儲(chǔ)液罐液位控制是一個(gè)熱點(diǎn)的研究問題，為了實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)液罐液位的自動(dòng)控制和檢測(cè)，近年來，許多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，采用的方法主要有紅外法、超聲波法、干簧管傳感器法等，紅外方法檢測(cè)中，由于紅外探測(cè)器和傳感器的應(yīng)用，在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，紅外傳感器在使用中，由于環(huán)境問題，容易出現(xiàn)老化；干簧管傳感器法主要屬于開關(guān)檢測(cè)型，只能對(duì)液位的上限和下限進(jìn)行臨界檢測(cè)，檢測(cè)精度也不高；超聲波檢測(cè)采用光傳播理論，檢測(cè)快速，測(cè)量精度較好，同時(shí)在檢測(cè)過程中不易受到電源或者環(huán)境的干擾，因此得到了廣泛的應(yīng)用。

      文中擬采用單片機(jī)作為控制核心，設(shè)計(jì)按鍵電路模塊、數(shù)字顯示模塊、超聲波傳感器模塊、集成H橋模塊等，完成了一套智能水位控制系統(tǒng)，檢測(cè)誤差低于0.3%，穩(wěn)定時(shí)間低于3 s。

1、超聲波傳感器與工作原理

      超聲波模塊可提供2~400 cm 的非接觸距離測(cè)試功能，測(cè)試的精度最高可以達(dá)到3 mm，主要模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器、和控制電路。

基本工作原理：

      由超聲波模塊發(fā)送信號(hào)，在檢測(cè)端進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，當(dāng)探測(cè)得到超聲波信號(hào)時(shí)，記錄時(shí)間，其中的距 離即時(shí)間與光在空氣中的傳播速度的乘積的一半。

其電路原理圖如圖 1所示。

圖1 超聲波模塊原理圖

      其中 VCC 為電源，該傳感器為5V系統(tǒng)，GND為地，引腳TRIG 為觸發(fā)控制信號(hào)輸入端，ECHP端為回響信號(hào)輸出端。

2 H橋驅(qū)動(dòng)電路與工作原理

      圖 3 所示為一個(gè)典型的直流電機(jī)控制電路，由 4個(gè)三極管組成的H橋驅(qū)動(dòng)電路。H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括 4個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)。根據(jù)設(shè)計(jì)時(shí)序，保證Q1和 Q4或者Q2和Q3成對(duì)同時(shí)導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)M中的電流方向變換，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向的控制。

圖3 H橋驅(qū)動(dòng)電路

      該電路在實(shí)際使用過程中，當(dāng)電流流向 Q1- M-Q4 切換到Q2-M-Q3 過程中，會(huì)出現(xiàn)第一條通路 還沒有完全關(guān)閉的時(shí)刻，第二條支路就自動(dòng)導(dǎo)通的 情況，這種情況稱之為直通，當(dāng)直通現(xiàn)象產(chǎn)生后，電 流不流經(jīng)電機(jī)M，并會(huì)產(chǎn)生極大的電流，會(huì)給電路到來很大的危害，基于此，需要對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn)，在方向切換時(shí)，增加“死區(qū)”時(shí)間，待完全關(guān)閉其中一條通 道后，切換再進(jìn)行 。改進(jìn)的電路圖如圖 4 所示。在 基本 H 橋電路的基礎(chǔ)上增加了4個(gè)與門和 2個(gè)非門。

      4個(gè)與門同一個(gè)“使能”導(dǎo)通信號(hào)相接，通過提供一種方向輸入，可以保證任何時(shí)候在H橋的同側(cè)腿上都只有一個(gè)三極管能導(dǎo)通。從而杜絕了直通現(xiàn)象。

圖4 改進(jìn)過的H橋驅(qū)動(dòng)電路

3 單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

      該系統(tǒng)采用STC12系列或者STC89C51系統(tǒng)單片機(jī)進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，具體的設(shè)計(jì)電路圖如果5所示。最小系統(tǒng)包含復(fù)位電路、晶振電路和電源電路等。

圖5 單片機(jī)控制電路圖

4 報(bào)警電路設(shè)計(jì)

