系統控制，也可用于其他危險情況下的液面檢測控制．

［1］張建龍．液位控制系統的研究與設計［J］．自動化與儀器儀表，2008，12(5):3－6．

［2］陳霞，白小軍．基于單片機的液位監控系統［J］．武漢理工大學學報，2007，34(6):1－4．

［3］張文昭，包本剛，陳愛武．樓宇水箱水位檢測與抽水自動控制系統［J］．湖南科技學院學報，2009，8(3):14－29．

［4］中國機械工業教育協會組．單片機原理與應用［M］．北京:機械工業出版社，2001．17－21．

［5］張波，王明亮．基于STC89C51單片機超聲波測距系統的設計［J］．機床與液壓，2005，17(6):28－32．

［6］朱維路．供水水泵電機的自動控制電路［J］．電工技術雜志，1998，16(6):4－18．

［7］李維提，郭強．液晶顯示器件應用技術［M］．北京:電子工業出版社，2000．267－287．