基于超聲波的高精度水位控制系統(tǒng)設(shè)計

周繼裕　王承亮　黃楠　羅皓

摘 要： 本設(shè)計利用STC單片機控制系統(tǒng)實現(xiàn)水位的精確控制，主機通過無線通信方式對從機進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。采用超聲波測距的方法來確定水位值并用12864液晶屏顯示出來，從矩陣鍵盤設(shè)定水位值，通過比較設(shè)定水位和測量水位的數(shù)據(jù)，利用單片機的PWM控制直流雙向水泵進(jìn)行水位的調(diào)節(jié)，最終使水位達(dá)到設(shè)定值。通過測試該系統(tǒng)能精確監(jiān)測水位并顯示水位、準(zhǔn)確地調(diào)控任意設(shè)定水位，而且精度可以達(dá)到1 mm。

關(guān)鍵詞： 超聲波測距； PWM； 直流雙向水泵； 水位控制系統(tǒng)

中圖分類號： TN964?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）10?0116?04

Abstract： The water level is controlled on the required position accurately by STC single chip microcomputer as the control system in this design. The host computer controls the slave machine remotely by wireless communication. The ultrasonic range finding method is used to determine the value of water level and the level is displayed on 12864 LCD. The value of water level is set with matrix keyboard. The DC two?way water pump is controlled by single?chip PWM to adjust water level. With ultrasonic monitoring， the water level reaches the set value at last and the accuracy is less than 1 mm by comparison between the set water level and water level measured data.

Keywords： ultrasonic range finding； PWM； DC two?way water pump； water level control system

0 引 言

水位控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于供水系統(tǒng)，實現(xiàn)水位控制的方法有多種，如機械控制、邏輯電路控制[1]、機電控制[2]等，但這些控制方式普遍存在控制精度低、能耗大、不能實現(xiàn)連續(xù)控制和跟蹤水位的缺點[3]。目前國內(nèi)在液位自動控制方面缺少長期可靠的使用范例，還沒有適用于液位測量和自動控制的定型產(chǎn)品。因此，開展液位自動控制的研究工作十分必要[4]。

本文設(shè)計的水位控制系統(tǒng)將超聲波水位監(jiān)測與STC單片機控制相結(jié)合，充分利用了超聲波水位監(jiān)測的連續(xù)性優(yōu)點與STC單片機控制系統(tǒng)的輸出脈沖寬度調(diào)制的優(yōu)點，從而實現(xiàn)了水位的精確控制。系統(tǒng)通過主機的鍵盤設(shè)置透明容器的水位給定范圍：10～200 mm，設(shè)定水位值后，系統(tǒng)自動調(diào)整水位高度，使系統(tǒng)測量的水位顯示值與實際值誤差≤±2 mm，實現(xiàn)水位的精確測量和控制。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)由主機模塊、從機模塊、超聲波傳感器模塊和電機控制模塊等組成。選用STC12C5A60S2單片機作為主控芯片，利用超聲波傳感器監(jiān)控檢測水位值，12864液晶顯示水位值、系統(tǒng)控制狀態(tài)和水位調(diào)整時間，矩陣鍵盤作為輸入設(shè)備給定水位值，直流雙向水泵通過抽水或放水調(diào)整水位值。利用STC12C5A60S2單片機的PWM口控制直流雙向水泵微調(diào)水位，使其控制更精確。轉(zhuǎn)向顯示則顯示雙向水泵抽水或放水狀態(tài)，即正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

1.1 主控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)要設(shè)計成主從式控制系統(tǒng)，主機能通過無線通信對從機進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

選用STC12C5A60S2單片機作為主控芯片，STC12C5A60S2除了具有其他普通單片機的特點外，還有SPI接口和2路的PWM[5]，單片機小系統(tǒng)包括5 V電源、12864液晶接口和矩陣鍵盤。STC12C5A60S2最小系統(tǒng)見圖2。

