基于單片機液位控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計?

張小娟 高 蕊 常豪豪

1 引言

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中，容器中料位狀態(tài)往往決定著所要生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量的高低。容器中物料的狀態(tài)一般有料位，溫度、濃度［1］等都十分重要，所以研究生產(chǎn)過程這些控制量對于生產(chǎn)過程自動化實現(xiàn)往往具有十分重要的意義。以液位為研究對象，生產(chǎn)過程［2］中一般要保障容器里的原料、產(chǎn)品或半成品的數(shù)量，來確定生產(chǎn)過程各環(huán)節(jié)物料平衡以及為進行經(jīng)濟核算，首先應(yīng)該有能夠檢測該容器液位的裝置提供的依據(jù)，另外還有可靠的控制方式來改變?nèi)萜髟系臄?shù)量；以及對液位的實時測量，掌握液位在規(guī)定的波動范圍內(nèi)波動情況，進而及時調(diào)整正常生產(chǎn)狀態(tài)［3］。液位測量在工業(yè)生產(chǎn)過程中已經(jīng)的格外重要而且逐漸成熟。特別是對液位測量，能夠幫助確定液位或物位的高度，實現(xiàn)數(shù)字化和智能化接軌以便于其他工作的有序進行。

2 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計

本系統(tǒng)是基于單片機的超聲波液位［4］測控系統(tǒng)主要由單片機、時鐘、復(fù)位電路組成的最小系統(tǒng)和測溫、按鍵電路、超聲波模塊、顯示、報警及控制電路等組成。硬件系統(tǒng)的框圖如圖1所示。

本裝置在使用范圍內(nèi)，根據(jù)使用場合先確定探頭距容器底部安裝高度，然后設(shè)定液位波動范圍，后投入運行，在運行時也可設(shè)定液位波動范圍，此時電機被自鎖不會動作，系統(tǒng)會給予狀態(tài)提示，設(shè)置完畢退出設(shè)置模式后電機恢復(fù)正常執(zhí)行。

圖1 超聲波液位測量系統(tǒng)框圖

3 超聲波液位測控系統(tǒng)

3.1 超聲波測液位原理

超聲波液位［5］測量的原理也就是基于測距原理，即是超聲波探頭測到距液面的距離，如果超聲波探頭經(jīng)過特殊處理安裝在容器的底部時，測得的距離就為液位的實際高度，如果探頭安裝到容器液面的上方，需要通過單片機換算來得到液位高度（液位的高度為超聲波探頭相對于容器底部距離減去實際測到的距離），本設(shè)計考慮到實際應(yīng)用的方便性，選擇把超聲波探頭裝到容器液面的上方。同時，本設(shè)計兼有按鍵切換測距功能。

此系統(tǒng)的實現(xiàn)算法原理設(shè)計由圖2參考可知，液位換算公式：

式中：H為探頭到所測容器底部的距離，需要安裝好完后提前測量；S為本系統(tǒng)在工作過程中探頭到實時液面所測得到的距離；h即為所要檢測的液位。

圖2 測液位原理

3.2 電機控制原理

液位控制之前首先要確定現(xiàn)場容器液位［6］允許波動的范圍，在安裝完成之后可以通過鍵盤設(shè)定其液位的上下限，然后系統(tǒng)投放運行后，由單片機根據(jù)實時采集到液位高度控制電機工作及其狀態(tài)指示，即當液位低于下限時，給于狀態(tài)提示以及順時打開電機，當高于下限在液位波動范圍內(nèi)，狀態(tài)燈關(guān)閉以及電機反轉(zhuǎn)關(guān)閉。當液位高于上限，目前只提供狀態(tài)提示可為以后擴展用。

本系統(tǒng)工作基本流程圖如下：

圖3 電機控制原理

4 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計

4.1 單片機最小系統(tǒng)電路

單片機可以用最少的外圍電路所搭建起來的可以工作的電路系統(tǒng)被稱為最小應(yīng)用系統(tǒng)，一般可稱為單片機的最小系統(tǒng)。51系列單片機最小系統(tǒng)一般應(yīng)該有單片機、電源、時鐘和復(fù)位電路構(gòu)成。

4.2 超聲波測距模塊

HC-SR04為超聲波測距［7］集成化模塊，非常簡便好用，此模塊共有4只引出腳，從左往右，第一只腳VCC為工作電壓為5V和單片機共用同一電源；第二只腳TRIG為輸入觸發(fā)信號，接在單片機的P3.6腳；第三只腳ECHO為輸出回響信號，接在單片機的P3.7腳；第四只腳GND為接地端，如圖4實物及規(guī)格。

圖4 實物圖規(guī)格

HC-SR04超聲波模塊是已包含發(fā)射、接收和控制電路，可提供4cm～400cm檢測距離范圍，而且精度可高達3mm，使用起來比較簡單。其超聲波時序圖如圖5。