      報(bào)警電路采用有源蜂鳴器設(shè)計(jì)。報(bào)警電路圖如圖6所示。

圖6 報(bào)警電路

       蜂鳴器采用9012三極管驅(qū)動(dòng)，其基極接到RD端，當(dāng)RD端為低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器響。否則關(guān)斷。蜂鳴器正極接大小為5V的電源，負(fù)極則要接到三極管的集電極上。三極管的基極需要通過與門聯(lián)通單片機(jī)的引腳。當(dāng)引腳為高電平時(shí)，此時(shí)的與非門輸出低電平，三極管停止導(dǎo)通，蜂鳴器失電，不報(bào)警；當(dāng)引腳電平為低時(shí)，則與非門輸出高電平，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器中的電流形成回路發(fā)出警 報(bào)報(bào)警。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

      軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，主要有按鍵控 制程序模塊、數(shù)碼管顯示模塊、定時(shí)中斷程序模塊、 超聲波傳感器控制模塊、H 橋電機(jī)控制模塊等。

5.1 主程序流程圖設(shè)計(jì)

      程序啟動(dòng)后，啟動(dòng) T1 定時(shí)計(jì)數(shù)器中斷啟動(dòng)，調(diào) 用計(jì)數(shù)器函數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)到達(dá)到 400，時(shí)（800 ms），調(diào)用 距離計(jì)算函數(shù)，超聲波模塊啟動(dòng)，開啟計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)， 當(dāng)超聲波模塊接收到返回聲音時(shí)停止計(jì)數(shù)，通過計(jì) 算函數(shù)計(jì)算得出距離并顯示在數(shù)碼管上，并判斷水 位狀態(tài)，低于最低水位時(shí)，采用聲光報(bào)警，并啟動(dòng)水 泵進(jìn)行抽水，而當(dāng)水位高于上限水位時(shí)，同樣采用聲光報(bào)警，低水位時(shí)采用黃燈報(bào)警，高水位時(shí)采用紅燈報(bào)警，如此循環(huán)。

5.2 T1中斷子程序流程圖

      T1 中斷主要完成掃描數(shù)碼管顯示和開啟超聲 波模塊的作用，首先進(jìn)行初值的裝載，并不斷掃描數(shù)碼管更新顯示，當(dāng)檢測(cè)時(shí)間到達(dá)800 ms時(shí)，自動(dòng)清零，開啟超聲波模塊，接受到信號(hào)后然后關(guān)閉，以此循環(huán)。

具體的流程圖設(shè)計(jì)如圖 8所示。

圖7 主流程圖

圖8 T1中斷程序子流程圖

5.3 計(jì)數(shù)模塊程序子流程圖

      流程圖如圖9所示，計(jì)數(shù)模塊主要完成數(shù)值轉(zhuǎn)換后，在液晶顯示器上顯示十進(jìn)制的數(shù)值。首先進(jìn) 行定時(shí)器的初始化，設(shè)置TMOD為定時(shí)模式，并將初值放置在TH0 和 TL0，當(dāng)定時(shí)時(shí)間到達(dá)后，標(biāo)志位清零，進(jìn)入下一次定時(shí)循環(huán)。

圖9 計(jì)數(shù)模塊子流程圖

6、調(diào)試與結(jié)果分析

      根據(jù)軟硬件的設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試，其調(diào)試結(jié)果如表2所示。

      根據(jù)測(cè)試結(jié)果可得，該系統(tǒng)測(cè)量穩(wěn)定時(shí)間短，測(cè)試均在3s時(shí)間內(nèi)完成，測(cè)量誤差均在 0.3%以下，測(cè)量精度高。當(dāng)水位達(dá)到上限時(shí)，裝置會(huì)聲光報(bào)警，并停止水泵抽水；同理，當(dāng)水位低于最低水位時(shí)，系統(tǒng) 會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)水泵進(jìn)行抽水，從而實(shí)現(xiàn)水位的智能控制，測(cè)試簡(jiǎn)便，人機(jī)交互好，在同類項(xiàng)目中達(dá)到了較高的水平。

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