1.2 超聲波模塊

1.5 NRF24L01無線發(fā)射接收模塊

NRF24L01是無線數(shù)據(jù)傳輸單片射頻收發(fā)芯片，工作于2.4～2.5 GHz、ISM頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置，芯片能耗非常低[9?10]。NRF24L01是一個獨立的模塊，STC通過SPI接口控制NRF的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)（見圖4）。NRF無線模塊是半雙工的，所以在無線模式下，需要不斷切換主機和從機的收發(fā)模式來實現(xiàn)雙向通訊，即當(dāng)主機為發(fā)送模式時，從機需要切換為接收模式，當(dāng)主機為接收模式時，從機需要切換到發(fā)送模式，以實現(xiàn)雙向通訊。

2 程序設(shè)計

2.1 程序功能描述

4 結(jié) 語

本設(shè)計采用STC12C5A60S2單片機和HC?SR04超聲波傳感器相結(jié)合，充分利用了NRF24L01無線通信優(yōu)點實現(xiàn)主機對從機進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和讀取水位值，控制從機通過單片機PWM控制水泵的速度，實現(xiàn)水位的精確控制，很好地克服了傳統(tǒng)水位定位系統(tǒng)控制精度低的缺點，具有較好的應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)

[1] 周征.傳感器原理與檢測技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[2] 周駿，吳國華，衛(wèi)騏綺，等.一種新型水箱閥門裝置：中國，CN201245449[P].2009?05?27.

[3] 唐靈軍，唐杰，諶超，等.基于單片機的水位控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2012，20（8）：62?64.

[4] 李嚴(yán)，張民.基于超聲波傳感器的水位自動控制系統(tǒng)[J].傳感器與儀器儀表，2009，25（5?1）：134?136.

[5] 姚永平.STC12C5A60S2系列IT 8051單片機中文指南[EB/OL].[2013?09?11].www.stcmcu.com：宏晶STC.2011.

[6] 李軍，申俊澤.超聲測距模塊HC?SR04的超聲波測距儀設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2011（10）：77?78.

[7] 張?zhí)禊i，徐磊.L298N控制直流電機正反轉(zhuǎn)[J].工業(yè)設(shè)計，2011（3）：98?99.

[8] 郭天祥.新概念51單片機C語言教程：入門、提高、開放、拓展全攻略[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[9] 劉靖，陳在平，李其林.基于nRF24L01的無線數(shù)字傳輸系統(tǒng)[J].天津理工大學(xué)學(xué)報，2007，23（3）：38?40.

[10] 時志云，蓋建平，王代華，等.新型高速無線射頻器nRF24L01及其應(yīng)用[J].電子設(shè)計工程，2007（8）：42?44.

[11] 程琴，任海東.基于ZigBee的水庫水位監(jiān)測及遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（13）：68?70.

[12] 畢宏彥，崔志洋，張偉.空氣源熱泵控制系統(tǒng)開發(fā)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（22）：150?151.

[13] 蘇偉達(dá)，吳允平，蔡聲鎮(zhèn)，等.壓力傳感器在大型太陽能供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（24）：179?181.

[14] 趙培宇.STC單片機波特率自適應(yīng)方法[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（23）：41?43.

摘 要： 本設(shè)計利用STC單片機控制系統(tǒng)實現(xiàn)水位的精確控制，主機通過無線通信方式對從機進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。采用超聲波測距的方法來確定水位值并用12864液晶屏顯示出來，從矩陣鍵盤設(shè)定水位值，通過比較設(shè)定水位和測量水位的數(shù)據(jù)，利用單片機的PWM控制直流雙向水泵進(jìn)行水位的調(diào)節(jié)，最終使水位達(dá)到設(shè)定值。通過測試該系統(tǒng)能精確監(jiān)測水位并顯示水位、準(zhǔn)確地調(diào)控任意設(shè)定水位，而且精度可以達(dá)到1 mm。

關(guān)鍵詞： 超聲波測距； PWM； 直流雙向水泵； 水位控制系統(tǒng)

中圖分類號： TN964?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）10?0116?04

Abstract： The water level is controlled on the required position accurately by STC single chip microcomputer as the control system in this design. The host computer controls the slave machine remotely by wireless communication. The ultrasonic range finding method is used to determine the value of water level and the level is displayed on 12864 LCD. The value of water level is set with matrix keyboard. The DC two?way water pump is controlled by single?chip PWM to adjust water level. With ultrasonic monitoring， the water level reaches the set value at last and the accuracy is less than 1 mm by comparison between the set water level and water level measured data.

