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基于超聲波的智能液位控制系統(tǒng)設計

       儲液罐液位控制是一個熱點的研究問題,為了實現(xiàn)儲液罐液位的自動控制和檢測,近年來,許多學者進行了大量的研究,采用的方法主要有紅外法、超聲波法、干簧管傳感器法等[1-5],紅外方法檢測中,由于紅外探測器和傳感器的應用,在系統(tǒng)中設計比較復雜,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檢測型,只能對液位的上限和下限進行臨界檢測,檢測精度也不高【6-10】;超聲波檢測采用光傳播理論,檢測快速,測量精度較好,同時在檢測過程中不易受到電源或者環(huán)境的干擾[11-13],因此得到了廣泛的應用。
       文中擬采用單片機作為控制核心,設計按鍵電路模塊、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),檢測誤差低于 0.3%,穩(wěn)定時間低于 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 的非接觸距離測試功能,測試的精度最高可以達到 3 mm,主要模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器、和控制電路[14-16]。

基本工作原理:

      由超聲波模塊發(fā)送信號,在檢測端進行信號檢測,當探測得到超聲波信號時,記錄時間,其中的距離即時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。
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圖1 超聲波模塊原理圖

2 H橋驅動電路與工作原理
       圖 3 所示為一個典型的直流電機控制電路,由 4個三極管組成的 H 橋驅動電路。H 橋式電機驅動電路包括 4個三極管和一個電機。根據(jù)設計時序,保證Q1和 Q4或者 Q2和 Q3成對同時導通,從而實現(xiàn)電機M中的電流方向變換,實現(xiàn)對電機運轉方向的控制。

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圖3 H橋驅動電路
      該電路在實際使用過程中,當電流流向從 Q1-M-Q4 切換到 Q2-M-Q3 過程中,會出現(xiàn)第一條通路還沒有完全關閉的時刻,第二條支路就自動導通的情況,這種情況稱之為直通,當直通現(xiàn)象產(chǎn)生后,電流不流經(jīng)電機 M,并會產(chǎn)生極大的電流,會給電路到來很大的危害,基于此,需要對電路進行改進,在方向切換時,增加“死區(qū)”時間,待完全關閉其中一條通道后,切換再進行 。改進的電路圖如圖 4 所示。在基本 H 橋電路的基礎上增加了 4個與門和 2個非門。

4個與門同一個“使能”導通信號相接,通過提供一種方向輸入,可以保證任何時候在 H橋的同側腿上都只有一個三極管能導通。從而杜絕了直通現(xiàn)象。

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圖4 改進過的H橋驅動電路
3 單片機控制系統(tǒng)設計
      該系統(tǒng)采用STC12系列或者STC89C51系統(tǒng)單片機進行控制系統(tǒng)的設計,具體的設計電路圖如果 5所示。最小系統(tǒng)包含復位電路、晶振電路和電源電路等。

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圖5 單片機控制電路圖

4 報警電路設計

報警電路采用有源蜂鳴器設計。報警電路圖如圖 6所示。

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圖6 報警電路
      蜂鳴器采用 9012 三極管驅動,其基極接到 RD端,當 RD 端為低電平時,三極管導通,蜂鳴器響。否則關斷。蜂鳴器正極接大小為 5 V 的電源,負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)通單片機的引腳。當引腳為高電平時,此時的與非門輸出低電平,三極管停止導通,蜂鳴器失電,不報警;當引腳電平為低時,則與非門輸出高電平,三極管導通,蜂鳴器中的電流形成回路發(fā)出警報報警。

5 系統(tǒng)軟件設計

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

5.1 主程序流程圖設計

      程序啟動后,啟動 T1 定時計數(shù)器中斷啟動,調用計數(shù)器函數(shù),當計數(shù)到達到 400,時(800 ms),調用距離計算函數(shù),超聲波模塊啟動,開啟計數(shù)器計數(shù),當超聲波模塊接收到返回聲音時停止計數(shù),通過計算函數(shù)計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,采用聲光報警,并啟動水泵進行抽水,而當水位高于上限水位時,同樣采用聲光報警,低水位時采用黃燈報警,高水位時采用紅燈報警,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,首先進行初值的裝載,并不斷掃描數(shù)碼管更新顯示,當檢測時間到達 800 ms 時,自動清零,開啟超聲波模塊,接受到信號后然后關閉,以此循環(huán)。

5.3 計數(shù)模塊程序子流程圖
      流程圖如圖 9 所示,計數(shù)模塊主要完成數(shù)值轉換后,在液晶顯示器上顯示十進制的數(shù)值。首先進行定時器的初始化,設置 TMOD 為定時模式,并將初值放置在 TH0 和 TL0,當定時時間到達后,標志位清零,進入下一次定時循環(huán)。

6 調試與結果分析

      根據(jù)軟硬件的設計,對系統(tǒng)進行了調試,其調試結果如表 2所示。

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表2 調試結果

      根據(jù)測試結果可得,該系統(tǒng)測量穩(wěn)定時間短,測試均在 3 s 時間內完成,測量誤差均在 0.3%以下,測量精度高。當水位達到上限時,裝置會聲光報警,并停止水泵抽水;同理,當水位低于最低水位時,系統(tǒng)會自動啟動水泵進行抽水,從而實現(xiàn)水位的智能控制,測試簡便,人機交互好,在同類項目中達到了較高的水平。

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