一種基于單片機的液位控制器設計

吳興中，屈澤明

(湖南湘潭鋼鐵集團有限公司，湖南 湘潭 411101)

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一種基于單片機的液位控制器設計

吳興中，屈澤明

(湖南湘潭鋼鐵集團有限公司，湖南 湘潭 411101)

針對湖南湘潭鋼鐵集團管廊溝潛水泵控制現狀和實際要求，設計了一種基于單片機的液位自動控制器。該控制器具有實時監測液位的功能，同時可根據高、低液位設定值，實現自動啟停潛水泵。采用RS485總線協議，可實現遠程監控功能。實際運行結果表明，該控制器具有成本低、運行可靠、穩定、抗干擾能力強等優點，并具有一定的推廣意義。

單片機；RS485總線；遠程監控

引用格式：吳興中，屈澤明. 一種基于單片機的液位控制器設計[J].微型機與應用，2016,35(16)：98-100.

0　引言

隨著控制技術越來越成熟，芯片運行愈來愈穩定，目前越來越多的各種控制器被應用于工礦企業，用于替代過去的人工操作和控制，并取得了巨大的效益和超越人工控制的令人滿意的效果。

湖南湘潭鋼鐵集團公司五米寬厚板廠水處理車間許多電纜、管道鋪設在管廊溝內，由于管廊溝內四壁滲水、水管老化而產生漏水，存在淹沒管道和電纜的風險，由此可能造成管道腐蝕或電纜短路“放炮”的重大事故。故原設計時在管廊溝的積水坑內都安裝了潛水泵控制器，它通過在水中放置3個電極監測積水坑液位的高水位和低水位，實現高水位自動啟動潛水泵運行，低水位時自動停止潛水泵運行。此控制器只能指示高、低兩個液位，不能顯示液位實際值。目前由于潛水泵控制器投運時間較長，元件老化嚴重，90%的控制器已經出現電路板元件燒毀不能使用的現象。為了保證管廊溝內積水不淹沒管道和電纜，湖南湘潭鋼鐵集團公司五米寬厚板廠水處理車間員工需要每天3次去管廊溝內點檢。如果發現有積水，則需要人工啟動潛水泵把水排出管廊溝外，水位低時手動關閉潛水泵，防止潛水泵因無水發熱而燒毀潛水泵電機。

基于此，本文設計了一種基于單片機的超聲波液位控制器，實現了液位實時監測、潛水泵無人操作自動運行等功能。

1　液位控制器的設計

原潛水泵控制器通過在水中放置3個電極監測積水坑液位的高水位和低水位，實現高水位自動啟動潛水泵，低水位時自動停止潛水泵，此控制器存在如下缺陷。

(1)只能指示液位高低，不能顯示液位實際值，由于不知道液位實際值，給在管廊溝內檢修作業帶來不便。

(2)水中放置的3個電極由于產生電解反應，造成電極腐蝕快或結垢嚴重，需要定期更換電極。

(3)原控制器成本較高，需要2 500元左右，且維護成本較高。

基于上述情況，設計了基于單片機的超聲波液位控制器。此控制器具有實時監測實際液位的功能，由于不直接與水接觸，故傳感器使用壽命長，控制器具有維護簡單、成本低廉的特點。

1.1液位控制器的硬件組成及原理

本系統原理結構圖如圖1所示，系統主要由單片機、通信接口電路、LED顯示電路、鍵盤電路、超聲波模塊及控制信號電路組成。

圖1　液位控制器控制結構圖

選取 AT89S52單片機作為控制核心, AT89S52單片機是一種低功耗、高性能 CMOS 8位微控制器。它具有以下資源：8KB Flash，256 B RAM，32位I/O端口，2個數據指針，3個16位定時器/ 計數器， 1個6向量2級中斷結構，全雙工串行口， 片內晶振及時鐘電路等[1]。

HC-SR04是深圳市捷深科技有限公司的一款超聲波測距模塊，它有4個管腳，分別是+5 V Vcc，電源地Gnd，控制端Trig，接收端Echo。HC-SR04模塊如圖2所示。其基本工作原理是：給控制端Trig提供一個10 μS 以上脈沖觸發信號，模塊將發出 8個40 kHz周期波并檢測回波，一旦檢測到有回波信號則輸出回響信號Echo；回響信號Echo的脈沖寬度與所測的距離成正比[2]；由此通過發射信號到收到的回響信號時間間隔計算得到距離，距離=高電平時間×聲速/2。