Keywords： ultrasonic range finding； PWM； DC two?way water pump； water level control system

0 引 言

水位控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于供水系統(tǒng)，實現(xiàn)水位控制的方法有多種，如機械控制、邏輯電路控制[1]、機電控制[2]等，但這些控制方式普遍存在控制精度低、能耗大、不能實現(xiàn)連續(xù)控制和跟蹤水位的缺點[3]。目前國內(nèi)在液位自動控制方面缺少長期可靠的使用范例，還沒有適用于液位測量和自動控制的定型產(chǎn)品。因此，開展液位自動控制的研究工作十分必要[4]。

本文設(shè)計的水位控制系統(tǒng)將超聲波水位監(jiān)測與STC單片機控制相結(jié)合，充分利用了超聲波水位監(jiān)測的連續(xù)性優(yōu)點與STC單片機控制系統(tǒng)的輸出脈沖寬度調(diào)制的優(yōu)點，從而實現(xiàn)了水位的精確控制。系統(tǒng)通過主機的鍵盤設(shè)置透明容器的水位給定范圍：10～200 mm，設(shè)定水位值后，系統(tǒng)自動調(diào)整水位高度，使系統(tǒng)測量的水位顯示值與實際值誤差≤±2 mm，實現(xiàn)水位的精確測量和控制。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)由主機模塊、從機模塊、超聲波傳感器模塊和電機控制模塊等組成。選用STC12C5A60S2單片機作為主控芯片，利用超聲波傳感器監(jiān)控檢測水位值，12864液晶顯示水位值、系統(tǒng)控制狀態(tài)和水位調(diào)整時間，矩陣鍵盤作為輸入設(shè)備給定水位值，直流雙向水泵通過抽水或放水調(diào)整水位值。利用STC12C5A60S2單片機的PWM口控制直流雙向水泵微調(diào)水位，使其控制更精確。轉(zhuǎn)向顯示則顯示雙向水泵抽水或放水狀態(tài)，即正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

1.1 主控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)要設(shè)計成主從式控制系統(tǒng)，主機能通過無線通信對從機進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

選用STC12C5A60S2單片機作為主控芯片，STC12C5A60S2除了具有其他普通單片機的特點外，還有SPI接口和2路的PWM[5]，單片機小系統(tǒng)包括5 V電源、12864液晶接口和矩陣鍵盤。STC12C5A60S2最小系統(tǒng)見圖2。

1.2 超聲波模塊

1.5 NRF24L01無線發(fā)射接收模塊

NRF24L01是無線數(shù)據(jù)傳輸單片射頻收發(fā)芯片，工作于2.4～2.5 GHz、ISM頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置，芯片能耗非常低[9?10]。NRF24L01是一個獨立的模塊，STC通過SPI接口控制NRF的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)（見圖4）。NRF無線模塊是半雙工的，所以在無線模式下，需要不斷切換主機和從機的收發(fā)模式來實現(xiàn)雙向通訊，即當(dāng)主機為發(fā)送模式時，從機需要切換為接收模式，當(dāng)主機為接收模式時，從機需要切換到發(fā)送模式，以實現(xiàn)雙向通訊。

2 程序設(shè)計

2.1 程序功能描述

4 結(jié) 語

本設(shè)計采用STC12C5A60S2單片機和HC?SR04超聲波傳感器相結(jié)合，充分利用了NRF24L01無線通信優(yōu)點實現(xiàn)主機對從機進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和讀取水位值，控制從機通過單片機PWM控制水泵的速度，實現(xiàn)水位的精確控制，很好地克服了傳統(tǒng)水位定位系統(tǒng)控制精度低的缺點，具有較好的應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)

[1] 周征.傳感器原理與檢測技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[2] 周駿，吳國華，衛(wèi)騏綺，等.一種新型水箱閥門裝置：中國，CN201245449[P].2009?05?27.

[3] 唐靈軍，唐杰，諶超，等.基于單片機的水位控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2012，20（8）：62?64.

[4] 李嚴(yán)，張民.基于超聲波傳感器的水位自動控制系統(tǒng)[J].傳感器與儀器儀表，2009，25（5?1）：134?136.