圖6 超聲波時序圖

本次設(shè)計系統(tǒng)控制電路主要有步進電機，驅(qū)動電路和狀態(tài)指示燈組成。狀態(tài)指示燈即是對操作過程，以及工作狀態(tài)的指示作用，讓本系統(tǒng)操作更具人性化；驅(qū)動電路即可以提高電機的負載能力；將電機轉(zhuǎn)動情況作為模擬閥門的動作機構(gòu)的狀態(tài)，其特點是可以將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為角度（模擬水泵的開度）的機電式數(shù)模轉(zhuǎn)換器。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

5.1 系統(tǒng)軟件編譯開發(fā)環(huán)境

Keil軟件［8］當前是單片機程序開發(fā)最熱的軟件，其功能強大，可用于C語言程序、匯編源程序的編寫和調(diào)試等。本次設(shè)計，將使用μVision4版本作為軟件編程開發(fā)環(huán)境，來完成程序編寫及調(diào)試。

5.2 超聲波模塊操作過程

超聲波［9～11］模塊通過接收到單片機發(fā)送的觸發(fā)脈沖信號，模塊自動的發(fā)送和接收超聲信號，同時將測到的脈沖寬度反饋給單片機，讓其計算時間。如果距離過遠或沒有接收到返回信號，單片機內(nèi)部給予溢出處理，1602顯示屏并顯示888．8作為錯誤判斷。部分程序如下：

/*============================================

HC-SRO4超聲波測距模塊DEMO程序

校驗數(shù)據(jù)

最小測距時間0.04m/340=117.647us lcd顯示 2cm

4/340=11764.706 us 200cm

8/340=max23529.412 us 400cm

/***********計算顯示距離函數(shù)**************/

void Conut(uint lev)

{

Table1[0]=lev/1000+0x30;//顯示百前值

4wei

Table1[1]=lev%1000/100+0x30;//顯示十前值

Table1[2]=lev%100/10+0x30; //顯示個前值

Table1[3]='.'; //顯示當前值

Table1[4]=lev%10+0X30; //顯示h前值

if(Table1[0]=='0')

{Table1[0]=''; //如果百位為0,不顯示

if(Table1[1]=='0')

{

Table1[1]=''; //如果百位為0,十位為0也不顯示

}

}

se=lev/10;// 3wei se=S/10;

wr_com(0x89);

wr_dat(Table1[0]); //顯示百位

wr_com(0x8a);

wr_dat(Table1[1]); //顯示十位

wr_com(0x8b);

wr_dat(Table1[2]); //顯示個位

wr_com(0x8c);

wr_dat(Table1[3]);

wr_com(0x8d);

wr_dat(Table1[4]);

}

6 系統(tǒng)制作及仿真調(diào)試

本設(shè)計使用此軟件創(chuàng)建工程，然后進行程序編寫，程序調(diào)試完成后生成。HEX文件作為單片機可執(zhí)行程序，調(diào)試結(jié)果如圖7所示。

單片機可執(zhí)行文件即二進制機器代碼，對應(yīng)于用Keil軟件編譯過后的生成的。HEX文件，仿真結(jié)果，例如P3.7假如用一個頻率一定的脈沖來代替，檢測其脈寬時間，即是HC-SR04模塊引腳ECHO返回信號的輸出，顯示P3.7口信號的產(chǎn)生情況。

校驗數(shù)據(jù)：

假設(shè)在（15℃下）聲速340m/s測量，則根據(jù)原理要測到的脈寬時間t應(yīng)為

LCD顯示2cm，t=0.04m/340/1.0851=108.42μs；

LCD顯示20.0cm，t=0.4m/340/1.0851=1084.2μs；

LCD顯示200cm，t=4m/340/1.0851=10842μs。

當 t=0.4m/340/1.0851=1084.2μs時，仿真結(jié)果圖如圖8所示。

圖7 Proteus仿真結(jié)果

圖8 波形時間及結(jié)果

從上圖看出，P3.7口輸出了信號脈寬時間1.08ms，LCD1602顯示正確，軟件仿真結(jié)果說明設(shè)計信號采集與理論相符，非常準確；然后控制部分，通過按鍵設(shè)定液位波動范圍，模擬液位越限情況，發(fā)現(xiàn)結(jié)果與理論相符。

7 結(jié)語

本此課題為液位［12］測控系統(tǒng)的研究與設(shè)計，在設(shè)計中，本系統(tǒng)由STC89C52單片機搭建的最小系統(tǒng)系統(tǒng)和超聲波傳感器模塊、4個鍵盤、DS18B20、LCD1602顯示、報警系統(tǒng)和步進電機等外設(shè)組成，具有設(shè)置上下限、超限報警、自動控制步進電機（模擬閥門的開度）等功能。在運行的時候，系統(tǒng)會根據(jù)現(xiàn)場的液位控制要求來判斷，液位低于下限時，系統(tǒng)打開外接水泵進行注水，直到液位［13］符合現(xiàn)場控制要求時停止。另外為了提高了系統(tǒng)的測量精確度，使其具有一定的抗干擾能力，STC89C52單片機需要通過對超聲波所處的環(huán)境溫度進行采樣，依據(jù)其在空氣中傳輸?shù)年P(guān)系，然后進行數(shù)據(jù)處理及控制，來達到聲速的補償，超聲波液位檢測模塊測量精度達到3mm。

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