圖2　超聲波測距模塊HC-SR04

鍵盤電路由數字增加鍵、數字減少鍵、確認鍵、測試鍵4個鍵組成，鍵盤電路采用矩陣式鍵盤電路設計，4個鍵占用4個I/O資源。

LED顯示電路由4位共陰極LED數碼管組成，采用動態掃描方式。利用達林頓集成芯片ULN2008驅動LED數碼管以及繼電器，這樣設計既簡化了電路，也使電路板更緊湊、簡約。數碼管用來顯示實際液位以及設定的高低液位值。通過程序控制繼電器通、斷，實現對潛水泵的啟停控制。

通信接口電路采用芯片MAX485，它符合RS485協議，通過它實現了TTL電平轉換為RS485電平[1,3]。

工作原理分析：控制器以AT89S52單片機為控制核心，通過單片機I/O端口觸發超聲波測距模塊HC-SR04發出40 kHz的超聲波信號。利用單片機I/O端口監測HC-SR04模塊回響信號，一旦回響信號由低電平變為高電平時，啟動單片機定時器，開始計時。當回響信號由高電平變為低電平時，停止計時，讀出回響信號為高電平的時間。根據HC-SR04模塊距離計算公式，計算出傳感器與液位的實際距離LH。實際液位LACT=LSET-LH，其中LSET為量程，LH為傳感器與液位的實際距離。根據實際情況設定高、低液位值，邏輯判斷控制繼電器的通、斷，即潛水泵啟、停控制信號。利用LED數碼管對實際液位LACT進行顯示，實現對實際液位的在線監控。通過RS485接口電路實現遠程操作和監控。另外，控制器可以通過鍵盤電路對高、低液位值進行參數設置操作。為了保證在控制器出現程序“飛跑”的情況下能自動使控制器復位重啟，設計了看門狗電路。

1.2液位控制器的程序設計

控制器程序采用模塊化結構設計，主要包括主程序模塊、鍵盤程序模塊、顯示程序模塊及通信程序模塊等。

在主程序模塊中完成定時器的初始化、中斷初始化以及測量實際液位等功能，主程序功能如圖3所示。

圖3　液位控制器主程序流程圖

鍵盤程序模塊包括鍵盤識別部分、參數顯示部分以及4個鍵的處理部分，設計時采用外部中斷程序來滿足鍵盤對及時響應的要求。

顯示程序采用動態掃描方式實現LED數碼管對數據的顯示，通過定時中斷來保證數碼管掃描時間間隔一致，使數碼管顯示穩定、不閃爍。

圖4　液位控制器與PC通信界

通信程序用于液位控制器與PC通信，實現液位控制器與PC數據交換，便于遠程操作與監控。

2　實驗與結果

通過實驗板對液位控制器進行了測距精度、顯示效果、通信等方面的測試。

實驗表明模塊的盲區為2 cm，探測距離范圍為2～450 cm，控制器有較高的精度，能夠滿足現場的控制要求。

LED數碼管顯示穩定、鮮艷 、清晰，非常適合用在光線暗淡的環境。

通過RS485總線與PC連接通信，實現了液位控制器與上位機PC遠程通信。利用液位控制器與PC通信界面可對高、低液位進行設定，并可監控液位的實際值，通信界面如圖4所示。

[1] 吳興中,朱松林,彭新良.利用單片機實現對云臺的控制[J].四川兵工學報，2011,32(3):71-73.

[2] 深圳市捷深科技有限公司.HC-SR04超聲波測距模塊說明書[Z].2011-02-27.

[3] 吳興中,歐青立.一種PC與單片機多機 RS232串口通信設計[J].國外電子測量技術,2009,28(1):74-76.

One kind of level controller based on microcomputer unit

Wu Xingzhong，Qu Zeming

(Hunan Xiangtan Iron and Steel Group Co., Ltd., Xiangtan 411101, China)

For control status and the actual requirements of submersible pumps of Hunan Xiangtan Iron and Steel Group, a level controller is designed based on single-chip. The controller has real-time monitoring function, and according to high and low level set value, automatically starts and stops submersible pumps. The controller realizes remote monitoring via RS485 bus. The practical results show that the controller is low-cost, reliable, stable, and strong in anti-jamming ability, etc., and has some promotional sense.

MCU; RS485 bus; remote monitoring

TP202

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.16.029

2016-03-24)

吳興中(1980-)，通信作者，男，碩士研究生，工程師，主要研究方向：嵌入式系統、智能控制、PLC開發與應用。E-mail：2452769791@qq.com。

屈澤明(1982-)，男，碩士，工程師，主要研究方向：傳動與控制、流體控制技術。