[5] 姚永平.STC12C5A60S2系列IT 8051單片機中文指南[EB/OL].[2013?09?11].www.stcmcu.com：宏晶STC.2011.

[6] 李軍，申俊澤.超聲測距模塊HC?SR04的超聲波測距儀設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2011（10）：77?78.

[7] 張?zhí)禊i，徐磊.L298N控制直流電機正反轉(zhuǎn)[J].工業(yè)設(shè)計，2011（3）：98?99.

[8] 郭天祥.新概念51單片機C語言教程：入門、提高、開放、拓展全攻略[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[9] 劉靖，陳在平，李其林.基于nRF24L01的無線數(shù)字傳輸系統(tǒng)[J].天津理工大學(xué)學(xué)報，2007，23（3）：38?40.

[10] 時志云，蓋建平，王代華，等.新型高速無線射頻器nRF24L01及其應(yīng)用[J].電子設(shè)計工程，2007（8）：42?44.

[11] 程琴，任海東.基于ZigBee的水庫水位監(jiān)測及遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（13）：68?70.

[12] 畢宏彥，崔志洋，張偉.空氣源熱泵控制系統(tǒng)開發(fā)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（22）：150?151.

[13] 蘇偉達(dá)，吳允平，蔡聲鎮(zhèn)，等.壓力傳感器在大型太陽能供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（24）：179?181.

[14] 趙培宇.STC單片機波特率自適應(yīng)方法[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（23）：41?43.

摘 要： 本設(shè)計利用STC單片機控制系統(tǒng)實現(xiàn)水位的精確控制，主機通過無線通信方式對從機進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。采用超聲波測距的方法來確定水位值并用12864液晶屏顯示出來，從矩陣鍵盤設(shè)定水位值，通過比較設(shè)定水位和測量水位的數(shù)據(jù)，利用單片機的PWM控制直流雙向水泵進(jìn)行水位的調(diào)節(jié)，最終使水位達(dá)到設(shè)定值。通過測試該系統(tǒng)能精確監(jiān)測水位并顯示水位、準(zhǔn)確地調(diào)控任意設(shè)定水位，而且精度可以達(dá)到1 mm。

關(guān)鍵詞： 超聲波測距； PWM； 直流雙向水泵； 水位控制系統(tǒng)

中圖分類號： TN964?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）10?0116?04

Abstract： The water level is controlled on the required position accurately by STC single chip microcomputer as the control system in this design. The host computer controls the slave machine remotely by wireless communication. The ultrasonic range finding method is used to determine the value of water level and the level is displayed on 12864 LCD. The value of water level is set with matrix keyboard. The DC two?way water pump is controlled by single?chip PWM to adjust water level. With ultrasonic monitoring， the water level reaches the set value at last and the accuracy is less than 1 mm by comparison between the set water level and water level measured data.

Keywords： ultrasonic range finding； PWM； DC two?way water pump； water level control system

0 引 言

水位控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于供水系統(tǒng)，實現(xiàn)水位控制的方法有多種，如機械控制、邏輯電路控制[1]、機電控制[2]等，但這些控制方式普遍存在控制精度低、能耗大、不能實現(xiàn)連續(xù)控制和跟蹤水位的缺點[3]。目前國內(nèi)在液位自動控制方面缺少長期可靠的使用范例，還沒有適用于液位測量和自動控制的定型產(chǎn)品。因此，開展液位自動控制的研究工作十分必要[4]。

本文設(shè)計的水位控制系統(tǒng)將超聲波水位監(jiān)測與STC單片機控制相結(jié)合，充分利用了超聲波水位監(jiān)測的連續(xù)性優(yōu)點與STC單片機控制系統(tǒng)的輸出脈沖寬度調(diào)制的優(yōu)點，從而實現(xiàn)了水位的精確控制。系統(tǒng)通過主機的鍵盤設(shè)置透明容器的水位給定范圍：10～200 mm，設(shè)定水位值后，系統(tǒng)自動調(diào)整水位高度，使系統(tǒng)測量的水位顯示值與實際值誤差≤±2 mm，實現(xiàn)水位的精確測量和控制。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)由主機模塊、從機模塊、超聲波傳感器模塊和電機控制模塊等組成。選用STC12C5A60S2單片機作為主控芯片，利用超聲波傳感器監(jiān)控檢測水位值，12864液晶顯示水位值、系統(tǒng)控制狀態(tài)和水位調(diào)整時間，矩陣鍵盤作為輸入設(shè)備給定水位值，直流雙向水泵通過抽水或放水調(diào)整水位值。利用STC12C5A60S2單片機的PWM口控制直流雙向水泵微調(diào)水位，使其控制更精確。轉(zhuǎn)向顯示則顯示雙向水泵抽水或放水狀態(tài)，即正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

1.1 主控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)要設(shè)計成主從式控制系統(tǒng)，主機能通過無線通信對從機進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

選用STC12C5A60S2單片機作為主控芯片，STC12C5A60S2除了具有其他普通單片機的特點外，還有SPI接口和2路的PWM[5]，單片機小系統(tǒng)包括5 V電源、12864液晶接口和矩陣鍵盤。STC12C5A60S2最小系統(tǒng)見圖2。

1.2 超聲波模塊

1.5 NRF24L01無線發(fā)射接收模塊

NRF24L01是無線數(shù)據(jù)傳輸單片射頻收發(fā)芯片，工作于2.4～2.5 GHz、ISM頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置，芯片能耗非常低[9?10]。NRF24L01是一個獨立的模塊，STC通過SPI接口控制NRF的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)（見圖4）。NRF無線模塊是半雙工的，所以在無線模式下，需要不斷切換主機和從機的收發(fā)模式來實現(xiàn)雙向通訊，即當(dāng)主機為發(fā)送模式時，從機需要切換為接收模式，當(dāng)主機為接收模式時，從機需要切換到發(fā)送模式，以實現(xiàn)雙向通訊。

2 程序設(shè)計

2.1 程序功能描述

4 結(jié) 語

本設(shè)計采用STC12C5A60S2單片機和HC?SR04超聲波傳感器相結(jié)合，充分利用了NRF24L01無線通信優(yōu)點實現(xiàn)主機對從機進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和讀取水位值，控制從機通過單片機PWM控制水泵的速度，實現(xiàn)水位的精確控制，很好地克服了傳統(tǒng)水位定位系統(tǒng)控制精度低的缺點，具有較好的應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)

[1] 周征.傳感器原理與檢測技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[2] 周駿，吳國華，衛(wèi)騏綺，等.一種新型水箱閥門裝置：中國，CN201245449[P].2009?05?27.

[3] 唐靈軍，唐杰，諶超，等.基于單片機的水位控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2012，20（8）：62?64.

[4] 李嚴(yán)，張民.基于超聲波傳感器的水位自動控制系統(tǒng)[J].傳感器與儀器儀表，2009，25（5?1）：134?136.

[5] 姚永平.STC12C5A60S2系列IT 8051單片機中文指南[EB/OL].[2013?09?11].www.stcmcu.com：宏晶STC.2011.

[6] 李軍，申俊澤.超聲測距模塊HC?SR04的超聲波測距儀設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2011（10）：77?78.

[7] 張?zhí)禊i，徐磊.L298N控制直流電機正反轉(zhuǎn)[J].工業(yè)設(shè)計，2011（3）：98?99.

[8] 郭天祥.新概念51單片機C語言教程：入門、提高、開放、拓展全攻略[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[9] 劉靖，陳在平，李其林.基于nRF24L01的無線數(shù)字傳輸系統(tǒng)[J].天津理工大學(xué)學(xué)報，2007，23（3）：38?40.

[10] 時志云，蓋建平，王代華，等.新型高速無線射頻器nRF24L01及其應(yīng)用[J].電子設(shè)計工程，2007（8）：42?44.

[11] 程琴，任海東.基于ZigBee的水庫水位監(jiān)測及遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（13）：68?70.

[12] 畢宏彥，崔志洋，張偉.空氣源熱泵控制系統(tǒng)開發(fā)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（22）：150?151.

[13] 蘇偉達(dá)，吳允平，蔡聲鎮(zhèn)，等.壓力傳感器在大型太陽能供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（24）：179?181.

[14] 趙培宇.STC單片機波特率自適應(yīng)方法[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（23）：41?43.